锗硅HBT单管结构、其制造方法及锗硅HBT多指结构

摘要

本发明公开了一种锗硅HBT单管结构，由低掺杂N型外延工艺制备集电区C，其底部由重N型掺杂的埋层引出；基区B由重掺杂硼的锗硅外延层组成；发射区E由淀积在基区上的介质经刻蚀形成窗口，再淀积N型掺杂多晶硅形成；外基区多晶硅下的场氧底部的N型外延通过P型离子注入和高温退火转化为P型区；集电极由深槽接触孔和金属引出。本发明还公开了CBEBE…BEBC或CEBECEBE…CEBEC形式的多指结构。本发明深槽接触孔穿过场氧和N型外延至N型埋层中，两个发射极的间距可极大缩小，降低了器件的集电极电阻，以及集电极对基区和集电极对硅基板的结电容；P型离子注入区与器件外的P型离子注入隔离区不连通，降低了基极-集电极介质电容；多指结构可得到最大输出功率及功率增益。

说明书

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HBT单管结构。 本发明还涉及所述锗硅HBT单管结构的制作方法，以及由锗硅HBT单管结 构形成的锗硅HBT多指结构。

背景技术

常规的锗硅异质结双极型三极管如图1所示，其集电极的形成如下： 在P型基板1′上进行高剂量N型离子注入，注入后进行高温退火，形成一 个N型低电阻埋层通道2′，接着进行低N-掺杂的外延成长3′，然后在发 射极窗口下进行选择性N型离子注入5′，形成低电阻座，最后在与器件有 源区相隔一定距离的另一有源区进行高剂量N型离子注入4′并推进到N型 埋层2′从而引出集电极。

这一工艺技术虽然成熟稳定，但是其主要不足在于，为了降低集电极 电阻，引出有源区的尺寸很大且掺杂浓度很高，为避免横向扩散影响器件 有源区的杂质发布，两个有源区的间隔距离需要较大，这样整体器件较大， 基区-集电区寄生电容，以及集电区-硅基板的电容也较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅HBT单管结构和锗硅HBT多 指结构，可降低基极-集电极介质电容，最佳化大输出功率器件的基极和/ 或集电极电阻，得到最大输出功率及功率增益；为此，本发明还提供一种 所述锗硅HBT单管结构的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明的锗硅HBT单管结构形成于P型硅衬底 上，有源区由场氧隔离，包括集电区、基区和发射区；

所述集电区由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被 场氧隔离的N型外延、形成于发射极窗口下的选择性N型离子注入区组成； 所述选择性N型离子注入区位于发射极窗口下的N型外延中且与N型埋层 连接；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；所述集电 极由深槽接触孔和金属引出，所述深槽接触孔穿过场氧、N型外延且其底部 位于N型埋层中；

所述基区由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，锗硅外延层包括硅 缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层 的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；所述基区包括一本征基区和一外基区， 所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于场氧上部，其上形成 有硅化物合金层，并通过常规接触孔和金属引出基极；

所述发射区由形成于本征基区上部的多晶硅组成，并和本征基区形成 接触，发射极多晶硅进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结；所述多 晶硅上形成有硅化物合金层，通过常规接触孔和金属引出发射极；

距N型埋层外围0.5～5微米处形成有P型离子注入隔离区，所述P型 离子注入隔离区位于场氧的下方且与场氧和P型硅衬底连接；位于基极下 的场氧底部的N型外延中形成有一P型离子注入区。

本发明还提供锗硅HBT单管结构的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，在P型硅衬底上进行剂量为10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2、能量为50keV～ 100keV的N型离子注入，再进行高温退火，温度在1050℃～1150℃之间， 退火时间在60分钟以上，形成N型埋层；

步骤二，在N型埋层上生长厚度为0.8μm～2μm、掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～ 10¹⁶cm^-3的低掺杂N型外延，；

步骤三，在器件外围距N型埋层0.5～5微米用于形成场氧的位置形成 P型离子注入隔离区，在外基区用于形成场氧处的下方N型外延中形成一P 型离子注入区，所述P型离子注入区将N型外延转换为P型；

步骤四，进行高温退火和热氧化，形成氧化层厚度在5000～15000埃 的场氧隔离；

步骤五，在场氧隔离之间用于形成发射极窗口处下方的N型外延中进 行选择性N型离子注入，形成低电阻底座的选择性N型离子注入区；

步骤六，淀积氧化硅和多晶硅，打开需长单晶的区域，用外延法生长 锗硅外延层，该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100～300埃；所述锗硅层 的厚度为400～800埃，其中100～300埃掺杂硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～ 6×10¹⁹cm^-3；所述硅帽层的厚度为300～500埃，其中掺杂浓度为10¹⁵cm^-3～ 10¹⁷cm^-3；

步骤七，在锗硅外延层上淀积介质膜，刻蚀形成发射区窗口；所述介 质膜为氧化硅，或氮化硅，或者氧化硅加氮化硅，或者氮氧化硅加氮化硅；

步骤八，在有氧环境下快速退火形成5～10埃的氧化硅层，然后淀积 在位掺杂多晶硅，并先后离子注入磷和砷，通过光刻刻蚀形成多晶硅发射 极，并进行自对准发射极多晶硅的外基区P型离子注入；

步骤九，进行热退火推进，将发射极多晶硅中的磷和砷推过硅帽层后 进入本征基区，形成深度在300～500埃的发射极-基极结；

步骤十，在外基区和发射极多晶硅上淀积硅化物合金层，并在整个器 件上淀积一层接触孔介质，刻蚀接触孔介质形成穿过场氧、N型外延并停在 N型埋层中的深槽接触孔，刻蚀接触孔介质至位于外基区上方和发射极多晶 硅上方的硅化物合金层上形成常规接触孔，所述深槽接触孔和常规接触孔 中填入金属并连线引出集电极、基极和发射极。

本发明提供一种锗硅HBT多指结构，由多个锗硅异质结双极晶体管单 管组成，所述多指结构包括两个集电极，所述集电极分别位于多指结构的 最外侧，两个集电极内侧包括至少两个发射极，每个发射极的两侧各有一 个基极；

所述多指结构的单管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被 场氧隔离的N型外延、形成于发射极窗口下的选择性N型离子注入区组成； 所述选择性N型离子注入区位于发射极窗口下的N型外延中且与N型埋层 连接；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；所述集电 极由深槽接触孔和金属引出，所述深槽接触孔穿过场氧、N型外延且其底部 位于N型埋层中；

一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，锗硅外延层包括硅 缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层 的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；所述基区包括一本征基区和一外基区， 所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于场氧上部，其上形成 有硅化物合金层，并通过常规接触孔和金属引出基极；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，并和本征基区形成 接触，发射极多晶硅进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结；所述多 晶硅上形成有硅化物合金层，通过常规接触孔和金属引出发射极；

所述多指结构基极下的场氧底部的N型外延中形成有一P型离子注入 区，所述P型离子注入区和选择性N型离子注入区通过连续的N型埋层连 接；距N型埋层的外围0.5～5微米处形成有P型离子注入隔离区，所述P 型离子注入隔离区位于场氧的下方且与场氧和P型硅衬底连接；所述P型 离子注入区和P型离子注入隔离区相互隔离。

本发明提供另一种锗硅HBT多指结构，由多个锗硅异质结双极晶体管 单管组成，所述多指结构包括至少两个集电极，相邻的两个集电极之间包 括一个基极和两个发射极，所述基极位于发射极的中间，多指结构的最外 侧为集电极；

所述多指结构的单管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被 场氧隔离的N型外延、形成于发射极窗口下的选择性N型离子注入区组成； 所述选择性N型离子注入区位于发射极窗口下的N型外延中且与N型埋层 连接；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；所述集电 极由深槽接触孔和金属引出，所述深槽接触孔穿过场氧、N型外延且其底部 位于N型埋层中；

一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，锗硅外延层包括硅 缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层 的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；所述基区包括一本征基区和一外基区， 所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于场氧上部，其上形成 有硅化物合金层，并通过常规接触孔和金属引出基极；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，并和本征基区形成 接触，发射极多晶硅进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结；所述多 晶硅上形成有硅化物合金层，通过常规接触孔和金属引出发射极；

所述多指结构基极下的场氧底部的N型外延中形成有一P型离子注入 区，所述P型离子注入区和选择性N型离子注入区通过连续的N型埋层连 接；距N型埋层的外围0.5～5微米处形成有P型离子注入隔离区，所述P 型离子注入隔离区位于场氧的下方且与场氧和P型硅衬底连接；所述P型 离子注入区和P型离子注入隔离区相互隔离。

本发明提供再一种锗硅HBT多指结构，由多个锗硅异质结双极晶体管 单管组成，所述多指结构包括至少两个集电极，相邻的两个集电极之间包 括一个基极和两个发射极，所述基极位于发射极的中间，多指结构的最外 侧为集电极；

所述多指结构的单管包括：

一集电区，由形成于P型硅衬底上的N型埋层、形成于N型埋层上被 场氧隔离的N型外延、形成于发射极窗口下的选择性N型离子注入区组成； 所述选择性N型离子注入区位于发射极窗口下的N型外延中且与N型埋层 连接；所述N型埋层的掺杂浓度大于所述N型外延的掺杂浓度；所述集电 极由深槽接触孔和金属引出，所述深槽接触孔穿过场氧、N型外延且其底部 位于N型埋层中；

一基区，由形成于N型外延上的锗硅外延层组成，锗硅外延层包括硅 缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗硅层 的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；所述基区包括一本征基区和一外基区， 所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于场氧上部，其上形成 有硅化物合金层，并通过常规接触孔和金属引出基极；

一发射区，由形成于本征基区上部的多晶硅组成，并和本征基区形成 接触，发射极多晶硅进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结；所述多 晶硅上形成有硅化物合金层，通过常规接触孔和金属引出发射极；

所述多指结构基极下的场氧底部的N型外延中形成有与P型硅衬底连 接的P型离子注入区；距N型埋层的外围0.5～5微米处形成有P型离子注 入隔离区，所述P型离子注入隔离区位于场氧的下方且与场氧和P型硅衬 底接触；P型离子注入区之间的第一N型离子注入区和第二N型离子注入区、 P型离子注入区和P型离子注入隔离区之间的第一N型离子注入区和第二N 型离子注入区分别通过非连续的N型埋层连接；所述P型离子注入区和P 型离子注入隔离区不连通。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中，深槽接触孔穿过场氧引出集电极，两个发射极之间的间 距可极大缩小，大大降低了器件的集电极电阻，以及集电极对基区和集电 极对硅基板的结电容，可以得到最大输出功率及功率增益；

2、本发明综合采用了低电阻的N型埋层通道、低掺杂的N型外延成长 单晶硅、选择性N型离子注入形成的低电阻底座和高掺杂硼的锗硅基区， 大大降低了器件的基极和集电极电阻，以及基极-集电极结电容；

3、本发明通过离子注入，在基极下场氧底部的N型外延层形成P型离 子注入区，并使P型离子注入区与器件外面的P型离子注入隔离区不连通， 可极大地降低由外基区多晶硅-场氧-N型外延形成的基极-集电极介质电 容；

4、本发明的多指结构可最佳化大输出功率器件的基极和/或集电极电 阻，以及基极-集电极结电容，得到最大输出功率及功率增益，从而最佳化 器件的直流和射频性能，用作高速、高输出功率、高增益电路中的功率放 大器件。

附图说明

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：

图1是现有的锗硅异质结双极型三极管结构示意图；

图2-图5是本发明实施例的锗硅功率HBT单管在制造过程的器件截面 示意图；

图6是本发明实施例的第一种锗硅功率HBT多指器件的结构示意图；

图7是本发明实施例的第二种锗硅功率HBT多指器件的结构示意图；

图8是本发明实施例的第三种锗硅功率HBT多指器件的结构示意图。

具体实施方式

本发明的锗硅HBT单管结构的制造方法，包括如下步骤：

步骤一，在P型硅衬底1上进行高剂量(10¹⁵cm^-2～10¹⁶cm^-2)、中能量 (50KeV～100KeV)的N型离子注入，注入后进行高温退火，温度在1050 ℃～1150℃之间，退火时间在60分钟以上，形成低电阻的N型埋层2通道， 注入离子最好是砷，它足够重可防止在后续的退火工艺中进一步扩散，又 不会对硅基产生显著的损伤；

步骤二，在N型埋层上进行低N-掺杂的外延成长，厚度在0.8μm～2.0 μm之间，掺杂浓度在10¹⁵cm^-3～10¹⁶cm^-3；

步骤三，在器件周围0.5μm～5μm之外进行中高剂量(10¹⁴cm^-2～5× 10¹⁵cm^-2)、中能量(50keV～200keV)的P型离子注入，形成P型离子注入 隔离区5对器件进行结隔离；在外基区用于形成场氧处的下方N型外延3 中形成有一P型离子注入区12，将N型外延转换为P型区；

步骤四，进行高温退火，然后进行场氧化形成场氧4隔离，氧化层厚 度在5000～15000埃，如图2所示，较厚的氧化层可以提升隔离效果；

步骤五，在场氧4隔离之间的发射极窗口下进行选择N型离子注入， 形成低电阻底座的选择性N型离子注入区6；

步骤六，淀积氧化硅和多晶硅仔晶，用干刻和湿刻打开需长单晶的区 域，然后用外延法生长锗硅外延层7；锗硅外延层7可细分为三层，分别为 硅缓冲层，锗硅层，硅帽层，其中锗硅层有高掺杂的硼而硅帽层有低掺杂 的硼；其中，硅缓冲层为100～300埃，锗硅层为400～800埃，其中100～ 300埃掺硼，掺杂浓度在2×10¹⁹cm^-3～6×10¹⁹cm^-3，硅帽层为300～500埃， 硼掺杂浓度在10¹⁵cm^-3～10¹⁷cm^-3，高硼掺杂浓度区必须与硅帽层位置恰当， 保证热退火形成合适的发射极-基极结，如图3所示；

步骤七，在锗硅外延层7上淀积一层介质膜，刻蚀形成发射区窗口； 所述介质膜为氧化硅，或氮化硅，或者氧化硅加氮化硅，或者氮氧化硅加 氮化硅；

步骤八，在有氧环境下快速退火形成5～10埃的氧化硅层(图4中未 示出)，然后淀积在位掺杂多晶硅，并先后离子注入磷和砷，通过光刻刻蚀 形成多晶硅发射极9和侧墙，并进行自对准发射极多晶硅的外基区P型离 子注入8以降低基区电阻，如图4所示；

步骤九，进行一次热退火推进，将发射极多晶硅中的磷和砷推过硅帽 层后进入本征基区，形成深度在300～500埃的发射极-基极结；

步骤十，采用传统工艺在外基区和发射极多晶硅上淀积一硅化物合金 层13，然后在整个器件上淀积一层接触孔介质，刻蚀形成穿过接触孔介质、 场氧4和N型外延3并停留在N型埋层2中的深槽接触孔11；

步骤十一，刻蚀接触孔介质至外基区上方和发射极多晶硅上方的硅化 物合金层13中，形成常规接触孔10；

步骤十二，深槽接触孔11和常规接触孔10中填入钛和氮化钛及钨金 属，并用金属铝铜连线引出集电极、基极和发射极。

通过上述方法制造的锗硅HBT单管，如图5所示，形成于P型硅衬底1 上，有源区由场氧4隔离，包括集电区、基区和发射区；

所述集电区由形成于P型硅衬底1上的N型埋层2、形成于N型埋层2 上被场氧4隔离的N型外延3、形成于发射极窗口下的选择性N型离子注入 区6组成；所述选择性N型离子注入区6位于发射极窗口下的N型外延3 中且与N型埋层2连接；所述N型埋层2的掺杂浓度大于所述N型外延3 的掺杂浓度；所述集电极由深槽接触孔11和金属引出，所述深槽接触孔11 穿过场氧4、N型外延3且其底部位于N型埋层2中；

所述基区由形成于N型外延上的锗硅外延层7组成，锗硅外延层7包 括硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，所述锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼，且锗 硅层的掺杂浓度大于硅帽层的掺杂浓度；所述基区包括一本征基区和一外 基区，所述本征基区和集电区形成接触，所述外基区形成于场氧4上部， 其上形成有硅化物合金层13，并通过常规接触孔10和金属引出基极；

所述发射区由形成于本征基区上部的多晶硅9组成，并和本征基区形 成接触，发射极多晶硅9进行N型离子注入退火后形成发射极-基极结；所 述多晶硅9上形成有硅化物合金层13，通过常规接触孔10和金属引出发射 极；

距N型埋层2外围0.5～5微米处形成有P型离子注入隔离区5，所述 P型离子注入隔离区5位于场氧4的下方且与场氧4和P型硅衬底1连接； 位于基极下的场氧4底部的N型外延3中形成有一P型离子注入区12。

本发明的第一种锗硅功率HBT的多指结构，图6给出两个发射极的两 指结构，包括两个集电极，所述集电极分别位于多指结构的最外侧，两个 集电极内侧包括两个发射极，每个发射极的两侧各有一个基极。这种锗硅 功率HBT的多指器件用锗硅异质结双极晶体管的发射极E、基极B、集电极 C可表示为CBEBE…BEBC，图6是采用这种形式的最小多指结构。所述多指 器件的单管结构如前所示，在此不再赘述。这种多指结构的基极电阻最小 而集电极电阻较大，所以集电极之间通常不能有太多的指结构，如需更大 面积的器件则采用多指单元并联的形式。

本发明的第二、三种锗硅功率HBT的多指结构，图7和图8给出四个 发射极的四指结构，包括三个集电极和两个基极，相邻的两个集电极之间 包括一个基极和两个发射极，所述基极位于发射极的中间，多指结构的最 外侧为集电极。这种锗硅HBT的多指器件用锗硅异质结双极晶体管的发射 极E、基极B、集电极C可表示为CEBE…CEBEC，采用这种形式的最小结构 为两指结构CEBEC。所述多指器件的单管结构如前所示，在此不再赘述。这 两种多指结构可以得到更低的基极-集电极电容及集电极电阻，但是基区电 阻略有增大，其中后一种多指结构可以进一步降低基极-集电极介质电容， 但会增大集电极电阻。

前述三种多指器件中，多指结构基极下的场氧4底部形成有一P型离 子注入区12，距N型埋层2的外围0.5～5微米处形成有P型离子注入隔离 区5，所述P型离子注入隔离区5位于场氧4的下方且与场氧4和P型硅衬 底1连接；所述P型离子注入区12和P型离子注入隔离区7不连通，这样 由P型多晶硅基极-场氧-N型外延形成的基极-集电极介质电容可极大地降 低。

在前两种多指结构中，所述P型离子注入区1和选择性N型离子注入 区6通过连续的N型埋层2连接。第三种多指结构与第二种多指结构的不 同之处在于，第三种多指结构中的N型埋层2为非连续的，P型离子注入区 12之间的选择性N型离子注入区6、P型离子注入区12和P型离子注入隔 离区5之间的选择性N型离子注入区6分别通过非连续的N型埋层2连接。

本发明中的深槽接触孔穿过场氧引出集电极，两个发射极之间的间距 可极大缩小，大大降低了器件的集电极电阻，以及集电极对基区和集电极 对硅基板的结电容，可以得到最大输出功率及功率增益。本发明综合采用 了低电阻的N型埋层通道、低掺杂的N型外延成长单晶硅、选择性N型离 子注入形成的低电阻底座和高掺杂硼的锗硅基区，大大降低了器件的基极 和集电极电阻，以及基极-集电极结电容。本发明通过离子注入，在基极下 场氧底部的N型外延层形成P型离子注入区，并使P型离子注入区与器件 外面的P型离子注入隔离区不连通，可极大地降低由外基区多晶硅-场氧-N 型外延形成的基极-集电极介质电容。本发明的多指结构可最佳化大输出功 率器件的基极和/或集电极电阻，以及基极-集电极结电容，得到最大输出 功率及功率增益，从而最佳化器件的直流和射频性能，用作高速、高输出 功率、高增益电路中的功率放大器件。

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。