CN101131960A - 采用磷埋技术的双极型悬浮pnp管双外延制作工艺 - Google Patents

采用磷埋技术的双极型悬浮pnp管双外延制作工艺 Download PDF

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Abstract

采用磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺是一种在双极型悬浮PNP管双外延制作工艺中采用磷埋技术的工艺方法，该方法为投料、氧化、磷埋光刻、腐蚀、磷埋注入、磷埋退火、硼埋一光刻、注入、硼埋一退火、第一次外延、锑埋光刻、注入、锑埋退火、硼埋二光刻、注入、硼埋退火、第二次外延、N阱光刻、注入、N阱退火、深磷扩散、隔离扩散、P－、基区注入、P+注入、P+退火、发射区注入、发射区退火接触孔光刻、腐蚀、一铝溅射、介质淀积、通孔光刻、刻蚀、二铝溅射、压点光刻，刻蚀：刻出芯片压点区域。该工艺方法可减小悬浮PNP管饱和压降，提高电路输出功率。

Description

采用磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺
技术领域
本发明是一种在双极型悬浮PNP管双外延制作工艺中采用磷埋技术的工艺方法，属于半导体制作技术领域。
背景技术
随着半导体技术的发展，对于功放类集成电路的技术要求越来越高，希望能在尽可能小的芯片上输出尽可能大的功率。为此，功放类集成电路的输出级设计就显的尤为关键。目前功放电路使用较多的输出级结构如图1所示，图中T1，T2复合而成的PNP型管与NPN型管T3构成互补形式输出。当输入信号为正半周时，T1，T2导通，T3截止，输出管饱和压降取决于T1管饱和压降+T2管Vbe；当输入信号为负半周时，T1，T2截止，T3导通，饱和压降取决于T3管饱和压降。众所周知，电路饱和压降越小，输出功率越大。由此可见，以上电路的输出功率主要受制于T1管饱和压降，因为T1管一般为横向PNP管，饱和压降较大。当采用双外延工艺制作悬浮PNP管的技术出现后，悬浮PNP管饱和压降就可以做的很小，且电流能力较强，因此双外延悬浮PNP管可以直接用作输出管取代上图中的T1，T2管，如图2所示，这样既可以降低输出级饱和压降，提高电路输出功率，又可以减小芯片面积，降低成本。
目前国外及国内只有少数几个厂家掌握双外延工艺，并且均采用锑埋技术，而锑埋浓度不能做的较淡，否则悬浮PNP管集电极与衬底容易穿通失效，锑埋浓度做浓的后果会补偿较多的硼埋(即悬浮PNP管集电极)浓度，这样就限制了悬浮PNP管饱和压降进一步减小，影响了电路输出功率的进一步提高。
常规双外延工艺采用锑埋作为第一次外延的N型埋层，工艺流程如图3所示，在这个工艺平台下，最终形成的悬浮PNP管纵向结构如图5所示，其基本单管参数如下：β＝100～140/Ic＝1mA，BVceo＝37～40V，BVcbo＝50～60V，BVebo＝19～20V。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了减小悬浮PNP管饱和压降，提高电路输出功率。采用磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺，即在制作悬浮PNP管的双外延工艺中采用磷埋技术，磷埋剂量较淡，可补偿较少的硼埋(即悬浮PNP管集电极)浓度。
技术方案：从芯片面积上来说，采用磷埋双外延技术与常规采用锑埋双外延技术芯片面积大小相同，不需额外增加芯片面积，仅工艺过程有所不同。
我司采用磷埋双外延工艺制作悬浮PNP管的材料片为P型<100>晶向，电阻率为10～20Ω·cm，工艺流程如图4所示，工艺步骤如下：
1.投料：采用P型基片，晶向为<100>，
2.氧化：厚度5000～10000，
3.磷埋光刻、腐蚀：在悬浮PNP管N埋部位刻出光刻窗口，
4.磷埋注入：在悬浮PNP管N埋部位注入磷，注入能量50KeV～120KeV，注入剂量5E13～1E14，杂质为磷，
5.磷埋退火：退火温度为1050℃～1200℃，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气，
6.硼埋一光刻、注入：在悬浮PNP管集电区部位注入硼，注入能量50KeV～100KeV，注入剂量1E14～5E14，杂质为硼，
7.硼埋一退火：退火温度1050℃～1200℃，通入60分钟氮气，
8.第一次外延：在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度5微米～10微米，
9.锑埋光刻、注入：注入部位为NPN管埋层区，悬浮PNP管部位未注，注入能量50KeV～100KeV，注入剂量1E15～8E15，杂质为锑，
10.锑埋退火：退火温度1100℃～1200℃，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气，
11.硼埋二光刻、注入：注入部位为悬浮PNP管集电区，注入能量50KeV～100KeV，注入剂量1E15～8E15，杂质为硼；硼埋二与硼埋一共同形成悬浮PNP管集电极，
12.硼埋退火：退火温度为1050℃～1200℃，通入60分钟氮气，
13.第二次外延：在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度7微米～11微米，
14.N阱光刻、注入：注入部位为悬浮PNP管基区，注入能量50KeV～100KeV，注入剂量3E12～5E13，杂质为磷，
15.N阱退火：退火温度1000℃～1160℃，通入30分钟氮气，
16.深磷扩散：扩散部位为NPN管集电区，悬浮PNP管部位未做，深磷预扩1000℃～1100℃，先通15分钟氮气和氧气，接着通50分钟磷源，最后通5分钟氮气和氧气；深磷再扩为1100℃～1200℃，先通5分钟氧气，接着通45分钟氢气和氧气，最后通5分钟氧气，
17.隔离扩散：扩散部位为悬浮PNP管集电区以及隔离槽，目的是将悬浮PNP管集电区引至圆片上表面，再通过铝引线从上表面引出。隔离预扩为600℃～900℃，先通10分钟氮气和氧气，接着通20分钟硼源，最后通10分钟氮气和氧气；隔离再扩为1100℃～1200℃，通入50分钟氮气和氧气，
18.P-、基区注入：注入部位为P-电阻区、基区电阻区及NPN管基区，悬浮PNP管未注，
19.P+注入：注入部位为悬浮PNP管发射区，集电区的欧姆接触区，以及横向PNP管发射区、集电区。注入能量为50KeV～100KeV，剂量为1E15～2E15，杂质为硼，
20.P+退火：退火温度1050℃～1130℃，通入30分钟氮气，
21.发射区注入：注入部位为悬浮PNP管基极欧姆接触区，以及NPN管发射区、集电区欧姆接触区，注入能量50KeV～100KeV，剂量为5E15～2E16，杂质为磷，
22.发射区退火：退火温度1050℃～1130℃，通入30分钟氮气，
23.接触孔光刻、腐蚀：采用干法加湿法的方法刻蚀，以形成良好的表面状态，
24.一铝溅射：溅射1.0～1.5微米铝硅，
25.介质淀积：淀积10000～20000埃氮化硅，
26.通孔光刻、刻蚀：刻出一铝与二铝之间连接的通孔区域，
27.二铝溅射：溅射2～3微米铝硅，采用厚铝，为提高电路能力，
28.压点光刻，刻蚀：刻出芯片压点区域。
在这个工艺平台下，最终形成的悬浮PNP管纵向结构如图6所示，基本单管参数如下：β＝100～140/Ic＝1mA，BVceo＝37～40V，BVcbo＝50～60V，BVebo＝19～20V。
有益效果：通过比较，我们可以看出，在采用锑埋技术的双外延工艺中，因锑埋浓度较硼埋一大，因此，锑埋补偿硼埋一较多，造成硼埋一剩余杂质总量较小；而在采用磷埋技术的双外延工艺中，因磷埋浓度较硼埋一淡，因此磷埋补偿硼埋一较少，硼埋一剩余杂质总量较大。而决定悬浮PNP管饱和压降的，主要是硼埋浓度(硼埋一+硼埋二)，硼埋浓度越浓，悬浮PNP管集电极串联电阻越小，饱和压降也就越小。因此采用磷埋技术的双外延悬浮PNP管，其饱和压降肯定优于采用锑埋技术的双外延悬浮PNP管。
我司通过实验，比较了采用磷埋双外延工艺制作的悬浮PNP管与采用锑埋工艺制作的悬浮PNP管，发现在相同的悬浮PNP管面积下，磷埋工艺比锑埋工艺管子饱和压降减少约20％。数据如下：悬浮PNP管面积均为692*124μm2，采用常规锑埋双外延工艺，其饱和压降为0.22V/Ic＝100mA；采用磷埋双外延工艺，其饱和压降为0.18V/Ic＝100mA。因此，达到相同的饱和压降，采用磷埋技术的双外延工艺制作的悬浮PNP管，其面积可比采用锑埋技术缩小约20％，这在半导体集成电路产品成本压力日益增大的今天，无疑将产生极大的竞争力，从而有利于推动功放类集成电路不断向更高要求发展。
附图说明
图1是常规功放电路输出级结构。
图2是采用悬浮PNP管输出级结构。
图3是常规锑埋技术双外延工艺流程。
图4是采用磷埋技术双外延工艺流程。
图5是常规锑埋技术双外延工艺制作的悬浮PNP管纵向结构图。
图6是采用磷埋技术双外延工艺制作的悬浮PNP管纵向结构图。
具体实施方式
采用磷埋技术的双外延工艺具体实施方式如下：
1.投料：P型基片，晶向<100>，
2.氧化：厚度8000，
3.磷埋光刻、腐蚀：刻出悬浮PNP管N埋区域窗口，
4.磷埋注入：注入能量80KeV，注入剂量8E13；杂质为磷，将悬浮PNP管N埋区域注入磷，
5.磷埋退火：退火温度为1100℃，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气，
6.硼埋一光刻、注入：注入区域为悬浮PNP管集电区，注入能量80KeV，注入剂量2.4E14，杂质为硼，
7.硼埋一退火：退火温度1100℃，通入60分钟氮气，
8.第一次外延：N型外延，厚度7μm，电阻率2.0Ω·cm，
9.锑埋光刻、注入：注入区域为NPN管埋层区域，悬浮PNP管区域未注，注入能量60KeV，剂量2.6E15，杂质为锑，
10.锑埋退火：退火温度1100℃，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气，
11.硼埋二光刻、注入：注入区域为悬浮PNP管集电区，注入能量60KeV，剂量为1.2E15，杂质为硼。硼埋二与硼埋一共同形成了悬浮PNP管集电极。
12.硼埋退火：退火温度为1100℃，通入60分钟氮气，
13.第二次外延：N型外延，厚度9μm，电阻率2.5Ω·cm，
14.N阱光刻、注入：注入区域为悬浮PNP管基区，注入能量为80KeV，剂量为1E13，杂质为磷，此注入形成悬浮PNP管基区，
15.N阱退火：退火温度1100℃，通入30分钟氮气，
16.深磷扩散：扩散区域为NPN管集电区，悬浮PNP管区域未做。深磷预扩1050℃，先通15分钟氮气和氧气，接着通50分钟磷源，最后通5分钟氮气和氧气；深磷再扩为1100℃，先通5分钟氧气，接着通45分钟氢气和氧气，最后通5分钟氧气，
17.隔离扩散：扩散区域为悬浮PNP管集电区以及隔离槽，目的是将悬浮PNP管集电区引至圆片上表面，再通过铝引线从上表面引出。隔离预扩为800℃，先通10分钟氮气和氧气，接着通20分钟硼源，最后通10分钟氮气和氧气；隔离再扩为1150℃，通入50分钟氮气和氧气，
18.P-、基区注入：注入区域为P-电阻区、基区电阻区及NPN管基区，悬浮PNP管未注，
19.P+注入：注入区域为悬浮PNP管发射区，集电区的欧姆接触区，以及横向PNP管发射区、集电区；注入能量为60KeV，剂量为1.5E15，杂质为硼，此注入形成悬浮PNP管发射区以及集电区欧姆接触区，
20.P+退火：退火温度1100℃，通入30分钟氮气，
21.发射区注入：注入区域为悬浮PNP管基极欧姆接触区，以及NPN管发射区、集电区欧姆接触区，注入能量80KeV，剂量为1.0E16，杂质为磷，此注入形成悬浮PNP管基极欧姆接触区，
22.发射区退火：退火温度1100℃，通入30分钟氮气，
23.接触孔光刻、腐蚀：采用干法加湿法的方法刻蚀，以形成良好的表面状态。
24.一铝溅射：溅射1.2微米铝硅，
25.介质淀积：淀积16000埃氮化硅，
26.通孔光刻、刻蚀：刻出一铝与二铝之间连接的通孔区域，
27.二铝溅射：溅射2.5微米铝硅，采用厚铝，为提高电路能力，
28.压点光刻，刻蚀：刻出芯片压点区域。

Claims (1)

1.一种采用磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺，其特征在于该工艺具体如下：
1)投料：               采用P型基片，晶向为<100>，
2)氧化：               厚度5000～10000，
3)磷埋光刻、腐蚀：     在悬浮PNP管N埋部位刻出光刻窗口，
4)磷埋注入：           在悬浮PNP管N埋部位注入磷，注入能量50KeV～
                       120KeV，注入剂量5E13～1E14，杂质为磷，
5)磷埋退火：           退火温度为1050℃～1200℃，先通300分钟氮气，再
                       通120分钟氧气，
6)硼埋一光刻、注入：   在悬浮PNP管集电区部位注入硼，注入能量50KeV～
                       100KeV，注入剂量1E14～5E14，杂质为硼，
7)硼埋一退火：         退火温度1050℃～1200℃，通入氮气，
8)第一次外延：         在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度5微米～10微米，
9)锑埋光刻、注入：     注入部位为NPN管埋层区，悬浮PNP管部位未注，
                       注入能量50KeV～100KeV，注入剂量1E15～8E15，
                       杂质为锑，
10)锑埋退火：          退火温度1100℃～1200℃，先通300分钟氮气，再
                       通120分钟氧气，
11)硼埋二光刻、注入：  注入部位为悬浮PNP管集电区，注入能量50KeV～
                       100KeV，注入剂量1E15～8E15，杂质为硼。硼埋
                       二与硼埋一共同形成悬浮PNP管集电极，
12)硼埋退火：          退火温度为1050℃～1200℃，通入60分钟氮气，
13)第二次外延：        在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度7微米～11微米，
14)N阱光刻、注入：     注入部位为悬浮PNP管基区，注入能量50KeV～100KeV，
                       注入剂量3E12～5E13，杂质为磷，
15)N阱退火：           退火温度1000℃～1160℃，通入30分钟氮气，
16)深磷扩散：          扩散部位为NPN管集电区，悬浮PNP管部位未做，深磷预
                       扩1000℃～1100℃，先通15分钟氮气和氧气，接着通
                     50分钟磷源，最后通5分钟氮气和氧气；深磷再扩为1100
                     ℃～1200℃，先通5分钟氧气，接着通45分钟氢气和
                     氧气，最后通5分钟氧气，
17)隔离扩散：        扩散部位为悬浮PNP管集电区以及隔离槽，目的是将悬浮
                     PNP管集电区引至圆片上表面，再通过铝引线从上表面引
                     出；隔离预扩为600℃～900℃，先通10分钟氮气和氧气，
                     接着通20分钟硼源，最后通10分钟氮气和氧气；隔离再
                     扩为1100℃～1200℃，通入50分钟氮气和氧气，
18)P-、基区注入：    注入部位为P-电阻区、基区电阻区及NPN管基区，悬浮
                     PNP管未注，
19)P+注入：          注入部位为悬浮PNP管发射区，集电区的欧姆接触区，以
                     及横向PNP管发射区、集电区。注入能量为50KeV～100
                     KeV，剂量为1E15～2E15，杂质为硼，
20)P+退火：          退火温度1050℃～1130℃，通入30分钟氮气，
21)发射区注入：      注入部位为悬浮PNP管基极欧姆接触区，以及NPN管发射
                     区、集电区欧姆接触区，注入能量50KeV～100KeV，剂量
                     为5E15～2E16，杂质为磷，
22)发射区退火：      退火温度1050℃～1130℃，通入30分钟氮气，
23)接触孔光刻、腐蚀：采用干法加湿法的方法刻蚀，以形成良好的表面状态，
24)一铝溅射：        溅射1.0～1.5微米铝硅，
25)介质淀积：        淀积10000～20000埃氮化硅，
26)通孔光刻、刻蚀：  刻出一铝与二铝之间连接的通孔区域，
27)二铝溅射：        溅射2～3微米铝硅，采用厚铝，为提高电路能力，
28)压点光刻，刻蚀：  刻出芯片压点区域。
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