双极NPN晶体管及其制造方法

摘要

本发明提供了一种双极NPN晶体管及其制造方法，包括：衬底；形成于衬底上的外延层；形成于外延层中的集电区、淡基区、浓基区和发射区；形成于外延层上的第一层间介质层和电压调变介质层；形成于第一层间介质层和电压调变介质层上的第一互连线；形成于第一层间介质层和第一互连线上的第二层间介质层；形成于第二层间介质层上的第二互连线；其中，电压调变介质层覆盖于淡基区上，并通过第一互连线实现电性引出。在本发明提供的双极NPN晶体管及其制造方法中，通过改变电压调变介质层的感应电荷数量使得淡基区表面的电荷浓度发生改变，从而实现小电流放大倍数可调。

说明书

技术领域

本发明涉及光电传感器，特别涉及一种双极NPN晶体管及其制造方法。

背景技术

光电传感器是一种通过光敏器件将光信号转换成电信号的传感器。目前光 敏器件一般采用半导体工艺制造，包括光敏二极管、光敏三极管和光敏电阻等。 由于光敏器件所接收的光比较微弱，所以产生的光生电流也较微弱，通常需要 一个前置放大电路与光敏器件配合以放大信号。光敏器件和前置放大电路集成 在一块芯片上，形成光电传感器。

随着光电传感器应用场合的不同，各类环境干扰对光敏器件的影响很大， 如开关电源、环境光等。环境干扰产生的电流会影响光敏器件的灵敏度。前置 放大电路要调整到合适的放大系数，以减弱环境干扰对光敏器件的影响，从而 使光电传感器满足应用要求。前置放大电路由晶体管组成，晶体管的小电流特 性，包括双极NPN晶体管和双极PNP晶体管的小电流特性对于工艺调整都至关 重要。

采用双极工艺进行光电传感器芯片设计及工艺制造，由于双极工艺的版图 布局会带来寄生效应，为了输出尽可能大的信噪比的光电信号，需要在制造过 程中进行多次版图布局调整和工艺调试，以寻求光敏器件与前置放大电路的最 佳匹配，从而适应不同环境下的应用要求。

采用现有的双极工艺所制造的双极NPN晶体管，其输出的小电流放大倍数 波动比较大，即使经过工艺优化使得小电流波动减少，但是小电流放大倍数的 中心值是不可变的，因此无法满足不同环境下的应用要求。其中，小电流放大 的集电极电流的范围一般在10nA～100nA。

基此，如何改善现有技术中双极NPN晶体管的小电流放大倍数波动大而且 不可调的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双极NPN晶体管及其制造方法，以解决现有的 双极NPN晶体管的小电流放大倍数不可调的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双极NPN晶体管，包括：

衬底；

形成于所述衬底上的外延层；

形成于所述外延层中的集电区、淡基区、浓基区和发射区；

形成于所述外延层上的第一层间介质层和电压调变介质层；

形成于所述第一层间介质层和电压调变介质层上的第一互连线；

形成于所述第一层间介质层和第一互连线上的第二层间介质层；

形成于所述第二层间介质层上的第二互连线；

其中，所述电压调变介质层覆盖于所述淡基区上，并通过所述第一互连线 实现电性引出。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，所述淡基区围绕所述发射区并与 所述发射区连接，所述浓基区位于所述淡基区的一侧并与所述淡基区连接；所 述第一互连线与所述集电区、浓基区和发射区连接，用于实现所述集电区、浓 基区和淡基区的电性引出；所述第二互连线与所述发射区上的第一互连线连 接，用于实现所述发射区的电性引出。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，所述淡基区和浓基区的掺杂类型 均为P型，所述浓基区的掺杂浓度比所述淡基区的掺杂浓度高一个数量级。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，所述电压调变介质层包括二氧化 硅层和形成于所述二氧化硅层上的氮化硅层，所述第一互连线覆盖所述氮化硅 层。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，所述二氧化硅层的厚度为150～800 埃，所述氮化硅层的厚度为300～1800埃。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，还包括形成于所述衬底和外延层 之间的埋层和下隔离区，所述下隔离区环绕所述埋层，所述集电区与所述埋层 连接。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，还包括形成于外延层中的上隔离 区，所述上隔离区与所述下隔离区连接。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，还包括形成于所述外延层表面的 轻掺杂层，所述轻掺杂层的掺杂浓度比所述外延层的掺杂浓度高一个数量级。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，所述衬底、上隔离区和下隔离区 的掺杂类型均为P型，所述外延层、埋层、轻掺杂层、集电区和发射区的掺杂 类型均为N型。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管中，还包括形成于所述第二层间介质 层和第二互连线上的钝化层。

本发明还提供了一种双极NPN晶体管的制造方法，所述双极NPN晶体管 的制造方法包括以下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上形成外延层；

在所述外延层中形成集电区、淡基区、浓基区和发射区；

在所述外延层上形成第一层间介质层和电压调变介质层；

在所述第一层间介质层和电压调变介质层上形成第一互连线；

在所述第一层间介质层和第一互连线上形成第二层间介质层；

在所述第二层间介质层上形成第二互连线；

其中，所述电压调变介质层覆盖于所述淡基区上，并通过所述第一互连线 实现电性引出。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，所述淡基区围绕所述 发射区并与所述发射区连接，所述浓基区位于所述淡基区的一侧并与所述淡基 区连接；所述第一互连线与所述集电区、浓基区和发射区连接，用于实现所述 集电区、浓基区和淡基区的电性引出；所述第二互连线与位于发射区上的第一 互连线连接，用于实现所述发射区的电性引出。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，所述淡基区和浓基区 的掺杂类型均为P型，所述浓基区的掺杂浓度比所述淡基区的掺杂浓度高一个 数量级。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，所述电压调变介质层 包括二氧化硅层和形成于所述二氧化硅层上的氮化硅层，所述第一互连线覆盖 于所述氮化硅层上。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，所述二氧化硅层厚度 为150～800埃，所述氮化硅层厚度为300～1800埃。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，在形成外延层之前， 还包括：在所述衬底中依次形成埋层和下隔离区；所述下隔离区环绕所述埋层， 所述集电区与所述埋层连接。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，在形成外延层之后， 还包括：在所述外延层的表面形成轻掺杂层，所述轻掺杂层的掺杂浓度比外延 层的掺杂浓度高一个数量级。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，在形成基区之前，在 形成轻掺杂层之后，还包括：在所述外延层中形成上隔离区；所述上隔离区与 所述下隔离区连接。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，所述衬底、上隔离区 和下隔离区的掺杂类型均为P型，所述外延层、埋层、轻掺杂层、集电区和发 射区的掺杂类型均为N型。

进一步的，在所述的双极NPN晶体管的制造方法中，在形成第二互连线之 后，还包括：在所述第二层间介质层和第二互连线上形成钝化层。

在本发明提供的双极NPN晶体管及其制造方法中，在淡基区上方形成电压 调变介质层，所述电压调变介质层通过第一互连线实现电性引出，如此，通过 改变电压调变介质层的感应电荷数量使得淡基区表面的电荷浓度发生改变，从 而实现NPN晶体管的小电流放大倍数可调。

附图说明

图1是本发明一实施例的双极NPN晶体管的制造方法的流程示意图；

图2至图13是本发明一实施例的双极NPN晶体管的制造方法各步骤的器 件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的双极NPN晶体管及其制造方法 作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清 楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以 方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图13，其为本发明实施例的双极NPN晶体管的结构示意图。如图 13所示，所述双极NPN晶体管100包括：衬底10；形成于所述衬底10上的外 延层13；形成于所述外延层13中的集电区14、淡基区16、浓基区17和发射区 18；形成于所述外延层13上的第一层间介质层19和电压调变介质层20；形成 于所述第一层间介质层19和电压调变介质层20上的第一互连线21；形成于所 述第一层间介质层19和第一互连线21上的第二层间介质层22；形成于所述第 二层间介质层22上的第二互连线23；其中，所述电压调变介质层20覆盖于所 述淡基区16上，并通过所述第一互连线21实现电性引出。

具体的，请继续参考图13，如图13所示，所述衬底10采用掺杂类型为P 型且晶向为<111>的硅衬底，其电阻率的范围为10Ω·cm～20Ω·cm。所述衬底10 上形成有外延层13，所述外延层13的掺杂类型为N型，其电阻率的范围为 1.0Ω·cm～2.2Ω·cm。所述外延层13的厚度一般在2.5μm到4μm之间，该厚度范 围可以与现有的小规则双极工艺的平台相匹配。

所述外延层13中形成有上隔离区15和有源区，所述上隔离区15围绕所述 有源区。所述有源区包括集电区14、淡基区16、浓基区17和发射区18及它们 之间的外延层区域。所述淡基区16围绕所述发射区18并与所述发射区18连接， 所述浓基区17位于所述淡基区16的一侧并与所述淡基区16连接，所述集电区 14位于所述淡基区16远离浓基区17的一侧，当然，浓基区17也可设置在靠近 集电区14的一侧。所述集电区14和发射区18的掺杂类型均为N型，所述上隔 离区15的掺杂类型为P型。其中，所述淡基区16、浓基区17的掺杂类型均为 P型，所述浓基区17的掺杂浓度比淡基区16的掺杂浓度高一个数量级。

所述衬底10和所述外延层13之间形成有埋层11和下隔离区12，所述下隔 离区12环绕于所述埋层11。所述集电区14与所述埋层11连接，所述上隔离区 15与所述下隔离区12连接。可见，所述上隔离区15和所述下隔离区12组合形 成的隔离结构区环绕于所述埋层11及埋层11上面的有源区。其中，所述埋层 11的掺杂类型为N型，所述下隔离区12的掺杂类型为P型。

如图13所示，所述外延层13上形成有第一层间介质层19和电压调变介质 层20，所述第一层间介质层19和电压调变介质层20上形成有第一互连线21。 其中，电压调变介质层20位于所述淡基区16上并覆盖整个淡基区16，所述第 一层间介质层19对应所述集电区14、浓基区17和发射区18的区域形成有第一 接触孔，第一互连线21通过第一接触孔与所述集电区14、浓基区17和发射区 18连接，并实现所述集电区14、浓基区17和淡基区16的电性引出。同时，， 所述第一层间介质层19对应所述淡基区16的区域形成有电压调变介质层窗口， 所述电压调变介质层20形成于所述电压调变介质层窗口中，所述第一互连线21 覆盖于所述电压调变介质层20上并实现电压变介质层20的电性引出。本实施 例中，本实施例中，所述电压调变介质层20包括二氧化硅层和氮化硅层，所述 氮化硅层覆盖于所述二氧化硅层上，所述第一互连线21覆盖于所述氮化硅层上。 所述二氧化硅层厚度为150埃～800埃，所述氮化硅层厚度为300埃～1800埃。

如图13所示，所述第一层间介质层19和第一互连线21上形成有第二层间 介质层22。所述第二层间介质层22上形成有第二互连线23，并且，所述第二 层间介质层22对应于所述发射区18的区域形成有第二接触孔，所述第二互连 线23通过第二接触孔与位于发射区18上的第一互连线21连接，实现所述发射 区18的电性引出。。

如图13所示，双极NPN晶体管100还包括形成于所述第二层间介质层和 第二互连线上的钝化层24。所述钝化层24优选为氮化硅层或含氮化硅层的复合 结构，所述氮化硅层能够有效阻止外界可动离子、水汽等进入电压调变介质层 20，可保证电压调变介质层20不受外界的影响，实现感应电荷数量的长期保存。

所述双极NPN晶体管100可以进一步包括形成于所述外延层13上的轻掺 杂层25，所述轻掺杂层25的掺杂类型为N型。所述轻掺杂层25位于所述外延 层13的表面，其掺杂浓度一般比外延层13的杂质浓度高一个数量级。所述轻 掺杂层25的掺杂浓度一般为1E16cm^-2～4E16cm^-2，其作用是抑制淡基区16、浓 基区17和上隔离区15的横向扩散，增加淡基区16、浓基区17和上隔离区15 之间的有效距离，实现小面积晶体管的制造。同时，所述轻掺杂层25有利于提 高双层布线中第一互连线下的寄生场开启电压，以避免寄生效应影响晶体管的 正常工作。

在本发明实施例提供的双极NPN晶体管100中，淡基区16上覆盖有电压 调变介质层20，所述电压调变介质层20通过第一互连线21实现电性引出。所 述电压调变介质层20包括二氧化硅层以及形成于所述二氧化硅层上的氮化硅 层。其中，电压调变介质层20的氮化硅层具有电荷存储特性，加大负压可以减 少氮化硅层的负电荷比例，加大正压又可恢复氮化硅层的负电荷比例，因此通 过第一互连线21加大正反向电压脉冲，可以改变电压调变介质层20中的感应 电荷数量。同时，由于NPN管的正常工作电压远比电压调变介质层20上加的 正反向脉冲电压低，由此感应电荷数量可长期保持稳定。由于双极工艺制造双 极NPN晶体管的小电流放大倍数受到淡基区16表面的电荷浓度影响，因此改 变感应电荷数量能够使得淡基区16表面的电荷浓度发生改变，进而改变了双极 NPN晶体管的淡基区16和浓基区17之间的漏电沟道。可见，通过改变电压调 变介质层20中的感应电荷数量，能够控制所述双极NPN晶体管100的淡基区 16和浓基区17之间的漏电沟道，改变双极NPN晶体管100在小电流下的放大 倍数。

相应的，本实施例还提供了一种双极NPN晶体管的制造方法。请参考图1， 并结合图2至图13，所述双极NPN晶体管的制造方法包括以下步骤：

S10：提供一衬底10；

S11：在所述衬底10上形成外延层13；

S12：在所述外延层13中依次形成集电区14、淡基区16、浓基区17和发 射区18；

S13：在所述外延层13上依次形成第一层间介质层19和电压调变介质层20；

S14：在所述第一层间介质层19和电压调变介质层20上形成第一互连线21；

S15：在所述第一层间介质层19和第一互连线21上形成第二层间介质层22；

S16：在所述第二层间介质层22上形成第二互连线23；

其中，所述电压调变介质层20覆盖于所述淡基区16上，并通过所述第一 互连线21实现电性引出。

具体的，如图2所示，首先，提供一衬底10，所述衬底10采用掺杂类型为 P型且晶向为<111>的硅衬底，其电阻率的范围为10Ω·cm～20Ω·cm。

接着，如图3所示，在所述衬底10中形成埋层11和下隔离区12，所述下 隔离区12环绕与所述埋层11。其中，所述埋层11的掺杂类型为N型，所述下 隔离区12的掺杂类型为P型。

然后，如图4所示，在所述衬底10上通过外延生长工艺形成外延层13，所 述外延层13的掺杂类型为N型。为方便与现有的小规则双极工艺的平台相匹配， 所述外延层13的厚度一般控制在2.5μm到4μm之间，其电阻率的范围为 1.0Ω·cm～2.2Ω·cm，埋层11和下隔离区12位于所述衬底10和外延层13之间。

接着，如图5所示，可以采用高能量小剂量场注入工艺在所述外延层13上 形成轻掺杂层25，所述轻掺杂层25的掺杂类型为N型。形成轻掺杂层25的工 艺步骤可以在形成外延层13之后形成集电区14之前，也可以在形成在上隔离 区之后形成淡基区16之前，改变该工艺的先后次序并不影响器件的结构和性能。 所述轻掺杂层25位于所述外延层13的表面，所述轻掺杂层25的掺杂浓度为 1E16cm^-2～4E16cm^-2。其掺杂浓度一般比外延层13的掺杂浓度高一个数量级。

如图6所示，形成轻掺杂层25之后，在所述外延层13中形成集电区14、 上隔离区15、淡基区16和浓基区17和发射区18。所述淡基区16围绕所述发 射区18并与所述发射区18连接，所述浓基区17位于所述淡基区16的一侧并 与所述淡基区16连接，所述集电区14位于所述淡基区16远离浓基区17的一 侧，当然，浓基区17也可设置在靠近集电区14的一侧。所述集电区14和发射 区18的掺杂类型均为N型，所述上隔离区15、淡基区16、浓基区17的掺杂类 型均为P型。其中，所述浓基区17的掺杂浓度比所述淡基区16的掺杂浓度高 一个数量级。所述集电区14与所述埋层11连接，所述上隔离区15与所述下隔 离区12连接。可见，所述上隔离区15和所述下隔离区12组合形成的隔离结构 区环绕于所述埋层11及埋层11上面的有源区。

然后，如图7和图8所示，在所述轻掺杂层25上依次形成第一层间介质层 19和电压调变介质层20。所述电压调变介质层20包括二氧化硅层（SiO₂）和形 成于所述二氧化硅层上的氮化硅层（SiN），所述二氧化硅层厚度优选为150埃 ～800埃，所述氮化硅层厚度为300埃～1800埃。

如图9所示，形成电压调变介质层20之后，在第一层间介质层19上形成 多个第一接触孔。所述多个第一接触孔分别位于所述集电区14、浓基区17和发 射区18上。

如图10所示，形成第一接触孔之后，在所述第一层间介质层19和电压调 变介质层20上形成第一互连线21。所述第一互连线21覆盖于所述电压调变介 质层20上，并通过第一接触孔与所述集电区14、浓基区17和发射区18连接， 实现所述集电区14、浓基区17和淡基区16的电性引出，同时，所述第一互连 线21覆盖于所述电压调变介质层20上并实现电压变介质层20的电性引出。

本实施例中，电压调变介质层20中的二氧化硅层是直接覆盖于所述轻掺杂 层25上，氮化硅层与所述第一互连线21连接并被第一互连线21完全覆盖。在 本发明的其他实施例中，也可以不形成轻掺杂层25，在形成外延层13之后直接 在所述外延层13中形成集电区14、上隔离区15、淡基区16和浓基区17和发 射区18，接着在所述外延层13上依次形成第一层间介质层19和电压调变介质 层20。其中，所述电压调变介质层20位于所述淡基区16上并覆盖整个淡基区 16，所述电压调变介质层20中的二氧化硅层与所述淡基区16连接。

如图11所示，接着，在所述第一层间介质层19和第一互连线21上形成第 二层间介质层22，形成第二层间介质层22之后在第二层间介质层22上对应发 射区18的区域形成第二接触孔。第二层间介质层22覆盖第一层间介质层19和 第一互连线21，所述第二接触孔位于所述发射区18的上面。

如图12所示，形成第二接触孔之后在所述第二层间介质层22上形成第二 互连线23。所述第二互连线23通过第二接触孔与所述发射区18上的第一互连 线21连接，实现所述发射区18的电性引出。

如图13所示，最后，在所述第二层间介质层22和第二互连线23上形成钝 化层24。所述钝化层24覆盖于第二层间介质层22和第二互连线23上，所述钝 化层24为氮化硅层或含氮化硅层的复合结构，所述氮化硅层能够有效地阻止外 界可动离子、水汽等进入电压调变介质层20，保证电压调变介质层20不受外界 的影响，实现感应电荷数量的长期保存。

至此，形成了能够实现小电流可调的双极NPN晶体管100。所述双极NPN 晶体管100在淡基区16上形成有电压调变介质层20，所述电压调变介质层20 通过第一互连线21引出。在第一互连线21引出上加大正反向电压脉冲，可以 改变电压调变介质层20中的感应电荷数量，感应电荷数量的改变会使得电压调 变介质层20下面的淡基区16表面的电荷浓度发生变化，而淡基区16表面的电 荷浓度决定淡基区16和浓基区17之间的漏电沟道，因此，通过改变电压调变 介质层20中的感应电荷数量，能够控制所述双极NPN晶体管100的小电流放 大倍数。

综上，在本发明实施例提供的双极NPN晶体管及其制造方法中，在传统的 双极工艺基础上通过在所述双极NPN晶体管的基区上形成二氧化硅层加氮化硅 层的结构，利用所述氮化硅层的电荷存储特性，通过改变感应电荷数量以影响 基区表面的电荷浓度，进而实现小电流可调，同时，由于NPN管的正常工作电 压远比电压调变介质层20上加的正反向脉冲电压低，感应电荷数量可长时间保 持不变，使得所述双极NPN晶体管的小电流放大倍数波动比较小。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定， 本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权 利要求书的保护范围。