Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines BiCMOS-Bauelements, umfassend ein erstes bipolares Bauelement und ein zweites bipolares Bauelement desselben Dotierungstyps.

In rauschempfindlichen analogen Anwendungen für hohe Qualitätsansprüche werden typischerweise bipolare Transistoren mit einem Verstärkungsfaktor nahe 1000 benötigt, um bei einem bestimmten Kollektorstrom den Basisstrom und somit das Rauschen zu verringern. Eigenständige monolithische, bipolare Transistoren mit einem Verstärkungsfaktor nahe 1000 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Komplexität der Integration eines solchen bipolaren Super-Beta-Transistors in einen herkömmlichen BiCMOS-Fertigungsfluss ist prohibitiv, und die Herstellungskosten würden dadurch übermäßig steigen.

Aus der US 6,472,288 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines BiCMOS-Bauelements bekannt, bei dem zwei bipolare Bauelemente mit verschiedenen Dotierprofilen gebildet werden. Dazu werden die Basisschichten der bipolaren Bauelemente nacheinander abgeschieden, so daß die Dotierprofile unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Aus der US 6,531,369 B1 ist ein Heterobipolartransistor bekannt, der eine SiGe-Basis aufweist, deren Ge-Konzentration vom Kollektor zum Emitter abnimmt.

In der US 5,856,695 A ein BiCMOS-Bauelement gezeigt, das zwei NPN-Transistoren aufweist, deren Basisschichten jeweils ein unterschiedliches Dotierprofil aufweisen. Die Dotierprofile sind so gewählt, daß ein Transistor mit durchschnittlichem Verstärkungsfaktor und ein Transistor mit sehr großem Verstärkungsfaktor gebildet ist.

In dem Artikel „SiGe BiCMOS Technology for Communication Products" (Racanelli, Kempf; Proceedings of the 2003 Custom Integrated Circuits Conference, 2003, S. 331-334) ist ein BiCMOS-Bauelement mit einem 200 GHz SiGe-Bipolartransistor und einem 0,13 &mgr;m CMOS-Transistor gezeigt. Das Verfahren zur Herstellung dieses BiCMOS-Bauelements ist im Prozeßablauf und in der Architektur gleich einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines BiCMOS-Bauelements mit SiGe-Bipolartransistor und einem 0,35 &mgr;m, 0,25 &mgr;m oder 0,18 &mgr;m CMOS-Transistor, es wurde lediglich die Abscheidetemperatur von SiGe begrenzt und die Implantationsparameter wurden optimiert.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Integration eines bipolaren Super-Beta-Transistors in einen bestehenden BiCMOS-Fertigungsfluss mit minimal höherer Komplexität bereit.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte der Abscheidung einer dielektrischen Schicht über einer Halbleiterschicht, der Abscheidung einer Gate-Leiterschicht über der dielektrischen Schicht, der Definition von Basiszonen des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements, des Entfernens der Gate-Leiterschicht und der dielektrischen Schicht in den Basiszonen des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements, der Abscheidung einer Basisschicht auf der Gate-Leiterschicht und auf der freigelegten Halbleiterschicht in den Basiszonen des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements, der Abscheidung einer Isolierschicht über der Basisschicht, der Bildung einer Photoresistschicht und der Definition von Emitterzonen des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements, des Entfernens der Photoresistschicht in den Emitterzonen des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements, wodurch zwei Emitterfenster gebildet werden, der Maskierung des Emitterfensters des ersten bipolaren Bauelements und der Behandlung der Basisschicht in der Basiszone des zweiten bipolaren Bauelements mit einem zusätzlichen Emitterimplantat durch das zugehörige Emitterfenster. Da die Basisstrukturierung und die Basisabscheidung des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements in demselben Prozessschritt stattfinden, erfordert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung lediglich einen zusätzlichen Maskierungsschritt für die selektive Implantation der Basiszone des zweiten bipolaren Transistors durch das zugehörige Emitterfenster. Die zusätzliche Implantation verursacht, dass der Emitter-Basis-Übergang tiefer in die SiGe-Zone verschoben wird, so dass die Ge-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang im Vergleich zu der Ge-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang ohne zusätzliche Implantation erhöht wird. Die Konzentration von Ge an dem Emitter-Basis-Übergang ist entscheidend für den Verstärkungsfaktor des bipolaren Transistors. Eine Erhöhung der Ge-Konzentration an dem Übergang durch die zusätzliche Implantation führt zu einem bipolaren Transistor mit erhöhtem Verstärkungsfaktor. Des Weiteren hat die zusätzliche Implantation den Effekt, dass der Basisdotierstoff nahe seiner Höchstkonzentration durch den implantierten Dotierstoff kompensiert wird, wodurch die Gummelzahl, die ungefähr gleich der Anzahl von Majoritätsladungsträgern pro Einheitsfläche in der Basis ist, verringert wird. Eine verringerte Gummelzahl führt ebenfalls zu einem erhöhten Verstärkungsfaktor. Auf diese Weise kann man bipolare Transistoren mit einem Mindestverstärkungsfaktor von 1000 erhalten.

Ein nicht zur Erfindung gehörendes Verfahren umfaßt die Schritte der Abscheidung einer dielektrischen Schicht über einer Halbleiterschicht, der Abscheidung einer Gate-Leiterschicht über der dielektrischen Schicht, der Definition einer Basiszone des ersten bipolaren Bauelements, des Entfernens der Gate-Leiterschicht und der dielektrischen Schicht in der Basiszone des ersten bipolaren Bauelements, der Abscheidung einer Basisschicht auf der Gate-Leiterschicht und auf der Halbleiterschicht in der Basiszone des ersten bipolaren Bauelements, der Definition einer Basiszone des zweiten bipolaren Bauelements, des Entfernens der Basisschicht, der Gate-Leiterschicht und der dielektrischen Schicht in der Basiszone des zweiten bipolaren Bauelements, der Abscheidung einer Basisschicht in der Basiszone des zweiten bipolaren Bauelements, wobei die Basisschichten des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements in situ während der Abscheidung dotiert werden, um verschiedene Dotierungsprofile zu erhalten. Da die Basisschichten des ersten und des zweiten bipolaren Bauelements separat abgeschieden werden, können die Dotierungsprofile der beiden bipolaren Bauelemente unabhängig voneinander gebildet werden. In dieser Variante erfordert die Integration eines bipolaren Super-Beta-Transistors in den gegenwärtigen BiCMOS-Fertigungsfluss eine separate Basisstrukturierung und -abscheidung und einen zusätzlichen selektiv implantierten Kollektor (SIC).

In der bevorzugten Ausführungsform sind die Basisschichten Silizium-Germanium-Schichten. Um ein bipolares Bauelement mit erhöhtem Verstärkungsfaktor zu erhalten, wird die Basisschicht des zweiten bipolaren Transistors in situ dotiert, um an dem Emitter-Basis-Übergang eine höhere Germaniumkonzentration zu erhalten als die Basisschicht des ersten bipolaren Transistors an ihrem Emitter-Basis-Übergang aufweist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:

1 schematisch einen Teil eines BiCMOS-Bauelements zeigt, der für die Herstellung eines bipolaren Medium-Beta-Transistors und eines bipolaren Super-Beta-Transistors gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt wird;

2 schematisch den Teil des BiCMOS-Bauelements gemäß 1 nach der Maskierung eines der beiden Emitterfenster zur selektiven Belichtung der Basis des bipolaren Super-Beta-Transistors mit einem zusätzlichen Emitterimplantat durch das andere der beiden Emitterfenster zeigt;

3 die Dotierstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe des bipolaren Transistors eines bipolaren Medium-Beta-Transistors im Vergleich zu einem bipolaren Super-Beta-Transistor zeigt;

4 und 5 schematisch einen Teil eines BiCMOS-Bauelements zeigen, der für die Herstellung eines bipolaren Medium-Beta-Transistors und eines bipolaren Super-Beta-Transistors gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Verfahren bereitgestellt wird.

1 zeigt einen Teil des BiCMOS-Bauelements, der für die Herstellung eines bipolaren Super-Beta-Transistors neben einem bipolaren Medium-Beta-Transistor vorgesehen ist. Der bipolare Super-Beta-Transistor und der bipolare Medium-Beta-Transistor haben denselben Dotierungstyp. Sie sind vorzugsweise NPN-Transistoren. Das BiCMOS-Bauelement umfasst eine vergrabene Oxidschicht (BOX) 10, die einen Trägerwafer 12 von einer darüber liegenden monokristallinen Halbleiterschicht 14, die typischerweise eine Siliziumschicht ist, trennt. Die Halbleiterschicht 14 umfasst elektrisch aktive Zonen 16 für den bipolaren Medium-Beta-Transistor und den bipolaren Super-Beta-Transistor und elektrisch inaktive Zonen 18 zur Isolierung der elektrisch aktiven Zonen 16 voneinander. Die elektrisch inaktiven Zonen 18 werden vorzugsweise durch in die Halbleiterschicht 14 geätzte Gräben 20 gebildet, die mit einem Isoliermaterial wie Oxid gefüllt sind. Die elektrisch aktiven Zonen 16 umfassen eine N-dotierte vergrabene Schicht (NBL) für jeden bipolaren Transistor. Vorzugsweise werden N-dotierte Sinker 22 in den elektrisch aktiven Zonen 16 der bipolaren Bauelemente gebildet. Die Sinker 22 dienen dazu, den Reihenwiderstand in den bipolaren Bauelementen zu verringern. Verfahren zur Bildung der oben erwähnten Struktur sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt und werden hier nicht beschrieben.

Eine dünne dielektrische Schicht 24, die typischerweise eine Oxidschicht ist, wird auf der Halbleiterschicht 14 gewachsen. Die dielektrische Schicht 24 bildet das Gate-Oxid der MOS-Transistoren des BiCMOS-Bauelements, die in 1 nicht sichtbar sind. In modernen CMOS-Prozessen liegt die Dicke des Gate-Oxids zwischen 2 und 12 nm. Eine dotierte oder undotierte Gate-Leiterschicht 26, die typischerweise eine Polysiliziumschicht ist, wird über der dielektrischen Schicht 24 abgeschieden. Danach werden die Basiszone 28 des bipolaren Medium-Beta-Transistors und die Basiszone 30 des bipolaren Super-Beta-Transistors gleichzeitig in denselben Prozessschritten durch wohl bekannte Strukturierungstechniken definiert, die zum Beispiel das Auftragen einer Photoresistschicht (hier nicht gezeigt) auf der Gate-Leiterschicht 26, die Belichtung ausgewählter Zonen der Photoresistschicht, die Entwicklung des Photoresists, das Ätzen der Zonen der Gate-Leiterschicht 26, die nicht mehr von dem Photoresist bedeckt werden, und das Entfernen des restlichen Photoresists umfassen. Die Gate-Leiterschicht 26 wird vorzugsweise durch RIE (reaktives Ionenätzen) geätzt. Anschließend werden die unbedeckte dielektrische Schicht 24 in der Basiszone 28 des bipolaren Medium-Beta-Transistors und in der Basiszone 30 des bipolaren Super-Beta-Transistors in demselben Prozessschritt geätzt, und es wird eine Basisschicht 32 abgeschieden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Basisschicht 32 eine Silizium-Germanium-Schicht.

Während der Abscheidung wird die Basisschicht 32 in situ dotiert. Da beide Transistoren NPN-Transistoren sind, ist Bor ein typischer Dotierstoff. Die Silizium-Germanium-Schicht 32 wächst epitaktisch in den Basiszonen 28, 30 der bipolaren Transistoren über der belichteten monokristallinen Halbleiterschicht 14 (durch horizontale Striche hervorgehoben) und als polykristallines Silizium über den belichteten, elektrisch inaktiven Zonen 18 und über der Polysiliziumschicht 26 (durch diagonale Striche hervorgehoben). Über der Basisschicht 32 wird eine Grenzflächen-Oxidschicht 34 gebildet. Das Vorhandensein einer Grenzflächen-Oxidschicht 34 verringert den Basisstrom und erhöht den Verstärkungsfaktor des Transistors. Somit werden die Basis des bipolaren Medium-Beta-Transistors und die Basis des bipolaren Super-Beta-Transistors gleichzeitig definiert und gleichzeitig abgeschieden, so dass die Bildung der Basis des bipolaren Super-Beta-Bauelements bis zu diesem Punkt des Fertigungsflusses keine zusätzlichen Maskierungs- oder Prozessschritte erfordert.

Über der Grenzflächen-Oxidschicht 34 wird eine Isolierschicht 36 gebildet, und über der Isolierschicht 36 wird eine Photoresistschicht 38 gebildet. Die Isolierschicht 36 wird vorzugsweise durch einen Stapel von Nitrid und Oxid gebildet. Die Emitterzone 40 des bipolaren Medium-Beta-Transistors und die Emitterzone 42 des bipolaren Super-Beta-Transistors werden definiert, und die Photoresistschicht 38 und die Isolierschicht 36 werden in diesen Emitterzonen, 40, 42 entfernt, so dass ein Emitterfenster 44 für den bipolaren Medium-Beta-Transistor und ein Emitterfenster 46 für den bipolaren Super-Beta-Transistor gebildet werden. Wiederum werden die Definition der Emitterzonen 40, 42 und die Bildung der Emitterfenster 44, 46 für den bipolaren Medium-Beta-Transistor und den bipolaren Super-Beta-Transistor in denselben Prozessschritten vorgenommen, und deshalb erfordert die Integration des bipolaren Super-Beta-Transistors in den gegenwärtigen BiCMOS-Prozess bis zu diesem Punkt des Fertigungsflusses im Vergleich zu dem Fertigungsfluss eines BiCMOS-Bauelements ohne bipolaren Super-Beta-Transistor keine zusätzlichen Maskierungs- oder Prozessschritte.

2 zeigt die nächsten Schritte zur Integration des bipolaren Super-Beta-Transistors in den gegenwärtigen BiCMOS-Fertigungsfluss. Das Emitterfenster 44 des bipolaren Medium-Beta-Transistors wird durch einen Photoresist maskiert, so dass nur die Basiszone 30 des bipolaren Super-Beta-Transistors in dem darauf folgenden Implantationsschritt freigelegt ist. In dem darauf folgenden Implantationsschritt wird ein Dotierstoff selektiv in die Basiszone 30 des bipolaren Super-Beta-Transistors durch das zugehörige Emitterfenster 46 mit einer Energie und Dosis implantiert, die den Emitter-Basis-Übergang tiefer in die SiGe-Zone verschiebt, so dass die Ge-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang im Vergleich zu der Ge-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang ohne zusätzliche Implantation erhöht wird. In dem Falle eines NPN-Transistors ist der zusätzliche Dotierstoff typischerweise Arsen oder Phosphor.

Nach der zusätzlichen Implantation wird das Emitterfenster 44 des bipolaren Medium-Beta-Transistors wieder geöffnet, und es wird auf dieselbe Weise wie in dem BiCMOS-Standardprozess ein Emitter gebildet. Da die Basiszone 30 des bipolaren Super-Beta-Transistors durch das Emitterfenster 46 freigelegt ist, werden die Emitter beider Transistoren gleichzeitig gebildet. Der Emitter wird typischerweise durch Abscheidung einer epitaktischen Polysiliziumschicht gebildet. Die Polysiliziumschicht wird vorzugsweise während der Abscheidung in situ dotiert, in dem Falle eines NPN-Transistors typischerweise mit Arsen oder Phosphor.

3 zeigt die Dotierungsprofile eines Medium-Beta-NPN-Transistors im Vergleich zu denen eines Super-Beta-NPN-Transistors. Die Dotierungsprofile erhält man durch SIMS (sekundäre Ionenmassenspektrometrie). Die Dotierstoffe sind Bor (B), Arsen (As) und Germanium (Ge). Die Profile sind die Profile des fertigen BiCMOS-Bauelements nach Hochtemperaturprozessschritten und Ausheilzyklen. Wie man erkennen kann, schneidet das As-Profil das Ge-Profil auf Grund der zusätzlichen Implantation mit As bei einem höheren Ge-Konzentrationswert im Vergleich zu dem Ge-Konzentrationswert ohne zusätzliche Implantation. Die Tiefe, bei der sich diese beiden Profile schneiden, entspricht in etwa der Tiefe, in der sich der Emitter-Basis-Übergang befindet, so dass die Ge-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang auf Grund der zusätzlichen Implantation erhöht ist. Der Schnittpunkt zwischen dem As- und dem Ge-Profil mit zusätzlicher As-Implantation ist in 3 durch Ziffer 1 markiert. Da die Konzentration von Ge an dem Emitter-Basis-Übergang wesentlich für den Verstärkungsfaktor des bipolaren Transistors ist, führt die zusätzliche Implantation zu einem bipolaren Transistor mit einem höheren Verstärkungsfaktor. Wie durch Ziffer 2 in 3 markiert, hat die zusätzliche Implantation mit As ferner den Effekt, dass der Basisdotierstoff B nahe seiner Höchstkonzentration durch das implantierte As kompensiert wird, wodurch die Gummelzahl, die ungefähr gleich der Anzahl von Majoritätsladungsträgern pro Einheitsfläche in der Basis ist, verringert wird. Eine verringerte Gummelzahl führt ebenfalls zu einem erhöhten Verstärkungsfaktor. Auf diese Weise können Super-Beta-Transistoren mit einem Mindestverstärkungsfaktor von 1000 hergestellt werden. Der Verstärkungsfaktor eines bipolaren Medium-Beta-Transistor liegt typischerweise zwischen 150 und 300. In Bezug auf das Profil von B bemerkt man in 3, dass der Schwanz an dem Basis-Kollektor-Übergang eine erhöhte Konzentration hat. Dies lässt sich auf Zwischengittersilizium zurückführen, das mit der zusätzlichen Emitterimplantation eingeführt wird, da das Zwischengittersilizium die Diffusion von Bor verbessert.

4 und 5 zeigen schematisch eine nicht zur Erfindung gehörende Variante zur Integration eines bipolaren Super-Beta-Transistors in ein Standard-BiCMOS-Bauelement. Gemäß dieser Variante werden die Basisstrukturierung und die Abscheidung des bipolaren Medium-Beta-Transistors und des bipolaren Super-Beta-Transistors nacheinander durchgeführt. Wie in dem Verfahren gemäß der ersten Variante wird eine dünne dielektrische Schicht 124, die typischerweise eine Oxidschicht ist und das Gateoxid des MOS-Transistors bildet, auf der Halbleiterschicht 114 gewachsen. Eine Gate-Leiterschicht 126, die typischerweise eine Polysiliziumschicht ist, wird über der dünnen dielektrischen Schicht 124 abgeschieden. Danach wird im Gegensatz zu der ersten Variante lediglich die Basiszone 128 des bipolaren Medium-Beta-Transistors definiert, und es werden lediglich die Gate-Leiterschicht 126 und die dünne dielektrische Schicht 124 in der definierten Basiszone 128 des bipolaren Medium-Beta-Transistors entfernt. Dann wird eine Basisschicht 132 in der Basiszone 128 des bipolaren Medium-Beta-Transistors und auf der Gate-Leiterschicht 126 abgeschieden. Die Basisschicht 132 ist vorzugsweise eine Silizium-Germanium-Schicht und wird während der Abscheidung in situ dotiert. Die Silizium-Germanium-Schicht wächst epitaktisch in der Basiszone 128 des bipolaren Medium-Beta-Transistors über der belichteten monokristallinen Halbleiterschicht 114 (durch horizontale Striche hervorgehoben) und als polykristallines Silizium über den belichteten elektrisch inaktiven Zonen 118 und über der Gate-Leiterschicht 126 (durch diagonale Striche hervorgehoben).

Erst nach der Bildung der Basisschicht 132 des bipolaren Medium-Beta-Transistors wird die Basiszone 130 des bipolaren Super-Beta-Transistors zum Beispiel durch Auftragen einer Photoresistschicht auf der Basisschicht 132, Belichtung ausgewählter Zonen der Photoresistschicht, Entwicklung des Photoresists, Ätzung der nicht mehr von dem Photoresist bedeckten Zonen der Basisschicht 132 und Entfernen des restlichen Photoresists definiert. Danach werden die unbedeckte Gate-Leiterschicht 126 und die dünne dielektrische Schicht 124 in der Basiszone 130 des bipolaren Super-Beta-Transistors geätzt, und es wird eine Basisschicht 150 für den bipolaren Super-Beta-Transistor abgeschieden. Da die Basisschicht 150 des bipolaren Super-Beta-Transistors separat von der Basisschicht 132 des bipolaren Medium-Beta-Transistors abgeschieden wird, kann das Dotierungsprofil des bipolaren Super-Beta-Transistors unabhängig von dem Dotierungsprofil des bipolaren Medium-Beta-Transistors gebildet werden. Nach der Basisabscheidung wird ein selektiv implantierter Kollektor (SIC) unter die intrinsische Basis des bipolaren Super-Beta-Transistors positioniert, z.B. durch Implantation durch die Basis-Epitaxialschicht während der Maskierung durch das Emitterfenster.

In der bevorzugten Ausführungsform der Variante ist die Basisschicht 150 eine Silizium-Germanium-Schicht. Um einen bipolaren Transistor mit erhöhtem Verstärkungsfaktor zu erhalten, wird die Basisschicht 150 in situ dotiert, um eine im Vergleich zu der Germanium-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang des benachbarten bipolaren Medium-Beta-Transistors erhöhte Germanium-Konzentration an dem Emitter-Basis-Übergang zu erhalten. Des Weiteren wird die Basis-Gummelzahl durch Kompensierung des Basisdotierstoffs bei dessen Höchstkonzentration mit dem zusätzlich implantierten Dotierstoff verringert. Die verringerte Basis-Gummelzahl führt ebenfalls zu einem erhöhten Verstärkungsfaktor des bipolaren Bauelements.

Während sich die obigen Ausführungsformen hauptsächlich auf NPN-Transistoren beziehen, sollte angemerkt werden, dass ähnliche Techniken verwendet werden können, um wahlweise den Verstärkungsfaktor eines PNP-Transistors zu erhöhen, da ein höherer Ge-Gehalt an dem Emitter-Basis-Übergang ebenfalls zu einem höheren Kollektorstrom in einem PNP-Transistor führt.