CN100358154C - 双极型功率晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及打算用于射频应用的、特别是用于无线电基站中的放大级的双极型功率晶体管，以及制造该双极型功率晶体管的方法。该功率晶体管包括：衬底(13)；在该衬底(13)上的外延集电极层(15)；以及在该集电极层(15)内形成的基极(19)和发射极(21)。该集电极层的掺杂程度Nc(x)从其上表面(24)起朝下变化到该集电极层的至少一半的深度，该变化基本上按照至少第2阶的多项式来进行，a0+a1x+a2x2…，其中，a0是在上表面(24)处的掺杂程度，x是离同一表面(24)的垂直距离，a1、a2、…是常数。该晶体管还可包括在该外延集电极层(15)与位置较高的金属连接层(31、33)之间的至少约2μm厚的绝缘氧化层(17)。
Description
技术领域
本发明涉及打算用于射频应用的、特别是用于无线电基站中的放大级的垂直双极型功率晶体管，以及制造该双极型功率晶体管的方法。
现有技术
用于在高频下进行功率放大的双极型晶体管必须符合许多在特定的电源电压和工作频率下的涉及功率放大系数、耐久性、击穿电压、噪声、失真、电容、输入和输出阻抗等的详细的要求。用于现代通信电子学的工作频率可在射频和微波区域内变动。对于输出功率，要求从几瓦至几百瓦间变动，其中，在后者的情况下，使用在一个封壳内的几个并联连接的元件。功率晶体管以高的信号电平和高的电流密度来工作。目前存在的计算机工具还不能详细地模拟在实际应用中的工作情况或性能。
在至少工作于频率为3GHz以下的功率晶体管中用得最多的半导体材料是硅。再有，根据电子与空穴相比的高的迁移率，主要使用npn型的功率晶体管。通常，该晶体管结构是垂直型的，其集电极的接点在硅衬底的背面一侧。以外延方式在该衬底上淀积集电极层。通过在该外延层中的、来自上部的扩散或离子注入来形成基极和发射极。通过改变在集电极、基极和发射极中的掺杂程度，可得到不同类型的频率和击穿电压特性。不同的水平尺寸给出具有不同的电流容量的晶体管。
当输出信号的大小不能精确地与输入信号成比例时，产生了失真。有源的半导体结构、诸如双极型晶体管和场效应晶体管，总是根据非线性的输入/输出特性还根据在高频下进行耦合的期间内内部和外部的寄生元件，来产生非线性的输出信号。在双极型结构中的非线性比在场效应晶体管中的非线性更复杂，这是因为前者的指数性的输入/输出的关系的缘故。
输出晶体管的线性、或没有失真这一点确定了用于通信系统的重要的参数，例如，与相邻的频道的干扰，因此，确定了在相邻的频道之间所必须的频率容限。
在不改变晶体管的形状或材料的情况下，不能减少在双极型功率晶体管的输入和输出信号之间的基本的非线性关系。但是，减少诸如电容的寄生元件是比较容易实现的，因此，最重要的应该是在晶体管的输出方面的寄生元件，这些元件主要是由基极-集电极电容和寄生的金属-衬底电容形成。
从W.P.Dumke，“用于减少电容的晶体管集电极掺杂”，IBMTechnical Disclosure Bulletin，Vol.26，No.2，July 1983，一文可知，通过在外延集电极内产生变化的掺杂分布，可减少npn型的双极型高速晶体管的基极-集电极电容。施主浓度ND.C.从1019～1018朝向衬底最低降到该外延层内的1016，然后再次增加到接近于在与基极邻近的表面处的1017。
发明的公开
本发明的目的在于提供这样一种垂直双极型功率晶体管，该晶体管包括：衬底；在该衬底上的外延集电极层；以及在该外延层内形成的基极和发射极，该晶体管具有较高的性能，特别是具有经过改善的线性。
该目的是通过减少dC/dV值并从而减少所谓的C(V)偏斜(swing)来实现的。该减少是通过以下述方式对功率晶体管集电极进行掺杂来实现的，即，所得到的掺杂分布NC与该集电极的深度x有很强的依赖关系，即，NC＝NC(x)。
更详细地说，外延集电极层的掺杂程度NC(x)从邻近于基极的表面起朝下到该集电极层的至少一半的深度处发生变化，该变化基本上按照至少第2阶的多项式来进行，a0+a1x+a2x2+…，其中，a0是在邻近于基极的表面处的掺杂程度，x是离同一表面的垂直距离，a1、a2、…是常数。掺杂程度最好按照a0+anxn来变化，其中，n＞＞1，或按照a0eBx来变化，其中，B是常数。
该晶体管最好还包括在外延集电极层与位置较高的金属连接层之间的厚的绝缘氧化层。
按照根据本发明的用于双极型晶体管的制造方法，通过在外延集电极层的淀积期间内按照递减的方式供给掺杂物质，对外延集电极层进行掺杂。在另一种方式下，将外延集电极层作为多层结构来淀积，其中，每一个和所有的组成层具有恒定的掺杂程度，其后，以下述方式对该外延层进行热处理，使所得到的掺杂分布变成基本上平滑的。能以恒定的厚度和非线性地递减的掺杂程度，或以递增的厚度和线性地递减的掺杂程度来淀积该多层结构中的组成层。
按照另一种方法，以恒定的掺杂程度对外延集电极层进行掺杂，其后通过穿过该外延集电极层的上表面注入相反的导电类型的离子、接着通过利用热处理的推进(drive-in)来产生所谓的“反掺杂”。
本发明的一个优点在于，当利用按照本发明的方法对晶体管集电极进行掺杂时，功率晶体管的线性有很大的改善。通过适当地选择掺杂分布的数值，可进一步改善其它性能，例如，击穿电压、上限频率和放大系数。
当使用厚的场氧化层时，可进一步改善功率晶体管的性能。在该情况下，可减少基极金属-集电极电容。
附图的描述
以下参照附图更详细地描述本发明，示出该附图只是为了说明本发明，因而，无论如何不能限制本发明。
图1a示出按照本发明的、打算用于高频应用的垂直双极型功率晶体管的剖面的细节。
图1b示出在图1a中示出的双极型功率晶体管的掺杂分布，即，作为深度的函数的掺杂程度。
优选实施例
在图1中，11表示打算用于高频应用的按照本发明的垂直双极型功率晶体管的细节。该功率晶体管包括衬底13，在其上淀积外延层15。该层15，最好是n型掺杂的，形成该功率晶体管集电极的整体或一部分。该衬底13可以是n型掺杂的，它也形成集电极的一部分。由此，在该衬底的下面一侧形成集电极接点。
在另一种方式下，该衬底13可以是p型掺杂的，或是这样一种半导体材料，其中，在衬底13与外延层15之间生成亚集电极(subcollector)，在该外延层的上面一侧生成该集电极接点。在图中未示出这种所谓的“埋入层”方法。
在外延集电极层15中，邻近于该集电极层的上表面处形成第1p型掺杂区19，该区形成该功率晶体管的基极。再者，在该第1区19中形成邻近于该集电极层的上表面的第2n型掺杂区21。该第2区21形成该功率晶体管的发射极。
该功率晶体管的基极和发射极也可在分离的层中形成(在图1中未示出)。
按照本发明，该功率晶体管也可包括绝缘氧化层17、绝缘层27和金属连接层31、33，以下将对这些层作更详细的描述。
在基极19与集电极15之间的过渡电容本来就是非线性的。由此，当在基极-集电极过渡区上的电压变化时，在频谱中产生许多非线性的现象，即，谐波。在高的信号强度的转换时，在基极-集电极过渡区上的电压在零与2倍电源电压(一般是50-60V)之间变化，这一点引起基极-集电极电容的非常大的变化。
通过在集电极的掺杂分布中具有梯度，可减少基极-集电极电容的变分dC/dV，因此，可改善在高的信号强度放大时的线性。在邻近于基极19的表面24处，掺杂程度应是最低的，以便接着朝向衬底13逐步地增加。
按照本发明，该外延集电极层的掺杂程度NC(x)从邻近于该基极19的表面24起朝下到该集电极层的至少一半的深度处发生变化，该变化基本上按照至少第2阶的多项式来进行，
NC(x)＝a0+a1x+a2x2+…
其中，a0是在邻近于基极19的表面24处的掺杂程度，x是离同一表面24的垂直距离，a1、a2、…是常数。
有利的是，该集电极层的掺杂程度可基本上按照
NC(x)＝a0+anxn来变化，
其中，n＞＞1。
掺杂程度也可基本上按照
NC(x)＝a0eBx来变化，
其中，B是常数。
在图1b中示出按照图1a中的虚线23在深度方向上的该垂直双极型功率晶体管的掺杂分布。在此，一起示出了发射极的掺杂分布Ne、基极的掺杂分布Nb、集电极的掺杂分布Nc和衬底的掺杂程度Ns。要注意，示出的是掺杂分布的对数，x＝0在基极-集电极的过渡区24处，以及，发射极和基极的深度被夸大地示出。典型的发射极深度的值为0.31μm，基极的深度的值为0.25μm，集电极深度的值为6.0μm。
在集电极层的上表面14处的掺杂程度a0和常数a1、a2、a3、…、B分别通过考虑双极型功率晶体管的其它重要参数以及实际上可实现的情况来确定。例如，已制造了下述的功率晶体管，其
在大于约4μm的深度处的最大掺杂程度约为2·1015cm-3。
采用适当地选择的外延集电极的掺杂分布的数值，可改善除线性外的其它的性能，例如，击穿电压、上截止频率和放大系数。如果不考虑这些参数，则有下述危险：即，直流和功率性能会变差，而且不能实现总体上的改善。以下描述这些参数的一部分。
·发射极-集电极击穿电压(BVCEO)和基极一集电极击穿电压(BVCBO)：对于高频应用的功率晶体管，击穿电压BVCEO是限制性的参数。BVCEO大于电源电压是有利的，该击穿一般在集电极表面24下的约1μm处发生。BVCBO必须大于2倍电源电压，该击穿一般在集电极表面24下的约4-6μm处发生。BVCBO与BVCEO即经验性地彼此关联(BVCEO正比于BVCBO)。也可通过在整个集电极层中进行掺杂来减少BVCEO(大的影响)或通过减少所谓的β值来减少BVCEO(小的影响)。掺杂的减少引起BVCBO即增加，基极外推(push-out)增加(见下面的说明)和在集电极层中的欧姆损耗增加。模拟和实验已显示出，外延集电极层15的较浅的部分可具有较低的掺杂程度(由此改善BVCEO)，而不改变BVCBO或使基极外推变差。
·基极外推：在大电流下，外延集电极层15的较深的部分导致外推发生。随着外延集电极层15的较深的部分中的掺杂程度的增加，该外推减少。在相同的条件下，所谓的β值会增加，但这对实际应用来说不是关键性的。
·信号放大系数和截止频率fT：这些参数一般由基极的特性所限制。但是，如果在高的电流电平下基极外推减少，则信号放大系数和fT将得到改善，这将给出更高的饱和输出功率。
一般来说，可按照两种不同的方法来制造按照本发明的、具有变化的掺杂程度的功率晶体管：在淀积外延集电极层15的期间内加入掺杂物质使之达到可变的程度和反掺杂。以下，描述这些方法。
按照第1种制造方法，当生长外延层15时，在该工艺期间内，以非线性的递减的程度加入掺杂物质。在表面24处得到最低的掺杂程度，该掺杂分布的梯度必须是基本上平滑的。在另一种方式下，使外延层15由不同的厚度和/或掺杂程度的几层组成，其中每一层具有均匀的掺杂分布。最好以恒定的厚度和非线性地减少的掺杂程度或以增加的厚度和线性地递减的掺杂程度来淀积这些层。因为工艺流程包括几个稍后发生的加热阶段，故在最终的功率晶体管中，外延层的分立的掺杂分布将变换为平滑的连续的掺杂分布。该方法提供高的灵活性，但可能不适用于大量的生产。
按照第2种制造方法，将相反的导电类型的掺杂物质加入到均匀地掺杂的外延集电极层15中。例如，如果集电极层是n型掺杂的，则穿过集电极的上表面进行一种或几种p型离子的注入，其后通过热处理产生推进(drive in)。在该情况下，掺杂分布的梯度变得基本上平滑，并且，在表面24处得到最低的有效的掺杂程度。在通常的工艺流程中可较为简单地实施该方法，但不能给出很多的灵活性。
可采取的减少基极-集电极电容的进一步的步骤，按照本发明，是使用厚的绝缘氧化层17。
将基极19和发射极21分别导电性地连接到第1和第2金属连接层31、33上。在图1a的剖面图中，只示出发射极至连接层33的连接。该功率晶体管在横方向上可具有所谓的叉指结构，例如，如在US5,488,252中描述的那样。
金属连接层31、33利用绝缘氧化层17至少部分地与外延层15分离开。该功率晶体管还可包括部分地在该绝缘氧化层17上的绝缘层27。通过使用厚的、其厚度最好至少约2μm的绝缘氧化层17，在金属化期间内该功率晶体管的性能得到显著的改善。
按照本发明的垂直双极型功率晶体管是可靠的，并具有高性能，特别是低的失真。
通过按照NC＝a0+a1x+a2x2...对外延集电极进行掺杂，其中，a0是在邻近于基极的表面处的掺杂程度，x是离所述表面的垂直距离，a1、a2、...是常数，特别是按照NC＝a0+anxn对外延集电极进行掺杂，其中，n＞＞1，可减少C(V)偏斜，而且，在大信号的偏斜期间内，功率晶体管的线性可得到极为显著的改善。
通过使用厚度厚的、至少约2μm的绝缘氧化层，功率晶体管的性能可得到显著的改善。
通过在该集电极的外延层的较深的部分中具有非常高的掺杂程度，能以下述的方式来改变很多参数，即，使晶体管的总体的性能得到改善。
本发明自然不限于上面描述的和在图中示出的实施例，而是可在后附的权利要求的范围内进行修正。特别是，本发明不由材料、尺寸或大小来限定。例如，本发明可在硅和混合型半导体，例如，诸如砷化镓的III-V半导体中来实现。再者，该双极型功率晶体管可以是pnp型的。
Claims (29)
1.一种用于射频应用的垂直双极型功率晶体管，包括：衬底(13)；在该衬底(13)上的第1导电类型的集电极层(15)；邻近于该集电极层的上表面的第2导电类型的第1区(19)；以及邻近于该第1区(19)的所述第1导电类型的第2区(21)，其特征在于：
该集电极层的掺杂程度Nc(x)从其上表面(24)起朝下到该集电极层的至少一半的深度处发生变化，该变化基本上按照至少第2阶的多项式来进行，a0+a1x+a2x2+...，其中，a0是在上表面(24)处的掺杂程度，x是离同一表面(24)的垂直距离，a1、a2、...是常数。
2.如权利要求1所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
该集电极层的掺杂程度Nc(x)基本上按照a0+anxn来变化，其中，n＞＞1。
3.如权利要求1或2所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
该集电极层的掺杂程度Nc(x)基本上按照a0eBx来变化，其中，B是常数。
4.如权利要求1或2所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
将第1和第2区(19、21)分别导电性地连接到第1和第2金属连接层(31、33)上，利用厚的绝缘氧化层(17)将这些金属连接层(31、33)至少部分地与外延层(15)分离开。
5.如权利要求1或2所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
该集电极层(15)由硅构成。
6.如权利要求1或2所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
该集电极层(15)由混合型半导体构成。
7.如权利要求6所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述混合型半导体是砷化镓。
8.如权利要求1或2所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
9.如权利要求3所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
10.如权利要求4所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
11.如权利要求5所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
12.如权利要求6所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
13.如权利要求7所述的垂直双极型功率晶体管，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
14.一种用于射频应用的垂直双极型功率晶体管的制造方法，该垂直双极型功率晶体管包括：衬底(13)；在该衬底(13)上的第1导电类型的集电极层(15)；邻近于该集电极层的上表面(24)的第2导电类型的第1区(19)；以及邻近于该第1区(19)的所述第1导电类型的第2区(21)，其特征在于：
以下述方式对该集电极层(15)进行掺杂，即，其掺杂程度(Nc(x))从其上表面(24)起朝下到该集电极层的至少一半的深度处发生变化，该变化基本上按照至少第2阶的多项式来进行，a0+a1x+a2x2+...，其中，a0是在上表面(24)处的掺杂程度，x是离同一表面(24)的垂直距离，a1、a2、...是常数。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
以下述方式对该集电极层(15)进行掺杂，即，其掺杂程度(Nc(x))基本上按照a0+anxn来变化，其中，n＞＞1。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
以下述方式对该集电极层(15)进行掺杂，即，其掺杂程度(Nc(x))基本上按照a0eBx来变化，其中，B是常数。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于：
在该集电极层(15)的淀积期间内，通过按照减少的方式供给掺杂物质，对该集电极层(15)进行掺杂。
18.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于：
将该集电极层(15)作为多层结构来淀积，其中，每一个和所有的组成层具有恒定的掺杂程度，并且，以下述方式对该集电极层(15)进行热处理，即，使所得到的掺杂分布(Nc(x))变成基本上平滑的。
19.如权利要求18中所述的方法，其特征在于：
以恒定的厚度和非线性地递减的掺杂程度来淀积该多层结构中的组成层。
20.如权利要求18中所述的方法，其特征在于：
以递增的厚度来淀积该多层结构中的组成层。
21.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于：
首先对该集电极层(15)进行掺杂，使其达到恒定的掺杂程度，其后加入第2导电型的掺杂物质，之后对所得到的该结构进行热处理。
22.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于：
在该集电极层(15)内或在该集电极层(15)上设置至少约2μm厚的绝缘氧化层(17)，至少部分地在绝缘氧化层(17)上设置第1和第2金属连接层(31、33)，并将该第1和第2金属连接层(31、33)分别导电性地连接到第1和第2区(19、21)上。
23.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
24.如权利要求如权利要求17所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
25.如权利要求如权利要求18所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
26.如权利要求如权利要求19所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
27.如权利要求如权利要求20所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
28.如权利要求如权利要求21所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
29.如权利要求如权利要求22所述的方法，其特征在于：
所述射频应用是无线电基站中的放大级。
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