TW544931B - Bipolar junction transistor and fabricating method - Google Patents

Description

544931 五、發明言兒明（1) 發明之領域 本發明係提供一種雙載子電晶體（bipolar junctiQn ^ansistor, BJT)及其製作方法，尤指—種利用自行對準 (self— aligned)之雙載子電晶體及其製作方法。 背景說明 、由於雙載子電晶體係同時利用”電子”和，，電洞，，這兩種 載子來傳導電流，所以雙載子元件具有其開關速度快且可 以在較小的空間中提供較大的電流之優點，並已成為積體 電路的基本元件。然而由於矽的電子/電洞遷移率 1 1 1 ty )太低，無法滿足高頻元件之需求，因此為了要 提问雙載子電晶體的操作速度，現行半導體製程多將矽基 底的雙載子電晶體改為坤化鎵（G a a s )基底之雙載子電晶體 或疋石夕錯（SiGe)異質接面（hetero-junction)雙載子電晶 體（HBTs)。 請參照圖一至圖五，圖一至圖五為習知製作一矽基底 1 0之雙載子電晶體之方法示意圖。如圖一所示，_ p型單 晶石夕基底1 〇包含有一重摻雜N型區域1 2以及一重摻雜p型區 域1 4 °習知製作雙載子電晶體之方法係先於基底1 0上形成 一厚度約為1 · 2微米之n型磊晶（e p i t a X i a 1)層1 6，且在形 成蠢晶層1 6的同時，重摻雜n型區域1 2與重摻雜P型區域1 4

544931 五、發明言兒明（3) 分蠢晶層1 6。 如圖四所示，進行一熱成長製程，以於基底上1 0均勻 形成一厚度約為0. 2至0· 4微米之二氧化矽層38，且二氧化 石夕層3 8孫均勻覆蓋開口 3 6之底部及其側壁。而在進行熱成 長製程的同時，多晶矽層3 2中的P型摻質會擴散進入底下 的N型蟲晶層1 6中，以形成一 P型非本徵（extr i ns i c )基極 區域4 0。接著進行一垂直蜇反應離子蝕刻製程，以去除開 口 3 6底部與氧化層2 4上之氧化層3 8 ’然後進行一低能量且 高劑量的離子佈植製程，將砷離子經由開口 3 6植入磊晶層 1 6中，以形成一厚度約為0 · 2微米Ν型淺射極（e m i 11 e r )區 域4 2，再進行一高能量且高劑量之離子佈植製程，將磷離 子經甴開口 3 6植入磊晶層1 6中，以形成一厚度約為〇 . 2微 米之N型重摻雜凸起子集極（raised subcollector)44，且 突起子集極4 4會深入重摻雜N型區域1 2中，接著進行一中 能量且低劑量之離子佈植製程，將硼離子經由開口 3 6植入 蠢晶層16中，以形成一本徵基極（intrinsic base)區域 46 〇 最後如圖五所示，進行一微影與蝕刻製程，以於多晶 矽層3 2與集極區域2 8上分別形成一接觸窗開口（未顯示）， 然後將金屬填入接觸窗開口以及開口 3 6中，以形成金屬接 觸（metal con tact)50, 5 2與48，完成習知雙載子電晶體之 製作。

544931 五、發明說明（4) 習知製作雙載子電晶體之方法 且雖铁刹用白仁m、住a 卜1一表私非爷稷雜， 無法并β祕止本徵基極仍疋利用熱擴散製程以形成，因此 域之;：的i觸]ί Ξ基Ϊ區域與非本徵基極區域以及集極區 電容過古，入i谷易造成基極區域與集極區域之間的 之mt二：…件之需求。此外，雙載子電晶： 下，越二顯，元件的效能越好，可是在高溫 而破壞ϊ :二 與石夕的介面將會產生許多差排 ^Toίc,;τ3t#^, 的熱 又由於習知的雙載子電晶體必須用到多次 曰…、汽政1程，因此並不適用於製作異質接面之雙載子電 日日體。 發明概述 本發明之主要目的在於提供一種自行對準 (Self—aligned)之雙載子電晶體（bipolar junction trans i st〇r，BJT)中 PN接合（PN junction)的製作方法。 本發明之另一目的在於提供一種自行對準之異質接面 之雙栽子電晶體，且適用於高頻元件。 在本發明之最佳實施例中之一種雙載子電晶體，包含

第8頁 544931 五、發明說>明（5) 有一基底^ 一介電層形成於該基底之一預定區域内，一開 口形成於該介電層中且暴露部份該基底，一重摻雜多晶矽 層形成於該開口之側壁上，且該重摻雜多晶矽層於該開口 中疋義 自行對準基極區域，一本徵（i n t r丨n s丨c )基極摻 雜區’經由該自行對準基極區域植入於該開口底部之該基 底中，一側壁子，設於該重摻雜多晶矽層上，且該側壁子 於該開口中定義一自行對準射極區域，以及一射極導電 層，填入該自行對準射極區域内，並與該本徵基極摻雜區 接觸形成一 P N接面。 蠢 本發明係利用該重摻雜多晶矽層於該開口中定義一自 行對準基極區域以形成該本徵基極摻雜區，再利用設於該 重摻雜多晶矽層上之側壁子，定義一自行對準射極區域以 形成該射極區域，最後直接填入導電層以形成該自行對準 射極區域，因此只需要形成一開口，就可以直接利用自行 對準方法以形成射集/基極與集極，可製作小尺寸且高效 能之雙載子電晶體。 發明之詳細說明 請參照圖六，圖六為本發明之一種自行對準之雙載子 電晶體之結構示意圖。本發明之雙載子電晶體係製作於一 半導體基底7 0之主動區域I中，半導體基底7 0包含有一重 換雜N型埋藏層72與一 N型非選擇性磊晶（non_selective

544931 五、發明說明（6) epitaxial)層7 4依序設於半導體基底7〇上，〆深隔離溝渠 7 6與一重摻雜通道停止區域78深入基底7〇中，以將每一個 主動區域I電性絕緣並隔離，一介電層84形成於基底70之 一預定區域内，一開口（未顯示）形成於介電層84中且暴露 部份蠢晶層7 4 ’ 一重摻雜多晶石夕層1 〇 4形成於開口之側壁 上’且重摻雜多晶石夕層1 0 4於開口中定義一自行對準基極 區域，一本徵（intrinsic)基極摻雜區1〇5，經由自行對準 基極區域植入於開口底部之蠢晶層7 4中，一側壁子1 〇 6， 設於重摻雜多晶矽層1 0 4上，且側壁子丨〇 4於開口中定義_ 自行對準射極區域，以及一射極導電層1 〇 8，填入自行對 準射極區域内’並與本徵基極摻雜區1 〇 5接觸形成一 pN接 面。 請參照圖七至圖Η ，圖七至圖十一為本發明之一種 自行對準形成一雙載子電晶體之ρΝ接面（ρν junction)的 方法示意圖。如圖七所示，本發明之雙載子電晶體係製作 於一 P型半導體基底70上，半導體基底70具有主動區域I， 且重摻雜N型埋藏層72與N型非選擇性磊晶矽層74係依序設 於半導體基底7 0上。本發明首先於主動區域I周圍形成一 深隔離溝渠76，且深隔離溝渠76係穿越磊晶矽層74、埋藏 層72直至半導體基底70中，接著進行一離子佈植製程，將 濃度約為1E13 atoms/cm^L爛離子植入深隔離溝渠76中， 以於深隔離溝渠7 6之底部形成一重摻雜P型通道停止區域 7 8，最後再於深隔離溝渠7 6之側壁與底部形成一絕緣層

第10頁 544931 五、發明說*明⑺ 氧化矽或一未摻雜之多 其中’絕緣層8 0係包含 8〇，並於深隔離溝渠76中填入一 晶矽層8 2，以形成一深溝渠隔離 有一熱氧化層與一氮化層。 接著於蟲晶石夕=4表面形成一介電,84，例如於蟲晶 矽層7 4表面進仃一，、，、氧化製程，以形成厚度約為5 〇 〇 二氧化矽。然後於介電層84上形成一光阻層（未’顯示、 進行一微影與蝕刻製程以开彡杰一隹朽姑細 、 並 m a ^ 姐墓、佳形成集極接觸洞86。在去除光 阻層=後，接者==一低壓化學氣相沉積（cv 雜（undoped)多晶矽層88並儿使積未一勺為2 5 0 0埃之未摻 極接觸洞财，再於介n Λ 夕層88填入集 顯示），以定義出一#换層 形成一圖案化光阻層（未 露的未摻雜多晶石夕層^為^5/t0^cra鱗離子植入暴 磷離子驅入蟲晶矽層7 :，並進仃一熱處理製程將植入的 摻雜N型集極接觸區域^，以胃於集極接觸洞86下形成一重 摻雜N型摻質不純物，，使得未摻雜多晶矽層8 8中部分 域與埋藏層72形成—光阻層。其中，集極接觸區90 N非整流（non-rectifying)接面。 如圖八所示，推j一 上形成一厚度約為丨3πΤη:熱成長或CVim程以於介電層84 層92上形成一氮化、之二氧化石夕層92’再於二氧化石夕 晶矽層96。接著於多:4以及一現場（in —Situ)摻雜P型多 、夕日日矽層9 6上形成一圖案化光阻層（未

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射極導電層1 〇 8，使得射集導電層1 〇 8與本徵基極摻雜區 1 0 5接觸以形成一 ΡΝ接面。 义’

如圖十一所示，進行一回蝕刻製程，以去除部分射極 導電層1 08。然後進行一微影與蝕刻製程，以圖案化多晶 矽層9 6，並進行一回蝕刻製程以去除部分氮化矽層94與氧 化層9 2。最後再於射極導電層1 〇 8與圖案化多晶矽層9 6上 形成一自行對準矽化物層π 〇，接著於基底7〇上形成一内 層介電層11 2，並分別於射集導電層1 〇 8，集極接觸區域g 〇 以及非本徵基極區域形成一金屬接觸，如圖六所示，完成 本發明之雙載子電晶體之製作，

圖十二至圖十四為本發明另一實施例製作自行對準之 異質接面雙載子電晶體之方法示意圖。如圖十二所示，一 P型半導體基底70具有一主動區域I，且一重摻雜n型埋藏 層72與一 N型非選擇性磊晶矽層74依序設於半導體基底70 三耳先於主動區域！兩側形成一以形成一深溝渠隔離， 接著於蟲晶石夕層7 4表面形成一介電層8 4，然後於介電層8 4 ^中幵> 成一集極接觸洞8 6，將一未摻雜多晶矽層8 8填入集 f接觸洞8 6中’再進行一離子佈植製程，將磷離子植入暴 =的未推雜多晶矽層88中，並進行一熱處理製程將植入的 換子驅入蟲晶矽層7 4中，以於集極接觸洞8 6下形成一重 〔雜N型集極接觸區域9〇。於介電層84上依序形成一二氧 < 一虱化矽層9 4以及一現場摻雜P型多晶矽層

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簡言之，本發明之自行對準之等澈 曰 用重摻雜多晶矽層104於開口 98中定義_自行曰曰對準先區利 ϊ ί 1 1 °? #，J ^ - ^ ί ;^ 06，定義一自行對準射極區域以來 區域，最後直接填入導電層以形成自行對準射= 或1 08。因此本發明只需要形成一開口 ，就可以^ =方法以形成射極區域108/基極區域1〇6與 仃 丄〇2’進而製作-小尺寸且高效能之雙載子電晶體。上 I明之非本徵基極區域96係為現場摻雜多晶矽層， 須利用熱擴散製程來形成，因此可以精確的控美: =與集極區域:。2的接觸面積’以降低非本區二 下之集極區域1〇2與基極區域105間的接面電容。 發明於妙鍺蟲晶層103形成之後，並沒 α為本 擴散製程，因此適用於異質接面之雙載用凰传熱 相較於習知製作雙載子電晶體之方法，本發明方 不需要利用高溫的熱擴散製程以形成非本徵基極區域’，固 此不但可以形成雙載子電晶體，也可以用來形成異質 之雙載子電晶體之射極區域/基極區域與集極區域，

達到簡化製程步驟，降低製程成本之目的。 T 以上所述僅本發明之較佳實施例，凡依本發明 ^範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋^

544931 圖式簡單說明 圖示之簡單說明 圖一至圖五為習知製作一雙載子電晶體之方法示意 圖。 圖六為本發明一種自行對準之雙載子電晶體之結構示 意圖。 圖七至圖十一為本發明一種製作自行對準之雙載子電 晶體之方法示意圖。

圖十二至圖十四為本發明另一實施例製作自行對準之 異質接面雙載子電晶體之方法示意圖。 圖示之符號說明 10 P型單晶矽基底 14 重摻雜P型區域 18 二氧化矽層 22 開口 26 光阻層 28 重摻雜N型集極區域 34 二氧化矽層 38 二氧化矽層 42 N型淺射極區域 46 P型本徵基極區域 5 0 金屬接觸

12 重摻雜N型 區域 16 N型蠢晶層 20 氮化矽層 24 氧化層 27 開口 32 P型多晶矽 層 36 開口 40 P型非本徵基極區域 44 N型凸起子 集極區域 48 金屬接觸 52 金屬接觸 544931 圖式簡單說明 .7 0 P型半導體基底 72 重 摻 雜 N型埋藏層 74 N型非選擇性磊 晶 層 76 深 隔 離 溝 渠 78 重摻雜P型通道 停 止 區 域 80 絕 緣 層 82 未摻雜多晶矽層 84 介 電 層 86 開口 88 未 摻 雜 多 晶矽層 90 重摻雜N型集極 接 觸 區 域 92 二 氧 化 矽 層 94 氮化矽層 96 現場換雜P型多 晶 矽 層 98 開 π 100 離子佈植製程 102 選 擇 植 入 集極 103 碎錯蠢晶層 104 多 晶 矽 層 105 P型本徵基極摻 雜 區 108 射 集 導 電 層 110 自行對準矽化物層 112 内 層 介 電 層 114 金屬接觸 116 金 屬 接 觸 118 金屬接觸

Claims (1)

1. 544931 六、申請專利範圍 5 · 如申請專利範圍第1項所述之雙載子電晶體，其中該 雙載子電晶體另包含有一自行對準矽化物層形成於該射極 導電層上。 6 · 如申請專利範圍第1項所述之雙載子電晶體，其中該 雙載子電晶體另包含有一選擇植入集極（selective implant collector, SIC)區設於該本徵基極摻雜區下方 之該基底中。 7 · 如申請專利範圍第1項所述之雙載子電晶體，其中該 雙載子電晶體另包含有一延伸導電層電連接該重摻雜多晶 矽層，且該延伸導電層係設於該介電層之上。 8 _如申請專利範圍第7項所述之雙載子電晶體，其中該 雙載子電晶體另包含有一氧化層及一氮化矽層介於該延伸 導電層及該介電層間。 9 · 如申請專利範圍弟7項所述之雙載子電晶體’其中該 延伸導電層係由現場摻雜（i η - s i t u d 〇 p e d )多晶矽所構 成。 10·如申請專利範圍第1項所述之雙載子電晶體，其中該 介電層係為一淺溝絕緣氧化層（s τ 1 Q X i d e 1 a y e r )，且該 預定區域係為一淺溝絕緣（ST I )區域。

   544931 六、申請專利範圍 11. 一種異質接面雙載子電晶體（hetero-junction b i p Q 1 a r t r a n s i s t o r，Η B T )，包含有： 一基底； 一介電層，形成於該基底之一預定區域内； 一開口，形成於該介電層中且暴露部份該基底； 一矽鍺磊晶層（SiGe epitaxial layer)，形成於該開 口之側壁及底部’

   一側壁子（s p a c e r )，設於該矽鍺磊晶層上，且該側壁 子於該開口中定義一自行對準射極區域；及 一射極導電層，填入該自行對準射極區域内，並與該 發鍺磊晶層接觸形成一 PN接面。 、人 1 2 ·如申請專利範圍第丨丨項所述之異質接面雙載子電晶 體，其中該基底為一石夕基底。 13·如申請專利範圍第11項所述之異質接面雙載子電 體，其中該該基底為一非選擇性磊晶（non—selectiv epitaxial )矽基底。

   之異質接面雙載子電晶 體另包含有一自行對準石夕 14·如申請專利範圍第u項所述 體，其中該異質接面雙載子電晶 化物層形成於該射極導電層上。

   第20頁 544931 六、申請專利範圍 1 5.如申請專利範圍第11項所述之異質接面雙載子電晶 體，其中該異質接面雙載子電晶體另包含有一選擇植入集 極（selective implant collector，SIC)區設於該石夕錯蠢 晶層下方之該基底中。 1 6.如申請專利範圍第11項所述之異質接面雙載子電晶 體，其中該矽鍺磊晶層係延伸出該開口外之該介電層上 方。 1 7.如申請專利範圍第11項所述之異質接面雙載子電晶 體，其中該介電層係為一淺溝絕緣氧化層（STI oxide layer)，且該預定區域係為一淺溝絕緣（ST I )區域。

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