TWI532101B - 雙極性接面電晶體及其操作方法與製造方法 - Google Patents

Description

雙極性接面電晶體及其操作方法與製造方法

本揭露是有關於半導體裝置及其操作方法與製造方法，特別是有關於雙極性接面電晶體及其操作方法與製造方法。

半導體雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor；BJT)裝置能藉由控制施加至基極端與集極端之電壓而操作成順向主動模式(forward-active mode)。舉例來說，NPN型雙極接面電晶體裝置具有P型基極區及N型集極區與射極區，於操作時，可分別於基極端與集極端施加正電壓V BE與比V BE更高之正電壓V CE。射極-基極接面可因而為順向偏壓，基極-集極接面可因而為逆向偏壓，並可降低基極電流IB與集極電流IC，集極電流IC係定義為基極電流IB之β倍。因此雙極接面電晶體裝置可作為具有電流增益或β增益(beta gain)β之電流放大器。

實施例是有關於雙極性接面電晶體及其操作方法與製造方法，其具有良好的裝置特性。

根據一實施例，提供一種雙極性接面電晶體，包括一第一摻雜區、一第二摻雜區與一第三摻雜區。第一摻雜區具有一第一導電型。第二摻雜區包括形成於第一摻雜區中的數個井區。井區具有相反於第一導電型的一第二導電型。井區藉由第一摻雜區互相分開。第三摻雜區具有第一導電型。第三摻雜區形成在井區中，或形成在井區之間的第一摻雜區中。

根據一實施例，提供一種雙極性接面電晶體的操作方法。雙極性接面電晶體包括一第一摻雜區、一第二摻雜區與一第三摻雜區。第一摻雜區具有一第一導電型。第二摻雜區包括形成於第一摻雜區中的數個井區。井區具有相反於第一導電型的一第二導電型。井區藉由第一摻雜區互相分開。第三參雜區具有第一導電型。第三摻雜區形成在井區中，或形成在井區之間的第一摻雜區中。操作方法包括以下步驟。提供一集極電壓至第一摻雜區。提供一基極電壓至第二摻雜區。提供一射極電壓至第三摻雜區。

根據一實施例，提供一種雙極性接面電晶體的製造方法，包括以下步驟。於一第一摻雜區中形成一第二摻雜區的數個井區。第一摻雜區具有一第一導電型。井區具有相反於第一導電型的一第二導電型。井區藉由第一摻雜區互相分開。於井區中或於井區之間的第一摻雜區中形成一第三摻雜區。第三摻雜區具有第一導電型。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下 文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

102‧‧‧第一摻雜區

104、112、114、116‧‧‧井區

106、118、122、222A、222B‧‧‧接觸區

108‧‧‧基底

110‧‧‧第二摻雜區

120、220‧‧‧第三摻雜區

124‧‧‧第一頂摻雜層

126‧‧‧第二頂摻雜層

128‧‧‧介電結構

130‧‧‧導電結構

132、232、240‧‧‧連接區

134‧‧‧集極電壓

136‧‧‧基極電壓

138‧‧‧射極電壓

第1A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。

第1B圖為第1A圖之雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。

第1C圖為第1A圖之雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第2A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。

第2B圖為第2A圖之雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。

第2C圖為第2A圖之雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第3A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。

第3B圖為第3A圖之雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。

第3C圖為第3A圖之雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第4A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。

第4B圖為第4A圖之雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。

第4C圖為第4A圖之雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第5A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。

第5B圖為第5A圖之雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。

第5C圖為第5A圖之雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第6A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的剖面圖。

第6B圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的剖面圖。

第7圖為根據一實施例之雙極性接面電晶體的電性曲線。

第8圖為根據一實施例之雙極性接面電晶體的電性曲線。

第1A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的 上視圖。第1B圖為雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。第1C圖為雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

請參照第1B圖，第一摻雜區102包括井區104與接觸區106。井區104與接觸區106具有第一導電型例如N導電型。井區104位在基底108上。基底108具有相反於第一導電型的第二導電型例如P導電型。於一實施例中，井區104可藉由摻雜基底108的方式形成。於其他實施例中，井區104可以成長或沉積等的方式形成在基底108上。井區104可為高壓(HV)井區。井區104與基底108可包括半導體材料例如矽，或其他合適的材料。基底108可包括絕緣層上覆矽(SOI)。接觸區106可以摻雜井區104的方式形成。於實施例中，接觸區106是為重摻雜的。

請參照第1B圖，第二摻雜區110包括數個井區112、114、116。井區112、114、116具有第二導電型例如P導電型。井區112、114、116可藉由摻雜第一摻雜區102的井區104形成。井區112、114、116可以磊晶的方式形成。第二摻雜區110的井區112、114、116可藉由第一摻雜區102的井區104互相分開。第二摻雜區110包括接觸區118，具有第二導電型例如P導電型。接觸區118可以摻雜井區112的方式形成，並可為重摻雜的。

請參照第1B圖，第三摻雜區120包括接觸區122。接觸區122具有第一導電型例如N導電型。接觸區122的形成方法可包括摻雜第二摻雜區110的井區114、116，並摻雜井區114 與井區116之間的第一摻雜區102的井區104。接觸區122可為重摻雜的。

請參照第1B圖，具有第二導電型的第一頂摻雜層124位於具有第一導電型的第一摻雜區102的井區104上。第一頂摻雜層124可藉由摻雜井區104形成。具有第一導電型的第二頂摻雜層126位於第一頂摻雜層124上。第二頂摻雜層126可藉由摻雜第一頂摻雜層124形成。介電結構128形成於第二頂摻雜層126上。介電結構128並不限於如第1B圖與第1C圖所示的場氧化物，而可包括其他合適的介電結構，例如淺溝槽隔離等。導電結構130形成於介電結構128上。於一實施例中，導電結構130包括多晶矽，例如以單一多晶矽(single poly)或雙多晶矽(double poly)製程形成。

第1C圖與第1B圖所示的雙極性接面電晶體的剖面圖差異在於，第1C圖省略了第1B圖中的第一頂摻雜層124與第二頂摻雜層126。第1A圖僅繪示雙極性接面電晶體部分元件的上視圖，包括第一摻雜區102的接觸區106；第二摻雜區110的井區112、114、116與接觸區118；第三摻雜區120的接觸區122；以及第二頂摻雜層126。雙極性接面電晶體並不限於如第1A圖的圓形(circle)配置，而也能設計成正方形(square)、長方形(rectangle)、六邊形(hexagonal)、八邊形(octagonal)，或其他形狀的結構。

第2A圖至第2C圖分別繪示第1A圖至第1C圖之 雙極性接面電晶體，其第二摻雜區110的井區112、114、116在被擴散之後的示意圖。此擴散井區112、114、116的步驟是用以形成第二摻雜區110的連接區132。位在第三摻雜區120之接觸區122下方的連接區132是鄰接在井區114與井區116之間，並具有第二導電型。井區114、116的底表面是低於連接區132的底表面。擴散第二摻雜區110的井區112、114、116的方法可包括進行退火步驟。此退火步驟可在任意適當的時機進行，例如在形成第二摻雜區110的接觸區118與形成第三摻雜區120的接觸區122之前或之後進行。

請參照第2B圖，於一實施例中，舉例來說，雙極性接面電晶體的第一摻雜區102可藉由接觸區106電性連接至集極電壓134。第二摻雜區110可藉由接觸區118電性連接至基極電壓136。第三摻雜區120可藉由接觸區122電性連接至射極電壓138。換句話說，第一摻雜區102(包括第一導電型例如N導電型的井區104與接觸區106)是用作集極。第二摻雜區110(包括第二導電型例如P導電型的井區112、114、116、連接區132與接觸區118)是用作基極。第三摻雜區120(包括第一導電型例如N導電型的接觸區122)是用作射極。導電結構130可電性連接至結構電壓。於一實施例中，結構電壓是耦接於基極電壓136。

請參照第2B圖，於實施例中，擴散之後的井區112、114、116與形成的連接區132具有比擴散之前的井區112、114、116更小的摻雜濃度，因此能提高雙極性接面電晶體的β增益。 形成的連接區132可具有微小的尺寸(例如深度淺或寬度窄)，此能提高基極電阻並提高β增益。因此，換句話說，實施例可藉由調整第二摻雜區110的井區112、114、116(例如井區112、114、116之間的間隔)，或調整擴散井區112、114、116(例如退火)的製程參數，來控制形成的連接區132，進而控制雙極性接面電晶體的β增益。

再者，形成在介電結構128下方之井區104(漂移區)中的第一頂摻雜層124與第二頂摻雜層126，是應用縮減表面場(reduced surface field；RESURF)的概念，其能幫助提高高壓雙極性接面電晶體(HVBJT)的崩潰電壓。配置在(集極)接觸區106與(基極)接觸區118之間的介電結構128上的導電結構130可幫助提升雙極性接面電晶體的接面崩潰電壓(junction breakdown voltage)。於一實施例中，高壓雙極性接面電晶體可藉由縮減(井區104中)漂移區域的尺寸來縮小裝置的尺寸並降低操作電壓。於實施例中，可最佳化(射極)接觸區122與(集極)接觸區106之間的距離，以避免雙極性接面電晶體發生橫向貫穿(lateral punch through)，此概念亦可應用至高壓裝置中。

於實施例中，雙極性接面電晶體可利用標準的高壓製程來形成，因此不需要額外的製程、光罩，或改變製程程式。

第3A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的上視圖。第3B圖為雙極性接面電晶體沿BB線的剖面圖。第3C圖為雙極性接面電晶體沿CC線的剖面圖。

第3A圖至第3B圖的雙極性接面電晶體與第1A圖至第1B圖的雙極性接面電晶體的差異在於，第三摻雜區220的接觸區222A、222B是形成在第二摻雜區110的井區114、116中。第3B圖與第3C圖之剖面圖的差異在於，第3C圖省略了第二摻雜區110的井區114、116與第三摻雜區220的接觸區222A、222B。第二摻雜區110的井區114、116與第三摻雜區220的接觸區222A、222B並不限於如第3A圖的長方形(rectangle)配置，而也能設計成正方形(square)、六邊形(hexagonal)、八邊形(octagonal)、圓形(circle)，或其他形狀的結構。

第4A圖至第4C圖分別繪示一實施例中第3A圖至第3C圖之雙極性接面電晶體，其第二摻雜區110的井區112、114、116在被擴散之後的示意圖。此擴散井區112、114、116的步驟是用以形成第二摻雜區110的連接區132。連接區132是鄰接在井區112、114、116之間，並具有第二導電型。井區112、114、116的底表面是低於連接區132的底表面。擴散第二摻雜區110的井區112、114、116的方法可包括進行退火步驟。此退火步驟可在任意適當的時機進行，例如於一實施例中，退火步驟是在形成第三摻雜區220的接觸區222A、222B之前進行。

請參照第4B圖與第4C圖，於一實施例中，舉例來說，雙極性接面電晶體的第一摻雜區102可藉由接觸區106電性連接至集極電壓134。第二摻雜區110可藉由接觸區118電性連接至基極電壓136。第三摻雜區220可藉由接觸區222A、222B 電性連接至射極電壓138。換句話說，第一摻雜區102(包括第一導電型例如N導電型的井區104與接觸區106是用作集極。第二摻雜區110(包括第二導電型例如P導電型的井區112、114、116、連接區132與接觸區118是用作基極。第三摻雜區220(包括第一導電型例如N導電型的接觸區222A、222B)是用作射極。導電結構130可電性連接至結構電壓。於一實施例中，結構電壓是耦接於基極電壓136。

於實施例中，擴散之後的井區112、114、116與形成的連接區132具有比擴散之前的井區112、114、116更小的摻雜濃度，此能提高雙極性接面電晶體的β增益。形成的連接區132可具有微小的尺寸，此能提高基極電阻並提高β增益。因此，換句話說，實施例可藉由調整第二摻雜區110的井區112、114、116，或調整擴散井區112、114、116(例如退火)的製程參數，來控制形成的連接區132，進而控制雙極性接面電晶體的β增益。

第5A圖至第5C圖分別繪示另一實施例中第3A圖至第3C圖之雙極性接面電晶體，其第二摻雜區110的井區112、114、116與第三摻雜區220的接觸區222A、222B在被擴散之後的示意圖。井區112、114、116擴散之後是形成第二摻雜區110的連接區132。連接區132鄰接在井區112、114、116之間，並具有第二導電型。井區112、114、116的底表面是低於連接區132的底表面。接觸區222A、222B擴散之後是形成第三摻雜區220的連接區240。連接區240鄰接在接觸區222A、222B之間，並 具有第一導電型。第三摻雜區220的連接區240是位在第二摻雜區110的連接區132上。擴散第二摻雜區110的井區112、114、116與第三摻雜區220的接觸區222A、222B的方法可包括進行退火步驟。此退火步驟可在任意適當的時機進行，例如於一實施例中，退火步驟是在形成第三摻雜區220的接觸區222A、222B之後進行。

請參照第5B圖與第5C圖，雙極性接面電晶體的第一摻雜區102可藉由接觸區106電性連接至集極電壓134。第二摻雜區110可藉由接觸區118電性連接至基極電壓136。第三摻雜區220可藉由接觸區222A、222B電性連接至射極電壓138。換句話說，第一摻雜區102(包括第一導電型例如N導電型的井區104與接觸區106)是用作集極。第二摻雜區110(包括第二導電型例如P導電型的井區112、114、116、連接區132與接觸區118)是用作基極。第三摻雜區220(包括第一導電型例如N導電型的接觸區222A、222B與連接區240)是用作射極。導電結構130可電性連接至結構電壓。於一實施例中，結構電壓是耦接於基極電壓136。

於實施例中，擴散之後的井區112、114、116與形成的連接區132具有比擴散之前的井區112、114、116更小的摻雜濃度，此能提高雙極性接面電晶體的β增益。形成的連接區132可具有微小的尺寸，此能提高基極電阻並提高β增益。因此，換句話說，實施例可藉由調整第二摻雜區110的井區112、114、116， 或調整擴散井區112、114、116(例如退火)的製程參數，來控制形成的連接區132，進而控制雙極性接面電晶體的β增益。

第6A圖繪示根據一實施例之雙極性接面電晶體的剖面圖。閘結構142配置在井區112、114、116之間第一摻雜區102的井區104上。閘結構142包括閘介電層與配置在閘介電層上的閘電極層。閘介電層可包括氧化物、氮化物，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽，或其他合適的材料。閘電極層可包括多晶矽、金屬、金屬矽化物，或其他合適的材料。多晶矽可例如以單一多晶矽(single poly)或雙多晶矽(double poly)製程形成。

第6B圖繪示第6A圖之雙極性接面電晶體的操作方法。提供一閘極電壓至閘結構142，以在閘結構142下方之第一摻雜區102的井區104(第一導電型例如N導電型)中形成連接區232(第二導電型例如P導電型)。連接區232鄰接在井區112、114、116之間。於一實施例中，閘極電壓是耦接於基極電壓136。再者，第一摻雜區102可藉由接觸區106電性連接至集極電壓134。第二摻雜區110可藉由接觸區118電性連接至基極電壓136。第三摻雜區220可藉由接觸區222A、222B電性連接至射極電壓138。換句話說，第一摻雜區102(包括第一導電型例如N導電型的井區104與接觸區106)是用作集極。第二摻雜區110(包括第二導電型例如P導電型的井區112、114、116、連接區232與接觸區118是用作基極。第三摻雜區220(包括第一導電型例如N導電型的接觸區222A、222B)是用作射極。導電結構130可電性連接至結構 電壓。於一實施例中，結構電壓是耦接於基極電壓136。

於實施例中，可調變提供至閘結構142的閘極電壓，來控制形成在井區104中的連接區232的輪廓與載子濃度，以得到期望的裝置特性。舉例來說，連接區232可控制成具有低的載子濃度，藉此提高雙極性接面電晶體的β增益。再者，連接區232可輕易地控制成具有微小的尺寸，藉此提高β增益。

第7圖與第8圖顯示實施例中雙極性接面電晶體的電性曲線。從第7圖發現，雙極性接面電晶體的電流放大可達至約3900倍。再者，從第8圖發現，雙極性接面電晶體的爾利效應並不嚴重。

雖然實施例中第一導電型為N導電型，且第二導電型為P導電型。然本揭露並不限於此，於其他實施例中，第一導電型可為P導電型，且第二導電型可為N導電型。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

102‧‧‧第一摻雜區

104、112、114、116‧‧‧井區

106、118、122‧‧‧接觸區

108‧‧‧基底

110‧‧‧第二摻雜區

120‧‧‧第三摻雜區

128‧‧‧介電結構

130‧‧‧導電結構

134‧‧‧集極電壓

136‧‧‧基極電壓

138‧‧‧射極電壓

Claims (9)

1. 一種雙極性接面電晶體，包括：一第一摻雜區，具有一第一導電型；一介電結構，位於該第一摻雜區上；一導電結構，完全位於該介電結構上，其中該導電結構包括多晶矽；一第二摻雜區，包括形成於該第一摻雜區中的數個井區，其中該些井區具有相反於該第一導電型的一第二導電型，該些井區藉由該第一摻雜區互相分開；以及一第三摻雜區，具有該第一導電型，其中該第三摻雜區形成在該些井區中，或形成在該些井區之間的該第一摻雜區中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙極性接面電晶體，其中該第二摻雜區更包括一連接區，鄰接在該些井區之間，並具有該第二導電型，該些井區的底表面是低於該連接區的底表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雙極性接面電晶體，其中該第三摻雜區包括一接觸區，具有該第一導電型，並位於該些井區與該連接區之間，該接觸區位於該連接區上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙極性接面電晶體，其中該第三摻雜區包括一接觸區，具有該第一導電型，並形成在該第二摻雜區中。
5. 一種雙極性接面電晶體的操作方法，其中該雙極性接面電晶體包括： 一第一摻雜區，具有一第一導電型；一第二摻雜區，包括形成於該第一摻雜區中的數個井區，其中該些井區具有相反於該第一導電型的一第二導電型，該些井區藉由該第一摻雜區互相分開；以及一第三摻雜區，具有該第一導電型，其中該第三摻雜區形成在該些井區中，或形成在該些井區之間的該第一摻雜區中，該操作方法包括：提供一集極電壓至該第一摻雜區；提供一基極電壓至該第二摻雜區；以及提供一射極電壓至該第三摻雜區。
6. 如申請專利範圍第5項所述之雙極性接面電晶體的操作方法，其中該第二摻雜區更包括一連接區，鄰接在該些井區之間，並具有該第二導電型，該些井區的底表面是低於該連接區的底表面，該第三摻雜區包括一接觸區，具有該第一導電型，並位於該些井區與該連接區之間，該接觸區位於該連接區上。
7. 如申請專利範圍第5項所述之雙極性接面電晶體的操作方法，其中該雙極性接面電晶體更包括一閘結構，配置在該些井區之間的該第一摻雜區上，該操作方法更包括提供一閘極電壓至該閘結構，以在該閘結構下方的該第一摻雜區中形成一連接區，該連接區具有該第二導電型，並鄰接在該些井區之間。
8. 一種雙極性接面電晶體的製造方法，包括：於一第一摻雜區中形成一第二摻雜區的數個井區，其中該第 一摻雜區具有一第一導電型，該些井區具有相反於該第一導電型的一第二導電型，該些井區藉由該第一摻雜區互相分開；以及於該些井區中或於該些井區之間的該第一摻雜區中形成一第三摻雜區，其中該第三摻雜區具有該第一導電型。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雙極性接面電晶體的製造方法，更包括進行一退火步驟以擴散該些井區，以形成該第二摻雜區的一連接區鄰接在該些井區之間，其中該連接區具有該第二導電型，該些井區的底表面是低於該連接區的底表面。