雙極性晶體管及相關的制造方法

專利名稱：雙極性晶體管及相關的制造方法
技術領域：
本發明的實施例涉及半導體器件和相關的制造方法。更具體而言，本發明的實施例涉及雙極性晶體管和相關的制造方法。
背景技術：
使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)制造技術，可以在半導體襯底上彼此相鄰地形成n溝道場效應晶體管(MOSFET)和p溝道MOSFET。在過去的幾十年中CMOS制造技術穩定的發展成就了現在以低成本來制造高度集成、高性能的半導體器件的能力。CMOS器件被廣泛地由于制造射頻(RF)電路、射頻芯片上系統(SoC)和許多其它器件。
雖然CMOS器件具有非常可靠的工作特性，但是它們卻經常不能滿足當前RF電路和/或電路元件所要求的低噪聲需求。低噪聲放大器(LNA)和電壓控制的振蕩器(VCO)就是要求低噪聲性能的RF電路的現成的實例。
與MOSFET相比，雙極性晶體管具有低噪聲、寬線性增益、好的頻率響應和高電流可驅動性。為了實現特定的電路或電路功能，經常在與CMOS器件相同的半導體襯底上形成雙極性晶體管。確實，在一個共同的應用中，高性能雙極性晶體管被用于實現RF電路，而CMOS器件被用于實現相關的邏輯電路。
為了提高雙極性晶體管的工作速度，基極區需要形成得窄，從而載流子可以迅速從發射極遷移到集電極。可替換地，可以將基極區用高濃度的導電雜質摻雜以減小基極區的電阻。通常，使用離子注入工藝來形成非常窄的基極區。然而，使用常規的離子注入工藝非常難于形成非常窄的基極區。
因此，有時使用包括外延技術的方法來形成雙極性晶體管的基極區。根據如此的外延基形成技術，可以形成具有高摻雜濃度的薄基極區，因為在外延生長工藝期間加入了摻雜劑離子。
為了提高操作速度的目的而增加基極區的摻雜濃度，還需要增加相應的發射極區的摻雜濃度以獲得高電流增益。但是，增加發射極區的摻雜濃度導致了帶隙減小，引起減小的載流子注入效率和減小的發射極-基極擊穿電壓。這些折衷實際上限制了前述技術在改善雙極性晶體管的操作速度的嘗試中的使用。
因此，已經提出了在基極和發射極之間形成異質結的方法。在這樣的異質結結構內，發射極的帶隙與基極的帶隙不同。為了形成異質結，基極區通常由硅-鍺形成，其具有比硅更窄的帶隙。在異質結結構中，發射極可以用更高的效率將載流子發射到基極。
圖1是例如在美國專利No.6,251,738中公開的異質結雙極性晶體管的示意性截面圖。在圖1中，參考標號10和18分別指示硅襯底和集電極。在襯底10上生長p型外延硅-鍺(Si-Ge)基極22。在Si-Ge基極22上形成p型多晶硅基極36。參考標號42和54分別指示分隔物和基極接觸。參考標號44指示n型多晶硅發射極。參考標號56和52分別指示發射極接觸和集電極接觸。在前述的常規結構內，多晶硅發射極44和多晶硅基極36通過分隔物42從彼此電隔離。
另外，多晶硅發射極44的頂表面相對高于多晶硅基極36的頂表面，由此在多晶硅發射極44和基極36之間形成大的臺階。因此，當蝕刻絕緣層50來形成用于發射極接觸56、基極接觸54和集電極接觸52的接觸孔時，頂表面相對高的多晶硅發射極44可能被過度蝕刻。具體地，當使用硅化物來形成低電阻接觸時，過度蝕刻的問題變得更加嚴重。與p型多晶硅基極36相比，在n型多晶硅發射極44上硅化物層形成得相對薄。相應地，形成于這些元件上的硅化物層可能特別易受過度蝕刻。因此，非常難于形成具有低電阻的穩定接觸。
另外，在前述的常規結構中，形成從彼此電隔離的多晶硅基極36和多晶硅發射極44的工藝非常復雜。即，為了形成多晶硅基極36，形成外延Si-Ge基極區22，且然后沉積多晶硅層。然后，使用回蝕工藝來通過多晶硅層暴露外延基極區22。然后對回蝕過的多晶硅基極36施加構圖工藝來形成最終容納多晶硅發射極44的接觸窗口40。然后，在接觸窗口40的側壁上形成分隔物42。最后，將另一多晶硅層沉積并構圖以形成多晶硅發射極44。
圖2是根據例如在美國專利No.6,744,080中公開的一種方法形成的雙極性晶體管的示意性截面圖。在圖2中，參考標號2、5、9、13和14分別指示基極、基極端子、發射極端子、基極接觸和發射極接觸。與之前的常規實例相似，發射極端子9相對高于基極端子5，且通過復雜的制造工藝來實現發射極端子9和基極端子5之間的電隔離。
因此，需要一種具有提高的操作速度但通過更簡單的工藝來制造的雙極性晶體管。

發明內容
本發明的實施例提供了一種制造雙極性晶體管的方法，所述雙極性晶體管具有改善的結構且較少受到比如那些以上討論的與常規雙極性晶體管相關的問題影響。在一個實施例中，本發明提供了適于形成具有基本相似高度的發射極端子和基極端子的平面化工藝。即，在本發明的某些實施例中減小了常規形成的發射極端子的高度。
根據本發明的一個實施例，半導體器件包括具有第一導電型的第一半導體層；具有第二導電型且形成于第一半導體層上的第二半導體層；以及具有第一導電型的第一半導體圖案和具有第二導電型的第二半導體圖案，兩者在第二半導體層上彼此分開形成，其中第一半導體圖案的高度基本等于第二半導體圖案的高度。
根據本發明的另一實施例，雙極性晶體管包括具有第一導電型且形成集電極的第一半導體層；具有第二導電型且形成于第一半導體層上方的第二半導體層，第二半導體層形成基極；形成于第二半導體層上的絕緣層，絕緣層具有暴露第二半導體層的第一接觸窗口和第二接觸窗口；填充第一接觸窗口且形成發射極端子的第一導電型的第一半導體圖案；和填充第二接觸窗口且形成基極端子的第二導電型的第二半導體圖案。
根據本發明的又一實施例，雙極性晶體管包括p型硅襯底；形成于p型硅襯底上的重摻雜的n型子集電極區、形成于子集電極區上的輕摻雜的n型單晶硅層；以及形成于輕摻雜的n型單晶硅層中以界定基極-發射極區和集電極接觸區的器件隔離層。雙極性晶體管還包括通過分別將n型摻雜劑離子注入基極-發射極區和集電極接觸區中的輕摻雜的n型單晶硅層而形成的第一和第二低電阻集電極區，第一和第二低電阻集電極區連接到子集電極區；形成于基極-發射極區中的輕摻雜的n型單晶硅層上且作為基極的p型硅-鍺層；以及形成于p型硅-鍺層上的絕緣層。絕緣層包括設置于第一低電阻集電極區上的第一接觸窗口和從第一接觸窗口分開的第二接觸窗口。雙極性晶體管還包括填充第一接觸窗口且形成發射極電極的n型多晶硅圖案和填充第二接觸窗口且形成基極端子的p型多晶硅圖案。
根據本發明的又一實施例，制造雙極性晶體管的方法包括形成具有第一導電型的第一半導體層；在第一半導體層上形成具有第二導電型的第二半導體層；在第二半導體層上形成絕緣層，絕緣層包括暴露第二半導體層的第一和第二接觸窗口；形成具有第一導電型且填充第一接觸窗口的第一多晶硅圖案；以及形成具有第二導電型且填充第二接觸窗口的第二多晶硅圖案，第二多晶硅圖案構成至少部分的基極端子。
根據本發明的又一實施例，制造雙極性晶體管的方法包括制備包括具有第一導電型且構成至少部分的集電極的第一半導體層的襯底；在第一半導體層中形成器件隔離層；形成具有第二導電型且構成至少部分的基極的第二半導體層；形成具有暴露第二半導體層的第一和第二接觸窗口的絕緣層；以及在絕緣層上形成多晶硅層來填充第一和第二接觸窗口。所述方法還包括在絕緣層上進行平面化工藝直到暴露絕緣層，由此形成填充第一接觸窗口的第一多晶硅圖案和填充第二接觸窗口的第二多晶硅圖案；將第一導電型的摻雜劑離子注入第一多晶硅圖案來形成發射極-基極結和發射極端子；以及將第二導電型的摻雜劑離子注入第二多晶硅圖案來形成基極端子。
根據本發明的又一實施例，制造雙極性晶體管的方法包括形成具有第一導電型的第一半導體層，第一半導體層構成至少部分的集電極；在第一半導體層上形成鈍化層，鈍化層界定發射極-基極區；形成具有第二導電型的第二半導體層，第二半導體層構成至少部分的基極；且形成具有暴露發射極-基極區的接觸窗口的絕緣層。所述方法還包括形成填充接觸窗口且形成發射極端子的第一導電型的多晶硅圖案；以及構圖絕緣層和半導體區來界定基極端子。


參考附圖將描述本發明的幾個實施例。在附圖中，為了清晰可能夸大了層和區域的厚度。在附圖中圖1是常規雙極性晶體管的示意性截面圖；圖2是另一常規雙極性晶體管的示意性截面圖；圖3到8是示出根據本發明的一個實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖；圖9到11是示出根據本發明的另一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖；圖12到15是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖；圖16到18是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖；以及圖19到22是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖。
具體實施例方式
現將對于本發明的幾個實施例作出更加詳細的說明。然而，本發明并不僅限于所描述的實施例。而是，這些實施例作為教導的示例呈現，而本發明可以各種方式實現。
雖然術語“第一”、“第二”、“第三”等被用于描述各種區和層，但是這些區和層并不被這樣的術語依次地限制(例如，有序的序列)。而是，這些術語僅被用于區分這些區或層和其它的區或層。因此，在一個實施例中的具體“第一層”可以在另一實施例中被稱為“第二層”。而且可以理解當層被稱為在另一層或襯底上時，其可以直接在其它的層或襯底上，或也可以存在中間層。
本發明的示出的實施例是相關于雙極性晶體管的制造方法繪制的，具體而言npn雙極性晶體管。對于本發明的普通技術人員明顯的是pnp雙極性晶體管可能相似地通過反轉各摻雜劑的極性來形成。在以下示范性地描述了具有兩個基極接觸的雙極性晶體管。
圖3到8是示出根據本發明的一個實施例的用于制造npn雙極性晶體管的方法的示意性截面圖。
參考圖3，制備p型硅襯底11。通過常規技術可以形成p型硅襯底11。使用離子注入工藝或固態擴散工藝，在p型硅襯底11上形成用比如砷(As)的n型摻雜劑重摻雜的第一重摻雜的N+硅層(或子集電極區)13。然后，利用外延生長工藝，在第一重摻雜N+埋層13上形成輕摻雜N外延單晶硅層15。單晶硅層15通常使用磷化氫(PH3)作為摻雜劑。優選地，在形成單晶硅層15之前，在埋層13上執行凈化工藝。
雖然在圖3中未顯示，在單晶硅層15中可以以低濃度離子注入比如硼的p型摻雜劑來形成提供與相鄰的集電極由于反向偏壓PN結引起的電隔離的護環。
參考圖4，在硅層15上執行比如淺溝槽隔離(STI)的器件隔離工藝來形成器件隔離層17a、17b和17c，它們界定了基極-發射極區“A”和集電極接觸區“B”。然后，例如離子注入工藝或固相擴散工藝，在輕摻雜N外延硅層15上形成用比如磷的n型摻雜劑重摻雜的第二重摻雜N+硅層19和形成第三N+硅層21(也稱為集電極栓塞或集電極沉降)。第二重摻雜N+硅層19形成于基極-發射極區“A”中。第三重摻雜N+硅層21形成于集電極接觸區“B”中且作為集電極接觸。第二重摻雜N+硅層19與第一和第三重摻雜N+硅層13和21一起形成低電阻電流通路。可以在第二和第三重摻雜N+硅層19和21之前或之后形成器件隔離層17a、17b和17c。
參考圖5，在硅層15上方形成鈍化層23，在基極-發射極區“A”上方具有間隙。鈍化層23可以例如通過化學氣相沉積(CVD)工藝由氧化硅層形成。然后在通過鈍化層23暴露的輕摻雜N外延硅層15和第二重摻雜N+硅層19上形成用比如硼的p型摻雜劑摻雜的單晶外延硅-鍺層25a。單晶外延硅-鍺層25a通常通過外延生長工藝或CVD工藝來形成。同時，在鈍化層23上沉積多晶硅-鍺層25b。p型單晶外延硅-鍺層25a形成薄p型基極。因此，通過適當控制外延生長工藝或CVD工藝可以形成具有期望的摻雜濃度和期望的厚度的異質結基極。
參考圖6，在p型單晶硅-鍺層25a和多晶硅-鍺層25b上形成絕緣層31。優選地，絕緣層31包括堆疊氧化物層27和在氧化物層27上的氮化物層29。在后將更詳細說明的氮化物層29作為平面化工藝的停止層。氧化物層27通常通過CVD工藝由氧化硅層形成。氮化物層29通常通過CVD工藝由氧化硅層形成。氮化硅層可以具有硅和氮原子含量的化學計量比的各種范圍。另外，氮化硅層可以還包括氧原子。
接下來，構圖絕緣層31來形成用于發射極端子的第一接觸窗口33a和用于基極端子的第二接觸窗口33b和33b’。第一接觸窗口33a與第二接觸窗口33b和33b’暴露p型單晶硅-鍺層25a。在第二重摻雜N+硅層19上形成第一接觸窗口33a，且在第一接觸窗口33a的相對側上形成第二接觸窗口33b和33b’。
為了在形成接觸窗口的工藝期間最小化p型單晶硅-鍺層25a的蝕刻損傷，優選地通過順序執行干蝕刻工藝和濕蝕刻工藝來形成接觸窗口。即，通過干蝕刻工藝來蝕刻大部分的絕緣層31，且然后通過濕蝕刻工藝來蝕刻任何剩余部分的薄絕緣層31。
參考圖7，形成n型多晶硅圖案35a和p型多晶硅圖案35b和35b’來分別填充第一接觸窗口33a與第二接觸窗口33b和33b’。p型多晶硅圖案35b和35b’形成基極端子，n型多晶硅圖案35a形成發射極端子。另外，n型多晶硅圖案35a在p型單晶硅-鍺層25a上方形成基極-發射極結36。
通過在絕緣層31上形成多晶硅層來填充接觸窗口33a、33b和33b’且然后執行平面化工藝來去除形成在接觸窗口33a、33b和33b’外部的多晶硅層，從而形成多晶硅圖案35a、35b和35b’。執行平面化工藝直到暴露氮化物層29。通常使用化學機械拋光(CMP)工藝或回蝕工藝來執行平面化工藝。CMP工藝使用漿料來化學和機械地拋光目標層。然后，在填充第一接觸窗口33a的多晶硅層上注入比如磷(P)的n型摻雜劑離子。因此，形成填充第一接觸窗口33a的n型多晶硅圖案35a，且通過注入的n型摻雜劑離子在硅-鍺層25a上形成發射極-基極結36。通過控制離子注入工藝，可以適當地調整發射極-基極結36的深度。
以相似的方式，在填充第二接觸窗口33b和33b’的多晶硅層上注入比如硼(B)的p型摻雜劑離子來形成p型多晶硅圖案35b和35b’。
可以相似地使用用于形成基極端子和發射極端子的離子注入工藝來形成CMOS器件中的源極/漏極區。
通常，n型多晶硅圖案35a與p型多晶硅圖案35b和35b’各自的高度取決于絕緣層31的高度，且因此可以調整它們的高度。另外，因為通過平面化工藝來形成基極端子和發射極端子，所以它們的高度基本彼此相同。
參考圖8，執行光刻工藝來去除形成于基極-發射極區“A”外部的絕緣層31和多晶硅-鍺層25b來提供基極端子和集電極端子之間的電隔離。然后，去除集電極接觸區“B”中的鈍化層23的部分來暴露第三重摻雜N+硅層21。可以形成硅化物鈍化層(未顯示)以在其中將形成CMOS器件的具體區域處形成硅化物層。構圖硅化物鈍化層23來暴露n型多晶硅圖案35a、p型多晶硅圖案35b和35b’、和第三重摻雜N+硅層21。然后，雖然在圖8中未顯示，但是暴露將形成CMOS器件的硅化物層的區域。
執行硅化物工藝來分別形成n型多晶硅圖案35a上的硅化物層37a、p型多晶硅圖案35b和35b’上的硅化物層37b和37b’、和第三重摻雜N+硅層21上的硅化物層37c。通過常規的方法可以形成硅化物層。例如，通過沉積比如鈦、鈷和鎳的金屬且然后執行熱處理，可以形成硅化物層。而且，硅化物層也可以由硅化鎢層形成。
接下來，形成絕緣隔層39。絕緣隔層39通常使用比如CVD工藝的常規薄膜沉積技術由氧化硅層形成。
構圖絕緣隔層39來形成暴露硅化物層37a、37b、37b’和37c的接觸孔41a、41b、41b’和41c。然后，在所得的結構上形成導電層并構圖該導電層來形成電接觸多晶硅圖案35a上的硅化物層37a的金屬線43a、電接觸多晶硅圖案35b和35b’上的硅化物層37b和37b’的金屬線43b和43b’、以及電接觸硅層21上的硅化物層37c的金屬線43c。
硅化物層37b和37b’形成得均勻和厚，而硅化物層35a形成得比較薄。與常規器件不同，n型多晶硅圖案35a的高度基本等于p型多晶硅圖案35b和35b’的高度。因此，在蝕刻絕緣隔層39來形成接觸孔41a、41b、41b’和41c的工藝中，防止了硅化物層37a被過度蝕刻。
通常通過離子注入工藝來形成n型多晶硅圖案35a和p型多晶硅圖案35b和35b’。例如，當沉積多晶硅來填充接觸窗口33a、33b和33b’時，可以在多晶硅圖案35a、35b和35b’中注入比如磷(P)的n型摻雜劑離子。換言之，原位沉積n型摻雜的多晶硅來填充接觸窗口33a、33b和33b’，且執行平面化工藝來形成填充第一接觸窗口33a的n型多晶硅圖案35a與填充第二接觸窗口33b和33b’的n型多晶硅圖案。然后，將比如硼(B)的p型摻雜劑離子注入填充第二接觸窗口33b和33b’的n型多晶硅圖案。因此，多晶硅圖案的導電型從n型變化到p型來形成多晶硅圖案35b和35b’。可替換地，可以原位沉積p型摻雜的多晶硅，且可以執行平面化工藝來形成填充第二接觸窗口33b和33b’的p型多晶硅圖案35b和35b’與填充第一接觸窗口33a的p型多晶硅圖案。然后，可以將n型摻雜劑離子注入填充第一接觸窗口33a的p型多晶硅圖案來將多晶硅圖案的導電型從p型改變到n型來形成n型多晶硅圖案35a。
在平面化填充接觸窗口33a、33b和33b’的多晶硅圖案之后，可以進一步在多晶硅層上執行回蝕工藝。在使用回蝕工藝時，n型多晶硅圖案35a與p型多晶硅圖案35b和35b’的高度被進一步減小。因此，可以減小在基極端子和發射極端子之間與在基極端子和集電極端子之間的任意距離。
另外，當形成第一接觸窗口33a與第二接觸窗口33b和33b’時或之后，可以形成暴露第三重摻雜N+硅層21的第三接觸窗口。通常在用多晶硅填充第一接觸窗口33a與第二接觸窗口33b和33b’的同時填充第三接觸窗口。在形成絕緣層31之前，執行用于將n型摻雜劑注入到集電極接觸區“B”中的多晶硅-鍺層25b中的離子注入工藝。因此，形成集電極接觸以具有與發射極接觸和基極接觸基本相同的高度。
圖9到11是示出根據本發明的另一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖。在圖9到11中示出的實施例中，省略了鈍化層23。
參考圖9，執行相關于圖3和4所述的工藝。然后，使用外延工藝或CVD工藝來形成p型硅-鍺層25a。在基極-發射極區“A”和集電極接觸區“B”中形成p型單晶外延硅-鍺層25a。同時，可以在器件隔離層17a、17b和17c上形成多晶硅-鍺層25b。執行反向摻雜工藝，從而形成于集電極接觸區“B”中的外延硅-鍺層25a的導電型從p型轉變到n型。即，將n型摻雜劑離子注入到集電極接觸區“B”中的p型外延硅-鍺層25a以形成集電極接觸區“B”中的n型外延硅-鍺層25a’。
參考圖10，形成并構圖絕緣層31來形成用于發射極端子的第一接觸窗口33a、用于基極端子的第二接觸窗口33b和33b’、以及用于集電極端子的第三接觸窗口33c。第一接觸窗口33a與第二接觸窗口33b和33b’暴露形成于基極-發射極區“A”中的p型外延硅-鍺層25a。第三接觸窗口33c暴露形成于集電極接觸區“B”中的n型外延硅-鍺層25a’。第一接觸窗口33a形成于第二重摻雜N+硅層19上，且第二接觸窗口33b和33b’形成于第一接觸窗口33a的兩側。第三接觸窗口33c形成于第三重摻雜N+硅層21上。
參考圖11，形成n型多晶硅圖案35a來填充第一接觸窗口33a。形成n型多晶硅圖案35c來填充第三接觸窗口33c。形成p型多晶硅圖案35b和35b’來填充第二接觸窗口33b和33b’。
具體地，在絕緣層31上形成多晶硅層來填充接觸窗口33a、33b、33b’和33c，且執行平面化工藝來去除形成于接觸窗口33a、33b、33b’和33c外部的多晶硅層，從而多晶硅層僅保留在接觸窗口33a、33b、33b’和33c內。通常在多晶硅層上執行平面化工藝直到暴露絕緣層31的上部分上的氮化物層29。使用CMP工藝或回蝕工藝可以執行平面化工藝。CMP工藝使用漿料來化學和機械地拋光目標層。然后，將n型摻雜劑離子注入到填充第一和第三接觸窗口33a和33c的多晶硅層。因此，形成填充第一接觸窗口33a的n型多晶硅圖案35a，且通過注入n型摻雜劑離子在硅-鍺層25a上形成發射極-基極結36。而且，形成填充第三接觸窗口33c的n型多晶硅圖案35c。通過控制離子注入工藝可以適當地調整發射極-基極結36的深度。
以相同的方式，將p型摻雜劑離子注入填充第二接觸窗口33b和33b’的多晶硅層以形成p型多晶硅圖案35b和35b’。
接下來，執行光刻工藝來去除部分的絕緣層31和多晶硅-鍺層27，由此電隔離基極-發射極區“A”與集電極接觸區“B”。具體地，通過干蝕刻工藝來去除器件隔離層17a、17b和17c上的絕緣層31，且然后通過干或濕蝕刻工藝來去除暴露的多晶硅-鍺層27直到暴露器件隔離層17a、17b和17c。
執行硅化物工藝來分別形成發射極端子35a上的硅化物層37a、基極端子35b和35b’上的硅化物層37b和37b’、以及集電極端子35c上的硅化物層37c。
可以在形成硅化物層37a、37b和37c之后執行在絕緣層31和多晶硅-鍺層27上執行的構圖工藝。
接下來，形成并構圖絕緣隔層來形成暴露硅化物層37a、37b、37b’和37c的接觸孔。然后，沉積并構圖導電材料來形成金屬線。
因此，n型多晶硅圖案35a、n型多晶硅圖案35c、p型多晶硅圖案35b和35b’的各自的高度取決于絕緣層31的高度，且它們通過平面化工藝來形成。因此，它們的高度基本彼此相同。
在填充接觸窗口33a、33b、33b’和33c的多晶硅層上執行平面化工藝之后，可以在多晶硅層上進一步執行回蝕工藝。回蝕工藝進一步減小了n型多晶硅圖案35a和35c與p型多晶硅圖案35b和35b’的各自的高度，由此減小了它們的電阻。
可以在單一的離子注入工藝中形成p型多晶硅圖案35b和35b’與n型多晶硅圖案35a和35a’。例如，可以在沉積多晶硅以填充接觸窗口33a、33b、33b’和33c的同時注入n型摻雜劑離子。換言之，原位沉積n型摻雜的多晶硅來填充接觸窗口33a、33b、33b’和33c，且執行平面化工藝來形成填充第一接觸窗口33a的n型多晶硅圖案35a與填充第三接觸窗口33c的n型多晶硅圖案35c。然后，將p型摻雜劑離子注入填充第二接觸窗口33b和33b’的n型多晶硅圖案。因此，多晶硅圖案的導電型從n型變化到p型，由此形成p型多晶硅圖案35b和35b’。可替換地，可以原位沉積p型摻雜的多晶硅，且可以執行平面化工藝來形成填充第二接觸窗口33b和33b’的p型多晶硅圖案35b和35b’。然后，可以將n型摻雜劑離子注入填充第一接觸窗口33a的p型多晶硅圖案和填充第三接觸窗口33c的p型多晶硅圖案。因此，多晶硅圖案的導電型從p型改變到n型，由此形成n型多晶硅圖案35a和35c。
圖12到15是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖。所述方法包括執行參考圖3和4所述的工藝。然后，形成暴露發射極-基極區的鈍化層23并使用外延生長工藝或CVD工藝形成p型外延硅-鍺層。
單晶硅-鍺層25a形成于重摻雜n型硅區19和發射極-基極區“A”的輕摻雜外延硅層15中，且多晶硅-鍺層25b形成于鈍化層23上。多晶硅-鍺25b通常比單晶硅-鍺層25a形成得比較厚。因此，鈍化層23和硅-鍺層25a之間的厚度導致多晶硅-鍺層25b的頂表面和單晶硅-鍺層25a的頂表面之間的臺階。該臺階界定了凹入部分28和單晶硅-鍺層25a的側壁25s。單晶硅-鍺層25a形成基極，且多晶硅-鍺層25b形成基極端子。
隨著鈍化層23變得更厚，多晶硅-鍺層25b的頂表面和單晶硅-鍺層25a之間的臺階增加。
參考圖12，沉積并回蝕絕緣材料來在側壁25s上形成絕緣分隔物26。絕緣分隔物26用于將作為基極端子的多晶硅-鍺層25b與將在后形成的發射極端子電隔離。例如，絕緣分隔物可以由氮化硅層形成。
參考圖13，形成多晶硅層來填充凹入區28，且執行平面化工藝直到暴露絕緣分隔物26，由此將多晶硅層限制在凹入區28內。可以隨CVD工藝或回蝕工藝來執行平面化工藝。在平面化工藝之后，形成于凹入區28外部的多晶硅-鍺層25b的高度基本等于凹入區28內的多晶硅層的高度。為了電隔離多晶硅-鍺層25b與多晶硅層，優選的是在平面化工藝期間執行過度蝕刻。即，執行平面化工藝，從而多晶硅-鍺層25b和多晶硅層的高度低于絕緣分隔物26的高度。
在平面化工藝之后，可以使用適當的濕蝕刻溶液進一步蝕刻多晶硅層。然后，將n型摻雜劑離子注入凹入區28以形成凹入區28內的n型多晶硅圖案35a。限制于凹入區28內的n型多晶硅圖案35a作為發射極端子。
參考圖14，執行光刻工藝來構圖多晶硅-鍺層25b和其下形成的部分的鈍化層23。即，去除形成于集電極接觸區“B”中的多晶硅-鍺層25b和鈍化層23以形成用于基極端子的多晶硅-鍺圖案35b，且暴露作為集電極端子的第三重摻雜n型硅層21。
執行硅化物工藝以分別形成作為發射極端子的n型多晶硅圖案35a上的硅化物層37a、作為基極端子的p性多晶硅-鍺層35b和35b’上的硅化物層37b和37b’、以及作為集電極端子的第三重摻雜n型硅層21上的硅化物層37c。
參考圖15，執行相關于圖8所述的各種工藝來形成金屬線43a、43b和43c。即，形成并構圖絕緣層39來形成暴露硅化物層37a、37b、37b’和37c的接觸孔。然后，沉積并構圖導電材料。
發射極端子35a的高度通常基本等于或低于基極端子35b和35b’的高度。
圖16到18是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖。在圖16到18所示的實施例中，鈍化層23暴露了集電極接觸區“B”。
參考圖16，執行參考圖3和4所述的工藝來形成鈍化層23。鈍化層23暴露基極-發射極區“A”和集電極接觸區“B”。利用外延生長工藝或CVD工藝，在基極-發射極區“A”上形成p型單晶外延硅-鍺層25a，在集電極接觸區“B”上形成p型單晶外延硅-鍺層25a，且在鈍化層23上形成多晶硅-鍺層25b。形成于鈍化層23上的硅-鍺層25b可以厚于形成于基極-發射極區“A”和集電極接觸區“B”中的硅-鍺層25a。由于硅-鍺層25a和25b與鈍化層23之間的厚度差，所以在基極-發射極區“A”和集電極接觸區“B”中界定了凹入區28a和28b。將n型摻雜劑離子注入以將多晶外延硅-鍺層25a的導電型從p型改變為n型。
參考圖17，沉積并回蝕絕緣材料以在基極-發射極區“A”中的凹入區28a的側壁上形成絕緣分隔物26a，且在集電極接觸區“B”中的凹入部分28b的側壁上形成絕緣分隔物26b。
形成多晶硅層來填充凹入區28a和28b，且執行平面化工藝來將多晶硅層限制于凹入區28a和28b內。利用CVD工藝或回蝕工藝可以實現平面化工藝。因此，形成于凹入區28a和28b外部的多晶硅-鍺層25b、限制于凹入區28a和25b內的多晶硅層以及用于集電極端子的多晶硅層具有基本相同的厚度。在平面化工藝之后，優選地進一步執行蝕刻工藝以減小多晶硅層的高度。然后，將n型摻雜劑離子注入凹入區28a和28b以形成限制于凹入區28a內的用于發射極端子的n型多晶硅圖案35a，和形成限制于凹入區28b內的用于集電極端子的n型多晶硅圖案35c。
參考圖18，執行光刻工藝來構圖多晶硅-鍺層25b和形成于其下的絕緣層，由此形成用于基極端子的多晶硅-鍺圖案35b。
執行硅化物工藝以分別形成作為發射極接觸的n型多晶硅圖案35a上的硅化物層37a、作為基極接觸的p型多晶硅-鍺層35b和35b’上的硅化物層37b和37b’、以及作為集電極接觸的n型多晶硅層35c上的硅化物層37c。
接下來，執行相關于圖8所述的各種工藝來形成金屬線。具體而言，形成并構圖絕緣層來形成暴露硅化物層37a、37b、37b’和37c的接觸孔。然后，沉積并構圖導電材料。
圖19到22是示出根據本發明的又一實施例的用于制造npn雙極性晶體管的順序工序的示意性截面圖。在圖19到22所示的實施例中，通過平面化工藝形成發射極端子且因此改善了發射極接觸的特性。
參考圖19，執行參考圖3到5的工藝來形成鈍化層23和用于基極的硅-鍺層25a和25b。單晶硅-鍺層23a形成于基極-發射極區“A”中且多晶硅-鍺層23b形成于發射極-基極區的外部。在硅-鍺層上形成絕緣層31。絕緣層31包括順序堆疊的氧化物層和氮化物層。
參考圖20，執行光刻工藝來構圖絕緣層31，由此形成界定發射極接觸的接觸窗口33a。在第二重摻雜n型硅層19上形成接觸窗口33a。
參考圖21，沉積并構圖n型摻雜的多晶硅以在接觸窗口33a內形成發射極端子35a。
參考圖22，構圖絕緣層31和硅-鍺層25b來暴露其中將形成基極端子的多晶硅-鍺層35b。在沉積絕緣隔層39之后，執行接觸孔工藝和線工藝來形成金屬線43a、43b和43c。
如上所述，至少基極接觸和發射極接觸由于平面化工藝具有基本相同的厚度，由此使得可以形成具有低電阻的發射極接觸和基極接觸。而且，可以在金屬線之間穩定地形成硅化物層，由此提供高速雙極性晶體管。
前述的優選實施例是教導示例。本領域的普通技術人員可以理解，在不背離由權利要求所界定的本發明的范圍的情況下可以對示范性實施例做出各種形式和細節的改變。
權利要求
1.一種半導體器件，包括具有第一導電型的第一半導體層；具有第二導電型且形成于所述第一半導體層上的第二半導體層；以及具有第一導電型的第一半導體圖案和具有第二導電型的第二半導體圖案，兩者在所述第二半導體層上彼此分開形成，其中，所述第一半導體圖案的高度基本等于所述第二半導體圖案的高度。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述第一半導體層包括用n型雜質摻雜且構成雙極性晶體管的集電極的一部分的單晶硅層。
3.根據權利要求2所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層形成所述雙極性晶體管的基極且包括用p型雜質摻雜的單晶硅-鍺層；其中，所述第一半導體圖案接觸所述第二半導體層且形成所述雙極性晶體管的發射極端子；且所述第二半導體圖案接觸所述第二半導體層且形成所述雙極性晶體管的基極電極。
4.根據權利要求3所述的半導體器件，其中，所述第一半導體圖案包括用n型摻雜劑離子摻雜的多晶硅，且所述第二半導體圖案包括用p型摻雜劑離子摻雜的多晶硅。
5.根據權利要求3所述的半導體器件，還包括形成于所述第一半導體圖案的表面上的第一硅化物層；形成于所述第二半導體圖案的表面上的第二硅化物層；以及形成于所述第一半導體圖案的表面上的第三硅化物層。
6.根據權利要求1所述的半導體器件，還包括具有第一導電型且形成于所述第一半導體層上的第三半導體圖案，其中所述第三半導體圖案的高度基本與所述第一和第二半導體圖案相同。
7.根據權利要求6所述的半導體器件，其中，所述第一和第三半導體圖案包括用n型摻雜劑離子摻雜的多晶硅，且所述第二半導體圖案包括用p型摻雜劑離子摻雜的多晶硅。
8.一種雙極性晶體管，包括具有第一導電型且形成集電極的第一半導體層；具有第二導電型且形成于所述第一半導體層上方的第二半導體層，所述第二半導體層形成基極；形成于所述第二半導體層上的絕緣層，所述絕緣層具有暴露所述第二半導體層的第一接觸窗口和第二接觸窗口；填充所述第一接觸窗口且形成發射極端子的具有第一導電型的第一半導體圖案；和填充所述第二接觸窗口且形成基極端子的具有第二導電型的第二半導體圖案。
9.根據權利要求8所述的半導體器件，其中，所述第一半導體層包括n型外延硅層，所述第二半導體層包括p型外延硅-鍺層。
10.根據權利要求9所述的半導體器件，其中，所述第一半導體圖案包括n型多晶硅，所述第二半導體圖案包括p型多晶硅。
11.根據權利要求8所述的半導體器件，其中，所述絕緣層具有平頂表面且形成于所述第二半導體層上，且所述雙極性晶體管還包括穿透所述絕緣層來暴露所述第一半導體層的第三接觸窗口；和具有第一導電型且填充所述第三接觸窗口來形成集電極端子的第三半導體圖案。
12.根據權利要求11所述的半導體器件，還包括形成于所述第一半導體圖案上的第一硅化物層；形成于所述第二半導體圖案上的第二硅化物層；以及形成于所述第三半導體圖案上的第三硅化物層。
13.根據權利要求8所述的半導體器件，還包括形成于所述第一半導體圖案的表面上的第一硅化物層；形成于所述第二半導體圖案的表面上的第二硅化物層；以及形成于所述第二半導體層上的第三硅化物層。
14.根據權利要求8所述的半導體器件，其中，所述絕緣層包括順序堆疊的氧化物層和氮化物層。
15.根據權利要求8所述的半導體器件，其中，所述第一半導體圖案的高度與所述第二半導體圖案的高度基本相同。
16.一種雙極性晶體管，包括p型硅襯底；形成于所述p型硅襯底上的重摻雜的n型子集電極區；形成于所述子集電極區上的輕摻雜的n型單晶硅層；形成于輕摻雜的n型單晶硅層中以界定基極-發射極區和集電極接觸區的器件隔離層；通過分別將n型摻雜劑離子注入所述基極-發射極區和所述集電極接觸區中的輕摻雜的n型單晶硅層而形成的第一和第二低電阻集電極區，所述第一和第二低電阻集電極區連接到所述子集電極區；形成于所述基極-發射極區中的輕摻雜的n型單晶硅層上且作為基極的p型硅-鍺層；形成于所述p型硅-鍺層上的絕緣層，所述絕緣層包括設置于所述第一低電阻集電極區上的第一接觸窗口和從所述第一接觸窗口分開的第二接觸窗口；以及填充所述第一接觸窗口且形成發射極電極的n型多晶硅圖案，和填充所述第二接觸窗口且形成基極端子的p型多晶硅圖案。
17.根據權利要求16所述的雙極性晶體管，還包括形成于所述第二低電阻集電極區上的第一硅化物層；形成于所述n型多晶硅圖案上的第二硅化物層；以及形成于所述p型多晶硅層上的第三硅化物層。
18.根據權利要求16所述的半導體器件，還包括鈍化層，所述鈍化層形成于所述輕摻雜的n型單晶硅層上且在所述絕緣層下，且具有暴露所述基極-發射極區上方的輕摻雜的n型單晶硅層的間隙。
19.根據權利要求16所述的半導體器件，其中，所述鈍化層包括氧化硅層，且所述絕緣層包括順序堆疊的氧化物層和氮化物層。
20.根據權利要求16所述的半導體器件，還包括具有平頂表面且形成于所述絕緣層下的第一低電阻集電極區上的n型硅-鍺層；形成于所述絕緣層中的第三接觸窗口；和填充所述第三接觸窗口的n型第三多晶硅圖案。
21.根據權利要求20所述的半導體器件，還包括分別形成于所述第一、第二和第三多晶硅圖案上的第一、第二和第三硅化物層。
22.一種制造雙極性晶體管的方法，包括形成具有第一導電型的第一半導體層；在所述第一半導體層上形成具有第二導電型的第二半導體層；在所述第二半導體層上形成絕緣層，所述絕緣層包括暴露所述第二半導體層的第一和第二接觸窗口；形成具有第一導電型且填充所述第一接觸窗口的第一多晶硅圖案，所述第一多晶硅圖案構成至少部分的發射極端子；以及形成具有第二導電型且填充所述第二接觸窗口的第二多晶硅圖案，所述第二多晶硅圖案構成至少部分的基極端子。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，形成所述第一和第二多晶硅圖案包括在所述絕緣層上形成多晶硅層來填充所述第一和第二接觸窗口；執行平面化工藝直到暴露所述絕緣層的上表面；在所述第一多晶硅圖案上注入具有第一導電型的摻雜劑離子；和在所述第二多晶硅圖案上注入具有第二導電型的摻雜劑離子。
24.根據權利要求22所述的方法，其中，形成所述第一和第二多晶硅圖案包括在所述絕緣層上形成具有第一導電型的多晶硅層來填充所述第一和第二接觸窗口；執行平面化工藝直到暴露所述絕緣層的上表面；和在所述第二多晶硅圖案中注入具有第二導電型的摻雜劑離子。
25.根據權利要求23或24所述的方法，其中，形成所述絕緣層包括順序形成氧化物層和氮化物層；和構圖所述氮化物層和所述氧化物層。
26.根據權利要求23或24所述的方法，還包括在所述絕緣層中形成暴露所述第二半導體層的第三接觸窗口；形成具有第一導電型且填充所述第三接觸窗口的第三多晶硅圖案；和當形成所述第一多晶硅圖案時，同時通過在所述第一半導體層中注入第一導電型的離子來形成集電極端子。
27.一種制造雙極性晶體管的方法，所述方法包括制備包括具有第一導電型且構成至少部分的集電極的第一半導體層的襯底，并且在所述第一半導體層中形成器件隔離層；形成具有第二導電型且構成至少部分的基極的第二半導體層；形成具有暴露所述第二半導體層的第一和第二接觸窗口的絕緣層；在所述絕緣層上形成多晶硅層來填充所述第一和第二接觸窗口；在所述絕緣層上進行平面化工藝直到暴露所述絕緣層，由此形成填充所述第一接觸窗口的第一多晶硅圖案和填充所述第二接觸窗口的第二多晶硅圖案；將第一導電型的摻雜劑離子注入所述第一多晶硅圖案來形成發射極-基極結和發射極端子；以及將第二導電型的摻雜劑離子注入所述第二多晶硅圖案來形成基極端子。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，形成所述絕緣層還包括當形成所述第一和第二接觸窗口時形成暴露所述第二半導體層的第三接觸窗口；當將第一導電型的摻雜劑離子注入所述第一多晶硅圖案時，將第一導電型的摻雜劑離子注入所述第三多晶硅圖案。
29.根據權利要求27所述的方法，其中，制備所述襯底包括制備第二導電型的半導體襯底；將第一導電型的摻雜劑離子注入所述半導體襯底來形成作為第一導電型的第一高濃度集電極區的所述第一半導體層；在所述第一高濃度集電極區上形成具有第一導電型的外延硅層；在所述外延硅層中形成所述器件隔離層；和將第一導電型的摻雜劑離子注入所述外延硅層以形成接觸所述第一高濃度集電極區的第二和第三高濃度集電極區。
30.根據權利要求29所述的方法，其中，形成所述第二半導體層包括在部分的所述外延硅層和所述器件隔離層上方形成氧化物層；且執行外延生長工藝或CVD工藝，來在通過所述氧化物層中的間隙暴露的所述外延硅層的部分上形成用第一導電型的離子摻雜的單晶外延硅-鍺層。
31.根據權利要求29所述的方法，其中，形成所述第二半導體層包括執行外延生長工藝，來在通過所述氧化物層中的間隙暴露的所述外延硅層的部分上形成用第一導電型離子摻雜的單晶外延硅-鍺層。
32.根據權利要求30所述的方法，還包括使用外延生長工藝或CVD工藝，在所述氧化物層上沉積多晶硅-鍺層。
33.一種制造雙極性晶體管的方法，包括形成具有第一導電型的第一半導體層，所述第一半導體層構成至少部分的集電極；在所述第一半導體層上形成鈍化層，所述鈍化層界定發射極-基極區；形成具有第二導電型的第二半導體層，所述第二半導體層構成至少部分的基極；形成具有暴露發射極-基極區的接觸窗口的絕緣層；形成填充所述接觸窗口且形成發射極端子的第一導電型的多晶硅圖案；以及構圖所述絕緣層和所述半導體區來界定基極端子。
全文摘要
本發明公開了包括具有基本相同高度的發射極端子和基極端子的雙極性晶體管及其制造方法。雙極性晶體管包括形成于作為集電極的半導體層上并作為基極的硅－鍺層。雙極性晶體管還包括具有用于發射極端子和集電極端子的接觸窗口的絕緣層。通過形成填充接觸窗口的多晶硅層且在多晶硅層上執行平面化工藝來形成發射極和集電極端子。執行離子注入工藝來形成多晶硅發射極端子和多晶硅基極端子。
文檔編號H01L21/331GK1828929SQ20061000607
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月24日 優先權日2005年1月24日
發明者徐永大, 梁奉吉 申請人:三星電子株式會社