CN103178100B - 纵向pnp型三极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵向PNP型三极管，包括有位于p型硅衬底中的隔离结构，两个隔离结构之间为n型基区；在硅衬底中还具有n型深阱及其上方的p型深阱，两者相接触；在隔离结构的底部具有相互独立的p型赝埋层和n型赝埋层；所述n型基区与n型赝埋层横向连接；第一接触孔电极穿越隔离结构连接p型赝埋层；第二接触孔电极穿越隔离结构连接n型赝埋层。本发明还公开了所述纵向PNP型三极管单独制造的方法，以及与锗硅HBT一起制造的方法。本发明所述的纵向PNP型三极管，可用作锗硅HBT高频电路中的输出器件。其制造方法可以完美地集成在锗硅HBT器件的制造工艺之中，无需额外的步骤、条件即可为电路提供多一种器件选择。

Description

纵向PNP型三极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种双极型晶体管(BJT)，也称三极管。

背景技术

HBT(heterojunction bipolar transistor，异质结双极晶体管)器件广泛应用于特征频率(cutoff frequency，即截止频率)在40GHz以上的射频领域。尤其是发射区由硅构成、基区由锗硅构成、集电区由硅构成的锗硅HBT(SiGe HBT)器件。

请参阅图1，这是一个锗硅HBT器件的示意图。硅衬底10中具有隔离结构11、埋层31和锗硅HBT的集电区32。该集电区32在两个隔离结构11之间，且隔离结构11和集电区32的底部均在埋层11中(表面或内部)。隔离结构11之上具有介质33。硅衬底10之上具有锗硅外延层34作为锗硅HBT的基区。该基区34的两端在介质33之上。在正对集电区32的基区34之上具有介质17、多晶硅18和侧墙19。该多晶硅18作为锗硅HBT的发射区，呈现上宽下窄的T形剖面，其两端在介质17之上。侧墙19在介质17和发射区18的两侧。

上述锗硅HBT器件的制造方法可能有多种，下面仅举出一种示例，包括如下步骤：

第1步，在硅衬底10中刻蚀出沟槽11a。

第2步，在沟槽11a的底部通过离子注入和退火工艺形成埋层31。

第3步，以介质材料填充沟槽11a形成隔离结构11。

第4步，对两个隔离结构11之间的硅衬底10注入n型杂质形成集电区32。

第5步，在硅片表面淀积介质33，并通过光刻和刻蚀工艺形成基区窗口。所述基区窗口包括集电区32上方的全部区域、以及隔离结构11上方靠近集电区32的部分区域。

第6步，在硅片表面通过外延工艺生长锗硅外延层34，外延工艺中掺杂p型杂质。该锗硅外延层34与硅材料相接触的部位形成了单晶锗硅，与非硅材料相接触的部位形成了多晶锗硅。

第7步，在硅片表面淀积介质17。并通过光刻和刻蚀工艺形成发射区窗口。所述发射区窗口包括集电区32正上方的锗硅外延层34的部分区域。

第8步，在硅片表面淀积一层多晶硅18。

第9步，通过光刻和刻蚀工艺形成T形剖面的多晶硅发射区18及其两端下方的介质17。

第10步，对发射区18注入n型杂质。如果第8步淀积多晶硅18时原位掺杂n型杂质，这一步也可省略。

第11步，在介质17和T形发射区18的两侧形成侧墙19。

第12步，在硅片表面淀积层间介质，并刻蚀出穿越层间介质和隔离结构11(或穿越层间介质和隔离结构11外侧的硅衬底10)的通孔以连接埋层31，在该通孔中填充金属形成接触孔电极作为集电区引出端。同样地也有通孔穿越层间介质连接锗硅基区外延层34，填充金属后作为基区引出端。同样地也有通孔穿越层间介质连接发射区36，填充金属后作为发射区引出端。

从上述锗硅HBT器件及其典型的制造方法可以发现，该制造工艺完全有能力同时制造锗硅HBT和其他半导体集成电路器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以集成在现有的锗硅HBT器件的制造方法中的纵向PNP型三极管。为此，本发明还要提供所述纵向PNP型三极管的单独制造方法、以及其与锗硅HBT器件一起制造的方法。

为解决上述技术问题，本发明纵向PNP型三极管包括有位于p型硅衬底中的隔离结构，两个隔离结构之间为n型基区；在硅衬底中还具有n型深阱及其上方的p型深阱，两者相接触；在隔离结构的底部具有相互独立的p型赝埋层和n型赝埋层；所述n型基区与n型赝埋层横向连接；在隔离结构之上具有第一介质，在n型基区、部分隔离结构、第一介质之上具有p型多晶硅发射区，所述发射区具有上宽下窄的T形剖面；第一接触孔电极穿越隔离结构连接p型赝埋层；第二接触孔电极穿越隔离结构连接n型赝埋层。

进一步地，p型深阱之上的硅衬底作为所述纵向PNP型三极管的集电区，其由p型赝埋层和第一接触孔电极引出；n型基区由n型赝埋层和第二接触孔电极引出。

本发明纵向PNP型三极管的单独制造方法包括如下步骤：

第1步，在p型硅衬底上刻蚀沟槽；

第2步，在沟槽底部以离子注入和退火形成相互独立的p型赝埋层和n型赝埋层；

第3步，以介质填充沟槽形成隔离结构；

第4步，以离子注入工艺在硅衬底内部形成n型深阱及其上方的p型深阱，两者相接触；

第5步，对两个隔离结构之间的硅衬底注入n型杂质作为n型基区，该n型基区与n型赝埋层相连；

第6步，在硅片表面形成第一介质并刻蚀出发射区窗口；

第7步，在硅片表面淀积多晶硅；

第8步，采用光刻和刻蚀工艺形成T形多晶硅发射区及其两端下方的第一介质；

第9步，对T形发射区注入p型杂质；

第10步，在p型发射区和第一介质的两侧形成侧墙；

第11步，在硅片表面淀积层间介质并刻蚀出连接p型赝埋层的第一通孔、连接n型赝埋层的第二通孔和连接p型发射区的第三通孔，在这些通孔中填充金属。

进一步地，当所述方法第7步中淀积多晶硅时原位掺杂p型杂质，则省略所述方法第9步。

本发明纵向PNP型三极管与锗硅HBT器件一起制造的方法包括如下步骤：

第1’步，在硅衬底上刻蚀沟槽；

第2’步，在沟槽底部注入杂质并经退火后形成埋层；对锗硅HBT而言是集电区埋层，对纵向PNP型三极管而言是p型赝埋层和n型赝埋层；

第3’步，以介质填充沟槽形成隔离结构；

第4’步，仅在纵向PNP型三极管器件区域以离子注入工艺在p型硅衬底中形成n型深阱及其上方的p型深阱；

第5’步，对两个隔离结构之间的硅衬底注入n型杂质形成锗硅HBT的集电区、纵向PNP型三极管的基区；

第6’步，在硅片表面淀积第一介质并刻蚀，在锗硅HBT器件区域形成基区窗口，在纵向PNP型三极管器件区域去除所淀积的第一介质；

第7’步，在硅片表面通过外延工艺生长锗硅外延层，在纵向PNP型三极管器件区域去除所生长的锗硅外延层；

第8’步，在硅片表面生长或淀积第二介质并刻蚀出发射区窗口；

第9’步，在硅片表面淀积多晶硅；

第10’步，刻蚀形成T形多晶硅发射区及其两端下方的第二介质；

第11’步，对多晶硅发射区注入杂质，对锗硅HBT注入n型杂质形成n型发射区，对纵向PNP型三极管注入p型杂质形成p型发射区；

第12’步，在T形发射区及其两端下方的第二介质的两侧形成侧墙；

第13’步，淀积层间介质，刻蚀通孔并填充金属以作为集电区引出端、基区引出端、发射区引出端。

进一步地，当所述方法第9’步中淀积多晶硅时原位掺杂p型、n型杂质，则省略所述方法第11’步。

本发明所述的纵向PNP型三极管，可用作锗硅HBT高频电路中的输出器件。其制造方法可以完美地集成在锗硅HBT器件的制造工艺之中，无需额外的步骤、条件即可为电路提供多一种器件选择，并与0.13μm BiCMOS工艺完全兼容。

附图说明

图1是现有的锗硅HBT器件的剖面示意图；

图2是本发明纵向PNP型三极管器件的剖面示意图；

图3a～图3h是本发明纵向PNP型三极管的制造方法的各步骤示意图。

图中附图标记说明：

10为硅衬底；11为隔离结构；11a为沟槽；12为p型赝埋层；13为n型赝埋层；14为n型深阱；15为p型深阱；16为PNP型三极管的基区；17为多晶硅发射区两侧下方的介质；18为多晶硅发射区；19为侧墙；20为层间介质；21为第一接触孔电极；21a为第一通孔；22为第二接触孔电极；22a为第二通孔；23为第三接触孔电极；23a为第三通孔；24为金属布线；31为埋层；32为锗硅HBT的集电区；33为锗硅外延层两侧下方的介质；34为锗硅外延层。

具体实施方式

请参阅图2，这是本发明纵向PNP型三极管的一个具体实施例。在p型硅衬底10中具有介质材料的隔离结构11。在硅衬底10中且在隔离结构11底部具有相互独立的p型赝埋层12和n型赝埋层13，赝埋层就是一块掺杂区域。在硅衬底10中还具有n型深阱14及其上方的p型深阱15，两者相接触。所述深阱就是从硅片表面注入离子从而在硅片内部(非表面区域)所形成的掺杂区。p型深阱15与p型赝埋层12、n型赝埋层13之间都隔有硅衬底10。在硅衬底10中且在两个隔离结构11之间为n型基区16，其在横向上与n型赝埋层13相连，在纵向上与p型深阱15之间隔有硅衬底10。在隔离结构11之上具有第一介质17，在基区16、部分隔离结构11、第一介质17之上具有p型多晶硅发射区18，其具有上宽下窄的T形剖面，在其两端下方为第一介质17。在第一介质17和T形发射区18的两侧具有介质材料的侧墙19。硅片表面还具有层间介质(ILD)20。第一接触孔电极21穿越层间介质20和隔离结构11，与p型赝埋层12相接触。第二接触孔电极22穿越层间介质20和隔离结构11，与n型赝埋层13相接触。第三接触孔电极23穿越层间介质20，与T形发射区18相接触。在三个接触孔电极21、22、23之上为金属布线24。

上述纵向PNP型三极管中，位于p型深阱15上方的p型衬底10作为集电区，其通过p型赝埋层12和第一接触孔电极21引出。n型基区16通过n型赝埋层13和第二接触孔电极22引出。p型发射区18通过第三接触孔电极23引出。

上述纵向PNP型三极管的结构具有如下特点：

其一，集电区之下具有p型深阱15和n型深阱14将其与硅衬底10进行隔离，这种结构用来减小集电区漏电流。

其二，隔离结构11之下具有p型赝埋层12和n型赝埋层13，分别连接第一接触孔电极21和第二接触孔电极22，作为集电区引出端和基区引出端。这两个接触孔电极21、22都穿越了隔离结构11。

本发明纵向PNP型三极管的单独制造方法包括如下步骤：

第1步，请参阅图3a，在p型硅衬底10上刻蚀沟槽11a，例如采用浅槽隔离(STI)工艺。

第2步，请参阅图3a，在沟槽11a底部分别进行p型和n型杂质注入，经过退火后在沟槽11a下方的硅衬底10中形成相互独立的p型掺杂区12和n型掺杂区13，分别称其为p型赝埋层12和n型赝埋层13。

优选地，赝埋层12、13(Pseudo Buried Layer)采用高剂量(1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米)、低能量(＜15KeV)的离子注入工艺形成。p型杂质例如为硼(B)或氟化硼(BF2)，n型杂质例如为磷(P)。

第3步，请参阅图3b，以介质例如氧化硅、氮化硅等填充沟槽11a形成隔离结构11。

第4步，请参阅图3b，在硅衬底10中以离子注入工艺形成n型深阱14及其上方的p型深阱15，两者相接触。但p型深阱15与p型赝埋层12、n型赝埋层13之间隔有硅衬底10。

优选地，深阱14、15的离子注入的剂量为1×10¹⁴～5×10¹⁵原子每平方厘米，能量为500～3000KeV。

第5步，请参阅图3c，对两个隔离结构11之间的硅衬底10进行n型杂质的离子注入，从而形成PNP型三极管的n型基区16。横向上，该n型基区16与n型赝埋层13相连。纵向上，该n型基区16与p型深阱15不接触，两者之间隔有硅衬底10。

优选地，离子注入选择磷或砷(As)作为n型杂质，离子注入的剂量为5×10¹¹～5×10¹³原子每平方厘米，能量为50～500KeV。

第6步，请参阅图3d，在硅片表面热氧化生长或淀积第一介质17，例如为氧化硅、氮化硅等。再采用刻蚀工艺在第一介质17上刻蚀出发射区窗口。所述发射区窗口包括n型基区16之上的全部区域、以及隔离结构11之上且紧邻n型基区16的部分区域。

第7步，请参阅图3e，在硅片表面淀积一层多晶硅18。优选地，再由平坦化工艺例如化学机械研磨(CMP)将多晶硅18的上表面处理平整。

第8步，请参阅图3f，采用光刻和刻蚀工艺形成T形剖面的多晶硅发射区18及其两端下方的第一介质17。

第9步，请参阅图3g，对T形发射区18注入p型杂质作为PNP型三极管的p型发射区18。如果第7步淀积多晶硅18时原位掺杂p型杂质，这一步也可省略。

优选地，离子注入选择硼或氟化硼作为p型杂质，离子注入的剂量为1×10¹³～5×10¹⁵原子每平方厘米，能量为10～100KeV。

第10步，请参阅图3h，在p型发射区18和第一介质17的两侧形成侧墙19。例如先淀积第二介质，再以干法反刻该第二介质，即可在硅片表面的凸出结构两侧形成侧墙19。

第11步，请参阅图2，在硅片表面淀积层间介质(ILD)20，并采用光刻和刻蚀工艺刻蚀出第一通孔21a、第二通孔21b和第三通孔21c。第一通孔21a穿透层间介质20和隔离结构11，其底部为p型赝埋层12。第二通孔21b穿透层间介质20和隔离结构11，其底部为n型赝埋层13。第三通孔21c穿透层间介质20，其底部为p型发射区18。在三个通孔21a、21b、21c中填充金属分别形成接触孔电极21、22、23，例如采用钨塞工艺。最后在三个接触孔电极21、22、23的上方设置金属布线24。

本发明所述的纵向PNP型三极管可以完美地集成在现有锗硅HBT器件的制造工艺之中，即可以在硅片上同时制造锗硅HBT器件和纵向PNP型三极管器件。这种集成的制造工艺简述如下：

第1’步，在硅衬底10上刻蚀沟槽11a。

第2’步，在沟槽11a的底部注入杂质并经退火后形成埋层。该埋层对于锗硅HBT而言是图1中的集电区埋层31，对纵向PNP型三极管而言是图2中的p型赝埋层12和n型赝埋层13。

第3’步，以介质填充沟槽11a形成隔离结构11。

第4’步，采用光刻工艺，仅在纵向PNP型三极管器件区域以离子注入工艺形成p型硅衬底10中的n型深阱14及其上方的p型深阱15，如图2所示。

第5’步，对两个隔离结构11之间的硅衬底10注入n型杂质，对于锗硅HBT而言形成图1中的集电区32，对于纵向PNP型三极管而言形成图2中的基区16。

第6’步，在硅片表面淀积介质并刻蚀，对于锗硅HBT而言刻蚀后形成图1中的基区窗口，对于纵向PNP型三极管器件区域而言刻蚀后去除所淀积的介质。

第7’步，在硅片表面通过外延工艺生长锗硅外延层。对于纵向PNP型三极管器件区域而言去除硅片表面生长的锗硅外延层。

第8’步，在硅片表面生长或淀积介质并刻蚀出发射区窗口，锗硅HBT和PNP型三极管都有发射区，该发射区窗口对各自器件具有对应的含义。

第9’步，在硅片表面淀积一层多晶硅。

第10’步，形成T形剖面的多晶硅发射区及其两端下方的介质。

第11’步，对多晶硅发射区注入杂质，对于锗硅HBT而言注入n型杂质以形成图1中的n型发射区18，对于纵向PNP型三极管而言注入p型杂质以形成图2中的p型发射区18。如果第9’步中淀积多晶硅时原位掺杂p型、n型杂质，这一步也可以省略。

第12’步，在T形发射区及其两端下方的介质的两侧形成侧墙。

第13’步，淀积层间介质，刻蚀通孔并填充金属以作为集电区引出端、基区引出端、发射区引出端。

通过上述方法即可在制造锗硅HBT器件的同时，在硅片上制造出纵向结构的PNP型三极管器件，这为电路设计新增了一种可供选择的器件，并且几乎不增加制造成本。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纵向PNP型三极管，包括有位于p型硅衬底中的隔离结构，两个隔离结构之间为n型基区；其特征是，在硅衬底中还具有n型深阱及其上方的p型深阱，两者相接触；在隔离结构的底部具有相互独立的p型赝埋层和n型赝埋层；所述n型基区与n型赝埋层横向连接；在隔离结构之上具有第一介质，在n型基区、部分隔离结构、第一介质之上具有p型多晶硅发射区，所述发射区具有上宽下窄的T形剖面；第一接触孔电极穿越隔离结构连接p型赝埋层；第二接触孔电极穿越隔离结构连接n型赝埋层。

2.根据权利要求1所述的纵向PNP型三极管，其特征是，p型深阱之上的硅衬底作为所述纵向PNP型三极管的集电区，其由p型赝埋层和第一接触孔电极引出；n型基区由n型赝埋层和第二接触孔电极引出。

3.如权利要求1所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，在p型硅衬底上刻蚀沟槽；

第2步，在沟槽底部以离子注入和退火形成相互独立的p型赝埋层和n型赝埋层；

第3步，以介质填充沟槽形成隔离结构；

第4步，以离子注入工艺在硅衬底内部形成n型深阱及其上方的p型深阱，两者相接触；

第5步，对两个隔离结构之间的硅衬底注入n型杂质作为n型基区，该n型基区与n型赝埋层相连；

第6步，在硅片表面形成第一介质并刻蚀出发射区窗口；

第7步，在硅片表面淀积多晶硅；

第8步，采用光刻和刻蚀工艺形成T形多晶硅发射区及其两端下方的第一介质；

第9步，对T形发射区注入p型杂质；

第10步，在p型发射区和第一介质的两侧形成侧墙；

第11步，在硅片表面淀积层间介质并刻蚀出连接p型赝埋层的第一通孔、连接n型赝埋层的第二通孔和连接p型发射区的第三通孔，在这些通孔中填充金属。

4.根据权利要求3所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，当所述方法第7步中淀积多晶硅时原位掺杂p型杂质，则省略所述方法第9步。

5.根据权利要求3所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，所述方法第2步中，形成赝埋层的离子注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米，能量＜15KeV。

6.根据权利要求3所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，所述方法第4步中，形成深阱的离子注入剂量为1×10¹⁴～5×10¹⁵原子每平方厘米，能量为500～3000KeV。

7.根据权利要求3所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，所述方法第5步中，形成n型基区的离子注入剂量为5×10¹¹～5×10¹³原子每平方厘米，能量为50～500KeV。

8.根据权利要求3所述的纵向PNP型三极管的单独制造方法，其特征是，所述方法第9步中，对发射区进行的离子注入剂量为1×10¹³～5×10¹⁵原子每平方厘米，能量为10～100KeV。

9.如权利要求1所述的纵向PNP型三极管与锗硅HBT器件一起制造的方法，其特征是，包括如下步骤：

第1’步，在硅衬底上刻蚀沟槽；

第2’步，在沟槽底部注入杂质并经退火后形成埋层；对锗硅HBT而言是集电区埋层，对纵向PNP型三极管而言是p型赝埋层和n型赝埋；

第3’步，以介质填充沟槽形成隔离结构；

第4’步，仅在纵向PNP型三极管器件区域以离子注入工艺在p型硅衬底中形成n型深阱及其上方的p型深阱；

第5’步，对两个隔离结构之间的硅衬底注入n型杂质形成锗硅HBT的集电区、纵向PNP型三极管的基区；

第6’步，在硅片表面淀积第一介质并刻蚀，在锗硅HBT器件区域形成基区窗口，在纵向PNP型三极管器件区域去除所淀积的第一介质；

第7’步，在硅片表面通过外延工艺生长锗硅外延层，在纵向PNP型三极管器件区域去除所生长的锗硅外延层；

第8’步，在硅片表面生长或淀积第二介质并刻蚀出发射区窗口；

第9’步，在硅片表面淀积多晶硅；

第10’步，刻蚀形成T形多晶硅发射区及其两端下方的第二介质；

第11’步，对多晶硅发射区注入杂质，对锗硅HBT注入n型杂质形成n型发射区，对纵向PNP型三极管注入p型杂质形成p型发射区；

第12’步，在T形发射区及其两端下方的第二介质的两侧形成侧墙；

第13’步，淀积层间介质，刻蚀通孔并填充金属以作为集电区引出端、基区引出端、发射区引出端。

10.根据权利要求9所述的纵向PNP型三极管与锗硅HBT器件一起制造的方法，其特征是，当所述方法第9’步中淀积多晶硅时原位掺杂p型、n型杂质，则省略所述方法第11’步。