双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法

文档序号:7180233阅读:365来源:国知局
专利名称:双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法
技术领域
本发明涉及一种双极晶体管(BJT),特别是涉及一种双极晶体管的集电区。
背景技术
请参阅图1,这是一个双极晶体管。PNP双极晶体管与NPN双极晶体管的结构相同, 只是各部分结构的掺杂类型相反,下面以NPN双极晶体管为例进行介绍。在ρ型硅片衬底 10之上具有一个η型重掺杂埋层11,η型重掺杂埋层11之上是η型外延层12 (掺杂浓度 比埋层11小,通常为中、低掺杂)。η型外延层12中有多个浅槽隔离(STI)结构13a、13b、 13c、13d,这些浅槽隔离结构的底部均与埋层11相接触。η型外延层12中、且在浅槽隔离结 构13a、13b或者13c、13d之间有η型重掺杂区14,其连接集电极引出端C。η型外延层12 之上是P型的基区15,基区15为导体材料,例如硅、硅锗合金等,其连接基极引出端B。基 区15之上是η型掺杂的T形多晶硅栅极16,其连接发射极引出端Ε。其中,η型的栅极16、 P型的基区15、η型的埋层11在垂直方向上构成了 NPN双极晶体管。图1所示的双极晶体管中,浅槽隔离结构1 和13c之间的η型外延层12为双极 晶体管的集电区,该集电区通过η型重掺杂埋层11 (即集电区埋层)、η型重掺杂区14连接 到集电极引出端C。现有方法制造的集电区埋层面积较大,其与ρ型衬底10之间的寄生电 容也较大。通常在整个双极晶体管器件最外围的浅槽隔离结构13a、13d的下方通常还有深 槽隔离结构130a、130d。深槽隔离结构130a、130d从η型重掺杂埋层11深入至ρ型衬底10 之中,对η型重掺杂埋层11进行分割,从而减小集电区埋层和P型衬底10之间的结面积, 进而降低两者之间的寄生电容。图1所示的双极晶体管结构仅为原理示意,实际制造中可能有各部分的结构变 化。上述双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法包括如下步骤第1步,在ρ型硅片衬底10上以离子注入工艺注入η型杂质,常用的η型杂质如 磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等,从而在衬底10中形成η型重掺杂埋层11即集电区埋层;第2步,在η型重掺杂埋层11之上外延生长一层η型外延层12 (即淀积一层η型 单晶硅12),其掺杂浓度比η型重掺杂埋层11小;第3步,在硅片中以浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽,所述浅沟槽深度通常小于 2 μ m,即图1中浅槽隔离结构13a、13b、13c、13d所占据的位置;接着在整个双极晶体管器件最外围的浅沟槽底部再刻蚀深沟槽,所述深沟槽的深 度通常大于7 μ m,即图1中深槽隔离结构130a、130d所占据的位置;接着在所述深沟槽中填充介质,例如填充多晶硅等,形成深槽隔离结构130a、 130d ;接着在所述浅沟槽中填充介质,例如填充氧化硅(SiO2)等,形成浅槽隔离结构 13a、13b、13c、13d ;其中,在浅槽隔离结构13b、13c之间的η型外延层12即为集电区。
上述双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造方法具有如下缺点。其一,在ρ型 硅片衬底10上淀积一层η型单晶硅12的成本较高。其二,深槽隔离结构130a、130d的深 度通常在7 μ m以上,其刻蚀和填充工艺复杂且成本较高。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双极晶体管的集电区和集电区埋层的制 造工艺方法,其中既没有埋层制造工艺,也没有外延工艺。为解决上述技术问题,本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法 包括如下步骤第1步,在硅衬底20中以浅槽隔离工艺刻蚀浅沟槽20a、20b,,所述浅沟槽的深度 小于2 μ m ;第2步,在所述浅沟槽20a、20b的底部以离子注入工艺注入η型杂质,从而在衬底 20中接近所述浅沟槽20a、20b底部的区域形成η型掺杂区21a、21b ;第3步,在所述浅沟槽20a、20b中填充介质,形成浅槽隔离结构22a、22b ;第4步,对硅片进行高温退火工艺,所述掺杂区21a、21b横向扩散并在所述浅槽隔 离结构22a、22b之间相连接形成赝埋层21 ;所述赝埋层21即所述双极晶体管的集电区埋层;第5步,对在赝埋层21之上且在浅槽隔离结构22a、22b之间的衬底20以离子注 入工艺进行一次或多次的杂质注入,从而将赝埋层21之上且在浅槽隔离结构22a、22b之间 的衬底20变为掺杂区23 ;所述掺杂区23即所述双极晶体管的集电区,其掺杂浓度小于赝埋层21的掺杂浓度。本发明一方面以离子注入和退火工艺制造赝埋层21 (即集电区埋层),赝埋层21 的面积较小,因而后续工艺中不再需要深槽隔离结构对赝埋层21进行分割。另一方面,本 发明以离子注入工艺制造掺杂区23 (即集电区),取代了成本较高的外延工艺。


图1是一种现有的双极晶体管的结构示意图;图2是本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的结构示意图;图3a 图3d是本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层制造工艺方法的各步骤 示意图;图4是本发明所制造的集电区埋层的杂质浓度示意图。图中附图标记说明10为ρ型硅片衬底;11为η型重掺杂埋层;12为η型外延层;13a、1北、13c、13d为 浅槽隔离结构;130a、130d为深槽隔离结构;14为η型重掺杂区;15为基区;16为栅极;C为 集电极引出端;B为基极引出端;E为发射极引出端;20为硅衬底;20a、20b为浅沟槽;21a、 21b为掺杂区;21为赝埋层;2h、22b为浅槽隔离结构;23为掺杂区。
具体实施例方式请参见图2,本发明双极晶体管的硅衬底20中包括浅槽隔离结构22a、22b,浅槽隔离结构2h、22b之间为所述双极晶体管的集电区;赝埋层21,在浅槽隔离结构22a、22b的底部,且在浅槽隔离结构22a、22b之间连续 (即连为一体而不是独立的两块),所述赝埋层21为所述双极晶体管的集电区埋层;掺杂区23,即赝埋层21之上且在浅槽隔离结构2h、22b之间的硅片,所述掺杂区 23的掺杂浓度小于所述赝埋层21的掺杂浓度,所述掺杂区23为所述双极晶体管的集电区。对于NPN双极晶体管,所述硅衬底10为ρ型,赝埋层21和掺杂区23均为η型。对于PNP双极晶体管,所述硅衬底10为η型,赝埋层21和掺杂区23均为ρ型。本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法包括如下步骤(以NPN 双极晶体管为例进行介绍,PNP双极晶体管只需将掺杂类型变为相反即可)第1步,请参阅图&,在ρ型硅衬底20中以浅槽隔离工艺刻蚀浅沟槽20a、20b,这些 浅沟槽的深度均小于2 μ m。从俯视角度看,浅沟槽20a、20b例如属于一个矩形沟槽的两条边。通常浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽时具体包括第1. 1步,在硅片表面热氧化生长一层氧化层,称为隔离氧化层,用来保护有源区 在去除氮化硅时免受化学玷污。第1. 2步,在硅片表面淀积一层氮化硅,氮化硅是一种坚固的掩膜材料,用来在填 充沟槽时保护有源区,以及在化学机械抛光(CMP)时充当阻挡层。第1. 3步,在硅片表面旋涂光刻胶,曝光、显影后形成刻蚀窗口。第1. 4步,在刻蚀窗口中刻蚀掉氮化硅、隔离氧化层、部分硅,形成浅沟槽。图3a中覆盖在硅衬底00)表面的硬掩膜(30)就是上述第1. 1步、1. 2步中的氮 化硅和氧化硅。第2步,请参阅图北,在浅沟槽20a、20b的底部以离子注入工艺注入η型杂质,从 而在衬底10中接近浅沟槽20a、20b底部的区域形成η型重掺杂区21a、21b。此时的两个掺 杂区21a、21b通常还没有在浅沟槽20a、20b之间相连接,而是独立的两块掺杂区。通常在浅沟槽刻蚀完成后,浅沟槽的侧壁和底部就会热氧化生长一层氧化层,称 为衬垫氧化层,用来改善硅与沟槽填充物之间的界面特性。这一层衬垫氧化层非常薄,对于 离子注入工艺没有影响。第3步,请参阅图3c,在浅沟槽20a、20b中填充介质,形成浅槽隔离结构22a、22b, 通常填充氧化硅、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy, x、y为自然数)等介质材料。通常浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽时具体包括第3. 1步,在硅片表面淀积一层介质,如氧化硅,所淀积的介质至少将浅沟槽完全 填充。第3. 2步,以化学机械抛光工艺研磨硅片,使所淀积的介质与硅片上表面齐平。第3. 3步,以湿法腐蚀工艺去除第1. 2步所淀积的氮化硅。第4步,请参阅图3d,对硅片进行高温退火工艺,两个η型重掺杂区21a、21b纵向 和横向扩散,其中横向扩散会导致两个η型重掺杂区21a、21b在浅槽隔离结构2h、22b之 间相连接形成η型重掺杂赝埋层21。该η型重掺杂埋层21即为整个双极晶体管器件的集 电区埋层。
在图3d中,由于组成硬掩膜层30的主体部分(第1. 2步所淀积的氮化硅)已去 除,因此图3d中不再表示硬掩膜层30。第1. 1步所生长的隔离氧化层由于较薄,在图3d中 不予表示。第5步,请参阅图3e,对浅槽隔离结构22a、22b之间且在赝埋层21之上的衬底10 以离子注入工艺进行一次或多次的η型杂质注入,从而将浅槽隔离结构2h、22b之间且在 赝埋层21之上的衬底10变为η型掺杂区23,其掺杂浓度小于赝埋层21的掺杂浓度。该η 型掺杂区23即为整个双极晶体管器件的集电区。上述方法第2步中,离子注入应该以高剂量、低能量的方式进行。所述“高剂量”是 指,η型杂质可选择磷、砷、锑,离子注入剂量为1 X IO14 1 X IO16原子每平方厘米(或离子 每平方厘米);P型杂质可选择硼、氟化硼,离子注入剂量为5 X IO13 1 X IO16原子每平方厘 米(或离子每平方厘米);P型杂质也可以选择铟,离子注入剂量为1 X IO14 1 X IO16原子 每平方厘米(或离子每平方厘米)。所述“低能量”是指,离子注入能量一般应小于30k电 子伏特(eV)。上述方法第4步中,高温退火工艺优选快速热退火(RTA)工艺。上述方法第5步中,离子注入应该以中低剂量的方式进行。所述“中低剂量”是指, 离子注入剂量一般应小于1XIO14原子每平方厘米(或离子每平方厘米)。与传统的双极晶体管的集电区和集电区埋层相比,本发明具有如下特点第一,没有图1中的埋层11,改以图2中的赝埋层(Pseudo BuriedLayer) 21取代。 赝埋层21的制造是通过在浅沟槽20a、20b的底部高剂量、低能量地注入杂质形成重掺杂区 21a、21b,然后又通过高温退火工艺中重掺杂区21a、21b中的杂质的横向扩散形成重掺杂 赝埋层21。由于离子注入能量较低,在扩散时横向扩散较小,最终形成的赝埋层21与衬底 20的结面积较小,因此赝埋层21与衬底20之间的寄生电容较小,不用再采用图1中的深槽 隔离结构130a、130d,在简化制造工艺的同时有效地降低了成本。第二,没有图2中的外延层12,改以图3中的掺杂区23取代,以离子注入工艺取代 了外延工艺,进一步降低了制造成本。第三,掺杂区23是通过自对准离子注入工艺形成,即不需要掩膜版,由浅槽隔离 结构22a、22b作为阻挡层,进一步降低了制造成本。上述方法第4步中,对硅片进行高温退火工艺后,两个η型重掺杂区21a、21b中 的杂质经过横向扩散,有可能仍然无法在浅槽隔离结构22a、22b之间相连接,而仍然是独 立的两块掺杂区。针对这种可能发生的情况,本发明给出了改进的双极晶体管的集电区埋 层的制造方法,在上述方法的第2步中,不仅在整个双极晶体管器件最外围的浅沟槽20a、 20b的底部进行高剂量、低能量的离子注入,而且在双极晶体管器件的中间(通常为基区所 在位置)进行高剂量、高能量地离子注入。所述“高能量”是指,离子注入能量一般应大于 30keV,从而获得较大的离子射程,最终在硅衬底20中形成至少三个重掺杂区,这些掺杂区 最好位于大致相同的深度。这样经过退火工艺后通过横向扩散连为一体,形成双极晶体管 的集电区埋层。至于何时需要采用上述改进工艺,可以在具体制造工艺参数确定后,先通过软件 TCAD以基本工艺(即图3 图3d、图2所示工艺)模拟,如果软件模拟的结果是两个重掺 杂区21a、21b在高温退火后无法连为一体,则需要采用上述改进工艺中的任何一种或结合使用。请参阅图4,根据TCAD软件模拟的本发明双极性晶体管的结果来看,在图2所示 A-A位置横截面(即集电区埋层)的ρ型杂质浓度,在基区下方的浓度最低,这样杂质上扩 到集电区表面很少,不会影响到双极性晶体管的集电区和基区的结击穿电压。而且由于赝 埋层注入是高剂量、低能量的注入,赝埋层的浓度较大,而结面积较小,埋层与衬底间的寄 生结电容较小。本发明可以在两个浅槽隔离结构中打孔填充导电材料将集电区埋层和集电区引 出端相连通。
权利要求
1.一种双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法,其特征是,包括如下步骤第1步,在硅衬底00)中以浅槽隔离工艺刻蚀浅沟槽OOa)、(20b);所述浅沟槽的深 度小于2μπι;第2步,在所述浅沟槽(20a)、(20b)的底部以离子注入工艺注入杂质,从而在衬底00) 中接近所述浅沟槽(20a), (20b)底部的区域形成掺杂区(21a), (21b);第3步,在所述浅沟槽QOa)、QOb)中填充介质,形成浅槽隔离结构0加)、; 第4步,对硅片进行高温退火工艺,所述掺杂区(21a)、(21b)横向扩散并在所述浅槽隔 离结构(22a)、(22b)之间相连接形成赝埋层; 所述赝埋层为所述双极晶体管的集电区埋层;第5步,对在赝埋层之上且在浅槽隔离结构0加)、(22b)之间的衬底OO)以离 子注入工艺进行一次或多次的杂质注入,从而将赝埋层21之上且在浅槽隔离结构(22a)、 (22b)之间的衬底OO)变为掺杂区03);所述掺杂区(23)的掺杂浓度小于赝埋层的 掺杂浓度所述掺杂区为所述双极晶体管的集电区。
2.根据权利要求1所述的双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法,其特征是,对于NPN双极晶体管,所述方法第1步中,硅衬底OO)为ρ型;所述方法第2步中,注 入η型杂质,形成η型重掺杂区Ola)、(21b);所述方法第4步中,形成η型重掺杂赝埋层 (21);所述方法第5步中,注入η型杂质,形成η型掺杂区Q3);对于PNP双极晶体管,所述方法第1步中,硅衬底00)为η型;所述方法第2步中,注 入P型杂质,形成P型重掺杂区Ola)、(21b);所述方法第4步中,形成ρ型重掺杂赝埋层 (21);所述方法第5步中,注入ρ型杂质,形成ρ型掺杂区03)。
3.根据权利要求1所述的双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法,其特征 是,所述方法第2步中,离子注入以高剂量、低能量的方式进行;所述高剂量,对于磷、砷、锑、铟,离子注入剂量为IX IO14 IX IO"5原子每平方厘米; 对于硼、氟化硼,离子注入剂量为5X IO13 IX IO16原子每平方厘米; 所述低能量,是离子注入能量小于30keV。
4.根据权利要求1所述的双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法,其特征是,所述方法第2步中,还在所述浅沟槽(20a)、(20b)之间的硅衬底OO)以离子注入工艺 进行高剂量、高能量的杂质注入,从而在硅衬底OO)中形成至少三个掺杂区; 所述高能量,是离子注入能量大于30keV ;所述方法第4步中,所述至少三个掺杂区横向扩散并在所述浅槽隔离结构0加)、 (22b)之间连为一体形成赝埋层01)。
全文摘要
本发明公开了一种双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法,一方面以离子注入和退火工艺制造赝埋层(21)即集电区埋层,赝埋层(21)的面积较小,因而后续工艺中不再需要深槽隔离结构对赝埋层(21)进行分割。另一方面,本发明以离子注入工艺制造掺杂区(23)即集电区,取代了成本较高的外延工艺。本发明简化了制造方法,从而节约了制造成本。
文档编号H01L21/331GK102117749SQ200910202080
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者张海芳, 徐炯 , 朱东园, 范永洁, 邱慈云, 钱文生, 陈帆 申请人:上海华虹Nec电子有限公司
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