BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域,特别是涉及一种BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管,本发明还涉及该BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的制造方法。
背景技术
在射频应用中,需要越来越高的器件特征频率。在BiCMOS工艺技术中,NPN三极管,特别是锗硅异质结三极管(SiGe HBT)或者锗硅碳异质结三极管(SiGeC HBT)则是超高频器件的很好选择。并且SiGe工艺基本与硅工艺相兼容,因此SiGe HBT已经成为超高频器件的主流之一。在这种背景下,其对输出器件的要求也相应地提高,比如具有不小于15的电流增益系数和截止频率。
现有技术中输出器件能采用垂直型寄生PNP三极管,现有BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的集电极的引出通常先由一形成于浅槽隔离(STI)即浅槽场氧底部的埋层或阱和器件的集电区相接触并将集电区引出到和集电区相邻的另一个有源区中、通过在该另一个有源区中形成金属接触引出集电极。这样的做法是由其器件的垂直结构特点所决定的。其缺点是器件面积大,集电极的连接电阻大。由于现有技术中的集电极的引出要通过一和集电区相邻的另一个有源区来实现、且该另一个有源区和集电区间需要用STI或者其他场氧来隔离,这样就大大限制了器件尺寸的进一步缩小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管,能用作高速、高增益HBT电路中的输出器件,为电路提供多一种器件选择,能在不增加器件面积的情况下减小PNP器件的集电极电阻、提高PNP器件的增益、提高器件的性能;本发明还提供该BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的制造方法,无须额外的工艺条件,能够降低生产成本。
为解决上述技术问题,本发明提供的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管,形成于硅衬底上,有源区由浅槽场氧隔离,所述垂直寄生型PNP三极管包括:
一集电区,在各所述有源区中形成有P型离子注入区,各所述有源区的P型离子注入区深度大于或等于所述浅槽场氧的底部深度并且相互连接,所述集电区由形成于第一有源区中的一P型离子注入区组成。
一赝埋层,由形成于所述集电区两侧的所述浅槽场氧底部的P型离子注入区组成,所述赝埋层横向延伸进入所述第一有源区并和所述集电区形成接触;所述赝埋层还横向延伸进入第二有源区和第三有源区中并和所述第二有源区和第三有源区中的P型离子注入区形成接触,所述第二有源区和第三有源区为位于所述第一有源区两侧并和所述第一有源区隔离有所述浅槽场氧的所述有源区;通过在所述第二有源区和第三有源区顶部形成金属接触引出集电极。
一基区,由形成于所述集电区上部并和所述集电区相接触的一N型离子注入区组成。
一发射区,由形成于所述基区上方的一P型离子注入层和一P型多晶硅组成,直接通过一金属接触引出所述发射极。
一N型多晶硅,所述N型多晶硅形成于所述基区上部并和所述基区相接触,通过在所述N型多晶硅上做金属接触引出基极。
进一步改进是,各所述有源区的P型离子注入的注入杂质为硼,分两步注入实现:第一步注入剂量为1e11cm-2~5e13cm-2、注入能量为100keV~300keV;第二步注入剂量为5e11cm-2~1e13cm-2、注入能量为30keV~100keV。
进一步改进是,所述赝埋层是在浅沟槽形成后、浅槽场氧填入前通过P型离子注入并进行退火推进形成,所述赝埋层的P型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为小于15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。
进一步改进是,所述赝埋层的退火温度为900℃~1000℃。
进一步改进是,所述基区是在浅沟槽形成后、浅槽场氧填入前通过N型离子注入形成,所述基区的N型离子注入要穿过所述有源区上的氮化硅硬质掩模,所述基区的N型离子注入的工艺条件为:注入杂质为磷或者砷、能量条件为100Kev~300Kev、剂量为1e12cm-2~1e14cm-2。
进一步改进是,所述氮化硅硬质掩模的厚度为300埃~800埃。
进一步改进是,所述N型多晶硅采用离子注入工艺进行掺杂,掺杂工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为150keV~200keV、注入杂质为砷或磷。
进一步改进是,所述发射区的所述P型多晶硅是在多晶硅中进行P型离子注入形成,所述P型离子注入层通过对所述P型多晶硅进行退火推进使所述P型多晶硅中的P型离子推进到所述基区中形成;所述P型多晶硅的P型离子注入工艺条件为:注入剂量为大于1e15cm-2、注入能量为3keV~15keV、注入杂质为硼或二氟化硼,所述P型多晶硅的退火推进的温度为950℃~1050℃、时间为5秒~20秒。
进一步改进是,所述P型多晶硅和所述N型多晶硅通过第一介质层隔离,所述第一介质层为氧化硅、氮化硅、氧化硅加氮化硅或氮氧化硅加氮化硅。
为解决上述技术问题,本发明提供的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的制造方法,包括如下步骤:
步骤一、采用刻蚀工艺在硅衬底上形成有源区和浅沟槽。
步骤二、在第一有源区进行N型离子注入形成基区;所述基区的深度小于所述浅沟槽的底部深度。
步骤三、在所述浅沟槽底部进行P型离子注入形成赝埋层。
步骤四、进行退火工艺,所述赝埋层横向和纵向扩散进入所述第一有源区、第二有源区和第三有源区中,所述第二有源区和第三有源区为位于所述第一有源区两侧并和所述第一有源区隔离有所述浅沟槽的所述有源区。
步骤五、在所述浅沟槽中填入氧化硅形成浅槽场氧。
步骤六、在各所述有源区中进行P型离子注入形成各所述有源区的P型离子注入区,各所述有源区的P型离子注入区的深度大于或等于所述浅槽场氧的底部深度并和所述赝埋层形成接触,所述第一有源区的P型离子注入区组成集电区。
步骤七、在所述硅衬底上形成第一介质层,刻蚀所述第一介质层并在所述基区上方形成发射区窗口和基区引出区域;所述发射区窗口小于所述有源区大小,所述基区引出区域处于所述发射区窗口两侧并通过所述第一介质层和所述发射区窗口隔离。
步骤八、在所述硅衬底上形成一多晶硅,并刻蚀所述多晶硅形成互相隔离的第一多晶硅和第二多晶硅,所述第一多晶硅形成于所述发射区窗口上、所述第二多晶硅形成于所述基区引出区域上。
步骤九、对所述第一多晶硅进行P型离子注入形成P型多晶硅,对所述第二多晶硅进行N型离子注入形成N型多晶硅。
步骤十、对所述硅衬底进行退火推进,退火时所述P型多晶硅的P型离子推进到所述基区中形成P型离子注入层,由所述P型多晶硅和所述P型离子注入层组成发射区。
步骤十一、在所述第二有源区和第三有源区顶部形成金属接触引出集电极;在所述N型多晶硅的顶部形成金属接触引出基极;在所述P型多晶硅的顶部形成金属接触引出发射极。
进一步改进是,步骤一中的刻蚀工艺采用氮化硅硬质掩模,所述氮化硅硬质掩模形成于所述硅衬底的所述有源区表面上,步骤二中的所述基区的N型离子注入是穿过所述氮化硅硬质掩模注入到所述有源区中,所述基区的N型离子注入的工艺条件为:注入杂质为磷或者砷、能量条件为100Kev~300Kev、剂量为1e12cm-2~1e14cm-2。
进一步改进是,步骤三中所述赝埋层的P型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为小于15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。
进一步改进是,步骤四中的退火的工艺条件为:温度为900℃~1100℃,时间为10分钟~100分钟。
进一步改进是,步骤六中各所述有源区的P型离子注入的注入杂质为硼,分两步注入实现:第一步注入剂量为1e11cm-2~5e13cm-2、注入能量为100keV~300keV;第二步注入剂量为5e11cm-2~1e13cm-2、注入能量为30keV~100keV。
进一步改进是,步骤七中所述第一介质层为氧化硅、氮化硅、氧化硅加氮化硅或氮氧化硅加氮化硅。
进一步改进是,步骤九中所述P型多晶硅的P型离子注入工艺条件为:注入剂量为大于1e15cm-2、注入能量为3keV~15keV、注入杂质为硼或二氟化硼,步骤十中的退火推进的温度为950℃~1050℃、时间为5秒~20秒。
进一步改进是,步骤九中所述N型多晶硅的N型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为150keV~200keV、注入杂质为砷或磷。
本发明的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管,具有较大的电流放大系数和较好的频率特性,能用作高速、高增益HBT电路中的输出器件,为电路提供多一种器件选择;本发明器件通过采用先进的重掺杂P型赝埋层在所述集电区和集电区的引出端实现连接并引出集电极,能在不增加器件的面积的情况下有效的减少器件的集电极的电阻、能提高器件的频率特性;本发明器件通过采用多晶硅发射极,能够使器件的基极电流减小、而集电极电流不变,从而能够提高PNP器件的电流增益。本发明的制造方法采用现有BiCMOS工艺条件,能降低生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是本发明实施例BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的结构示意图;
图2A-图2G是本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管在制造过程中的结构示意图;
图3A是TCAD模拟的本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的输入特性曲线;
图3B是TCAD模拟的本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的增益曲线;
图3C是本发明采用多晶硅接触的发射极和现有的采用金属接触的发射极的发射结处的载流子浓度曲线比较图。
具体实施方式
如图1所示,是本发明实施例BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的结构示意图,本发明实施例BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管,形成于P型硅衬底1上并在所述P型硅衬底1上形成有N型深阱2,有源区由浅槽场氧3隔离即为浅沟槽隔离(STI),所述垂直寄生型PNP三极管包括:
一集电区,在各所述有源区中形成有P型离子注入区7,各所述有源区的P型离子注入区7深度大于或等于所述浅槽场氧3的底部深度并且相互连接,所述集电区由形成于第一有源区中的一P型离子注入区7组成。各所述有源区的P型离子注入的注入杂质为硼,分两步注入实现:第一步注入剂量为1e11cm-2~5e13cm-2、注入能量为100keV~300keV;第二步注入剂量为5e11cm-2~1e13cm-2、注入能量为30keV~100keV。
一赝埋层6,由形成于所述集电区两侧的所述浅槽场氧3底部的P型离子注入区组成,所述赝埋层6横向延伸进入所述第一有源区并和所述集电区形成接触;所述赝埋层6还横向延伸进入第二有源区和第三有源区中并和所述第二有源区和第三有源区中的P型离子注入区7形成接触,所述第二有源区和第三有源区为位于所述第一有源区两侧并和所述第一有源区隔离有所述浅槽场氧3的所述有源区;通过在所述第二有源区和第三有源区顶部形成金属接触14引出集电极。所述赝埋层6是在浅沟槽形成后、浅槽场氧3填入前通过P型离子注入并进行退火推进形成,所述赝埋层6的P型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为小于15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。所述赝埋层6的退火温度为900℃~1000℃。
一基区5,由形成于所述集电区上部并和所述集电区相接触的一N型离子注入区组成。所述基区5是在浅沟槽形成后、浅槽场氧3填入前通过N型离子注入形成,所述基区5的N型离子注入要穿过所述有源区上的氮化硅硬质掩模,所述基区5的N型离子注入的工艺条件为:注入杂质为磷或者砷、能量条件为100Kev~300Kev、剂量为1e12cm-2~1e14cm-2。所述氮化硅硬质掩模的厚度为300埃~800埃。
一发射区,由形成于所述基区5上方的一P型离子注入层12和一P型多晶硅11组成,直接通过一金属接触14引出所述发射极。所述发射区的所述P型多晶硅11是在多晶硅中进行P型离子注入形成,所述P型离子注入层12通过对所述P型多晶硅11进行退火推进使所述P型多晶硅11中的P型离子推进到所述基区5中形成;所述P型多晶硅11的P型离子注入工艺条件为:注入剂量为大于1e15cm-2、注入能量为3keV~15keV、注入杂质为硼或二氟化硼,所述P型多晶硅11的退火推进的温度为950℃~1050℃、时间为5秒~20秒,所述P型多晶硅11的退火推进的具体值和CMOS管的源漏注入的退火条件相同。
一N型多晶硅10,所述N型多晶硅10形成于所述基区5上部并和所述基区5相接触,通过在所述N型多晶硅10上做金属接触14引出基极。所述N型多晶硅10采用离子注入工艺进行掺杂,掺杂工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为150keV~200keV、注入杂质为砷或磷。所述P型多晶硅11和所述N型多晶硅10通过第一介质层隔离,所述第一介质层为氧化硅、氮化硅、氧化硅加氮化硅或氮氧化硅加氮化硅。在所述N型多晶硅10、所述P型多晶硅11上形成有硅化物13,最后通过金属连线15实现器件的互连。
如图2A-图2G所示,为本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管在制造过程中的结构示意图,本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的制造方法包括如下工艺步骤:
步骤一、如图2A所示,采用刻蚀工艺在硅衬底1上形成有源区和浅沟槽3A,并进行N型离子注入形成N型深阱2。刻蚀工艺采用氮化硅硬质掩模4,所述氮化硅硬质掩模4的形成方法为首先在所述硅衬底1上生长一氮化硅层、再通过光刻刻蚀工艺将要形成所述浅沟槽3A的区域的所述氮化硅层去除、使所述氮化硅硬质掩模4只覆盖于所述硅衬底1的各所述有源区表面上。其中所述氮化硅硬质掩模4的厚度为300埃~800埃。
步骤二、如图2B所示,在第一有源区进行N型离子注入形成基区5;所述基区5的深度小于所述浅沟槽3A的底部深度。所述基区5的N型离子注入是穿过所述氮化硅硬质掩模4注入到所述有源区中,所述基区5的N型离子注入的工艺条件为:注入杂质为磷或者砷、能量条件为100Kev~300Kev、剂量为1e12cm-2~1e14cm-2。
步骤三、如图2C所示,在所述浅沟槽3A底部进行P型离子注入形成赝埋层6。所述赝埋层6的P型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为小于15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。
步骤四、如图2D所示,进行退火工艺,所述赝埋层6横向和纵向扩散进入所述第一有源区、第二有源区和第三有源区中,所述第二有源区和第三有源区为位于所述第一有源区两侧并和所述第一有源区隔离有所述浅沟槽3A的所述有源区。退火的工艺条件为:温度为900℃~1100℃,时间为10分钟~100分钟。
步骤五、如图2E所示,去除所述氮化硅硬质掩模4并在所述浅沟槽3A中填入氧化硅形成浅槽场氧3。
步骤六、如图2E所示,在各所述有源区中进行P型离子注入形成各所述有源区的P型离子注入区7,各所述有源区的P型离子注入区7的深度大于或等于所述浅槽场氧3的底部深度并和所述赝埋层6形成接触,所述第一有源区的P型离子注入区7组成集电区。各所述有源区的P型离子注入采用现有的CMOSP阱注入工艺,注入杂质为硼,分两步注入实现:第一步注入剂量为1e11cm-2~5e13cm-2、注入能量为100keV~300keV;第二步注入剂量为5e11cm-2~1e13cm-2、注入能量为30keV~100keV。
步骤七、如图2F所示,在所述硅衬底1上形成第一介质层8,刻蚀所述第一介质层8并在所述基区5上方形成发射区窗口和基区引出区域;所述发射区窗口小于所述有源区大小,所述基区引出区域处于所述发射区窗口两侧并通过所述第一介质层8和所述发射区窗口隔离。所述第一介质层8为氧化硅、氮化硅、氧化硅加氮化硅或氮氧化硅加氮化硅。
步骤八、如图2F所示,在所述硅衬底1上形成一多晶硅9。如图2G所示,刻蚀所述多晶硅9形成互相隔离的第一多晶硅和第二多晶硅,所述第一多晶硅形成于所述发射区窗口上、所述第二多晶硅形成于所述基区引出区域上。
步骤九、如图2G所示,对所述第一多晶硅进行P型离子注入形成P型多晶硅11,对所述第二多晶硅进行N型离子注入形成N型多晶硅10。所述P型多晶硅11的P型离子注入工艺条件为:注入剂量为大于1e15cm-2、注入能量为3keV~15keV、注入杂质为硼或二氟化硼。所述N型多晶硅10的N型离子注入的工艺条件为:注入剂量为1e14cm-2~1e16cm-2、能量为150keV~200keV、注入杂质为砷或磷。
步骤十、如图2G所示,对所述硅衬底1进行退火推进,退火推进的温度为950℃~1050℃、时间为5秒~20秒,所述退火推进的具体值和CMOS管的源漏注入的退火条件相同,退火时所述P型多晶硅11的P型离子推进到所述基区5中形成P型离子注入层12,由所述P型多晶硅11和所述P型离子注入层12组成发射区。
步骤十一、如图1所示,在所述第二有源区和第三有源区顶部形成金属接触14引出集电极;在所述N型多晶硅10的顶部形成金属接触14引出基极;在所述P型多晶硅11的顶部形成金属接触14引出发射极。其中,在所述N型多晶硅10、所述P型多晶硅11上还形成有硅化物13,最后通过金属连线15实现器件的互连。在形成所述集电极的金属接触前还包括在所述第二有源区和第三有源区中形成P型重掺杂区的步骤,所述P型重掺杂区的掺杂浓度满足和所述集电极的金属接触形成欧姆接触的要求。
如图3A和3B所示,分别为TCAD模拟的本发明实施例的BiCMOS工艺中的垂直寄生型PNP三极管的输入特性曲线和增益曲线。从中可以看出,由于采用了先进的重掺杂P型赝埋层来引出集电极,能在不增加器件的面积的情况下,有效地减少集电极的电阻,从而有助与提高器件的频率特性。另外,多晶硅发射极使PNP管的增益提高;而其他特性,比如输入特性却不会受影响。
相对于现有的单晶硅发射极,多晶硅发射极可以使基极电流减小,而集电极电流不变,从而可以使PNP的电流增益得到提高。如图3C所示,是本发明采用多晶硅接触的发射极和现有的采用金属接触的发射极的发射结处的载流子浓度曲线比较图,其中所述发射结出的载流子为少数载流子,在本实施例中少数载流子为电子。可以看出,同样的发射结宽度,采用金属接触(点划线)的电子浓度(在发射结内为少子)梯度较大,而采用多晶硅接触(实线)的电子浓度梯度较小。即采用多晶硅接触的发射极流向基极的电流小于采用金属接触的发射极流向基极的电流。即采用多晶硅接触的发射极具有较大的电流增益。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明,但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下,本领域的技术人员还可做出许多变形和改进,这些也应视为本发明的保护范围。