CN103178121B

CN103178121B - Pin二极管及其制造方法

Info

Publication number: CN103178121B
Application number: CN201110431871.5A
Authority: CN
Inventors: 胡君; 刘冬华; 钱文生; 段文婷; 石晶
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN103178121A

Abstract

本发明公开了一种PIN二极管，在p型硅衬底中具有隔离结构；在隔离结构底部的p型硅衬底中具有p型赝埋层，作为PIN二极管的p型半导体部分；在两个隔离结构之间的p型硅衬底中具有第一n型掺杂区，该第一n型掺杂区作为PIN二极管的本征半导体部分，其与p型赝埋层相接触；在两个隔离结构之间且在第一n型掺杂区的表面具有掺杂浓度更高的第二n型掺杂区，在第二n型掺杂区之上具有n型多晶硅，该第二n型掺杂区与n型多晶硅一起作为PIN二极管的n型半导体部分；第一接触孔电极穿越p型多晶硅和隔离结构与p型赝埋层相接触；第二接触孔电极与n型多晶硅相接触。本发明还公开了其制造方法，可降低制造成本，并具有较低的串联电阻，且使各方向的电流均匀。

Description

PIN二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路器件，特别是涉及一种PIN二极管。

背景技术

普通的二极管由PN结组成。如果在p型半导体和n型半导体之间加入一层本征(Intrinsic)半导体，这种P-I-N结构的二极管就是PIN二极管。所述本征半导体在理想情况下应为绝缘材料，但实际应用中常采用轻掺杂的n型或p型半导体材料，其载流子浓度很低不能提供电流。

PIN二极管广泛应用在射频领域。例如，可用于微波开关、微波调制、限幅及数字移相等微波控制电路中，也可用于射频开关、低频整流中。

请参阅图1，这是一种现有的BiCMOS工艺所制造的PIN二极管的剖面示意图。在p型硅衬底10之上分别为n型埋层11和n型外延层12。在n型外延层12中具有隔离结构13。在隔离结构13的外侧且在n型外延层12中具有n型重掺杂区14，该n型重掺杂区14的底部连接n型埋层11。在两个隔离结构13之间且在n型外延层12中具有p型掺杂区15。在p型掺杂区15之上具有p型多晶硅16a。在隔离结构13之上具有n型多晶硅16b。p型多晶硅16a和n型多晶硅16b为一整体。在n型重掺杂区14和p型多晶硅16a之上各有接触孔电极17及其上方的金属连线18。

图1中，重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的p型多晶硅16a和p型掺杂区15一起作为PIN二极管的p型半导体部分，由接触孔电极17引出。轻掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸原子每立方厘米)的n型外延层12作为PIN二极管的本征半导体部分。重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的n型埋层11作为PIN二极管的n型半导体部分，由n型重掺杂区14(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)和接触孔电极17引出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的PIN二极管，同样可以由BiCMOS工艺制造。为此，本发明还要提供所述PIN二极管的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明PIN二极管为：在p型硅衬底中具有隔离结构；在隔离结构底部的p型硅衬底中具有p型赝埋层，作为PIN二极管的p型半导体部分；在两个隔离结构之间的p型硅衬底中具有第一n型掺杂区，该第一n型掺杂区作为PIN二极管的本征半导体部分，其与p型赝埋层相接触；在两个隔离结构之间且在第一n型掺杂区的表面具有掺杂浓度更高的第二n型掺杂区，在第二n型掺杂区之上具有n型多晶硅，该第二n型掺杂区与n型多晶硅一起作为PIN二极管的n型半导体部分；在隔离结构之上具有p型多晶硅；第一接触孔电极穿越p型多晶硅和隔离结构与p型赝埋层相接触；第二接触孔电极与n型多晶硅相接触。

本发明所述的PIN二极管的制造方法包括如下步骤：

第1步，在p型硅衬底上刻蚀沟槽，并在沟槽底部注入p型杂质以形成p型赝埋层，接着以介质材料填充沟槽以形成隔离结构；

第2步，在两个隔离结构之间的p型硅衬底中注入n型杂质并退火，从而形成与p型赝埋层相接触的第一n型掺杂区；

第3步，在硅片表面淀积一层多晶硅；

第4步，对两个隔离结构之间的多晶硅和n型掺杂区注入n型杂质，从而形成n型多晶硅和掺杂浓度大于第一n型掺杂区的第二n型掺杂区；隔离结构之上的多晶硅形成为p型多晶硅；

第5步，在硅片表面淀积一层层间介质，采用光刻和刻蚀工艺在层间介质、p型多晶硅和隔离结构中刻蚀出底部与p型赝埋层相接触的第一通孔，还在层间介质中刻蚀出底部与n型多晶硅相接触的第二通孔，在通孔中填充金属形成接触孔电极。

本发明PIN二极管及其制造方法可由BiCMOS工艺实现，并且省略了现有PIN二极管中的埋层和外延层工艺，因而降低了制造成本。另外，本发明PIN二极管还可通过调整版图结构，从而具有较低的串联电阻，并使各方向的电流均匀。

附图说明

图1是一种现有的PIN二极管的剖面结构示意图；

图2是本发明PIN二极管的剖面结构示意图；

图3a、图3b是本发明PIN二极管的两种版图结构示意图；

图4a～图4d是本发明PIN二极管的制造方法的各步骤示意图。

图中附图标记说明：

10为p型硅衬底；11为n型埋层；12为n型外延层；13为隔离结构；13a为沟槽；14为n型重掺杂区；15为p型掺杂区；16a为p型多晶硅；16b为n型多晶硅；17为接触孔电极；18为金属连线；21为p型赝埋层；22为n型掺杂区；23为多晶硅；23a为n型多晶硅；23b为p型多晶硅；24为n型掺杂区；25为接触孔电极；30为掩膜层。

具体实施方式

请参阅图2，本发明BiCMOS工艺制造的PIN二极管包括：在p型硅衬底10中具有隔离结构13。在隔离结构13的底部且在p型硅衬底10中具有p型赝埋层21。在两个隔离结构13之间且在p型硅衬底10中具有n型掺杂区22，该n型掺杂区22与p型赝埋层21相接触。在两个隔离结构13之间且在n型掺杂区22中具有掺杂浓度更高的n型掺杂区24。在n型掺杂区24之上具有n型多晶硅23a。在隔离结构13之上具有p型多晶硅23b。n型多晶硅23a与p型多晶硅23b为一整体。硅片表面还具有层间介质。第一接触孔电极25穿越层间介质、p型多晶硅23b和隔离结构13，底部与p型赝埋层21相接触。第二接触孔电极17穿越层间介质，底部与n型多晶硅23a相接触。两个接触孔电极25、17之上具有金属连线18。

图2中，重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的n型多晶硅23a和n型掺杂区24一起作为PIN二极管的n型半导体部分，由第二接触孔电极17引出。轻掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸原子每立方厘米)的n型掺杂区22作为PIN二极管的本征半导体部分。重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的p型赝埋层21作为PIN二极管的p型半导体部分，由第一接触孔电极25引出。

与现有的PIN二极管相比，本发明PIN二极管由于没有埋层11，取而代之的是隔离结构13底部的膺埋层21，因而电流方向也有差别。现有的PIN二极管中，电流方向从p型半导体部分向下流向n型埋层11，如图1所示。本发明PIN二极管中，电流方向从n型半导体部分向下、向外侧流向隔离结构13底部的p型赝埋层21，如图2所示。

显然，将图2中各部分结构的掺杂类型设为相反，也一样是可行的。

请参阅图3a、图3b，这是本发明PIN二极管的两种版图结构。其中内圈实线内部表示PIN二极管的n型半导体部分，即n型多晶硅23a的边界，或者n型掺杂区24的边界。内外圈实线之间的左斜线填充区域表示隔离结构13。内外圈虚线之间的右斜线填充区域表示PIN二极管的p型半导体部分，即p型赝埋层21。

图3a中，PIN二极管的n型半导体部分、p型半导体部分均为矩形的版图结构。在矩形的四条边部位，n型半导体部分与p型半导体部分之间的距离较小，如A处所示。在矩形的四个角部位，n型半导体部分与p型半导体部分之间的距离较大，如B处所示。因而该PIN二极管在四个角部位的串联电阻就比四条边部位大，这会导致器件在各个方向上的电流不均匀。

图3b中，PIN二极管的n型半导体部分、p型半导体部分均为多边形的版图结构，优选为正多边形且边数≥8，也可以是圆形、椭圆形等具有圆滑边界的版图结构。这种版图结构可以让n型半导体部分与p型半导体部分之间保证近似相等的距离，从而有效地降低PIN二极管的串联电阻，可以提高器件的正向导通电流，使器件在各个方向上的电流更均匀。

本发明所述的PIN二极管的制造方法包括如下步骤：

第1步，请参阅图4a，在轻掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸原子每立方厘米)的p型硅衬底10上刻蚀沟槽13a，例如采用浅槽隔离(STI)工艺。然后在沟槽13a的底部进行p型杂质的离子注入，从而在沟槽13a底部的硅衬底10中形成重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的p型赝埋层21。该p型赝埋层21作为PIN二极管的p型半导体部分。接着以介质材料填充沟槽13a，从而在沟槽13a中形成隔离结构13，例如为氧化硅材料。

优选地，首先在硅片表面淀积一层介质材料的掩膜层30，例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，接着刻蚀沟槽13a，这样剩余的掩膜层30可以在离子注入时保护硅片。

优选地，采用光刻和离子注入工艺相结合，利用光刻胶保护沟槽13a底部的内侧区域不被注入离子，仅在沟槽13a底部的外侧区域形成p型赝埋层21。

优选地，p型杂质例如为硼、氟化硼，且采用高剂量(1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米)、低能量(＜30KeV，优选＜20KeV，更优选＜15KeV)的离子注入。

第2步，请参阅图4b，在两个隔离结构13之间的p型硅衬底10中进行n型杂质的离子注入，从而形成轻掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸原子每立方厘米)的n型掺杂区22。接着采用退火工艺，使该n型掺杂区22与p型赝埋层21相接触，这将有助于减少衬底漏电流。该n型掺杂区22作为PIN二极管的本征半导体部分。

优选地，n型杂质例如为磷、砷，离子注入的剂量为1×10¹²～5×10¹³原子每平方厘米，能量为100～2000KeV。

在BiCMOS工艺中原本就有双极型晶体管的集电区轻掺杂注入工艺，这一步即可由该工艺来实现。

第3步，请参阅图4c，在硅片表面淀积一层多晶硅23。该多晶硅23可以是不掺杂的、也可以是p型掺杂的。

在BiCMOS工艺中原本就有双极型晶体管的多晶硅发射极淀积工艺，这一步即可由该工艺来实现。

第4步，请参阅图4d，对两个隔离结构13之间的多晶硅23和n型掺杂区22进行n型杂质的离子注入，从而形成重掺杂(掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米)的n型多晶硅23a和n型掺杂区24，其掺杂浓度大于n型掺杂区22。所述的n型多晶硅23a和n型掺杂区24一起作为PIN二极管的n型半导体部分。

优选地，n型杂质例如为磷、砷，离子注入的剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米，能量为2～100KeV。

如果第3步淀积的多晶硅23是不掺杂的，还需要对隔离结构13之上的多晶硅23进行p型杂质的离子注入，从而形成p型多晶硅23b。如果第3步淀积的多晶硅23就是p型掺杂的，则无需这一步。

在BiCMOS工艺中原本就有多晶硅发射极重掺杂注入工艺，这一步即可由该工艺来实现。

第5步，请参阅图2，在硅片表面淀积一层层间介质(ILD)，在层间介质、p型多晶硅23b和隔离结构13中刻蚀第一通孔，其底部与p型赝埋层21相接触，在其中填充金属形成第一接触孔电极25。在层间介质中刻蚀第二通孔，其底部与n型多晶硅23a相接触，在其中填充金属形成第二接触孔电极17。在接触孔电极25、17上设置金属连线18，将PIN二极管的阳极和阴极引出。

优选地，在通孔中填充金属采用钨塞工艺。首先在通孔的侧壁和底部淀积钛，再在钛的上表面淀积氮化钛，接着填充金属钨，最后研磨抛光金属钨。

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

1.一种PIN二极管，在p型硅衬底中具有隔离结构；其特征是，在隔离结构底部的p型硅衬底中具有p型赝埋层，作为PIN二极管的p型半导体部分；在两个隔离结构之间的p型硅衬底中具有第一n型掺杂区，该第一n型掺杂区作为PIN二极管的本征半导体部分，其与p型赝埋层相接触；在两个隔离结构之间且在第一n型掺杂区的表面具有掺杂浓度更高的第二n型掺杂区，在第二n型掺杂区之上具有n型多晶硅，该第二n型掺杂区与n型多晶硅一起作为PIN二极管的n型半导体部分；在隔离结构之上具有p型多晶硅；第一接触孔电极穿越p型多晶硅和隔离结构与p型赝埋层相接触；第二接触孔电极与n型多晶硅相接触。

2.根据权利要求1所述的PIN二极管，其特征是，所述PIN二极管的各部分结构的掺杂类型变为相反，即p型掺杂和n型掺杂互换。

3.根据权利要求1所述的PIN二极管，其特征是，所述PIN二极管的p型半导体部分的掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米，本征半导体部分的掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁸原子每立方厘米，n型半导体部分的掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²¹原子每立方厘米。

4.根据权利要求1所述的PIN二极管，其特征是，所述PIN二极管的p型半导体部分、n型半导体部分在版图上均为边数≥8的正多边形或圆形。

5.根据权利要求1所述的PIN二极管，其特征是，所述PIN二极管的电流从n型半导体部分流向p型半导体部分。

6.如权利要求1所述的PIN二极管的制造方法，其特征是，包括如下步骤：

第3步，在硅片表面淀积一层多晶硅；

7.根据权利要求6所述的PIN二极管的制造方法，其特征是，所述方法第1步中，离子注入的剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米，能量为＜30KeV。

8.根据权利要求6所述的PIN二极管的制造方法，其特征是，所述方法第2步中，离子注入的剂量为1×10¹²～5×10¹³原子每平方厘米，能量为100～2000KeV。

9.根据权利要求6所述的PIN二极管的制造方法，其特征是，所述方法第4步中，离子注入的剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米，能量为2～100KeV。