浅结互补双极晶体管的制造方法

摘要

本发明公开了一种浅结互补双极晶体管的制造方法。本发明方法的主要工艺步骤为：1)通过硅/硅键合、减薄抛光方法形成SOI材料片；2)在所述SOI材料片上通过深槽刻蚀、多晶硅回填的深槽介质隔离加浅隔离墙方法，结合具有浅结多晶硅发射极的纵向NPN管与纵向PNP管兼容的互补双极工艺，制作所述浅结互补双极晶体管。本发明方法提高了互补双极晶体管的耐压(BV

说明书

技术领域

本发明涉及一种浅结互补双极晶体管的制造方法，它直接应用的领域是高速互补双极晶体管制造领域。

背景技术

互补双极工艺(CB)迄今已经有超过30多年的历史，早期主要采用PNP管与NPN管形成互补结构，1986年前后开始采用结隔离CB工艺。CB工艺的主要优点在于能同时获得具有极小寄生电容的高频纵向NPN和PNP晶体管，这种互补双极晶体管在一定的电流下，具有很高的特征频率f_T，因而可以使集成运算放大器在很小的静态电流下，具有较好的频率特性和带宽特性。然而互补双极工艺制造难度大，存在结隔离不完全，漏电流大，频率低等缺点。

上世纪九十年代初期，国外许多模拟电路研发公司都推出了有自己特色的工艺，如TI公司的互补双极工艺，ADI公司基于SOI上的XFCB1工艺，哈里斯半导体公司的UHF-1工艺。Zarlink公司于2002年推出了类似哈里斯半导体公司的UHF-1工艺而具有更小尺寸的互补工艺，其制造出的NPN晶体管的特征频率达到50GHz，PNP晶体管达到35GHz。这些工艺的优点在于特征频率高，但在应用于高精度的模拟集成电路时，其晶体管的耐压低(BV_CEO＜3.0V，难以满足较高电压的高速模拟集成电路的高精度和动态调整需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种深槽与浅结结合的全介质隔离技术，获得浅结互补双极晶体管的制造方法，在保证较高的晶体管的特征频率条件下，提高晶体管的耐压(BV_CEO＞5.0V)和厄利电压。

本发明解决上述技术问题的技术方案在于，一种浅结互补双极晶体管的制造方法，其步骤为：

(1)通过硅/硅键合、减薄抛光方法形成SOI材料片的步骤，其步骤包括对P型硅衬底片清洗；氧化，形成600±50nm厚的SiO₂层；清洗；与未经氧化的另一硅片进行常温硅/硅键合；在氮气保护下，经450℃处理1小时、850℃处理1小时、1200℃处理3小时的高温退火；减薄抛光，形成3～5μm厚硅膜的P^-型SOI材料片；

(2)在所述SOI材料片上通过深槽刻蚀、多晶硅回填的深槽介质隔离加浅隔离墙方法，结合具有浅结多晶硅发射极的纵向NPN管与纵向PNP管兼容的互补双极工艺制作所述浅结互补双极晶体管的步骤，其步骤包括：

(1)在所述SOI材料片上制作N⁺埋层和NWELL埋层；

(2)在形成N⁺埋层和NWELL埋层后的所述SOI材料片上制作P⁺埋层；

(3)在形成P⁺埋层后的所述SOI材料片上制作N^-超薄外延层；

(4)在形成N^-超薄外延层后的所述SOI材料片上制作介质隔离区；

(5)在形成介质隔离区后的所述SOI材料片上制作浅隔离墙；

(6)在形成浅隔离墙后的所述SOI材料片上制作纵向NPN管的N⁺穿透区和纵向PNP管的P⁺穿透区、下集电区；

(7)在形成纵向NPN管的N⁺穿透区和纵向PNP管的P⁺穿透区、下集电区后的所述SOI材料片上制作纵向NPN管的基区、高硼接触区和纵向PNP管的基区；

(8)在形成纵向NPN管的基区、高硼接触区后的所述SOI材料片上制作纵向NPN管的发射区、集电区和纵向PNP管的发射区、集电区；

(9)在形成纵向NPN管的发射区、集电区和纵向PNP管的发射区、集电区后的所述SOI材料片上制作金属薄膜电阻和金属引线、钝化层。

在所述SOI材料片上制作N⁺埋层和NWELL埋层的方法包括对所述SOI材料片进行清洗；初始氧化，SiO₂层厚度为750±35nm；光刻纵向NPN管的N⁺埋层区；腐蚀；去胶；清洗；离子注入砷；光刻纵向PNP管的NWELL埋层区；腐蚀；带胶进行离子注入磷；清洗；经1050℃处理55min氢氧合成、1150℃处理57min氮气的高温退火；形成N⁺埋层区，其方块电阻为18～25Ω/□，结深为2～3μm，同时，形成NWELL埋层区，其方块电阻为280～420Ω/□，结深为3～4μm；漂光SiO₂层。

所述制作P⁺埋层的方法包括清洗；生长厚度为40～50nm的薄SiO₂层；光刻；带胶进行离子注入硼；经950℃处理30min、1000℃处理30min的退火；形成P⁺埋层区，其方块电阻为280～420Ω/□，结深为2.0±0.5μm。

所述制作N^-超薄外延层的方法包括漂光SiO₂层；清洗；生长厚度为1.2±20％μm的N^-外延层，电阻率为0.5±15％Ω·cm。

所述制作介质隔离槽区的方法包括光刻介质隔离槽区，隔离槽的宽度为0.8～1.0μm；干法腐蚀SiO₂层；去胶；干法腐蚀隔离槽区，直至将所述SOI材料片的顶层硅膜和外延层厚度刻蚀穿为止，形成深槽区；清洗；氧化，生长厚度为80～120nm的SiO₂层；LPCVD淀积多晶硅，厚度为2.0±0.3μm；化学机械抛光；平整化光刻；平整化腐蚀；形成所述的介质隔离槽区。

所述制作浅隔离墙的方法包括清洗；薄氧，形成厚度为35～45nm的缓冲SiO₂层；LPCVD淀积氮化硅，厚度为60±6nm；光刻有源区；干法刻蚀氮化硅；漂光薄的缓冲SiO₂层；干法腐蚀，挖硅的厚度为0.35±0.1μm；在10个大气压、900℃、63min条件下进行低温高压水汽氧化，形成厚度为1.0±0.1μm的SiO₂层，即浅隔离墙；湿法腐蚀去掉氮化硅，涂专用于二氧化硅平坦化的光刻胶；等离子腐蚀，使浅隔离墙形成的二氧化硅“鸟头”平坦化；去掉薄氧缓冲SiO₂层；形成所述的浅隔离墙。

所述制作纵向NPN管的N⁺穿透区和纵向PNP管的P⁺穿透区、下集电区的方法包括清洗；穿透预氧化，形成厚度为35～45nm的SiO₂层；光刻纵向NPN管的N⁺穿透区；带胶离子注入磷；湿法去胶；湿法去胶；光刻纵向PNP管的P⁺穿透区；带胶离子注入硼；湿法去胶；光刻纵向PNP管的基区；带胶离子注入磷；湿法去胶；清洗；经950℃、3min 15s的退火，同时形成纵向NPN管的N⁺穿透区和纵向PNP管的P⁺穿透区、下集电区。

所述制作纵向NPN管的基区、高硼接触区和纵向PNP管基区的方法包括光刻纵向NPN管的基区；带胶离子注入BF₂；湿法去胶；光刻高硼接触区；带胶离子注入BF₂；清洗，低淀280～320nm的SiO₂，然后采用850℃30min退火增密，形成纵向NPN管的基区、高硼接触区和纵向PNP管的基区；清洗，生长58～72nm厚度的Si₃N₄。

所述制作纵向NPN管的发射区、集电区和纵向PNP管的发射区、集电区的方法包括光刻纵向NPN管和纵向PNP管的基极区孔、发射区孔、集电区孔；干法腐蚀Si₃N₄层；湿法去胶，形成纵向NPN管和纵向PNP管的基极区孔、发射区孔、集电区孔；LPCVD法淀积120～180nm厚度的多晶硅；在850℃下生长10～20nm的多晶硅薄氧化层；光刻纵向NPN管的发射极、集电极和纵向PNP管的基极；带胶离子注入砷；湿法去胶；光刻纵向NPN管的基极和纵向PNP管的发射极、集电极；带胶离子注入砷；湿法去胶；光刻多晶硅；在1030～1050℃下快速退火20～80s，同时形成纵向NPN管和纵向PNP管的发射区、集电区和基区。

所述制作金属薄膜电阻和金属引线、钝化层的方法包括溅射铂，厚度为30±5nm；在500℃、30min下退火；溅射一次金属引线，其成分为TiW-110nm/AlCu-450nm；光刻一次金属布线；干法刻蚀AlCu，湿法漂掉TiW；PECVD法生长介质层，淀积的SiO₂层厚度为1.0±0.2μm；光刻；干法腐蚀SiO₂层；干法去胶；清洗；溅射二次金属引线AlCu，厚度为1.2±0.2μm；光刻；带胶干法刻蚀AlCu；干法去胶；PECVD法生长钝化层，其成分为SiO₂/Si₃N₄，厚度为1.0±0.2μm，SiO₂与Si₃N₄的厚度比为3∶7；光刻；带胶干法刻蚀；清洗；在420℃、30min下薄膜退火。最终，形成所述的浅结互补双极晶体管。

有益效果：

由于本发明采用了上述的技术方案，本发明的浅结互补双极晶体管，提高了晶体管的耐压(BV_CEO＞5.0V)和厄利电压，同时也兼顾了其特征频率，具有以下特点：

1)由于本发明采用了深槽介质隔离加浅隔离墙的工艺技术，实现了器件之间的物理隔离，大幅降低了隔离结的漏电流，其浅结互补双极晶体管的漏电流小于10^-12A。

2)由于本发明采用了浅结的多晶发射极工艺，大大提高了注入效率，使互补双极晶体管的特征频率显著提高，达到8.5GHz(纵向NPN晶体管)和3.0GHz(纵向PNP晶体管)。表1是本发明与国外公司的晶体管参数对比表。由表1可知，本发明浅结互补双极晶体管的BV_ceo为6V，厄利电压V_A为20V，都比国外公司的高。

表1本发明与国外公司的晶体管参数对比度表

附图说明

图1为本发明带氧化层的P型硅片的剖面示意图；

图2为本发明图1的P型硅片与另一硅片形成键合片后的剖面示意图；

图3为本发明图2的键合片经减薄、抛光后形成的SOI材料片的剖面示意图；

图4为本发明图3的片子上形成NPN管N⁺埋层和NWELL埋层后的剖面示意图；

图5为本发明图4的片子上形成P⁺埋层后的剖面示意图；

图6.为本发明图5.的片子上形成N^-超薄外延层后的剖面示意图；

图7为本发明图6的片子上形成介质隔离槽区后的剖面示意图；

图8为本发明图7的片子上形成浅隔离墙后的剖面示意图；

图9为本发明图8的片子上形成纵向NPN管的N⁺穿透区、纵向PNP管的P⁺穿透区、下集电区后的剖面示意图；

图10为本发明图9的片子上形成纵向NPN管的基区、高硼接触区和纵向PNP管的基区后的剖面示意图；

图11为本发明图10的片子上形成纵向PNP管的发射区、集电区和纵向NPN管的发射区、集电区后的剖面示意图；

图12为本发明图11的片子上形成金属引线后的剖面示意图；

图13为本发明图12的片子上形成钝化层后的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述。现结合附图对本发明加以进一步说明。

本发明方法首先利用硅/硅键合、CMP减薄抛光技术获得所需要的SOI材料片，然后在SOI材料片上通过埋层的注入形成，减压超薄外延，深槽刻蚀、多晶硅回填的深槽介质隔离加浅隔离墙技术，结合浅结多晶硅发射极的纵向PNP与纵向NPN兼容的互补双极工艺，进行所述浅结互补双极晶体管的制造。

1.通过硅/硅键合、减薄抛光方法形成SOI材料片的步骤为：

<100>晶向、电阻率为7-13Ω·cm的P型硅片2用1#液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶7)和2#液(HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶7)，各清洗10min(以下简称RCA清洗)；氧化，厚度为600±50nm，形成带SiO₂层1的P型硅衬底片2，如图1所示；清洗；与未经氧化的另一硅片3，在KARLSUSS公司的CL200键合机中按常规方法进行常温硅/硅键合；在氮气保护下，经450℃处理1小时、850℃处理1小时、1200℃处理3小时的高温退火，形成键合片，如图2所示；采用减薄设备如EVG公司的VG200MKII减薄机，对没有氧化层的硅片3减薄；采用抛光设备如美国的AVANTI472抛光机、日本的NP8040粗抛光液和NP622细抛光液进行抛光，获得3～5μm厚硅膜3的P^-型SOI材料片，如图3所示。

2.在所述SOI材料片上通过深槽刻蚀、多晶硅回填的深槽介质隔离加浅隔离墙方法，结合具有浅结多晶硅发射极的纵向PNP管与纵向NPN管兼容的互补双极工艺制作所述浅结互补双极晶体管的步骤为：

(1)所述SOI材料片的硅膜3上制作N⁺埋层4和NWELL埋层5：

对所述SOI材料片进行RCA清洗；氧化，SiO₂层厚度为750±35nm；光刻纵向NPN管的N⁺埋层区；腐蚀；去胶；清洗；离子注入砷，剂量3.2×10¹⁵/cm²，能量100keV；光刻纵向PNP管的NWELL埋层区；腐蚀；带胶进行离子注入磷，剂量2.25×10¹³/cm²，能量40keV；清洗；经1050℃处理60min、1050℃处理20min、1250℃处理57min的高温退火；形成N⁺埋层区4，其方块电阻为20～35Ω/□，结深为2～3μm，同时，形成NWELL埋层区5，其方块电阻为280～420Ω/□，结深为3～4μm；漂光SiO₂层，如图4所示。

(2)制作P⁺埋层6：

RCA清洗；生长厚度为40～50nm的薄SiO₂层；光刻P⁺埋层区；带胶进行离子注入硼，剂量1.5×10¹⁴/cm²，能量140keV；经950℃处理30min、1000℃处理30min的退火，形成P⁺埋层6，其方块电阻为280～420Ω/□，结深为2.0±0.5μm，如图5所示。

(3)制作N^-超薄外延层7：

采用配方为HF∶H₂O＝1∶2的HF稀释液漂光SiO₂层；清洗；采用常规方法生长厚度为1.0±15％μm的N^-外延层7，电阻率为0.5±15％Ω·cm，如图6所示。

(4)制作介质隔离槽区8：

光刻介质隔离槽区，隔离槽的宽度为0.8～1.0μm；采用LAM490刻蚀机、腐蚀气体CF₄，进行干法腐蚀SiO₂层；去胶；采用ALCATEL 601E设备、腐蚀气体SF₆和C₄F₈，进行干法腐蚀隔离槽区，直至将所述SOI材料片的顶层硅膜和外延层厚度刻蚀穿为止，形成深硅槽区8；去胶；RCA清洗；氧化，生长厚度为80～120nm的SiO₂层；LPCVD(600～650℃)淀积多晶硅，厚度为2.0±0.3μm；对表面的多晶硅层进行化学机械抛光(CMP)，CMP平坦化时，注意投影光刻的“零标”台阶图形的完整性；平整化光刻；平整化腐蚀；形成所述的介质隔离槽区8，如图7所示。

(5)制作浅隔离墙9：

RCA清洗；形成厚度为35～45nm的薄氧缓冲SiO₂层10；LPCVD(700～800℃ 86～90min)淀积氮化硅，厚度为58～72nm；光刻有源区；干法刻蚀氮化硅；漂光薄的缓冲SiO₂层10；干法腐蚀，挖硅的厚度为0.35±0.1μm；在10个大气压、900℃、63min条件下进行低温高压水汽氧化，形成厚度为1.0±0.1μm的SiO₂层，即浅隔离墙9；湿法腐蚀去掉氮化硅，涂专用于二氧化硅平坦化的光刻胶；等离子腐蚀，使浅隔离墙形成的二氧化硅“鸟头”9平坦化；去掉薄氧缓冲SiO₂层，如图8所示。

(6)制作纵向NPN管的N⁺穿透区11和纵向PNP管的P⁺穿透区12、下集电区13：

RCA清洗；生长穿透预氧化层，形成厚度为35～45nm的SiO₂层；光刻纵向NPN管的N⁺穿透区；带胶离子注入磷，剂量2.0×10¹⁵/cm²，能量140keV；湿法去胶；光刻纵向PNP管的P⁺穿透区；带胶离子注入硼，剂量2.0×10¹⁵/cm²，能量60keV；湿法去胶；光刻纵向PNP管的基区；带胶离子注入磷，剂量6.5×10¹³/cm²，能量140keV；湿法去胶；RCA清洗；经950℃、3min 15s的退火，同时形成纵向NPN管的N⁺穿透区11、纵向PNP管的P⁺穿透区12及下集电区13，如图9所示。

(7)制作纵向NPN管的基区14、高硼接触区15和纵向PNP管的基区16：

光刻纵向NPN管的基区；带胶离子注入BF₂，剂量6×10¹³/cm²，能量100keV；湿法去胶；光刻高硼接触区；带胶离子注入BF₂，剂量7.5×10¹⁴/cm²，能量100keV；清洗，LPCVD淀积(700～800℃90min)生长58～72nm厚度的Si₃N₄，形成纵向NPN管的基区14、高硼接触区15和纵向PNP管的基区16，如图10所示。

(8)制作纵向NPN管的发射区18、集电区18和纵向PNP管的发射区17、集电区17：

光刻所有纵向NPN管和纵向PNP管的基极区孔、发射区孔、集电区孔；采用LAM490设备，工艺气体为SF6、He，干法腐蚀Si₃N₄，然后湿法腐蚀SiO₂，湿法去胶，形成纵向NPN管和纵向PNP管的基极区孔、发射区孔、集电区孔；LPCVD法(600～650℃120～180min)淀积120～180nm厚度的多晶硅；在850℃下70min生长10～20nm的多晶硅薄氧化层；光刻纵向PNP管的发射极，带胶离子注入砷，剂量7×10¹⁵/cm²，能量80keV；湿法去胶；光刻纵向NPN管的发射极，带胶离子注入砷，剂量8×10¹⁵/cm²，能量80keV，湿法去胶；采用LAM490干法光刻多晶硅，工艺气体为Cl₂和He；在950℃下快速退火40～60s，同时形成纵向NPN管的发射区、集电区和基区，以及纵向PNP管的发射区、集电区和基区，如图11所示。接着进行PCM测试管检测。

(9)制作金属引线19、介质层20、二次铝22、钝化层23：

采用9∶1的HF漂2min，Varian公司的XM-90溅射Pt，厚度为30±0.3nm；在500℃、30min下退火，与多晶硅形成合金的接触层；采用王水去掉富余的Pt，溅射一次金属引线19，其成分为TiW-110nm/AlCu-450nm；光刻一次金属布线；采用8330设备带胶干法刻蚀AlCu，气体采用CF4、CHF3、BCl3、Cl2，湿法漂掉TiW；采用罗瓦尼斯Comcept I-150机，PECVD法(400℃)生长介质层20，其厚度为1.0±0.2μm；光刻；干法腐蚀SiO₂层，介质孔21；干法去胶。如图12所示。PCM测试管检测。

采用丙酮超声5-10min、乙醇超声5-10min、去离子水冲水10min进行清洗；溅射二次金属引线22，其成分为AlCu，厚度为1.2±0.12μm；光刻；带胶干法刻蚀AlCu；干法去胶；PECVD法(400℃)生长钝化层23，其成分为SiO₂/Si₃N₄，SiO₂层的厚度为1.0±0.12μm，SiO₂与Si₃N₄的厚度比为3∶7；光刻；带胶干法刻蚀；采用丙酮超声5-10min、乙醇超声5-10min、去离子水冲水10min进行清洗；在440℃、60min下合金退火。PCM测试管检测。最终形成所述的浅结互补双极晶体管，如图13所示。

本发明方法中所用单项工艺，除已经作了详细描述的外，其他的，如清洗、氧化、光刻、腐蚀、去胶、LPCVD、PECVD、离子注入、退火、溅射、化学机械抛光、减薄抛光等的单项工艺、设备及化工材料、试剂均为本领域通用技术，不再详述。