DE19609933A1 - Verfahren zur Herstellung eines Heterobipolartransistors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Heterobipolartransistors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Heterobipolartransistors (HBT) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet insbesondere Verwen­ dung bei der Herstellung von SiGe-HBT. Derzeit sind zwei verschiedene Schichtstrukturen von SiGe-HBT′s bekannt. Ein HBT mit niedrig dotiertem Si-Emitter und höher dotierter SiGe-Basis mit abrupten rasterförmigem Ge- und Dotier­ stoffprofilen und ein HBT mit einer Schichtstruktur mit graduierten Ge- und Dotierstoffprofilen wie in Standardbi­ polartransistoren. Bei letztgenanntem Schichtaufbau können jedoch die Vorteile der Heterostruktur nicht voll genutzt werden, da der Basisschichtwiderstand wie beim Standardbipolartransistor mit der Dicke der Basis skaliert und nicht wie bei dem SiGe-HBT mit kastenförmigem Ge- und Dotierstoffprofilen fast unabhängig von der Basisdicke ist. Dies schlägt sich vor allem in den maximalen Schwing­ frequenzen nieder, die bei der erstgenannten Variante weitaus höher liegen als bei der zweiten Variante.

Nachteilig bei dem SiGe-HBT mit kastenförmigen Ge- und Do­ tierstoffprofilen ist jedoch, daß aufgrund der steilen Ge- und Dotierstoffprofile die Struktur sehr sensibel auf Tem­ perungen, Implantationen und thermische Oxidationen rea­ giert und deshalb eine Doppelmesastruktur am vorteilhafte­ sten ist. Die Mesastruktur des Emitters hat jedoch den Nachteil, daß der Abstand zwischen den die Leitbasis mit­ bildende Silizid und dem Leitbasis/Emitter-übergang durch einen Doppelspacer definiert werden muß. Bei dieser Dop­ pelspacertechnologie sind hohe Implantationsenergien not­ wendig, die zu Defekten in der Basis führen und somit die Schichtqualität und die Transistoreigenschaften nachteilig beeinflussen.

Darüberhinaus war es bisher nicht möglich, einen Poly-Si-Emitter auf einem HBT mit kastenförmigen Ge- und Dotier­ stoffprofilen zu realisieren, da dann eine Ausdiffusion des Dotierstoffs (z. B. Bor) aus der Basis in Gang gesetzt wird.

Aus einer Veröffentlichung von J.N. Burghartz et. al. in IEEE, 1993, Bipolar Circuits and Technology Meeting, S. 55-62, ist die Herstellung eines Heterobipolartransi­ stors mit selbstjustierend hergestellter SiGe-Basis be­ kannt. Die SiGe-Basis ist hoch dotiert und der Emitter ist gering dotiert und die Schichten werden mit CVD herge­ stellt. Als Emitterkontaktmaterial wird amorphes Silizium verwendet, das ganz flächig abgeschieden wird (Fig. 1d) und anschließend planarisiert wird. Zur Definition des Emit­ ters wird ein Inside-Spacer verwendet, der plan zu SiO₂ Öffnungen geschliffen wird. Dadurch ergibt sich eine rela­ tiv geringe Kontaktfläche, wodurch der Kontaktwiderstand des Emitters erhöht wird. Als Dotiermaterial für den Emitterkontakt wurde As verwendet, wodurch ebenfalls ein relativ hoher Kontaktwiderstand auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Her­ stellung eines Heterobipolartransistors, das für eine Mas­ senproduktion geeignet ist und mit dem produkttaugliche HBT′s mit guten Schichtqualitäten und geringen Kontaktwi­ derständen herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch einen Exside-In­ side-Spacer-Prozeß mit einem amorphen Si-Emitter die oben aufgeführten Nachteile beseitigt werden. Es können in vor­ teilhafterweise Standardlithographieverfahren zur selbst­ justierenden Herstellung von Emitterbreiten bis zu ca. 0,3 µm eingesetzt werden. Weiterhin entfällt die Si-Me­ saätzung des Emitters, dadurch findet die Passivierung des Bauelements an einer sauberen Oberfläche statt. Da bei dem vorliegenden Verfahren weitaus geringere Implantati­ onsenergien als bei der Doppelspacertechnologie notwendig sind, werden hohe Schichtqualitäten erreicht und die Tran­ sistoreigenschaften verbessert.

Durch die Verwendung eines Exside-Inside-Spacers kann der Abstand zwischen Leitbasis/Emitter-übergang und das die Basiszuleitung mitbildende Silizid genau eingestellt wer­ den und dadurch Kurzschlüsse vermieden werden.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Phosphor bei der Dotierung des amorphen Si-Emitterkontaktes und die an­ schließende Kurzzeittemperung bei Temperaturen von mehr als 900°C, da dadurch die Ausdiffusion von Bor aus der Ba­ sis verhindert wird. Außerdem hat Phosphor dotiertes amor­ phes Silizium einen sehr geringen Widerstand.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In den Fig. 1a bis 1f ist an einem Ausführungsbeispiel der Verfahrensablauf dargestellt. Zur Herstellung des diffe­ rentiellen HBT wird beispielsweise gemäß Fig. 1a in einem p-dotierten Si-Substrat eine n⁺-dotierte Wanne 2 als Kol­ lektorzuleitungsschicht ausgebildet. Auf das Substrat 1 mit Wanne 2 wird eine erste Schicht, die Kollektorschicht 3 aus z. B. n⁻-dotiertem Si epitaktisch gewachsen. In diese erste Schicht werden z. B. durch photolithographische Strukturierung und lokale Oxidation des Siliziummaterials (LOCOS oder recessed LOCOS) Isolationsgebiete 6 erzeugt, die vorzugsweise bis in das Substrat 1 bzw. Wanne 2 rei­ chen. Außerdem ist es möglich mittels selektiv einfüllen­ der Epitaxie in einer auf einem Substrat 1 mit Wanne 2 hergestellten Struktur aus Isolationsgebieten 6 eine erste Schicht, die Kollektorschicht 3 aus n⁻-dotiertem Si aufzu­ wachsen. Derartige Verfahren sind z. B. in der DE 44 17 916 angegeben. Auf eine derartige Struktur wird z. B. eine p-dotierte SiGe-Schicht und eine n-dotierte Si-Schicht mit einem differentiellen Epitaxie-Verfahren (MBE oder CVD) abgeschieden (Fig. 1a). Dabei wächst monokristallines Halbleitermaterial in den Bereichen zwischen den Isolati­ onsgebieten 6, die z. B. aus SiO₂ hergestellt sind, und po­ lykristallines Halbleitermaterial auf dem SiO₂. Es bilden sich die monokristallinen Bereiche bestehend aus den SiGe- und Si-Schichten 4a, 5a die die Basis-Schicht 4a und die Emitterschicht 5a bilden, und polykristalline SiGe- und Si-Schichten 4b, 5b. Diese Schichtenfolge wird thermisch oxidiert. Anschließend wird eine Doppelschicht 7, 8 aus z. B. SiO₂ und Si₃N₄ aufgebracht (Fig. 1a). Aus der Si₃N₄-Schicht 8 wird mit einem Lithographieschritt und einer Plasmaätzung eine Emittermaske 8a hergestellt (Fig. 1b). Durch eine nachfolgende Implantation z. B. mit BF₂bei 40 kev und einer Flächendotierung von 6·10¹⁵ cm-2 erfolgt eine Um­ dotierung der Schichtenfolge, derart, daß lediglich der durch die Maske 8a abgedeckte Teil nicht davon betroffen wird (Fig. 1b). Die Grenzen zwischen poly- und monokri­ stallinem Material sind bei der Umdotierung miteinge­ schlossen. Anschließend wird eine Kurzzeittemperung durch­ geführt und über geeignete Ätz- und Lithographieverfahren wird die Leitbasis 11 und der Kollektoranschluß C struktu­ riert (Fig. 1c). Es werden an der Emittermaske 8a und an den senkrechten Flanken der Leitbasis 11 Spacer 9a, 9b aus z. B. SiO₂ erzeugt (Fig. 1c). Nachfolgend wird eine Metall­ schicht z. B. Ti abgeschieden und es bildet sich im Bereich der Leitbasis und dem Kollektoranschluß C eine Silizid­ schicht 10 . Durch die Spacer 9a, 9b erfolgt die Silizid­ bildung selbstjustierend. Der Abstand zwischen Leitba­ sis/Emitter Übergang und der Silizidschicht wird durch den Spacer 9a definiert. Die Ti-Schicht wird außer im Basis- und Kollektorbereich wieder entfernt.

Anschließend wird eine SiO₂-Schicht 12 ganz flächig abgeschieden und mittels Politurätzung (chemical mechani­ cal polishing (CMP)) das Emitterfenster wieder geöffnet (Fig. 1d). Durch einen nachfolgenden naßchemischen Ätzpro­ zeß wird die Maske 8a im Fensterbereich entfernt und es wird ein Inside-Spacer 13 aus z. B. poly-Si oder einer Kom­ bination aus dünnem Nitrid und poly-Si gebildet (Fig. 1e).

Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, daß die für die Spacer-Herstellung notwendige Plasmaätzung auf der Oxid­ schicht 7 stoppt, so daß die Emitterschicht 5a nicht von der Plasmaätzung beeinflußt wird. Der Inside-Spacer defi­ niert die Emitterbreite und es lassen sich Emitterbreiten z. B. von etwa 0,4 µm realisieren.

Die Oxidschicht 7 im Emitterbereich wird anschließend naßchemisch entfernt. Es wird amorphes Si zur Bildung ei­ ner Emitterkontaktschicht 14 abgeschieden. Zur Herstellung einer n⁺-dotierten Emitterkontaktschicht 14 wird das amor­ phe Si mit Phosphor dotiert und nachfolgend ein Kurzzeit­ ausheilschritt durchgeführt. Dieser Kurzzeitausheilschritt findet bei einer Temperatur von mehr als 900°C statt. Der Emitterkontakt wird strukturiert und es kann noch zusätz­ lich auf der amorphen Si-Schicht selektiv zum SiO₂ eine Silizidschicht 15, z. B. mit Ti, ausgebildet werden (Fig. 1e). Bei einer derartigen Emitterkontaktherstellung treten keinerlei Probleme beim Übergang von der amorphen Si-Kon­ taktschicht 14 zur monokristallinen n-Emitterschicht 5a auf, da die monokristalline Emitterschicht 5a nicht einem Plasmaätzprozeß ausgesetzt wird und eine gute Schichtqua­ lität besitzt. Außerdem ist vorteilhaft, daß der aktive Basis/Emitter Übergang nicht durch Ausdiffusion aus dem amorphen Si bestimmt wird, sondern lediglich durch die Do­ tierungsverhältnisse während des Epitaxieverfahrens.

Da die Temperaturen der Kurzzeitausheilschritte bei mehr als 900°C liegen können, was oberhalb der zulässigen Tem­ peratur für metastabile SiGe-Schichten liegt, ist das er­ findungsgemäße Verfahren temperaturstabiler als bekannte Verfahren der Bipolarherstellung.

Es folgt anschließend das Öffnen der Kontaktlöcher für den Basis- und Kollektoranschluß und eine Standardmetallisie­ rung zur Herstellung der Kontakte C, B, E (Fig. 1f).

Die Erfindung ist nicht auf die im Detail beschriebene Herstellung eines npn-HBT beschränkt, sondern auf komple­ mentäre Dotierung und auf gewöhnliche Bipolartransistoren in analoger Weise anwendbar. Das Halbleitermaterial ist nicht auf Si und SiGe beschränkt. Insbesondere können auch III/V-Halbleiterverbindungen zum Einsatz kommen. Es bietet sich auch die Möglichkeit einer "Collector-on-top"-Anord­ nung, bei welcher die Reihenfolge der Transistorschichten umgekehrt ist.

Ein typischer Aufbau für einen nach der Erfindung herge­ stellten SiGe-HBT wird im folgenden Zahlenbeispiel angege­ ben:

  • - ein p-Si-Substrat 1 mit einem spezifischen Wider­ stand von 20 Ωcm
  • - eine Si-Kollektorzone 2 mit einem Schichtwider­ stand von 10 Ω/Flächeneinheit
  • - eine Si-Kollektorschicht 3 mit einer n⁻-Dotierkon­ zentration von 1·10¹⁶ bis 5·10¹7 cm-3 und einer Schichtdicke von 200 nm bis 1000 nm.
  • - eine SiGe-Basisschicht 4a mit einer p-Dotierkon­ zentration von 2·10¹⁹ cm-3 und einer Schichtdicke von 40 nm
  • - eine Si-Emitterschicht 5a mit einer n-Dotierkon­ zentration von 2·10¹⁸ cm-3 und einer Schichtdicke von 70 nm
  • - einer amorphen Si-Emitterkontaktschicht 14 mit ei­ ner Schichtdicke von 150 nm und einer Phosphorim­ plantation von 1·10¹⁶ cm-2 bei 20 keV
  • - Exside-Spacer mit einer Breite von 150 nm
  • - Inside-Spacer mit einer Breite von 100 nm
  • - Silizidschichten aus TiSi₂ mit einer Schichtdicke von 50 nm
  • - eine Metallisierung der Kontakte C, B, E mit einer AlTiSi- oder AlSiCu-Schicht mit einer Schichtdicke von 1 µm.

Desweiteren ist es vorteilhaft zur Herstellung einer Kol­ lektorschicht 3, nach der Inside-Spacerätzung durch die Emitteröffnung ohne weitere Maske eine zusätzliche Dotie­ rung z. B. mit Phosphor mit einer Flächendotierung von 5·10¹² cm-2 bei 100 kev durchzuführen (selektiver implantier­ ter Kollektor).

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Heterobipolartransi­ stors, bei dem auf einer monokristallinen Zuleitungs­ schicht eine strukturierte erste Schicht mit einer Kollek­ torzone und mit diese umgebenden Isolationsgebiete er­ zeugt wird und über der Kollektorzone eine monokristalline Transistor-Schichtenfolge und gleichzeitig über den Isola­ tionsgebieten eine polykristalline Schichtenfolge gewach­ sen wird, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Emitterschicht der monokristallinen Tran­ sistor-Schichtenfolge durch eine geeignete Maske abgedeckt wird und die der Emitterschicht entspre­ chende polykristalline Schicht als Teil des Basis­ zuleitung ausgebildet wird, derart, daß die Gren­ zen zwischen poly- und monokristallinem Material bei der Umdotierung mit eingeschlossen sind,
  • - daß an den senkrechten Flanken der Maske und der Basiszuleitung äußere Oxid-Spacer ausgebildet wer­ den und anschließend eine selbtjustierende, teil­ weise Umwandlung des Basiszuleitung in Silizid durchgeführt wird, so daß der Abstand zwischen Leitbasis/Emitter und Silizid durch den Spacer be­ stimmt wird,
  • - daß die Maske über dem Emitterbereich entfernt wird und zur Definition des Emitters eine Exside-Inside-Spacer-Struktur gebildet wird, und
  • - daß hochdotiertes amorphes Halbleitermaterial zur Herstellung des Emitterkontaktes auf die Emitter­ schicht abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heterobipolartransistor aus einer Si/SiGe-Heterostruk­ tur mit einer p-dotierten SiGe-Basis und einem gering n-dotierten Si-Emitter gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Transistorschichtenfolge eine Oxid-/Nitrid-Doppel­ schicht aufgebracht wird und mit einem Lithographie- und Ätzschritt eine zur Definition des Emitters geeignete Ni­ trid-Maske hergestellt wird, und die Oxidschicht als Schutzschicht erhalten bleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszuleitung durch BF₂-Implantation der polykristal­ linen Schichtenfolge mit anschließender Kurzzeittemperung und einem nachfolgenden Maskierungsschritt hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zum Entfernen der Maske über dem Emitterbe­ reich die gesamte Struktur mit SiO₂ abgedeckt wird und mittels Politurätzung ein Emitterfenster geöffnet wird,
  • - daß anschließend die Nitrid-Maske naßchemisch ent­ fernt wird, derart das die Ätze an der Oxidschicht stoppt,
  • - daß durch Abscheidung von poly-Silizium und an­ schließendes Ätzen an den senkrechten Flanken der Emitteröffnung Inside-Spacer hergestellt werden, und
  • - daß die die Emitterschicht schützende Oxidschicht naßchemisch entfernt wird und hochdotiertes amor­ phes Silizium als Emitterkontaktschicht auf die Emitterschicht aufgebracht wird und ein Kurzzeit­ ausheilschritt durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterkontaktschicht mit Phosphor implantiert wird bei Energien von 20 keV und mit einer Flächendotierung von 10¹⁶ cm-2.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzzeitausheilung bei mehr als 900°C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Inside-Spacer Emitterbreiten bis zu 0,3 µm er­ reicht werden.
9. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das amorphe Silizium der Emitterkontaktschicht über die Fensterbreite ausgebildet und dadurch eine größere Kontaktfläche hergestellt wird, und daß darauf eine Silizidschicht aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschichten in um­ gekehrter Reihenfolge gewachsen werden und der Kollektor- und Emitteranschluß vertauscht angeordnet werden.
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