CN109887995B - 一种双层基区SiC NPN集成晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层基区SiC NPN集成晶体管,包括衬底,衬底的上端表面依次设置有第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层;第五外延层和第四外延层组成凸台三;第三外延层和第二外延层组成凸台二;第一外延层为凸台一;还包括钝化层,钝化层覆盖凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底的上端表面;凸台三的上端表面设有电极一;凸台二的上端表面设有电极二;凸台三的上端表面设有有电极三。本发明还公开了该双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法。本发明提供的双层基区SiC NPN集成晶体管的基区采用低高结的双层结构,降低增益β随温度的漂移程度。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路领域,涉及一种双层基区SiC NPN集成晶体管,本发明还涉及上述双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法。
背景技术
碳化硅(SiC)材料具有高禁带宽度、高临界击穿电场、高热导率和高饱和电子漂移速度等优点,这些优点使SiC基集成电路能够在500℃高温环境下工作,得到了业界的认可。其中,SiC双极集成电路由于不存在栅氧化层可靠性问题,更适用于高温环境。由于SiC材料独特的性质,其SiC NPN集成晶体管及及制作工艺均不兼容与现有技术,SiC NPN集成晶体管的共射极电流增益β随温度漂移问题严重,对集成电路的性能影响不容忽视。
2008年美国Purdue大学的Singh S,Cooper J A等人在其论文《Demonstrationand Characterization of Bipolar Monolithic Integrated Circuits in 4H-SiC》中首次报道了基于SiC NPN集成晶体管的TTL门电路,测试结果表明该电路可以在300℃环境中正常工作,但是SiC BJT的共射极电流增益β从室温下的23下降到300℃下的15。2013年他们在论文《Modeling of High Performance 4H-SiC Emitter Coupled Logic Circuits》中对之前SiC NPN集成晶体管的参数进行了优化,室温下增益提高到了56,但是500℃下的增益为32。2012年瑞典KTH大学的Zetterling C M等人在其论文《Design andCharacterization of High-Temperature ECL-Based Bipolar Integrated Circuits in4H-SiC》中报道了平均传播延迟为300ns的TTL门电路,测试结果表明,SiC NPN集成晶体管在室温下电流增益为45,但300℃时下降到21;2018年他们在论文《A500℃Active Down-Conversion Mixer in Silicon Carbide Bipolar Technology》中根据电路的要求设计了SiC NPN集成晶体管的结构参数,测试结果表明室温下的电流增益为40,但500℃时下降到16,仍有很大的温度漂移。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层基区SiC NPN集成晶体管,解决现有SiCNPN集成晶体管增益β随温度漂移过大的问题。
本发明的另一目的是提供该种双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法。
本发明所采用的技术方案是,一种双层基区SiC NPN集成晶体管,包括衬底;
衬底的上端表面依次设置有第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层;
第五外延层和第四外延层组成凸台三;第三外延层和第二外延层组成凸台二;第一外延层为凸台一;
还包括钝化层,钝化层覆盖凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底的上端表面;
凸台三的上端表面设有有电极一;
凸台二的上端表面设有电极二;
凸台一的上端表面设有有电极三。
本发明的特点还在于:
衬底的材料为高纯半绝缘SiC;
第一外延层、第二外延层和第五外延层的材料为n型SiC;
第三外延层的材料为p型SiC;
第四外延层的材料为p-型SiC。
衬底厚度为10μm-1000μm,衬底上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第一外延层的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,第一外延层的厚度为0.01μm-5μm,第一外延层的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第二外延层的掺杂浓度为1e14cm-3-1e17cm-3,第二外延层的厚度为0.01μm-5μm,第二外延层的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第三外延层的掺杂浓度为1e16cm-3-1e19cm-3,第三外延层的厚度为0.01μm-2μm,第三外延层的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第四外延层的掺杂浓度为1e12cm-3-1e16cm-3,第四外延层的厚度为0.01μm-2μm,第四外延层的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第五外延层的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,第五外延层的厚度为0.01μm-5μm,第五外延层的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
钝化层的厚度为0.01μm-2.0μm。
电极一、电极二和电极三的厚度均为0.01μm-1.0μm。
电极一、电极二和电极三均由欧姆接触金属与互连金属分步制作连接组成,欧姆接触金属位于互连金属下方,欧姆接触金属与互连金属的材料选用Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一,或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。
本发明的另一目的是提供上述双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法。
本发明所采用的技术方案是,一种双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,按照以下步骤实施:
步骤1:采用CVD方法,在衬底表面上依次生长第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层;
步骤2:在第五外延层上采用曝光技术,获得图形化表面一;
步骤3:在图形化表面一进行刻蚀,形成由第五外延层和第四外延层组成的凸台三;
步骤4:在第五外延层和第三外延层的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面二;
步骤5:在图形化表面二上进行刻蚀,形成由第三外延层和第二外延层组成的凸台二;
步骤6:在第五外延层、第三外延层和第一外延层的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面三;
步骤7:在图形化表面三上进行刻蚀,形成第一外延层的凸台一;
步骤8:在凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底的上端表面生长钝化层;
步骤9:对凸台三、凸台二和凸台一的上端表面的钝化层刻蚀开窗口;
步骤10:在步骤9中刻蚀的窗口的区域淀积欧姆接触金属;
步骤11:对步骤10得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火;
步骤12:在欧姆接触金属上淀积互连金属,此时电极一、电极二和电极三制作完成,得到双层基区SiC NPN集成晶体管。
本发明的特点还在于:
步骤3、步骤5和步骤7中刻蚀采用干法刻蚀方法;步骤9中刻蚀采用干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
步骤2、步骤4和步骤6中,曝光方式为光学曝光或电子束曝光;步骤11中退火温度为500℃-1000℃,退火时间为10s-10min。
凸台一、凸台二和凸台三均为叉指结构、长条状、圆形或正方形台面之一或其组合形状,凸台一、凸台二和凸台三的上下端表面积均为0.01nm2-100μm2;
窗口面积为0.01nm2-100μm2。
钝化层采用高温氧化法、化学气相淀积法、物理气相淀积法或组合的方法生长。
本发明的有益效果是:
本发明提供的双层基区SiC NPN集成晶体管,在基区采用了低高结的双层结构,双层结构将基区分为上下两层,下层采用常规的掺杂浓度,上层较下层掺杂浓度低,利用上层轻掺杂区的杂质电离率受温度影响较小的特点,弱化温度对SiC BJT发射结注入效率的影响,继而降低增益β随温度的漂移程度,并且在总体上提高增益β。
附图说明
图1是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管的截面示意图;
图2是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管衬底的结构示意图;
图3是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管外延层制作完成的结构示意图;
图4是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管第一次台面刻蚀后的结构示意图;
图5是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管第二次台面刻蚀后的结构示意图;
图6是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管第三次台面刻蚀后的结构示意图;
图7是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管钝化层的结构示意图;
图8是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管刻蚀开窗口后的结构示意图;
图9是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管制作欧姆接触金属后的结构示意图;
图10是本发明双层基区SiC NPN集成晶体管电极位置的示意图。
图中,1.衬底,2.第一外延层,3.第二外延层,4.第三外延层,5.第四外延层,6.第五外延层,7.钝化层,8.电极一,9.电极二,10.电极三。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
以下文本中的上下方位以图1所示为基准,实际位置以此类推。
如图1所示,本发明的双层基区SiC集成晶体管的结构是,包括衬底1,衬底1材料为高纯半绝缘SiC;衬底1厚度为10μm-1000μm,衬底1上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
衬底1的上端表面设置有第一外延层2,即NPN晶体管的集电区,该第一外延层2的材料为n型SiC,该第一外延层2的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,该第一外延层2的厚度为0.01μm-5μm,该第一外延层2的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第一外延层2的上端表面设置有第二外延层3,即NPN晶体管的漂移区,该第二外延层3的材料为n型SiC,该第二外延层3的掺杂浓度为1e14cm-3-1e17cm-3,该第二外延层3的厚度为0.01μm-5μm,该第二外延层3的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第二外延层3的上端表面设置有第三外延层4,即NPN晶体管的基区,该第三外延层4的材料为p型SiC,该第三外延层4的掺杂浓度为1e16cm-3-1e19cm-3,该第三外延层4的厚度为0.01μm-2μm,该第三外延层4的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第三外延层4的上端表面设置有第四外延层5,即NPN晶体管的轻掺杂基区,该第四外延层5的材料为p-型SiC,第四外延层5的掺杂浓度为1e12cm-3-1e16cm-3,该第四外延层5的厚度为0.01μm-2μm,该第四外延层5的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第四外延层5的上端表面设置有第五外延层6,即NPN晶体管的发射区,第五外延层6的材料为n型SiC,第五外延层6的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,该第五外延层6的厚度为0.01μm-5μm,该第五外延层6的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第五外延层6和第四外延层5组成凸台三;第三外延层4和第二外延层3组成凸台二;第一外延层2为凸台一;
还包括钝化层7,钝化层7覆盖凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底1的上端表面;材料为SiO2、S3N4、Al2O3中的一种,钝化层7的厚度为0.01μm-2.0μm;
凸台三的上端表面设有电极一8,即NPN晶体管的发射极,电极一8的厚度为0.01μm-1.0μm;
凸台二的上端表面设有电极二9,即NPN晶体管的基极,电极二9的厚度为0.01μm-1.0μm;
凸台三的上端表面设有电极三10,即NPN晶体管的集电极,电极三10的厚度为0.01μm-1.0μm;
电极一、电极二和电极三均由欧姆接触金属与互连金属分步制作连接组成,其中欧姆接触金属位于互连金属下方,欧姆接触金属与互连金属的材料均选用Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一,或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。欧姆接触金属与互连金属选用的材料(或材料的组合)不一定相同。电极为是一个,电极二和电极三均可以是一个或两个。
本发明实施例提供的双层基区SiC NPN集成晶体管在基区(基区是第三外延层4和第四外延层5两个区域的叠加)采用了低高结的双层结构,双层结构将基区分为上下两层,上层为第四外延层5,下层为第三外延层4,下层采用常规的掺杂浓度,上层较下层掺杂浓度低,利用上层轻掺杂区的杂质电离率受温度影响较小的特点,弱化温度对SiC BJT发射结注入效率的影响,继而降低增益β随温度的漂移程度,并且在总体上提高增益β。
申请号为201711361495.0的发明专利《一种互补型SiC双极集成晶体管及其制作方法》中提出的结构为NPN与PNP型集成晶体管的新型互补结构,目的在于降低晶体管的各项参数设计难度;而本发明实施例中提出的是双层基区SiC NPN集成晶体管,目的在于降低NPN型晶体管的增益β随温度的漂移程度,两者没有直接关联。
本发明的双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,按照以下步骤实施:
步骤1:采用CVD方法,在衬底1表面上依次生长第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5、第五外延层6,分别见图2和图3;
其中衬底1材料为高纯半绝缘SiC,厚度为10μm-1000μm,上端表面积为0.01nm2-100cm2;
第一外延层2的材料为n型SiC,厚度为0.01μm-5.0μm,掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第二外延层3的材料为n型SiC,厚度为0.01μm-5.0μm,掺杂浓度为1e14cm-3-1e17cm-3,上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第三外延层4的材料为p型SiC,厚度为0.01μm-2.0μm,掺杂浓度为1e16cm-3-1e19cm-3,上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
第四外延层5的材料为p-型SiC,厚度为0.01μm-2.0μm,掺杂浓度为1e12cm-3-1e16cm-3,上下端表面积均为0.01nm2-2000cm2;
第五外延层6的材料为n型SiC,厚度为0.01μm-5.0μm,掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
步骤2:在第五外延层6上采用曝光技术,获得图形化表面一;所述曝光方式为光学曝光或电子束曝光;
步骤3:在图形化表面一进行第一次台面刻蚀刻蚀,采用干法刻蚀方法,形成由第五外延层6和第四外延层5组成的凸台三,凸台三为叉指结构、长条状、圆形或正方形台面之一或其组合形状,凸台三的上下端表面积均为0.01nm2-100μm2,见图4;
步骤4:在第五外延层6和第三外延层4的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面二,所述曝光方式为光学曝光或电子束曝光;
步骤5:在图形化表面二上进行第二次台面刻蚀,采用干法刻蚀方法,形成由第三外延层4和第二外延层3组成的凸台二,凸台二为叉指结构、长条状、圆形或正方形台面之一或其组合形状,凸台二的上下端表面积为0.01nm2-100μm2,见图5;经此步骤5的处理后,第一外延层2的末端上端表面就暴露出来;
步骤6:在第五外延层6、第三外延层4和第一外延层2的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面三,所述曝光方式为光学曝光或电子束曝光;
步骤7:在图形化表面三上进行第三次台面刻蚀,采用干法刻蚀方法,形成第一外延层2的凸台一,凸台一为叉指结构、长条状、圆形或正方形台面之一或其组合形状,凸台一的上下端表面积为0.01nm2-100μm2,见图6;经此步骤7处理后,衬底1的末端上端表面就暴露出来;
步骤8:在凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底1的上端表面生长钝化层7,钝化层7采用高温氧化法、化学气相淀积法、物理气相淀积法或组合的方法生长,材料为SiO2、S3N4、Al2O3中的一种,其厚度为0.01μm-2μm,见图7;
步骤9:对凸台三、凸台二和凸台一的上端表面的钝化层7刻蚀开窗口,采用干法刻蚀或湿法刻蚀方法,窗口形状为矩形、圆形或不规则多边形中的一种,窗口面积为0.01nm2-100μm2,保留其他部分的钝化层7,见图8;经此步骤9的处理后,与刻蚀窗口对应的各个凸台的上端表面暴露出来;
步骤10:在步骤9刻蚀窗口区域淀积欧姆接触金属,见图9;欧姆接触金属为图9中的阴影区域;
步骤11:对步骤10得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火,退火温度为500℃-1000℃,退火时间为10s-10min;
步骤12:在欧姆接触金属上淀积互连金属,此时电极一8、电极二9和电极三10制作完成,得到双层基区SiC NPN集成晶体管,见图10,即成。
Claims (9)
1.一种双层基区SiC NPN集成晶体管,其特征在于,包括衬底(1),
衬底(1)的上端表面依次设有第一外延层(2)、第二外延层(3)、第三外延层(4)、第四外延层(5)和第五外延层(6);
所述第五外延层(6)和第四外延层(5)组成凸台三;第三外延层(4)和第二外延层(3)组成凸台二;第一外延层(2)为凸台一;
还包括钝化层(7),所述钝化层(7)覆盖凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底(1)的上端表面;
凸台三的上端表面设有有电极一(8);
凸台二的上端表面设有电极二(9);
凸台一的上端表面设有有电极三(10);
所述衬底(1)的材料为高纯半绝缘SiC;
所述第一外延层(2)、第二外延层(3)和第五外延层(6)的材料为n型SiC;
所述第三外延层(4)的材料为p型SiC;
所述第四外延层(5)的材料为p-型SiC;
NPN集成晶体管的基区是第三外延层(4)和第四外延层(5)两个区域的叠加,基区采用低高结双层结构,且第四外延层(5)较第三外延层(4)区的掺杂浓度低。
2.根据权利要求1所述的双层基区SiC NPN集成晶体管,其特征在于,所述衬底(1)厚度为10μm-1000μm,衬底(1)上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述第一外延层(2)的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,第一外延层(2)的厚度为0.01μm-5μm,第一外延层(2)的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述第二外延层(3)的掺杂浓度为1e14cm-3-1e17cm-3,第二外延层(3)的厚度为0.01μm-5μm,第二外延层(3)的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述第三外延层(4)的掺杂浓度为1e16cm-3-1e19cm-3,第三外延层(4)的厚度为0.01μm-2μm,第三外延层(4)的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述第四外延层(5)的掺杂浓度为1e12cm-3-1e16cm-3,第四外延层(5)的厚度为0.01μm-2μm,第四外延层(5)的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述第五外延层(6)的掺杂浓度为1e17cm-3-1e22cm-3,第五外延层(6)的厚度为0.01μm-5μm,第五外延层(6)的上下端表面积均为0.01nm2-100cm2;
所述钝化层(7)的厚度为0.01μm-2.0μm。
3.根据权利要求1所述的双层基区SiC NPN集成晶体管,其特征在于,所述电极一(8)、电极二(9)和电极三(10)的厚度均为0.01μm-1.0μm。
4.根据权利要求3所述的双层基区SiC NPN集成晶体管,其特征在于,所述电极一(8)、电极二(9)和电极三(10)均由欧姆接触金属与互连金属分步制作连接组成,欧姆接触金属位于互连金属下方,欧姆接触金属与互连金属的材料选用Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag或Au之一,或Ti、Ni、W、Ta、Al、Ag、Au中任意两种或多种的组合。
5.一种双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,其特征在于, NPN集成晶体管的基区采用低高结双层结构,且第四外延层(5)较第三外延层(4)的掺杂浓度低,按照以下步骤实施:
步骤1:采用CVD方法,在衬底(1)表面上依次生长第一外延层(2)、第二外延层(3)、第三外延层(4)、第四外延层(5)、第五外延层(6),第三外延层(4)和第四外延层(5)两个区域的叠加是NPN集成晶体管的基区;
步骤2:在第五外延层(6)上采用曝光技术,获得图形化表面一;
步骤3:在所述图形化表面一进行刻蚀,形成由第五外延层(6)和第四外延层(5)组成的凸台三;
步骤4:在第五外延层(6)和第三外延层(4)的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面二;
步骤5:在所述图形化表面二上进行刻蚀,形成由第三外延层(4)和第二外延层(3)组成的凸台二;
步骤6:在第五外延层(6)、第三外延层(4)和第一外延层(2)的上端表面采用曝光技术,获得图形化表面三;
步骤7:在所述图形化表面三上进行刻蚀,形成由第一外延层(2)构成的凸台一;
步骤8:在所述凸台三、凸台二和凸台一的外表面及衬底(1)的上端表面生长钝化层(7);
步骤9:对所述凸台三、凸台二和凸台一的上端表面的钝化层(7)刻蚀开窗口;
步骤10:在步骤9中刻蚀的窗口的区域淀积欧姆接触金属;
步骤11:对步骤10得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火;
步骤12:在所述欧姆接触金属上淀积互连金属,此时电极一(8)、电极二(9)和电极三(10)制作完成,得到双层基区SiC NPN集成晶体管。
6.根据权利要求5所述的双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,其特征在于,所述步骤3、步骤5和步骤7中刻蚀采用干法刻蚀方法;步骤9中刻蚀采用干法刻蚀或湿法刻蚀方法。
7.根据权利要求5所述的双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,其特征在于,所述步骤2、步骤4和步骤6中,所述曝光方式为光学曝光或电子束曝光;所述步骤11中退火温度为500℃-1000℃,退火时间为10s-10min。
8.根据权利要求5所述的双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,其特征在于,
所述凸台一、凸台二和凸台三均为叉指结构、长条状、圆形或正方形台面之一或其组合形状,凸台一、凸台二和凸台三的上下端表面积均为0.01nm2-100μm2;
所述窗口面积为0.01nm2-100μm2。
9.根据权利要求5所述的双层基区SiC NPN集成晶体管的制作方法,其特征在于,所述钝化层(7)采用高温氧化法、化学气相淀积法、物理气相淀积法或组合的方法生长。
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Implantation-free 4H-SiCbipolar junction transistors with double base epilayers;Jianhui zhang,etal;《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》;20080531;全文 * |
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