双极性结晶体管及其操作方法与制造方法

双极性结晶体管及其操作方法与制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种双极性结晶体管及其操作方法与制造方法。双极性结晶体管包括一第一掺杂区、一第二掺杂区与一第三掺杂区；第一掺杂区具有一第一导电型；第二掺杂区包括形成于第一掺杂区中的多个阱区；阱区具有相反于第一导电型的一第二导电型；阱区通过第一掺杂区互相分开；第三掺杂区具有第一导电型；第三掺杂区形成在阱区中，或形成在阱区之间的第一掺杂区中。
【专利说明】双极性结晶体管及其操作方法与制造方法

【技术领域】
[0001]本发明是有关于半导体装置及其操作方法与制造方法，特别是有关于双极性结晶体管及其操作方法与制造方法。

【背景技术】
[0002]半导体双极性结晶体管(bipolar junct1n transistor,BJT)装置能通过控制施加至基极端与集极端的电压而操作成顺向主动模式(forward-active mode)。举例来说，NPN型双极结晶体管装置具有P型基极区及N型集极区与射极区，于操作时，可分别于基极端与集极端施加正电压Vbe与比Vbe更高的正电压VCE。射极-基极结可因而为顺向偏压，基极-集极结可因而为逆向偏压，并可降低基极电流Ib与集极电流L集极电流L被定义为基极电流Ib的β倍。因此双极结晶体管装置可作为具有电流增益或β增益(beta gain)β的电流放大器。


【发明内容】

[0003]有鉴于此，本发明提供的是有关于双极性结晶体管及其操作方法与制造方法，其具有良好的装置特性。
[0004]根据一实施例，提供一种双极性结晶体管，包括一第一掺杂区、一第二掺杂区与一第三掺杂区；第一掺杂区具有一第一导电型；第二掺杂区包括形成于第一掺杂区中的多个阱区；阱区具有相反于第一导电型的一第二导电型；阱区通过第一掺杂区互相分开；第三掺杂区具有第一导电型；第三掺杂区形成在阱区中，或形成在阱区之间的第一掺杂区中。
[0005]根据一实施例，提供一种双极性结晶体管的操作方法，双极性结晶体管包括一第一掺杂区、一第二掺杂区与一第三掺杂区；第一掺杂区具有一第一导电型；第二掺杂区包括形成于第一掺杂区中的多个阱区；阱区具有相反于第一导电型的一第二导电型；阱区通过第一掺杂区互相分开；第三掺杂区具有第一导电型；第三掺杂区形成在阱区中，或形成在阱区之间的第一掺杂区中；操作方法包括以下步骤:提供一集极电压至第一掺杂区；提供一基极电压至第二掺杂区；提供一射极电压至第三掺杂区。
[0006]根据一实施例，提供一种双极性结晶体管的制造方法，包括以下步骤:于一第一掺杂区中形成一第二掺杂区的多个阱区；第一掺杂区具有一第一导电型；阱区具有相反于第一导电型的一第二导电型；阱区通过第一掺杂区互相分开；于阱区中或于阱区之间的第一掺杂区中形成一第三掺杂区；第三掺杂区具有第一导电型。
[0007]为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下:

【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。
[0009]图1B为图1A的双极性结晶体管沿BB线的剖面图。
[0010]图1C为图1A的双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0011]图2A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。
[0012]图2B为图2A的双极性结晶体管沿BB线的剖面图。
[0013]图2C为图2A的双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0014]图3A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。
[0015]图3B为图3A的双极性结晶体管沿BB线的剖面图。
[0016]图3C为图3A的双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0017]图4A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。
[0018]图4B为图4A的双极性结晶体管沿BB线的剖面图。
[0019]图4C为图4A的双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0020]图5A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。
[0021]图5B为图5A的双极性结晶体管沿BB线的剖面图。
[0022]图5C为图5A的双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0023]图6A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的剖面图。
[0024]图6B绘示根据一实施例的双极性结晶体管的剖面图。
[0025]图7为根据一实施例的双极性结晶体管的电性曲线。
[0026]图8为根据一实施例的双极性结晶体管的电性曲线。
[0027]【符号说明】
[0028]102~第一掺杂区；
[0029]104、112、114、116 ~阱区；
[0030]106、118、122、222A、222B ~接触区；
[0031]108 ~衬底；
[0032]110~第二掺杂区；
[0033]120,220~第三掺杂区；
[0034]124~第一顶掺杂层；
[0035]126~第二顶掺杂层；
[0036]128~介电结构；
[0037]130~导电结构；
[0038]132、232、240 ~连接区；
[0039]134~集极电压；
[0040]136~基极电压；
[0041]138~射极电压。

【具体实施方式】
[0042]图1A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。图1B为双极性结晶体管沿BB线的剖面图。图1C为双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0043]请参照图1B，第一掺杂区102包括阱区104与接触区106。阱区104与接触区106具有第一导电型例如N导电型。讲区104位在衬底108上。衬底108具有相反于第一导电型的第二导电型例如P导电型。于一实施例中，阱区104可通过掺杂衬底108的方式形成。于其他实施例中，阱区104可以成长或沉积等的方式形成在衬底108上。阱区104可为高压(HV)阱区。阱区104与衬底108可包括半导体材料例如硅，或其他合适的材料。衬底108可包括绝缘体上硅(SOI)。接触区106可以掺杂阱区104的方式形成。于实施例中，接触区106是为重掺杂的。
[0044]请参照图1B，第二掺杂区110包括多个阱区112、114、116。阱区112、114、116具有第二导电型例如P导电型。阱区112、114、116可通过掺杂第一掺杂区102的阱区104形成。阱区112、114、116可以外延的方式形成。第二掺杂区110的阱区112、114、116可通过第一掺杂区102的阱区104互相分开。第二掺杂区110包括接触区118，具有第二导电型例如P导电型。接触区118可以掺杂阱区112的方式形成，并可为重掺杂的。
[0045]请参照图1B，第三掺杂区120包括接触区122。接触区122具有第一导电型例如N导电型。接触区122的形成方法可包括掺杂第二掺杂区110的阱区114、116，并掺杂阱区114与阱区116之间的第一掺杂区102的阱区104。接触区122可为重掺杂的。
[0046]请参照图1B，具有第二导电型的第一顶掺杂层124位于具有第一导电型的第一掺杂区102的阱区104上。第一顶掺杂层124可通过掺杂阱区104形成。具有第一导电型的第二顶掺杂层126位于第一顶掺杂层124上。第二顶掺杂层126可通过掺杂第一顶掺杂层124形成。介电结构128形成于第二顶掺杂层126上。介电结构128并不限于如图1B与图1C所示的场氧化物，而可包括其他合适的介电结构，例如浅沟道隔离等。导电结构130形成于介电结构128上。于一实施例中，导电结构130包括多晶娃,例如以单一多晶娃(singlepoly)或双多晶娃(double poly)工艺形成。
[0047]图1C与图1B所示的双极性结晶体管的剖面图差异在于，图1C省略了图1B中的第一顶掺杂层124与第二顶掺杂层126。图1A仅绘示双极性结晶体管部分元件的俯视图，包括第一掺杂区102的接触区106 ;第二掺杂区110的阱区112、114、116与接触区118 ;第三掺杂区120的接触区122 ；以及第二顶掺杂层126。双极性结晶体管并不限于如图1A的圆形(circle)配置,而也能设计成正方形(square)、长方形(rectangle)、六边形(hexagonal)、八边形(octagonal),或其他形状的结构。
[0048]图2A至图2C分别绘示图1A至图1C的双极性结晶体管，其第二掺杂区110的阱区112、114、116在被扩散之后的示意图。此扩散阱区112、114、116的步骤是用以形成第二掺杂区110的连接区132。位在第三掺杂区120的接触区122下方的连接区132是邻接在阱区114与阱区116之间，并具有第二导电型。阱区114、116的底表面是低于连接区132的底表面。扩散第二掺杂区110的阱区112、114、116的方法可包括进行退火步骤。此退火步骤可在任意适当的时机进行，例如在形成第二掺杂区110的接触区118与形成第三掺杂区120的接触区122之前或之后进行。
[0049]请参照图2B，于一实施例中，举例来说，双极性结晶体管的第一掺杂区102可通过接触区106电性连接至集极电压134。第二掺杂区110可通过接触区118电性连接至基极电压136。第三掺杂区120可通过接触区122电性连接至射极电压138。换句话说，第一掺杂区102 (包括第一导电型例如N导电型的阱区104与接触区106)是用作集极。第二掺杂区110(包括第二导电型例如P导电型的阱区112、114、116、连接区132与接触区118)是用作基极。第三掺杂区120(包括第一导电型例如N导电型的接触区122)是用作射极。导电结构130可电性连接至结构电压。于一实施例中，结构电压是耦接于基极电压136。
[0050]请参照图2B，于实施例中，扩散之后的阱区112、114、116与形成的连接区132具有比扩散之前的阱区112、114、116更小的掺杂浓度，因此能提高双极性结晶体管的β增益。形成的连接区132可具有微小的尺寸(例如深度浅或宽度窄)，此能提高基极电阻并提高β增益。因此，换句话说，实施例可通过调整第二掺杂区110的阱区112、114、116(例如阱区112、114、116之间的间隔)，或调整扩散阱区112、114、116(例如退火)的工艺参数，来控制形成的连接区132，进而控制双极性结晶体管的β增益。
[0051]再者，形成在介电结构128下方阱区104(漂移区)中的第一顶掺杂层124与第二顶掺杂层126,是应用缩减表面场(reduced surface field, RE SURF)的概念,其能帮助提高高压双极性结晶体管(HVBJT)的崩溃电压。配置在(集极)接触区106与(基极)接触区118之间的介电结构128上的导电结构130可帮助提升双极性结晶体管的结崩溃电压(junct1n breakdown voltage)。于一实施例中，高压双极性结晶体管可通过缩减(讲区104中)漂移区域的尺寸来缩小装置的尺寸并降低操作电压。于实施例中，可优化(射极)接触区122与(集极)接触区106之间的距离，以避免双极性结晶体管发生横向贯穿(lateral punch through),此概念亦可应用至高压装置中。
[0052]于实施例中，双极性结晶体管可利用标准的高压工艺来形成，因此不需要额外的工艺、掩模，或改变工艺程序。
[0053]图3A绘示根据一实施例的双极性结晶体管的俯视图。图3B为双极性结晶体管沿BB线的剖面图。图3C为双极性结晶体管沿CC线的剖面图。
[0054]图3A至图3B的双极性结晶体管与图1A至图1B的双极性结晶体管的差异在于，第三掺杂区220的接触区222A、222B是形成在第二掺杂区110的阱区114、116中。图3B与图3C的剖面图的差异在于，图3C省略了第二掺杂区110的阱区114、116与第三掺杂区220的接触区222A、222B。第二掺杂区110的阱区114、116与第三掺杂区220的接触区222A、222B并不限于如图3A的长方形(rectangle)配置,而也能设计成正方形(square)、六边形(hexagonal)、八边形(octagonal)、圆形(circle),或其他形状的结构。
[0055]图4A至图4C分别绘示一实施例中图3A至图3C的双极性结晶体管，其第二掺杂区I1的阱区112、114、116在被扩散之后的示意图。此扩散阱区112、114、116的步骤是用以形成第二掺杂区110的连接区132。连接区132是邻接在阱区112、114、116之间，并具有第二导电型。阱区112、114、116的底表面是低于连接区132的底表面。扩散第二掺杂区110的阱区112、114、116的方法可包括进行退火步骤。此退火步骤可在任意适当的时机进行，例如于一实施例中，退火步骤是在形成第三掺杂区220的接触区222A、222B之前进行。
[0056]请参照图4B与图4C，于一实施例中，举例来说，双极性结晶体管的第一掺杂区102可通过接触区106电性连接至集极电压134。第二掺杂区110可通过接触区118电性连接至基极电压136。第三掺杂区220可通过接触区222A、222B电性连接至射极电压138。换句话说，第一掺杂区102(包括第一导电型例如N导电型的阱区104与接触区106是用作集极。第二掺杂区110(包括第二导电型例如P导电型的阱区112、114、116、连接区132与接触区118是用作基极。第三掺杂区220 (包括第一导电型例如N导电型的接触区222A、222B)是用作射极。导电结构130可电性连接至结构电压。于一实施例中，结构电压是耦接于基极电压136。
[0057]于实施例中，扩散之后的阱区112、114、116与形成的连接区132具有比扩散之前的阱区112、114、116更小的掺杂浓度，此能提高双极性结晶体管的β增益。形成的连接区132可具有微小的尺寸，此能提高基极电阻并提高β增益。因此，换句话说，实施例可通过调整第二掺杂区110的阱区112、114、116，或调整扩散阱区112、114、116 (例如退火)的工艺参数，来控制形成的连接区132，进而控制双极性结晶体管的β增益。
[0058]图5Α至图5C分别绘示另一实施例中图3Α至图3C的双极性结晶体管，其第二掺杂区I1的阱区112、114、116与第三掺杂区220的接触区222Α、222Β在被扩散之后的示意图。阱区112、114、116扩散之后是形成第二掺杂区110的连接区132。连接区132邻接在阱区112、114、116之间，并具有第二导电型。阱区112、114、116的底表面是低于连接区132的底表面。接触区222Α、222Β扩散之后是形成第三掺杂区220的连接区240。连接区240邻接在接触区222Α、222Β之间，并具有第一导电型。第三掺杂区220的连接区240是位在第二掺杂区110的连接区132上。扩散第二掺杂区110的阱区112、114、116与第三掺杂区220的接触区222Α、222Β的方法可包括进行退火步骤。此退火步骤可在任意适当的时机进行，例如于一实施例中，退火步骤是在形成第三掺杂区220的接触区222Α、222Β之后进行。
[0059]请参照图5Β与图5C，双极性结晶体管的第一掺杂区102可通过接触区106电性连接至集极电压134。第二掺杂区110可通过接触区118电性连接至基极电压136。第三掺杂区220可通过接触区222Α、222Β电性连接至射极电压138。换句话说，第一掺杂区102 (包括第一导电型例如N导电型的阱区104与接触区106)是用作集极。第二掺杂区110(包括第二导电型例如P导电型的阱区112、114、116、连接区132与接触区118)是用作基极。第三掺杂区220 (包括第一导电型例如N导电型的接触区222Α、222Β与连接区240)是用作射极。导电结构130可电性连接至结构电压。于一实施例中，结构电压是耦接于基极电压136。
[0060]于实施例中，扩散之后的阱区112、114、116与形成的连接区132具有比扩散之前的阱区112、114、116更小的掺杂浓度，此能提高双极性结晶体管的β增益。形成的连接区132可具有微小的尺寸，此能提高基极电阻并提高β增益。因此，换句话说，实施例可通过调整第二掺杂区110的阱区112、114、116，或调整扩散阱区112、114、116 (例如退火)的工艺参数，来控制形成的连接区132，进而控制双极性结晶体管的β增益。
[0061]图6Α绘示根据一实施例的双极性结晶体管的剖面图。栅结构142配置在阱区112、114、116之间第一掺杂区102的阱区104上。栅结构142包括栅介电层与配置在栅介电层上的栅电极层。栅介电层可包括氧化物、氮化物，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅，或其他合适的材料。栅电极层可包括多晶硅、金属、金属硅化物，或其他合适的材料。多晶硅可例如以单一多晶娃(single poly)或双多晶娃(double poly)工艺形成。
[0062]图6B绘示图6A的双极性结晶体管的操作方法。提供一栅极电压至栅结构142，以在栅结构142下方的第一掺杂区102的阱区104(第一导电型例如N导电型)中形成连接区232(第二导电型例如P导电型)。连接区232邻接在阱区112、114、116之间。于一实施例中，栅极电压是耦接于基极电压136。再者，第一掺杂区102可通过接触区106电性连接至集极电压134。第二掺杂区110可通过接触区118电性连接至基极电压136。第三掺杂区220可通过接触区222A、222B电性连接至射极电压138。换句话说，第一掺杂区102 (包括第一导电型例如N导电型的阱区104与接触区106)是用作集极。第二掺杂区110(包括第二导电型例如P导电型的阱区112、114、116、连接区232与接触区118是用作基极。第三掺杂区220(包括第一导电型例如N导电型的接触区222A、222B)是用作射极。导电结构130可电性连接至结构电压。于一实施例中，结构电压是耦接于基极电压136。
[0063]于实施例中，可调变提供至栅结构142的栅极电压，来控制形成在阱区104中的连接区232的轮廓与载子浓度，以得到期望的装置特性。举例来说，连接区232可控制成具有低的载子浓度，藉此提高双极性结晶体管的β增益。再者，连接区232可轻易地控制成具有微小的尺寸，藉此提高β增益。
[0064]图7与图8显示实施例中双极性结晶体管的电性曲线。从图7发现，双极性结晶体管的电流放大可达至约3900倍。再者，从图8发现，双极性结晶体管的尔利效应并不严重。
[0065]虽然实施例中第一导电型为N导电型，且第二导电型为P导电型。然本发明并不限于此，于其他实施例中，第一导电型可为P导电型，且第二导电型可为N导电型。
[0066]综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视随附的权利要求范围所界定的为准。
【权利要求】
1.一种双极性结晶体管，包括: 一第一掺杂区，具有一第一导电型； 一第二掺杂区，包括形成于该第一掺杂区中的多个阱区，其中这些阱区具有相反于该第一导电型的一第二导电型，这些阱区通过该第一掺杂区互相分开；以及 一第三掺杂区，具有该第一导电型，其中该第三掺杂区形成在这些阱区中，或形成在这些阱区之间的该第一掺杂区中。
2.根据权利要求1所述的双极性结晶体管，其中该第二掺杂区更包括一连接区，邻接在这些阱区之间，并具有该第二导电型，这些阱区的底表面是低于该连接区的底表面。
3.根据权利要求2所述的双极性结晶体管，其中该第三掺杂区包括一接触区，具有该第一导电型，并位于这些阱区与该连接区之间，该接触区位于该连接区上。
4.根据权利要求1所述的双极性结晶体管，其中该第三掺杂区包括一接触区，具有该第一导电型，并形成在该第二掺杂区中。
5.一种双极性结晶体管的操作方法，其中该双极性结晶体管包括: 一第一掺杂区，具有一第一导电型； 一第二掺杂区，包括形成于该第一掺杂区中的多个阱区，其中这些阱区具有相反于该第一导电型的一第二导电型，这些阱区通过该第一掺杂区互相分开；以及 一第三掺杂区，具有该第一导电型，其中该第三掺杂区形成在这些阱区中，或形成在这些阱区之间的该第一掺杂区中， 该操作方法包括: 提供一集极电压至该第一掺杂区； 提供一基极电压至该第二掺杂区；以及 提供一射极电压至该第三掺杂区。
6.根据权利要求5所述的双极性结晶体管的操作方法，其中该第二掺杂区更包括一连接区，邻接在这些阱区之间，并具有该第二导电型，这些阱区的底表面是低于该连接区的底表面，该第三掺杂区包括一接触区，具有该第一导电型，并位于这些阱区与该连接区之间，该接触区位于该连接区上。
7.根据权利要求5所述的双极性结晶体管的操作方法，其中该双极性结晶体管更包括一栅结构，配置在这些阱区之间的该第一掺杂区上，该操作方法更包括提供一栅极电压至该栅结构，以在该栅结构下方的该第一掺杂区中形成一连接区，该连接区具有该第二导电型，并邻接在这些阱区之间。
8.根据权利要求5所述的双极性结晶体管的操作方法，其中该双极性结晶体管更包括: 一介电结构，位于该第一掺杂区上；以及 一导电结构，位于该介电结构上， 该方法更包括提供一结构电压至该导电结构。
9.一种双极性结晶体管的制造方法，包括: 于一第一掺杂区中形成一第二掺杂区的多个阱区，其中该第一掺杂区具有一第一导电型，这些阱区具有相反于该第一导电型的一第二导电型，这些阱区通过该第一掺杂区互相分开；以及于这些阱区中或于这些阱区之间的该第一掺杂区中形成一第三掺杂区，其中该第三掺杂区具有该第一导电型。
10.根据权利要求9所述的双极性结晶体管的制造方法，更包括进行一退火步骤以扩散这些阱区，以形成该第二掺杂区的一连接区邻接在这些阱区之间，其中该连接区具有该第二导电型，这些 阱区的底表面是低于该连接区的底表面。
【文档编号】H01L21/331GK104078495SQ201310097679
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2013年3月25日
【发明者】陈立凡, 陈永初, 龚正 申请人:旺宏电子股份有限公司