WO2002013252A1

WO2002013252A1 - Verfahren zur herstellung eines bipolartransistors

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Publication number: WO2002013252A1
Application number: PCT/DE2001/002879
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Klein; Konrad Wolf
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2002-02-14
Also published as: DE10038955A1; DE10038955C2

Abstract

Auf einer horizontalen Oberfläche einer Grundschicht (G) aus monokristallinem Halbleitermaterial wird eine erste isolierende Schicht (I1), darüber eine Basisanschlußschicht (BA) aus Polysilizium und darüber eine zweite isolierende Schicht (I2) erzeugt. Zur Erzeugung einer Vertiefung (V) werden die zweite isolierende Schicht (I2) und die Basisanschlußschicht (BA) strukturiert, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht (BA) gebildet werden. Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) wird geätzt, bis die Grundschicht (G) freigelegt wird. Zur Erzeugung einer Basisschicht (B) wird eine selektive Epitaxie durchgeführt, bis die Basisschicht (B) dicker als die erste isolierende Schicht (I1) ist. Da monokristalline Teile, die auf der Grundschicht (G) aufwachsen, und polykristalline Teile, die auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht (BA) aufwachsen, zumindest teilweise in Kontakt miteinander aufwachsen, ist der elektrische Widerstand zwischen diesen Teilen sehr gering.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors .

Ein Bipolartransistor weist einen Emitter, einen Kollektor und eine dazwischen geschaltete Basis auf, die zusammen einen pnp- oder einen npn-Übergang bilden. Jedes der drei genannten Elemente wird separat angeschlossen. Der Strom, der zwischen dem Kollektor und dem Emitter durch den Bipolartransistor fließt, wird durch die Spannung an der Basis gesteuert.

In der Halbleitertechnologie ist es z.B. aus W. Klein und B.- U. H. Klepser „75 GHz Bipolar Production Technology for the 21^s Century", ESSDERC"99, Seiten 88 bis 94 bekannt, einen Bipolartransistor herzustellen, indem auf einer monokristallinen Grundschicht aus Silizium, die teilweise als Kol- lektor wirkt, eine Oxidschicht und darüber eine Schicht aus

Polysilizium abgeschieden werden. Die Schicht aus Polysilizium wird im Bereich einer zu erzeugenden Basis entfernt, bis die Oxidschicht freigelegt wird. Dabei entstehen seitliche Flächen der Schicht aus Polysilizium. Anschließend wird eine Schicht aus Siliziumnitrid abgeschieden und so strukturiert, daß die seitlichen Flächen der Schicht aus Polysilizium bedeckt sind, aber die Oxidschicht teilweise freigelegt ist. Die Oxidschicht wird isotrop geätzt, bis die Grundschicht teilweise freigelegt wird. Dabei werden untere horizontale Flächen der Schicht aus Polysilizium ebenfalls freigelegt.

Zur Erzeugung der Basis wird eine selektive Epitaxie durchgeführt, wobei eine leitende Verbindung zwischen der Basis und der Schicht aus Polysilizium entsteht. Bei einer selektiven Epitaxie findet eine Materialabscheidung lediglich auf offe- nen Halbleitermaterialflächen jedoch nicht auf dielektrischen Materialien statt. Über der Basis wird zur Erzeugung eines Emitters ein weiteres Polysilizium abgeschieden. Anschließend wird ein Zwischenoxid erzeugt, und es werden Kontakte zum Emitter, zum Kollektor und zur Schicht aus Polysilizium, die als Basisanschluß wirkt, erzeugt. Das Siliziumnitrid an den Seitenflächen der Schicht aus Polysilizium schützt vor Kurz- Schlüssen zwischen dem Basisanschluß und dem Emitter. Insbesondere wenn der Emitter aus Polysilizium besteht und/oder der Basisanschluß hochdotiert ist, würden bei einer Berührung der beiden Elemente starke Leckstrδme fließen.

Nachteilig an einem solchen Verfahren ist, daß der erzeugte Bipolartransistor einen sehr hohen elektrischen Widerstand zwischen der Basis und dem polykristallinen Basisanschluß aufweist. Der Grund dafür liegt darin, daß bei der selektiven Epitaxie das Silizium auf der Grundschicht monokristallin und auf den unteren Flächen der Schicht aus Polysilizium polykristallin aufwächst, bis der monokristalline Bereich und der polykristalline Bereich aufeinander stoßen. An der Grenzfläche zwischen diesen beiden Bereichen bildet sich eine Korngrenze aus, die zum hohen elektrischen Widerstand zwischen der Basis und dem Basisanschluß führt.

Ebenfalls bekannt ist z.B. aus U. König und H. Dämbkes „SiGe HBTs and HFETs", Solid State Electronics, Vol.38, No.9, pp 1595-1596, 1995 ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolar- transistors, bei dem die Bildung von Korngrenzen verringert wird, indem zunächst nach Erzeugung der Oxidschicht diese im Bereich der zu erzeugenden Basis geöffnet wird, so daß die Grundschicht freigelegt wird. Anschließend wird eine diffe- rentielle Epitaxie durchgeführt, bei der ganzflächig eine durchgehende Schicht aus Silizium erzeugt wird, die auf der Grundschicht monokristallin und auf der Oxidschicht polykristallin aufwächst. Die polykristallinen und monokristallinen Teile wachsen also in Verbindung miteinander auf, so daß sich ein guter elektrischer Kontakt zwischen diesen Teilen bildet. Anschließend wird der polykristalline Teil der epitaktisch aufgewachsenen Schicht strukturiert und dient als Basisanschluß, während der monokristalline Teil der Schicht als Basis dient.

Auch dieses Verfahren weist Nachteile auf, die darauf zurück- zuführen sind, daß der Basisanschluß und die Basis als Teile einer einzigen Schicht erzeugt werden. Zum einen ist die Dik- ke des Basisanschlusses auf die Dicke der Basis beschränkt . Die Dicke des Basisanschlusses kann zur Optimierung des elektrischen Widerstandes des Basisanschlusses nicht unabhängig von der Dicke der Basis gewählt werden. Zum anderen ist der elektrische Widerstand des Basisanschlusses hoch, da der Basisanschluß dieselbe niedrige Dotierstoffkonzentration wie die Basis aufweist. Eine Erhöhung der Dotierstoffkonzentrati- on der epitaktisch aufgewachsenen Schicht würde zu erhöhten Sperrströmen zwischen der Basis und dem Emitter führen.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das ein Bipolartransistor erzeugt wird, der bei zugleich guter Leitfähigkeit des Basisanschlus- ses einen geringen elektrischen Widerstand zwischen dem Basisanschluß und der Basis aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors, bei dem auf einer horizontalen Oberfläche einer Grundschicht aus monokristallinem Halbleitermaterial eine erste isolierende Schicht, darüber eine Basisanschlußschicht aus Polysilizium und darüber eine zweite isolierende Schicht erzeugt werden. Zur Erzeugung einer Vertiefung werden die zweite isolierende Schicht und die Ba- sisanschlußschicht strukturiert, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht und seitliche Flächen der zweiten isolierenden Schicht gebildet werden. Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht wird geätzt, bis die Grund- schicht freigelegt wird. Zur Erzeugung einer Basisschicht wird eine selektive Epitaxie derart durchgeführt, daß die Basisschicht auf der Grundschicht monokristallin und auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht polykristallin aufwächst, und daß die Basisschicht dicker als die erste isolierende Schicht ist.

Die seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht sind nicht durch eine dielektrische Schicht geschützt.

Da die Basisschicht dicker als die erste isolierende Schicht ist, wachsen die polykristallinen Teile und die monokri- stallinen Teile der Basisschicht zumindest teilweise in Kontakt miteinander auf, so daß an den entsprechenden Stellen der elektrische Widerstand zwischen den polykristallinen und monokristallinen Teilen und damit der elektrische Widerstand zwischen der Basis und dem Basisanschluß gering ist.

Der monokristalline Teil der Basisschicht wirkt zumindest teilweise als Basis. Das Dotierprofil in der Basisschicht kann so eingestellt werden, daß untere oder obere Teile des monokristallinen Teils der Basisschicht als Kollektor oder als Emitter wirken. Der polykristalline Teil der Basisschicht und die Basisanschlußschicht wirken als Basisanschluß.

Da die Basis und die Basisanschlußschicht nicht gleichzeitig erzeugt werden, sondern zwei verschiedene Schichten sind, kann die Basis niedrigdotiert sein und zugleich die Basisanschlußschicht eine hohe Dotierstoffkonzentration aufweisen. Die Basisanschlußschicht kann folglich eine hohe Leitfähigkeit aufweisen.

Beispielsweise weist die Basisschicht eine Dotierstoffkonzentration zwischen 5*10¹⁸ und 10¹⁹ cm^"3 auf, während die Basisanschlußschicht eine Dotierstoffkonzentration von etwa 10²⁰ cm^"3 aufweist .

Da die Basis und die Basisanschlußschicht nicht Teile derselben Schicht sind, können die Dicken der Schichten unabhängig voneinander gewählt werden. Beispielsweise weist die Basisan- schlußschicht zur Erniedrigung seines elektrischen Widerstands eine Dicke zwischen 150nm und 250nm auf. Zugleich kann die Dicke der Basisschicht im Bereich von etwa 50 nm liegen.

Je größer die seitliche Grenzfläche zwischen der Basisschicht und der Basisanschlußschicht ist, um so kleiner ist der elektrische Widerstand zwischen der Basis und dem Basisanschluß.

Der Emitter wird so erzeugt, daß er vom ersten Leitfähig- keitstyp dotiert ist, während die Basisschicht und die Basisanschlußschicht so erzeugt werden, daß sie von einem zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp' dotiert sind. Um einen Kurzschluß zwischen den polykristallinen Teilen der Basisschicht und dem Emitter zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine isolierende Struktur zu erzeugen, die mindestens den polykristallinen Teil der Basisschicht bedeckt. Der vom ersten Leitfähigkeitstyp dotierte Emitter wird über der mit der isolierenden Struktur versehenen Basisschicht erzeugt . Der Emitter steht elektrisch mit dem monokristallinen Teil der Basisschicht in Kontakt und bildet einen pn-Übergang.

Der Emitter kann beispielsweise aus Polysilizium erzeugt werden.

Die isolierende Struktur kann beispielsweise in Form eines Spacers, der an die seitlichen Flächen der zweiten isolierenden Schicht angrenzt, erzeugt werden, indem isolierendes Material im wesentlichen konform abgeschieden und rückgeätzt wird, bis die Basisschicht teilweise freigelegt wird und somit den polykristallinen Teil der Basisschicht bedeckt.

Damit dabei die zweite isolierende Schicht nicht angegriffen wird, ist die isolierende Struktur vorzugsweise selektiv zur zweiten isolierenden Schicht ätzbar. Beispielsweise besteht die zweite isolierende Schicht aus Siθ2 ^un(^ die isolierende Struktur aus Siliziumnitrid oder umgekehrt. Vorzugsweise wird der obengenannte Teil der ersten isolierenden Schicht durch isotropes Ätzen entfernt, so daß untere horizontale Flächen der Basisanschlußschicht freigelegt werden. Im Vergleich zu anisotropem Ätzen entstehen bei einem solchen Verfahren weniger Kristalldefekte in der Grundschicht, die in diesem Bereich als Kollektor wirkt.

Die Basisschicht kann insitu dotiert aufgewachsen werden. Al- ternativ wird die Basisschicht nach deren Erzeugung nachträglich implantiert.

Vorzugsweise wird die Basisschicht so aufgewachsen, daß sie im wesentlichen so dick ist wie die Summe der Dicken der er- sten isolierenden Schicht und der Basisanschlußschicht.

Zur Erhöhung der Performance des Bipolartransistors ist es vorteilhaft, die Basisschicht im wesentlichen aus SiGe zu erzeugen. Dabei können der Emitter und/oder der Kollektor im wesentlichen aus Silizium und/oder aus Polysilizium bestehen.

Als Material der Basisschicht ist jedoch auch Silizium oder ein Verbindungshalbleiter geeignet .

Der Bipolartransistor kann mit sehr wenigen Masken hergestellt werden. Die Vertiefung wird mit Hilfe einer Maske erzeugt. Zur Erzeugung der isolierenden Struktur in Form eines Spacers und zur Erzeugung der Basisschicht sind keine Masken erforderlich. Zur Strukturierung der Basisanschlußschicht kann dieselbe Maske wie zur Erzeugung der Vertiefung verwendet werden. Eine weitere Maske kann zur Strukturierung des Emitters verwendet werden. Kontakte zur Basis, zum Emitter und zur Kollektor können ebenfalls mit einer Maske erzeugt werden. Zur Abdeckung eines Gebiets der Grundschicht während der selektiven Epitaxie, auf dem zu einem späteren Zeitpunkt ein Kollektorkontakt erzeugt wird, kann eine Schutzschicht verwendet werden, die durch maskiertes Ätzen strukturiert werden kann.

Das Halbleitermaterial, aus dem die Grundschicht besteht, ist vorzugsweise Silizium. Alternativ besteht die Grundschicht aus einem Verbindungshalbleiter, wie z.B. GaAs .

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert .

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Substrat mit einer dotierten Schicht, nachdem eine Grundschicht, eine Isolation, ein dotiertes Gebiet, eine erste isolierende Schicht, eine Basisanschlußschicht, eine zweite isolierende Schicht, eine Vertiefung und eine Schutzschicht erzeugt wurden.

Figur 2 zeigt den Querschnitt aus Figur 1, nachdem eine Basisschicht, eine isolierende Struktur, ein Emitter, ein Zwischenoxid, ein Basiskontakt, ein Emitterkontakt und ein Kollektorkontakt erzeugt wurden.

Im Ausführungsbeispiel ist als Ausgangsmaterial ein Substrat 1 aus monokristallinem Silizium vorgesehen. Durch Implantati- on wird eine an eine horizontale Oberfläche des Substrats 1 angrenzende hoch n-dotierte Schicht S erzeugt.

Durch insitu dotierte Epitaxie wird eine ca. 500nm dicke niedrig n-dotierte Grundschicht G erzeugt. Durch maskierte thermische Oxidation wird eine Isolation IS erzeugt, die einen Bereich seitlich umgibt, in dem eine Basis B erzeugt werden soll, und die einen Bereich umgibt, auf dem ein Kollektorkontakt K erzeugt werden soll (s. Figur 1) . In letzterem Bereich wird durch maskierte Implantation ein hoch n- dotiertes Gebiet GE erzeugt, das bis zur dotierten Schicht S reicht . Anschließend wird eine ca. 5 nm dicke erste isolierende Schicht II aus Siθ2, darüber eine ca. 200 nm dicke Basisanschlußschicht BA aus Polysilizium und darüber eine zweite isolierende Schicht 12 aus SiN erzeugt (s. Figur 1) . Die Ba- sisanschlußschicht BA wird insitu p-dotiert abgeschieden und weist eine Dotierstoffkonzentration von ca. 10²⁰ cm^"3 auf.

Durch maskiertem Trockenätzen wird eine Vertiefung V erzeugt, indem die zweite isolierende Schicht 12 und die Basisan- schlußschicht BA strukturiert werden, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht II freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht BA und seitliche Flächen der zweiten isolierenden Schicht 12 gebildet werden. Dabei werden die Basisanschlußschicht BA und die zweite isolierende Struk- tur 12 im Bereich eines zu erzeugenden Kollektorkontakts KK entfernt .

Durch maskiertes Ätzen wird die erste isolierende Schicht II im Bereich des zu erzeugenden Kollektorkontakts KK entfernt (s. Figur 1) .

Zur Erzeugung einer Schutzschicht SS wird SiN abgeschieden und mit Hilfe einer Maske (nicht dargestellt) so strukturiert, daß sie die zweite isolierende Schicht 12 nicht be- deckt. Mit derselben Maske wird zur Erhöhung der Dotierstoffkonzentration eines zu erzeugenden Kollektors K eine Implantation mit n-dotierenden Ionen durchgeführt.

Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht II wird naßchemisch isotrop selektiv zur zweiten isolierenden Schicht

12 entfernt, so daß ein unterätzter Bereich entsteht und untere horizontale Flächen der Basisanschlußschicht BA teilweise freigelegt werden.

Zur Erzeugung einer Basisschicht B wird eine selektive Epitaxie durchgeführt. Das Dotierprofil wird dabei insitu eingestellt. Die Basisschicht B weist im wesentlichen eine Dotier- stoffkonzentration von ca. 5*10¹⁸ cm^"3 auf. Die Basisschicht B wächst auf der Grundschicht G monokristallin und auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht BA polykristallin auf. Im unterätzten Bereich stoßen ein kristalliner Teil und ein polykristalliner Teil der Basisschicht B aufeinander und bilden eine Korngrenze. Nachdem die Basisschicht B etwa die Höhe der unteren Flächen der Basisanschlußschicht BA erreicht hat, wachsen kristalline Teile und polykristalline Teile der Basisschicht B in Kontakt miteinander auf, so daß zwischen diesen Teilen ein guter elektrischer Kontakt erzeugt wird. Die Dicke der Basisschicht B beträgt ca. 50 nm. Es entsteht ein vertikaler elektrischer Anschluß zwischen dem einkristallinen und dem polykristallinen Teil der Basisschicht B.

Zur Erzeugung einer spacerformigen isolierenden Struktur I wird Siθ2 abgeschieden und rückgeätzt, bis die Basisschicht B freigelegt wird. Anschließend wird zur Erzeugung eines Emitters E insitu n-dotiertes Polysilizium abgeschieden und durch maskiertem Ätzen strukturiert (siehe Figur 2) .

Anschließend wird ein Zwischenoxid Z erzeugt, indem Siθ2 abgeschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planari- siert wird.

Durch maskiertem Ätzen werden Kontaktlöcher zur Basisanschlußschicht BA, zum Emitter E und zum dotierten Gebiet GE erzeugt. Anschließend wird Wolfram abgeschieden, so daß die Kontaktlöcher gefüllt werden, und durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiert , bis das Zwischenoxid Z freigelegt wird. Dadurch entstehen in den Kontaktlöchern ein Basiskontakt BK, ein Emitterkontakt EK und ein Kollektorkontakt KK (siehe Figur 2) .

Der Bereich der Grundschicht G unterhalb der Basisschicht B wirkt als Kollektor K. Die dotierte Schicht S und das dotierte Gebiet GE wirken als Kollektoranschluß. Der monokristalline Teil der Basisschicht B wirkt als Basis. Der polykri- stalline Teil der Basisschicht und die Basisanschlußschicht BA wirken als Basisanschluß. Die isolierende Struktur I verhindert einen Kurzschluß zwischen dem Emitter E und dem polykristallinen Teil der Basisschicht B sowie der hochdotierten Basisanschlußschicht BA.

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3. Verfahren nach Anspruch 2 ,

- bei dem die isolierende Struktur (I) in Form eines Spacers, der an die seitlichen Flächen der zweiten isolierenden Schicht (12) angrenzt, erzeugt wird, indem isolierendes Ma- terial im wesentlichen konform abgeschieden und rückgeätzt wird, bis die Basisschicht (B) freigelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,

- bei dem der Teil der ersten isolierenden Schicht (II) durch isotropes Ätzen entfernt wird, so daß untere horizontale

Flächen der Basisanschlußschicht (BA) freigelegt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

- bei dem die Basisschicht (B) insitu dotiert aufgewachsen wird,

- bei dem die Basisanschlußschicht (BA) so erzeugt wird, daß sie eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als die Basisschicht (B) .

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

- bei dem die Basisschicht (B) so aufgewachsen wird, daß sie dünner als die Basisanschlußschicht (BA) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - bei dem die Basisschicht (B) im wesentlichen aus SiGe erzeugt wird.