超高壓鍺矽異質結雙極電晶體及其製備方法
2023-08-03 12:13:16 1
專利名稱：超高壓鍺矽異質結雙極電晶體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路領域，特別是涉及一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體。本發明還涉及一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體的製備方法。
背景技術：
由於現代通信對高頻帶下高性能、低噪聲和低成本的RF (射頻)組件的需求，傳統的Si (矽)材料器件無法滿足性能規格、輸出功率和線性度新的要求，功率SiGe HBT (鍺矽異質結雙極型電晶體)則在更高、更寬的頻段的功放中發揮重要作用。SiGe HBT與砷化鎵器件相比，雖然在頻率上還處劣勢，但SiGe HBT憑著更好的熱導率和良好的襯底機械性能，較好地解決了功放的散熱問題；SiGe HBT還具有更好的線性度、更高集成度；SiGe HBT仍然屬於矽基技術，它和CMOS工藝有良好的兼容性，SiGe BiCMOS工藝為功放與邏輯控制電路的集成提供極大的便利，也降低了工藝成本。國際上目前已經廣泛採用SiGe HBT作為高頻大功率功放器件應用於無線通訊產品，如手機中的功率放大器和低噪聲放大器等。為了提高射頻功率放大器的輸出功率，在器件正常工作範圍內通過提高工作電流和提高工作電壓都是有效的方式。對於用於SiGe HBT的高耐壓器件可使電路在相同功率下獲得較小電流，從而降低功耗，因而需求廣泛。因此在如何保持器件的特徵頻率的同時進一步提高SiGe HBT耐壓越來越成為SiGeHBT器件的研究熱點。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體，能夠提高器件的擊穿電壓；為此，本發明還要提供一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體的製備方法。為解決上述技術 問題，本發明的超高壓鍺矽異質結雙極電晶體，包括低摻雜雜質濃度的P型襯底，依次位於該P型襯底上的N型匹配層、P型匹配層和N-集電區；位於所述N-集電區中兩側端的場氧區，填入該場氧區中的氧化矽；位於所述場氧區下端N型匹配層、P型匹配層和N-集電區中的N+贗埋層；位於所述場氧區之間的N+集電區；位於所述場氧區和N+集電區上方的氧化矽層、多晶矽層和鍺矽基區；位於所述鍺矽基區上方的氧化矽介質層、氮化矽介質層和發射極；位於所述發射極兩側的發射極側牆；位於所述場氧區中的深接觸孔，澱積在該深接觸孔內的鈦/氮化鈦過渡金屬層及填入的金屬鎢，將N+贗埋層引出，進而實現集電極的引出。所述超高壓鍺矽異質結雙極電晶體的製備方法，包括如下步驟步驟I，在低摻雜雜質濃度的P型襯底上依次外延生長N型匹配層和P型匹配層；步驟2，在所述P型匹配層上方澱積一定厚度的摻雜有中低劑量雜質的外延層，由該外延層形成N-集電區；步驟3，利用有源區光刻在所述N-集電區中的兩側打開淺槽區域並刻蝕，形成場氧區；在該場氧區中填入氧化矽並進行化學機械拋光；
步驟4，在所述場氧區上方通過光刻打開鍺矽異質結雙極電晶體區域，向所述N型匹配層和P型匹配層注入離子形成N+贗埋層，鍺矽異質結雙極電晶體以外區域由光刻膠保護；步驟5，在所述場氧區之間通過光刻定義出N+集電區，並經刻蝕打開N+集電區注入區域窗口，對縱向N+集電區進行離子注入， 形成N+集電區；步驟6，在步驟5已形成的器件結構的上方先澱積一層氧化矽層，然後在該氧化矽層上方再澱積一層多晶矽層，並光刻、刻蝕形成基區窗口 ；步驟7，在所述多晶矽層上方和基區窗口依次生長矽過渡層和鍺矽基區外延層；步驟8，光刻並刻蝕所述鍺矽基區外延層及氧化矽層和多晶矽層，形成鍺矽基區；步驟9，在所述鍺矽基區上方依次澱積氧化矽介質層和氮化矽介質層，並光刻、刻蝕形成發射區窗口；步驟10，在所述氮化矽介質層上方和發射區窗口澱積在位N型雜質摻雜的多晶矽發射極層，再注入N型雜質，然後利用高溫快速熱退火進行激活和擴散；光刻、刻蝕所述多晶矽發射極層及氧化矽介質層和氮化矽介質層，形成發射極；步驟11，澱積氧化矽層並幹刻形成位於所述發射極兩側的發射極側牆；步驟12，在所述場氧區刻蝕深接觸孔，在該深接觸孔內澱積鈦/氮化鈦過渡金屬層並填入金屬鎢，再進行化學機械拋光，引出贗埋層，實現集電極的引出。本發明棄用常規器件中均勻的NBL (N型埋層)，而只在SiGe HBT有源區兩側的場氧區下面製作埋層，稱作贗埋層，贗埋層作N型重摻雜，在場氧區刻深孔接觸，直接連接贗埋層引出集電區，不再需要使用有源區來實現埋層的電極引出；極大地縮減了器件尺寸和面積。SiGe HBT兩側贗埋層之間的區域包括有源區和部分場氧區下方的區域採用輕摻雜外延，通過提高集電區/基區(BC結)之間的結擊穿電壓而提高SiGe HBT的擊穿電壓BVCE0。本發明改變了傳統SiGe HBT BC結的一維耗盡區模式，改變為兩維分布，既有向襯底方向的縱向展寬，又有向贗埋層方向的橫向延伸，通過外延方法加入匹配層，可以精確控制雜質濃度使得場氧區下的輕摻雜區域在BC結擊穿前全部耗盡，起到分壓作用，從而進一步提高整個器件的擊穿電壓。
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是反向偏壓較小時器件的耗盡區分布示意圖；圖2是反向偏壓較大時器件的耗盡區分布示意圖；圖3是形成匹配層之後的器件截面圖；圖4是N-集電區外延之後的器件截面圖；圖5是場氧區形成之後的器件截面圖；圖6是N+贗埋層形成之後的器件截面圖；圖7是N+集電區形成之後的器件截面圖；圖8是基區窗口形成之後的器件截面圖；圖9是生長SiGe基區之後的器件截面圖；圖10是鍺矽基區形成之後的器件截面圖11是發射區窗口形成之後的器件截面圖；圖12是發射極形成之後的器件截面圖；圖13是發射極側牆形成之後的器件截面圖；圖14是深接觸孔引出贗埋層之後的器件截面圖。
具體實施例方式在一實施例中，所述超高壓(超高壓是指在擊穿電壓為2 4V的普通電晶體基礎上，將擊穿電壓提高到7 10V)鍺矽異質結雙極電晶體工藝實現方法，包括如下步驟步驟1，參見圖3，在低摻雜雜質濃度(體濃度小於IxlO14Cnr3)的P型襯底101上通過外延方法依次分別形成N型匹配層102和P型匹配層103。N型匹配層102和P型匹配層103的雜質慘雜濃度由集電區的雜質慘雜濃度決定。步驟2，參見圖4，在所述P型匹配層103上方澱積一定厚度的摻雜有中低劑量(體濃度IxlO15 5xl016cnT2)雜質的外延層，由該外延層形成N-集電區104 ;N_集電區104的雜質摻雜濃度與N型匹配層102相同，摻雜的雜質為砷或磷離子，以得到高的BC結擊穿電壓。步驟3，參見圖5，利用有源區光刻，在所述N-集電區104中的兩側打開淺槽區域(.2000Λ Π)0/\),並經刻蝕形成場氧區105 ;向所述場氧區105填入氧化矽，並進行化學機械拋光。在本實施例中採用淺槽隔離，不再採用深槽隔離技術。步驟4，參見圖6， 在所述有源區上方通過光刻打開SiGe HBT區域，向N型匹配層102和P型匹配層103注入離子形成N+贗埋層106，SiGe HBT以外區域由光刻膠保護。所述N+贗埋層106採用高劑量、低能量離子注入形成，注入的離子為磷或砷，注入的劑量範圍為le14 le16Cm_2，注入的能量範圍為2 50KeV。在本實施例中沒有集電區埋層，取而代之的是製作N+膺埋層106，由於N+膺埋層106離子注入能量較低，其與P型襯底101的結面積較小，因此與P型襯底101的寄生電容較小。步驟5，參見圖7，在所述場氧區105之間通過光刻定義出N+集電區，並經刻蝕打開N+集電區注入區域窗口，對縱向N+集電區進行離子注入，形成N+集電區107。此次注入採用高劑量離子注入，進行重摻雜(注入濃度IxlO15 5X1016cm_2)，注入的離子是砷或磷，以降低寄生PNP的BETA (電流增益)。步驟6，參見圖8，在步驟5已形成的器件結構的上方先澱積一層氧化矽層108，其厚度範圍為IOOA 500A，然後在氧化矽層108上方再澱積一層多晶矽層109，其厚度範圍為200A 1500A，並通過光刻、刻蝕形成基區窗口。步驟7，參見圖9，在所述多晶矽層109上方和基區窗口依次生長矽過渡層、鍺矽基區外延層110和第一矽化物覆蓋層，各層的厚度由器件特性要求決定。鍺矽基區外延層110採用重硼摻雜(體濃度範圍IxlO18 5xl02°Cm_2)，鍺的分布可以是梯形或三角形分布，鍺濃度由器件特性要求決定。在所述鍺矽基區外延層110上覆蓋矽化物覆蓋層可以降低寄生電阻。步驟8，參見圖10，光刻並刻蝕鍺矽基區外延層110及氧化矽層108和多晶矽層109,形成錯娃基區。步驟9,參見圖11,在所述鍺娃基區上方依次澱積氧化娃介質層111和氮化娃介質層112，並通過光刻、刻蝕形成發射區窗口。步驟10，參見圖12，在所述氮化矽介質層112上方和發射區窗口澱積在位N型雜質摻雜的多晶矽發射極層113，再注入N型雜質砷或磷，注入濃度要大於le15Cm_2，注入能量由發射極厚度決定；高劑量的N型雜質注入到多晶矽發射極層113後，利用高溫快速熱退火進行激活和擴散。光刻、刻蝕所述多晶矽發射極層113和氧化矽介質層111及氮化矽介質層112，形成發射極。在本實施例中所述多晶矽發射極層113上覆蓋第二矽化物覆蓋層，用於降低寄生電阻。步驟11，參見圖13，澱積氧化矽層，並幹刻形成位於所述發射極兩側的發射極側牆114。發射極側牆114採用氧化矽能避免發射極和鍺矽基區上矽化物的短路。步驟12，參見圖14，在所述場氧區105刻蝕深接觸孔115，在深接觸孔115內澱積Ti/TiN (鈦/氮化鈦)過渡金屬層，並填入金屬鎢(W)，再進行化學機械拋光，引出贗埋層106，實現集電極的引出。所述過渡金屬層Ti/TiN的澱積可採用PVD (物理氣相沉積)或CVD (化學氣相沉積)方式，鈦/氮化鈦的厚度範圍為丨(K) ,500/1/50 500A。所述深接觸孔115的深度由場氧區105的深度和金屬/半導體層間膜(圖中未示)的厚度決定。在本實施例中不再通過高濃度高能量N型離子注入製作集電極引出端，而是通過在場氧區105中刻出 深接觸孔115，填入過渡金屬層Ti/TiN以及金屬W，接觸膺埋層，實現集電極的引出。該深接觸孔115距離鍺矽基區很近，避免了過大的集電極電阻，也減小了集電極的寄生電容。本發明不需要改變集電區的厚度和摻雜濃度，而是採用在常規SiGe HBT增加贗N+埋層和匹配層，大幅度提高了器件的擊穿電壓，並使得器件的擊穿不再單純由縱向BC結的耗盡區決定，而是依靠橫向耗盡區分壓。當反向偏壓較小時，CB結和匹配層位置都出現耗盡區，如圖1所示。隨著反向電壓的加大，橫向耗盡區會在BC結擊穿前夾斷，如圖2所示。由於反向偏壓大部分落在橫向耗盡區，所以器件的擊穿電壓將大大高於BC結的擊穿電壓。利用本發明的SiGe HBT器件結構，可以在不改變N+集電區的深度和摻雜濃度提高BVCE0。另外本發明的高壓SiGe HBT採用場氧區的深接觸孔引出贗埋層作為集電極，避免了常規器件採用N-sinker (N型沉阱)所造成的器件面積過大的問題，同時還減小了集電極的寄生電阻。以上通過具體實施方式
和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
1.一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體，其特徵在幹，包括低摻雜雜質濃度的P型襯底，依次位於該P型襯底上的N型匹配層、P型匹配層和N-集電區；位於所述N-集電區中兩側端的場氧區，填入該場氧區中的氧化矽；位於所述場氧區下端N型匹配層、P型匹配層和N-集電區中的N+贗埋層；位於所述場氧區之間的N+集電區；位於所述場氧區和N+集電區上方的氧化矽層、多晶矽層和鍺矽基區；位於所述鍺矽基區上方的氧化矽介質層、氮化矽介質層和發射極；位於所述發射極兩側的發射極側牆；位於所述場氧區中的深接觸孔，澱積在該深接觸孔內的鈦/氮化鈦過渡金屬層及填入的金屬鎢將N+贗埋層引出，進而實現集電極的引出。
2.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在幹所述氧化矽層的厚度範圍為IOOA 500A，所述多晶矽層的厚度範圍為200A 1500A。
3.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於所述鍺矽基區的下方具有一層矽過渡層，在所述鍺矽基區的上方具有第一矽化物覆蓋層。
4.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於所述鈦/氮化鈦過渡金屬層的厚度範圍為100 500埃/50 500埃；所述深接觸孔的深度由所述場氧區和金屬/半導體層間膜的厚度決定。
5.如權利要求1所述的雙極電晶體，其特徵在於所述發射極上覆蓋第二矽化物覆蓋層。
6.一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟1，在低摻雜雜質濃度的P型襯底上依次外延生長N型匹配層和P型匹配層； 步驟2，在所述P型匹配層上方澱積摻雜有中低劑量雜質的外延層，由該外延層形成N-集電區； 步驟3，利用有源區光刻在所述N-集電區中的兩側打開淺槽區域並刻蝕，形成場氧區；在該場氧區中填入氧化矽並進行化學機械拋光； 步驟4，在所述場氧區上方通過光刻打開鍺矽異質結雙極電晶體區域，向所述N型匹配層和P型匹配層注入離子形成N+贗埋層，鍺矽異質結雙極電晶體以外區域由光刻膠保護；步驟5，在所述場氧區之間通過光刻定義出N+集電區，並經刻蝕打開N+集電區注入區域窗ロ，對縱向N+集電區進行離子注入，形成N+集電區； 步驟6，在步驟5已形成的器件結構的上方先澱積ー層氧化矽層，然後在該氧化矽層上方再澱積ー層多晶矽層，井光刻、刻蝕形成基區窗ロ ； 步驟7，在所述多晶矽層上方和基區窗ロ依次生長矽過渡層和鍺矽基區外延層； 步驟8，光刻並刻蝕所述鍺矽基區外延層及氧化矽層和多晶矽層，形成鍺矽基區； 步驟9，在所述鍺矽基區上方依次澱積氧化矽介質層和氮化矽介質層，井光刻、刻蝕形成發射區窗ロ； 步驟10，在所述氮化矽介質層上方和發射區窗ロ澱積在位N型雜質摻雜的多晶矽發射極層，再注入N型雜質，然後利用高溫快速熱退火進行激活和擴散；光刻、刻蝕所述多晶矽發射極層及氧化矽介質層和氮化矽介質層，形成發射極； 步驟11，澱積氧化矽層並幹刻形成位於所述發射極兩側的發射極側牆； 步驟12，在所述場氧區刻蝕深接觸孔，在該深接觸孔內澱積鈦/氮化鈦過渡金屬層並填入金屬鎢，再進行化學機械拋光，引出贗埋層，實現集電極的引出。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟I中所述N型匹配層和P型匹配層的雜質慘雜濃度由集電區的雜質慘雜濃度決定。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟2中所述N-集電區的雜質摻雜濃度與N型匹配層相同，摻雜的雜質為砷或磷離子。
9.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟4中所述N+贗埋層採用高劑量、低能量離子注入形成，注入的離子為磷或砷，注入的劑量範圍為Ie14 Ie16CnT2，注入的能量範圍為 2 50KeVo
10.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟5中所述N+集電區採用高劑量離子注入，進行重摻雜，注入的離子是砷或磷。
11.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟6中所述氧化矽層的厚度範圍為iooA 500A，所述多晶矽層的厚度範圍為200A 1500A。
12.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟7中所述鍺矽基區外延層的上方還生長有第一矽化物覆蓋層；鍺矽基區外延層採用重硼摻雜，鍺的分布可以是梯形或三角形分布。
13.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟10中所述多晶矽發射極層注入的N型雜質為砷或磷，注入濃度大於Ie15CnT2，注入能量由發射極厚度決定；所述多晶矽發射極層上覆蓋第二矽化物覆蓋層。
14.如權利要求6所述的方法，其特徵在於步驟12中所述鈦/氮化鈦過渡金屬層的澱積可採用物理氣相沉積PVD或化學氣相沉積CVD方式，厚度範圍為100 ；5A/5 5八；所述深接觸孔的深度由場氧區的深度和金屬/半導體層間膜的厚度決定。
全文摘要
本發明公開了一種超高壓鍺矽異質結雙極電晶體，包括P型襯底，依次位於P型襯底上的N型匹配層、P型匹配層和N-集電區；位於N-集電區中兩側端的場氧區，填入該場氧區中的氧化矽；位於場氧區下端N型匹配層、P型匹配層和N-集電區中的N+贗埋層；位於場氧區之間的N+集電區；位於場氧區和N+集電區上方的氧化矽層、多晶矽層和鍺矽基區；位於鍺矽基區上方的氧化矽介質層、氮化矽介質層和發射極；位於發射極兩側的發射極側牆；位於場氧區中的深接觸孔，澱積在該深接觸孔內的鈦/氮化鈦過渡金屬層及填入的金屬鎢將N+贗埋層引出，進而實現集電極的引出。本發明公開了一種所述雙極電晶體的製備方法。本發明能夠提高器件的擊穿電壓。
文檔編號H01L29/737GK103035690SQ20121018721
公開日2013年4月10日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者石晶, 劉冬華, 胡君, 錢文生, 段文婷, 陳帆 申請人:上海華虹Nec電子有限公司