在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法
2023-05-31 04:28:41
專利名稱：在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法
技術領域：
本發明是有關於一種半導體元件的製造方法，特別是有關於一種在矽絕緣體(Silicon on Insulator，SOI)基底上製造雙載子互補式金氧半導體(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS)的方法。
而在半導體元件的工藝中，CMOS電晶體是目前最常見半導體元件，雖然CMOS電晶體的整體的速度與NMOS相當，但還是比雙載子電晶體的速度來的慢。雙載子電晶體的缺點在於高耗能與低集成度，而這些缺點剛好是CMOS電晶體可以加以彌補的。於是一種結合這兩類半導體結構而產生的雙載子互補式金氧半導體，便受到相當大的重視。在此種電路中，將最需要高速度與高電流驅動的部分，以雙載子電晶體來處理，而將電路中需要高集成度與低耗能的部分，以CMOS來製作。如此整個電路的操作不但具有CMOS高集成度與低耗能的優點，也同時具有雙載子電晶體速度上的優勢，因此BiCMOS整體的表現將較CMOS更為優越。
在公知技術中，已揭露出許多利用SOI BiCMOS工藝所製造的半導體元件，例如Eklund et al.的美國專利第5294823號，以及Shahidi etal.的美國專利第5298786號。然而，這些公知技術所揭露的SOIBiCMOS工藝卻相當複雜，將增加工藝的成本。
為達成本發明的目的，本發明提供一種在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其步驟包括提供一矽絕緣體層的P型基底，在該矽層中形成一電性隔離結構以分別定義出一雙載子連接電晶體(bipolar junction transistor，BJT)的主動區與一金氧半導體的主動區，在上述主動區的表面上分別形成一薄氧化層，在雙載子連接電晶體主動區表面的薄氧化層中形成一開口，以暴露出部分的P型矽層，沉積一多晶矽層覆蓋於半導體基底並填入該開口中，定義多晶矽層，分別在金氧半導體的主動區上形成柵極以及在雙載子連接電晶體主動區上形成一多晶矽電極覆蓋住該開口，在柵極與多晶矽電極的側壁形成絕緣間隙壁，以柵極、多晶矽電極及其絕緣間隙壁為罩幕對二主動區進行N型離子植入，以在金氧半導體的主動區中形成源極/漏極區，同時在雙載子連接電晶體主動區中形成N+摻雜區，並同時對多晶矽電極進行N摻雜，完成本發明使用矽絕緣體的雙載子互補式金氧半導體元件的工藝。
以本發明上述所提供的方法製作出的雙載子互補式金氧半導體元件，其中雙載子連接電晶體主動區中的N+型摻雜區為一發射極(emitter)，N摻雜的多晶矽電極為一集電極(collector)，而集電極下方的P型區域為基極(base)。
本發明另一種製作方法，可以在主動區的表面上分別形成一薄氧化層後，在雙載子連接電晶體主動區中進行N型離子植入，使該主動區的矽層上半部為P型，下半部為N型，而其它後續的工藝則與本發明前段所述的第一種工藝相同。根據本發明另一種製作方法，雙載子連接電晶體主動區中的P型區域(基極)將同時為多晶矽電極、N+型摻雜區與下方的N型矽層所包覆，因N+摻雜區與N型矽層對P型區域(基極)有較大的包覆面積，因此將作為一集電極，而多晶矽電極則作為發射極，此一工藝如本發明的第一較佳實施例所示。
在上述本發明的雙載子互補式金氧半導體的製造方法中，各區域的導電型態可同時改為另一型，即原來P型者改為N型，同時原來N型者改為P型。
由於本發明將MOS的工藝加以修改，以同步製作雙載子電晶體與互補式金氧半電晶體，如此將可大幅減少工藝步驟，降低工藝成本。再者，由於本發明使用矽絕緣體的工藝形成雙載子互補式金氧半導體元件，故可降低元件的寄生電容，避免元件發生閉鎖現象，並可增進元件的集成度與操作速度。
圖2為依據上述本發明較佳實施例的方法所形成的BiCMOS元件中BJT部分的的俯視平面圖。在
圖1A-圖1E中的BJT主動區部分的剖面流程圖是依據圖2中的I-I切線所繪製。
100半導體矽基底102絕緣層104絕緣層上的矽層(SOI)106淺溝渠隔離結構108a金氧半導體元件主動區108b雙載子連接電晶體主動區110aMOS主動區的矽層110bBJT主動區的矽層112aMOS主動區表面的薄氧化層(柵氧化層)112bBJT主動區表面的薄氧化層114第一圖案化光阻層116第一次N型離子植入118第一圖案化光阻層的開口120aBJT主動區的N型矽層120bBJT主動區的P型矽層(基極)121基極的接觸窗122第二圖案化光阻層124第二圖案化光阻層的開口126MOS的柵極128多晶矽電極(發射極)129發射極的接觸窗130MOS柵極多晶矽層之間隙壁132BJT多晶矽層之間隙壁134第二次N型離子植入136MOS的源極/漏極區138BJT的N+摻雜區139集電極的接觸窗
140集電極請參閱圖1A，首先，提供一P型矽基底100，利用氧植入隔離(Separation by IMplanted OXygen，SIMOX)的方式在基底100中形成一氧化矽絕緣層102，並在絕緣層104上形成一單晶矽層104，其中單晶矽層104的摻雜型態例如是P型，其晶格方向例如是100，厚度約為500至2500埃。
接著，請參閱圖1B，在單晶矽層104中形成一電性隔離結構，例如是淺溝渠隔離106，其材質例如是氧化矽，用以定義出一金氧半導體的主動區108a與一雙載子連接電晶體的主動區108b。而在單晶矽層104中可以形成場氧化層(field oxide)，同樣也可以作為定義主動區的電性隔離結構。
在定義出二主動區108a與108b後，在其表面分別形成一薄氧化層112a與112b，形成的方法例如是熱氧化法，在800-1000℃的爐管中成長30分鐘，其厚度約為80-150埃。之後在整個基底100上形成一第一圖案化光阻層114，其覆蓋住金氧半導體的主動區108a，並具有一光阻層開口118暴露出雙載子連接電晶體的主動區108b。接著以第一圖案化光阻層114為罩幕，對雙載子連接電晶體主動區108b進行一第一次N型離子植入116工藝，使主動區110b下半部形成一N型矽層120a，且其上半部成為摻雜型態不變的一P型矽層120b，植入的N型離子例如是砷離子或磷離子，植入的能量例如是60-80KeV。
接著將第一圖案化光阻層114去除。由於一般是以灰化的方式去除光阻層114，為避免灰化過程中傷害到薄氧化層112a與112b，因此通常會在形成第一圖案化光阻層之前先沉積一層薄的多晶矽層(未圖標)加以保護。
請再參閱圖1C，將第一圖案化光阻層114去除後，接著又在基底100上形成一圖案化第二光阻層122，光阻層122中形成有一開口124，暴露出雙載子連接電晶體的主動區108b上方部分的薄氧化層112b。之後將薄氧化層112b暴露的部分去除，去除的方法例如是非等向性蝕刻法，使下層的P型矽層120b暴露出來。接著再將第二圖案化光阻層122去除。
請再參閱圖1D，在基底100上沉積一多晶矽層(未圖標)，覆蓋住金氧半導體主動區108a與雙載子連接電晶體主動區108b，並填入薄氧化層112b的開口124中，而與P型矽層120b相接觸。多晶矽層沉積的方法例如是化學氣相沉積法，沉積的溫度例如是500-650℃，沉積的厚度例如是1000-25000埃。接著利用微影蝕刻的方式定義該多晶矽層，以分別在薄氧化層112a(柵氧化層)上形成一柵極126，以及在薄氧化層112b暴露出P型矽層120b的開口124上形成一多晶矽電極128。
接著在柵極126與多晶矽電極128上沉積一共形的絕緣層(未圖標)，絕緣層的材料例如是氧化矽，沉積的方法例如是化學氣相沉積法，沉積的溫度約為650-800℃，沉積厚度約為500-1500埃。之後對於該絕緣層進行非等向性回蝕刻，分別在柵極126的側壁形成間隙壁130，以及在多晶矽電極128的側壁形成間隙壁132。
請再參閱圖1E，以柵極126及其間隙壁130以及多晶矽電極128及其間隙壁132為罩幕，對於金氧半導體的主動區108a及雙載子連接電晶體的主動區108b，進行第二次N型離子植入，植入的N型離子例如是砷離子或磷離子，離子植入的能量例如是30-80KeV，以分別在主動區108a形成源極漏極區136以及在主動區108b中形成N+摻雜區138，並對多晶矽電極128進行N摻雜。此時P型區域120b為基極(base)，其同時為N摻雜多晶矽電極128、N+型摻雜區138與下方的N型矽層120a所包覆，因N+摻雜區138與N型矽層120a對P型區域120b(基極)有較大面積的接觸，因此N+摻雜區138與N型矽層120a將作為集電極(collector)，而N摻雜圖案化多晶矽層128則作為發射極(emitter)。至此便完成本發明的使用矽絕緣體的雙載子互補式金氧半導體元件的製作。
請再參閱圖2，其中I-I切線為圖1A-圖1E中BJT圖標剖面的位置，而區域138表示BJT主動區中的N+摻雜區，而虛線區域139表示未來集電極140的接觸窗的位置。同樣的，區域128表示BJT主動區中的多晶矽電極，區域120b表示BJT主動區中的P形矽層，而虛線區域129與121分別表示其未來接觸窗的位置。在此必須特別說明的是，因為雙載子連接電晶體的元件特性，因此多晶矽層128不必是T字形，可以是L型或其它相近似的形狀。
本發明另一種較佳實施例，在主動區的表面上分別形成一薄氧化層後，不再對雙載子連接電晶體的主動區中進行N型離子植入，因此該主動區的矽層都為P型，而其它後續的工藝則與第一實施例所述的工藝相同。根據此製作方法，雙載子連接電晶體主動區中的P型區域為基極，而N+型摻雜區為發射極，多晶矽電極為集電極。
根據上述本發明所提供的較佳實施例可見，本發明將MOS的工藝加以修改，以同步製作雙載子互補式金氧半導體元件，如此將可大幅減少工藝步驟，降低工藝成本。再者，由於本發明在矽絕緣體基底上形成雙載子互補式金氧半導體元件，故可降低元件的寄生電容，避免CMOS元件發生閉鎖現象，並可增進元件的集成度與操作速度。
權利要求
1.一種在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該方法包括下列步驟a.提供一矽絕緣體基底，該矽絕緣體基底具有一第一導電型態的矽層與該矽層下方的一絕緣層；b.在該矽層中形成一電性隔離結構，以定義出一金氧半導體的主動區與一雙載子連接電晶體的主動區；c.在該些主動區的表面上分別形成一薄氧化層，其中該金氧半導體主動區中的該薄氧化層為一柵氧化層；d.在該雙載子連接電晶體主動區表面的薄氧化層中形成一開口，以暴露出該薄氧化層下方部分的矽層；e.沉積一多晶矽層於該基底上，並填入該開口中；f.定義該多晶矽層，以同時在該金氧半導體的主動區上形成一柵極，並在該雙載子電晶體主動區上形成一多晶矽電極覆蓋住該開口；g.在該柵極與該多晶矽電極的側壁分別形成一絕緣間隙壁；以及h.以該柵極、該多晶矽電極及該絕緣間隙壁為罩幕進行一第二導電型態離子植入，以在該金氧半導體的主動區中形成一第二導電型態源極/漏極區，同時在該雙載子連接電晶體主動區中形成一第二導電型態摻雜區的發射極，且同時對該多晶矽電極摻雜而使其形成一第二導電型態的集電極，而位於該集電極下方的該第一導電型態矽層成為一基極。
2.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，步驟a中的該絕緣層形成的方法為氧植入隔離法(SIMOX)。
3.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該第一導電型態為P型。
4.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該電性隔離結構為淺溝渠隔離。
5.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該電性隔離結構為場氧化層。
6.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，步驟c中的該薄氧化層形成的方法為熱氧化法。
7.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，形成該開口的方法為非等向性蝕刻法。
8.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，形成該多晶矽層的方法為化學氣相沉積法。
9.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該些間隙壁形成的方法先在該矽基底表面形成一共形的絕緣層，然後對該絕緣層進行回蝕刻。
10.如權利要求1所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該第二導電型態離子是一N型離子。
11.如權利要求10所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該N型離子是由砷離子與磷離子所組成的族群中所選出。
12.一種在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該方法包括下列步驟a.提供一矽絕緣體基底，該矽絕緣體基底具有一第一導電型態的矽層與該矽層下方的一絕緣層；b.在該矽層中形成一電性隔離結構，以定義出一金氧半導體的主動區與一雙載子連接電晶體的主動區；c.在該些主動區的表面上分別形成一薄氧化層，其中該金氧半導體主動區中的該薄氧化層為一柵氧化層；d.植入一第二導電型態離子於該雙載子連接電晶體的主動區中，使得該主動區中的該矽層的下半部成為一第二導電型態矽層，但該主動區中的該矽層的上半部仍為一第一導電型態矽層；e.在該雙載子連接電晶體主動區表面的薄氧化層中形成一開口，以暴露出該薄氧化層下方部分的該第一導電型態矽層；f.沉積一多晶矽層覆蓋在該基底上，並填入該開口中；g.定義該多晶矽層，以在該金氧半導體的主動區上形成一柵極位於該柵氧化層上，同時在該雙載子連接電晶體主動區上形成一多晶矽電極覆蓋住該開口；h.在該柵極與該多晶矽電極的側壁上分別形成一絕緣間隙壁；i.以該柵極、該多晶矽電極及其絕緣間隙壁為罩幕進行一第二導電型態離子植入，以在該金氧半導體的主動區中形成一第二導電型態源極/漏極區，同時在該雙載子連接電晶體主動區中形成一第二導電型態摻雜區，且同時對該多晶矽電極摻雜以形成一第二導電型態的發射極，此時位於該發射極下方的該第一導電型態矽層成為一基極，而該第二導電型態摻雜區與位於該第一導電型態矽層下方的第二導電型態矽層共同形成一集電極。
13.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，步驟a中該絕緣層形成的方法為氧植入隔離法(SIMOX)。
14.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該第一導電型態為P型。
15.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該電性隔離結構為淺溝渠隔離。
16.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該電性隔離結構為場氧化層。
17.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，步驟c中的該薄氧化層形成的方法為熱氧化法。
18.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，形成該開口的方法為非等向性蝕刻法。
19.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，形成該多晶矽層的方法為化學氣相沉積法。
20.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該些間隙壁形成的方法先在該矽基底表面形成一共形的絕緣層，然後對該絕緣層進行回蝕刻。
21.如權利要求12所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該第二導電型態離子是一N型離子。
22.如權利要求21所述的在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其特徵是，該N型離子是由砷離子與磷離子所組成的族群中所選出。
全文摘要
一種在矽絕緣體基底上製造雙載子互補式金氧半導體的方法，其將金氧半電晶體的工藝加以修改，以同步製作雙載子電晶體與互補式金氧半電晶體，如此將可大幅減少工藝步驟，並降低工藝成本。再者，由於本發明在矽絕緣體基底上形成雙載子互補式金氧半導體元件，故可降低元件的寄生電容，避免元件發生閉鎖現象，並可增進元件的集成度與操作速度。
文檔編號H01L21/8238GK1479367SQ0214187
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月27日 優先權日2002年6月7日
發明者吳集錫 申請人:聯華電子股份有限公司