双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法

摘要

本发明公开了一种双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法，一方面以离子注入和退火工艺制造赝埋层(21)即集电区埋层，赝埋层(21)的面积较小，因而后续工艺中不再需要深槽隔离结构对赝埋层(21)进行分割。另一方面，本发明以离子注入工艺制造掺杂区(23)即集电区，取代了成本较高的外延工艺。本发明简化了制造方法，从而节约了制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双极晶体管(BJT)，特别是涉及一种双极晶体管的集电区。

背景技术

请参阅图1，这是一个双极晶体管。PNP双极晶体管与NPN双极晶体管的结构相同，只是各部分结构的掺杂类型相反，下面以NPN双极晶体管为例进行介绍。在p型硅片衬底10之上具有一个n型重掺杂埋层11，n型重掺杂埋层11之上是n型外延层12(掺杂浓度比埋层11小，通常为中、低掺杂)。n型外延层12中有多个浅槽隔离(STI)结构13a、13b、13c、13d，这些浅槽隔离结构的底部均与埋层11相接触。n型外延层12中、且在浅槽隔离结构13a、13b或者13c、13d之间有n型重掺杂区14，其连接集电极引出端C。n型外延层12之上是p型的基区15，基区15为导体材料，例如硅、硅锗合金等，其连接基极引出端B。基区15之上是n型掺杂的T形多晶硅栅极16，其连接发射极引出端E。其中，n型的栅极16、p型的基区15、n型的埋层11在垂直方向上构成了NPN双极晶体管。

图1所示的双极晶体管中，浅槽隔离结构13b和13c之间的n型外延层12为双极晶体管的集电区，该集电区通过n型重掺杂埋层11(即集电区埋层)、n型重掺杂区14连接到集电极引出端C。现有方法制造的集电区埋层面积较大，其与p型衬底10之间的寄生电容也较大。通常在整个双极晶体管器件最外围的浅槽隔离结构13a、13d的下方通常还有深槽隔离结构130a、130d。深槽隔离结构130a、130d从n型重掺杂埋层11深入至p型衬底10之中，对n型重掺杂埋层11进行分割，从而减小集电区埋层和p型衬底10之间的结面积，进而降低两者之间的寄生电容。

图1所示的双极晶体管结构仅为原理示意，实际制造中可能有各部分的结构变化。

上述双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法包括如下步骤：

第1步，在p型硅片衬底10上以离子注入工艺注入n型杂质，常用的n型杂质如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等，从而在衬底10中形成n型重掺杂埋层11即集电区埋层；

第2步，在n型重掺杂埋层11之上外延生长一层n型外延层12(即淀积一层n型单晶硅12)，其掺杂浓度比n型重掺杂埋层11小；

第3步，在硅片中以浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽，所述浅沟槽深度通常小于2μm，即图1中浅槽隔离结构13a、13b、13c、13d所占据的位置；

接着在整个双极晶体管器件最外围的浅沟槽底部再刻蚀深沟槽，所述深沟槽的深度通常大于7μm，即图1中深槽隔离结构130a、130d所占据的位置；

接着在所述深沟槽中填充介质，例如填充多晶硅等，形成深槽隔离结构130a、130d；

接着在所述浅沟槽中填充介质，例如填充氧化硅(SiO₂)等，形成浅槽隔离结构13a、13b、13c、13d；

其中，在浅槽隔离结构13b、13c之间的n型外延层12即为集电区。

上述双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造方法具有如下缺点。其一，在p型硅片衬底10上淀积一层n型单晶硅12的成本较高。其二，深槽隔离结构130a、130d的深度通常在7μm以上，其刻蚀和填充工艺复杂且成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法，其中既没有埋层制造工艺，也没有外延工艺。

为解决上述技术问题，本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法包括如下步骤：

第1步，在硅衬底20中以浅槽隔离工艺刻蚀浅沟槽20a、20b，，所述浅沟槽的深度小于2μm；

第2步，在所述浅沟槽20a、20b的底部以离子注入工艺注入n型杂质，从而在衬底20中接近所述浅沟槽20a、20b底部的区域形成n型掺杂区21a、21b；

第3步，在所述浅沟槽20a、20b中填充介质，形成浅槽隔离结构22a、22b；

第4步，对硅片进行高温退火工艺，所述掺杂区21a、21b横向扩散并在所述浅槽隔离结构22a、22b之间相连接形成赝埋层21；

所述赝埋层21即所述双极晶体管的集电区埋层；

第5步，对在赝埋层21之上且在浅槽隔离结构22a、22b之间的衬底20以离子注入工艺进行一次或多次的杂质注入，从而将赝埋层21之上且在浅槽隔离结构22a、22b之间的衬底20变为掺杂区23；

所述掺杂区23即所述双极晶体管的集电区，其掺杂浓度小于赝埋层21的掺杂浓度。

本发明一方面以离子注入和退火工艺制造赝埋层21(即集电区埋层)，赝埋层21的面积较小，因而后续工艺中不再需要深槽隔离结构对赝埋层21进行分割。另一方面，本发明以离子注入工艺制造掺杂区23(即集电区)，取代了成本较高的外延工艺。

附图说明

图1是一种现有的双极晶体管的结构示意图；

图2是本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的结构示意图；

图3a～图3d是本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层制造工艺方法的各步骤示意图；

图4是本发明所制造的集电区埋层的杂质浓度示意图。

图中附图标记说明：

10为p型硅片衬底；11为n型重掺杂埋层；12为n型外延层；13a、13b、13c、13d为浅槽隔离结构；130a、130d为深槽隔离结构；14为n型重掺杂区；15为基区；16为栅极；C为集电极引出端；B为基极引出端；E为发射极引出端；20为硅衬底；20a、20b为浅沟槽；21a、21b为掺杂区；21为赝埋层；22a、22b为浅槽隔离结构；23为掺杂区。

具体实施方式

请参见图2，本发明双极晶体管的硅衬底20中包括：

浅槽隔离结构22a、22b，浅槽隔离结构22a、22b之间为所述双极晶体管的集电区；

赝埋层21，在浅槽隔离结构22a、22b的底部，且在浅槽隔离结构22a、22b之间连续(即连为一体而不是独立的两块)，所述赝埋层21为所述双极晶体管的集电区埋层；

掺杂区23，即赝埋层21之上且在浅槽隔离结构22a、22b之间的硅片，所述掺杂区23的掺杂浓度小于所述赝埋层21的掺杂浓度，所述掺杂区23为所述双极晶体管的集电区。

对于NPN双极晶体管，所述硅衬底10为p型，赝埋层21和掺杂区23均为n型。

对于PNP双极晶体管，所述硅衬底10为n型，赝埋层21和掺杂区23均为p型。

本发明双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法包括如下步骤(以NPN双极晶体管为例进行介绍，PNP双极晶体管只需将掺杂类型变为相反即可)：

第1步，请参阅图3a，在p型硅衬底20中以浅槽隔离工艺刻蚀浅沟槽20a、20b，这些浅沟槽的深度均小于2μm。从俯视角度看，浅沟槽20a、20b例如属于一个矩形沟槽的两条边。

通常浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽时具体包括：

第1.1步，在硅片表面热氧化生长一层氧化层，称为隔离氧化层，用来保护有源区在去除氮化硅时免受化学玷污。

第1.2步，在硅片表面淀积一层氮化硅，氮化硅是一种坚固的掩膜材料，用来在填充沟槽时保护有源区，以及在化学机械抛光(CMP)时充当阻挡层。

第1.3步，在硅片表面旋涂光刻胶，曝光、显影后形成刻蚀窗口。

第1.4步，在刻蚀窗口中刻蚀掉氮化硅、隔离氧化层、部分硅，形成浅沟槽。

图3a中覆盖在硅衬底(20)表面的硬掩膜(30)就是上述第1.1步、1.2步中的氮化硅和氧化硅。

第2步，请参阅图3b，在浅沟槽20a、20b的底部以离子注入工艺注入n型杂质，从而在衬底10中接近浅沟槽20a、20b底部的区域形成n型重掺杂区21a、21b。此时的两个掺杂区21a、21b通常还没有在浅沟槽20a、20b之间相连接，而是独立的两块掺杂区。

通常在浅沟槽刻蚀完成后，浅沟槽的侧壁和底部就会热氧化生长一层氧化层，称为衬垫氧化层，用来改善硅与沟槽填充物之间的界面特性。这一层衬垫氧化层非常薄，对于离子注入工艺没有影响。

第3步，请参阅图3c，在浅沟槽20a、20b中填充介质，形成浅槽隔离结构22a、22b，通常填充氧化硅、氮化硅(Si₃N₄)、氮氧化硅(SiO_xN_y，x、y为自然数)等介质材料。

通常浅槽隔离(STI)工艺刻蚀浅沟槽时具体包括：

第3.1步，在硅片表面淀积一层介质，如氧化硅，所淀积的介质至少将浅沟槽完全填充。

第3.2步，以化学机械抛光工艺研磨硅片，使所淀积的介质与硅片上表面齐平。

第3.3步，以湿法腐蚀工艺去除第1.2步所淀积的氮化硅。

第4步，请参阅图3d，对硅片进行高温退火工艺，两个n型重掺杂区21a、21b纵向和横向扩散，其中横向扩散会导致两个n型重掺杂区21a、21b在浅槽隔离结构22a、22b之间相连接形成n型重掺杂赝埋层21。该n型重掺杂埋层21即为整个双极晶体管器件的集电区埋层。

在图3d中，由于组成硬掩膜层30的主体部分(第1.2步所淀积的氮化硅)已去除，因此图3d中不再表示硬掩膜层30。第1.1步所生长的隔离氧化层由于较薄，在图3d中不予表示。

第5步，请参阅图3e，对浅槽隔离结构22a、22b之间且在赝埋层21之上的衬底10以离子注入工艺进行一次或多次的n型杂质注入，从而将浅槽隔离结构22a、22b之间且在赝埋层21之上的衬底10变为n型掺杂区23，其掺杂浓度小于赝埋层21的掺杂浓度。该n型掺杂区23即为整个双极晶体管器件的集电区。

上述方法第2步中，离子注入应该以高剂量、低能量的方式进行。所述“高剂量”是指，n型杂质可选择磷、砷、锑，离子注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米(或离子每平方厘米)；p型杂质可选择硼、氟化硼，离子注入剂量为5×10¹³～1×10¹⁶原子每平方厘米(或离子每平方厘米)；p型杂质也可以选择铟，离子注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶原子每平方厘米(或离子每平方厘米)。所述“低能量”是指，离子注入能量一般应小于30k电子伏特(eV)。

上述方法第4步中，高温退火工艺优选快速热退火(RTA)工艺。

上述方法第5步中，离子注入应该以中低剂量的方式进行。所述“中低剂量”是指，离子注入剂量一般应小于1×10¹⁴原子每平方厘米(或离子每平方厘米)。

与传统的双极晶体管的集电区和集电区埋层相比，本发明具有如下特点：

第一，没有图1中的埋层11，改以图2中的赝埋层(Pseudo BuriedLayer)21取代。赝埋层21的制造是通过在浅沟槽20a、20b的底部高剂量、低能量地注入杂质形成重掺杂区21a、21b，然后又通过高温退火工艺中重掺杂区21a、21b中的杂质的横向扩散形成重掺杂赝埋层21。由于离子注入能量较低，在扩散时横向扩散较小，最终形成的赝埋层21与衬底20的结面积较小，因此赝埋层21与衬底20之间的寄生电容较小，不用再采用图1中的深槽隔离结构130a、130d，在简化制造工艺的同时有效地降低了成本。

第二，没有图2中的外延层12，改以图3中的掺杂区23取代，以离子注入工艺取代了外延工艺，进一步降低了制造成本。

第三，掺杂区23是通过自对准离子注入工艺形成，即不需要掩膜版，由浅槽隔离结构22a、22b作为阻挡层，进一步降低了制造成本。

上述方法第4步中，对硅片进行高温退火工艺后，两个n型重掺杂区21a、21b中的杂质经过横向扩散，有可能仍然无法在浅槽隔离结构22a、22b之间相连接，而仍然是独立的两块掺杂区。针对这种可能发生的情况，本发明给出了改进的双极晶体管的集电区埋层的制造方法，在上述方法的第2步中，不仅在整个双极晶体管器件最外围的浅沟槽20a、20b的底部进行高剂量、低能量的离子注入，而且在双极晶体管器件的中间(通常为基区所在位置)进行高剂量、高能量地离子注入。所述“高能量”是指，离子注入能量一般应大于30keV，从而获得较大的离子射程，最终在硅衬底20中形成至少三个重掺杂区，这些掺杂区最好位于大致相同的深度。这样经过退火工艺后通过横向扩散连为一体，形成双极晶体管的集电区埋层。

至于何时需要采用上述改进工艺，可以在具体制造工艺参数确定后，先通过软件TCAD以基本工艺(即图3～图3d、图2所示工艺)模拟，如果软件模拟的结果是两个重掺杂区21a、21b在高温退火后无法连为一体，则需要采用上述改进工艺中的任何一种或结合使用。

请参阅图4，根据TCAD软件模拟的本发明双极性晶体管的结果来看，在图2所示A-A位置横截面(即集电区埋层)的p型杂质浓度，在基区下方的浓度最低，这样杂质上扩到集电区表面很少，不会影响到双极性晶体管的集电区和基区的结击穿电压。而且由于赝埋层注入是高剂量、低能量的注入，赝埋层的浓度较大，而结面积较小，埋层与衬底间的寄生结电容较小。

本发明可以在两个浅槽隔离结构中打孔填充导电材料将集电区埋层和集电区引出端相连通。