CN103456628B

CN103456628B - 锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法

Info

Publication number: CN103456628B
Application number: CN201210171863.6A
Authority: CN
Inventors: 周正良; 周克然; 陈曦
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN103456628A

Abstract

本发明公开了一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，包括：由低掺杂N型外延工艺制备集电区,底部有重N型掺杂的低电阻埋层通道，在集电极有源区用高剂量中能量的N型离子注入形成集电极引出端；形成隔离区后直接进行表面清洗和较厚缓冲层的锗硅外延层的成长，然后用光刻定义并干刻去除基区和外基区以外的锗硅外延层；随后淀积发射极窗口介质，再光刻、干刻和湿刻打开发射极窗口及整个集电极有源区，最后淀积N型重掺杂的发射极多晶硅，形成N型的发射极-基极结和低电阻通道。本发明通过调整锗硅缓冲层的厚度提高外基区的多晶硅厚度，从而保证了基区电阻性能，降低了工艺成本，并得到更稳定的工艺流程和更高的产品良率。

Description

锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别涉及一种锗硅异质结双极型三极管功率器件的制作方法。

背景技术

在常规的锗硅异质结双极型三极管工艺中，集电区形成后，用热氧化的方法生长一层薄氧化硅以去除硅表面损伤；淀积一层氧化硅和一层无定型硅，通过光刻和干法刻蚀无定型硅打开基区有源区，而集电极有源区和其他有源区则由上述氧化硅和无定形硅保护；湿法去除露出的氧化硅并清洗硅表面，进行锗硅外延的生长，在露出的基区有源区上生长的锗硅外延层为单晶硅结构，其他区域的锗硅外延层为多晶硅结构。后续工艺依次包括光刻和干刻去除集电区和其他区域的锗硅和无定型硅并形成基极，淀积发射极窗口介质，光刻和干刻打开发射极窗口和集电极有源区，淀积N型高掺杂多晶硅，与锗硅接触形成发射极-基极结，与N型高掺杂集电区单晶硅接触形成低电阻的引出端，最终器件就形成了，如图1所示的器件结构的截面图，在外基区会留下氧化硅和无定形硅层。

锗硅异质结双极型三极管中锗硅异质结是器件的核心，在常规工艺中由于引入了一层无定型硅，所以在后续的锗硅外延层生长中为了降低锗硅生长时形成的缺陷需要采用高于900度的高温前处理，而在高温下无定型硅重新结晶，使器件表面形貌非常粗糙，从而导致后续工艺受此影响出现诸如光刻无法对准、缺陷增多、基极-集电极结漏电，工艺不稳定等问题，严重影响了产品的良率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，可以减少基区的缺陷，解决集电极和基极之间的结漏电，提高工艺的稳定性和产品良率。

为解决上述技术问题，本发明的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，在P型硅衬底上形成N型埋层，在所述N型埋层上进行低N-掺杂外延生长；在N型埋层上进行N型离子注入形成第一离子注入区；生长局部氧化层或形成浅沟槽作为隔离区，定义形成基区有源区；生长一牺牲氧化硅层，在所述N型埋层上进行N型离子注入形成第二离子注入区，所述第二离子注入区成为集电极的低电阻底座；

步骤二，湿法刻蚀去除牺牲氧化硅层，对硅片表面进行清洗得到无缺陷的单晶硅表面；

步骤三，生长锗硅外延层，基区有源区和第一离子注入区上的锗硅外延层为单晶硅结构，隔离区上的锗硅外延层为多晶硅结构；所述锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100～500埃；所述锗硅层的厚度为200～800埃，其中20～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为200～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm3^-3；

步骤四，使用光刻胶遮挡基区有源区和外基区，干法刻蚀去除未被遮挡的部分隔离区的多晶硅结构和第一离子注入区上的单晶硅结构；

步骤五，淀积发射极窗口介质，光刻定义发射极窗口和集电极引出端有源区，干法和湿法刻蚀打开发射极窗口和集电极引出端有源区；

步骤六，清洗硅片表面并淀积N型多晶硅；

步骤七，使用光刻胶遮挡发射极和集电极引出端区，刻蚀去除未遮挡区域的多晶硅和发射极窗口介质，在光刻胶的遮挡下对外基区进行P型离子注入，去除光刻胶，再淀积介质并回刻形成多晶硅侧墙；

步骤八，进行热退火，发射极多晶硅中的杂质激活并扩散形成发射极-基极结，锗硅外延层和集电区的杂质激活并扩散形成基极-集电极结；

步骤九，淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。

在步骤一中，所述N型埋层为重掺杂，注入离子为在较高热开销时向上扩散较少的杂质砷，注入能量为30～120keV,剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2；采用炉管进行高温推进，推进温度在1000～1100℃，时间为30～120分钟，然后生长低N-掺杂外延，掺杂杂质是磷，掺杂浓度在2×10¹⁵～5×10¹⁶cm^-3；所述第一离子注入区的注入离子是在高温下易推进的磷，注入能量为80～180keV,剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2。

在步骤四中，采用20%～50%的过刻蚀进行干刻，所述第一离子注入区的单晶硅刻蚀去除500埃。

在步骤五中，所述发射极窗口介质为氧化硅加氮化硅。

在步骤六中，所述多晶硅为N型重掺杂，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于10²⁰cm^-3。

在步骤六中，清洗硅片表面后且淀积多晶硅前，快速热氧化生长5～10埃的氧化层。

在步骤七中，对外基区进行低能量高剂量的P型离子注入，注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5～120keV,注入剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2。

在步骤八中，热退火的温度为1015℃～1050℃，时间是5～30秒，形成300～500埃且缓变的发射极-基极结。

本发明的有益效果在于，锗硅外延层具有较厚的硅缓冲层，使得局部氧化层或者浅沟槽上形成的多晶硅厚度更厚且本身较为平整；同时发射极刻蚀完成后，在未去除光刻胶的情况下对外基区进行高浓度低能量的离子注入，并且在锗硅外基区使用金属硅化物，大大降低了外基区电阻，所以省去了无定型硅。而且，在整个芯片上有源区只存在于锗硅异质结双极型三极管的基区和集电极引出区，所以可以去除锗硅外延窗口这一光刻层。这一改进可降低工艺成本，并得到更稳定的工艺流程和更高的产品良率。

附图说明

图1是现有制造方法形成的锗硅异质结双极型三极管器件的截面示意图；

图2-图10是本发明实施例的锗硅异质结双极型三极管器件制造过程中的器件截面示意图；

图11是本发明的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，如图11所示，包括以下步骤：

步骤一，在P型硅衬底1上形成N型埋层2，所述N型埋层2为重掺杂，注入离子为在较高热开销时向上扩散较少的杂质砷，注入能量为30～120keV，剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2；采用炉管进行高温推进，推进温度在1000～1100℃，时间为30～120分钟，然后在所述N型埋层2上进行低N-掺杂外延3生长，掺杂杂质是磷，掺杂浓度为2×10¹⁵～5×10¹⁶cm^-3；在N型埋层2上进行N型离子注入形成第一离子注入区5，注入离子是在高温下易推进的磷，注入能量为80～180keV,剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2；生长局部氧化层或形成浅沟槽作为隔离区4，定义形成基区有源区；生长一牺牲氧化硅层，在后续定义的发射极窗口下进行选择性N型离子注入形成第二离子注入区6，所述第二离子注入区6与N型埋层连接成为集电极的低电阻底座，如图2所示；

步骤三，如图3所示，生长锗硅外延层7，基区有源区和第一离子注入区5上的锗硅外延层为单晶硅结构，隔离区上的锗硅外延层为多晶硅结构；所述锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100～500埃；所述锗硅层的厚度为200～800埃，其中20～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为200～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3；

步骤四，使用光刻胶遮挡基区有源区和外基区（延伸到后续定义的发射极窗口外部的基区），采用20%～50%的过刻蚀进行干法刻蚀，去除未被遮挡的隔离区4的多晶硅结构和第一离子注入区5上的单晶硅结构，如图4所示；对锗硅多晶硅的干刻停止在隔离区4上，而第一离子注入区5上没有刻蚀停止层，锗硅单晶硅直接与硅表面接触，故除了锗硅外延层被刻掉外，过刻蚀会刻蚀去除约500埃的第一离子注入区单晶硅；

步骤五，淀积发射极窗口介质8，所述发射极窗口介质最好是双层，如氧化硅加氮化硅，如图5所示；

步骤六，光刻定义发射极窗口和集电极引出端有源区，干法和湿法刻蚀打开发射极窗口和集电极引出端有源区，如图6所示；

步骤七，清洗硅片表面并淀积N型重掺杂多晶硅10，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于10²⁰cm^-3，如图7所示；也可以先通过快速热氧化生长5～10埃的氧化层后再淀积发射极多晶硅，多晶硅与锗硅单晶接触形成发射极-基极结，与第一离子注入区5的N型高掺杂单晶硅接触形成低电阻的集电极通道；

步骤八，使用光刻胶遮挡发射极和集电极引出端区，刻蚀去除未遮挡区域的多晶硅和发射极窗口介质，在光刻胶的遮挡下对外基区11进行低能量高剂量的P型离子注入，如图8所示，注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5～120keV,注入剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2；

步骤九，去除光刻胶，淀积介质并回刻形成多晶硅侧墙，如图9所示；

步骤十，进行热退火，温度为1015℃～1050℃，高于常规锗硅工艺0～20℃，时间是5～30秒，发射极多晶硅10中的掺杂杂质激活并扩散，最终形成深度为300～500埃的缓变的发射极-基极结，其侧面由于氧化硅底切形状的优化，其杂质剖面分布较平缓，可阻止基区复合电流的非正常增大；同时锗硅外延层和集电区的掺杂杂质也被激活并扩散形成基极-集电极结；

步骤十一，淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接，如图10所示。

本发明锗硅外延层具有较厚的硅缓冲层，使得局部氧化层或者浅沟槽上形成的多晶硅厚度更厚且本身较为平整；同时发射极刻蚀完成后，在未去除光刻胶的情况下对外基区进行高浓度低能量的离子注入，并且在锗硅外基区使用金属硅化物，大大降低了外基区电阻，所以省去了无定型硅。而且，在整个芯片上有源区只存在于锗硅异质结双极型三极管的基区和集电极引出区，所以可以去除锗硅外延窗口这一光刻层。这一改进通过增加硅缓冲层的厚度，比传统结构工艺减少了两层介质膜和一层光刻（此工艺容易产生缺陷），降低了工艺成本，并得到更稳定的工艺流程和更高的产品良率。

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

1.锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤三，生长锗硅外延层，基区有源区和第一离子注入区上的锗硅外延层为单晶硅结构，隔离区上的锗硅外延层为多晶硅结构；所述锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100～500埃；所述锗硅层的厚度为200～800埃，其中20～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为200～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3；

步骤四，使用光刻胶遮挡基区有源区和基区延伸到发射极窗口外部形成的外基区，干法刻蚀去除未被遮挡的部分隔离区的多晶硅结构和第一离子注入区上的单晶硅结构；

步骤六，清洗硅片表面并淀积N型多晶硅；

2.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤一中，所述N型埋层为重掺杂，注入离子为砷，注入能量为30～120keV,剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2。

3.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤一中，采用炉管进行高温推进，推进温度在1000～1100℃，时间为30～120分钟，然后生长低N-掺杂外延，掺杂杂质是磷，掺杂浓度在2×10¹⁵～5×10¹⁶cm^-3。

4.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤一中，所述第一离子注入区的注入离子是磷，注入能量为80～180keV,剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2。

5.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤四中，采用20％～50％的过刻蚀进行干刻，所述第一离子注入区的单晶硅刻蚀去除500埃。

6.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤五中，所述发射极窗口介质为氧化硅加氮化硅。

7.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤六中，所述多晶硅为N型重掺杂，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于10²⁰cm^-3。

8.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤六中，清洗硅片表面后且淀积多晶硅前，快速热氧化生长5～10埃的氧化层。

9.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤七中，对外基区进行低能量高剂量的P型离子注入，注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5～120keV,注入剂量为10¹⁵～10¹⁶cm^-2。

10.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征在于，在步骤八中，热退火的温度为1015℃～1050℃，时间是5～30秒，形成300～500埃且缓变的发射极-基极结。