包括双极晶体管的结构的制作方法

1.本文本涉及包括双极晶体管的结构。


背景技术：

2.双极晶体管包括在半导体衬底上重叠的发射极、基极和集电极。
3.基极包括：所谓的本征部分，其是晶体管的有源区，在其下部与集电极形成结，并且在其上部与发射极形成结；以及所谓的非本征部分，其是相对于本征基极横向延伸的电连接区域，在晶体管操作期间，本征部分可以通过非本征部分极化。
4.为了减少基极
‑
集电极电容，需要的是将集电极与基极的非本征部分电绝缘。
5.这种绝缘可以借助于包围基极
‑
集电极结的气隙来实现，使得能够避免在基极的非本征部分与集电极之间的任何接触。
6.图1示出了在半导体衬底1上形成的双极晶体管。集电极c在电绝缘层11中部分地形成。与基极b的本征部分b1形成结的集电极c的上部由气隙3’包围。本征部分b1具有t形并且通过横向部分b3连接到形成基极的非本征部分b2的半导体层13，横向部分b3在部分b1之后被形成并且具有不同的电气属性。气隙3’由电绝缘层11、半导体层13和电绝缘层12界定，电绝缘层12在基极的本征部分的t形头部下方延伸。
7.通过引用并入的美国专利no.10,186,605和10,224,423描述了能够形成这种气隙的方法。
8.然而，这些方法特别复杂，这是因为为了实现将基极的非本征部分连接到基极的本征部分的步骤数目很多。此外，很难控制气隙的尺寸，这会带来在基极的非本征部分与集电极之间短路的风险。
9.因此仍然需要设计一种用于制造双极晶体管的方法，该方法能够以稳健的方式并且以最少的步骤数目将基极的非本征部分与集电极电绝缘。


技术实现要素：

10.本公开的目的是提供一种包括双极晶体管的结构，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
11.根据本公开的一方面，提供了一种用于制造双极晶体管的方法，双极晶体管包括集电极、基极和发射极，方法包括：在半导体衬底上形成相邻层的堆叠，相继包括：第一层、第二层、第三层和第四层，其中第一层、第二层、第三层和第四层中的每个层与每个相邻层相比能够被选择性地蚀刻，第一层、第二层和第四层是电绝缘的；在堆叠中形成到达半导体衬底的开口；执行外延工艺，外延工艺在半导体衬底上生长双极晶体管的集电极，并且在第三层中蚀刻环形开口；通过外延在集电极上形成基极的本征部分，基极的本征部分通过在环形开口中形成的气隙与第三层分离，其中在集电极与基极的本征部分之间的结由第二层包围；在基极的本征部分上形成发射极；通过选择性蚀刻移除第三层；以及在第三层被移除的区域中并且与基极的本征部分直接接触地，在第二层上选择性地沉积半导体层，以便形
成双极晶体管的基极的非本征部分。
12.根据一个或多个实施例，形成发射极包括：在第四层中形成到达基极的本征部分的开口；以及在第四层和基极的本征部分上非选择性地沉积半导体材料。
13.根据一个或多个实施例，其中形成基极的非本征部分包括：从基极的本征部分的边缘横向生长半导体层的第一阶段；随后从第二层的表面在与表面垂直的方向上生长半导体层的第二阶段。
14.根据一个或多个实施例，其中形成基极的非本征部分包括：在第二层上沉积第一半导体层的阶段；随后在第一半导体层上选择性地沉积半导体层。
15.根据一个或多个实施例，其中第一层、第二层和第四层由选自由以下项构成的组的材料形成：氧化硅和氮化硅。
16.根据一个或多个实施例，其中第一层和第四层由氧化硅制成，并且第二层由氮化硅制成。
17.根据一个或多个实施例，其中第三层由多晶硅锗制成。
18.根据一个或多个实施例，其中形成基极的非本征部分的半导体层由多晶硅制成。
19.根据一个或多个实施例，其中基极的本征部分由硅锗制成。
20.根据一个或多个实施例，其中第三层由多晶硅锗制成，并且其中第三层的锗含量比基极的本征部分的锗含量高至少1.5倍。
21.根据一个或多个实施例，方法进一步包括，在形成发射极之前，在基极的本征部分上形成间隔件。
22.根据一个或多个实施例，其中形成间隔件包括：在基极的本征部分上沉积氧化硅层；在氧化硅层上沉积氮化硅层；以及在氮化硅层和氧化硅层中形成到达基极的本征部分的开口，以便在氧化硅层中界定间隔件。
23.本公开的另一方面提供了一种包括双极晶体管的结构，双极晶体管包括集电极、基极和发射极，结构包括：半导体衬底；在半导体衬底上的堆叠，堆叠相继包括：第一电绝缘层；第二电绝缘层，在第一电绝缘层上并且与第一电绝缘层接触，其中第二电绝缘层由与第一电绝缘层的材料不同的材料制成；以及半导体层，堆叠包括延伸穿过堆叠以到达半导体衬底的窗口；其中集电极、基极的本征部分和发射极在窗口中在半导体衬底上相继堆叠；其中在集电极与基极的本征部分之间的结由第二电绝缘层包围；以及其中半导体层形成双极晶体管的基极的非本征部分。
24.根据一个或多个实施例，其中第二电绝缘层直接接触在集电极与基极的本征部分之间的结。
25.根据一个或多个实施例，其中第一电绝缘层由氧化硅制成，并且第二电绝缘层由氮化硅制成。
26.根据一个或多个实施例，其中形成基极的非本征部分的半导体层由多晶硅制成。
27.利用本公开的实施例，获得的双极晶体管更坚固，同时更容易在工业规模上制造。
附图说明
28.参考附图，这些实施例的其他特征和优点将在下面的详细描述中变得清楚，其中：
29.图1是包括在基极与集电极之间的结周围的气隙的双极晶体管的示意性截面视
图；
30.图2是在衬底上形成的层的堆叠的示意性截面视图；
31.图3是在堆叠中形成开口后的图2的结构的示意性截面视图；
32.图4是双极晶体管的集电极通过外延在衬底上形成之后的图3的结构的示意性截面视图；
33.图5是双极晶体管的基极通过外延在集电极上形成之后的图4的结构的示意性截面视图；
34.图6是在沉积氧化硅和氮化硅层之后的图5的结构的示意性截面视图；
35.图7是在蚀刻氮化硅层的一部分之后的图6的结构的示意性截面视图；
36.图8是在形成暴露双极晶体管的基极的上表面的开口之后的图7的结构的示意性截面视图；
37.图9是在移除氮化硅焊盘之后的图8的结构的示意性截面视图；
38.图10是在沉积形成双极晶体管的发射极和保护层的材料之后的图9的结构的示意性截面视图；
39.图11是在限定双极晶体管的发射极之后的图10的结构的示意性截面视图；
40.图12是在沉积发射极周围封装层之后的图11的结构的示意性截面视图；
41.图13是在局部蚀刻封装层之后的图12的结构的示意性截面视图；
42.图14是移除多晶硅锗层之后的图13的结构的示意性截面视图；
43.图15是在选择性沉积形成双极晶体管的基极的非本征部分的半导体层之后的图14的结构的示意性截面视图；
44.图16a是根据第一实施例的所述选择性沉积步骤的示意性截面视图；以及
45.图16b是根据第二实施例的所述选择性沉积步骤的示意性截面视图。
46.为了附图的易读性，附图没有按比例绘制。此外，附图已经被简化，以便仅示出用于理解附图的元件。
具体实施方式
47.在本文中，术语“横向”、“下部”、“上部”、“下方”、“上方”、“上”、“下”等是根据附图中所考虑的元件的方向来理解的。
48.参考图2，在衬底1上形成以下四个连续(并且相邻)层的堆叠2：第一层21、在第一层21上并且与第一层21接触的第二层22、在第二层22上并且与第二层22接触的第三层23、以及在第三层23上并且与第三层23接触的第四层24。
49.衬底1是可选择地掺杂的单晶半导体衬底。例如，衬底1可以是单晶硅衬底。如下所述，衬底1实际上必须用作双极晶体管的集电极、基极和发射极的外延生长的种子。
50.堆叠的第一层、第二层和第四层电绝缘。例如，所述层可以由氧化硅(sio2)或氮化硅(si3n4)形成。
51.此外，与每个相邻层相比，层21至24中的每层能够被选择性地蚀刻。
52.因此，在某些实施例中，层21和24是氧化硅层，并且层22是氮化硅层。
53.第三层23有利地是多晶硅锗层，与层22和24以及与之后将形成的基极的本征部分的材料相比，该多晶硅锗层能够被选择性地蚀刻。
54.当然，这些材料作为示例给出，并且本领域技术人员可以选择满足上述条件的其他材料。
55.参考图3，在堆叠2中已经形成了延伸到衬底1的开口20，以便暴露衬底1的表面10。
56.这种开口可以通过穿过掩模(未示出)的蚀刻形成，特别是通过干蚀刻。蚀刻实现了适用于连续蚀刻层24、23、22和21的组合物的试剂。这种蚀刻本质上是各向异性的，也就是说主要是在堆叠的厚度的方向上。根据要蚀刻的材料选择蚀刻剂在本领域技术人员所能达到的范围内，并且不会在本文中详细描述。
57.开口20形成窗口，在其中集电极、基极和发射极必须从衬底1的表面10形成。
58.参考图4，已经实现选择性的循环外延方法，以在横向蚀刻层23的同时生长双极晶体管的集电极c。
59.衬底1是单晶的，用作集电极外延生长的种子。集电极由晶格参数尽可能类似于衬底1的晶格参数的单晶半导体材料形成，以避免在集电极中生成晶体缺陷。有利地，衬底1和集电极c二者都由单晶硅制成。集电极c可以在外延期间或之后通过本领域技术人员已知的方法掺杂。在npn晶体管的情况下，集电极的掺杂可以通过砷或磷执行，剂量通常为10
18
cm
‑3至10
19
cm
‑3的量级。在pnp晶体管的情况下，集电极的掺杂可以通过硼或铟执行，剂量通常为10
18
cm
‑3到10
19
cm
‑3的量级。
60.每个选择性外延周期包括蚀刻步骤和生长步骤。生长速率根据实现生长的材料而异。外延的选择性是通过蚀刻获得的，这能够消除沉积在生长不太快的位置的材料。
61.每个选择性蚀刻步骤实现了蚀刻剂，该蚀刻剂蚀刻层23的多晶硅锗比蚀刻集电极的硅更快。例如，蚀刻剂包括盐酸(hcl)。每个选择性蚀刻步骤能够形成在层23中围绕开口20横向延伸的环形开口230。所述开口230的宽度在开口20的每侧上为数十纳米的量级。
62.每个选择性外延步骤能够在衬底1的表面10上优选地生长单晶硅，衬底1的晶格用作生长集电极c的种子。
63.当集电极的上表面位于氧化硅层21的上表面与氮化硅层22的上表面之间时，集电极的生长停止。
64.参考图5，外延在集电极c上继续生长双极晶体管的基极(更准确地说，基极的本征部分b1)。集电极是单晶的，用作基极的外延生长的种子。基极由单晶半导体材料形成，其晶格参数尽可能类似于集电极c的晶格参数，以避免集电极中生成晶体缺陷。有利地，衬底1和集电极c由单晶硅制成，而基极b1由单晶硅锗制成。与基极b1的锗含量相比，层23的锗含量足够高(例如，高1.5倍以上)，以确保层23相对于基极b1的蚀刻的选择性，以便在层23的蚀刻期间不损坏基极(图14中示意性地示出的步骤)。基极掺杂有与集电极类型相对的掺杂类型以形成p
‑
n结，p
‑
n结与电绝缘层22横向接触。
65.由于在层23中形成的环形开口230，基极唯一地从集电极的单晶材料生长，与层23的多晶材料保持一定距离，这能够优化基极的晶体质量。实际上，如果基极与层23接触，基极的材料也会沉积在该层的边缘上，该层由与基极的材料不同并且不是单晶的材料构成，这将在基极中引起晶体缺陷。
66.当基极的上表面达到多晶硅锗层23的上表面时，基极的生长停止。
67.在基极的生长结束时，环形开口230因此由基极内部界定以形成气隙3。然而要注意的是，该气隙与图1的双极晶体管中的气隙3’不在同一位置，并且不实现相同的功能。实
际上，图1的双极晶体管的气隙3’旨在避免在基极
‑
集电极结与基极的非本征部分之间的电接触，而图5的气隙3旨在优化基极的本征部分的结晶质量。如下文将看到的，气隙3将在用于制造双极晶体管的方法的后续步骤中消失，从而将不存在于最终的双极晶体管中。
68.参考图6，在图5的结构上已经沉积了氧化硅层25上的附加氧化硅层和氮化硅层26。这两层旨在形成随后将形成的发射极的间隔件。由于氧化硅的沉积是共形的，因此能够在整个暴露的表面上形成均匀厚度的层，接下来能够获得具有最佳形状的间隔件。
69.参考图7，氮化硅层26已经在结构的整个表面上被蚀刻。在该蚀刻步骤结束时，开口中仅剩下两个氮化硅焊盘26a。
70.参考图8，通过移除存在于所述焊盘之间的氧化层，在焊盘26a之间形成开口，以便暴露基极的本征部分b1的上表面。
71.参考图9，已经移除了氮化硅焊盘26a，使得在基极的本征部分b1上只剩下两个间隔件25a，它们是氧化硅层25的残余部分。
72.参考图10，已经实现了旨在形成发射极的多晶硅的沉积。该沉积不是选择性的，多晶硅层27已经同时在氧化硅层24、间隔件25a以及基极的本征部分b1上沉积。层27掺杂有与基极的类型相反的类型，以在基极与发射极之间形成p
‑
n结。在npn晶体管的情况下，发射极的掺杂可以通过砷执行，剂量通常为10
20
至10
21
cm
‑3的量级。在pnp晶体管的情况下，发射极的掺杂可以通过硼执行，剂量通常为10
20
至10
21
cm
‑3的量级。
73.层27接着由电绝缘保护层28(例如由氧化硅制成)覆盖。
74.参考图11，通过掩模(未示出)实现局部蚀刻以限定在多晶硅层27中的发射极e。在未被掩模覆盖的结构的区域中，蚀刻已经移除了氧化硅层28、多晶硅层27和氧化硅层24。
75.选择蚀刻剂以确保氧化硅与多晶硅锗相比的选择性蚀刻，多晶硅锗层23用作蚀刻停止层。
76.参考图12，已经沉积了氧化硅层29，使得能够封装发射极。所述层29以共形的方式沉积在多晶硅锗层23、氧化硅层28和发射极横向边缘上。
77.参考图13，已经蚀刻了存在于硅锗层23的表面上的氧化硅层29。所述蚀刻是各向异性的，以便保持氧化硅封装发射极e的上表面和横向边缘。多晶硅锗层23用作蚀刻停止层。
78.参考图14，实现了多晶硅锗层23的蚀刻。与结构的其它材料相比，特别是与基极的本征部分b1的材料和层22的材料相比，选择蚀刻剂以确保多晶硅锗的选择性蚀刻。
79.该蚀刻暴露了基极的本征部分b1的横向边缘的上部，基极
‑
集电极结由氮化硅层22包围。
80.参考图15，半导体层30已经沉积在氮化硅层22上。选择将层30的半导体材料选择性地沉积在氮化硅上，而不是沉积在氧化硅上。氮化硅不是单晶材料，层30的半导体材料通常是多晶的。根据优选实施例，层30的材料是掺杂与基极相同类型的多晶硅。
81.从所述层的上表面到达发射极e的下表面的时刻起，层30的沉积可以停止。因此，层30完全填充发射极下的停止区域，并且与基极b的上部电接触。因此，层30实现了基极的非本征部分b2的功能。
82.根据实施例，如图16a中所示，层30的生长可以首先从基极的本征部分b1的暴露的边缘开始，在平行于结构的主表面的方向上(箭头i表示的方向)生长，然后从氮化硅层的层
22的表面开始，在垂直于层22表面的方向上(箭头ii表示的方向)生长。为此，首先实现选择性外延，使得能够从基极的本征部分的硅锗唯一地生长层30的材料，然后选择性外延使得层30的材料也能够从层22的氮化硅生长。
83.根据图16b中所示的备选实施例，层30的生长可以在垂直于结构的主表面的方向上分两步执行。在第一步骤中(由箭头i示意性地示出)，可以首先在层22上沉积薄硅层。在第二步骤中(由箭头ii示意性地示出)，p掺杂的多晶硅被沉积在薄硅层上以形成层30的剩余部分。这种薄硅层的预先沉积可以有利于确保多晶硅层相对于封装发射极的氧化物的沉积具有足够的选择性。由于硅层厚度较低，因此在第一步骤中沉积的硅层不能实现电气功能。基极的非本征部分b2的电气功能由在第二步骤中沉积的多晶硅层确保。
84.在实施例中，一种用于制造包括集电极、基极和发射极的双极晶体管的方法包括：在半导体衬底上形成堆叠，相继括：第一层、第二层、第三层和第四层，其中第一至第四层中的每层都能够相对于每个相邻层而被选择性地蚀刻，第一层、第二层和第四层是电绝缘的；在堆叠中形成到达半导体衬底的开口；通过外延形成衬底上的双极晶体管的集电极，并且通过在第三层中选择性蚀刻形成环形开口；通过外延形成在集电极上的基极的本征部分，所述本征部分通过在环形开口中形成的气隙与第三层分离，在集电极与基极的本征部分之间的结由第二层包围；在基极的本征部分上形成发射极；通过选择性蚀刻移除第三层；以及在第二层上选择性地沉积半导体层，与基极的本征部分直接接触，以便形成双极晶体管的基极的非本征部分。
85.短语“基极的本征部分”在本文的上下文中理解为意味着双极晶体管分别与集电极和发射极形成p
‑
n结的部分。短语“基极的非本征部分”在本文的上下文中理解为意味着相对于基极的本征部分横向延伸的电接触的区域，因此其功能是极化双极晶体管的基极。
86.在某些实施例中，形成发射极包括在第四层中形成到达基极的本征部分的开口，以及在第四层和基极的本征部分上非选择性地沉积半导体材料。
87.在某些实施例中，形成基极的非本征部分包括从基极的本征部分的边缘横向生长半导体层的第一阶段，接着是在与所述表面垂直的方向上从第二电绝缘层的表面生长半导体层的第二阶段。
88.在其它实施例中，形成基极的非本征部分包括在第二电绝缘层上沉积第一半导体层，接着是在所述第一半导体层上选择性地沉积半导体层。
89.在某些实施例中，第一、第二和第四层由氧化硅(sio2)材料或氮化硅(si3n4)材料形成。
90.特别地，第一层和第四层可以是氧化硅层，并且第二层可以是氮化硅层。
91.在某些实施例中，第三层是多晶硅锗层。
92.在某些实施例中，形成基极的非本征部分的半导体层是多晶硅层。
93.在某些实施例中，基极的本征部分包括硅锗。
94.在某些实施例中，第三层和基极的本征部分由硅锗制成，并且第三层的锗含量至少比基极的本征部分的锗含量高1.5倍。
95.在某些实施例中，方法包括，在形成发射极之前，在基极的本征部分上形成间隔件。
96.特别地，形成间隔件可以包括：在基极的本征部分上沉积氧化硅层；在氧化硅层上
沉积氮化硅层；以及在氮化硅层和氧化硅层中形成到达基极的本征部分的开口，以便在氧化硅层中界定所述间隔件。
97.在实施例中，一种结构包括能够通过上述方法获得的双极晶体管。
98.所述结构包括双极晶体管，包括：集电极、基极和发射极，所述结构包括：半导体衬底；堆叠，从衬底相继包括：第一电绝缘层、由与第一电绝缘层的材料不同的材料制成的第二电绝缘层、以及半导体层，所述堆叠包括延伸到衬底的窗口；集电极、基极的本征部分和发射极在所述窗口中在衬底上相继堆叠，在集电极与所述基极的本征部分之间的结由第二电绝缘层包围，半导体层形成双极晶体管的基极的非本征部分。
99.在某些实施例中，第二电绝缘层与在集电极与基极的本征部分之间的结直接接触。
100.在某些实施例中，第一电绝缘层由氧化硅制成，并且第二电绝缘层由氮化硅制成。
101.在某些实施例中，形成基极的非本征部分的半导体层由多晶硅制成。
102.因此，由于在蚀刻和/或沉积选择性方面对形成在衬底上沉积的堆叠的材料进行了明智的选择，与图1的用于制造双极晶体管的方法相比，本文所述的方法具有以下优点。一方面，在基极的本征部分周围形成的气隙能够改善基极的晶体质量。另一方面，通过电绝缘层(即图中所示的实施例中的氮化硅层22)确保了基极
‑
集电极结相对于基极的非本征部分的电绝缘，该电绝缘层与所述结的任一侧的基极和集电极直接接触；因此避免了与气隙的控制有关的困难。最后，实现的步骤的数目减少，特别是关于实现在基极的本征部分与非本征部分之间的连接。
103.因此获得的双极晶体管更坚固，同时更容易在工业规模上制造。
104.此外，用于制造所述双极晶体管的步骤与用于制造cmos晶体管的步骤兼容，该方法适用于双极晶体管和cmos晶体管的协整(由术语bicmos表示)。