CN101986434A - 一种横向双极晶体管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向双极晶体管及其制作工艺，发射极和集电极位于晶体管表面，基极位于晶体管背面。由此带来的好处是：1、缓解了击穿电压与工作电流的矛盾，可以提高器件的工作频率与带宽、输出功率、线性功率；2、散热面积大大增加，器件散热性能得到极大改善。同时，集电极移到表面后芯片可以直接烧结在铜底座上，这样进一步提高了散热性能，同时还大大降低了管壳的成本；3、共基极应用时，由于本技术背面是基极，可以省去金丝引线，从而把引线电感对器件频率、功率、稳定性的不利影响减到极小；4、散热的改善也大大提高了器件的可靠性和抗失配能力。

Description

一种横向双极晶体管及其制作方法

技术领域

本发明是一种适用于微波功率晶体管生产的结构和工艺，属于半导体微电子设计制造技术领域。

背景技术

目前，国际上传统结构的双极型射频晶体管由于材料限制、工艺限制、结构限制，在微波功率、线性功率等方面已经基本做到物理极限，大功率输出往往只能短脉冲应用，已经难以适应现代雷达对作用距离、作用效能和对抗效果越来越高的要求；很多应用领域已经被LDMOS、GaAs、GaN等抢占。

以往常规的双极型微波功率晶体管采用纵向结构，表面分别是发射极和基极，背面是集电极。这种结构在微波功率管的设计制造中，主要有如下四个方面的难点：1.为了提高输出功率，必须提高击穿电压和器件的最大输出电流，但这两者是相互矛盾的，常规结构只能折衷设计。限制了输出功率的进一步提高。2.随着工作频率越来越高，器件的面积必须越来越小。导致功率器件的热效应越来越严重。很多情况下，只能短脉冲工作，使得双极型器件的应用范围受到很大限制。3.器件的输出电容随工作电压变化较大，线性较差，难以满足现代通讯和有线电视要求。4.当工作频率进入微波频段后，管芯的引线电感也成为一个重要的限制因素；由于互感的存在，引线电感随数目成对数下降，而输出电容却成正比增加，从而限制了器件输出功率的发挥，同时还影响器件的稳定性，极易使输入阻抗实部变负，导致严重自激。

发明内容

发明目的：本发明为了克服现有技术中存在的不足，提出一种可以大幅改善器件的散热性能，提高微波输出功率的横向双极晶体管及其制作工艺。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出的一种横向双极晶体管，发射极和集电极位于晶体管表面，基极位于晶体管背面。采用该结构从而缓解了击穿电压与工作电流的矛盾，提高了器件的工作频率与带宽、输出功率、线性功率。散热面积大大增加，同时，集电极移到表面后芯片可以直接烧结在铜底座上，提高了散热性能。共基极应用时，由于本技术背面是基极，省去了金丝引线。

一种横向双极晶体管的制作方法，包括以下工艺步骤：

1)选择掺硼硅衬底，电阻率≤0.006Ω·cm；在该衬底上外延高阻p型硅外延层，电阻率100Ω·cm～1000Ω·cm，外延层厚度5μm-20μm；

2)光刻形成集电区漂移区注入窗口图形，注入P^-，注入剂量(2-4)×1012cm^-2，能量120KeV-160KeV；

3)注入推进：在950℃～1100℃的温度下，通N₂ 30～120分钟；

4)用LPCVD工艺在硅片表面淀积

SiO₂钝化层；

5)光刻形成基极接地窗口图形，ICP刻

SiO₂+Si槽深10μm-20μm；

6)浓硼扩散：在980℃～1050℃的温度下，通N₂ 10分钟～30分钟；

7)用LPCVD工艺在硅片表面淀积1.5um-2.1um多晶硅；

8)用RIE回刻，使硅片表面平坦化，将表面SiO₂用氢氟酸腐蚀干净；

9)光刻形成基区注入窗口图形，注入BF₂ ⁺，注入剂量(4-6)×10¹³cm^-2，能量60KeV，形成基区；

10)用LPCVD工艺在硅片表面分别淀积

SiO₂和

掺砷多晶硅；

11)光刻漂移区，刻蚀

多晶硅、

SiO₂；

12)LPCVD掺砷多晶硅薄膜，厚度为

13)垂直刻蚀

多晶硅，

14)用LPCVD工艺在硅片表面淀积

SiO₂，形成发射极：950℃～1000℃的温度下，通N₂ 10分钟-30分钟；

15)光刻并干法刻蚀

形成发射极和集电极接触窗口；

16)溅射Ti

光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μm-2.5μm；反刻形成金属电极，即发射极E和集电极C；

17)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μm-100μm；对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗；蒸发Ti

形成下电极，即基极。

有益效果：本发明的提出的一种横向双极晶体管及其制作工艺，与现有技术相比具有以下优点：1、缓解了击穿电压与工作电流的矛盾，可以提高器件的工作频率与带宽、输出功率、线性功率；2、散热面积大大增加，器件散热性能得到极大改善；同时，集电极移到表面后芯片可以直接烧结在铜底座上，这样进一步提高了散热性能；3、共基极应用时，由于本技术背面是基极，可以省去金丝引线，从而把引线电感对器件频率、功率、稳定性的不利影响减到极小；4、散热的改善也大大提高了器件的可靠性和抗失配能力。

附图说明

图1为常规双极晶体管示意图；

图2为本发明的一种双极晶体管的半个子胞；

图3至图12为本发明制作工艺步骤说明示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

其中：1、发射极；2、基极；3、掺砷多晶硅；4、集电极；5、不掺杂多晶硅；6、N⁺⁺单晶硅，7、N^-单晶硅，8、P⁺⁺单晶硅，9、P单晶硅，10、P^--单晶硅；11、SiO2；12、基区；13、漂移区。(附图标号与文中文字部分不能完全对应，请进一步说明；附图中无图13)

如图1所示常规双极晶体管示意图。以往常规的双极型微波功率晶体管采用纵向结构，表面分别是发射极1和基极2，背面是集电极4。这种结构在微波功率管的设计制造中，主要有如下四个方面的难点：1.为了提高输出功率，必须提高击穿电压和器件的最大输出电流，但这两者是相互矛盾的；常规结构只能折衷设计，限制了输出功率的进一步提高。2.随着工作频率越来越高，器件的面积必须越来越小，导致功率器件的热效应越来越严重；很多情况下，只能短脉冲工作，使得双极型器件的应用范围受到很大限制。3.器件的输出电容随工作电压变化较大，线性较差，难以满足现代通讯和有线电视要求，市场被LDMOS及GaAs等器件占领。4.当工作频率进入微波频段后，管芯的引线电感也成为一个重要的限制因素。由于互感的存在，引线电感随数目成对数下降，而输出电容却成正比增加，从而限制了器件输出功率的发挥，同时还影响器件的稳定性，极易使输入阻抗实部变负，导致严重自激。

如图2所示本发明的一种横向双极晶体管的半个子胞，发射极1和集电极4位于晶体管表面，基极2位于晶体管背面。该结构相当于是二维结构，集电区浓度由离子注入条件决定，集电区的耗尽层宽度既受集电极电压的控制，又受基极埋层和基极场板控制，使得集电区很快耗尽，大大缓解了击穿电压与工作电流的矛盾，可以输出更大的微波功率，还明显提高了器件的线性输出功率。由于基极面积对寄生电容影响很小(常规的双极型器件基极面积与寄生电容成正比)，可以设计很宽，这样，散热面积大幅度增加，器件散热性能得到极大改善。同时，集电极4移到表面后芯片可以直接烧结在铜底座上，而常规的纵向结构的芯片必须烧结在有氧化铍的底座上，这样进一步提高了散热性能，同时还降低了管壳的成本。从而大大提高了器件的连续波或长脉宽的输出功率。高频下电路组态一般采用共基极2应用，由于本技术背面是基极2，可以省去金丝引线，从而把引线电感对器件频率、功率、稳定性的不利影响减到极小。散热的改善也大大提高了器件的可靠性和抗失配能力。

如图3至图12所示的本发明的制作工艺步骤示意图，其工艺步骤如下：

1)选择掺硼硅衬底，电阻率≤0.006Ω·cm；在该衬底上外延高阻p型硅外延层，电阻率100Ω·cm～1000Ω·cm，外延层厚度5μm-20μm；

2)光刻形成集电区漂移区13注入窗口图形，注入P^-10，注入剂量(2-4)×10¹²cm^-2，能量120KeV-160KeV；

3)注入推进：在950℃～1100℃的温度下，通N₂ 30～120分钟；

4)用LPCVD工艺在硅片表面淀积

SiO₂11钝化层；

5)光刻形成基极2接地窗口图形，ICP刻

SiO₂11+Si槽深10μm-20μm；

6)浓硼扩散：在980℃～1050℃的温度下，通N₂ 10分钟～30分钟；

7)用LPCVD工艺在硅片表面淀积1.5um-2.1um多晶硅；

8)用RIE回刻，使硅片表面平坦化。将表面SiO₂11用氢氟酸(HF)腐蚀干净；

9)光刻形成基区12注入窗口图形，注入BF₂ ⁺，注入剂量(4-6)×10¹³cm^-2，能量60KeV，形成基区12；

10)用LPCVD工艺在硅片表面分别淀积

SiO₂和

掺砷多晶硅3；

11)光刻漂移区13，刻蚀多晶硅、

SiO₂11。

12)LPCVD掺砷多晶硅3薄膜，厚度为

13)垂直刻蚀

多晶硅，

14)用LPCVD工艺在硅片表面淀积

SiO₂11，形成发射极1：950℃～1000℃的温度下，通N₂ 10分钟-30分钟；

15)光刻并干法刻蚀

SiO₂11形成发射极1和集电极4接触窗口；

16)溅射Ti

光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μm-2.5μm；反刻形成金属电极，即发射极1和集电极4；

17)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μm-100μm；对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗；蒸发Ti形成下电极，即基极2。

采用以上工艺制作的器件获得了良好的效果：

1、直流大电流测试结果表明，虽然横向双极晶体管采用了较小的镇流电阻(约是常规设计的1/2～1/3)，但镇流效果明显好于常规双极器件。把横向双极晶体与常规双极器件(两者发射极周长相同)装单胞进行热像对比测试，横向双极晶体显示了非常优异的热性能。

2、输出电容随电压下降明显快于常规的双极器件，且由于横向双极晶体的漂移区13的掺杂浓度明显高于常规的双极器件，基区12宽变效应大大减轻，预计线性应明显好于常规的双极器件。模拟结果表明横向双极晶体的三次谐波仅是常规双极器件的1/6。

3、微波测试结果表明，横向双极晶体最大功率、增益都优于常规的双极器件，尤其在长脉宽(或连续波)条件下，优势更加明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种横向双极晶体管，包括发射极(1)、基极(2)和集电极(4)，其特征在于：发射极(1)和集电极(4)位于晶体管表面，基极(2)位于晶体管背面。

2.一种制作权利要求1所述横向双极晶体管的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)选择掺硼硅衬底；在该衬底上外延高阻p型硅外延层；

2)光刻形成集电区漂移区(13)注入窗口图形，注入P^-(10)；

3)注入推进：在950℃～1100℃的温度下，通N₂30～120分钟；

4)用LPCVD工艺在硅片表面淀积SiO₂(11)钝化层；

5)光刻形成基极(2)接地窗口图形，ICP刻

SiO₂(11)+Si槽深10μm-20μm；

6)浓硼扩散：在980℃～1050℃的温度下，通N₂10分钟～30分钟；

7)用LPCVD工艺在硅片表面淀积1.5um-2.1um多晶硅；

8)用RIE回刻，使硅片表面平坦化，将表面SiO₂(11)腐蚀干净；

9)光刻形成基区(12)注入窗口图形，注入BF₂ ⁺，形成基区(12)；

10)用LPCVD工艺在硅片表面分别淀积SiO₂(11)和

掺砷多晶硅(3)；

11)光刻漂移区(13)，刻蚀

多晶硅、

SiO₂(11)；

12)LPCVD掺砷多晶硅(3)薄膜，厚度为

13)垂直刻蚀

多晶硅，

14)用LPCVD工艺在硅片表面淀积

SiO₂(11)，形成发射极(1)：950℃～1000℃的温度下，通N₂10分钟-30分钟；

15)光刻并干法刻蚀

SiO₂(11)形成发射极(1)和集电极(4)接触窗口；

16)溅射Ti

/WN

/Au；光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μm-2.5μm；反刻形成金属电极，即发射极(1)E和集电极(4)C；

17)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μm-100μm；对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗；蒸发Ti

/Ni

/Au形成下电极，即基极(2)。

3.根据权利要求2所述的一种横向双极晶体管的制作方法，其特征在于：掺硼硅衬底电阻率≤0.006Ω·cm。

4.根据权利要求2所述的一种横向双极晶体管的制作方法，其特征在于：高阻p型硅电阻率100Ω·cm～1000Ω·cm，外延层厚度5μm-20μm。

5.根据权利要求2所述的一种横向双极晶体管的制作方法，其特征在于：P^-(10)注入剂量为(2-4)×10¹²cm^-2，能量120KeV-160KeV。

6.根据权利要求2所述的一种横向双极晶体管的制作方法，其特征在于：硅片表面SiO₂(11)用氢氟酸干净。

7.根据权利要求2所述的一种横向双极晶体管的制作方法，其特征在于：BF₂ ⁺注入剂量为(4-6)×10¹³cm^-2，能量60KeV。

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