專利名稱：雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙極晶體管(BJT)，特別是涉及一種雙極晶體管的集電區(qū)。
背景技術(shù)：
請參閱圖1，這是一個(gè)雙極晶體管。PNP雙極晶體管與NPN雙極晶體管的結(jié)構(gòu)相同， 只是各部分結(jié)構(gòu)的摻雜類型相反，下面以NPN雙極晶體管為例進(jìn)行介紹。在ρ型硅片襯底 10之上具有一個(gè)η型重?fù)诫s埋層11，η型重?fù)诫s埋層11之上是η型外延層12 (摻雜濃度 比埋層11小，通常為中、低摻雜)。η型外延層12中有多個(gè)淺槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)13a、13b、 13c、13d，這些淺槽隔離結(jié)構(gòu)的底部均與埋層11相接觸。η型外延層12中、且在淺槽隔離結(jié) 構(gòu)13a、13b或者13c、13d之間有η型重?fù)诫s區(qū)14，其連接集電極引出端C。η型外延層12 之上是P型的基區(qū)15，基區(qū)15為導(dǎo)體材料，例如硅、硅鍺合金等，其連接基極引出端B?；?區(qū)15之上是η型摻雜的T形多晶硅柵極16，其連接發(fā)射極引出端Ε。其中，η型的柵極16、 P型的基區(qū)15、η型的埋層11在垂直方向上構(gòu)成了 NPN雙極晶體管。圖1所示的雙極晶體管中，淺槽隔離結(jié)構(gòu)1 和13c之間的η型外延層12為雙極 晶體管的集電區(qū)，該集電區(qū)通過η型重?fù)诫s埋層11 (即集電區(qū)埋層)、η型重?fù)诫s區(qū)14連接 到集電極引出端C?，F(xiàn)有方法制造的集電區(qū)埋層面積較大，其與ρ型襯底10之間的寄生電 容也較大。通常在整個(gè)雙極晶體管器件最外圍的淺槽隔離結(jié)構(gòu)13a、13d的下方通常還有深 槽隔離結(jié)構(gòu)130a、130d。深槽隔離結(jié)構(gòu)130a、130d從η型重?fù)诫s埋層11深入至ρ型襯底10 之中，對η型重?fù)诫s埋層11進(jìn)行分割，從而減小集電區(qū)埋層和P型襯底10之間的結(jié)面積， 進(jìn)而降低兩者之間的寄生電容。圖1所示的雙極晶體管結(jié)構(gòu)僅為原理示意，實(shí)際制造中可能有各部分的結(jié)構(gòu)變 化。上述雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法包括如下步驟第1步，在ρ型硅片襯底10上以離子注入工藝注入η型雜質(zhì)，常用的η型雜質(zhì)如 磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等，從而在襯底10中形成η型重?fù)诫s埋層11即集電區(qū)埋層；第2步，在η型重?fù)诫s埋層11之上外延生長一層η型外延層12 (即淀積一層η型 單晶硅12)，其摻雜濃度比η型重?fù)诫s埋層11?。坏?步，在硅片中以淺槽隔離(STI)工藝刻蝕淺溝槽，所述淺溝槽深度通常小于 2 μ m，即圖1中淺槽隔離結(jié)構(gòu)13a、13b、13c、13d所占據(jù)的位置；接著在整個(gè)雙極晶體管器件最外圍的淺溝槽底部再刻蝕深溝槽，所述深溝槽的深 度通常大于7 μ m，即圖1中深槽隔離結(jié)構(gòu)130a、130d所占據(jù)的位置；接著在所述深溝槽中填充介質(zhì)，例如填充多晶硅等，形成深槽隔離結(jié)構(gòu)130a、 130d ；接著在所述淺溝槽中填充介質(zhì)，例如填充氧化硅(SiO2)等，形成淺槽隔離結(jié)構(gòu) 13a、13b、13c、13d ；其中，在淺槽隔離結(jié)構(gòu)13b、13c之間的η型外延層12即為集電區(qū)。
上述雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造方法具有如下缺點(diǎn)。其一，在ρ型 硅片襯底10上淀積一層η型單晶硅12的成本較高。其二，深槽隔離結(jié)構(gòu)130a、130d的深 度通常在7 μ m以上，其刻蝕和填充工藝復(fù)雜且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制 造工藝方法，其中既沒有埋層制造工藝，也沒有外延工藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法 包括如下步驟第1步，在硅襯底20中以淺槽隔離工藝刻蝕淺溝槽20a、20b，，所述淺溝槽的深度 小于2 μ m ；第2步，在所述淺溝槽20a、20b的底部以離子注入工藝注入η型雜質(zhì)，從而在襯底 20中接近所述淺溝槽20a、20b底部的區(qū)域形成η型摻雜區(qū)21a、21b ；第3步，在所述淺溝槽20a、20b中填充介質(zhì)，形成淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b ；第4步，對硅片進(jìn)行高溫退火工藝，所述摻雜區(qū)21a、21b橫向擴(kuò)散并在所述淺槽隔 離結(jié)構(gòu)22a、22b之間相連接形成贗埋層21 ；所述贗埋層21即所述雙極晶體管的集電區(qū)埋層；第5步，對在贗埋層21之上且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b之間的襯底20以離子注 入工藝進(jìn)行一次或多次的雜質(zhì)注入，從而將贗埋層21之上且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b之間 的襯底20變?yōu)閾诫s區(qū)23 ；所述摻雜區(qū)23即所述雙極晶體管的集電區(qū)，其摻雜濃度小于贗埋層21的摻雜濃度。本發(fā)明一方面以離子注入和退火工藝制造贗埋層21 (即集電區(qū)埋層)，贗埋層21 的面積較小，因而后續(xù)工藝中不再需要深槽隔離結(jié)構(gòu)對贗埋層21進(jìn)行分割。另一方面，本 發(fā)明以離子注入工藝制造摻雜區(qū)23 (即集電區(qū))，取代了成本較高的外延工藝。


圖1是一種現(xiàn)有的雙極晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a 圖3d是本發(fā)明雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層制造工藝方法的各步驟 示意圖；圖4是本發(fā)明所制造的集電區(qū)埋層的雜質(zhì)濃度示意圖。圖中附圖標(biāo)記說明10為ρ型硅片襯底；11為η型重?fù)诫s埋層；12為η型外延層；13a、1北、13c、13d為 淺槽隔離結(jié)構(gòu)；130a、130d為深槽隔離結(jié)構(gòu)；14為η型重?fù)诫s區(qū)；15為基區(qū)；16為柵極；C為 集電極引出端；B為基極引出端；E為發(fā)射極引出端；20為硅襯底；20a、20b為淺溝槽；21a、 21b為摻雜區(qū)；21為贗埋層；2h、22b為淺槽隔離結(jié)構(gòu)；23為摻雜區(qū)。
具體實(shí)施例方式請參見圖2，本發(fā)明雙極晶體管的硅襯底20中包括淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b，淺槽隔離結(jié)構(gòu)2h、22b之間為所述雙極晶體管的集電區(qū)；贗埋層21，在淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b的底部，且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b之間連續(xù) (即連為一體而不是獨(dú)立的兩塊)，所述贗埋層21為所述雙極晶體管的集電區(qū)埋層；摻雜區(qū)23，即贗埋層21之上且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)2h、22b之間的硅片，所述摻雜區(qū) 23的摻雜濃度小于所述贗埋層21的摻雜濃度，所述摻雜區(qū)23為所述雙極晶體管的集電區(qū)。對于NPN雙極晶體管，所述硅襯底10為ρ型，贗埋層21和摻雜區(qū)23均為η型。對于PNP雙極晶體管，所述硅襯底10為η型，贗埋層21和摻雜區(qū)23均為ρ型。本發(fā)明雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法包括如下步驟(以NPN 雙極晶體管為例進(jìn)行介紹，PNP雙極晶體管只需將摻雜類型變?yōu)橄喾醇纯?第1步，請參閱圖&，在ρ型硅襯底20中以淺槽隔離工藝刻蝕淺溝槽20a、20b，這些 淺溝槽的深度均小于2 μ m。從俯視角度看，淺溝槽20a、20b例如屬于一個(gè)矩形溝槽的兩條邊。通常淺槽隔離(STI)工藝刻蝕淺溝槽時(shí)具體包括第1. 1步，在硅片表面熱氧化生長一層氧化層，稱為隔離氧化層，用來保護(hù)有源區(qū) 在去除氮化硅時(shí)免受化學(xué)玷污。第1. 2步，在硅片表面淀積一層氮化硅，氮化硅是一種堅(jiān)固的掩膜材料，用來在填 充溝槽時(shí)保護(hù)有源區(qū)，以及在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)時(shí)充當(dāng)阻擋層。第1. 3步，在硅片表面旋涂光刻膠，曝光、顯影后形成刻蝕窗口。第1. 4步，在刻蝕窗口中刻蝕掉氮化硅、隔離氧化層、部分硅，形成淺溝槽。圖3a中覆蓋在硅襯底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，請參閱圖北，在淺溝槽20a、20b的底部以離子注入工藝注入η型雜質(zhì)，從 而在襯底10中接近淺溝槽20a、20b底部的區(qū)域形成η型重?fù)诫s區(qū)21a、21b。此時(shí)的兩個(gè)摻 雜區(qū)21a、21b通常還沒有在淺溝槽20a、20b之間相連接，而是獨(dú)立的兩塊摻雜區(qū)。通常在淺溝槽刻蝕完成后，淺溝槽的側(cè)壁和底部就會熱氧化生長一層氧化層，稱 為襯墊氧化層，用來改善硅與溝槽填充物之間的界面特性。這一層襯墊氧化層非常薄，對于 離子注入工藝沒有影響。第3步，請參閱圖3c，在淺溝槽20a、20b中填充介質(zhì)，形成淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b， 通常填充氧化硅、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy, x、y為自然數(shù))等介質(zhì)材料。通常淺槽隔離(STI)工藝刻蝕淺溝槽時(shí)具體包括第3. 1步，在硅片表面淀積一層介質(zhì)，如氧化硅，所淀積的介質(zhì)至少將淺溝槽完全 填充。第3. 2步，以化學(xué)機(jī)械拋光工藝研磨硅片，使所淀積的介質(zhì)與硅片上表面齊平。第3. 3步，以濕法腐蝕工藝去除第1. 2步所淀積的氮化硅。第4步，請參閱圖3d，對硅片進(jìn)行高溫退火工藝，兩個(gè)η型重?fù)诫s區(qū)21a、21b縱向 和橫向擴(kuò)散，其中橫向擴(kuò)散會導(dǎo)致兩個(gè)η型重?fù)诫s區(qū)21a、21b在淺槽隔離結(jié)構(gòu)2h、22b之 間相連接形成η型重?fù)诫s贗埋層21。該η型重?fù)诫s埋層21即為整個(gè)雙極晶體管器件的集 電區(qū)埋層。
在圖3d中，由于組成硬掩膜層30的主體部分(第1. 2步所淀積的氮化硅)已去 除，因此圖3d中不再表示硬掩膜層30。第1. 1步所生長的隔離氧化層由于較薄，在圖3d中 不予表示。第5步，請參閱圖3e，對淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b之間且在贗埋層21之上的襯底10 以離子注入工藝進(jìn)行一次或多次的η型雜質(zhì)注入，從而將淺槽隔離結(jié)構(gòu)2h、22b之間且在 贗埋層21之上的襯底10變?yōu)棣切蛽诫s區(qū)23，其摻雜濃度小于贗埋層21的摻雜濃度。該η 型摻雜區(qū)23即為整個(gè)雙極晶體管器件的集電區(qū)。上述方法第2步中，離子注入應(yīng)該以高劑量、低能量的方式進(jìn)行。所述“高劑量”是 指，η型雜質(zhì)可選擇磷、砷、銻，離子注入劑量為1 X IO14 1 X IO16原子每平方厘米(或離子 每平方厘米)；P型雜質(zhì)可選擇硼、氟化硼，離子注入劑量為5 X IO13 1 X IO16原子每平方厘 米(或離子每平方厘米)；P型雜質(zhì)也可以選擇銦，離子注入劑量為1 X IO14 1 X IO16原子 每平方厘米(或離子每平方厘米)。所述“低能量”是指，離子注入能量一般應(yīng)小于30k電 子伏特(eV)。上述方法第4步中，高溫退火工藝優(yōu)選快速熱退火(RTA)工藝。上述方法第5步中，離子注入應(yīng)該以中低劑量的方式進(jìn)行。所述“中低劑量”是指， 離子注入劑量一般應(yīng)小于1XIO14原子每平方厘米(或離子每平方厘米)。與傳統(tǒng)的雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)第一，沒有圖1中的埋層11，改以圖2中的贗埋層(Pseudo BuriedLayer) 21取代。 贗埋層21的制造是通過在淺溝槽20a、20b的底部高劑量、低能量地注入雜質(zhì)形成重?fù)诫s區(qū) 21a、21b，然后又通過高溫退火工藝中重?fù)诫s區(qū)21a、21b中的雜質(zhì)的橫向擴(kuò)散形成重?fù)诫s 贗埋層21。由于離子注入能量較低，在擴(kuò)散時(shí)橫向擴(kuò)散較小，最終形成的贗埋層21與襯底 20的結(jié)面積較小，因此贗埋層21與襯底20之間的寄生電容較小，不用再采用圖1中的深槽 隔離結(jié)構(gòu)130a、130d，在簡化制造工藝的同時(shí)有效地降低了成本。第二，沒有圖2中的外延層12，改以圖3中的摻雜區(qū)23取代，以離子注入工藝取代 了外延工藝，進(jìn)一步降低了制造成本。第三，摻雜區(qū)23是通過自對準(zhǔn)離子注入工藝形成，即不需要掩膜版，由淺槽隔離 結(jié)構(gòu)22a、22b作為阻擋層，進(jìn)一步降低了制造成本。上述方法第4步中，對硅片進(jìn)行高溫退火工藝后，兩個(gè)η型重?fù)诫s區(qū)21a、21b中 的雜質(zhì)經(jīng)過橫向擴(kuò)散，有可能仍然無法在淺槽隔離結(jié)構(gòu)22a、22b之間相連接，而仍然是獨(dú) 立的兩塊摻雜區(qū)。針對這種可能發(fā)生的情況，本發(fā)明給出了改進(jìn)的雙極晶體管的集電區(qū)埋 層的制造方法，在上述方法的第2步中，不僅在整個(gè)雙極晶體管器件最外圍的淺溝槽20a、 20b的底部進(jìn)行高劑量、低能量的離子注入，而且在雙極晶體管器件的中間(通常為基區(qū)所 在位置)進(jìn)行高劑量、高能量地離子注入。所述“高能量”是指，離子注入能量一般應(yīng)大于 30keV，從而獲得較大的離子射程，最終在硅襯底20中形成至少三個(gè)重?fù)诫s區(qū)，這些摻雜區(qū) 最好位于大致相同的深度。這樣經(jīng)過退火工藝后通過橫向擴(kuò)散連為一體，形成雙極晶體管 的集電區(qū)埋層。至于何時(shí)需要采用上述改進(jìn)工藝，可以在具體制造工藝參數(shù)確定后，先通過軟件 TCAD以基本工藝(即圖3 圖3d、圖2所示工藝)模擬，如果軟件模擬的結(jié)果是兩個(gè)重?fù)?雜區(qū)21a、21b在高溫退火后無法連為一體，則需要采用上述改進(jìn)工藝中的任何一種或結(jié)合使用。請參閱圖4，根據(jù)TCAD軟件模擬的本發(fā)明雙極性晶體管的結(jié)果來看，在圖2所示 A-A位置橫截面(即集電區(qū)埋層)的ρ型雜質(zhì)濃度，在基區(qū)下方的濃度最低，這樣雜質(zhì)上擴(kuò) 到集電區(qū)表面很少，不會影響到雙極性晶體管的集電區(qū)和基區(qū)的結(jié)擊穿電壓。而且由于贗 埋層注入是高劑量、低能量的注入，贗埋層的濃度較大，而結(jié)面積較小，埋層與襯底間的寄 生結(jié)電容較小。本發(fā)明可以在兩個(gè)淺槽隔離結(jié)構(gòu)中打孔填充導(dǎo)電材料將集電區(qū)埋層和集電區(qū)引 出端相連通。
權(quán)利要求
1.一種雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法，其特征是，包括如下步驟第1步，在硅襯底00)中以淺槽隔離工藝刻蝕淺溝槽OOa)、(20b)；所述淺溝槽的深 度小于2μπι;第2步，在所述淺溝槽(20a)、(20b)的底部以離子注入工藝注入雜質(zhì)，從而在襯底00) 中接近所述淺溝槽(20a), (20b)底部的區(qū)域形成摻雜區(qū)(21a), (21b)；第3步，在所述淺溝槽QOa)、QOb)中填充介質(zhì)，形成淺槽隔離結(jié)構(gòu)0加)、； 第4步，對硅片進(jìn)行高溫退火工藝，所述摻雜區(qū)(21a)、(21b)橫向擴(kuò)散并在所述淺槽隔 離結(jié)構(gòu)(22a)、(22b)之間相連接形成贗埋層； 所述贗埋層為所述雙極晶體管的集電區(qū)埋層；第5步，對在贗埋層之上且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)0加)、(22b)之間的襯底OO)以離 子注入工藝進(jìn)行一次或多次的雜質(zhì)注入，從而將贗埋層21之上且在淺槽隔離結(jié)構(gòu)(22a)、 (22b)之間的襯底OO)變?yōu)閾诫s區(qū)03)；所述摻雜區(qū)(23)的摻雜濃度小于贗埋層的 摻雜濃度所述摻雜區(qū)為所述雙極晶體管的集電區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法，其特征是，對于NPN雙極晶體管，所述方法第1步中，硅襯底OO)為ρ型；所述方法第2步中，注 入η型雜質(zhì)，形成η型重?fù)诫s區(qū)Ola)、(21b)；所述方法第4步中，形成η型重?fù)诫s贗埋層 (21)；所述方法第5步中，注入η型雜質(zhì)，形成η型摻雜區(qū)Q3)；對于PNP雙極晶體管，所述方法第1步中，硅襯底00)為η型；所述方法第2步中，注 入P型雜質(zhì)，形成P型重?fù)诫s區(qū)Ola)、(21b)；所述方法第4步中，形成ρ型重?fù)诫s贗埋層 (21)；所述方法第5步中，注入ρ型雜質(zhì)，形成ρ型摻雜區(qū)03)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法，其特征 是，所述方法第2步中，離子注入以高劑量、低能量的方式進(jìn)行；所述高劑量，對于磷、砷、銻、銦，離子注入劑量為IX IO14 IX IO"5原子每平方厘米； 對于硼、氟化硼，離子注入劑量為5X IO13 IX IO16原子每平方厘米； 所述低能量，是離子注入能量小于30keV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法，其特征是，所述方法第2步中，還在所述淺溝槽(20a)、(20b)之間的硅襯底OO)以離子注入工藝 進(jìn)行高劑量、高能量的雜質(zhì)注入，從而在硅襯底OO)中形成至少三個(gè)摻雜區(qū)； 所述高能量，是離子注入能量大于30keV ；所述方法第4步中，所述至少三個(gè)摻雜區(qū)橫向擴(kuò)散并在所述淺槽隔離結(jié)構(gòu)0加)、 (22b)之間連為一體形成贗埋層01)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙極晶體管的集電區(qū)和集電區(qū)埋層的制造工藝方法，一方面以離子注入和退火工藝制造贗埋層(21)即集電區(qū)埋層，贗埋層(21)的面積較小，因而后續(xù)工藝中不再需要深槽隔離結(jié)構(gòu)對贗埋層(21)進(jìn)行分割。另一方面，本發(fā)明以離子注入工藝制造摻雜區(qū)(23)即集電區(qū)，取代了成本較高的外延工藝。本發(fā)明簡化了制造方法，從而節(jié)約了制造成本。
文檔編號H01L21/331GK102117749SQ200910202080
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者張海芳, 徐炯 , 朱東園, 范永潔, 邱慈云, 錢文生, 陳帆 申請人:上海華虹Nec電子有限公司