[发明专利]硅-锗异质结双极晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路器件，特别是涉及一种硅-锗异质结双极晶体管。

背景技术

异质结双极晶体管(HBT)由宽禁带的发射区，重掺杂、带隙较小的基区和宽禁带的集电区材料组成，如发射区由硅构成、基区由硅锗合金(通常简写为硅-锗)构成、集电区由硅构成的硅-锗HBT。硅-锗HBT的基区能带间隙比发射区小，并且与硅集成电路工艺完全兼容，适合制造高集成度、高速度、与硅半导体制造工艺高度兼容的半导体器件，被广泛应用于高频高速通信领域。

请参阅图1，这是一种现有的硅-锗HBT的结构示意图。硅衬底1中有深隔离层2、浅隔离层3和埋层4，两个深隔离层2在埋层4两侧。埋层4之上的硅衬底1中有集电区5和集电极引出区6。集电区5之上有内基区7b，部分硅衬底1、部分深隔离层2和部分浅隔离层3之上有外基区7a，两个外基区7a在内基区7b两侧。内基区7b之上有介质16和T形发射极12，介质16和T形发射极12的两侧有侧墙(介质)11。外基区7a、T形发射极12和集电极引出区6之上有金属硅化物13和接触孔14，其余区域之上有层间介质15。

现有的硅-锗HBT器件中，内基区7b和外基区7a是硅锗合金，根据硅、锗的摩尔比，化学式表示为Si_xGe_1-x或者Ge_1-xSi_x；发射极12通常采用多晶硅；集电区5通常采用有掺杂的硅(单晶硅)。出于尽可能增大放大系数和升高截止频率的需求，一般发射极12都是T形结构，其通过T形结构两肩膀部位下方的介质16和内基区7b和外基区7a相隔离，并通过一个很小的发射极窗口(即T形结构的底部)与内基区7b相连。

现有的硅-锗HBT，其T形发射极12的制造方法是这样的：先在预备好的硅片表面淀积一层绝缘介质；在绝缘介质上刻蚀出发射极窗口；在硅片表面淀积发射极材料(如多晶硅)，发射极材料在发射极窗口中的部分就是T形发射极的下面较窄的部分；刻蚀发射极材料和绝缘材料，形成完整的T形发射极12和绝缘层16。然后以离子注入工艺形成外基区7a和内基区7b。所述预备好的硅片是指硅衬底1中已形成深隔离层2、浅隔离层3、埋层4、集电区5和集电极引出区6，硅衬底1上方已淀积基区材料(如硅锗合金)。

上述硅-锗HBT结构及其制造方法具有如下不足：

第一，由于先在绝缘层刻蚀出发射极窗口，再淀积多晶硅；受到工艺能力的限制，发射极窗口处的多晶硅的上表面(即T形发射极的上表面)无法做到完全平坦化，而具有一个明显凹陷，且此凹陷随着淀积工艺的均匀性不同、发射极窗口的形状不同在不断变化，导致发射极到基区的有效发射极厚度变化很大。发射极厚度不同又会影响到后续的基区注入时不同位置的内基区7b和外基区7a的硅和/或锗的浓度分布会有细微变化。这两者的变化对于最终硅-锗HBT的放大系数和截止频率影响很大，导致最终实际生产出的硅-锗HBT的整体良品率很难提升，有时只能通过降低技术指标来变相达到较高的良品率。

第二，为了提高硅-锗HBT的良品率，对发射极窗口的保真度要求很高，由于发射极窗口处的多晶硅的上表面具有明显凹陷，必须保持非常高要求的形状和尺寸控制，才能保证因为凹陷不同引起的发射极有效厚度的变化在可容许范围内。对于0.35μm，放大系数100，截止频率10～40GHZ的HBT工艺，仅仅3％的关键尺寸差异或0.5％的发射极窗口矩形长宽比变化就可以引起截止频率、工作电压、放大系数等超标，导致成品率大幅度降低，而一般生产上工艺控制能力都在5％～10％左右。因此传统的HBT制造工艺，发射极窗口工艺难度很大，往往需要使用更高端的光刻技术来满足低端工艺的需求。例如0.35μm的硅-锗HBT的发射极窗口需要使用0.18μm的光刻工艺，而0.13μm的硅-锗HBT的发射极窗口需要使用0.09μm或0.065μm的光刻工艺，这使硅-锗HBT要落后于CMOS工艺2代以上，同时限制了整体工艺代的发展。

第三，硅-锗HBT本来就是应用于高速器件，随着目前CMOS工艺开始普遍采用高k(介电常数)金属材料做为栅极，例如是含铪(Hf)的合金材料或氧化物。为了保持与CMOS工艺的高兼容性，硅-锗HBT的发射极也采用高k金属材料势必成为未来的发展趋势。然而由于高k金属材料耐热性很差，必须在所有主要的离子注入工艺后再形成，因此无法用传统的先淀积、再刻蚀、再注入的方法形成。同时高k金属材料的刻蚀工艺难度高、且刻蚀设备和气体比较特殊，成本很高。