CN103066115B - 垂直寄生型pnp三极管及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直寄生型PNP三极管，在有源区周侧的浅槽场氧底部形成有一槽，在槽中填充有多晶硅，由填充于槽中的多晶硅形成多晶硅赝埋层，在多晶硅赝埋层中掺入有P型杂质，P型杂质还扩散至多晶硅赝埋层周侧的硅衬底中形成第一P型掺杂区，由多晶硅赝埋层和第一P型掺杂区组成集电极连接层，集电极连接层和集电区在浅槽场氧的底部相接触；由在多晶硅赝埋层顶部的浅槽场氧中形成有深孔接触并引出集电极。本发明还公开了一种垂直寄生型PNP三极管的制造方法。本发明能提高集电极连接层的厚度、使其杂质分布均匀，能降低集电极连接层电阻和接触电阻且使阻值均匀，从而能提高器件的截止频率。

Description

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，特别是涉及一种垂直寄生型PNP三极管；本发明还涉及一种垂直寄生型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(SiGe)异质结三极管(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，比如具有一定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工艺中垂直寄生型PNP器件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垂直寄生型PNP三极管，能用作高速、高增益BiCMOS电路中的输出器件，为电路提供多一种器件选择，能有效缩小器件面积，能降低集电极连接层电阻，以及降低集电极的接触电阻且是接触电阻的阻值均匀，从而能较大提高器件的截止频率并提高器件的性能。本发明还提供一种垂直寄生型PNP三极管的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的垂直寄生型PNP三极管形成于硅衬底上，有源区由浅槽场氧隔离，垂直寄生型PNP三极管的集电区由形成于所述有源区中的一P型离子注入区组成，所述集电区深度大于所述浅槽场氧底部的深度、且所述集电区横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧底部。在所述有源区周侧的所述浅槽场氧底部形成有一槽，在所述槽中填充有多晶硅，由填充于所述槽中的所述多晶硅形成多晶硅赝埋层，在所述多晶硅赝埋层中掺入有P型杂质，所述P型杂质还扩散至所述多晶硅赝埋层周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区，由所述多晶硅赝埋层和所述第一P型掺杂区组成集电极连接层，所述集电极连接层和所述集电区在所述浅槽场氧的底部相接触；在所述多晶硅赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成有深孔接触，所述深孔接触和所述多晶硅赝埋层接触并引出集电极。

进一步的改进是，所述槽的宽度小于等于所述浅槽场氧的底部宽度，所述槽的深度为0.05微米～0.3微米。

进一步的改进是，所述垂直寄生型PNP三极管的基区由形成于所述有源区中的一N型离子注入区组成，所述基区位于所述集电区上部并和所述集电区相接触；在所述有源区上部形成有N型多晶硅，所述N型多晶硅和所述基区相接触并作为所述基区的引出端，在所述N型多晶硅上形成有金属接触，该金属接触和所述N型多晶硅接触并引出基极。

进一步的改进是，所述垂直寄生型PNP三极管的发射区由形成于所述有源区上部的一P型锗硅外延层组成，所述发射区和所述基区相接触，在所述发射区上形成有金属接触，该金属接触和所述发射区接触并引出发射极。

为解决上述技术问题，本发明提供的垂直寄生型PNP三极管的制造方法包括如下步骤：

步骤一、在硅衬底上形成硬掩模层，采用光刻刻蚀工艺对所述硬掩模层进行刻蚀形成浅沟槽和有源区的图形，其中所述有源区上被所述硬掩模层保护，所述浅沟槽上的所述硬掩模层被去除；以所述硬掩模层为掩模对所述硅衬底进行刻蚀形成浅沟槽。

步骤二、在刻蚀形成所述浅沟槽后的所述硅衬底上淀积氧化膜，并对所述氧化膜进行刻蚀，将位于所述浅沟槽底部的所述氧化膜去除，在所述浅沟槽的侧壁表面形成由所述氧化膜组成的内壁。

步骤三、利用所述硬掩模层和所述内壁做掩模，对所述硅衬底的整个表面进行全面刻蚀，将未被保护的所述浅沟槽底部的所述硅衬底去除一定厚度形成一槽。

步骤四、在所述槽中选择性生长多晶硅，所述多晶硅的厚度和所述槽的深度相同，所述多晶硅将所述槽填平形成多晶硅赝埋层。

步骤五、进行N型离子注入在所述有源区中形成基区，所述基区的N型离子注入要穿过所述硬掩模层。

步骤六、在所述多晶硅赝埋层中进行P型杂质离子注入。

步骤七、对步骤五和步骤六中注入的杂质进行退火推进，所述多晶硅赝埋层中的P型杂质退火过程中会在所述多晶硅赝埋层中扩散并扩散至所述多晶硅赝埋层周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区，由所述多晶硅赝埋层和所述第一P型掺杂区组成集电极连接层。

步骤八、去除所所述硬掩模层和所述内壁，在所述浅沟槽中填充浅槽场氧；采用CMOS工艺中的P阱注入工艺在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区，形成的所述集电区深度大于所述浅槽场氧底部的深度、且所述集电区横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧底部；所述集电区的顶部和所述基区相接触；所述集电极连接层和所述集电区在所述浅槽场氧的底部相接触。

步骤九、形成发射区，通过在所述有源区上方生长一P型锗硅外延层并刻蚀形成，所述发射区的大小小于所述有源区并和所述基区相接触。

步骤十、在所述有源区上部形成N型多晶硅，所述N型多晶硅和所述基区相接触并作为所述基区的引出端。

步骤九、在所述多晶硅赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成深孔接触，所述深孔接触和所述多晶硅赝埋层接触并引出集电极；在所述N型多晶硅上形成金属接触，该金属接触和所述N型多晶硅接触并引出基极；在所述发射区上形成金属接触，该金属接触和所述发射区接触并引出发射极。

进一步的改进是，步骤二中所述内壁的厚度为0.05微米～1500微米。

进一步的改进是，步骤三中所述槽的宽度小于等于所述浅槽场氧的底部宽度，所述槽的深度为0.05微米～0.3微米。

进一步的改进是，步骤六中所述P型杂质离子注入的注入杂质为硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量2KeV～15KeV；或者步骤六中所述P型杂质离子注入的注入杂质为氟化硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量5KeV～30KeV。

进一步的改进是，步骤九中所述发射区的所述P型锗硅外延层采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区的生长工艺进行生长；步骤十中所述N型多晶硅采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的发射极多晶硅的生长工艺进行生长。

本发明垂直寄生型PNP三极管能用作高速、高增益BiCMOS电路中的输出器件，为电路提供多一种器件选择；本发明的多晶硅赝埋层能利用多晶硅的扩散率高、扩散分布均匀的特点，能极大地改善多晶硅赝埋层中的P型杂质分布，相比于现有技术中的赝埋层，本发明形成的集电极连接层的厚度变厚、且杂质浓度分布均匀，能使集电极连接层电阻(Rc)降低，以及能使集电极的接触电阻降低且阻值均匀，从而能较大的提高垂直寄生型PNP三极管的截止频率；本发明采用了先进的深孔接触工艺，和多晶硅赝埋层相配合，能有效缩小器件的面积，减少器件的集电极电阻，提高器件的性能。本发明的制造方法能和锗硅HBT工艺中NPN三极管制造工艺兼容，从而能现实PNP三极管和NPN三极管的集成，能有效降低成本。

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是本发明实施例垂直寄生型PNP三极管器件结构示意图；

图2-图10是本发明实施例垂直寄生型PNP三极管的制造方法的各步骤中的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例垂直寄生型PNP三极管器件结构示意图，在P型硅衬底上形成有N型深阱1，本发明实施例垂直寄生型PNP三极管形成于所述硅衬底的所述N型深阱1中，在所述硅衬底上的隔离结构为浅沟槽隔离，即有源区由浅槽场氧2隔离。

所述垂直寄生型PNP三极管的集电区7由形成于所述有源区中的一P型离子注入区组成，所述集电区7深度大于所述浅槽场氧2底部的深度、且所述集电区7横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧2底部。在所述有源区周侧的所述浅槽场氧2底部形成有一槽，所述槽的宽度小于等于所述浅槽场氧2的底部宽度，所述槽的深度为0.05微米～0.3微米。

在所述槽中填充有多晶硅，由填充于所述槽中的所述多晶硅形成多晶硅赝埋层4，在所述多晶硅赝埋层4中掺入有P型杂质，所述P型杂质还扩散至所述多晶硅赝埋层4周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区6，由所述多晶硅赝埋层4和所述第一P型掺杂区6组成集电极连接层，所述集电极连接层和所述集电区7在所述浅槽场氧2的底部相接触；在所述多晶硅赝埋层4顶部的所述浅槽场氧2中形成有深孔接触12，所述深孔接触12和所述多晶硅赝埋层4接触并引出集电极。所述深孔接触12是有填充于深孔中的钛和氮化钛过渡金属层以及钨金属层构成的。

所述垂直寄生型PNP三极管的基区5由形成于所述有源区中的一N型离子注入区组成，所述基区5位于所述集电区7上部并和所述集电区7相接触。

在所述有源区上部形成有N型多晶硅11，所述N型多晶硅11和所述基区5相接触并作为所述基区5的引出端，在所述N型多晶硅11上形成有金属接触13，该金属接触13和所述N型多晶硅11接触并引出基极。

所述垂直寄生型PNP三极管的发射区9由形成于所述有源区上部的一P型锗硅外延层组成，所述发射区9和所述基区5相接触，在所述发射区9上形成有金属接触13，该金属接触13和所述发射区9接触并引出发射极。

所述发射区9和所述基区5的接触区域通过第一介质层8刻蚀后形成的第一窗口定义。所述第一介质层8和锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区介质膜相同，能为氧化膜，氮化硅，或者氧化膜加氮化硅，氮氧化膜加氮化膜。所述发射区9的所述P型锗硅外延层和锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区的锗硅单晶层相同。所述发射区9的P型锗硅外延层的P型杂质还包括采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的外基区注入的P型杂质。

所述N型多晶硅11和所述基区5的接触区域由第二介质层10刻蚀后形成的第二窗口定义。所述第二介质层10和锗硅HBT工艺中NPN三极管的发射极窗口介质膜相同，能为氧化膜，氮化硅，或者氧化膜加氮化硅，氮氧化膜加氮化膜。在所述N型多晶硅11的侧面形成有侧墙15。通过金属层14实现器件的互连。

如图2至图10所示，是本发明实施例垂直寄生型PNP三极管的制造方法的各步骤中的结构示意图。本发明实施例垂直寄生型PNP三极管的制造方法包括如下步骤：

步骤一、如图2所示，在P型硅衬底上形成N型深阱2；在所述硅衬底上形成硬掩模层8，采用光刻刻蚀工艺对所述硬掩模层8进行刻蚀形成浅沟槽2a和有源区的图形，其中所述有源区上被所述硬掩模层8保护，所述浅沟槽2a上的所述硬掩模层8被去除；以所述硬掩模层8为掩模对所述硅衬底进行刻蚀形成浅沟槽2a。

步骤二、在刻蚀形成所述浅沟槽2a后的所述硅衬底上淀积氧化膜，并对所述氧化膜进行刻蚀，将位于所述浅沟槽2a底部的所述氧化膜去除，在所述浅沟槽2a的侧壁表面形成由所述氧化膜组成的内壁。所述内壁的厚度为0.05微米～1500微米。

步骤三、如图3所示，利用所述硬掩模层8和所述内壁做掩模，对所述硅衬底的整个表面进行全面刻蚀，将未被保护的所述浅沟槽2a底部的所述硅衬底去除一定厚度形成一槽2b。所述槽2b的宽度小于等于所述浅槽场氧2的底部宽度，所述槽2b的深度为0.05微米～0.3微米。

步骤四、如图4所示，在所述槽2b中选择性生长多晶硅，所述多晶硅的厚度和所述槽2b的深度相同，所述多晶硅将所述槽2b填平形成多晶硅赝埋层4。

步骤五、如图5所示，进行N型离子注入在所述有源区中形成基区5，所述基区5的N型离子注入要穿过所述硬掩模层8。所述N型离子注入的注入杂质为磷或砷、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量100KeV～300KeV。

步骤六、如图6所示，在所述多晶硅赝埋层4中进行P型杂质离子注入。所述P型杂质离子注入的注入杂质为硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量2KeV～15KeV；或者步骤六中所述P型杂质离子注入的注入杂质为氟化硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量5KeV～30KeV。

步骤七、如图7所示，对步骤五和步骤六中注入的杂质进行退火推进，该退火推进的温度为900℃～1100℃、时间为10分钟～100分钟。

所述多晶硅赝埋层4中的P型杂质退火过程中会在所述多晶硅赝埋层4中扩散并扩散至所述多晶硅赝埋层4周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区6，由所述多晶硅赝埋层4和所述第一P型掺杂区6组成集电极连接层。

步骤八、如图8所示，去除所所述硬掩模层8和所述内壁，在所述浅沟槽2a中填充浅槽场氧2；采用CMOS工艺中的P阱注入工艺在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区7，形成的所述集电区7深度大于所述浅槽场氧2底部的深度、且所述集电区7横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧2底部；所述集电区7的顶部和所述基区5相接触；所述集电极连接层和所述集电区7在所述浅槽场氧的底部相接触。

步骤九、如图9所示，形成发射区9。先在所述硅衬底的正面淀积一层第一介质层8，所述第一介质层8和锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区介质膜相同，能为氧化膜，氮化硅，或者氧化膜加氮化硅，氮氧化膜加氮化膜。

对所述第一介质层8进行刻蚀形成第一窗口，该第一窗口定义所述发射区9和所述基区5的接触区域。

采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区5的生长工艺在所述硅衬底的正面形成一P型锗硅外延层。对所述P型锗硅外延层进行刻蚀形成所述发射区9。所述发射区9位于所述有源区上并和所述基区5接触，且所述发射区9和所述基区5的接触区域通过所述第一窗口定义。所述发射区9的P型锗硅外延层还包括采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的外基区注入进行P型杂质。

步骤十、如图10所示，在所述有源区上部形成N型多晶硅11。先在所述硅衬底的正面淀积一层第二介质层10，所述第二介质层10和锗硅HBT工艺中NPN三极管的发射极窗口介质膜相同，能为氧化膜，氮化硅，或者氧化膜加氮化硅，氮氧化膜加氮化膜。

对所述第二介质层10进行刻蚀形成第二窗口，该第二窗口定义所述N型多晶硅11和所述基区5的接触区域。

采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的发射极多晶硅的生长工艺生长形成所述N型多晶硅11，采用光刻刻蚀工艺对所述N型多晶硅11进行刻蚀形成所述基区5的引出端的图形结构。

步骤十一、在所述多晶硅赝埋层4顶部的所述浅槽场氧2中形成深孔接触12，所述深孔接触12和所述多晶硅赝埋层4接触并引出集电极。所述深孔接触12先在所述浅槽场氧2中形成深孔，再在所述深孔中填充钛和氮化钛过渡金属层以及钨金属层形成。

在所述N型多晶硅11上形成金属接触13，该金属接触13和所述N型多晶硅11接触并引出基极；在所述发射区9上形成金属接触13，该金属接触13和所述发射区9接触并引出发射极。最后形成金属层14，实现器件的互连。

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。

Claims (9)

1.一种垂直寄生型PNP三极管，形成于硅衬底上，有源区由浅槽场氧隔离，其特征在于：垂直寄生型PNP三极管的集电区由形成于所述有源区中的一P型离子注入区组成，所述集电区深度大于所述浅槽场氧底部的深度、且所述集电区横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧底部；

在所述有源区周侧的所述浅槽场氧底部形成有一槽，在所述槽中填充有多晶硅，由填充于所述槽中的所述多晶硅形成多晶硅赝埋层，在所述多晶硅赝埋层中掺入有P型杂质，所述P型杂质还扩散至所述多晶硅赝埋层周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区，由所述多晶硅赝埋层和所述第一P型掺杂区组成集电极连接层，所述集电极连接层和所述集电区在所述浅槽场氧的底部相接触；在所述多晶硅赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成有深孔接触，所述深孔接触和所述多晶硅赝埋层接触并引出集电极。

2.如权利要求1所述的垂直寄生型PNP三极管，其特征在于：所述槽的宽度小于等于所述浅槽场氧的底部宽度，所述槽的深度为0.05微米～0.3微米。

3.如权利要求1所述的垂直寄生型PNP三极管，其特征在于：所述垂直寄生型PNP三极管的基区由形成于所述有源区中的一N型离子注入区组成，所述基区位于所述集电区上部并和所述集电区相接触；在所述有源区上部形成有N型多晶硅，所述N型多晶硅和所述基区相接触并作为所述基区的引出端，在所述N型多晶硅上形成有金属接触，该金属接触和所述N型多晶硅接触并引出基极。

4.如权利要求1所述的垂直寄生型PNP三极管，其特征在于：所述垂直寄生型PNP三极管的发射区由形成于所述有源区上部的一P型锗硅外延层组成，所述发射区和基区相接触，在所述发射区上形成有金属接触，该金属接触和所述发射区接触并引出发射极。

5.一种垂直寄生型PNP三极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在硅衬底上形成硬掩模层，采用光刻刻蚀工艺对所述硬掩模层进行刻蚀形成浅沟槽和有源区的图形，其中所述有源区上被所述硬掩模层保护，所述浅沟槽上的所述硬掩模层被去除；以所述硬掩模层为掩模对所述硅衬底进行刻蚀形成浅沟槽；

步骤二、在刻蚀形成所述浅沟槽后的所述硅衬底上淀积氧化膜，并对所述氧化膜进行刻蚀，将位于所述浅沟槽底部的所述氧化膜去除，在所述浅沟槽的侧壁表面形成由所述氧化膜组成的内壁；

步骤三、利用所述硬掩模层和所述内壁做掩模，对所述硅衬底的整个表面进行全面刻蚀，将未被保护的所述浅沟槽底部的所述硅衬底去除一定厚度形成一槽；

步骤四、在所述槽中选择性生长多晶硅，所述多晶硅的厚度和所述槽的深度相同，所述多晶硅将所述槽填平形成多晶硅赝埋层；

步骤五、进行N型离子注入在所述有源区中形成基区，所述基区的N型离子注入要穿过所述硬掩模层；

步骤六、在所述多晶硅赝埋层中进行P型杂质离子注入；

步骤七、对步骤五和步骤六中注入的杂质进行退火推进，所述多晶硅赝埋层中的P型杂质退火过程中会在所述多晶硅赝埋层中扩散并扩散至所述多晶硅赝埋层周侧的所述硅衬底中形成第一P型掺杂区，由所述多晶硅赝埋层和所述第一P型掺杂区组成集电极连接层；

步骤八、去除所述硬掩模层和所述内壁，在所述浅沟槽中填充浅槽场氧；采用CMOS工艺中的P阱注入工艺在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区，形成的所述集电区深度大于所述浅槽场氧底部的深度、且所述集电区横向延伸进入所述有源区两侧的浅槽场氧底部；所述集电区的顶部和所述基区相接触；所述集电极连接层和所述集电区在所述浅槽场氧的底部相接触；

步骤九、形成发射区，通过在所述有源区上方生长一P型锗硅外延层并刻蚀形成，所述发射区的大小小于所述有源区并和所述基区相接触；

步骤十、在所述有源区上部形成N型多晶硅，所述N型多晶硅和所述基区相接触并作为所述基区的引出端；

步骤十一、在所述多晶硅赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成深孔接触，所述深孔接触和所述多晶硅赝埋层接触并引出集电极；在所述N型多晶硅上形成金属接触，该金属接触和所述N型多晶硅接触并引出基极；在所述发射区上形成金属接触，该金属接触和所述发射区接触并引出发射极。

6.如权利要求5所述的垂直寄生型PNP三极管的制造方法，其特征在于：步骤二中所述内壁的厚度为0.05微米～1500微米。

7.如权利要求5所述的垂直寄生型PNP三极管的制造方法，其特征在于：步骤三中所述槽的宽度小于等于所述浅槽场氧的底部宽度，所述槽的深度为0.05微米～0.3微米。

8.如权利要求5所述的垂直寄生型PNP三极管的制造方法，其特征在于：步骤六中所述P型杂质离子注入的注入杂质为硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量2KeV～15KeV；或者步骤六中所述P型杂质离子注入的注入杂质为氟化硼、注入剂量为1e14cm^-2～1e16cm^-2、注入能量5KeV～30KeV。

9.如权利要求5所述的垂直寄生型PNP三极管的制造方法，其特征在于：步骤九中所述发射区的所述P型锗硅外延层采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的基区的生长工艺进行生长；步骤十中所述N型多晶硅采用锗硅HBT工艺中NPN三极管的发射极多晶硅的生长工艺进行生长。