專利名稱：具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造工藝。
背景技術(shù)：
國(guó)際上目前已經(jīng)廣泛采用SiGe HBT作為高頻大功率功放器件應(yīng)用于無線通訊產(chǎn)品，如手機(jī)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，在器件正常工作范圍內(nèi)通過提高工作電流和提高工作電壓都是有效的方式。
對(duì)于用于鍺硅HBT，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征頻率的同時(shí)進(jìn)一步提高SiGe HBT耐壓越來越成為鍺硅HBT器件的研究熱點(diǎn)。
常規(guī)高壓HBT擊穿電壓受淺槽隔離深度限制，集電結(jié)耗盡寬度有限，擊穿電壓很難有大幅度提高。高壓SiGe HBT通過拉大N型贗埋層到有源區(qū)的距離，提高集電結(jié)耗盡區(qū)寬度延伸空間，使擊穿電壓大大提高。但N型贗埋層到有源區(qū)的距離不能無限增大，所以在控制N型贗埋層到有源區(qū)的距離的同時(shí)，采用增加匹配層的方法SiGe HBT擊穿電壓進(jìn)一步提高。但由于匹配層的加入，器件中存在縱向PNP寄生晶體管，集電區(qū)縱向區(qū)域采用輕摻雜，寄生PNP的BETA值較高，影響了 SiGe HBT的性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)，它可以提高整個(gè)器件的擊穿電壓。
為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)，包括:在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)中，靠外邊緣在部分場(chǎng)氧下有兩個(gè)N+贗埋層；在奸贗埋層和有源區(qū)下方有匹配層；在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)非贗埋層區(qū)域和匹配層上方有源區(qū)形成集電區(qū)；集電區(qū)采用非均勻摻雜，場(chǎng)氧之間縱向集電區(qū)部分重?fù)诫s，場(chǎng)氧下方橫向集電區(qū)部分輕摻雜；場(chǎng)氧下N-集電區(qū)與匹配層之間相互耗盡，形成橫向耗盡區(qū)；基區(qū)窗口的尺寸等于或大于HBT有源區(qū)尺寸；基區(qū)窗口介質(zhì)層采用多晶硅/氧化硅結(jié)構(gòu)；發(fā)射區(qū)窗口尺寸小于有源區(qū)尺寸；發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)層采用氮化硅/氧化硅結(jié)構(gòu)；發(fā)射極采用氧化硅側(cè)墻；在場(chǎng)氧中制作深孔接觸，連接贗埋層，引出集電區(qū)電極。
本發(fā)明的有益效果在于:該器件改變了傳統(tǒng)HBT BC結(jié)的一維耗盡區(qū)模式，改變?yōu)閮删S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，匹配層的加入使得場(chǎng)氧下集電區(qū)輕摻雜區(qū)域在BC結(jié)擊穿前全部耗盡，起到分壓作用，從而進(jìn)一步提高整個(gè)器件的擊穿電壓?？v向集電區(qū)采用重?fù)诫s，起到減小寄生BETA的作用。
本發(fā)明還提供了上述具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
采用高劑量、低能量離子注入形成N+贗埋層；
高能量離子注入形成匹配層；
低劑量離子注入形成N-集電區(qū)；
高劑量離子注入形成N+集電區(qū)；
采用重硼摻雜形成鍺硅基區(qū)外延；
高劑量的N型雜質(zhì)注入到多晶硅發(fā)射極，并利用高溫快速熱退火進(jìn)行激活和擴(kuò)散；
在場(chǎng)氧區(qū)開深接觸孔，淀積Ti/TiN阻擋金屬層后，填入鎢形成深孔接觸作集電極；
發(fā)射極和外基區(qū)都采用硅化物覆蓋，降低寄生電阻。
采用高劑量、低能量離子注入形成N+贗埋層，注入雜質(zhì)可為磷或砷；注入的劑量范圍為Ie14 le16cm_2，注入能量范圍2 50KeV。
高能量離子注入形成匹配層，注入劑量由集電區(qū)摻雜濃度決定。
低劑量離子注入形成N-集電區(qū)，注入雜質(zhì)可為磷或砷。
采用重硼摻雜形成鍺硅基區(qū)外延，鍺的分布可以是梯形或三角形分布。
在場(chǎng)氧區(qū)開深接觸孔，淀積Ti/TiN阻擋金屬層后，填入鎢形成深孔接觸作集電極，深阱的深度由隔離場(chǎng)區(qū)深度和金屬/半導(dǎo)體層間膜的厚度決定。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1是具有高擊穿電壓的SiGe HBT器件結(jié)構(gòu)示意圖2是反向偏壓下SiGe HBT耗盡區(qū)分布仿真結(jié)果示意圖3 (a)是刻蝕場(chǎng)氧區(qū)之后的器件截面圖3 (b)是贗埋層注入之后的器件截面圖3(c)是匹配層注入之后的器件截面圖3(d)是N-集電區(qū)注入之后的器件截面圖3(e)是N+集電區(qū)注入之后的器件截面圖3(f)是刻蝕基區(qū)窗口之后的器件截面圖3 (g)是外延SiGe基區(qū)之后的器件截面圖3 (h)是刻蝕多晶鍺硅基區(qū)及介質(zhì)層之后的器件截面圖3(i)是淀積介質(zhì)層并刻蝕發(fā)射區(qū)窗口之后的器件截面圖3 (j)是淀積多晶硅發(fā)射極之后的器件截面圖3 (k)是發(fā)射極側(cè)墻形成之后的器件截面圖3(1)是深接觸孔引出贗埋層之后的器件截面圖。
圖中附圖標(biāo)記說明:
101-P型襯底，102-場(chǎng)氧區(qū)，103-贗埋層，104-匹配層，105-N-集電區(qū)，106-N+集電區(qū)，107-氧化娃層，108-多晶娃層，109-慘砸SiGe基區(qū)，110-氧化娃介質(zhì)層，111-氣化娃介質(zhì)層，112-多晶硅發(fā)射極，113-側(cè)墻，114-深接觸孔。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種降低高壓SiGe HBT器件寄生電流增益的方法，該方法通過增加贗埋層和匹配層來提高器件的擊穿電壓，集電區(qū)分為輕摻雜和重?fù)诫s兩部分。在SiGe HBT有源區(qū)兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)下面制作N型重?fù)诫s贗埋層，在場(chǎng)氧區(qū)刻深孔接觸，直接連接贗埋層引出集電區(qū)，不再需要使用有源區(qū)來實(shí)現(xiàn)埋層的電極引出，極大地縮減了器件尺寸和面積。SiGe HBT兩側(cè)贗埋層之間的區(qū)域包括有源區(qū)和部分場(chǎng)氧下區(qū)域作輕摻雜，通過提高集電區(qū)/基區(qū)(BC結(jié))之間的結(jié)擊穿電壓而提高HBT的擊穿電壓BVCE0。
該器件改變了傳統(tǒng)HBT BC結(jié)的一維耗盡區(qū)模式，改變?yōu)閮删S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，匹配層的加入使得場(chǎng)氧下集電區(qū)輕摻雜區(qū)域在BC結(jié)擊穿前全部耗盡，起到分壓作用，從而進(jìn)一步提高整個(gè)器件的擊穿電壓?？v向集電區(qū)采用重?fù)诫s，起到減小寄生BETA的作用。
本發(fā)明提出一種降低高壓SiGe HBT器件寄生電流增益的方法，器件結(jié)構(gòu)如圖一所/Jn ο
本發(fā)明提出一種降低高壓SiGe HBT器件寄生電流增益的方法，該器件不需要改變集電區(qū)的厚度和摻雜濃度，只需要通過增加贗埋層和匹配層來提高器件的擊穿電壓。該器件棄用常規(guī)器件中均勻的NBL，而只在SiGe HBT有源區(qū)兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)下面制作N型重?fù)诫s贗埋層，在場(chǎng)氧區(qū)刻深孔接觸，直接連接贗埋層引出集電區(qū)，不再需要使用有源區(qū)來實(shí)現(xiàn)埋層的電極引出。極大地縮減了器件尺寸和面積。SiGe HBT兩側(cè)贗埋層之間的區(qū)域包括有源區(qū)和部分場(chǎng)氧下區(qū)域作輕摻雜，通過提高集電區(qū)/基區(qū)(BC結(jié))之間的結(jié)擊穿電壓而提高HBT的擊穿電壓BVCEO。該器件改變了傳統(tǒng)HBT BC結(jié)的一維耗盡區(qū)模式，改變?yōu)閮删S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，匹配層的加入使得場(chǎng)氧下集電區(qū)輕摻雜區(qū)域在BC結(jié)擊穿前全部耗盡，起到分壓作用，從而進(jìn)一步提高整個(gè)器件的擊穿電壓。重?fù)诫s的集電區(qū)起到減小寄生BETA的作用。本發(fā)明的具體技術(shù)方案:
1、在HBT兩側(cè)的淺槽隔離高劑量、低能量地注入磷離子，形成贗埋層。由于N型膺埋層離子注入能量較低，其與襯底的結(jié)面積較小，因此與襯底的寄生電容較小，不再采用深槽隔離技術(shù)。
2、膺埋層注入后采用高能量的離子注入在贗埋層和有源區(qū)下方形成與集電區(qū)注入類型相反的匹配層，匹配層的注入劑量由集電區(qū)摻雜濃度決定。
3、通過腐蝕去除大部分有源區(qū)上的硬掩模層(Hard Mask)，在全部的HBT區(qū)域注入中低劑量的磷離子，形成集電區(qū)。
4、光刻并刻蝕打開集電區(qū)注入?yún)^(qū)域窗口，對(duì)縱向集電區(qū)采用高劑量離子注入進(jìn)行重?fù)诫s。
5、外延重?fù)诫s的SiGe層作為器件基區(qū)，發(fā)射區(qū)由多晶硅層構(gòu)成，經(jīng)過高劑量雜質(zhì)離子注入并退火激活。
6、不再通過高濃度高能量N型注入制作集電極引出端，而是通過在場(chǎng)氧中刻出深阱接觸孔，填入Ti/TiN過渡金屬層以及金屬W，接觸膺埋層，實(shí)現(xiàn)集電極的引出。該接觸孔距離器件基區(qū)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(fā)明采用在常規(guī)SiGe HBT增加贗N+埋層和匹配層，大幅度增加了器件的擊穿電壓，并使得器件的擊穿不再單純由縱向BC結(jié)的耗盡區(qū)決定，而是依靠橫向耗盡區(qū)分壓。因?yàn)槠ヅ鋵拥募尤霗M向耗盡區(qū)會(huì)在BC結(jié)擊穿前形成，由于反向偏壓大部分落在橫向耗盡區(qū)，所以器件的擊穿電壓將大大高于BC結(jié)的擊穿電壓(如圖2所示)。利用本發(fā)明的HBT器件結(jié)構(gòu)，可以在控制N型贗埋層到有源區(qū)的距離的同時(shí)，采用增加匹配層的方法SiGe HBT擊穿電壓進(jìn)一步提高。同時(shí)，集電區(qū)縱向區(qū)域采用重?fù)诫s，極大地減小了寄生PNP的BETA值。
圖3(a)刻蝕場(chǎng)氧區(qū)之后的器件截面圖。
工藝步驟1:利用有源區(qū)光刻，打開淺槽區(qū)域，并在P型襯底101上刻蝕場(chǎng)氧區(qū)102 (如圖3(a)所示)。
圖3(b)贗埋層注入之后的器件截面圖。
工藝步驟2:光刻打開SiGe HBT區(qū)域，向P型襯底101注入磷離子形成膺埋層103，HBT以外區(qū)域由光刻膠保護(hù)。贗埋層磷注入的劑量范圍為Ie14 le16Cm_2，注入能量范圍2 50KeV(如圖3(b)所示)。
圖3(c)匹配層注入之后的器件截面圖。
工藝步驟3:向場(chǎng)氧區(qū)填入氧化硅，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，采用高能量的離子注入在贗埋層和有源區(qū)下方形成與集電區(qū)注入類型相反的匹配層104(如圖3(c)所示)。
圖3(d)N_集電區(qū)注入之后的器件截面圖。
工藝步驟4:N-集電區(qū)通過離子注入P型雜質(zhì)，此次注入為低劑量注入，注入的雜質(zhì)是砷或磷，形成N-集電區(qū)105，N-集電區(qū)與贗埋層相互重疊(如圖3 (d)所示)。
圖3(e)N+集電區(qū)注入之后的器件截面圖。
工藝步驟5:光刻定義N+集電區(qū)，通過離子注入P型雜質(zhì)，此次注入為高劑量注入，注入的雜質(zhì)是砷或磷，形成N+集電區(qū)106 (如圖3(e)所示)。
圖3(f)刻蝕基區(qū)窗口之后的器件截面圖。
工藝步驟6:淀積氧化硅層107和多晶硅層108，其厚度范圍100A 500A/200A 1500A，并光刻、刻蝕形成基區(qū)窗口(如圖3(f)所示)。
圖3 (g)外延SiGe基區(qū)之后的器件截面圖。
工藝步驟7:生長(zhǎng)硅過渡層、摻硼的SiGe基區(qū)109和硅覆蓋層。各層的厚度、基區(qū)硼濃度和鍺濃度由器件特性要求決定(如圖3(g)所示)。
圖3(h)刻蝕多晶鍺硅基區(qū)及介質(zhì)層之后的器件截面圖。
工藝步驟8:光刻并刻蝕多晶鍺硅基區(qū)及介質(zhì)層(如圖3(h)所示)。
圖3(i)淀積介質(zhì)層并刻蝕發(fā)射區(qū)窗口之后的器件截面圖
工藝步驟9:淀積介質(zhì)層氧化硅110和氮化硅111，光刻、刻蝕發(fā)射區(qū)窗口(如圖3(i)所示)。
圖3(j)淀積多晶硅發(fā)射極之后的器件截面圖。
工藝步驟10:淀積在位N型摻雜的多晶硅發(fā)射極112，再注入N型雜質(zhì)砷或磷，注入濃度要大于le15cnT2，注入能量由發(fā)射極厚度決定，光刻、刻蝕多晶硅發(fā)射極和介質(zhì)層(如圖3(j)所示)。
圖3 (k)發(fā)射極側(cè)墻形成之后的器件截面圖。
工藝步驟11:淀積氧化硅層，并干刻形成發(fā)射極側(cè)墻113 (如圖3 (k)所示)。
圖3(1)深接觸孔引出贗埋層之后的器件截面圖。
工藝步驟12:刻蝕深接觸孔114，在接觸孔內(nèi)生長(zhǎng)過渡金屬層Ti/TiN，填入金屬鎢，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，引出贗埋層(如圖3(1)所示)。
本發(fā)明并不限于上文討論的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式
的描述旨在于為了描述和說明本發(fā)明涉及的技術(shù)方案?；诒景l(fā)明啟示的顯而易見的變換或替代也應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。以上的具體實(shí)施方式
用來揭示本發(fā)明的最佳實(shí)施方法，以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠應(yīng)用本發(fā)明的多種實(shí)施方式以及多種替代方式來達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)中，靠外邊緣在部分場(chǎng)氧下有兩個(gè)N+贗埋層； 在N+贗埋層和有源區(qū)下方有匹配層； 在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)非贗埋層區(qū)域和匹配層上方有源區(qū)形成集電區(qū)； 集電區(qū)采用非均勻摻雜，場(chǎng)氧之間縱向集電區(qū)部分重?fù)诫s，場(chǎng)氧下方橫向集電區(qū)部分輕摻雜； 場(chǎng)氧下N-集電區(qū)與匹配層之間相互耗盡，形成橫向耗盡區(qū)； 基區(qū)窗口的尺寸等于或大于HBT有源區(qū)尺寸； 基區(qū)窗口介質(zhì)層米用多晶娃/氧化娃結(jié)構(gòu)； 發(fā)射區(qū)窗口尺寸小于有源區(qū)尺寸； 發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)層采用氮化硅/氧化硅結(jié)構(gòu)； 發(fā)射極采用氧化硅側(cè)墻； 在場(chǎng)氧中制作深孔接觸，連接贗埋層，引出集電區(qū)電極。
2.如權(quán)利要求1所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 采用高劑量、低能量離子注入形成N+贗埋層； 高能量離子注入形成匹配層； 低劑量離子注入形成N-集電區(qū)； 高劑量離子注入形成N+集電區(qū)； 采用重硼摻雜形成鍺硅基區(qū)外延； 高劑量的N型雜質(zhì)注入到多晶硅發(fā)射極，并利用高溫快速熱退火進(jìn)行激活和擴(kuò)散； 在場(chǎng)氧區(qū)開深接觸孔，淀積Ti/TiN阻擋金屬層后，填入鎢形成深孔接觸作集電極； 發(fā)射極和外基區(qū)都采用硅化物覆蓋，降低寄生電阻。
3.如權(quán)利要求2所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，采用高劑量、低能量離子注入形成N+贗埋層，注入雜質(zhì)可為磷或砷；注入的劑量范圍為Ie14 le16cm_2，注入能量范圍2 50KeV。
4.如權(quán)利要求2所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，高能量離子注入形成匹配層，注入劑量由集電區(qū)摻雜濃度決定。
5.如權(quán)利要求2所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，低劑量離子注入形成N-集電區(qū)，注入雜質(zhì)可為磷或砷。
6.如權(quán)利要求2所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，采用重硼摻雜形成鍺硅基區(qū)外延，鍺的分布可以是梯形或三角形分布。
7.如權(quán)利要求2所述的具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，在場(chǎng)氧區(qū)開深接觸孔，淀積Ti/TiN阻擋金屬層后，填入鎢形成深孔接觸作集電極，深阱的深度由隔離場(chǎng)區(qū)深度和金屬/半導(dǎo)體層間膜的厚度決定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高擊穿電壓的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及其制造方法，包括在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)中，靠外邊緣在部分場(chǎng)氧下有兩個(gè)N+贗埋層；在N+贗埋層和有源區(qū)下方有匹配層；在HBT兩側(cè)的場(chǎng)氧區(qū)非贗埋層區(qū)域和匹配層上方有源區(qū)形成集電區(qū)；集電區(qū)采用非均勻摻雜，場(chǎng)氧之間縱向集電區(qū)部分重?fù)诫s，場(chǎng)氧下方橫向集電區(qū)部分輕摻雜；場(chǎng)氧下N-集電區(qū)與匹配層之間相互耗盡，形成橫向耗盡區(qū)；基區(qū)窗口的尺寸等于或大于HBT有源區(qū)尺寸；基區(qū)窗口介質(zhì)層采用多晶硅/氧化硅結(jié)構(gòu)；發(fā)射區(qū)窗口尺寸小于有源區(qū)尺寸；發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)層采用氮化硅/氧化硅結(jié)構(gòu)；發(fā)射極采用氧化硅側(cè)墻；在場(chǎng)氧中制作深孔接觸，連接贗埋層，引出集電區(qū)電極。本發(fā)明提高整個(gè)器件的擊穿電壓，同時(shí)降低縱向PNP寄生晶體管的電流增益。
文檔編號(hào)H01L29/06GK103137675SQ201110376860
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者韓峰, 石晶, 錢文生, 劉冬華, 胡君, 段文婷, 陳帆, 邱慈云 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司