锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域,特别是涉及一种锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管,本发明还涉及一种锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的制作方法。
背景技术
在射频产品的实际应用中,需要越来越高的器件特征频率。在BiCMOS工艺中,NPN三极管,特别是锗硅(SiGe)异质结三极管(HBT)或者锗硅碳(SiGeC)异质结三极管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SiGeHBT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(不小于15)和截止频率。
对于双极型场效应晶体管(BiCMOS)工艺来说,作为NPN器件即锗硅异质结NPN三极管的互补,PNP器件也非常重要。PNP器件通常分为横向PNP与纵向PNP两种。其中纵向PNP器件的性能较高,也是在高性能应用中所需要的。但是纵向PNP器件和NPN器件的集成的难度较大,甚至无法进行集成。而横向PNP器件的性能较差,但是器件的集成比较容易。
现有PNP三极管的发射区的锗硅单晶形成工艺和现有锗硅异质结NPN三极管的基区的锗硅单晶形成工艺相同并且是同时形成。现有PNP三极管的引出基区的多晶硅采用现有锗硅异质结NPN三极管的发射区的多晶硅的工艺。但是对现有PNP三极管的器件特性进行验证发现,其性能并不理想,放大系数比较小,截止频率也较低。其主要原因是所述发射区的实际掺杂水平较低。
现有PNP三极管的所述发射区的掺杂是通过注入来进行,并且和现有锗硅异质结NPN三极管的外基区注入共享即采用相同工艺同时注入形成。由于现有锗硅异质结NPN三极管的锗硅的厚度非常薄,因此其外基区注入能量也非常小,只有5KEV~10KEV。由于现有PNP三极管的发射区为共享现有NPN三极管的基区的锗硅单晶,为了降低现有NPN三极管的基区宽度,提高NPN的性能,因此锗硅单晶中掺杂含有一定浓度的碳。这些碳能够抑制硼的扩散。因此导致现有PNP三极管的所述发射区的掺杂尽管剂量很大,但是因为能量很小,无法打穿这一层锗硅合金中的碳层,导致绝大多数的硼被抑制在发射区的锗硅单晶非常靠近表面的区域。而又因为现有PNP三极管的发射区在后续工艺过程中需要生长一层金属硅化物,因此导致发射区的锗硅单晶的表面重参杂的区域掺杂被消耗大部分,从而使现有PNP三极管的发射系数很低并导致器件放大系数较低,截止频率也不够高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管,无需多加光刻版,使发射区的锗硅层为多晶结构,能提高PNP三极管的发射区的掺杂浓度,从而提高器件的发射效率以及器件的放大系数,并能增加器件的截止频率;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;能有效地缩小器件面积、减小器件的寄生效应、减小PNP管的集电极电阻、提高器件的性能;本发明还提供一种锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的制作方法,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,本发明提供的锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管形成于硅衬底上,有源区由浅槽场氧隔离,包括:
一集电区,由形成于所述有源区中的一P型离子注入区组成,所述集电区的深度大于或等于所述浅槽场氧的底部深度。
一赝埋层,由形成于所述集电区周侧的所述浅槽场氧底部的P型离子注入区组成,所述赝埋层和所述集电区在所述浅槽场氧底部相接触,在所述赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成有深孔接触并引出集电极。
一基区,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。
一锗硅生长前定义窗口,由形成于所述有源区上方的第一介质层定义而成,所述锗硅生长前定义窗口位于所述有源区的正上方、所述锗硅生长前定义窗口区域的所述第一介质层被去除而将形成于所述有源区中的所述基区露出;所述锗硅生长前定义窗口的尺寸小于所述有源区尺寸、且所述锗硅生长前定义窗口的尺寸为0.1微米~0.3微米;所述锗硅生长前定义窗口的剖面结构呈一上边小于等于底边的正梯形、且该正梯形的底边和侧边的夹角为70度~90度。
一发射区,由填充于所述锗硅生长前定义窗口中且还延伸到所述锗硅生长前定义窗口外侧的所述第一介质层上的且为P型掺杂的锗硅层组成,该锗硅层的厚度为0.05微米~0.2微米并呈多晶结构;所述发射区的顶部和底部尺寸都小于所述有源区尺寸,所述发射区的区域外的所述第一介质层都被去除;所述发射区在所述锗硅生长前定义窗口底部和所述基区相接触;在所述发射区顶部形成有金属接触并引出发射极。
在所述发射区周侧的所述有源区上部形成有N型发射极多晶硅,所述发射极多晶硅和所述基区相接触并作为所述基区的引出端,在所述发射极多晶硅上形成有金属接触,该金属接触和所述发射极多晶硅接触并引出基极。
进一步的改进是,所述第一介质层为氧化膜,氮化膜,氧化膜和氮化膜的复合膜,氧化膜和氮化膜和多晶硅的复合膜。
为解决上述技术问题,本发明提供的锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的制作方法包括如下步骤:
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、在所述有源区进行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有源区中。
步骤五、在所述浅沟槽中填入氧化硅形成浅槽场氧。
步骤六、在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区,所述集电区的深度大于或等于所述浅槽场氧的底部深度,所述集电区在底部和所述赝埋层形成接触;所述集电区的顶部和所述基区形成接触。
步骤七、在所述有源区和所述浅槽场氧上形成第一介质层。
步骤八、用光刻胶定义图形,所述光刻胶在所述基区和后续要形成的发射区的接触区域处形成窗口;所述基区和所述发射区的接触区域位于所述有源区上方且小于所述有源区的大小。
步骤九、采用干法加湿法刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶形成的窗口下方的所述第一介质层;刻蚀后,在所述有源区上方形成锗硅生长前定义窗口,所述锗硅生长前定义窗口的尺寸小于所述有源区尺寸、且所述锗硅生长前定义窗口的尺寸为0.1微米~0.3微米;所述锗硅生长前定义窗口的剖面结构呈一上边小于等于底边的正梯形、且该正梯形的底边和侧边的夹角为70度~90度。
步骤十、在形成所述锗硅生长前定义窗口后的所述硅衬底的正面淀积厚度为0.05微米~0.2微米的锗硅层,所述锗硅层完全填充所述锗硅生长前定义窗口、且填充于所述锗硅生长前定义窗口中的所述锗硅层为多晶硅结构。
步骤十一、采用光刻刻蚀工艺对所述锗硅层和所述第一介质层进行刻蚀形成发射区;所述发射区在所述锗硅生长前定义窗口底部和所述基区相接触,所述发射区的顶部所述锗硅层延伸到所述锗硅生长前定义窗口外侧的所述第一介质层上;所述发射区的顶部和底部尺寸都小于所述有源区尺寸,所述发射区的区域外的所述第一介质层都被去除。
步骤十二、在形成所述发射区后的所述硅衬底的正面淀积所述第二介质层,所述第二介质层将所述发射区和所述发射区外部的所述有源区和所述浅槽场氧都覆盖;采用光刻刻蚀工艺对所述第二介质层进行刻蚀,刻蚀后的所述第二介质层将所述发射区的顶面和侧面都覆盖并将所述发射区周侧的所述有源区表面露出。
步骤十三、在刻蚀了所述第二介质层后的所述硅衬底的正面淀积发射极多晶硅。
步骤十四、采用光刻刻蚀工艺对所述发射极多晶硅进行刻蚀,刻蚀后的所述发射极多晶硅位于所述发射区周侧的的所述有源区上部并延伸到所述有源区周侧的所述浅槽场氧上,所述发射区顶部的所述发射极多晶硅和所述第二介质层也被刻蚀掉;所述发射极多晶硅的底部和所述基区相接触。
步骤十五、对所述发射极多晶硅进行N型离子注入掺杂;对所述发射区进行P型离子注入掺杂。
步骤十六、在所述赝埋层顶部的所述浅槽场氧中形成深孔接触引出集电极;在所述发射极多晶硅的顶部形成金属接触引出基极;在所述发射区的顶部形成金属接触引出发射极。
进一步的改进是,步骤七中所述第一介质层为氧化膜,氮化膜,氧化膜和氮化膜的复合膜,氧化膜和氮化膜和多晶硅的复合膜,所述第一介质层的厚度为300埃~2000埃。
进一步的改进是,步骤十五中所述发射区的P型离子注入的掺杂工艺采用锗硅HBT工艺中的NPN三极管的外基区P+注入工艺。
进一步的改进是,步骤十五中所述发射极多晶硅的N型离子注入采用锗硅HBT工艺中NPN的发射区多晶硅的N+注入。
进一步的改进是,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1e14cm-2~1e16cm-2。
进一步的改进是,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。
进一步的改进是,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。
进一步的改进是,步骤六中所述集电区的P型离子注入采用CMOS工艺中的P阱注入工艺。
本发明锗硅HBT工艺中垂直寄生型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。本发明无需多加光刻版,通过采用具有正梯形形状的锗硅生长前定义窗口、并且结合锗硅生长前定义窗口的尺寸和发射区的锗硅层的厚度,能使发射区的锗硅层为多晶结构,从而能提高PNP三极管的发射区的掺杂浓度,从而提高器件的发射效率以及器件的放大系数,并能增加器件的截止频率;由于采用了先进的深孔接触工艺,其与P型赝埋层的工艺相配合,极大地节省了PNP三极管有源区的面积,改善了PNP三极管的寄生效应,减小了PNP三极管的集电极电阻,提高了器件的电流增益系数和频率特性。本发明的制作方法能和锗硅HBT工艺中的NPN三极管的工艺集成,从而能降低生产成本。
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是本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的结构示意图;
图2A-图2H是本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管在制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,是本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的结构示意图。本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型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),包括:
一集电区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的深度大于或等于所述浅槽场氧3的底部深度。所述集电区的P型离子注入采用锗硅HBT工艺中CMOSP阱注入工艺。
一赝埋层6,由形成于所述集电区7两侧的所述浅槽场氧3底部的P型离子注入区组成,所述赝埋层6横向延伸进入所述有源区并和所述集电区7形成接触,通过在所述赝埋层6顶部的所述浅槽场氧3中形成的深孔接触12引出集电极。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。
一基区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。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1e14cm-2~1e16cm-2。
一锗硅生长前定义窗口,由形成于所述有源区上方的第一介质层8定义而成,所述锗硅生长前定义窗口位于所述有源区的正上方、所述锗硅生长前定义窗口区域的所述第一介质层8被去除而将形成于所述有源区中的所述基区7露出;所述锗硅生长前定义窗口的尺寸小于所述有源区尺寸、且所述锗硅生长前定义窗口的尺寸为0.1微米~0.3微米;所述锗硅生长前定义窗口的剖面结构呈一上边小于等于底边的正梯形、且该正梯形的底边和侧边的夹角为70度~90度。所述第一介质层8为氧化膜,氮化膜,氧化膜和氮化膜的复合膜,氧化膜和氮化膜和多晶硅的复合膜,厚度在300埃至2000埃之间。
一发射区9,由填充于所述锗硅生长前定义窗口中且还延伸到所述锗硅生长前定义窗口外侧的所述第一介质层8上的且为P型掺杂的锗硅层组成。所述发射区9的锗硅层工艺和锗硅HBT工艺中的NPN三极管的基极锗硅单晶工艺相同,能同时形成,无需多加光刻版,所述锗硅层的厚度为0.05微米~0.2微米,该厚度的锗硅层形成于所述锗硅生长前定义窗口中时,由于所述锗硅生长前定义窗口的宽度较小,锗硅外延生长时形成于所述锗硅生长前定义窗口的锗硅层会受到所述锗硅生长前定义窗口的侧面的所述第一介质层8的影响而全部为多晶硅结构。所述发射区9的锗硅层的掺杂工艺和锗硅HBT工艺中的NPN三极管的外基区P+注入工艺相同。在所述锗硅层中也能掺入碳杂质。所述发射区9和所述基区5形成接触,在所述发射区9顶部形成有金属接触13并引出发射极。金属层14将器件引出并实现互连。
在所述发射区9周侧的所述有源区上部形成有N型发射极多晶硅11。所述发射极多晶硅采用锗硅HBT工艺中NPN的发射区多晶硅的工艺条件,所述发射极多晶硅的掺杂工艺也采用锗硅HBT工艺中NPN的发射区多晶硅的N+注入工艺。所述发射极多晶硅11和所述基区5相接触并作为所述基区5的引出端,在所述发射极多晶硅11上形成有金属接触13,该金属接触13和所述发射极多晶硅11接触并引出基极。金属层14将器件引出并实现互连。
如图2A至图2H所示,是本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管在制造过程中的结构示意图。本发明实施例锗硅HBT工艺中垂直寄生型PNP三极管的制作方法包括如下步骤:
步骤一、如图2A所示,采用刻蚀工艺在P型硅衬底1上形成有源区和浅沟槽3a。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的区域的所述氮化硅去除、使所述氮化硅硬质掩模4只覆盖于所述硅衬底1的所述有源区表面上。所述浅沟槽3a形成后,再通过N型深阱注入形成深阱2
步骤二、如图2B所示,在所述有源区进行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。所述基区5的N型离子注入同时注入到了所述浅沟槽3a的底部。
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有源区中。所述退火的工艺条件为:温度为900℃~1100℃,时间为10分钟~100分钟。
步骤五、如图2E所示,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,在所述有源区中进行P型离子注入形成集电区7,所述集电区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,所述集电区的顶部和所述基区形成接触。所述集电区7的P型离子注入的采用现有的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,在所述有源区和所述浅槽场氧3上形成第一介质层8。所述第一介质层8为氧化膜,氮化膜,氧化膜和氮化膜的复合膜,氧化膜和氮化膜和多晶硅的复合膜,所述第一介质层8的厚度为300埃~2000埃。
步骤八、如图2F所示,用光刻胶定义图形,所述光刻胶在所述基区和后续要形成的发射区的接触区域处形成窗口;所述基区和所述发射区的接触区域位于所述有源区上方且小于所述有源区的大小。
步骤九、如图2F所示,采用干法加湿法刻蚀工艺刻蚀所述光刻胶形成的窗口下方的所述第一介质层8;刻蚀后,在所述有源区上方形成锗硅生长前定义窗口,所述锗硅生长前定义窗口的尺寸小于所述有源区尺寸、且所述锗硅生长前定义窗口的尺寸为0.1微米~0.3微米;所述锗硅生长前定义窗口的剖面结构呈一上边小于等于底边的正梯形、且该正梯形的底边和侧边的夹角为70度~90度。所述锗硅生长前定义窗口的外侧边沿也被定义出来,所述锗硅生长前定义窗口的外侧边沿的尺寸和所述发射区的顶部尺寸相同,且都小于所述有源区的尺寸。
步骤十、如图2G所示,在形成所述锗硅生长前定义窗口后的所述硅衬底的正面淀积厚度为0.05微米~0.2微米的锗硅层9,所述锗硅层9完全填充所述锗硅生长前定义窗口、且填充于所述锗硅生长前定义窗口中的所述锗硅层9为多晶硅结构。
步骤十一、如图2G所示,采用光刻刻蚀工艺对所述锗硅层9进行刻蚀形成发射区9;所述发射区9在所述锗硅生长前定义窗口底部和所述基区5相接触,所述发射区9的顶部所述锗硅层延伸到所述锗硅生长前定义窗口外侧的所述第一介质层8上。所述发射区的顶部和底部尺寸都小于所述有源区尺寸,所述发射区的区域外的所述第一介质层8都被去除。
步骤十二、如图2G所示,在形成所述发射区9后的所述硅衬底1的正面淀积所述第二介质层10,所述第二介质层10能为氧化膜,氮化硅,或者氧化膜加氮化硅。所述第二介质层10将所述发射区9和所述发射区9外部的所述有源区和所述浅槽场氧3都覆盖。如图2H所示,采用光刻刻蚀工艺对所述第二介质层10进行刻蚀,刻蚀后的所述第二介质层10将所述发射区9的顶面和侧面都覆盖并将所述发射区9周侧的所述有源区表面露出。
步骤十三、如图2H所示,在刻蚀了所述第二介质层10后的所述硅衬底的正面淀积发射极多晶硅11。所述发射极多晶硅11采用锗硅HBT淀积工艺中NPN的发射区多晶硅淀积工艺条件。
步骤十四、如图2H所示,采用光刻刻蚀工艺对所述发射极多晶硅11进行刻蚀,刻蚀后的所述发射极多晶硅11位于所述发射区9周侧的的所述有源区上部并延伸到所述有源区周侧的所述浅槽场氧3上,所述发射区9顶部的所述发射极多晶硅11和所述第二介质层10也被刻蚀掉。所述发射极多晶硅11的底部和所述基区5相接触。
步骤十五、如图2H所示,对所述发射极多晶硅11进行N型离子注入掺杂;对所述发射区9进行P型离子注入掺杂。所述发射极多晶硅11的掺杂工艺采用锗硅HBT工艺中NPN的发射区多晶硅的N+注入工艺。所述发射区9的掺杂工艺采用锗硅HBT工艺中的NPN三极管的外基区P+注入工艺。
步骤十六、如图1所示,在所述赝埋层6顶部的所述浅槽场氧3中形成深孔接触12引出集电极;在所述发射极多晶硅11的顶部形成金属接触13引出基极;在所述发射区9的顶部形成金属接触13引出发射极。
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。