專利名稱：具有槽限制的隔離擴(kuò)散的互補(bǔ)模擬雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于結(jié)隔離的集成半導(dǎo)體器件尤其是互補(bǔ)模擬雙極型(CAB)晶體管的隔離結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路中最小特征尺寸變得更小，提高集成電路(IC)芯片上器件的封裝密度(packing density)是必然的。如果器件間的距離不能夠同樣減小，則更小器件的優(yōu)勢(shì)大部分喪失。
圖1-11示出現(xiàn)有技術(shù)的工藝和結(jié)構(gòu)以及這些工藝和結(jié)構(gòu)中所固有的一些問題。
圖1A示出了制造半導(dǎo)體器件的常用方法。經(jīng)由形成于掩模層102中的開口，摻雜劑被引入N或P襯底100，掩模層102可以是氧化物、氮化物、光致抗蝕劑或者它們的組合。摻雜劑可以通過離子注入或通過高溫預(yù)沉積引入(即淺擴(kuò)散，來自氣態(tài)或者固態(tài)源的摻雜源由此被引入半導(dǎo)體)。接著摻雜劑可以通過加熱擴(kuò)散以形成淺區(qū)域104，如圖1B所示，或者摻雜劑可以在更高的溫度下擴(kuò)散或者擴(kuò)散更長的時(shí)間以形成深得多的區(qū)域106，如圖1C所示。區(qū)域104可以深0.5至2μm，且區(qū)域106可以深2μm至10μm。圖1D是區(qū)域106的左側(cè)的視圖，詳細(xì)地示出了在熱擴(kuò)散工藝期間區(qū)域106的橫向擴(kuò)展。如所告知的，結(jié)摻雜劑在擴(kuò)散期間既橫向也垂直擴(kuò)展。通常的規(guī)則是，自掩模開口邊緣處的點(diǎn)(0，0)的橫向擴(kuò)展等于結(jié)的垂直深度(xj)的大約0.8倍。摻雜劑的這個(gè)橫向擴(kuò)展限制了使用傳統(tǒng)熱擴(kuò)散工藝形成的器件的水平間距和封裝密度。
圖2A和2B示出擴(kuò)散工藝的另一問題，即，結(jié)深可以是掩模開口寬度的函數(shù)。圖2A示出了在經(jīng)由掩模開口W1的注入之后進(jìn)行擴(kuò)散的結(jié)果，并且圖2B示出了在經(jīng)由掩模開口W2的注入之后進(jìn)行擴(kuò)散的結(jié)果，其中W1＞W(wǎng)2。圖2B中結(jié)的最終深度是圖2A中的結(jié)深的η，因子η小于1。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是掩模開口較小時(shí)摻雜劑的橫向擴(kuò)展比掩模開口大時(shí)更大地減小了表面濃度及垂直方向上的摻雜濃度梯度。于是在掩模開口小時(shí)摻雜劑更慢地向下擴(kuò)散，一種被稱為“欠缺擴(kuò)散”(“starved diffusion”)的效應(yīng)。因此掩模開口必須較大以得到深結(jié)，從而例如建立用于厚層的側(cè)壁隔離區(qū)域。大的掩模開口的必要性再一次限制了半導(dǎo)體器件的封裝密度。
圖3A和3B例證了這些問題所造成的一些影響。理想情況下，希望形成與淺擴(kuò)散110分隔YN+/P+距離的深擴(kuò)散108，如圖3A所示。實(shí)際情況是，由于摻雜劑橫向擴(kuò)展，圖3A所示形態(tài)的深擴(kuò)散108是不可能的。代替的情況是，結(jié)果為寬得多的擴(kuò)散112，如圖3B所示，其與擴(kuò)散110分隔一個(gè)小得多的距離YN+/P+，盡管N+和P+結(jié)的掩模圖形單元(mask feature)之間具有相同的間距。
在垂直隔離區(qū)域和掩埋層的形成中出現(xiàn)類似問題。圖4A示出了包括延伸穿過N外延層116到達(dá)P襯底120的垂直P隔離區(qū)域114的理想結(jié)構(gòu)。在N外延層116和P襯底120之間的界面處形成N掩埋層(NBL)118。P隔離區(qū)域114和N掩埋層118均是具有垂直邊緣的陡峭、定義良好的區(qū)域，分隔距離W3。實(shí)際上傳統(tǒng)擴(kuò)散工藝所出現(xiàn)的情況示于圖4B。N掩埋層118在N外延層116的生長和P隔離區(qū)域114的后續(xù)驅(qū)入(driving-in)期間水平地?cái)U(kuò)展，并且P隔離區(qū)域114同樣地橫向擴(kuò)展，將N掩埋層118和P隔離區(qū)域114之間的間距減小為遠(yuǎn)小于W3的距離W4。結(jié)果會(huì)降低N掩埋層118和P隔離區(qū)域之間的擊穿電壓，并且要得到圖4A所示結(jié)構(gòu)的擊穿電壓，不得不顯著加寬N掩埋層118和P隔離區(qū)域114之間的間距。
圖5A-5F示出了傳統(tǒng)工藝結(jié)隔離(junction-isolation)的步驟，即從頂表面向下延伸的隔離，(也叫做“僅向下”結(jié)隔離)。圖5A中，在P襯底124上已經(jīng)生長了厚氧化物層122(例如，1至5μm厚)。圖5B中，已經(jīng)在氧化物層122之上形成了光致抗蝕劑層126，并且已經(jīng)經(jīng)由光致抗蝕劑層126中的開口蝕刻了氧化物層122。如圖5C所示，在開口中形成薄氧化物層130，并且經(jīng)由該開口注入諸如銻或砷的慢擴(kuò)散N型摻雜劑，以形成N掩埋層128。
為了給上面疊加的外延層的后續(xù)生長作準(zhǔn)備，必須降低N掩埋層128中的表面摻雜劑的濃度。這對(duì)于減少外延層生長期間摻雜劑的脫氣(outgasing)進(jìn)入外延反應(yīng)器(reactor)中是必須的。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，N掩埋層128在高溫下被長時(shí)間驅(qū)入(drive in)，例如1100至1250℃下5至20小時(shí)。為了稍后處理的目的用于形成N掩埋層128的摻雜劑是慢擴(kuò)散的摻雜劑，因而在外延之前將它擴(kuò)散遠(yuǎn)離硅表面必須采取高溫和長時(shí)間，由于此事實(shí)，這個(gè)熱工藝的長度和溫度是必需的。
圖5D示出了在P襯底124上生長N外延層132后的結(jié)構(gòu)。如圖所示，N掩埋層128已經(jīng)向上擴(kuò)散進(jìn)入N外延層132。
如圖5E所示，在N外延層132的表面上形成氧化物層134，并且使用光致抗蝕劑掩模層136在氧化物層134中蝕刻出開口。經(jīng)由氧化物層134中的開口注入諸如硼的P型摻雜劑，以形成P隔離區(qū)域136。接著對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，這就造成了P隔離區(qū)域136向下擴(kuò)散穿過N外延層132到達(dá)P襯底124，同時(shí)形成薄氧化物層138。在這個(gè)熱處理期間N掩埋層128向上及橫向擴(kuò)散。由于N掩埋層128由慢擴(kuò)散摻雜劑形成，它比P隔離區(qū)域136中的硼更慢地?cái)U(kuò)散，并且因此N掩埋層128保持與P隔離區(qū)域136分隔。然而，為了確保這個(gè)分隔，N外延層132必須制作得比非上述情況所要求的要厚。
圖6示出了通過在P隔離區(qū)域136的緊下面形成P掩埋層140來減輕這個(gè)問題的方式。P掩埋層140在熱處理期間向上擴(kuò)散并在某一時(shí)候接近N外延層132的中部與向下擴(kuò)散的P隔離區(qū)域136相遇，從而減小所需熱處理的量和N掩埋層128的橫向擴(kuò)散。然而，這種橫向擴(kuò)散確實(shí)發(fā)生了并且晶片空間因此而仍然浪費(fèi)。
圖7A-7F示出了用于形成圖6的結(jié)構(gòu)的工藝。圖7A示出了在生長外延層之前，N掩埋層128已經(jīng)被注入并且被熱擴(kuò)散以降低表面摻雜劑濃度之后的結(jié)構(gòu)。在熱擴(kuò)散工藝期間，形成了厚氧化物層146。在使用了高濃度的砷來形成掩埋層的情況下，在NBL上面的氧化物可生長至略厚于在更輕摻雜的P型襯底上方生長的那些部分(稱為“濃度促進(jìn)氧化”的效應(yīng))。結(jié)果會(huì)是盡管具有相同的氧化時(shí)間，但氧化物層142具有比氧化物146厚度小的厚度。使用銻作為摻雜劑種類(dopant species)時(shí)同樣可以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但是效應(yīng)的程度減輕。光致抗蝕劑層144被沉積在氧化物層142和146之上并被構(gòu)圖以用于硼離子的注入以便形成P掩埋層140。光致抗蝕劑層144中開口的邊緣與N掩埋層128的邊緣間隔橫向距離W5，以確保N掩埋層128和P掩埋層140在后續(xù)熱處理期間不會(huì)匯合(merge)。
如圖7B所示，經(jīng)由光致抗蝕劑層144中的開口蝕刻氧化物層142，并且經(jīng)由該開口注入硼(或者另一P型摻雜劑)以形成P掩埋層140。該結(jié)構(gòu)再次被退火以降低P掩埋層140的表面濃度，形成薄氧化物層148，如圖7C所示。
接著利用外延沉積在P襯底124之上生長N外延層132，如圖7D所示。通常氣相外延(VPE)沉積與液相外延相比是優(yōu)選的，尤其在沉積硅時(shí)。但是，VPE要求襯底被加熱到高溫，通常1200℃以上。在生長N外延層132期間，N掩埋層128和P掩埋層140均垂直及橫向擴(kuò)展，減小了這兩個(gè)掩埋層之間的間距。
如圖7E所示，在N外延層132的表面上形成氧化物層150。利用常用光刻技術(shù)構(gòu)圖氧化物層150以形成開口，硼經(jīng)由該開口注入以形成P隔離區(qū)域136。如圖7F所示，接著該結(jié)構(gòu)再次退火，從而促使P掩埋層140向上擴(kuò)散并且P隔離區(qū)域136向下擴(kuò)散，直到這兩個(gè)擴(kuò)散在N外延層132內(nèi)的某處匯合(merge)。在此退火期間，N掩埋層128和P掩埋層140橫向擴(kuò)散，直到它們之間的間距變得非常小。缺少圖7A所示的間距W5，這兩個(gè)掩埋層事實(shí)上將匯合，因此間距W5實(shí)際上是為了確保在最終結(jié)構(gòu)中P掩埋層140與N掩埋層128充分間隔以提供所需擊穿電壓所必須付出的“代價(jià)”。
明顯地，這是一個(gè)可能導(dǎo)致晶片翹曲的復(fù)雜、耗時(shí)的工藝，尤其對(duì)于較大的晶片而言，并可能造成較低的成品率。在隔離擴(kuò)散期間NBL的向上擴(kuò)散同樣減小了N外延層132的“平”濃度(“flat”concentration)部分，因而要求比向上擴(kuò)散沒有發(fā)生的情況下所需的更厚的外延層。
圖8示出了通過一直穿過N外延層132蝕刻槽152并用電介質(zhì)154填滿槽152來避免這個(gè)問題的一種方式。例如，由于N外延層可能大約5μm至20μm厚，所以槽152可能不得不非常深以完全穿過N外延層132延伸。
圖9A-9F中示出了形成圖8的結(jié)構(gòu)的工藝。在已經(jīng)形成N外延層132之后，氧化物或其它硬掩模層156沉積在N外延層132上并利用光致抗蝕劑層158構(gòu)圖，如圖9A所示。從而在層156中形成了開口160，如圖9B所示，并且穿過N外延層132蝕刻出槽152，如圖9C所示。這通常通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)來完成。
在槽152已經(jīng)形成后，去除硬掩模層156，并且在槽152中生長犧牲氧化物層(sacrificial oxide layer)(未示出)以修復(fù)RIE工藝所造成的晶體損傷。去除犧牲氧化物層并在槽152的壁和N外延層132的頂表面上生長另一氧化物層162，如圖9D所示。用電介質(zhì)材料164填滿槽152，電介質(zhì)材料164疊蓋N外延層132的頂表面，如圖9E所示，并且如圖9F所示將電介質(zhì)材料164平坦化，使得電介質(zhì)材料164的頂表面與氧化物層162的頂表面齊平。
由于在此工藝期間槽152沒有顯著地膨脹或擴(kuò)展，并且由于它沒有形成至外延層的PN結(jié)，槽152可以比例如圖7C所示階段的P掩埋層140更加靠近N掩埋層128。然而，這個(gè)工藝具有幾個(gè)問題和風(fēng)險(xiǎn)。由于槽152可能非常深，它會(huì)難以被填滿。如圖10A所示，如果槽未填滿，會(huì)剩下窄缺口，從電介質(zhì)材料164的頂表面向下延伸，與槽自身共形，如圖10A所示，或者可在槽中留下窄空腔，如圖10B所示。如果槽具有窄的口，會(huì)在底部部分留下空腔，如圖10C所示，或者如果RIE是較少各向異性的，產(chǎn)生具有寬口的槽，在回蝕刻期間會(huì)從槽的內(nèi)部去除電介質(zhì)164，僅在槽底部內(nèi)留下小部分，如圖10D所示?？傊?，深槽隔離和再填充對(duì)于大量制造仍然是挑戰(zhàn)性的工藝。
圖11A-11E示出了使用現(xiàn)有擴(kuò)散技術(shù)形成的幾種半導(dǎo)體器件。
圖11A示出了在生長于P襯底200上的N外延層202中形成的NPN晶體管234和PNP晶體管236。NPN晶體管的發(fā)射極是N+區(qū)域208，基極包括P+區(qū)域(基極接觸，或非本征基極)210和專用P基極區(qū)域(有源晶體管或本征基極區(qū)域)206，并且集電極包括N+區(qū)域212(集電極接觸區(qū)域)、N外延層202的一部分(集電極)、和N掩埋層204A(所謂的子集電極區(qū)域)。N掩埋層204A將晶體管234與P襯底200隔離并降低集電極的電阻。
在PNP晶體管236中，發(fā)射極是P+區(qū)域226，基極包括N+非本征基極接觸區(qū)域224和專用本征基極區(qū)域222，并且集電極包括P+集電極接觸區(qū)域228、P阱220和P掩埋層子集電極218。PNP晶體管236通過N掩埋層204B與P襯底200隔離。N掩埋層(NBL)204B和P掩埋層(PBL)218形成在N外延層202和P襯底200的界面處。可以用諸如銻或砷的較慢擴(kuò)散摻雜劑形成N掩埋層204B，并且可以用諸如硼的快擴(kuò)散摻雜劑形成P掩埋層218。結(jié)果，P掩埋層218延伸到N掩埋層204B上方，在某些情況下可以同時(shí)延伸到NBL的上方和下方。
NPN晶體管234通過P隔離區(qū)域214與PNP晶體管236隔離，P隔離區(qū)域214從N外延層202的表面延伸到P襯底200中。P隔離區(qū)域214還提供了經(jīng)由P+接觸區(qū)域216設(shè)定P襯底200的電位的手段，并且常常偏置在最負(fù)的片內(nèi)電位(on-chip potential)或地電位。N外延層202在PNP晶體管236中的部分的電位可以經(jīng)由N+接觸區(qū)域230設(shè)定，在此，NBL 204B必須偏置在等于或者比P襯底200更加正的電位，并且等于或者比PBL 218更加正。習(xí)慣做法通常包括將NBL偏置在正電壓干線(supply rail)(例如，Vcc)，或者將PBL 218和NBL 204B短路為相等電位(零偏置結(jié))。
圖11B示出了橫向雙擴(kuò)散N溝道MOSFET 238(也稱為LDMOSFET)和包括PMOSFET 240和NMOSFET 242的隔離的CMOS對(duì)(isolated CMOSpair)。再一次，器件形成在N外延層202中。在N溝道LDMOSFET 238中，源是N+區(qū)域246，體(body)包括P+接觸區(qū)域244和專用P體擴(kuò)散248(或P阱265)，并且漏是N+區(qū)域249和作為輕摻雜漏極擴(kuò)展(drain extension)的N外延層202的部分。P體(或P阱)248的溝道部分在柵247的下面，設(shè)定MOSFET的閾值電壓并防止源和漏之間的穿通擊穿(通過強(qiáng)迫P體-N外延結(jié)的耗盡擴(kuò)展的多數(shù)進(jìn)入器件的外延漏側(cè))。不同于溝道長度由柵區(qū)域的長度決定的傳統(tǒng)MOSFET，在該器件中，沿著表面即橫向的源246和體248之間的結(jié)深差設(shè)定了LDMOSFET的溝道長度。在器件的自對(duì)準(zhǔn)情況下，在形成器件的柵電極之后注入P體248，在這之后，高溫下結(jié)被長時(shí)間擴(kuò)散(例如，1100℃14小時(shí))，從而得到充分的結(jié)深和溝道長度。由于源和體結(jié)均形成在柵后，器件是自對(duì)準(zhǔn)的。在LDMOSFET的較低成本的情況下，P阱擴(kuò)散265(用于CMOS)被用作器件的體。由于阱形成在柵前，它不與柵自對(duì)準(zhǔn)，使得穿通和閾值電壓取決于掩模對(duì)準(zhǔn)。將溝道與N+區(qū)域分隔的N外延層202的部分提高了器件的擊穿電位，如果它也與P體區(qū)域248和隔離擴(kuò)散250均充分地間隔的話。
在PMOSFET 240中，源是P+區(qū)域256，體包括N+接觸區(qū)域254和N外延層202的一部分，并且漏是P+區(qū)域258。N外延層202的溝道部分在柵260的下面。在NMOSFET 242中，源是N+區(qū)域264，體包P+接觸區(qū)域262和P阱265，并且漏是N+區(qū)域266。P阱265的溝道部分在柵268的下面。CMOS對(duì)和輕摻雜漏NMOSFET 238通過P隔離區(qū)域250彼此分隔。通過隔離區(qū)域250和P+接觸區(qū)域252與P襯底200接觸。NBL 204將P阱265與P襯底200隔離。
圖11C示出了N溝道準(zhǔn)垂直(quasi-vertical)DMOSFET 270、N溝道橫向DMOSFET 272的另一變體和全隔離的PMOSFET 274。準(zhǔn)垂直DMOSFET270構(gòu)建成以柵276A、276B和276C作為邊界的單元的矩陣。DMOSFET 270的每一單元包括作為源的N+區(qū)域280以及一起充當(dāng)體的P+區(qū)域282和P體278。源與體短路在一起。電流從源流出、經(jīng)由柵276A、276B、276C下面的溝道、經(jīng)由N外延層202、向下到達(dá)N掩埋層204D，然后向上經(jīng)由N下沉區(qū)(sinker)284和N+區(qū)域286到達(dá)漏端子(drain terminal)(因此是術(shù)語準(zhǔn)垂直)。DMOSFET 270通過N掩埋層204D與P襯底200隔離，其降低了器件的電阻。
N溝道橫向DMOSFET 272包括充當(dāng)源的N+區(qū)域298以及一起充當(dāng)體的P+區(qū)域294和P體292。電流從N+區(qū)域298流出、經(jīng)由柵296下面的溝道、向下至N掩埋層204E并沿著N外延層202中的表面、然后向上經(jīng)由N下沉區(qū)300和N+區(qū)域302至漏端子。N溝道LDMOSFET 272通過N掩埋層204E與P襯底200隔離并且通過P隔離區(qū)域288和P掩埋層290與DMOSFET270隔離。
被隔離的PMOSFET 274包括充當(dāng)源的P+區(qū)域310和充當(dāng)漏的P+區(qū)域312。體是N外延層202的一部分并通過N+接觸區(qū)域308被接觸。電流從P+區(qū)域310經(jīng)由柵314下面的溝道流到P+區(qū)域312。PMOSFET 274通過N掩埋層204F與P襯底200隔離并通過P隔離區(qū)域304和P掩埋層306與NMOSFET 272隔離。
圖11D示出了另一N溝道橫向DMOSFET變體308、橫向NMOSFET 310和垂直PNP雙極型晶體管312。N溝道LDMOSFET 308類似于圖11B示出的NMOSFET 238(相同的部件用同樣的標(biāo)記)，除了柵314在場(chǎng)氧化物層之上提升并且輕摻雜NMOSFET 308通過N掩埋層204G與P襯底200隔離以外。N溝道橫向DMOSFET 310類似于圖11B示出的N溝道LDMOSFET 242，除了NMOSFET 310不包括N掩埋層204以外。
在垂直PNP晶體管312中，P+區(qū)域314充當(dāng)發(fā)射極，N基316、N+區(qū)域318和N外延層202的一部分充當(dāng)基極，以及P掩埋層320和P下沉區(qū)322充當(dāng)集電極。PNP晶體管312通過N掩埋層204H與P襯底200隔離。
N溝道橫向DMOSFET 308通過P隔離擴(kuò)散324和P掩埋層326與橫向NMOSFET 310隔離，并且橫向NMOSFET 310通過P下沉區(qū)328和P掩埋層330與垂直PNP雙極型晶體管312隔離。
圖11E示出了在生長于P襯底340上的P外延層342中形成的器件。CMOS對(duì)包括PMOSFET 344和NMOSFET 346。PMOSFET 344和NMOSFET346類似于圖11B示出的PMOSFET 240和NMOSFET 242，除了PMOSFET344形成在N阱350中和NMOSFET 346形成在P外延層342中以外。PMOSFET 344和NMOSFET 346通過包括N掩埋層356及N隔離擴(kuò)散(NI)352和354的隔離結(jié)構(gòu)與P襯底340隔離。隔離結(jié)構(gòu)的偏置可經(jīng)由N+區(qū)域358設(shè)定，并且常常偏置在給CMOS器件供電的最正供應(yīng)電壓。
N溝道輕摻雜橫向DMOSFET 348包括作為源的N+區(qū)域360，作為體的P+區(qū)域364、P體362和P外延層342的一部分，以及作為漏的N輕摻雜漏區(qū)366、N阱368和N+區(qū)域370。溝道形成在柵372下面的P阱362和P外延層342中。NMOSFET 348不與P襯底340隔離。
圖11A-11E所示器件的共同特征是它們通常要求長的熱擴(kuò)散以便實(shí)現(xiàn)經(jīng)由外延層的連接?？赡苄枰@些連接來形成隔離區(qū)域或者來連接至作為器件的組成部件的掩埋層。提供高擊穿電壓通常需要更厚的外延層和更長的熱處理。所有熱處理在從上注入的隔離區(qū)域中和從下向上擴(kuò)散的掩埋層中既產(chǎn)生橫向也產(chǎn)生垂直摻雜劑擴(kuò)展。這種橫向摻雜劑擴(kuò)展限制了利用這些現(xiàn)有技術(shù)工藝能夠達(dá)到的間距和封裝密度。
因此，隨著器件自身特征尺寸的減小，相應(yīng)地需要允許器件在晶片表面上更加致密封裝的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，通過在擴(kuò)散的一側(cè)或幾側(cè)上形成槽(在擴(kuò)散之前)并用氧化物或其它電介質(zhì)材料填充槽來限制熱擴(kuò)散工藝期間摻雜劑的橫向擴(kuò)展。優(yōu)選地，通過在摻雜劑的兩側(cè)或多側(cè)上、尤其是在工藝中更深擴(kuò)散的結(jié)上形成槽，在幾個(gè)方向上限制摻雜劑的橫向擴(kuò)展。
大體上，限制擴(kuò)散的槽具有充分的深度從而擴(kuò)散的高度摻雜表面部分的大部分被槽限制，槽具有優(yōu)選為結(jié)的最后深度的至少15-20％的深度。在一些情況下，槽全面地限制擴(kuò)散，即，槽深于最后的結(jié)深。例如槽的深度范圍可以為0.5μm至5μm，但是通常槽深會(huì)在1μm至3μm的范圍。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，槽充分深以限制擴(kuò)散的更高度摻雜部分且充分淺以易于填充和平坦化。
在包括外延層的實(shí)施例中，槽延伸進(jìn)入外延層但是沒有延伸穿過外延層并進(jìn)入下面襯底。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，器件被深結(jié)隔離所隔離，這里，隔離結(jié)的主要部分被由電介質(zhì)填充的槽限制。在其它實(shí)施例中，向上擴(kuò)散的掩埋層疊蓋槽限制的向下擴(kuò)散的擴(kuò)散以完成隔離結(jié)構(gòu)。
這個(gè)工藝對(duì)于在外延層中構(gòu)造較高電壓的器件尤其有用。標(biāo)稱在例如20V工作電壓下可靠工作的雙極型晶體管器件，將通常要求60V至70V范圍內(nèi)的擊穿電壓。這需要較厚的外延層和延伸穿過外延層以將器件與襯底電隔離或者使得器件彼此隔離的深擴(kuò)散。這個(gè)隔離通過反向偏置的PN結(jié)提供。在傳統(tǒng)技術(shù)中，這些深擴(kuò)散要求大量的熱預(yù)算(thermal budget)(溫度和時(shí)間的乘積)，這也造成擴(kuò)散橫向擴(kuò)展并增加器件的尺寸，限制了可以放置在晶片給定區(qū)域中的器件數(shù)量。
使用本發(fā)明的原理，擴(kuò)散區(qū)的橫向擴(kuò)大受限，因?yàn)椴蹆?nèi)電介質(zhì)材料中摻雜劑的擴(kuò)散系數(shù)通常小于半導(dǎo)體襯底或外延層中摻雜劑的擴(kuò)散系數(shù)。而且，摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入槽的電介質(zhì)中之后不是電活性的并且不影響或改變相鄰結(jié)或器件的結(jié)擊穿。而且，即使相反導(dǎo)電性的摻雜劑在槽以下的區(qū)域中彼此接觸，通常在這個(gè)位置的擴(kuò)散的摻雜濃度足夠低使得PN結(jié)的擊穿電壓較高。因此，本發(fā)明的使用允許較高的封裝密度并提供了晶片上可用空間的極大有效利用。例如，器件可以隔開僅僅一個(gè)微米，而不是數(shù)十微米。
本發(fā)明的原理不僅適用于用于隔離目的的擴(kuò)散或區(qū)域，而且適用于用來提供至掩埋層或至襯底的電連接的“下沉區(qū)(sinker)”擴(kuò)散。這種下沉區(qū)擴(kuò)散可在其導(dǎo)電類型與擴(kuò)散區(qū)自身的導(dǎo)電類型相同或相反的材料中形成。因此不同于傳統(tǒng)的僅提供隔離(并且難以制造)的深槽氧化物隔離，槽限制擴(kuò)散能夠提供從晶片頂表面至深在硅內(nèi)部的結(jié)的低阻電接觸，該結(jié)使用易于制造的工藝(即，因?yàn)樗灰罄щy的槽填充和平坦化步驟)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電介質(zhì)填充的槽從外延層或襯底的表面延伸進(jìn)入沉沒區(qū)域(submerged region)。該沉沒區(qū)域可以是形成在外延層和襯底之間的界面處的掩埋層，或是通過以較高的能量注入摻雜劑到襯底中而形成的深區(qū)。


圖1A-1D示出了在半導(dǎo)體器件中形成被擴(kuò)散了的區(qū)域的常用工藝，尤其是在熱處理期間發(fā)生的橫向摻雜劑擴(kuò)展；圖2A和2B示出了被擴(kuò)散了的區(qū)域的深度如何隨著掩模開口寬度變化，摻雜劑經(jīng)由該掩模開口注入；
圖3A和3B總結(jié)了圖1A-1D和圖2A-2B示出的問題；圖4A和4B示出了在熱處理期間保持掩埋層和垂直隔離區(qū)域之間間距的問題；圖5A-5F示出了形成圖4B所示結(jié)構(gòu)的工藝步驟；圖6示出了使用隔離區(qū)域下面的向上擴(kuò)散的掩埋層作為降低熱預(yù)算和橫向摻雜劑擴(kuò)展量的技術(shù)；圖7A-7F示出了形成圖6所示結(jié)構(gòu)的工藝步驟；圖8示出了包括用電介質(zhì)填充的槽的隔離結(jié)構(gòu)；圖9A-9F示出了用于制造圖8所示隔離結(jié)構(gòu)的工藝；圖10A-10D示出了在填充圖8所示隔離結(jié)構(gòu)的槽時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問題；圖11A-11E示出了使用現(xiàn)有擴(kuò)散技術(shù)形成的幾種半導(dǎo)體器件；圖12示出了在與隔離擴(kuò)散相反的導(dǎo)電類型的外延層中形成的槽限制的基本隔離擴(kuò)散；圖13A-13D示出圖12所示槽限制的隔離擴(kuò)散的幾種變化；圖14示出在與下沉區(qū)擴(kuò)散相同的導(dǎo)電類型的外延層中形成的槽限制的下沉區(qū)擴(kuò)散；圖15A-15E示出圖14所示槽限制的下沉區(qū)擴(kuò)散的幾種變化；圖16A示出P型襯底中的槽限制的N型下沉區(qū)；圖16B示出P型外延層中的槽限制的N型下沉區(qū)；圖16C示出與下面的N掩埋層匯合的槽限制的N型下沉區(qū)；圖16D和16E示出形成為環(huán)繞式隔離結(jié)構(gòu)的一部分的、槽限制的N型下沉區(qū)；圖17示出包括延伸到N掩埋層中的、填充了電介質(zhì)的槽的隔離結(jié)構(gòu)；圖18示出在P型襯底中形成的、P型槽限制的下沉區(qū)；圖19示出在P型外延層中形成的、P型槽限制的下沉區(qū)；圖20示出在P襯底中形成的、槽限制的N阱；圖21示出在N外延層中形成的、槽限制的P阱；圖22A和22B示出使用填充了電介質(zhì)的槽和N掩埋層來形成P外延層的被隔離口袋區(qū)；圖23A和23B示出使用填充了電介質(zhì)的槽和注入的深N區(qū)來形成P襯底的被隔離口袋區(qū)；
圖24A和24B示出使用填充了電介質(zhì)的槽和P掩埋層來形成N外延層的被隔離口袋區(qū)；圖25A和25B示出使用填充了電介質(zhì)的槽和注入的深P區(qū)來形成N襯底的被隔離口袋區(qū)；圖26A和26B示出使用填充了電介質(zhì)的槽和P掩埋層來形成N外延層的被隔離口袋區(qū)，該P(yáng)掩埋層通過N掩埋層與P襯底隔離；圖27A-27I示出形成填充了電介質(zhì)的槽的工藝；圖28示出用于構(gòu)造互補(bǔ)模擬雙極型晶體管的工藝流程；圖29A-29M示出圖28概括的工藝的步驟；圖30比較了非限制與槽限制的擴(kuò)散，針對(duì)窄和寬特征尺寸。
具體實(shí)施例方式
圖12示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工藝的基本例。在P襯底400上已生長了N外延層402，并且P型摻雜劑例如硼已通過N外延層402的頂表面注入以形成P隔離區(qū)域404。槽408A和408B已經(jīng)形成在N外延層402中P區(qū)404的相對(duì)側(cè)。用電介質(zhì)材料406填充槽408A和408B，電介質(zhì)材料可以是氧化物、氮化物或者不同類型電介質(zhì)的多層。
在熱處理期間，由于隔離區(qū)域404中的P型摻雜劑向下擴(kuò)散，槽408A和408B充當(dāng)摻雜劑橫向擴(kuò)展的阻擋層(barrier)。摻雜劑的擴(kuò)散系數(shù)在電介質(zhì)材料406中通常低于在N外延層402中。這就限制了摻雜劑的橫向擴(kuò)展。相應(yīng)地，所造成的槽408A和408B之間P型摻雜劑濃度的提高趨于增加垂直方向上的摻雜劑濃度梯度，以及這趨于使得摻雜劑比不存在槽的情況更加迅速地向下擴(kuò)散。因此得到給定的擴(kuò)散深度需要更少的熱處理。
除了減少執(zhí)行隔離擴(kuò)散所需時(shí)間之外，該方法允許更窄的隔離特征尺寸被使用而不會(huì)受到欠缺擴(kuò)散(一種對(duì)于給定量擴(kuò)散時(shí)間與所要求的相比導(dǎo)致所不期望地更淺的結(jié)的效應(yīng))的限制。使用槽限制的擴(kuò)散時(shí)欠缺擴(kuò)散的發(fā)生出現(xiàn)得更晚，因?yàn)楦偷臋M向擴(kuò)散速度保持表面濃度和垂直梯度更高，促使垂直擴(kuò)散以更加快的速度進(jìn)行。當(dāng)然，在結(jié)的底部到達(dá)槽的底部后速度下降，但是到那時(shí)候擴(kuò)散速度無論如何已經(jīng)顯著變慢了。
在如上所述的工藝中，摻雜劑在近表面引入，使用傳統(tǒng)低能量注入，例如140keV以下，具有可以從5E12cm-2變動(dòng)至5E15cm-2的注入劑量(但是更常見地在2E13cm-2至2E14cm-2的范圍)，或者通過預(yù)沉積形成(在存在氣態(tài)或固態(tài)摻雜劑源的情況下通過高溫?cái)U(kuò)散摻入)。擴(kuò)散前的結(jié)深一般小于0.5μm。
可選擇地，在任何高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間之前，初始地可以在更深的深度形成注入，例如其峰值濃度處于硅內(nèi)0.5至2.0μm處。更深的注入達(dá)到它們的全目標(biāo)深度時(shí)需要的擴(kuò)散時(shí)間更少，但是需要使用高能(即，兆伏)離子注入。注入能量范圍從300keV到3MeV，為獲得高制造生產(chǎn)率1MeV至2MeV的注入通常是優(yōu)選的。阻擋來自其他區(qū)域的摻雜劑所需的光致抗蝕劑的厚度必須相應(yīng)地增加，通常達(dá)到2至4μm的厚度。
通常隔離擴(kuò)散需要進(jìn)行到比被隔離的外延層更深的結(jié)深，并且一般不小于外延厚度的120％，以保證外延層厚度的變化不會(huì)造成不完全隔離(意味著離子注入沒有層疊到襯底上)。對(duì)于4μm層，4.8μm至5.2μm的擴(kuò)散深度是常用的。該擴(kuò)散可以在1050℃至1200℃下進(jìn)行，但是優(yōu)選地在1100℃至1150℃從而使擴(kuò)散速度最大化而不損害擴(kuò)散爐和造成晶片翹曲。
在所示例子中，槽深度通?？晌g刻至外延厚度的大致一半，例如2μm，并通常是被隔離層的深度的30％至70％，但是可以在外延層的10％至90％之間變動(dòng)。深度深于5μm的槽逐漸變得難以填充和平坦化。
槽寬度可以在0.1μm至2μm的范圍，槽尺寸在0.5至1μm左右是優(yōu)選的。槽之間的臺(tái)地(mesa)的寬度可以在0.5μm至10μm的范圍，1.5至5μm的寬度是優(yōu)選的。槽可僅在一側(cè)限制擴(kuò)散，在兩側(cè)是優(yōu)選的(作為條帶(stripe)或拱(ring))，但是也可在三側(cè)或四側(cè)限制擴(kuò)散，或者在所有側(cè)(同心的)完全包圍擴(kuò)散。
在替代發(fā)明中，也可在擴(kuò)散后或者部分?jǐn)U散后蝕刻和填充槽，但是這樣做時(shí)，工藝喪失了控制摻雜劑橫向擴(kuò)展的一些優(yōu)勢(shì)。通過在槽蝕刻前擴(kuò)散，槽位置必須間隔更寬，以與區(qū)404的更寬擴(kuò)展的橫向擴(kuò)散相交(intersect)。這種方法消除了形成窄卻深的結(jié)的益處。
一種替代方法是在注入?yún)^(qū)下面形成掩埋層。圖13A中，例如，P掩埋層410已經(jīng)形成在P隔離區(qū)域404下面。對(duì)于P型隔離柱(isolation column)，P型掩埋層可包括硼(或注入的鋁)，其在外延生長前以1E12-2至4E14cm-2的劑量(但是2E13-2至2E14-2的劑量是優(yōu)選的)以及通常在120keV以下的能量例如80keV(但是可能高達(dá)300keV)引入。在熱處理期間，P掩埋層410向上擴(kuò)散直到它與向下擴(kuò)散的P隔離區(qū)域404匯合在位于槽408A和408B底部以下的位置處(用虛線表示)。圖13B示出P隔離區(qū)域404和P掩埋層410的匯合發(fā)生在槽408A和408B間的臺(tái)地中的實(shí)施例。圖13C示出其中P區(qū)是P阱412而不是隔離區(qū)域的實(shí)施例，用于形成N外延層402的表面與P襯底400之間的連接。相比于隔離擴(kuò)散，P阱412一般具有更低的濃度和更小的注入劑量，并且通常具有充分低的表面濃度以在阱內(nèi)集成諸如NPN雙極型晶體管或PMOS的器件。阱的形成通常使用從1E12cm-2至5E13cm-2范圍的注入劑量，但是使用所報(bào)道的相同可能范圍的用于隔離注入的注入能量。由于阱中的摻雜濃度一般小于隔離區(qū)域中的摻雜濃度，到達(dá)目標(biāo)深度所需的阱擴(kuò)散的擴(kuò)散時(shí)間(或者等效的溫度-時(shí)間)可能長20％至60％。
圖13D示出其中使用單個(gè)槽414的變體，并且P掩埋層416向上擴(kuò)散直到P掩埋層416與槽414交迭。如果選擇這個(gè)變體，必須小心以確保槽414足夠深并且P掩埋層416向上擴(kuò)散足夠使得P掩埋層416實(shí)際上與槽414交迭。而且這個(gè)變體自身沒有象槽限制的結(jié)隔離形式那樣提供襯底和晶片頂面(topside)之間的電連接。
如圖14所示，本發(fā)明的技術(shù)也可用于在具有與下沉區(qū)區(qū)相同的導(dǎo)電類型的外延層中形成下沉區(qū)區(qū)。N下沉區(qū)區(qū)(sinker)418已經(jīng)被注入并且在槽420A和420B之間向下擴(kuò)散，這限制了N下沉區(qū)418的橫向擴(kuò)展。摻雜劑可以是磷。注入特性和注入劑量范圍類似于P型(硼)注入的情形，除了磷注入要求2.5至3倍的能量來達(dá)到與硼注入相同的深度。擴(kuò)散系數(shù)同樣可比于硼，但是必須考慮實(shí)際條件來計(jì)算具體實(shí)例。如果磷注入僅用于引入摻雜劑作為淺結(jié)(但是不用于決定結(jié)深)，60keV至120keV的注入能量是常用的，90keV是典型值。
從完備的觀點(diǎn)出發(fā)，圖14中N下沉區(qū)418的深度不是PN結(jié)的深度(如圖12中P隔離擴(kuò)散404的情形)。由于被擴(kuò)散了的N型區(qū)域沒有在N型外延層中形成PN結(jié)，所以“結(jié)”是虛結(jié)，是在濃度不同的兩個(gè)接觸或交迭的N型區(qū)域之間的結(jié)。通常濃度上10至15％的變化可認(rèn)為是虛結(jié)(virtualjunction)。
圖15A和15B分別可比于圖13A和13B，并且示出N掩埋層422可向上擴(kuò)散并且在槽420A和420B(圖13A)的底部之下面與N下沉區(qū)418匯合，或在槽420A和420B之間的臺(tái)地內(nèi)匯合(圖13B)。圖15C和15D示出N掩埋層不必限制于正好在N下沉區(qū)下面的區(qū)域，而是可沿著一個(gè)或幾個(gè)方向橫向延伸。圖15C中的N掩埋層424在槽420A和420B的底部之下與N下沉區(qū)418匯合；圖15D中的N掩埋層426在槽420A和420B之間的臺(tái)地內(nèi)與N下沉區(qū)418匯合。圖15E示出N掩埋層428在兩個(gè)(或多個(gè))方向上橫向延伸并與N下沉區(qū)418匯合。N掩埋層422、424、426和428b可以是以60keV至180keV并且以范圍在1E12cm-2至5E15cm-2(通常從5E14cm-2至3E15cm-2)的劑量注入的砷、銻或磷。應(yīng)當(dāng)在外延生長前擴(kuò)散N掩埋層，以防止外延期間的脫氣和橫向自動(dòng)摻雜。前述現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)散周期(diffusioncycles)對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的形成掩埋層是常見的，其是適用的并且對(duì)于準(zhǔn)備外延生長是足夠的。N掩埋層424、426和428更常見地包括諸如砷或銻的慢擴(kuò)散摻雜劑，以防止向上擴(kuò)散以及外延厚度402的“平區(qū)域”(flat zone)的喪失。
N掩埋層422、424、426和428也可以以高得多的劑量(例如，超過5E15cm-2)注入，但是必須在高溫下退火以消除在外延生長期間晶體缺陷和堆垛層錯(cuò)的形成。
圖16A示出P襯底430中槽432A和432B之間包括N下沉區(qū)434的實(shí)施例。它的形成類似于圖14的N下沉區(qū)418，除了它形成在P型材料中而不是在N型外延層中。圖16B類似于圖16A，除了槽432A和432B以及N下沉區(qū)434形成在P外延層436中而不是P襯底430中。圖16C類似于圖16B，但是示出N下沉區(qū)434與P掩埋層438匯合，P掩埋層438形成在P襯底430和P外延層436之間界面處并向上擴(kuò)散從而與N下沉區(qū)434匯合。圖16D示出N下沉區(qū)434與沿著一個(gè)方向橫向延伸的N掩埋層440匯合，形成圍繞P外延層436的在槽432B右側(cè)的部分的抱合(wraparound)隔離結(jié)構(gòu)。圖16E示出類似于圖16D所示的結(jié)構(gòu)，但是N掩埋層442沿著兩個(gè)(或多個(gè))方向延伸從而在P外延層436內(nèi)產(chǎn)生許多被隔離的口袋區(qū)。
圖17中，通過促使N掩埋層向上擴(kuò)散直到N掩埋層442與被電介質(zhì)填充的槽444交迭來形成P外延層436的被隔離的口袋區(qū)(pocket)。
圖18示出在P襯底450中槽452A和452B之間包括P下沉區(qū)454的實(shí)施例。這個(gè)實(shí)施例，具有形成在P型材料或外延中的P下沉區(qū)，類似于圖14所示N外延層中N下沉區(qū)的布置，除了所有P型和N型區(qū)域交換了。圖19類似于圖18，除了槽452A和452B以及P下沉區(qū)454形成于P外延層456中而不是P襯底450中。
圖20示出形成在P襯底460中的被電介質(zhì)填充的單個(gè)槽462，及擴(kuò)散到P襯底460中的N阱464，槽462防止N阱464擴(kuò)散進(jìn)入P襯底460的位于槽462左側(cè)的部分。圖21示出形成在生長于P襯底460之上的N外延層466中的槽462，槽462防止P阱468擴(kuò)散進(jìn)入N外延層466的位于槽462右側(cè)的部分。在任何一種情況下，這個(gè)結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)它防止在摻雜濃度高的表面處形成任何PN結(jié)；并且它使阱邊緣處的橫向擴(kuò)散最小。注意，一些增強(qiáng)擴(kuò)散和增加的結(jié)深可以出現(xiàn)在阱邊緣處。
圖22A和22B示出形成于P外延層472中的槽如何能與N掩埋層474一起用來形成P外延層472的被隔離的口袋區(qū)。圖22A中，僅槽476B延伸進(jìn)入N掩埋層474；槽476A沒有。圖22B中，槽478A和478B均延伸進(jìn)入N掩埋層474。兩種情況下可以使用相同的槽來形成槽限制的擴(kuò)散，作為隔離、阱或者下沉區(qū)區(qū)。
圖23A和23B類似于圖22A和22B，除了取代通過擴(kuò)散在P襯底470和P外延層472的界面處形成N掩埋層，這里通過注入N摻雜劑到P襯底470中形成深N區(qū)480，這在申請(qǐng)[Attorney Docket No.AAT011 US]中更詳細(xì)地作了介紹，同此共同提交，其全文引入作為參考。圖23A中，僅槽476B延伸進(jìn)入深N區(qū)480；槽476A沒有。圖22B中，槽478A、478B和478C全部延伸進(jìn)入深N區(qū)480。這些槽也可用于形成槽限制的擴(kuò)散，作為下沉區(qū)、隔離或者阱。
圖24A和24B示出在N外延層492中形成的槽如何可與P掩埋層494一起用來形成N外延層492的被隔離的口袋區(qū)。圖24A中，僅槽496B延伸進(jìn)入P掩埋層494；槽496A沒有。圖24B中，槽498A、498B和498C全部延伸進(jìn)入P掩埋層494。所述槽也可用于形成槽限制的擴(kuò)散，作為下沉區(qū)、隔離或阱。
圖25A和25B類似于圖24A和24B，除了取代通過擴(kuò)散在N襯底490和N外延層492的界面處形成P掩埋層，這里通過注入P摻雜劑到N襯底490中形成深P區(qū)500，這在上面參考的申請(qǐng)[Attorney Docket No.AAT011 US]中作了介紹。圖25A中，僅槽496B延伸進(jìn)入深P區(qū)500；槽496A沒有。圖25B中，槽498A、498B和498C全部延伸進(jìn)入深P區(qū)500。這些槽也可用于形成槽限制的擴(kuò)散，作為下沉區(qū)、隔離或者阱。
圖26A和26B示出了包括形成在P襯底510和N外延層512間的界面處的N掩埋層514和P掩埋層516的結(jié)構(gòu)。P掩埋層516向上擴(kuò)散超過N掩埋層514的上邊緣。這與N掩埋層514橫向延伸超過P掩埋層516的事實(shí)相結(jié)合，產(chǎn)生了P掩埋層516的位于N掩埋層514之上并與P襯底510隔離的部分。這些槽也可用于形成槽限制的擴(kuò)散，其作為下沉區(qū)、隔離或者阱。
通過從N外延層512的表面向下延伸的電介質(zhì)填充的槽，N外延層512可以分成被隔離的口袋區(qū)。圖26A中，電介質(zhì)填充的槽518C將N外延層512分成被隔離的口袋區(qū)。圖26B中，電介質(zhì)填充的槽520A和520B的每一個(gè)將N外延層512分成被隔離的口袋區(qū)。通常，電介質(zhì)填充的槽應(yīng)當(dāng)延伸進(jìn)入P掩埋層516，但是為了允許電流橫向流過P掩埋層516，槽不應(yīng)當(dāng)延伸穿過P掩埋層516并進(jìn)入N掩埋層514。這些槽也可用于形成槽限制的擴(kuò)散，其作為下沉區(qū)、隔離或者阱。
這里重述槽限制的擴(kuò)散(并且更一般地稱為槽限制的結(jié))與深槽氧化物隔離之間的差異是重要的。深槽隔離(DTI)使用完全切穿外延層并進(jìn)入下面的襯底的槽。因此在DTI工藝中，在槽出現(xiàn)的任何橫斷面中，橫向電流流動(dòng)(在阱、擴(kuò)散結(jié)和甚至掩埋層中)被切斷，即由于槽的存在而中斷。例如當(dāng)期望不相關(guān)的器件-例如兩個(gè)相鄰雙極型器件的集電極-完全彼此隔離時(shí)，DTI型槽的深度是有益的。但是在雙極型的橫斷面中，基極和集電極之間的橫向電流流動(dòng)不能被深槽切斷，意味著DTI型槽不能夠用于雙極型的“內(nèi)部”，而僅僅用于雙極型之間。例如考慮圖26B的結(jié)構(gòu)，其中槽520S和520B延伸進(jìn)入(但是沒有完全穿過)P掩埋層516。由于PBL層516沒有被“切斷”，電流能夠在所述層中橫向流動(dòng)，方便與該區(qū)域以外的區(qū)域中的層接觸，這些有源器件可以構(gòu)造于該區(qū)域。而且，與N掩埋層514的電接觸也可以在沿著器件橫向范圍包括邊緣的任何地方進(jìn)行，并且N掩埋層514將仍然偏置在公共電位(common potential)，允許NBL514中的橫向電流流動(dòng)(平行于晶片表面)。如果使用DTI槽，N掩埋層會(huì)被切割成分隔的島，每一個(gè)島需要它自己的電接觸。類似的理由適用于圖22B中交迭N掩埋層479的槽。
圖27A-27I示出用于形成電介質(zhì)填充的槽的可能工藝。示出了槽形成在生長于襯底上的外延層中。如上所述，外延層和襯底可以是同一導(dǎo)電類型(N或P)或者不同導(dǎo)電類型。而且，如圖23A和23B所示，例如，在某些實(shí)施例中，槽可以形成在不具有外延層的襯底中。在這些條件中工藝將保持基本上相同，除了用于槽深度的標(biāo)準(zhǔn)可能不同。
如圖27A所示，在外延層532的表面上形成諸如氧化物或氮化物(或其疊層)的材料的硬掩模層534。硬掩模層534用光致抗蝕劑層536掩蔽，并蝕刻以形成開口538。如圖27B所示，通常使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)蝕刻槽出540。盡管在制造槽柵(trench-gated)MOSFET的工藝中經(jīng)常在RIE之前去除光致抗蝕劑層536，此處在RIE期間將光致抗蝕劑層536留在原位是可取的，因?yàn)樵摬劭梢员韧ǔＳ糜诓蹡糯怪惫β蔒OSFET的槽深(例如，2-4μm深)?；蛘撸梢栽黾佑惭谀?34的厚度以經(jīng)受住硅槽蝕刻工藝。
硬掩模層534和光致抗蝕劑層536被去除(或者利用掩模選擇性地去除)，并且可選地，犧牲氧化物層542形成在槽540的壁上，如圖27C所示，并且被去除，如圖27D所示。這用于修復(fù)在RIE工藝期間通常出現(xiàn)的晶體損傷。在槽540的壁上生長氧化物襯(liner)544，如圖27E所示，并且在槽540中和外延層532的表面之上沉積諸如TEOS氧化物的電介質(zhì)546，如圖27F所示。氧化物襯544充當(dāng)對(duì)諸如硼和/或磷的摻雜劑的屏蔽，這些摻雜劑可以包含在電介質(zhì)546中從而使電介質(zhì)546更容易流動(dòng)并填充到槽540中。如果這些摻雜劑被允許進(jìn)入外延層532，器件的電特性可能改變。在某些情況下可能通過首先沉積未摻雜氧化物到槽中而可以省略氧化物襯。
接下來，可通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平坦化該結(jié)構(gòu)的頂表面，從而形成圖27G所示的半平坦表面。外延層532的表面被再氧化以形成氧化物層548，如圖27H所示。由于氧化工藝消耗部分外延層532而未消耗氧化物546(其已經(jīng)氧化)，在槽540上方產(chǎn)生凹部。或者，在平坦化工藝中氧化物襯544的一部分可以留在外延層532的頂表面上，在這種情況下圖27H所示的再氧化步驟可以是不必要的。
替代的方案是對(duì)圖27F中的玻璃546進(jìn)行回蝕刻，這將不會(huì)產(chǎn)生與圖27G所示一樣平的表面。由于被沉積的氧化物趨于較快地蝕刻，因此槽上方的一些凹部是可能的。接著氮化硅可被沉積并使用CMP方法平坦化，從而用氮化物蓋住或密封槽的頂部。
如圖27I所示，多晶硅層550可以沉積在氧化物層548上并構(gòu)圖，用于形成電阻或電容。如果電容要被形成在多晶硅層550和外延層532之間，氧化物層548的厚度是關(guān)鍵的，并且通過熱方式生長氧化物層548而不是沉積氧化物層548是可取的，因?yàn)闊峁に囃ǔ１瘸练e工藝提供對(duì)氧化物層厚度更強(qiáng)的控制。如果多晶硅層550被用作電阻或者與另一上面疊加的多晶硅層用作電容，則這個(gè)因素不重要。
圖12至27所示的工藝步驟是能夠用于制造廣泛種類的半導(dǎo)體器件的構(gòu)造單元，包括但不限于雙極型晶體管、MOSFET、二極管等等。這些工藝步驟包括使用槽限制的擴(kuò)散和結(jié)的結(jié)構(gòu)的集成。圖28和29示出將本發(fā)明用于互補(bǔ)(即，NPN和PNP兩者的集成)模擬雙極型晶體管的構(gòu)造，但是這個(gè)具體實(shí)施例的描述不應(yīng)當(dāng)解釋為說明本發(fā)明局限于此。術(shù)語“模擬”被包括進(jìn)來僅用于標(biāo)識(shí)本技術(shù)的目的是制造能夠構(gòu)造高質(zhì)量電流源(高厄利電壓器件)和高擊穿電壓(例如，大于3或5V而不會(huì)遭受BVceo急速返回到比供電電壓低的維持電壓的問題)的雙極型器件。當(dāng)然，槽限制的擴(kuò)散技術(shù)不限于制造模擬雙極型，也可用于數(shù)字優(yōu)化的雙極型。
圖28提供了該工藝的總覽。每個(gè)“卡片”代表一工藝步驟?？傮w上講，剪掉角的卡片表示可選步驟，盡管其它步驟在特定情形下也可以省略。
工藝開始于一系列的注入和擴(kuò)散到襯底中以及在襯底上生長外延層。接下來執(zhí)行有關(guān)構(gòu)造中間深度的局部槽隔離(PTI)區(qū)域的步驟。使用得益于槽限制的擴(kuò)散的布局，深結(jié)被理想地注入和擴(kuò)散，并且形成雙極型晶體管的基極區(qū)域。可選地，可以構(gòu)造多晶硅電容。接著是“后期”注入，其形成晶體管的發(fā)射極和集電極區(qū)域。最后，在硅之上構(gòu)建用于提供與硅中的區(qū)域相連接的雙層金屬(DLM)互連結(jié)構(gòu)。所謂“+5工藝”指整個(gè)DLM互連序列使用了5道掩模，一道定義和蝕刻至硅的接觸，另一道用于金屬1，第三道用于金屬1和金屬2之間的層間電介質(zhì)的通孔蝕刻，第四道掩模用于金屬2，最后一道掩模蝕刻用于焊盤(bonding pad)的鈍化層。因此在完成硅處理之后，“+3工藝”生產(chǎn)出單層金屬(SLM)，所謂“+5工藝”得到雙層金屬(DLM)，“+7工藝”得到三層金屬互連。所有這些互連選項(xiàng)與所示的工藝流程相容，并且與槽限制的結(jié)和擴(kuò)散的使用是相互兼容的。
參考圖29A，在P襯底600上依次沉積氧化物層602和光致抗蝕劑層604，構(gòu)圖光致抗蝕劑層604并經(jīng)由光致抗蝕劑層604中的開口蝕刻氧化物層602。去除光致抗蝕劑層604，并經(jīng)由氧化物層602中的開口注入(使用與上文描述的具有可比性的條件)銻和單離子化(single-ionized)或雙離子化(double-ionized)的磷(或者兩者的組合)，如圖29B所示。
去除氧化物層602，并且將銻和磷長時(shí)間驅(qū)入。這引起在P襯底600的表面上形成新的氧化物層606，并且N掩埋層608形成在P襯底600的表面之下，分成區(qū)段(section)608A、608B和608C。區(qū)段608A、608B和608C于在氧化物層602經(jīng)由光致抗蝕劑層604中的開口蝕刻之后氧化物層602留下的位置處分隔。
如圖29D所示，去除氧化物層606，沉積并構(gòu)圖光致抗蝕劑層610。在分隔N掩埋層608的區(qū)段608A、608B和608C的間隙的上方的光致抗蝕劑層610中形成開口612A和612B，并在N掩埋層608的區(qū)段608A上方的光致抗蝕劑層610中形成開口612C。硼經(jīng)由開口612A、612B和612C注入以在P襯底600中形成P掩埋層614的區(qū)段614A和614B(見圖29E)。由于使用磷來形成N掩埋層608，硼注入的劑量應(yīng)當(dāng)相當(dāng)高(例如3E14至7E15cm-2)，以確保在交迭區(qū)中硼克服磷摻雜。如果僅僅慢擴(kuò)散摻雜劑例如銻或砷被用來形成N掩埋層608，硼注入的劑量可以減小到8E13cm-2。通過開口612C的硼摻雜劑不會(huì)反摻雜(counterdope)N掩埋層區(qū)段608A中的磷和銻，因此未在圖29E中示出。
如圖29E所示，在P襯底600之上生長N外延層616。在此工藝期間，N掩埋層608和P掩埋層614向上擴(kuò)散進(jìn)入N外延層616。不需要附加擴(kuò)散來形成這個(gè)結(jié)，因?yàn)橥庋映练e工藝本身發(fā)生在高溫下。由于N掩埋層608包括快擴(kuò)散摻雜劑磷，在外延生長之前進(jìn)行的磷和銻注入在擴(kuò)散中的驅(qū)入期間，N掩埋層608中的峰值摻雜劑濃度顯著地向下移動(dòng)。因此，在向上擴(kuò)散進(jìn)入N外延層616期間，硼通常移動(dòng)在磷前面(硼具有更高的濃度和更高的擴(kuò)散系數(shù))，并且P掩埋層614比N掩埋層614的磷和銻摻雜劑更高地進(jìn)入到N外延層616中。相反地，如圖29E所示，P掩埋層614沒有延伸到P襯底600中的磷/銻擴(kuò)散之下。這在P掩埋層614的區(qū)段614C的情況下是重要的，因?yàn)槿绻鸓掩埋層部分614C延伸到N掩埋層區(qū)段608A之下，阱(由N掩埋層部分608A圍起)到下面襯底的擊穿電壓會(huì)降低(見圖29M)。
P掩埋層614的區(qū)段614A和614B可以接觸N掩埋層608的區(qū)段608A、608B和608C，如圖29E所示，或者P掩埋層614的區(qū)段614A和614B可以與N掩埋層608的區(qū)段608A、608B和608C分隔，如圖29F所示。P掩埋層614的區(qū)段614A和614B與N掩埋層608的區(qū)段608A、608B和608C之間的間距(或沒有)通過改變光致抗蝕劑層610中開口612A和612B的寬度加以控制(見圖29D)。在此次討論的剩余部分，假定開口612A和612B的寬度被設(shè)定為產(chǎn)生圖29F所示的實(shí)施例。
如圖29G所示，槽618形成在N外延層616中并用氧化物層622填充，優(yōu)選地使用圖27A-27I中示出的工藝。槽618形成N外延層616中的居間臺(tái)地620A-620I。在本實(shí)施例中，槽618沒有延伸至深達(dá)P掩埋層614的上邊界。在其它實(shí)施例中，該些槽可以延伸進(jìn)入P掩埋層614，但是它們不應(yīng)該延伸至完全穿過P掩埋層614或完全穿過N外延層616進(jìn)入P襯底600。槽618的寬度優(yōu)選在0.8至1.2μm范圍內(nèi)，盡管可以使用更窄的槽。
從圖29G明顯看出，一些槽618與P掩埋層614的區(qū)段614A、614B和614C的垂直邊緣對(duì)齊。具體地，槽618B與區(qū)段614C的邊緣對(duì)齊，槽618C和618D與區(qū)段614A的相對(duì)邊緣對(duì)齊，以及槽618F和618G與區(qū)段614C的相對(duì)邊緣對(duì)齊。結(jié)果，臺(tái)地620B位于區(qū)段614C上方，臺(tái)地620D位于區(qū)段614A上方，臺(tái)地620G位于區(qū)段614B上方。使用由掩埋層注入期間生長的氧化物層在P襯底600的頂表面中形成的凹痕(indentation)，實(shí)現(xiàn)這些對(duì)齊。使用具有一頻率的紅外線，在該頻率下硅有些透明，這些凹痕的“圖像”可通過掩模對(duì)準(zhǔn)機(jī)器透過薄外延層觀看到。盡管由于外延層的彌散(dispersal)“圖像”稍微模糊，但是實(shí)現(xiàn)掩模與掩埋層的良好對(duì)準(zhǔn)是足夠清晰的。圖29C，例如，示出了在外延生長前形成N掩埋層608期間形成在P襯底600中的邊緣。這些邊緣，盡管在N外延層616的生長期間被硅覆蓋，通過紅外線，仍然可以在外延的底邊緣、在襯底與外延的界面處觀看到。用于將外延層表面上的部件與掩埋層對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，因此這里不再詳細(xì)闡述。
圖29G所示的槽618的深度在圖中示出為大約是外延層616厚度的一半，但根據(jù)工藝需要它可以延伸得更深或做得更淺。最重要的是，它沒有延伸到完全穿過外延層，即，槽不是與外延層的厚度一樣深，因此它不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是深槽隔離或其等效情況。如圖29G所示，槽在它被蝕刻和填充時(shí)具有接近交迭在P掩埋層614C上但是實(shí)際上與P掩埋層614C隔開的深度。然后在后續(xù)熱處理中，PBL 614C層將向上擴(kuò)散并可能與槽618交迭，盡管這個(gè)結(jié)果不被工藝流程所要求。
如圖29H所示，光致抗蝕劑層624形成在氧化物層622的表面上并被構(gòu)圖，從而具有位于臺(tái)地620C、620F和620H上方的開口。砷和磷經(jīng)由光致抗蝕劑層624中的該開口注入從而在臺(tái)地620C、620F和620H中分別形成N+下沉區(qū)626C、626F和626H，如圖29I所示。磷迅速地?cái)U(kuò)散而砷更慢地?cái)U(kuò)散，因此這兩種摻雜劑的組合拉平(level out)了N+下沉區(qū)626C、626F和626H的摻雜劑分布(dopant profile)。包括砷和磷的混合注入涉及具有基本上不同擴(kuò)散系數(shù)的兩種摻雜劑。更快的磷可以比砷更輕地?fù)诫s(例如，7E13cm-2，而不是2E15cm-2)，使得在后續(xù)熱處理期間磷不會(huì)過深地延伸到硅中。
接著剝離光致抗蝕劑層624，可以使用1000℃至1200℃的高溫?cái)U(kuò)散工藝局部地?cái)U(kuò)散N型下沉區(qū)擴(kuò)散劑1至7小時(shí)，但是優(yōu)選在1100℃至1150℃之間?；蛘?，擴(kuò)散完全可以省略，或者注入和退火被磷的預(yù)沉積所取代(使用諸如POCL3的氣態(tài)源)。預(yù)沉積是本領(lǐng)域所公知的，這里將不再詳細(xì)闡述。
然后，光致抗蝕劑層628形成在氧化物層622的表面上并被構(gòu)圖，從而具有位于臺(tái)地620B、620D、620G和620I上方的開口。硼經(jīng)由光致抗蝕劑層628中的該開口注入以在臺(tái)地620B、620D、620G和620I中分別形成P+隔離區(qū)域630B、630D、630G和630I/630I′。去除光致抗蝕劑層628。
現(xiàn)在退火該結(jié)構(gòu)以驅(qū)入(drive in)N+和P+摻雜劑(這里稱為隔離擴(kuò)散)。退火的結(jié)果是，P+隔離區(qū)域630B與P掩埋層614C匯合，N+下沉區(qū)626C與N掩埋層608A匯合，P+隔離區(qū)域與P掩埋層614A匯合；N+下沉區(qū)626F與N掩埋層608B匯合，P+隔離區(qū)域630G與P掩埋層614B匯合，以及N+下沉區(qū)626H與N掩埋層608C匯合。P+隔離區(qū)域630I和630I′向下擴(kuò)散但是沒有與任何其它區(qū)域匯合。P+隔離區(qū)域630D與P掩埋層614A的結(jié)合以及P+隔離區(qū)域630G與P掩埋層614B的結(jié)合形成在頂部被槽618橫向限制的P型摻雜劑列，其延伸進(jìn)入P襯底600并且使形成在N外延層616中的器件相互隔離。所得結(jié)構(gòu)顯示在圖29J中(只是PB區(qū)域638和NB區(qū)域632還沒有形成)。
在這個(gè)工藝流程中，硼隔離、磷下沉區(qū)和各種驅(qū)入擴(kuò)散的順序可以改變而不會(huì)實(shí)質(zhì)上改變所得器件(只要總的熱預(yù)算、溫度-時(shí)間周期(temperature-time cycle)到這時(shí)保持固定)。例如，硼隔離可以在N下沉區(qū)注入之前，N下沉區(qū)注入可以(或者可以不)采用注入后局部驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散(postimplant partial drive diffusion)。
另一種替代方案是使用具有高達(dá)3MeV的注入(但是優(yōu)選具有從0.5MeV上至2MeV的不同能量的幾次注入)的高能離子注入來注入隔離或下沉區(qū)或兩者，從而注入之后的更深的結(jié)(已經(jīng)超過2.5μm)比低注入能量深擴(kuò)散型需要更少的擴(kuò)散時(shí)間和更低的溫度。
圖29J中，N型擴(kuò)散(N下沉區(qū)和N掩埋層)示出為與P型擴(kuò)散(P隔離區(qū)域和P掩埋層)隔開。即使N型擴(kuò)散和P型擴(kuò)散之間存在接觸(如圖29E所示的實(shí)施例)，這個(gè)接觸只能發(fā)生在槽618的下面，在該處摻雜濃度較低。按照這種方式形成的任何PN結(jié)的擊穿電壓會(huì)較高，尤其是與如果槽不在那兒時(shí)形成的表面結(jié)相比較。換句話說，N下沉區(qū)和P隔離區(qū)域通過N外延層616表面附近的槽618分隔，在N外延層616的表面附近這些擴(kuò)散的摻雜濃度高而足以導(dǎo)致低的擊穿電壓。在N外延層616的下部，該處在N下沉區(qū)和P隔離區(qū)域(或相應(yīng)的N和P掩埋層)之間可能存在接觸，這些擴(kuò)散的摻雜濃度較低(并且更多分級(jí)或散開)，因此可形成的任何PN結(jié)的擊穿電壓會(huì)比較高。
N外延層616的表面被掩蔽(未示出)并且N型摻雜劑例如磷經(jīng)由掩模中的開口注入以形成N基極區(qū)域632，如圖29J所示。磷注入可以從60keV至高達(dá)2MeV。較低的注入能范圍通常需要工藝中稍后的驅(qū)入擴(kuò)散(對(duì)于0.5μm至2.5μm的最后結(jié)深)、或需要使用多晶硅發(fā)射極(對(duì)于0.5μm以下的結(jié)深)。較高的能量注入需要更少的擴(kuò)散或不需要擴(kuò)散。注入劑量范圍從3E13cm-2至2E14cm-2。剝離光致抗蝕劑掩模，以及沉積和構(gòu)圖光致抗蝕劑層634以形成開口636。硼(B+和/或B++)經(jīng)由開口636注入以在臺(tái)地620E中形成P基極區(qū)域638。硼的更深注入，稱為本征基極，劑量可以在3E13cm-2至2E14cm-2的范圍，注入能量在90keV至2MeV的范圍。較低的注入能量范圍通常需要工藝中稍后的驅(qū)入擴(kuò)散(對(duì)于0.5μm至2.5μm的最后結(jié)深)、或需要使用多晶硅發(fā)射極(對(duì)于0.5μm以下的結(jié)深)。較高的能量注入需要更少的擴(kuò)散或不需要擴(kuò)散。本征注入劑量在3E13cm-2至2E14cm-2的范圍。
如虛線所示，優(yōu)選通過兩次注入的疊加形成P基極區(qū)域638，即，在N外延層616的表面附近創(chuàng)建低電阻區(qū)的低能注入(稱作非本征基極注入)和更深地滲透到N外延層616中的較高能量注入(前述本征基極注入)。非本征基極注入典型的是在劑量大于5E14cm-2、能量為30至60keV下進(jìn)行的B+或BF2+種類(species)。如果進(jìn)行顯著基極擴(kuò)散，非本征注入的使用具有有限的用途。對(duì)于淺結(jié)器件，它極大地提高性能。
在高溫下使用相當(dāng)長的擴(kuò)散時(shí)間形成N基極區(qū)域632或P基極區(qū)域638而不是使用更高注入能量的情形下，則必須從下沉區(qū)和隔離擴(kuò)散消去熱時(shí)間(hot time)。
在注入兩個(gè)基極區(qū)域后，去除光致抗蝕劑層634，并且沉積和構(gòu)圖光致抗蝕劑層640以形成一系列開口，如圖29K所示。砷經(jīng)由光致抗蝕劑層640中的開口注入從而在N基極632和N下沉區(qū)626C、626F和626H中形成接觸區(qū)域，并且在P基極區(qū)域638中形成N發(fā)射極區(qū)域642。N發(fā)射極區(qū)域642延伸到P基極區(qū)域638的重?fù)诫s表面區(qū)之下，使得基極的電特性由N發(fā)射極區(qū)域642下面的更輕摻雜部分決定，通過本征基極垂直導(dǎo)電。N+注入可以是30keV至50keV的磷，或優(yōu)選是60keV至120keV的砷，劑量是2E15cm-2至7E15cm-2。
去除光致抗蝕劑層640，并且沉積和構(gòu)圖光致抗蝕劑層644以形成一系列開口，如圖29L所示。硼經(jīng)由光致抗蝕劑層644中的開口注入從而在P隔離區(qū)域630B、630D、630G、630I和630I′中形成接觸區(qū)域，在N基極區(qū)域632中形成P發(fā)射極區(qū)域646，并且在P基極區(qū)域638中形成接觸區(qū)域648。P+注入可以是30keV至50keV的硼，或優(yōu)選是60keV至120keV的BF2+，劑量是2E15cm-2至7E15cm-2。然后去除光致抗蝕劑層644。
如圖29M所示，在氧化物層622上沉積電介質(zhì)層650。電介質(zhì)層650被掩蔽，經(jīng)由掩模中的開口蝕刻電介質(zhì)層650和氧化物層622從而形成至N外延層616中不同區(qū)域的開口。在開口中沉積Ti或TiN阻擋層651，并且第一金屬層652沉積在阻擋層651上方并被構(gòu)圖以形成金屬接觸。在電介質(zhì)層650上沉積第二電介質(zhì)層654，并施加一具有定位為接觸P隔離區(qū)域630B、630D和630I的開口的通孔掩模。經(jīng)由通孔掩模中的開口在電介質(zhì)層654中蝕刻出通孔，并且在通孔中沉積第二金屬層656。
這個(gè)工藝的結(jié)果是，已經(jīng)在N外延層616中形成了垂直PNP晶體管660、垂直NPN晶體管662和橫向PNP晶體管664。垂直PNP晶體管660包括以下區(qū)域發(fā)射極P+區(qū)域646基極N基極區(qū)域632和N外延層616的一部分集電極P掩埋層614C和P隔離區(qū)域630B
垂直PNP晶體管660通過包括N掩埋層608A和N下沉區(qū)626C的隔離結(jié)構(gòu)與P襯底600隔離。
垂直NPN晶體管662包括以下區(qū)域發(fā)射極N+區(qū)域642基極P基極區(qū)域638集電極N外延層616的一部分、N掩埋層608B、N下沉區(qū)626F橫向PNP晶體管664包括以下區(qū)域發(fā)射極P隔離區(qū)域630I′基極N外延層616的一部分、N掩埋層608C、N下沉區(qū)626H集電極P隔離區(qū)域630I此外，垂直PNP晶體管660通過包括P隔離區(qū)域630D和P掩埋層614A的垂直列與垂直NPN晶體管662隔離。垂直NPN晶體管662通過包括P隔離區(qū)域630G和P掩埋層614B的垂直列與橫向PNP晶體管664隔離。
使用現(xiàn)有技術(shù)工藝，由于熱處理期間的橫向摻雜劑擴(kuò)展，晶體管660、662和664通常將不得不彼此隔開數(shù)十微米。相反，使用本發(fā)明的橫向限制的下沉區(qū)和隔離區(qū)域，晶體管660、662和664之間的間距，圖29M示出為X1和X2，可以減小至僅3至4微米。這允許晶片上器件的封裝密度的大幅增加，而不犧牲器件間電隔離的質(zhì)量。
圖30示出了用于減小橫向間距的槽限制的擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)，尤其是在小特征尺寸深擴(kuò)散方面。附圖示出了四個(gè)被擴(kuò)散了的區(qū)域，每一個(gè)開始于相同的淺離子注入(全部采用8E13cm-2的劑量和80keV的能量)，接著是相同的擴(kuò)散(1100℃，4小時(shí))。垂直和橫向尺度上標(biāo)記的增量是0.5μm?；疑年幱氨硎咀詈髶诫s濃度方面的數(shù)量級(jí)差異。
槽限制的寬擴(kuò)散701A中，被注入的區(qū)域跨距槽702之間的寬度，產(chǎn)生具有2μm寬度的擴(kuò)散703(由線A-A′表示)。最重?fù)诫s部分向下擴(kuò)散至1μm的深度，如線E-E′所示。注意到擴(kuò)散延伸至剛好在槽下面，深度小于2μm，但是重?fù)诫s部分僅向下延伸至E-E′線。
擴(kuò)散701B是不受限制的寬擴(kuò)散的例子，包括由具有2μm寬度(由線B-B′指示，長度上等于線A-A′)的注入構(gòu)造的擴(kuò)散704。高溫驅(qū)入后，區(qū)域740擴(kuò)散，它的重?fù)诫s部分到達(dá)1μm的深度，到達(dá)由線E-E′標(biāo)識(shí)的深度，并且橫向擴(kuò)散705將擴(kuò)散的寬度擴(kuò)展到大大地超過注入的2μm寬度。橫向擴(kuò)散705通常表現(xiàn)出等于結(jié)深85％的橫向范圍。由于掩模中用于定義注入的開口寬度比擴(kuò)散704的重?fù)诫s部分的深度寬，常規(guī)擴(kuò)散701B與限制的擴(kuò)散701A具有基本上相同的深度。
擴(kuò)散710A是被槽712限制的窄擴(kuò)散的例子。注入713從槽延伸到槽，如線C-C′的長度所指示，具有約0.5μm的寬度。盡管擴(kuò)散710A的寬度小于擴(kuò)散的深度，結(jié)713具有明顯地等于(如果不是略微大于)寬擴(kuò)散701A和701B的深度，因此沒有表現(xiàn)出欠缺擴(kuò)散。即使其深度，槽限制的擴(kuò)散713也具有非常窄的寬度。
擴(kuò)散710B是不受限制的窄擴(kuò)散的例子，其中二維擴(kuò)散的不利結(jié)果(所謂“ 欠缺擴(kuò)散”)變得明顯。不僅被擴(kuò)散了的區(qū)域714橫向擴(kuò)展進(jìn)入?yún)^(qū)715，而且擴(kuò)散714的重?fù)诫s部分甚至沒有擴(kuò)散足夠深到越過線E-E′。事實(shí)上是擴(kuò)散的大的橫向分量將擴(kuò)散從一維改變?yōu)槎S，產(chǎn)生點(diǎn)源。比較710A和710B，槽限制的擴(kuò)散更深、更重?fù)诫s、并且更窄，所有這些是實(shí)現(xiàn)集成電路元件所期望的特性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底之上的第一導(dǎo)電類型的外延層；形成于所述外延層中的槽，所述槽包含電介質(zhì)材料；與所述槽的側(cè)面鄰接的第二導(dǎo)電類型的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括形成于所述外延層中的第二槽，所述第二槽包含電介質(zhì)材料，所述區(qū)域與所述第二槽的側(cè)面鄰接。
3.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述襯底是所述第二導(dǎo)電類型的，所述結(jié)構(gòu)包括所述第二導(dǎo)電類型的掩埋層，所述掩埋層從所述襯底向上延伸并與所述區(qū)域匯合。
4.如權(quán)利要求3的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層在所述外延層中的低于每個(gè)所述槽底部的水平面的水平面處與所述區(qū)域匯合。
5.如權(quán)利要求3的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層在所述外延層中的高于所述槽底部的水平面處與所述區(qū)域匯合。
6.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述襯底是所述第一導(dǎo)電類型，所述結(jié)構(gòu)包括所述第二導(dǎo)電類型的掩埋層，所述掩埋層從所述襯底向上延伸并與所述區(qū)域匯合。
7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層在所述外延層中的低于每個(gè)所述槽底部的水平面的水平面處與所述區(qū)域匯合。
8.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層橫向延伸超過所述槽中的一個(gè)。
9.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層橫向延伸超過兩個(gè)所述槽。
10.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底之上的第二導(dǎo)電類型的外延層；形成于所述外延層中的槽，所述槽包含電介質(zhì)材料；所述第一導(dǎo)電類型的掩埋層，所述掩埋層從所述襯底向上延伸至所述槽的底部。
11.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底之上的第一導(dǎo)電類型的外延層；形成于所述外延層中的第一和第二槽，所述槽的每一個(gè)包含電介質(zhì)材料；具有比所述外延層的摻雜濃度大的摻雜濃度的所述第一導(dǎo)電類型的區(qū)域，所述區(qū)域位于所述槽之間并與所述槽的每一個(gè)的側(cè)面鄰接。
12.如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述區(qū)域延伸至所述外延層中的低于每個(gè)所述槽底部的水平面的水平面處。
13.如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述襯底是第二導(dǎo)電類型的。
14.如權(quán)利要求11的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括在所述外延層和所述襯底之間的界面處的所述第一導(dǎo)電類型的掩埋層。
15.如權(quán)利要求14的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層與所述區(qū)域匯合。
16.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層和所述區(qū)域之間的匯合線位于所述槽底部的水平面以下的水平面處。
17.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層和所述區(qū)域之間的匯合線位于所述槽底部的水平面以上的水平面處。
18.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層橫向延伸超過所述槽中的一個(gè)。
19.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層和所述區(qū)域之間的匯合線位于所述槽底部的水平面以下的水平面處。
20.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層和所述區(qū)域之間的匯合線位于所述槽底部的水平面以上的水平面處。
21.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述掩埋層橫向延伸超過兩個(gè)所述槽。
22.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底中的第一和第二槽，所述槽包含電介質(zhì)材料；所述襯底中的第二導(dǎo)電類型的區(qū)域，所述區(qū)域與所述槽各自的側(cè)面鄰接。
23.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底中的第一和第二槽，所述槽包含電介質(zhì)材料；所述襯底中的所述第一導(dǎo)電類型的區(qū)域，所述區(qū)域的摻雜濃度大于所述襯底的摻雜濃度，所述區(qū)域與所述槽各自的側(cè)面鄰接。
24.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底上的所述第一導(dǎo)電類型的外延層；在所述襯底和所述外延層之間的界面處的第二導(dǎo)電類型的掩埋層；和從所述外延層的表面延伸進(jìn)入所述掩埋層的槽，所述槽用電介質(zhì)材料填充。
25.如權(quán)利要求24的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括從所述外延層的所述表面延伸進(jìn)入所述掩埋層的第二槽，所述第二槽用電介質(zhì)材料填充。
26.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；所述襯底中的第二導(dǎo)電類型的掩埋層；和從所述襯底的表面延伸進(jìn)入所述掩埋層的槽，所述槽用電介質(zhì)材料填充。
27.如權(quán)利要求26的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括從所述襯底的所述表面延伸進(jìn)入所述掩埋層的第二槽，所述第二槽用電介質(zhì)材料填充。
28.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；形成于所述襯底上的第二導(dǎo)電類型的外延層；在所述襯底和所述外延層之間的界面處的所述第一導(dǎo)電類型的第一掩埋層；在所述界面處的所述第二導(dǎo)電類型的第二掩埋層，所述第一掩埋層向上延伸至所述第二掩埋層之上的水平面；從所述外延層的表面延伸進(jìn)入所述第一掩埋層但是沒有進(jìn)入所述第二掩埋層的槽，所述槽用電介質(zhì)材料填充。
29.如權(quán)利要求28的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括從所述外延層的所述表面延伸進(jìn)入所述第二掩埋層的第二槽，所述第二槽用電介質(zhì)材料填充。
30.如權(quán)利要求28的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二掩埋層橫向延伸超過所述第一掩埋層使得所述第一掩埋層的位于所述第二掩埋層之上的部分與所述襯底電隔離。
31.一種雙極型晶體管布置，包括第一導(dǎo)電類型的襯底；形成于所述襯底上的第二導(dǎo)電類型的外延層；第一垂直雙極型晶體管，包括位于所述襯底和所述外延層之間的界面處的所述第二導(dǎo)電類型的第一掩埋層；在所述界面處的所述第一導(dǎo)電類型的第二掩埋層，所述第二掩埋層向上延伸進(jìn)入所述外延層中超過所述第一掩埋層，所述第一掩埋層橫向延伸超過所述第二掩埋層；從所述外延層的表面向下延伸至所述第一掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第一下沉區(qū)；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第二掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的第一隔離區(qū)；和在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)域，所述第一區(qū)域通過所述外延層的第一區(qū)與所述第二掩埋層分離；第二垂直雙極型晶體管，包括在所述界面處的所述第二導(dǎo)電類型的第三掩埋層；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第三掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第二下沉區(qū)；位于所述外延層的所述表面處的所述第二導(dǎo)電類型的第二區(qū)域；和位于所述外延層的所述表面處并與所述第二區(qū)域形成結(jié)的所述第一導(dǎo)電類型的第三區(qū)域，以及第一隔離結(jié)構(gòu)，包括位于所述界面處并位于所述第一和第三掩埋層之間的所述第一導(dǎo)電類型的第四掩埋層；和從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第四掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的第二隔離區(qū)域；其中所述第一和第二下沉區(qū)及所述第一和第二隔離區(qū)域的每一個(gè)分別至少部分地位于一對(duì)槽之間的臺(tái)地中，所述槽用電介質(zhì)材料基本上填滿。
32.如權(quán)利要求31的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型是P型并且所述第二導(dǎo)電類型是N型。
33.如權(quán)利要求32的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型的所述第一區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述外延層的所述第一區(qū)形成至少部分基極，并且其中所述第一隔離區(qū)域和所述第二掩埋層形成至少部分集電極。
34.如權(quán)利要求32的雙極型晶體管布置，其中所述第二導(dǎo)電類型的所述第二區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述第一導(dǎo)電類型的所述第三區(qū)域形成至少部分基極，并且其中所述第三掩埋層和所述第二下沉區(qū)形成至少部分集電極。
35.如權(quán)利要求31的雙極型晶體管布置，包括第三橫向雙極型晶體管，包括所述第二導(dǎo)電類型的第五掩埋層；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第五掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第三下沉區(qū)；在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第四區(qū)域；和在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第五區(qū)域，所述第四和第五區(qū)域通過所述外延層的第二區(qū)彼此分離；以及第二隔離結(jié)構(gòu)，包括位于所述界面處并位于所述第三和第五掩埋層之間的所述第一導(dǎo)電類型的第六掩埋層；和從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第六掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的第三隔離區(qū)域；其中所述第三下沉區(qū)和所述第三隔離區(qū)域的每一個(gè)分別至少部分地位于一對(duì)槽之間的臺(tái)地中，所述槽用電介質(zhì)材料基本上填滿。
36.如權(quán)利要求35的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型是P型并且所述第二導(dǎo)電類型是N型。
37.如權(quán)利要求36的雙極型晶體管布置，其中所述第四區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述第五掩埋層、所述第三下沉區(qū)和所述外延層的所述第二區(qū)形成至少部分基極，并且其中所述第五區(qū)域形成至少部分集電極。
38.一種雙極型晶體管布置，包括第一導(dǎo)電類型的襯底；形成于所述襯底上的第二導(dǎo)電類型的外延層；第一垂直雙極型晶體管，包括位于所述襯底和所述外延層之間的界面處的所述第二導(dǎo)電類型的第一掩埋層；在所述界面處的所述第一導(dǎo)電類型的第二掩埋層，所述第二掩埋層向上延伸進(jìn)入所述外延層超過所述第一掩埋層，所述第一掩埋層橫向延伸超過所述第二掩埋層；從所述外延層的表面向下延伸至所述第一掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第一下沉區(qū)；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第二掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的第一隔離區(qū)域；和在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)域，所述第一區(qū)域通過所述外延層的第一區(qū)與所述第二掩埋層分離；以及第二橫向雙極型晶體管，包括所述第二導(dǎo)電類型的第三掩埋層；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第三掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第二下沉區(qū)；在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第二區(qū)域；和在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第三區(qū)域，所述第二和第三區(qū)域通過所述外延層的第二區(qū)彼此分離；以及隔離結(jié)構(gòu)，包括位于所述界面處并位于所述第一和第三掩埋層之間的所述第一導(dǎo)電類型的第四掩埋層；和從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第四掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的第二隔離區(qū)域；其中所述第一和第二下沉區(qū)以及所述第一和第二隔離區(qū)域的每一個(gè)分別至少部分地位于一對(duì)槽之間的臺(tái)地中，所述槽用電介質(zhì)材料基本上填滿。
39.如權(quán)利要求38的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型是P型并且所述第二導(dǎo)電類型是N型。
40.如權(quán)利要求39的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型的所述第一區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述外延層的所述第一區(qū)形成至少部分基極，并且其中所述第一隔離區(qū)域和所述第二掩埋層形成至少部分集電極。
41.如權(quán)利要求39的雙極型晶體管布置，其中所述第二區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述第三掩埋層、所述第二下沉區(qū)和所述外延層的所述第二區(qū)形成至少部分基極，并且其中所述第三區(qū)域形成至少部分集電極。
42.一種雙極型晶體管布置，包括第一導(dǎo)電類型的襯底；形成于所述襯底上的第二導(dǎo)電類型的外延層；第一垂直雙極型晶體管，包括位于所述襯底和所述外延層之間的界面處的所述第二導(dǎo)電類型的第一掩埋層；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第一掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第一下沉區(qū)；位于所述外延層的所述表面處的所述第二導(dǎo)電類型的第一區(qū)域；和位于所述外延層的所述表面處并與所述第一區(qū)域形成結(jié)的所述第一導(dǎo)電類型的第二區(qū)域；第二橫向雙極型晶體管，包括所述第二導(dǎo)電類型的第二掩埋層；從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第二掩埋層的所述第二導(dǎo)電類型的第二下沉區(qū)；在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第三區(qū)域；和在所述外延層的所述表面處的所述第一導(dǎo)電類型的第四區(qū)域，所述第三和第四區(qū)域通過所述外延層的區(qū)彼此分離；以及隔離結(jié)構(gòu)，包括位于所述界面處并位于所述第一和第二掩埋層之間的所述第一導(dǎo)電類型的第三掩埋層；和從所述外延層的所述表面向下延伸至所述第三掩埋層的所述第一導(dǎo)電類型的隔離區(qū)域；其中所述第一和第二下沉區(qū)以及所述隔離區(qū)域的每一個(gè)分別至少部分地位于一對(duì)槽之間的臺(tái)地中，所述槽用電介質(zhì)材料基本上填滿。
43.如權(quán)利要求42的雙極型晶體管布置，其中所述第一導(dǎo)電類型是P型并且所述第二導(dǎo)電類型是N型。
44.如權(quán)利要求43的雙極型晶體管布置，其中所述第二導(dǎo)電類型的所述第一區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述第一導(dǎo)電類型的所述第二區(qū)域形成至少部分基極，并且其中所述第一掩埋層和所述第一下沉區(qū)形成至少部分集電極。
45.如權(quán)利要求43的雙極型晶體管布置，其中所述第三區(qū)域形成至少部分發(fā)射極，其中所述第二掩埋層、所述第二下沉區(qū)和所述外延層的所述區(qū)形成至少部分基極，并且其中所述第四區(qū)域形成至少部分集電極。
46.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底中形成槽對(duì)；用電介質(zhì)材料基本上填滿所述槽；以及將摻雜劑引入所述槽之間的臺(tái)地中。
47.如權(quán)利要求46的方法，包括加熱所述襯底從而使所述摻雜劑在所述襯底中向下擴(kuò)散。
48.如權(quán)利要求46的方法，其中引入摻雜劑包括引入具有與所述襯底的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型的摻雜劑。
49.如權(quán)利要求46的方法，其中引入摻雜劑包括引入具有與所述襯底的導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電類型的摻雜劑。
50.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括提供半導(dǎo)體襯底；注入摻雜劑到所述襯底中；在所述襯底上形成外延層；使所述襯底中的該摻雜劑向上擴(kuò)散進(jìn)入所述外延層中從而形成掩埋層；在所述外延層中形成槽對(duì)，該槽限定所述槽之間的臺(tái)地，所述臺(tái)地位于所述掩埋層之上；用電介質(zhì)材料基本上填滿所述槽；將摻雜劑引入到所述槽之間的臺(tái)地中；以及使所述臺(tái)地中的所述摻雜劑向下擴(kuò)散使得所述臺(tái)地中的所述摻雜劑與所述掩埋層匯合。
全文摘要
一種半導(dǎo)體襯底，包括用電介質(zhì)材料填充的一對(duì)槽。在襯底經(jīng)歷熱處理時(shí)限制驅(qū)入槽之間臺(tái)地中的摻雜劑橫向擴(kuò)散。因此，半導(dǎo)體器件可一起在襯底上更加緊密地間隔，并能提高器件的封裝密度。而且槽限制的摻雜區(qū)比不受限制的擴(kuò)散擴(kuò)散得更快并且更深，從而降低完成所期望的深度的擴(kuò)散所需的時(shí)間和溫度。該技術(shù)可用于諸如雙極型晶體管的半導(dǎo)體器件以及將器件彼此電隔離的隔離區(qū)域。在一組實(shí)施例中，在外延層和襯底之間界面處形成掩埋層，通常位于在臺(tái)地中摻雜劑以下的位置。當(dāng)對(duì)襯底進(jìn)行熱處理時(shí)，掩埋層向上擴(kuò)散，臺(tái)地中的摻雜劑向下擴(kuò)散直到兩摻雜劑匯合從而形成從外延層表面向下延伸至掩埋層的隔離區(qū)域或下沉區(qū)。在另一實(shí)施例中，以高達(dá)幾個(gè)MeV的高能量將摻雜劑注入電介質(zhì)填充的槽之間，然后擴(kuò)散，結(jié)合了深注入和槽限制的擴(kuò)散的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)具有最小熱預(yù)算的深擴(kuò)散。
文檔編號(hào)H01L27/06GK1698208SQ03824204
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2003年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者理查德·K·威廉斯, 邁克爾·E·康奈爾, 陳偉田 申請(qǐng)人:先進(jìn)模擬科技公司