半导体器件及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种具有双极晶体管的半导体器件及其制造方法，更具体地涉及具有异质结双极晶体管的半导体器件及其制造方法。
背景技术
用作半导体器件的晶体管可以一般说来划分为双极晶体管和金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管及其它场效应晶体管。
双极晶体管的一种类型是异质结双极晶体管(HBT)。ED99-262(电子、信息和通信工程师协会)的IEICE技术报告公开了一种能够降低InP/InGaAs基HBT的基极和发射极之间的电容的基极电极提取部分。图1A是示出这种HBT的平面图，以及图1B是沿图1A的线X-X`的剖面图。InP的衬底100具有彼此顺序叠置地n+型InGaAs的并形成集电极提取层(collector takeout layer)的子集电极层(sub-collector layer)101、n-型InGaAs的集电极层102、p+型InGaAs的基极层103、n-型InP的发射极层104、n+型InP和InGaAs的发射极盖层(未示出)等。
形成连接到发射极盖层的发射极电极105。为了形成基极接触，部分去除发射极盖层和发射极层104，形成发射极台面部分EM。形成连接到基极层103的基极电极106a。基极层103和集电极层102形成有基极台面部分BM。当形成连接到子集电极层101的集电极电极110时，子集电极层101形成有子集电极台面部分SM。
在距基极台面部分BM边缘的预定距离的位置处，形成由与子集电极层101相同层的层101a、与集电极层102相同层的层102a和与基极层103相同层的层103a组成的基极接触垫基极台面部分PBM。基极接触垫基极台面部分PBM形成有基极接触垫电极106b。这里，在基极电极106a之下形成的基极层103和在基极接触垫电极106b之下形成的层103a最初是相同的层，两层的表面高度相同，并且通过互连106c连接基极电极106a和基极接触垫电极106b。在基极台面部分BM和基极接触垫基极台面部分PBM之间的导电层106之下的区域形成一个空间SP。形成互连106c，浮置在空间SP之上。
如上所述，形成异质结双极晶体管HBT。形成绝缘膜108，覆盖整个HBT。绝缘膜108形成有到达发射极电极105的发射极接触孔CHe、到达基极接触垫电极106b的基极接触孔CHb和到达集电极电极110的集电极接触孔CHc。发射极接触孔CHe形成有与发射极电极105连接的发射极接触插塞互连109e。基极接触孔CHb形成有与基极接触垫电极106b连接的基极接触插塞互连109b。集电极接触孔CHc形成有与集电极电极110连接的集电极接触插塞互连109c。
这里，由于后面制造的原因，互连106c的拉伸方向(drawndirection)DR是例如衬底的InP结晶取向的
方向或
方向。
随后，将参照附图描述HBT的制造方法。如图2A所示，通过分子束外延(MBE)或金属有机化学气相淀积(MOCVD)，InP衬底100依次形成有作为子集电极层101的n+型InGaAs、作为集电极层102的n型InGaAs、作为基极层103的p+型InGaAs、作为发射极层104的n型InP、作为发射极盖层的n+型InP和InGaAs(未示出)。随后，按照发射极台面部分EM的图形，形成光刻胶膜(未示出)。利用光刻胶膜作为蚀刻掩模，将发射极盖层(未示出)和发射极层105处理成发射极台面部分EM，并暴露基极层103的表面。
如图2B所示，通过导电层的气相淀积，例如通过使用剥离(lift-off)方法形成发射极电极105并形成由基极电极106a、基极接触垫电极106b和互连106c组成的导电层106。这里，如图1A中所示，将导电层106布置成使互连106c沿衬底100的InP结晶取向的
方向或
方向延伸。
随后，如图2C中所示，按照基极台面部分BM的图形，形成光刻胶膜107。
如图2D中所示，利用光刻胶膜107作为掩模，蚀刻基极层103和集电极层102，形成基极台面部分BM。按照子集电极台面部分SM的图形，形成另一个光刻胶膜(未示出)。利用此光刻胶膜作为蚀刻掩模，以便将子集电极层101处理成子集电极台面部分SM以隔离元件。通过采用具有各向异性蚀刻特性类型的蚀刻剂，沿垂直于InP结晶取向的
方向或
方向的方向进行显著的侧向蚀刻，完全去除互连106c之下的子集电极层101、集电极层102和基极层103。此时，在基极接触垫电极106b之下，保留由与子集电极层101相同层形成的层101a、由与接触层102相同层形成的层102a和由与基极层103相同层形成的层103a，由此形成了基极接触垫基极台面部分PBM。由于上述侧向蚀刻特性进行一些侧向蚀刻，因此在与用于形成基极接触垫电极106b的区域相比更加狭窄的区域中形成基极接触垫基极台面部分PBM。
此后，例如，通过气相淀积，利用剥离方法在子集电极101上形成集电极电极110，通过CVD等形成绝缘膜108，按照接触孔的图形形成光刻胶膜，并且采用光刻胶作为掩模，通过反应离子蚀刻(RIE)，蚀刻绝缘膜108，以便开出发射极接触孔CHe、基极接触孔CHb和集电极接触孔CHc。在接触孔中形成接触插塞互连109e、接触插塞互连109b和接触插塞互连109c，以形成图1A和图1B中所示的结构。
总结通过本发明将要解决的问题，在上述现有技术的半导体器件的制造方法中，存在在互连106c的拉伸方向和用于完全去除互连106c之下的子集电极层101、集电极层102和基极层103的蚀刻剂类型方面的制约。当蚀刻以形成基极台面部分时，如果金属导电层106和在外延生长的半导体层的台阶差上形成的光刻胶膜的粘接性不够紧密，那么蚀刻剂将沿台阶差渗入，导致台面部分形状异常。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能够进行制造的半导体器件及其制造方法，该半导体器件不受图形布图或使用的蚀刻剂类型的限制，同时抑制台面成形部分的异常。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种半导体器件，具有在衬底上形成的半导体台面部分，包括至少集电极层、基极层和在与基极层相比更加狭窄的区域中形成的发射极层的叠层，并用作双极晶体管的有源区；基极接触垫台面部分，形成在与半导体台面部分分离的衬底上，并形成有与基极层的上表面的高度相同的高度；以及导电层，该导电层与形成为连接到基极层的基极电极、基极接触垫电极以及用于连接基极电极和基极接触垫电极的互连整体形成，该基极电极形成在除了发射极层的形成区域之外的基极层的形成区域的部分处，该基极接触垫电极形成在除了邻近基极接触垫台面部分的上表面的边缘之外的区域中的基极接触垫台面部分之上。
本发明的半导体器件具有通过互连从基极电极中提取的基极接触垫电极并且具有导电层，该导电层整体形成有在除了发射极层的形成区域之外的基极层的形成区域的部分处形成的连接到基极层的基极电极、在基极接触垫台面部分之上形成的基极接触垫电极以及用于连接基极电极和基极接触垫电极的互连。这里，在除了基极接触垫台面部分的上表面的边缘附近之外的区域处形成基极接触垫电极。
根据本发明的第二方面，提供一种具有双极晶体管的半导体器件的制造方法，该双极晶体管包括衬底之上的发射极层、基极层和集电极层，该制造方法具有步骤：在衬底之上形成至少集电极层、基极层和发射极层的叠层；构图叠层，形成由预定距离分隔的半导体台面部分和基极接触垫台面部分，该半导体台面部分包括至少集电极层、基极层和在与基极层相比更加狭窄的区域中形成的发射极层的叠层并用作双极晶体管的有源区，该基极接触垫台面部分具有与基极层的上表面的高度相同的高度并具有通过与基极层相同的层形成的表面层；在半导体台面部分和基极接触垫台面部分之间形成覆盖层，该覆盖层具有比衬底上的基极层的上表面的高度更高的上表面并且至少覆盖到基极接触垫台面部分的上表面的边缘附近；以及利用覆盖层作为掩模，在覆盖层之上形成导电层，并且整体地形成在除了发射极层的形成区域之外的基极层的形成区域部分处的连接到基极层的基极电极、在除了基极接触垫台面部分的上表面的边缘附近之外的区域中的基极接触垫台面部分之上的基极接触垫电极以及连接基极电极和基极接触垫电极的互连。
本发明的半导体器件的制造方法首先在衬底上形成至少集电极层、基极层和发射极层的叠层。随后，本发明构图叠层，形成分开预定距离的半导体台面部分和基极接触垫台面部分，该半导体台面部分包括至少集电极层、基极层和在与基极层相比更加狭窄的区域中形成的发射极层的叠层并用作双极晶体管的有源区，该基极接触垫台面部分具有与基极层的上表面的高度相同的高度并具有包括与基极层相同的层的表面层。随后，本发明在半导体台面部分和基极接触垫台面部分之间形成覆盖层，该覆盖层具有比衬底上的基极层的上表面的高度更高的上表面并且至少覆盖到基极接触垫台面部分的上表面的边缘附近。随后，本发明利用覆盖层作为掩模，在覆盖层之上形成导电层，并且整体地形成在除了发射极层的形成区域之外的基极层的形成区域的部分处连接到基极层的基极电极、在除了基极接触垫台面部分的上表面的边缘附近之外的区域中的基极接触垫台面部分之上的基极接触垫电极以及连接基极电极和基极接触垫电极的互连。
【附图说明】
将参照附图更加详细地描述本发明的上述和其它目的和特点，其中：
图1A是根据现有技术的包含异质结双极晶体管的半导体器件的平面图，以及图1B是沿图1A的线X-X`的剖面图；
图2A-2D是根据现有技术的包含异质结双极晶体管的半导体器件的制造方法的步骤的剖面图；
图3A是根据本发明第一实施例的包含异质结双极晶体管的半导体器件的平面图，以及图3B是沿图3A的线X-X`的剖面图；
图4A-4J是根据第一实施例的包含异质结双极晶体管的半导体器件的制造方法的步骤的剖面图；以及
图5是根据本发明第二实施例的包含异质结双极晶体管的半导体器件的平面图。
【具体实施方式】
以下，将参照附图来解释半导体器件及其制造方法。
第一实施例
图3A是根据本发明第一实施例的包含异质结双极晶体管的半导体器件的平面图，以及图3B是沿图3A的线X-X`的剖面图。由掺Fe的单晶InP组成的半绝缘衬底10已经依次在其上形成并用作异质结双极晶体管的有源区的n+型InP的大约500nm厚度的子集电极层11、n-型InP的大约500nm厚度的集电极层12、p+型InGaAs的基极层13、n型InP的大约75nm厚度的发射极层14和n+型InGaAs的大约75nm厚度的发射极盖层(未示出)。子集电极层11包含比集电极层12更高浓度的导电杂质并形成集电极提取层。
形成连接到发射极盖层的发射极电极15。为了形成基极接触，部分去除发射极盖层和发射极层14，形成发射极台面部分EM。形成连接到基极层13的基极电极17a，同时使基极层13和集电极层12形成有基极台面部分BM。子集电极层11形成有子集电极台面部分SM，并且形成与子集电极层11连接的集电极电极18。注意，子集电极台面部分SM是用于隔离元件的台面部分。
远离基极台面部分BM例如1-5μm的预定距离，形成具有层12a和层13a的基极接触垫基极台面部分PBM，由与集电极层12相同的层来形成层12a，由与基极层13相同的层来形成层13a。在下面形成具有由与子集电极层相同的层形成的层11a的基极接触垫子集电极台面部分PSM。因此，基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的高度就与基极台面部分BM的上表面的高度相同。
在基极接触垫基极台面部分PBM上形成基极接触垫电极17b。这里，通常，在基极电极17a之下的基极层13和在基极接触垫电极17b之下的层13a由相同的层最初形成并且上表面的高度相同。通过互连17c连接基极电极17a和基极接触垫电极17b。形成基极电极提取部分，用于减少基极-集电极电容。在导电层17之下的基极台面部分BM和基极接触垫基极台面部分PBM之间的区域形成空间16a。互连17c浮置在空间16a之上。基极接触垫基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM通过半绝缘衬底10与晶体管部分和其它元件电绝缘，因此这些部分的电容就不会成为晶体管的寄生电容。
例如，通过Ti/Pt/Au的叠层来形成发射极电极15、包含基极电极17a的导电层17和集电极电极18。
这里，在除了由基极台面部分PBM构成的基极接触垫台面部分的上表面的边缘PBMa附近之外的区域中形成基极接触垫电极17b。例如，在基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的边缘PBMa的内侧区域中，在0.5-2μm的范围内来形成它。另一方面，在除了发射极层14的形成区域之外和除了基极层13的边缘13b附近之外的区域中形成基极电极17a。例如，在基极层13的边缘13b的内侧区域中，在0.5-2μm的范围内来形成它。
如上所述，形成异质结双极晶体管HBT。形成绝缘膜19，覆盖整个HBT。绝缘膜19形成有到达发射极电极15的发射极接触孔CHe、到达基极接触垫电极17b的基极接触孔CHb和到达集电极电极18的集电极接触孔CHc。发射极接触孔CHe形成有与发射极电极15连接的发射极接触插塞互连20e。基极接触孔CHb形成有与基极接触垫电极17b连接的基极接触插塞互连10b。集电极接触孔CHc形成有与集电极电极18连接的集电极接触插塞互连20c。
构成具有根据本发明实施例的HBT的半导体器件，提供有基极电极的外部提取接触垫，而不会增加基极-集电极电容并能够防止器件的高频特性退化。基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的高度与基极台面部分BM的上表面的高度相同，因此就能够形成具有良好形状的在用于提取基极的互连处形成空气桥。
在除了由基极台面部分PBM构成的基极接触垫台面部分的上表面的边缘PBMa附近之外的区域中形成基极接触垫电极17b。在除了发射极层14的形成区域之外和除了基极层13的边缘13b附近之外的区域中形成基极电极17a。正如后面解释的，通过在基极接触垫台面部分和基极台面部分之间形成光刻胶膜或其它覆盖层以及利用此作为掩模形成导电层的方法，就能够容易地形成上述结构的基极接触垫电极17b和基极电极17a。通过利用此制造方法，就能够消除对图形布图、使用的蚀刻剂类型等的限制，抑制台面成形部分异常的发生，并保持对制造有利的台面蚀刻形状。
由于基极台面部分BM和基极接触垫基极台面部分PBM按1-5μm分隔地布置，因此就能够减少HBT的器件面积。互连17c的厚度是大约0.2-0.5μm薄，并且强度不足，因此如果增加距离，互连17c就容易受到损坏。为了防止这种情况，优选将基极台面部分BM和基极接触垫基极台面部分PBM之间的距离设置为上述范围。
将参照附图解释具有根据本发明实施例的HBT的半导体器件的制造方法。首先，如图4A所示，通过MBE或MOCVD，由掺Fe的单晶InP组成的半绝缘衬底10依次形成有作为子集电极层11的n+型InGaAs、作为集电极层12的n-型InP、作为基极层13的p+型InGaAs、作为发射极层14的n型InP和作为发射极盖层(未示出)的n+型InGaAs。
随后，如图4B中所示，通过例如剥离方法等，在发射极层15上形成发射极电极15。随后，采用未示出的用于构图发射极电极15的光刻胶膜、发射极电极15等作为掩模，依次将发射极盖层和发射极层14处理成发射极台面部分EM。由此，暴露基极层13的表面。在上述蚀刻中，通过采用磷酸、过氧化氢和水的混合液，蚀刻InGaAs的发射极盖层，同时通过采用盐酸和磷酸的混合液来蚀刻InP的发射极层。
随后，如图4C中所示，按基极台面部分BM和基极接触垫基极台面部分PBM的图形，形成光刻胶膜(未示出)。采用此光刻胶膜作为蚀刻掩模，以便将基极层13和集电极层12处理成基极台面部分BM。同时，将由与集电极层12相同的层形成的层12a和由与基极层13相同的层形成的层13a构图为基极接触垫基极台面部分BM。按上述相同的方法，例如，采用磷酸、过氧化氢和水的混合液，蚀刻InGaAs的基极层13，同时采用盐酸和磷酸的混合液来蚀刻InP的集电极层12。
随后，如图4D中所示，按子集电极台面部分SM和基极接触垫子集电极台面部分PSM的图形，形成光刻胶膜(未示出)。采用此光刻胶膜作为蚀刻掩模，以便将子集电极层11处理成子集电极台面部分SM并隔离元件。同时，构图由与子集电极层11相同的层形成的层11a，以便形成基极接触垫子集电极台面部分PSM。按上述相同的方法，例如，采用磷酸、过氧化氢和水的混合液，蚀刻InGaAs的子集电极层11。
以此方法，就形成以预定距离分隔的用作异质结双极晶体管的有源区的发射极台面部分EM、基极台面部分BM和子集电极台面部分SM的半导体台面部分以及由基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM构成的基极接触垫台面部分，该基极接触垫台面部分具有与基极层的上表面的高度相同的高度并具有由与基极层相同的层形成的表面层。
随后，如图4E中所示，在发射极台面部分EM、基极台面部分BM和子集电极台面部分SM的半导体台面部分与由基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM构成的基极接触垫台面部分之间，在衬底10上构图光刻胶膜16，作为具有比基极层13的上表面的高度更高的上表面的覆盖层，以至少覆盖到基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的边缘PBMa附近(距离边缘PBMa 0.5-2μm的区域)并覆盖到基极层13的边缘13b附近(距离边缘0.5-2μm的区域)。
随后，如图4F中所示，例如，使用剥离方法等，采用气相淀积，利用光刻胶膜16作为掩模在光刻胶膜16之上形成大约0.2-0.5μm厚度的导电层17。换句话说，整体地形成基极电极17a、在除了基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的边缘PBMa附近之外的区域中的基极接触垫基极台面部分之上的基极接触垫电极17b、和互连17c，在除了发射极层14的形成区域之外和除了基极层13的边缘13b附近之外的部分区域处基极电极17a连接到基极层，互连17c连接基极电极17a和基极接触垫电极17b。
随后，如图4G中所示，去除光刻胶膜16。由此，在发射极台面部分EM、基极台面部分BM和子集电极台面部分SM的半导体台面部分与由基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM构成的基极接触垫台面部分之间，在导电层17之下的区域就形成了空间16a并形成空气桥结构。
随后，如图4H中所示，通过气相淀积，例如使用剥离方法，在子集电极层11上形成集电极电极18。通过上述方法就形成了异质结双极晶体管HBT。
随后，如图4I中所示，例如，采用CVD，在覆盖整个HBT的整个表面之上淀积氧化硅，形成绝缘膜19。此时，虽然有时会形成部分绝缘膜潜入到互连17c之下的空间16a内，但是，根据膜形成条件，它就能够防止膜潜入到空间中并使该空间保持原样。
随后，如图4J中所示，采用CVD等，形成绝缘膜19，按接触孔的图形，形成光刻胶膜，并通过反应离子蚀刻(RIE)蚀刻绝缘膜，以形成发射极接触孔CHe、基极接触孔CHb和集电极接触孔CHe。作为后面的步骤，接触孔形成有接触插塞互连20e、接触插塞互连20b和接触插塞互连20c。利用上述方法，就能够制造具有类似于图3A和图3B中所示结构的HBT结构的半导体器件。
根据本实施例的半导体器件的制造方法，由于基极接触垫基极台面部分PBM的上表面的高度与基极台面部分BM的上表面的高度相同，所以就能够形成具有良好形状用于取出基极的互连的空气桥。此外，由于不必利用依据衬底结晶取向的侧面蚀刻特性的蚀刻来形成台面形状，因此就能形成由基极电极17a、基极接触垫电极17b和互连17c整体形成的导电层17，就不受使用的图形布图、蚀刻剂类型等的限制。当进行蚀刻以形成基极台面部分时，就能够以没有可能导致台面形状异常的任何台阶差异的状态来进行蚀刻，抑制台面形状异常的发生，并保持制造器件中的优良台面蚀刻形状。
第二实施例。
图5是具有根据本发明第二实施例的异质结双极晶体管的半导体器件的剖面图。
除了在发射极台面部分EM、基极台面部分BM和子集电极台面部分SM的半导体台面部分与由基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM构成的基极接触垫台面部分之间的导电层17之下形成的空间中形成氧化硅或其它绝缘膜16b这一点上的差异之外，第二实施例的半导体器件类似于第一实施例的半导体器件。
由于氧化硅或其它绝缘膜比空气具有更高的介电常数，所以在本实施例的半导体器件中，此部分的静电电容略微升高。按照与第一实施例的相同方法，如上所述，通过形成基极接触垫台面部分和基极台面部分之间的氧化硅的绝缘膜或另一种覆盖层并利用此作为掩模来形成导电层，就能够容易地形成上述结构的基极接触垫电极17b和基极电极17a。由于采用此制造方法，就能够进行制造，同时消除了图形布图、蚀刻剂类型等的限制，并且抑制台面形状异常的发生。
按照基本上与第一实施例相同的方法，就能够制造根据本实施例的半导体器件。换句话说，在以第一实施例来形成作为覆盖层的光刻胶膜16的步骤中，形成氧化硅或其它绝缘膜16b作为覆盖层。利用覆盖层作为掩模、在上述覆盖层之上形成导电层17的步骤中，利用绝缘膜16b作为掩模，在绝缘膜16b之上形成导电层。通过保留此膜并按第一实施例的相同方法来进行随后的步骤，就能够形成图5中所示的结构。
根据本实施例的半导体器件的制造方法，在与第一实施例相同的方法中，由于不存在利用依据衬底结晶取向的侧面蚀刻特性的蚀刻，所以就不会限制图形布图、使用的蚀刻剂类型等。当蚀刻用于形成基极台面部分时，就能够以不存在可能导致台面形状异常的台阶差异的状态来进行蚀刻，并能够抑制台面部分形状异常的发生。
本发明不限于上述实施例。例如，在上述实施例中，采用基极台面部分PBM和子集电极台面部分PSM作为基极接触垫台面部分，但本发明并不限于此。还可以形成新的用于基极接触垫的台面部分。注意，在上述情况下，基极接触垫台面部分的上表面的高度必须被设计成与基极层的上表面的高度相同。此外，基极电极17a不必须一定形成在除了发射极层14的形成区域之外并除了基极层13的边缘13b附近之外的区域中。在除了由基极台面部分PBM构成的基极接触垫台面部分的上表面的边缘PBMa附近之外的区域中形成至少基极接触垫电极17b是足够的。然而，通过在除了基极层13的边缘13b附近之外的区域中同样形成基极电极17a，该结构就变得更加容易地制造。
此外，在上述实施例中，参照npn型双极晶体管给出解释，但本发明还可以应用于pnp型双极晶体管。此外，集电极层、基极层和发射极层的叠层的台面部分的形状、连接到不同层的电极的布置等不限于上述实施例。还可以采用其它形状和布置。此外，本发明不限于异质结双极晶体管并且还可以应用于具有其它双极晶体管的半导体器件。
总结本发明的效果，不受使用的图形布图、所使用的蚀刻剂类型等的限制，就能够制造本发明的半导体器件，同时抑制台面成形部分的异常。根据本发明的半导体器件的制造方法，就能够制造半导体器件，而不受使用的图形布图、所使用的蚀刻剂类型等的限制，并同时抑制台面形状的异常。
虽然参照用于说明目的而选择的具体实施例已经描述了本发明，但应当清楚，不脱离本发明的基本思想和范围，本领域普通技术人员据此可以进行各种各样的修改。