DE19840866B4 - Verfahren zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren,
dadurch gekennzeichnet, daß ein
Diffusionsverfahren mit einem BBr3-Vorbelegungsprozeß Anwendung
findet.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren.
- In modernen Si-basierten Technologien zur Herstellung vertikaler npn-Bipiolartransistoren, speziell für den Einsatz in Hochfrequenz-Schaltungen, kommen im wesentlichen zwei Varianten für die Kontaktierung von Emitter und Basis zur Anwendung. In sogenannten Doppel-Polysilizium-Technologien werden hochdotierte Polysilizium-Schichten unterschiedlichen Leitungstyps sowohl zur Emitterkontaktierug als auch für den seitlichen Basisanschluß benutzt. In sogenannten Einfach-Polysilizium-Technologien wird nur der Emitter mit Polysilizium kontaktiert, während die seitlichen Basisanschlußgebiete durch Ionenimplantation realisiert werden. Der Vorteil der zweiten Variante ist eine wesentlich geringere Prozeßkomplexität. Eine Zwitterstellung hinsichtlich dieser Einordnung nehmen Technologien ein, in denen die innere Basis durch Epitaxie hergestellt wird und durch Gestaltung des Epitaxieprozesses dafür gesorgt wird, daß auf Isolationsgebieten simultan zur einkristallinen inneren Basisschicht eine polykristalline Schicht wächst, die als seitlicher Basisanschluß genutzt werden kann. Ein solcher Epitaxieprozeß wird auch als differentielle Epitaxie bezeichnet und ist beispielsweise aus der
DE 196 09 933 A1 bekannt. Da die Herstellung der Polysilizium-Schicht für den Basisanschluß keinen zusätzlichen Abscheideprozeß erfordert, werden Technologien mit differentieller Epitaxie gewöhnlich ebenfalls zu den Einfach-Polysilizium-Technologien gerechnet. Diese Zuordnung wird noch dadurch bekräftigt, daß, wie bei Einfach-Polysilizium-Technologien ohne epitaxiale innere Basis, die Dotierung des externen Basisgebietes durch Ionenimplantation erfolgt und dabei auch ein Teil der einkristallin gewachsenen Schicht diesen Implantationsschritt erhält. - Aus funktionalen Gründen muß der Implantationsschritt (einschließlich Ausheilbedingungen) für die externen Basisanschlußgebiete von vertikalen npn-Transistoren in Einfach-Polysilizium-Technologie mit oder ohne epitaxiale innere Basis folgendes leisten: Realisierung einer hohen Oberflächenkonzentration der Dotierungsatome (zur Gewährleistung niedriger Übergangswiderstände zum Kontaktsilizid), bei geringer Eindringtiefe (zur Gewährleistung niedriger parasitärer Basis-Kollektor-Kapazitäten) und Defektfreiheit (zur Gewährleistung niedriger Basis-Kollektor-Restströme). Außerdem soll der Implantationsschritt für die externen Basisanschlußgebiete das Vertikalprofil der Dotierungsatome im inneren Transistorgebiet möglichst nicht beeinflussen. Bei den in modernen Technologien üblichen geringen lateralen Abmessungen der Transistoren kann aber in der Regel diese Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden. Sie äußert sich in einer beschleunigten Diffusion der Dotierungsatome im inneren Transistorgebiet, Transient Enhanced Diffusion (TED) genannt. Dieser Effekt ist besonders nachteilig für Transistoren mit epitaxialer SiGe-Basis, sogenannten Si/SiGe-Heterojunction Bipolartransistoren (HBT), da für diesen Transistortyp eine Ausdiffusion der epitaxial eingebauten Dotierungsatome aus der SiGe-Schicht infolge TED zur starken Verschlechterung wesentlicher statischer und dynamischer Transistorparameter führt.
- Angetrieben durch ähnliche Anforderungen bei der Realisierung der Source- und Drain-Gebiete von p-Kanal-Transistoren in modernen CMOS-Technologien, wurden Entwicklungen der Implantationstechnik vorangetrieben, die auch für die Dotierung des externen Basisanschlußgebietes von vertikalen npn-Bipolartransistoren in Einfach-Polysilizium-Technologie vorteilhaft nutzbar sind. Allerdings vermindern auch sie noch nicht ausreichend die TED speziell für den Fall von HBT mit extrem hoher epitaxialer Dotierung der inneren Basis.
- Aus der
GB 1 204 437 - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren vorzuschlagen, das über die Anforderungen hinaus, die auch mittels Ionenimplantation erfüllt werden können, nämlich hohe Qberflächenkonzentration der Dotieratome mit geringem thermischen Budget, geringe Eindringtiefen und Defektfreiheit, eine weitestgehende Vermeidung der TED im inneren Transistorgebiet gewährleistet.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem als Eindiffusiorrprozeß ein Diffunsiosnverfahren mit einem BBr3-Vorbelegungsprozeß Anwendung findet. Die Dotierung der Basisanschlußgebiete von npn-Bipolartransistoren in Einfach-Polysilizium-Technologie wird somit nicht mehr durch Ionenimplantation, sondern mittels eines Diffusionsschrittes durchgeführt. Dazu wird von einem an sich bekannten Diffusionsverfahren zur Herstellung hochdotierten p-leitender Gebiete, der sogenannten BBr3-Vorbelegung, ausgegangen. Dieses Verfahren wurde bisher mit speziellen Prozeßbedingungen, z.B. hohem thermischem Budget, Kopplung der Vorbelegung mit einem Eindiffusionsschritt, wie oben erwähnt vor allem zur Realisierung großer Eindringtiefen eingesetzt. Es wird hier aber erfindungsgemäß in einem niedrigen Temperaturbereich zwischen 700°C und 900°C und vorzugsweise mit Quellzeiten zwischen nur 5 min und 120 min angewendet. Außerdem wird durch Einführung von speziellen Schutzschichten für den Polysilizium-Emitter die typische Prozeßfolge von Einfach-Polysilizium-Technologien so modifiziert, daß das Diffusionsverfahren ohne Beeinflussung der Emitterqualität nutzbar ist. Das während des BBr3-Vorbelegungsprozesses entstandene sogenannte Vorbelegungsoxid wird in einer Ausführungsform anschließend, insbesondere naßchemisch mit gepufferter Flußsäure entfernt.
- In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Vorbelegungsoxid nicht unmittelbar nach dem Vorbelegungsprozeß entfernt, wobei mittels schneller thermischer Ausheilung (rapid thermal annealing, RTA) das Dotierungsniveau erhöht wird. Die Wahl der Parameter, insbesondere des Temperatur-Zeit-Verlaufs des RTA-Prozesses, richtet sich nach dem gewünschten Dotierungsprofil bzw. dem Anwendungszweck. Vorzugsweise wird das RTA bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1100°C und Prozeßzeiten zwischen 10 s und 120 s durchgeführt.
- Vorzugsweise wird der BBr3-Vorbelegungsprozeß selbstjustiert zum inneren Transistorgebiet ausgeführt. Dabei wird während des BBr3-Vorbelegungsprozesses das innere Transistorgebiet durch eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxynitridschicht abgedeckt, deren laterale Abmaße mit den bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik benutzt werden, definiert wurden. In Abwandlung dessen kann auch während des BBr3-Vorbelegungsprozesses das innere Transistorgebiet durch einen Schichtstapel, bestehend aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Polysilizium, Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid oder weiteren Kombinationen dieser vier Materialien, abgedeckt werden, dessen laterale Abmaße mit den bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik benutzt werden, definiert wurden. Weiterhin kann der BBr3-Vorbelegungsprozeß vorzugsweise selbstjustiert zu einem Polysilizium-Emitter ausgeführt werden. Dabei sind die lateralen Abmessungen eines Polysilizium-Emitters mit bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik zur Schichtstrukturierung benutzt werden, vor Durchführung des BBr3-Vorbelegungsprozesses definiert worden. Zur Strukturierung der Polysilizium-Emitter-Schicht wird eine Hartmaske aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid oder Kombinationen dieser Materialien mit unterliegendem Siliziumoxid verwendet. Diese Hartmaske wird nicht vor Ausführung des BBr3-Vorbelegungsprozesses entfernt. Die Seitenwand des Polysilizium-Emitters und der Hartmaske ist während des BBr3-Vorbelegungsprozesses durch Spacer abgedeckt. Diese Spacer bestehen aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Polysilizium oder Kombinationen dieser Materialien untereinander oder mit unterliegendem Siliziumoxid.
- Das erfindungsgemäße Verfahren mit BBr3-Vorbelegungsprozeß findet insbesondere für Transistoren Anwendung, deren Basis mittels differentieller Epitaxie hergestellt wird. Die Basis-Schicht kann dabei Germanium oder Germanium mit Beimengungen von Kohlenstoff enthalten.
- Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
- Die Zeichnungen zeigen:
-
1a –1c Ausschnitt aus dem Prozeßablauf zur Herstellung von HBT's in Einfach-Polysilizium-Technologie, der den Verfahrensablauf zur Erzeugung der Basisanschlußdotierung mittels BBr3-Vorbelegung zeigt. - Beispiel 1:
- In diesem Ausführungsbeispiel wird die Dotierung der Basisanschlußgebiete eines npn-Si/SiGe-Heterobipolartransistors in Einfach-Polysilizium-Technologie nachfolgend erläutert. Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Zustand nach der ganzflächigen Epitaxie eines Schichtstapels, bestehend aus einer Si1-xGex-Schicht
1 und einer Si-Schicht2 , wie in1a dargestellt. Dabei ist es unwesentlich, ob vor der Epitaxie einige Flächen mit Isolationsgebiet3 belegt waren und diese Flächen bei der Epitaxie mit polykristallinem Material1' +2' bedeckt werden oder ob die Epitaxieschicht vollständig einen einkristallinen Untergrund besitzt. - Nach Abscheidung einer Oxidschicht
4 , dargestellt in1b , wird nach einer Lackstrukturierung das Emitterfenster in die Oxidschicht4 naßchemisch geätzt. Anschließend wird eine amorphe Siliziumschicht5 abgeschieden und implantiert. - Auf die amorphe Siliziumschicht
5 werden eine oder mehrere Schutzschichten6 aufgebracht, die mindestens die Funktion der Abdeckung der amorphen Siliziumschicht5 (des späteren Poly-Emitters) bei der BBr3-Vorbelegung übernehmen. Außerdem kann die Schutzschicht6 so ausgelegt sein, daß sie der noch folgenden Verspacerung der strukturierten amorphen Siliziumschicht5 dienlich ist. - Nach einem Lackmaskenprozeß wird die Schutzschicht
6 und die amorphe Siliziumschicht5 in den lackfreien Gebieten mit Ätzstopp auf der Oxidschicht4 trocken geätzt (1b ). - Wie in
1c dargestellt, wird anschließend eine dünne Oxidschicht7 und das Spacer-Material8 abgeschieden. Als Spacer-Material findet beispielsweise amorphes Silizium oder Nitrid Anwendung. Es folgt ein Spacer-Prozeß mittels Trockenätzen mit Ätzstopp auf der Oxidschicht7 . Die Oxidschicht7 und die Oxidschicht4 werden naßchemisch entfernt. Anschließend wird der BBr3-Vorbelegungsprozeß zur Dotierung der Basisanschlußgebiete durchgeführt (1c ). Der BBr3-Vorbelegungsprozeß erfolgt bei einer Prozeßtemperatur von 800°C und mit einer Quellzeit von 25 min. Danach wird das Vorbelegungsoxid naßchemisch entfernt. - Die Transistoren können dann mit den üblichen Methoden der Mikroelektronik (hier: Strukturierung der Basisgebiete, Isolatorabdeckung, Kontaktfenstererzeugung, Metallisierung) komplettiert werden.
- Beispiel 2:
- In diesem Beispiel wird ebenfalls die Herstellung eines npn-Si/SiGe-Heterobipolartransistors in Einfach-Polysilizium-Technologie beschrieben. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel findet der BBr3-Vorbelegungsprozeß bei einer Temperatur von 750°C und einer Quellzeit von 50 min statt. Das Vorbelegungsoxid wird mit einer Schutzschicht (Low Temperature Oxide, LTO) abgedeckt und anschließend ein RTA bei einer Temperatur von 1000°C für eine Dauer von 30 s unter Stickstoff durchgeführt. Die Schutzschicht und das Vorbelegungsoxid werden dann naßchemisch entfernt. Der weitere Prozeßverlauf erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel.
- In der vorliegenden Erfindung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in den Ausführungsbeispielen eingeschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.
Claims (13)
- Verfahren zur Dotierung der externen Basisanschlußgebiete von Si-basierten Einfach-Polysilizium-npn-Bipolartransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Diffusionsverfahren mit einem BBr3-Vorbelegungsprozeß Anwendung findet.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der BBr3-Vorbelegungsprozeß bei einer Temperatur zwischen 700 °C und 900 °C durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den BBr3-Vorbelegungsprozeß Quellzeiten zwischen 5 min und 120 min angewendet werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das während des Vorbelegungsprozesses entstandene Vorbelegungsoxid unmittelbar nach dem Prozeß, insbesondere naßchemisch mit gepufferter Flußsäure entfernt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das während des Vorbelegungsprozesses entstandene Vorbelegungsoxid unmittelbar nach dem Prozeß nicht entfernt und mittels schneller thermischer Ausheilung (RTA) das Dotierniveau erhöht wird.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das RTA bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1100 °C und Prozeßzeiten zwischen 10 s und 120 s durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der BBr3-Vorbelegungsprozeß selbstjustiert zum inneren Transistorgebiet ausgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des BBr3-Vorbelegungsprozesses das innere Transistorgebiet durch eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxynitridschicht abgedeckt ist, deren laterale Abmaße mit den bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik benutzt werden, definiert wurden.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des BBr3-Vorbelegungsprozesses das innere Transistorgebiet durch einen Schichtstapel, bestehend aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Polysilizium, Siliziumoxid und Siliziumoxynitrid oder weiteren Kombinationen dieser vier Materialien, abgedeckt wird, dessen laterale Abmaße mit den bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik benutzt werden, definiert wurden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der BBr3-Vorbelegungsprozeß selbstjustiert zu einem Polysilizium-Emitter ausgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lateralen Abmessungen eines Polysilizium-Emitters mit bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik zur Schichtstrukturierung benutzt werden, vor Durchführung des BBr3-Vorbelegungsprozesses definiert wurden, daß zur Strukturierung der Polysilizium-Emitter-Schicht eine Hartmaske aus Siliziumnitrid o der Siliziumoxynitrid oder Kombinationen dieser Materialien mit unterliegendem Siliziumoxid verwendet wird und daß die verwendete Hartmaske nicht vor Ausführung des BBr3-Vorbelegungsprozesses entfernt wird.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand des Polysilizium-Emitters und der Hartmaske während des BBr3-Vorbelegungsprozesses durch Spacer abgedeckt ist, die aus Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder Polysilizium oder Kombinationen dieser Materialien untereinander oder mit unterliegendem Siliziumoxid bestehen und die mit bekannten Methoden, die in der Mikroelektronik zur Spacerherstellung verwendet werden, hergestellt wurden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der BBr3-Vorbelegungsprozeß für Transistoren genutzt wird, deren Basis mittels differentieller Epitaxie hergestellt wird.
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