雙極電晶體的製作方法
2023-05-26 03:58:26
專利名稱：雙極電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體集成電路器件，特別是涉及一種雙極電晶體。
背景技術：
在射頻應用中，需要越來越高的器件特徵頻率，RFCMOS雖然在先進的工藝技術中 可實現較高頻率，但還是難以完全滿足射頻要求，如很難實現40GHz以上的特徵頻率，而且 先進工藝的研發成本也是非常高；化合物半導體可實現非常高的特徵頻率器件，但由於材 料成本高、尺寸小的缺點，加上大多數化合物半導體有毒，限制了其應用。Si雙極結型晶體 管(BJT)或SiGe異質結雙極電晶體(HBT)則是超高頻器件的很好選擇。以NPN電晶體為例，現有的BJT或HBT採用高摻雜的集電區埋層，以降低集電 區電阻，採用高濃度高能量N型注入，連接集電區埋層，形成集電極引出端(collector pick-up)。集電區埋層上外延中低摻雜的集電區，在位P型摻雜的外延形成基區，然後重N 型摻雜多晶矽構成發射極，最終完成電晶體的製作。在發射區窗口打開時可選擇中心集電 區局部離子注入，調節電晶體的擊穿電壓和特徵頻率。另外採用深槽隔離降低集電區和襯 底之間的寄生電容，改善電晶體的頻率特性。如圖1所示，為現有雙極電晶體器件結構示意 圖，包括了集電區114、基區111、發射區110。集電區114為形成於N型高摻雜埋層102上 的中低摻雜的N型外延層，通過襯底101上的N型高摻雜埋層102和有源區中的N型高摻 雜集電極引出端(collector pick-up) 104以及在層間膜105上的深槽接觸106連接到金 屬電極107，N型高摻雜集電極引出端104是通過高劑量、大能量的離子注入形成。集電區 114兩側由淺槽氧化層103進行隔離，在器件之間還需在淺槽隔離底部加一個深槽115並填 入多晶矽進行隔離。基區111為在位P型摻雜外延層，所述基區111通過多晶矽層108接 電極引出，所述多晶矽層108底下為氧化矽介質層113。發射區110由一 N型重摻雜多晶矽 構成，形成於所述基區111上，發射極110的側壁生長有氧化矽側壁112，發射區110和所述 基區111的接觸面大小由氧化矽介質層109形成的窗口決定，在發射區窗口打開時可選擇 中心集電區局部離子注入，調節雙極電晶體的擊穿電壓和特徵頻率。現有雙極電晶體的工藝成熟可靠，但主要缺點有1、集電區外延成本高；2、 collector pick-up的形成靠高劑量、大能量的離子注入，才能將集電區埋層引出，因此所 佔器件面積很大；3、深槽隔離工藝複雜，而且成本較高；4、電晶體工藝的光刻層數較多。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種雙極電晶體，能縮小器件面積、降低寄生 效應、減少光刻層數以及降低工藝成本低。為解決上述技術問題，本發明提供的雙極電晶體，有源區由淺槽場氧隔離，包括 一集電區，由形成於有源區中的第一導電類型的雜質離子注入層構成，所述集電區的第一 導電類型的雜質離子注入採用單步注入或多步注入；底部連接由兩個第一導電類型的贗埋 層連接而形成的埋層，所述贗埋層通過在有源區兩側的淺槽底部注入第一導電類型雜質離子形成；通過在所述贗埋層上場氧中製作深槽接觸引出集電極，所述集電區的深槽接觸是 在深槽中填入鈦-氮化鈦過渡金屬層以及金屬鎢形成；如贗埋層的摻雜濃度滿足歐姆接觸 要求，可將深槽接觸直接接觸到贗埋層上，反之，需在所述集電區的深槽刻蝕後在所述深槽 底部自對準注入第一導電類型雜質，實現集電極的歐姆接觸。一基區，由形成於所述集電區 上的第二導電類型的薄膜構成。一發射區，由形成於所述基區上的第一導電類型的多晶矽 構成。對於NPN電晶體，第一導電類型為N型、第二導電類型為P型；對於PNP電晶體，第 一導電類型為P型、第二導電類型為N型。在所述有源區小於0. 5微米時，形成於所述有源區兩側的淺槽底部的兩個贗埋層 通過橫向擴散而交匯於有源區，形成所述集電區的埋層；在所述有源區大於0.5微米時，在 有源區內和所述兩個贗埋層相同深度處注入與所述贗埋層導電類型相同的雜質，連接所述 兩個贗埋層，形成所述集電區的埋層。本發明雙極電晶體，省略了現有雙極電晶體中的集電區埋層、集電區外延和重摻 雜的集電極引出端，而以淺槽隔離底部注入的贗埋層作埋層，離子注入形成集電區，場氧中 的深槽接觸作為集電極引出端；因此相對於現有雙極電晶體，本發明的雙極電晶體能縮小 器件面積、降低寄生效應、減少光刻層數以及降低工藝成本低。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是現有雙極電晶體器件結構示意圖；圖2是本發明雙極電晶體器件結構示意圖；圖3-圖10是本發明雙極電晶體製造過程中的器件結構示意圖；圖IlA是TCAD模擬的本發明雙極電晶體器件結構圖；圖IlB是TCAD模擬的本發明雙極電晶體的贗埋層的雜質橫向分布圖；圖12是TCAD模擬的本發明雙極電晶體的器件特性。
具體實施例方式如圖2所示，為本發明雙極電晶體器件結構示意圖，在矽襯底501上形成有由淺槽 場氧503隔離的有源區，所述雙極電晶體包括一集電區514，一基區511、一發射區510。所述集電區514是在有源區進行單步或多步注入第一導電類型的雜質離子形成。 所述集電區514的底部連接一由有源區兩側的淺槽底部的兩個贗埋層502連接形成的埋 層；在所述有源區小於0. 5微米時，兩個贗埋層502通過橫向擴散而交匯於有源區，形成所 述集電區514的埋層；在所述有源區大於0. 5微米時，在有源區內和所述兩個贗埋層502相 同深度處注入與所述贗埋層502導電類型相同的雜質，連接所述兩個贗埋層502，形成所述 集電區514的埋層。通過在所述贗埋層502上的場氧503中製作深槽接觸504引出集電極 從而和金屬層507相連。所述深槽接觸504採用鈦-氮化鈦過渡金屬層以及金屬鎢填入； 如贗埋層的摻雜濃度滿足歐姆接觸要求，可將深槽接觸直接接觸到贗埋層上，反之，需在所 述集電區的深槽刻蝕後在所述深槽底部自對準注入第一導電類型雜質，實現集電極的歐姆 接觸。
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所述基區511，由形成於所述集電區514上第二導電類型的薄膜構成，通過和其橫 向連接的多晶矽508再接一金屬接觸506引出所述基區511。所述發射區510，由形成於所述基區511上的第一導電類型的多晶矽構成，直接通 過一金屬接觸引出所述發射區510。所述發射區510的窗口由介質層509定義，所述發射區 510的側面有氧化矽側牆512。如圖2至圖10所示，製造本發明雙極電晶體的主要工藝步驟為1、如圖3所示，澱積淺槽(STI)刻蝕所需的硬掩膜層即第一層氧化矽膜517-第二 層氮化矽膜518-第三層氧化矽膜519。總的厚度由贗埋層502離子注入能量決定，以注入 不穿透硬掩模層為準，三層膜的厚度範圍分別為第一層氧化矽膜517為IOOA 300A、第 二層氮化矽膜518為200A 500A、第三層氧化矽膜519為300A 800A。2、如圖3所示，利用有源區光刻，打開淺槽區域，並刻蝕淺槽。3、如圖3所示，熱氧化淺槽襯墊氧化膜後澱積HTO氧化層516，並幹刻形成淺槽內 側牆520。4、如圖3所示，光刻打開雙極電晶體器件區域，向P型襯底501注入離子形成贗 埋層502，雙極電晶體以外區域由光刻膠515保護，所述贗埋層502磷注入的劑量範圍為 lel4 lel6cm205、如圖4所示，溼法去除硬掩膜層中的第三層氧化矽膜519，穿透第一層氧化矽膜 517和第二層氮化矽膜518注入雜質離子形成集電區514。此次注入可以是單次注入，也可 以是多次注入，注入的能量和劑量由電晶體的擊穿電壓決定。6、如圖5所示，填入場氧(HDP) 503，化學機械拋光，然後去除硬掩膜層，經過上述 過程所述贗埋層502通過磷離子的橫向擴散而連接起來。7、如圖5所示，在雙極電晶體區域外製作CMOS相關工藝，包括柵氧、柵製作、MOS管 側牆製作等等。8、如圖6所示，澱積氧化矽形成定義基區窗口的第一層薄膜513、澱積多晶矽形成 第二層薄膜508，其厚度範圍分別為IOOA 500A、200A 1500A。9、如圖6所示，光刻、刻蝕打開基區窗口。10、如圖7所示，生長第二導電類型的基區511，所述基區511可為Si、SiGe或 SiGeC薄膜。11、如圖8所示，生長定義發射區窗口的介質層509，其厚度由發射區寬度決定。該 介質層可以是單層氧化矽，也可以是氧化矽-氮化矽或氧化矽-多晶矽的兩層結構。12、如圖8所示，光刻、刻蝕打開發射區510窗口。13、如圖9所示，澱積在位摻雜第一導電類型雜質的多晶矽發射區510，再注入濃 度要大於lel5Cnr2的雜質，注入能量由發射極厚度決定。14、如圖10所示，澱積並刻蝕形成發射區510的氧化矽側牆512。15、如圖10所示，刻蝕所述基區511的連接層第一層薄膜513和第二層薄膜508。16、如圖2所示，澱積金屬層與矽的層間膜(ILD) 505，層間膜為硼磷玻璃(BPSG)或 磷矽玻璃(PSG)。17、如圖2所示，在淺槽中刻蝕形成集電極的深槽接觸504的深槽接觸孔。18、如圖2所示，刻蝕形成基極和發射極的常規接觸506的常規接觸孔。
19、如圖2所示，於接觸孔內生長過渡金屬層鈦-氮化鈦，填入金屬鎢，並進行化學 機械拋光使其平坦化。20、如圖2所示，澱積第一層金屬連線507，並光刻、刻蝕。21、其它常規後道工藝。圖IlA和圖IlB分別為TCAD模擬的本發明雙極電晶體器件結構圖和其贗埋層的 雜質橫向分布圖，可以看出，通過淺槽低能量注入的贗埋層在以後的工藝熱過程中橫向擴 散，並在有源區連接，形成埋層，而且雜質上擴到集電區表面的濃度很少，不會影響到雙極 電晶體的集電區和基區的結擊穿電壓。而且由於贗埋層注入是高劑量、低能量的注入，贗埋 層的濃度較大，而結面積較小，埋層與襯底間的寄生結電容較小。另外由於淺槽底部的埋層 濃度較高，過渡金屬層Ti/TiN與埋層可形成良好的歐姆接觸，保證了深槽接觸的集電極有 較小的接觸電阻。如圖12所示，為TCAD模擬的本發明雙極電晶體的器件特性，得到了較高的電流放 大係數和特徵頻率，完全能與現有器件特性相比擬，驗證了該器件工藝的可行性。尤其是較 高的特徵頻率表明在沒有集電區埋層、集電區外延以及深槽隔離的情況下，本發明雙極晶 體管仍然具有較低的寄生電容和寄生電阻，從而具備良好的射頻特性。以上通過具體實施例對本發明進行了詳細的說明，但這些並非構成對本發明的限 制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種雙極電晶體，其特徵在於，有源區由淺槽場氧隔離，包括一集電區，由形成於有源區中的第一導電類型的雜質離子注入層構成，底部連接由兩 個第一導電類型的贗埋層連接而形成的埋層，所述贗埋層通過在有源區兩側的淺槽底部注 入第一導電類型雜質離子形成；通過在所述贗埋層上場氧中製作深槽接觸引出集電極；一基區，由形成於所述集電區上的第二導電類型的薄膜構成；一發射區，由形成於所述基區上的第一導電類型的多晶矽構成。
2.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於對於NPN電晶體，第一導電類型為N 型、第二導電類型為P型；對於PNP電晶體，第一導電類型為P型、第二導電類型為N型。
3.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於在所述有源區小於0.5微米時，形成 於所述有源區兩側的淺槽底部的兩個贗埋層通過橫向擴散而交匯於有源區，形成所述集電 區的埋層；在所述有源區大於0. 5微米時，在有源區內和所述兩個贗埋層相同深度處注入 與所述贗埋層導電類型相同的雜質，連接所述兩個贗埋層，形成所述集電區的埋層。
4.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於所述集電區的第一導電類型的雜質 離子注入是單步注入或多步注入。
5.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於所述集電區的深槽接觸是在深槽中 填入鈦-氮化鈦過渡金屬層以及金屬鎢形成。
6.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於在所述集電區的深槽刻蝕後在所述 深槽底部自對準注入第一導電類型雜質，實現集電極的歐姆接觸。
全文摘要
本發明公開了一種雙極電晶體，有源區由淺槽場氧隔離，包括一集電區，由形成於有源區中的第一導電類型的雜質離子注入層構成，底部連接由兩個第一導電類型的贗埋層連接而形成的埋層，所述贗埋層通過在有源區兩側的淺槽底部注入第一導電類型雜質離子形成；通過在所述贗埋層上場氧中製作深槽接觸引出集電極；一基區，由形成於所述集電區上的第二導電類型的薄膜構成；一發射區，由形成於所述基區上的第一導電類型的多晶矽構成。本發明能縮小器件面積、降低寄生效應、減少光刻層數以及降低工藝成本。
文檔編號H01L21/331GK102104062SQ20091020201
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者朱東園, 範永潔, 邱慈雲, 錢文生 申請人:上海華虹Nec電子有限公司