CN102931220A - 锗硅异质结双极型三极管功率器件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗硅异质结双极型三极管功率器件，包括：一集电区，由N型埋层、N型外延加上第一离子注入区和第二离子注入区组成；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，包括硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，和本征基区形成接触，多晶硅中进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结。本发明还公开了一种所述三极管的制造方法。本发明提高器件的击穿电压、输出功率增益和工作频率，并降低集电极的电阻、集电极-基极电容、外基区串联电阻。

Description

锗硅异质结双极型三极管功率器件及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种锗硅异质结双极型三极管功率器件。本发明还涉及所述锗硅异质结双极型三极管功率器件的制作方法。

背景技术

常规的锗硅异质结双极型三极管要求在一定的击穿电压下有尽可能高的截止频率，主要影响截止频率的是基区及基区-集电区结形成的耗尽区的渡越时间。截止频率与渡越时间成反比，而渡越时间正比于基区及结耗尽区的宽度。结耗尽区宽度又与发射极到集电极的击穿电压成正比。所以，为在相同的击穿电压下得到更高的截止频率，需要基区宽度越窄越好。同时，发射区-基区结也需要较浅，以符合高频要求。

功率器件的要求则有所不同，需要有足够的功率增益。功率增益除了与截止频率成正比外，还与基区电阻及基区-集电区结电容成反比。所以降低基区电阻及基区-集电区结电容是得到高增益的关键。另外，为得到高输出功率，功率管面积都很大，而发射极-基极都是重掺杂的，与器件面积成正比的隧穿漏电而非结的雪崩效应决定了器件的击穿电压，而较低的击穿电压会引起较高的漏电流。如何解决这些问题是功率器件实现工业应用的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅异质结双极型三极管功率器件，可以提高发射极-基极结的击穿电压和器件的输出功率增益，并且降低集电极电阻、集电极-基极电容和外基区串联电阻；为此，本发明还提供一种所述锗硅异质结双极型三极管功率器件的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明的锗硅异质结双极型三极管功率器件，形成于P型硅衬底上，有源区由场氧区隔离，所述三极管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被场氧区隔离的N型外延加上第一离子注入区和第二离子注入区组成；所述第一离子注入区位于N型埋层上并和所述N型外延形成连接，所述第二离子注入区位于场氧区之间的N型外延中；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；

一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，其包括一本征基区和一外基区，所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于所述场氧区上部且用于形成基区电极；所述锗硅外延层包括硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，和所述本征基区形成接触，所述多晶硅中进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结。

优选的，所述N型埋层的离子注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV，所注入的离子为砷。

优选的，所述第一离子注入区的注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV，所注入的离子为磷。

优选的，所述N型外延的离子注入剂量为10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3，N型外延的厚度为0.8μm～2μm。

优选的所述第二离子注入区为选择性N型离子注入。

优选的，所述硅缓冲层的厚度为100～300埃；所述锗硅层的厚度为400～800埃，其中100～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-2；所述硅帽层的厚度为300～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3。

优选的，所述发射极-基极结的深度为300～500埃。

本发明还提供所述锗硅异质结双极型三极管功率器件的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，在P型硅衬康上进行注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV的N型离子注入，再进行高温退火，退火温度在1050～1150℃之间，退火时间在60分钟以上，形成N型埋层；

步骤二，在N型埋层上进行厚度为0.8μm～2μm、掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3的低N-掺杂外延生长，并通过热氧化形成场氧区隔离；

步骤三，在N型埋层上进行注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV的N型离子注入，形成第一离子注入区；

步骤四，在隔离区之间的N型外延中进行选择N型离子注入，形成低电阻底座的第二离子注入区；

步骤五，用外延法生长锗硅外延层，该锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100～300埃；所述锗硅层的厚度为400～800埃，其中100～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为300～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3；

步骤六，在锗硅外延层上淀积介质膜，刻蚀形成发射区窗口；

步骤七，在有氧环境下快速退火形成一厚度小于10埃的氧化层，然后淀积在位掺杂多晶硅，并先后离子注入磷和砷，通过光刻刻蚀形成多晶硅发射极，并进行自对准发射极多晶硅的外基区P型离子注入以降低基区电阻；

步骤八，进行退火推进，温度为900～1100℃，时间为10～100秒，将多晶硅中的磷和砷推过硅帽层后进入本征基区，形成深度在300～500埃的发射极-基极结；

步骤九，淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。

其中优选的，步骤六中介质膜为氧化硅或氮化硅或者氧化硅加氮化硅或者氮氧化硅加氮化硅。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过增加锗硅基区硅帽层的厚度，并将硼高掺杂浓度区相对硅帽层恰当放置，以及发射区的在位掺杂多晶硅浓度及离子注入剂量的优化，最终器件经热退火扩散并激活，可形成较低离子浓度的发射极-基极结，从而提高结的击穿电压；

2、本发明综合采用了低电阻的埋层通道，选择性N型离子注入形成的低电阻底座，以及高掺杂硼的锗硅基区，有效地增大了的发射极窗口下有电操作性能的器件的面积与总面积之比，大大提高了在同样面积下器件的输出功率增益，并保持了高工作频率；

3、本发明采用了低电阻的埋层通道和选择性N型离子注入形成的低电阻底座，可大大降低集电极的电阻；外基区由高掺杂硼的氧化层扩散进入硅单晶，可有效地降低外基区的串联电阻，同时由于扩散较浅，与准自对准结构相比，基极-集电极电容会小得多；同时，自对准的器件结构降低了外基区到发射极窗口的距离，进一步降低了外基区的串联电阻；

4、将发射极-基极结远离发射极窗口并形成于含锗的区域内，可提升器件的线性度；另外，将基极-集电极结同样形成于含锗的区域内，可进一步提高器件的输出功率增益。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例的锗硅异质结双极型三极管功率器件的结构示意图；

图2-图4是本发明实施例的锗硅异质结双极型三极管功率器件制造过程中的器件截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的锗硅异质结双极型三极管功率器件，形成于P型硅衬底1上，有源区由场氧区4隔离，所述三极管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底1上的N型埋层2、形成于N型埋层2上被场氧区4隔离的N型外延3加上第一离子注入区5和第二离子注入区6组成；所述第一离子注入区5位于N型埋层2上并和所述N型外延3形成连接，所述第二离子注入区6位于场氧区4之间的N型外延3中；所述N型埋层2的掺杂浓度大于所述N型外延3的掺杂浓度；

一基区，由形成于N型外延3上的锗硅外延层7组成，其包括一本征基区和一外基区，所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于所述场氧区4上部且用于形成基区电极；所述锗硅外延层7包括硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，和所述本征基区形成接触，所述发射极多晶硅8中进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结。

如图2至图4所示，上述的锗硅异质结双极型三极管功率器件的制造方法，具体的实施步骤如下：

工艺步骤1，如图2所示，在P型硅衬底1上进行高剂量(10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2)、中能量(50KeV～100KeV)的N型离子注入，离子最好是砷，它足够重可防止在后续的退火工艺的进一步扩散，又不会对硅基产生显著的损伤；注入后进行高温退火，温度在1050℃～1150℃之间，退火时间在60分钟以上，形成低电阻的N型埋层2通道；

工艺步骤2，如图2所示，进行低N-掺杂的外延成长，厚度在0.8μm～2.0μm之间，掺杂浓度在10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3，然后通过常规的热氧化形成场氧区4隔离；

工艺步骤3，如图2所示，进行高剂量(10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2)、中能量(50KeV～100KeV)的N型离子注入，离子最好是磷，形成连接N型埋层2的第一离子注入区5；

工艺步骤4，如图3所示，在发射极窗口下进行选择性N型离子注入，形成低电阻底座——第二离子注入区6；

工艺步骤5，如图3所示，淀积氧化硅和多晶硅仔晶，用干刻和湿刻打开需长单晶的区域，然后用外延法生长锗硅外延层7；锗硅外延层7可细分为三层，分别为硅缓冲层，锗硅层，硅帽层，其中锗硅层有高掺杂的硼而硅帽层有低掺杂的硼；其中，硅缓冲层为100～300埃，锗硅层为400～800埃，其中100～300埃掺硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3，硅帽层为300～500埃，硼掺杂浓度在10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3，高硼掺杂浓度区必须与硅帽层位置恰当，保证热退火形成合适的发射极-基极结；

工艺步骤6，如图4所示，淀积一层介质膜，该介质膜可以为氧化硅，或者氮化硅，或者氧化硅加氮化硅，或者氮氧化硅加氮化硅，形成发射极窗口；

工艺步骤7，如图4所示，在有氧的环境下通过快速退火形成小于10埃的氧化层(图4中未示出)，随后淀积在位掺杂多晶硅，并先后离子注入磷和砷；然后通过光刻刻蚀形成多晶硅发射极，并进行自对准发射极多晶硅的外基区P型离子注入以降低基区电阻；

工艺步骤8，进行一次退火推进，温度为900～1100℃，时间为10～100秒，将多晶硅中的磷和砷推过硅帽层后进入本征基区，形成深度在300～500埃的发射极-基极结；

工艺步骤9，淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。

在工艺步骤7和8中，也可以先离子注入磷，然后进行一次热退火将磷推进基区，再离子注入砷，通过第二次热退火形成发射极-基极结。

在第一离子注入区5形成之后，第二离子注入区6形成之前，在器件周围1μm～5μm之外进行中高剂量(10¹⁴cm^-2～5×10¹⁵cm^-2)、中能量(50KeV～200KeV)的P型离子注入，对器件进行结隔离。

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，本领域的技术人员可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种锗硅异质结双极型三极管功率器件，形成于P型硅衬底上，有源区由场氧区隔离，其特征在于，所述三极管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被场氧区隔离的N型外延加上第一离子注入区和第二离子注入区组成；所述第一离子注入区位于N型埋层上并和所述N型外延形成连接，所述第二离子注入区位于场氧区之间的N型外延中；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；

一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，其包括一本征基区和一外基区，所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于所述场氧区上部且用于形成基区电极；所述锗硅外延层包括硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，和所述本征基区形成接触，所述发射极多晶硅中进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结。

2.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征在于：所述N型埋层的离子注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV，所注入的离子为砷。

3.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征在于：所述第一离子注入区的注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV，所注入的离子为磷。

4.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征 在于：所述N型外延的离子注入剂量为10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3，N型外延的厚度为0.8μm～2μm。

5.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征在于：所述第二离子注入区为选择性N型离子注入。

6.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征在于：所述硅缓冲层的厚度为100～300埃；所述锗硅层的厚度为400～800埃，其中100～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为300～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3。

7.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件，其特征在于：所述发射极多晶硅通过N型离子注入先后注入磷和砷，发射极-基极结的深度为300～500埃。

8.如权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在P型硅衬底上进行注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV的N型离子注入，再进行高温退火，退火温度在1050～1150℃之间，退火时间在60分钟以上，形成N型埋层；

步骤二，在N型埋层上进行厚度为0.8μm～2μm、掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3的低N-掺杂外延生长，并通过热氧化形成场氧区隔离；

步骤三，在N型埋层上进行注入剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2，注入能量为50KeV～100KeV的N型离子注入，形成第一离子注入区；

步骤四，在隔离区之间的N型外延中进行选择N型离子注入，形成低 电阻底座的第二离子注入区；

步骤五，用外延法生长锗硅外延层，该锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100～300埃；所述锗硅层的厚度为400～800埃，其中100～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为300～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3；

步骤六，在锗硅外延层上淀积介质膜，刻蚀形成发射区窗口；

步骤七，在有氧环境下快速退火形成一厚度小于10埃的氧化层，然后淀积在位掺杂多晶硅，并先后离子注入磷和砷，通过光刻刻蚀形成多晶硅发射极，并进行自对准发射极多晶硅的外基区P型离子注入以降低基区电阻；

步骤八，进行退火推进，温度为900～1100℃，时间为10～100秒，将多晶硅中的磷和砷推过硅帽层后进入本征基区，形成深度在300～500埃的发射极-基极结；

步骤九，淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。

9.根据权利要求8所述的锗硅异质结双极型三极管功率器件的制造方法，其特征在于：所述步骤六中介质膜为氧化硅或氮化硅或者氧化硅加氮化硅或者氮氧化硅加氮化硅。 

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