寄生横向型NPN器件及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域,特别是涉及一种寄生横向型NPN器件;本发明还涉及一种寄生横向型NPN器件的制造方法。
背景技术
在射频应用中,需要越来越高的器件特征频率,RFCMOS虽然在先进的工艺技术中可实现较高频率,但还是难以完全满足射频要求,如很难实现40GHz以上的特征频率,而且先进工艺的研发成本也是非常高;化合物半导体可实现非常高的特征频率器件,但由于材料成本高、尺寸小的缺点,加上大多数化合物半导体有毒,限制了其应用。锗硅(SiGe)异质结双极晶体管(HBT)则是超高频器件的很好选择,首先其利用SiGe与硅(Si)的能带差别,提高发射区的载流子注入效率,增大器件的电流放大倍数;其次利用SiGe基区的高掺杂,降低基区电阻,提高特征频率;另外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力军。
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(不小于15)和截止频率(不小于1G赫兹)。
现有LNPN即横向型NPN器件只能在CMOS工艺中由N+注入区,P型阱(PWELL),N型深阱(DNW)形成。现有LNPN器件的缺点是面积大,且基区的电流为L型结构,电流能力弱,增益小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种寄生横向型NPN器件,能与横向型寄生型PNP三极管形成互补电路,提供给设计者在设计射频电路时更多的选择性;也能作为锗硅(SiGe)异质结双极型晶体管(HBT)高频电路中的输出器件;能提高器件的电流增益、改善器件的频率特性,能减少器件的面积、提高电流密度,能减少发射极和集电极的连接电阻。为此,本发明还提供一种寄生横向型NPN器件的制造方法。
为解决上述技术问题,本发明提供的寄生横向型NPN器件形成于硅衬底上,有源区由浅槽场氧隔离即有源区的隔离结构为浅沟槽隔离(STI),寄生横向型NPN器件包括:
一基区,由形成于两个相邻的第一有源区和第二有源区中的P型注入层组成,所述第一有源区和所述第二有源区中间的所述浅槽场氧为第一浅槽场氧,位于所述第一有源区和所述第二有源区两侧的所述浅槽场氧分别为第二浅槽场氧和第三浅槽场氧,所述第一有源区和第二有源区中的P型注入层的深度大于所述浅槽场氧的深度并横向延伸到所述第一浅槽场氧、第二浅槽场氧和第三浅槽场氧底部并连接成一个整体;在所述第一有源区顶部形成有第一P型锗硅单晶层,在所述第二有源区顶部形成有第二P型锗硅单晶层,所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层都和所述基区相接触,在所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层的顶部分别形成有金属接触并分别引出第一基极和第二基极。
在所述第一浅槽场氧、第二浅槽场氧和第三浅槽场氧的底部都分别形成有一槽,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N型杂质,所述N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N型掺杂区,所述多晶硅赝埋层和所述第一N型掺杂区都被所述基区的底部的所述P型注入层包围并相接触。
由所述第一浅槽场氧底部的所述多晶硅赝埋层和所述第一N型掺杂区组成发射区,在所述发射区的顶部的所述第一浅槽场氧中形成有深孔接触,该深孔接触和所述发射区相接触并引出发射极。
由所述第二浅槽场氧和所述第三浅槽场氧底部的所述多晶硅赝埋层和所述第一N型掺杂区组成集电区,在所述集电区的顶部的所述第二浅槽场氧和所述第三浅槽场氧中分别形成有和所述集电区接触的深孔接触,位于所述第二浅槽场氧中的所述深孔接触引出第一集电极、位于所述第三浅槽场氧中的所述深孔接触引出第二集电极。
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,所述发射区或所述集电区和所述基区顶部表面的距离由所述浅槽场氧的深度决定,所述浅槽场氧的深度为0.3微米~0.5微米。
进一步的改进是,所述发射区和所述集电区之间的距离由所述寄生横向型NPN器件的电性要求决定且范围为0.4微米~2微米。
进一步的改进是,在所述硅衬底上还形成有N型注入层,所述N型注入层将所述P型注入层包围并在所述寄生横向型NPN器件和所述硅衬底间实现隔离。
为解决上述技术问题,本发明提供的寄生横向型NPN器件的制造方法包括如下步骤:
步骤一、选用一硅衬底,进行浅沟槽刻蚀形成浅沟槽和有源区;第一有源区和第二有源区为两个相邻的有源区,所述第一有源区和所述第二有源区中间的所述浅沟槽为第一浅沟槽,位于所述第一有源区和所述第二有源区两侧的所述浅沟槽分别为第二浅沟槽和第三浅沟槽。
步骤二、在刻蚀形成所述浅沟槽后的所述硅衬底上淀积第一介质层,采用刻蚀工艺将位于所述浅沟槽底部的所述第一介质层去除并在所述浅沟槽的侧壁表面形成由所述第一介质层组成的内壁,对所述浅沟槽底部的所述硅衬底进行过刻蚀在所述浅沟槽底部形成槽。
步骤三、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。
步骤四、在所述多晶硅赝埋层中进行N型杂质离子注入,所述N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N型掺杂区;由所述第一浅沟槽底部的所述多晶硅赝埋层和所述第一N型掺杂区组成发射区,由所述第二浅沟槽和所述第三浅沟槽底部的所述多晶硅赝埋层和所述第一N型掺杂区组成集电区。
步骤五、去除所述内壁,并在所述浅沟槽中填充浅槽场氧,所述第一浅沟槽、所述第二浅沟槽和所述第三浅沟槽中填充的所述浅槽场氧分别为第一浅槽场氧、第二浅槽场氧和第三浅槽场氧。
步骤六、在所述有源区中进行P型离子注入形成P型注入层;所述第一有源区和第二有源区中的P型注入层的深度大于所述浅槽场氧的深度并横向延伸到所述第一浅槽场氧、第二浅槽场氧和第三浅槽场氧底部并连接成一个整体,由所述第一有源区和所述第二有源区中的P型注入层组成基区;所述基区的底部的所述P型注入层将所述集电区和所述发射区包围并相接触。
步骤七、在所述有源区顶部形成P型锗硅单晶层,位于所述第一有源区顶部的为第一P型锗硅单晶层、位于所述第二有源区顶部的为第二P型锗硅单晶层。
步骤八、在所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层的顶部分别形成金属接触并分别引出第一基极和第二基极;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;位于所述第一浅槽场氧中的所述深孔接触都和所述发射区接触并引出发射极;位于所述第二浅槽场氧和所述第三浅槽场氧中的所述深孔接触都和所述集电区接触并分别引出第一集电极和第二集电极。
进一步的改进是,步骤二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,步骤四中所述第一N型掺杂区的N型杂质离子注入的注入剂量为5e14cm-2~5e15cm-2,注入能量3KeV~30KeV,注入杂质为磷或砷。
进一步的改进是,步骤六中所述P型注入层的P型离子注入的注入剂量为1e12cm-2~5e13cm-2,注入能量200KeV~800KeV,注入杂质为硼或氟化硼。
进一步的改进是,在步骤六中形成所述P型注入层之后,还包括在所述硅衬底上进行N型离子注入形成N型注入层的步骤,所述N型注入层将所述P型注入层包围并在所述寄生横向型NPN器件和所述硅衬底间实现隔离。
进一步的改进为,步骤七中所述P型锗硅单晶层的生长工艺共用锗硅NPN器件的基极锗硅生长工艺。
进一步的改进为,步骤二中所述第一介质层为氧化膜,氮化膜,或氧化膜和氮化膜的复合膜。
本发明具有如下有益效果:
1、本发明器件能集成在Bipolar或BiCMOS工艺中,能与横向型寄生型PNP三极管形成互补电路,提供给设计者在设计射频电路时更多的选择性;也能作为SiGe HBT高频电路中的输出器件;
2、本发明器件采用C-B-E-B-C即第一集电极-第一基极-发射极-第二基极-第二集电极的结构,能将器件的基区部分的电流通路从而现有的L型变成直线型,能提升器件的电流能力,从而使器件的电流增益和频率特征都得到显著的改善。
3、本发明器件的发射区和集电区形成于浅槽场氧底部,基极位于发射极和集电极中间并从有源区上方引出,这种结构能减少整个器件的面积,提高器件的电流密度。
4、本发明采用P型多晶硅赝埋层来形成器件的发射区和集电区,由于多晶硅具有杂质的扩散率高、扩散分布均匀的特点,从而能使集电极和发射极的连接电阻(Rc)降低且能使连接电阻的阻值均匀,从而能较大的提高器件的截止频率。
5、本发明器件的深孔接触工艺能够进一步的减少器件的面积、提高器件的频率特性。
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是本发明实施例寄生横向型NPN器件器件结构示意图;
图2-图7是本发明实施例寄生横向型NPN器件的制造方法的各步骤中的结构示意图;
图8是本发明实施例寄生横向型NPN器件的电性原理图。
具体实施方式
如图2所示,是本发明实施例寄生横向型NPN器件器件结构示意图。本发明实施例寄生横向型NPN器件形成于P型硅衬底1上,有源区由浅槽场氧隔离即有源区的隔离结构为浅沟槽隔离(STI),所述浅槽场氧的深度为0.3微米~0.5微米。寄生横向型NPN器件包括:
一基区5,由形成于两个相邻的第一有源区和第二有源区中的P型注入层组成。所述P型注入层能共用双极性器件(Bipolar)流程中的纵向PNP(VPNP)中的P-注入层,或者共用BiCMOS流程中的P型阱工艺。所述P型注入层的P型离子注入的注入剂量为1e12cm-2~5e13cm-2,注入能量200KeV~800KeV,注入杂质为硼或氟化硼。
所述第一有源区和所述第二有源区中间的所述浅槽场氧为第一浅槽场氧21,位于所述第一有源区和所述第二有源区两侧的所述浅槽场氧分别为第二浅槽场氧22和第三浅槽场氧23,所述第一有源区和第二有源区中的P型注入层的深度大于所述浅槽场氧的深度并横向延伸到所述第一浅槽场氧21、第二浅槽场氧22和第三浅槽场氧23底部并连接成一个整体。
在所述硅衬底1上还形成有N型注入层6,所述N型注入层6将所述P型注入层5包围并在所述寄生横向型NPN器件和所述硅衬底1间实现隔离。所述N型注入层6能共用Bipolar流程中的横向PNP(LPNP)中的N-注入层,或者共用BiCMOS流程中的N型阱工艺。所述N型注入层的N型离子注入的注入剂量为1e11cm-2~1e14cm-2,注入能量1000KeV~3000KeV。
在所述第一有源区和所述第二有源区顶部都形成有P型锗硅单晶层7,在所述第一有源区顶部形成的为第一P型锗硅单晶层,在所述第二有源区顶部形成的为第二P型锗硅单晶层,所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层都和所述基区5相接触,在所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层的顶部分别形成有金属接触11并分别引出第一基极和第二基极。所述P型锗硅单晶层7的工艺和锗硅NPN器件的基极锗硅工艺共用。所述P型锗硅单晶层7的表面还形成有金属硅化物8。
在所述第一浅槽场氧21、第二浅槽场氧22和第三浅槽场氧23的底部都分别形成有一槽,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。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,所述多晶硅赝埋层4等于所述槽的深度。
在所述多晶硅赝埋层4中掺入有N型杂质,所述N型杂质还扩散至所述多晶硅赝埋层4周侧的所述硅衬底1中形成第一N型掺杂区4a,所述多晶硅赝埋层4和所述第一N型掺杂区4a都被所述基区5的底部的所述P型注入层包围并相接触。所述第一N型掺杂区4a为一N型杂质离子注入区,注入剂量为5e14cm-2~5e15cm-2,注入能量3KeV~30KeV,注入杂质为磷或砷。
由所述第一浅槽场氧21底部的所述多晶硅赝埋层4和所述第一N型掺杂区4a组成发射区,在所述发射区的顶部的所述第一浅槽场氧21中形成有深孔接触9,该深孔接触9和所述发射区相接触并引出发射极。
由所述第二浅槽场氧22和所述第三浅槽场氧23底部的所述多晶硅赝埋层4和所述第一N型掺杂区4a组成集电区,在所述集电区的顶部的所述第二浅槽场氧22和所述第三浅槽场氧23中分别形成有和所述集电区接触的深孔接触9,位于所述第二浅槽场氧22中的所述深孔接触9引出第一集电极、位于所述第三浅槽场氧23中的所述深孔接触9引出第二集电极。所述发射区和所述集电区之间的距离由所述寄生横向型NPN器件的电性要求决定且范围为0.4微米~2微米。所述金属接触11穿过了层间膜9、在顶部和金属连线12连接,所述深孔接触9穿过了所述浅槽场氧和所述层间膜9和所述金属连线12连接,最后通过金属连线12实现对发射极、基极和集电极的连接。
如图8是本发明实施例寄生横向型NPN器件的电性原理图,本发明实施例器件采用C-B-E-B-C即第一集电极-第一基极-发射极-第二基极-第二集电极的结构后,能将器件的基区部分的电流Ic通路从而现有的L型变成直线型,能提升器件的电流能力,从而使器件的电流增益和频率特征都得到显著的改善。
如图2至图7所示,是本发明实施例寄生横向型NPN器件的制造方法的各步骤中的结构示意图。本发明实施例寄生横向型NPN器件的制造方法包括如下步骤:
步骤一、如图2所示,选用P型硅衬底1,进行浅沟槽刻蚀形成浅沟槽和有源区;第一有源区和第二有源区为两个相邻的有源区,所述第一有源区和所述第二有源区中间的所述浅沟槽为第一浅沟槽21a,位于所述第一有源区和所述第二有源区两侧的所述浅沟槽分别为第二浅沟槽22a和第三浅沟槽23a。
步骤二、如图2所示,在刻蚀形成所述浅沟槽后的所述硅衬底1上淀积第一介质层2,所述第一介质层2为氧化膜,氮化膜,或氧化膜和氮化膜的复合膜。采用刻蚀工艺将位于所述浅沟槽底部的所述第一介质层2去除并在所述浅沟槽的侧壁表面形成由所述第一介质层2组成的内壁,对所述浅沟槽底部的所述硅衬底1进行过刻蚀在所述浅沟槽底部形成槽3。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。
步骤三、如图3所示,在所述槽3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4。
步骤四、如图4所示,在所述多晶硅赝埋层4中进行N型杂质离子注入,所述N型杂质还扩散至所述多晶硅赝埋层4周侧的所述硅衬底1中形成第一N型掺杂区4a;所述第一N型掺杂区4a的N型杂质离子注入的注入剂量为5e14cm-2~5e15cm-2,注入能量3KeV~30KeV,注入杂质为磷或砷。
由所述第一浅沟槽21a底部的所述多晶硅赝埋层4和所述第一N型掺杂区4a组成发射区,由所述第二浅沟槽22a和所述第三浅沟槽23a底部的所述多晶硅赝埋层4和所述第一N型掺杂区4a组成集电区。
步骤五、如图4所示,去除所述内壁,并在所述浅沟槽中填充浅槽场氧,所述第一浅沟槽21a、所述第二浅沟槽22a和所述第三浅沟槽23a中填充所述浅槽场氧分别为第一浅槽场氧21、第二浅槽场氧22和第三浅槽场氧23。
步骤六、如图5所示,在所述有源区中进行P型离子注入形成P型注入层。所述P型注入层能共用双极性器件(Bipolar)流程中的纵向PNP(VPNP)中的P-注入工艺,或者共用BiCMOS流程中的P型阱注入工艺。所述P型注入层的P型离子注入的注入剂量为1e12cm-2~5e13cm-2,注入能量200KeV~800KeV,注入杂质为硼或氟化硼。
所述第一有源区和第二有源区中的P型注入层的深度大于所述浅槽场氧的深度并横向延伸到所述第一浅槽场氧21、第二浅槽场氧22和第三浅槽场氧23底部并连接成一个整体,由所述第一有源区和所述第二有源区中的P型注入层组成基区5;所述基区5的底部的所述P型注入层将所述集电区和所述发射区包围并相接触。
如图6所示,形成所述P型注入层5之后,采用N型离子注入工艺在所述硅衬底1上形成N型注入层6,所述N型注入层6将所述P型注入层5包围并在所述寄生横向型NPN器件和所述硅衬底1间实现隔离。所述N型注入层6的离子注入工艺能共用Bipolar流程中的横向PNP(LPNP)中的N-注入工艺,或者共用BiCMOS流程中的N型阱注入工艺。所述N型注入层的N型离子注入的注入剂量为1e11cm-2~1e14cm-2,注入能量1000KeV~3000KeV。
步骤七、如图7所示,在所述有源区顶部形成P型锗硅单晶层6,位于所述第一有源区顶部的为第一P型锗硅单晶层6、位于所述第二有源区顶部为第二P型锗硅单晶层6。所述P型锗硅单晶层6的生长工艺共用锗硅NPN器件的基极锗硅生长工艺。
步骤八、如图1所示,在所述P型锗硅单晶层7的表面形成金属硅化物8;在所述硅衬底1的正面形成层间膜9,所述层间膜9将器件和后续的金属层隔离。在所述第一P型锗硅单晶层和所述第二P型锗硅单晶层的顶部分别形成金属接触11并分别引出第一基极和第二基极;在所述多晶硅赝埋层4顶部的所述浅槽场氧中形成深孔接触9;位于所述第一浅槽场氧21中的所述深孔接触9都和所述发射区接触并引出发射极;位于所述第二浅槽场氧22和所述第三浅槽场氧23中的所述深孔接触9都和所述集电区接触并分别引出第一集电极和第二集电极。最后形成金属连线12实现对发射极、基极和集电极的连接。
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。