专利名称：具有单晶基极的异质结双极晶体管及相关方法
技术领域：
本发明通常涉及集成电路(IC)芯片制造，更具体而言，涉及具有单
晶基极的异质结构双极晶体管及其相关方法。
背景技术：
异质结构双极晶体管(HBT)是广泛应用在集成电路(IC)芯片中的 高性能晶体管结构。参考图l， HBT10使用不同类型的半导体材料，包括 三个基本组元基极12 (包括内部基极14和外部基极16)、集电极(有 源区域)18和发射极20。 HBT10依靠在集电极18和深沟槽24和/或浅沟 槽26隔离区域之上的p型硅锗(SiGe)基极12层的非选择性淀积。具体 而言，在非常低的温度(550。C和以下)下将HBT10的内部基极14外延 生长到以深沟槽24和/或浅沟槽26隔离区域所限定的有源区域18上。结 果，内部基极14是单晶硅，而在包括氧化硅(Si02)的隔离区域24、 26 之上淀积的部分生长为多晶或无定形硅材料。掺杂和非掺杂的硅(Si)以 及珪锗(SiGe)的低温非选择性淀积是刻面(faceted)的并且对于单晶和 多晶层具有不同的生长速率。因此，层12在集电极18之上较厚而在深沟 槽24和/或浅沟槽26隔离区域之上较薄。除了这种非保形淀积之外，即使 单晶内部基极14基本上是二维的，额外的锗(Ge)也可以在隔离区域24、 26之上的多晶部分中产生硅锗(SiGe)团簇(cluster) /宅舍(hut) /四面 体。
结果，多晶内部基极14更薄(大约20-30% )，更重要的是，在深沟 槽24和/或浅沟槽26隔离区域之上的包含珪锗(SiGe )的掺杂剂是不连续 的，这阻止了在其上充分形成外部基极16。该结构导致外部基极16和内 部基极14的多晶珪之间的增加的连接电阻(Rb)。此外，该结构增加了
在隔离区域24、 26的氧化珪之上的基极12的多晶珪锗的薄层电阻。此外，
该结构产生增加的集电极18到基极12的电容(Ceb)。形成上述结构的常
规方法也不允许自对准。
发明内容
公开了一种异质结构双极晶体管(HBT)及相关方法。在一个实施例 中，所述HBT包括衬底；在所述衬底顶上的多晶硅发射极；在所述衬 底中的集电极；邻近所述集电极的至少一个隔离区域；包括在每一个隔离 区域之上延伸的单晶珪锗的内部基极；以及单晶外部M。 一种方法包括 用形成多孔的注入的硅代替隔离区域的形成，所述多孔的注入的硅随后将 转变为介质。结果，可以形成单晶硅锗轮廓基极层具有在所述隔离区域之 上延伸的横向尺寸。
本发明的第一方面提供了一种形成异质结构双极晶体管(HBT)的方 法，所述方法包括提供衬底；在所述衬底中形成注入的区域；在所述注 入的区域和所述衬底之上形成单晶硅锗基极轮廓层；在所述单晶硅锗基极 轮廓层上形成虛拟(dummy)发射极；在所述单晶珪锗基极轮廓层之上外 延生长单晶外部基极；将所述注入的区域转变为隔离区域；以;5U吏用多晶 硅发射极代替所述虛拟发射极。
本发明的第二方面提供了一种异质结构双极晶体管(HBT)，其包括 衬底；在所述衬底顶上的多晶硅发射极；在所述村底中的集电极；邻近所 述集电极的至少一个隔离区域；包括在每一个隔离区域之上延伸的单晶硅 锗的内部基极；以及单晶外部基极。
本发明的第三方面提供了一种方法，其包括提供村底；在所述衬底 中形成注入的区域；在所述注入的区域和所述衬底之上形成单晶硅锗层； 在所述单晶硅锗层上形成其它结构；以及将所述注入的区域转变为隔离区 域。
设计本发明的各示例性的方面以解决这里描述的问题和/或没有讨论 的其它问题。
通过本发明的各方面的下列详细的描述并结合描述本发明的各种实施
例的附图，将更容易地理解本发明的这些或其它特征，其中 图l示出了常规异质结构双极晶体管(HBT);
图2-11示出了形成HBT的方法的第一实施例，其中图11示出HBT 的一个实施例；
图12-13示出了方法的可选实施例； 图14示出了方法的另一可选实施例；
图15-20示出了形成HBT的方法的第二实施例，其中图19示出了 HBT的一个实施例；
图21示出了方法的可选实施例；
图22示出了方法的可选实施例；以及
图23示出了方法的另一可选实施例。
应该注意本发明的附图没有按比例缩放。附图旨在仅仅描述本发明的 典型的方面，因此不应考虑为限制本发明的范围。在附图中，相似的标号 代表多个附图之间相似的单元。
具体实施例方式
回到附图，图2-23示出了方法的各种实施例，具体而言，形成异质 结构双极晶体管(HBT) 100、 200 (图11、 13、 14和20-22)的方法。
图2-11示出了方法的第一实施例。图2示出了提供村底102。村底 102可以包括但不限于硅和硅锗。在任何情况下，衬底102是单晶。图2 还示出了在衬底102中形成注入的区域104 (示出了两个)的一个实施例， 其将最终变为隔离区域106 (图11)，如这里描述的。注入的区域104包 括能够具有在其上形成的单晶硅的上表面110。在该种情况下，注入的区 域104包括衬底102的(现在掺杂的)单晶硅。例如，可以通过形成掩模 112并构图/蚀刻以在其中形成开口 114，然后离子注入116来形成注入的
区域104。注入的掺杂剂包括任何p型珪掺杂剂，例如，硼(B)。在该实 施例中，注入的区域104的上表面110基本上与衬底102的表面113共面， 即，离子注入116使用足够的能量以提供浅注入从而形成上表面110。
图3示出了去除掩模112 (图2)和在注入的区域104 (图2)上进行 阳极多孔化118以形成注入的多孔硅区域120。掩模去除包括任何常规的 光致抗蚀剂剥离技术，例如，湿法蚀刻。阳极多孔化118包括使用约 20-100mA/cm2的电流密度进行氯氟酸浴(bath)。可以以在黑暗中或暴露 到光的方式进^f亍多孔化。
接下来，如图4中所示，通过退火128例如在800-1100。C范围内的高 温下并在氢气流动下将上表面110 (图2)形成为单晶珪膜126。
图5示出了在注入的多孔硅区域120和衬底102之上形成单晶硅锗 (SiGe )基极轮廓层130。可以在该工艺之前，构图例如具有氧化硅(Si02 )、 氮化硅(Si3N4)和氧化硅(Si02)层的硬掩模132 。在任何情况下，与常 规工艺相对比，单晶SiGe基极轮廓层130的厚度基本上均匀并且基本上 连续，即使在注入的多孔硅区域120之上。此外，单晶SiGe基极轮廓层 130是在注入的多孔硅区域120之上的单晶SiGe，注入的多孔硅区域120 将最终转化为隔离区域106 (图11)。可以使用任何现在公知或以后开发 的技术，例如淀积、外延生长等，形成单晶SiGe基极轮廓层130。
图6 - 7示出了通过虛拟发射极141在单晶SiGe基极轮廓层130之上 形成的单晶外部基极134 (图6)和多晶硅发射极136 (图7)。这些工艺 可以包括任何现在公知或以后开发的技术。例如，可以淀积薄氧化硅(Si02) 停止层140，随后虚拟发射极141淀积并构图。在氮化物间隔物144淀积 和蚀刻之后，去除氧化硅停止层140。接下来，如在图6中所示，可以形 成外部基极134。然而，与常规处理相比，将要在其中形成外部基极的区 域包括单晶硅锗基极轮廓层130。结果，例如可以通过在单晶SiGe基极轮 廓层130上外延生长单晶硅形成外部基极134。可以非选择性(未示出) 或者如示出的选择性地生长单晶外部基极134。可以非选择性工艺，之后 是抛光，即化学机械抛光(CMP)，和凹入。选择性工艺不需要进一步的CMP或凹入以获得图6中的结构。
图7示出了在形成多晶硅发射极136的进一步处理之后的结构。这些 工艺可以包括任何现在公知或以后开发的技术。例如，淀积隔离氧化物146 和通过抛光和回刻蚀平坦化以及去除虚拟发射极141 (图6)。在内部氮化 物间隔物148形成之后，在发射极区域中去除停止氧化物层140(图6)并 且选择性(未示出)或非选择性地淀积、使用光致抗蚀剂143构图、并蚀 刻(例如，反应离子蚀刻(RIE))(例如，n型磷掺杂的多晶硅)多晶 硅发射极136。多晶硅发射极136基本上是T形的。
如图8-9中所示，在硅化和其它后段制程处理之前，例如通过定时 RIE，通过外部周边形成开口 142 (图9)。开口 142的厚度相对并不重要 只要其到达注入的多孔硅区域120。在一个实施例中，可以延伸多晶硅发 射极136蚀刻以到达下面的注入的多孔硅区域120,即，至少单晶硅膜126。 图9-14示出了将注入的多孔硅区域120 (图9)转变为隔离区域106
(图10-11、 13、 14)的各种实施例。在每个实施例中，例如通过反应离 子蚀刻将开口 142形成到注入的多孔硅区域120(图9)。在第一实施例中， 如9 - 11中所示，进行注入的多孔硅区域120的低温氧化(LTO) 145 (例 如，在约400。C下)以将多孔硅区域120转变为介质，即氧化硅(Si02)。 图10示出了在氧化145 (图9)之后的隔离区域106。图11示出了在包括 盖帽隔离区域106例如使用氮化硅(Si3N4)插塞160的后续处理之后的 HBTIOO。其它处理包括，例如氧化物蚀刻以去除氧化物层146、氮化物蚀 刻以及氮化物间隔物164的形成。
图12-13示出了将注入的多孔硅区域120(闺9)转变为隔离区域106
(图13)的第二实施例。在该情况下，通过开口 142去除注入的多孔硅区 域120 (图9)例如通过塌陷(collapsing)蚀刻以形成空隙150,以及密封 开口 142以将隔离区域106 (图13)形成为气体。如图13中所示，可以使 用氮化硅(Si3N4)插塞160以密封隔离区域106。
图12和14示出了将注入的多孔硅区域120 (图9)转变为隔离区域 106的第三实施例。在该实施例中，通过开口142去除，例如通过在图12
中所示的塌陷蚀刻，注入的多孔硅区域120 (图9)，以形成空隙150。在 该情况下，然而，通过在空隙150中淀积介质152(例如，氧化硅(Si02))， 以及^f吏用介质154 (例如，氧化硅(Si02))重新填充空隙150的至少一 部分，钝化空隙150。如在图14中所示，可以使用插塞160以密封隔离区 域106。可以由钝化介质152或其它介质材料例如氮化硅(Si3N4)制造插 塞160。
在图12-14的上述实施例中，可以通过短和浅的各向同性体硅(Si) 蚀刻减轻在集电极138 (图14)的侧壁上的多孔材料的剩余物的不希望的 电效应(例如，电荷俘获、载流子散射、增加的复合等)。进行如现在公 知的或以后开发的任何剩余的处理(即，后段制程)以完成HBT100 (图 11、 13、 14)。
图15 - 23示出了本方法的第二实施例。在这该情况下，提供衬底202， 并通过在将成为隔离区域206 (图20-22)的位置处的离子注入(例如，硼
(B))形成注入的区域204，以便注入的区域204的上表面210与衬底 202的表面212分离。表面212能够具有在其上形成的单晶珪。在该情况 下，注入的区域204包括衬底202的单晶硅(未掺杂的)。例如，可以通 过形成掩模213以及构图/蚀刻以在其上形成开口 214，然后离子注入216 形成注入的区域204。注入的掺杂剂包括任何p型硅掺杂剂，例如硼(B)。 图16示出了去除掩模213(图15)并在注入的区域204 (图15)上进 行阳极多孔化218以形成注入的多孔硅区域220。掩模去除可能包括任何 常规光致抗蚀剂剥离技术，例如，湿法蚀刻。阳极多孔化218包括使用 20-100mA/cm2之间的电流密度进行氢氟酸浴。可以以在黑暗中或光照的方 式进行多孔化。在该情况下，阳极多孔化218多孔化表面212 (图15)但 不到注入的区域204 (图15)的范围。
图17示出了在注入的多孔硅区域220和村底202之上形成单晶硅锗
(SiGe )基极轮廓层230。可以在该工艺之前，构图例如具有氧化硅(Si02 )、 氮化硅(Si3N4)和氧化硅(Si02)层的硬掩模232 。在任何情况下，与常 规工艺相对比，单晶SiGe基极轮廓层230的厚度基本上均勻并且基本上连续，即使在注入的多孔硅区域220之上。此外，单晶SiGe基极轮廓层 230是在注入的多孔硅区域220之上的单晶SiGe，注入的多孔硅区域220 将最终转化为隔离区域206 (图19-22)。
如在图18-20中所示，该阶段之后，可以进行与如这里所描述的图6-14 相关的处理。也就是，如在图18中所示，在单晶SiGe基极轮廓层230之 上通过虛拟发射极(未示出，参见图6)形成单晶外部基极234和多晶硅 发射极236。然而，与图6-14相比，被掩埋的注入的多孔硅区域220消除 了对于在多孔化218之后的高温覆盖层(skin)形成(如图3)的需要， 同时为进一步的处理保持了化学和结构稳定性。此外，如这里所描述的， 省略掉高温覆盖层形成减少了集成工艺的热预算并有助于保持为了选择性 去除或氧化的孔隙度。
如在图18中所示，例如，在多晶硅发射极236的形成之后或同时，通 过反应离子蚀刻将开口 242形成到注入的多孔硅区域220 (图18)，多晶 硅发射极236基本是T形。随后，使用这里描述的任何实施例可以将注入 的多孔硅区域220转变为隔离区域206 (图19)。例如，图18-19示出了 进行注入的多孔硅区域220的低温氧化245以将注入的多孔硅区域220转 变为介质。图19示出了在氧化245 (图18)之后的隔离区域206。图20 示出了在包括例如用氮化硅(Si3N4)插塞260盖帽隔离区域206的后续处 理之后的HBT200。
图21示出了使用图12-13的工艺转变注入的多孔硅区域220之后的 HBT200。在该情况中，通过开口 242 (图18 )去除注入的多孔硅区域220 (图18)例如通过塌陷蚀刻以形成空隙，以及密封开口 242以将隔离区域 206 (图21)形成为气体。如图21中所示，可以使用氮化硅(Si3N4)插塞 260密封隔离区域206。
图22示出了使用图12和14的工艺将注入的多孔硅区域220转变之后 的HBT200。在该情况下，例如，通过在空隙中淀积介质252 (例如，氧 化硅(Si02))，以及使用介质254 (例如，氧化硅(Si02))重新填充 空隙的至少一部分，来钝化空隙。如在图22中所示，可以使用钝化介质
252或其它介质材料例如氮化硅(Si3N4)的插塞260密封隔离区域206。
在图21-22的上述实施例中，可以通过短和浅的各向同性体硅(Si) 蚀刻减轻在集电极238的侧壁上的多孔材料的剩余物的不希望的电效应
(例如，电荷俘获、载流子散射、增加的复合等)。此外，在一个可选实 施例中，在图23中示出的，在如图21中的密封隔离区域206或如在图22 中的钝化/重新填充之前，可以例如通过浅的各向同性硅蚀刻，去除在注入 的多孔硅区域220之上的衬底202的一部分280 (图21-22)，至单晶硅锗 基极轮廓层230的下表面282 (图23 )。然后可以进行相应于图21或22 所描述的处理。进行如现在7>知的或以后开发的任何剩余的处理(即，后 段制程)以完成HBT200 (图20-22 )。
如在图11、 13、 14和20-22中所示，上述方法产生的异质结构双极晶 体管(HBT) 100、 200包括衬底102、 202，多晶珪发射极136、 236， 集电极138、 238，邻近集电极138、 238的至少一个隔离区域106、 206， 包括在每一个隔离区域106、 206之上延伸的单晶硅锗的内部基极130、 230
(即，单晶基极轮廓层)，以及单晶硅外部基极134、 234。每一个隔离区 域106、 206包括从之上的层密封隔离区域106、 206的插塞160、 260。在 一些实施例(图13和21)中，隔离区域106、 206包括气体介质。
HBTIOO、 200显示出很多优点。例如，HBTIOO、 200显示出减小的 集电极-基极电容(Ceb)和基极电阻(Rb)。具体而言，釆用牺牲的注入 的多孔硅区域120、 220能构进行从构建的器件之下的随后的高选择性去 除，大大地减小了在基极和集电极之间的电容。另外，这里描述的方法允 许有助于集成工艺的自对准的外部基极136、 236的淀积，并最小化寄生电 容。单晶内部基极还允许单晶外部基极的选择性淀积。这消除了集成方案 中对CMP和RIE凹入的需要。单晶硅的迁移率固有地大于相同掺杂的多 晶硅或无定形材料的迁移率。因此，单晶内部基极130、 230具有较小的电 阻。由于通过外延限定，单晶SiGe基极轮廓层130、 230形成为连续层， 因此可以获得相比于常规工艺的不连续层的更好的连接和体电阻。在单晶 SiGe基极轮廓层130、 230中的锗(Ge)产生进一步增加横向空穴迁移率
并有助于较低的基极电阻的双轴应变。
在集成电路芯片的制造中使用上述方法和结构。制造者可以以原料晶 片的形式(也就是，作为具有多个未封装芯片的单个的晶片)如棵芯片或 者以封装的形式分发产生的集成电路芯片。在后一种情况中，在单芯片封 装(例如具有附着到主板或者其它较高级载体的引线的塑料载体)中或者 在多芯片封装(例如具有单或双表面互连或者掩埋互连的陶瓷载体)中安 装芯片。在任何情况下，然后将所述芯片与其它芯片、分立电路元件、和/
或其它信号处理设备集成，作为(a)中间产品例如主板或者(b)最终产 品的一部分。最终产品可以为包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其 它低端应用到具有显示器、键盘或者其它输入设备以及中央处理器的高级 计算机产品。
为了示例和说明的目的提出了本发明的各种方面的上述说明。其不旨 在穷尽或将本发明限制到所公开的精确形式，并且明显地，很多修改和变 化是可能的。对本领域的技术人员显而易见的这样的修改和变化旨在被包 括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种形成异质结构双极晶体管(HBT)的方法，所述方法包括提供衬底；在所述衬底中形成注入的区域；在所述注入的区域和所述衬底之上形成单晶硅锗基极轮廓层；在所述单晶硅锗基极轮廓层上形成虚拟发射极；在所述单晶硅锗基极轮廓层之上外延生长单晶外部基极；将所述注入的区域转变为隔离区域；以及使用多晶硅发射极代替所述虚拟发射极。
2. 根据权利要求l的方法，其中所述单晶硅锗基极轮廓层的厚度基本 上均匀并且基本上连续。
3. 根据权利要求l的方法，其中所述外延生长对于所述单晶硅锗基极 轮廓层是选择性的。
4. 根据权利要求l的方法，其中所述外延生长对于所述单晶硅锗基极 轮廓层是非选择性的。
5. 根据权利要求l的方法，其中形成所述注入的区域包括 离子注入以在将成为所述隔离区域的位置处形成所述注入的区域，其中所述注入的区域的上表面基本上与所述村底的表面共面； 在所述注入的区域上进行阳极多孔化；以及 通过退火将所述上表面形成为单晶硅膜。
6. 根据权利要求5的方法，其中所述转变包括将开口形成到所述注入 的区域和下列中的一个a) 进行所述注入的区域的低温氧化；b) 去除所述注入的区域，并密封所述开口以形成气体介质；以及c) 去除所述注入的区域以形成空隙，钝化所述空隙，并使用介质重 新填充所述空隙的至少一部分。
7. 根据权利要求l的方法，其中形成所述注入的区域包括离子注入以在与所述衬底的表面相分离的位置处形成所述注入的区域；以及在所述注入的区域上进行阳极多孔化。
8. 根据权利要求7的方法，其中所述转变包括将开口形成到所述注入 的区域和下列中的一个a) 进行所述注入的区域的低温氧化；b) 去除所述注入的区域，并密封所述开口以形成气体介质；以及c) 去除所述注入的区域以形成空隙，钝化所述空隙，并使用介质重 新填充所述空隙的至少一部分。
9. 根据权利要求8的方法，其中所述去除包括去除所述注入的区域之 上的所述村底的一部分至所述单晶硅锗基极轮廓层的下表面。
10. 根据权利要求l的方法，其中所述转变包括将开口形成到所述注 入的区域和下列中的一个a) 进行所述注入的区域的低温氧化；b) 去除所述注入的区域，并密封所述开口以形成气体介质；以及c) 去除所述注入的区域以形成空隙，钝化所述空隙，并使用介质重 新填充所述空隙的至少 一部分。
11. 根据权利要求l的方法，其中所述多晶硅发射极基本上为T形。
12. —种异质结构双极晶体管(HBT),包括 衬底；多晶硅发射极，在所述衬底顶上；集电极，在所述衬底中；至少一个隔离区域，邻近所述集电极；内部基极，包括在每一个隔离区域之上延伸的单晶硅锗；以及单晶外部基极。
13. 根据权利要求12的HBT，其中每一个隔离区域包括从之上的层 密封所述隔离区域的插塞。
14. 根据权利要求13的HBT，其中所述隔离区域包括氧化硅或气体。
15. 根据权利要求13的HBT，其中所述多晶硅发射极基本上为T形。
16. —种方法，包括以下步骤 提供衬底；在所述衬底中形成注入的区域； 在所述注入的区域和所述衬底之上形成单晶珪锗层； 在所述单晶硅锗层之上形成其它结构；以及 将所述注入的区域转变为隔离区域。
17. 根据权利要求16的方法，其中所述单晶硅锗层的厚度基本上均匀 并且基本上连续。
18. 根据权利要求16的方法，其中形成所述注入的区域包括 离子注入以在将成为所述隔离区域的位置处形成所述注入的区域，其中所述注入的区域的上表面基本上与所述衬底的表面共面； 在所述注入的区域上进行阳极多孔化；以及 通过退火将所述上表面形成为单晶硅膜。
19. 根据权利要求16的方法，其中所述转变包括将开口形成到所述注 入的区域和下列中的一个a) 进行所述注入的区域的低温氧化；b) 去除所述注入的区域，并密封所述开口以形成气体介质；以及c) 去除所述注入的区域以形成空隙，钝化所述空隙，并使用介质重 新填充所述空隙的至少一部分。
20. 根据权利要求16的方法，其中形成所述注入的区域包括 离子注入以在与所述衬底的表面相分离的位置处形成所述注入的区域；以及在所述注入的区域上进行阳极多孔化。
全文摘要
公开了一种异质结构双极晶体管(HBT)及其相关方法。在一个实施例中，所述HBT包括衬底；在所述衬底顶上的多晶硅发射极；在所述衬底中的集电极；邻近所述集电极的至少一个隔离区域；包括在每一个隔离区域之上延伸的单晶硅锗的内部基极；以及单晶外部基极。一种方法包括用形成多孔的注入的硅代替隔离区域的形成，所述多孔的注入的硅随后将转变为介质。结果，可以形成单晶硅锗轮廓基极层具有在所述隔离区域之上延伸的横向尺寸。
文档编号H01L21/331GK101179025SQ20071016746
公开日2008年5月14日 申请日期2007年10月25日 优先权日2006年11月8日
发明者T·A·华尔纳, T·N·亚当 申请人:国际商业机器公司