專利名稱：多晶收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體器件結(jié)構(gòu)范圍，特別涉及一種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe 異質(zhì)結(jié)晶體管。
背景技術(shù)：
采用傳統(tǒng)的硅雙極工藝技術(shù)制作的NPN晶體管(NPN三極管)如圖1所示。 晶體管的核心器件部分(在圖1中用虛線框框出的部分)，從下向上依次為P-型Si襯底，N+型Si和N-型Si組成的收集區(qū)3， P型Si基區(qū)2， N+型Si發(fā)射區(qū) 1。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了很多NPN晶體管結(jié)構(gòu)的變種，例如發(fā)射區(qū)不使用單晶Si， 而是用多晶Si來代替，這樣的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為當前比較流行的器件結(jié)構(gòu)。 圖2所示的晶體管，其核心器件部分(在圖2中用虛線框框出的部分)，從下向 上依次為P-型Si襯底，N+型Si和N-型Si組成的收集區(qū)3， P型Si基區(qū)2， N+型多晶Si發(fā)射區(qū)l。圖中4.是用作基極電極引出的P+型多晶Si層；5.是用作隔離的Si(L層；6.是基極引線孔；7.是收集極引線孔；8.是器件之間橫向的隔離結(jié)構(gòu)；9.是減小收集區(qū)串聯(lián)電阻的埋層。如果在器件結(jié)構(gòu)中，用SiGe材料來取代Si材料作基區(qū)，則構(gòu)成了SiGeHBT 異質(zhì)結(jié)晶體管，其中SiGe基區(qū)可用外延的方法生長得到。相對于Si材料而言， SiGe屬于窄禁帶的材料。由于SiGe HBT器件的發(fā)射區(qū)和基區(qū)采用了不同的材料， 當基區(qū)的空穴渡越基-射結(jié)(E-B結(jié))而到達發(fā)射區(qū)時，將遇到由材料禁帶寬度上 的差異而形成的空穴勢壘。空穴勢壘的存在，抑制了NPN晶體管E-B電流中的空 穴成分，從而大大提高了 E-B結(jié)發(fā)射效率。根據(jù)晶體管原理，器件的標志性參數(shù)， 共基極電流放大系數(shù)a，即是由下式所確定的a =『X Y式中，^為基區(qū)輸運系數(shù)，Y即為發(fā)射效率。由于發(fā)射效率能夠得到保證，解除了普通NPN晶體管中，基區(qū)摻雜濃度無法 提高(因為提高基區(qū)摻雜將影響發(fā)射效率)，因而基區(qū)厚度無法做得極薄(因
為在基區(qū)摻雜不高的情況下，只有將基區(qū)做厚，才能夠保證基區(qū)電阻rb的阻值 不過大)的限制。這樣，可以通過提高基區(qū)摻雜，和減小基區(qū)厚度兩種技術(shù)手段， 來獲得更短的基區(qū)渡越時間，和較小的基區(qū)電阻，最終得到高頻性能和噪聲性能倶佳的SiGe HBT微波晶體管，可工作于幾十乃至上百GHz的頻段范圍內(nèi)。在SiGe HBT晶體管中，除一般NPN晶體管中的E-B結(jié)、B-C結(jié)兩處的PN結(jié) 勢壘外，還存在著由于材料不同，禁帶寬度不同而造成的額外的勢壘。對于PN 結(jié)的位置要求進行精確的控制， 一般應將PN結(jié)的位置置于材料勢壘的內(nèi)側(cè)，如 果不是這樣的話，將極大地影響SiGe HBT的高頻性能和微波表現(xiàn)，制造不出符 合應用需求的高品質(zhì)晶體管來。綜上所述，SiGe朋T晶體管有兩個技術(shù)特點， 一是從下向上依次為收集區(qū)， 基區(qū)，發(fā)射區(qū)的排列，另一個是制造過程中要精確控制PN結(jié)的位置。本發(fā)明即 針對這兩點做出，采用從下向上依次為發(fā)射區(qū)，基區(qū)，收集區(qū)的倒置排列，能夠 極好地控制PN結(jié)的位置，此外還帶來其他一系列的好處。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的S的是提供一種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特 征在于，所述倒置結(jié)構(gòu)晶體管是在Si襯底上，以襯底Si材料作發(fā)射極，然后從 下向上依次制作SiGe基區(qū)，N型離子注入的Si和N型摻雜多晶硅共同組成的復 合收集區(qū)，在制作出引線電極后，形成同常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)相反的倒置SiGe HBT NPN 晶體管結(jié)構(gòu)。所述Si襯底，其底層為P型而表面一部分為N+型，或者全部都是N+型，利 用N+型Si作為晶體管的發(fā)射區(qū)。所述SiGe基區(qū)，處于發(fā)射區(qū)上方，經(jīng)外延工藝生長，并通過原位摻雜成？+ 型，大部分的SiGe層覆蓋于收集區(qū)上方，構(gòu)成內(nèi)基區(qū)；少部分的SiGe層向兩側(cè) 引出并和那里的P+型多晶Si相連接，作為外基區(qū)，由此引出器件的基極，外基 區(qū)部分的SiGe與下方的N+型Si由一薄層Si02相隔離。所述的復合收集區(qū)，下層由外延生長的Si構(gòu)成，該Si層經(jīng)離子注入成為N 型，并且下部摻雜濃度較高而上部摻雜濃度較低(為N-型)；俟后生長的N型多 晶Si作為收集區(qū)，并且收集極電極亦由此處引出。如果襯底全部是N+型的，則發(fā)射極經(jīng)過減薄和背金后從硅片背面引出。 如果襯底是在P型Si上又有一層N+型的Si，則發(fā)射極可由硅片上表面引出。一種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的制備工藝，其特征在于，制備工藝步驟如下1) 在襯底硅片上，襯底硅片可以是P型加N+型Si的雙層結(jié)構(gòu)，或全部是 N+型，在生長場氧化層，然后去掉所有氧化層，經(jīng)過這一步驟處理后，表面呈現(xiàn) 較緩的高低起伏，；2) 生長起隔離作用的薄氧化層；采用LPCVD (低壓化學氣相沉積)方法沉積基極引出用的多晶Si,對多晶Si進行摻雜；3) 采用RIE (反應離子刻蝕)方法，刻去一部分多晶Si，只留下用作基極 引線的部分；繼而濕法腐蝕已去除的多晶Si下方的薄氧化層，露出襯底N+型Si， 這部分N+型Si，也就是最終晶體管器件的發(fā)射區(qū)；4) 外延SiGe材料，同時進行原位摻雜;在SiGe外延的末段，外延純的Si 材料帽層；離子注入N型雜質(zhì)以控制B-C結(jié)的位置；采用RIE (反應離子刻蝕) 方法，刻蝕去一部分SiGe/Si層，只留下器件核心區(qū)域的SiGe/Si，其中SiGe 材料構(gòu)成最終晶體管器件的基區(qū)；5) 沉積Si02;光刻并濕法腐蝕Si02層，露出收集區(qū)窗口；6) 沉積用作收集區(qū)的多晶Si;對多晶Si進行摻雜；采用RIE (反應離子刻蝕)方法刻蝕多晶Si;7) 沉積積用作孔介質(zhì)的Si02; RIE干法刻蝕引線孔；8) 濺射金屬化引線層；采用RIE (反應離子刻蝕)方法刻蝕金屬層；9) 鈍化;采用RIE (反應離子刻蝕)方法刻鈍化層，露出壓焊塊；10) 如果襯底整體為N+型的，則發(fā)射極將從背面引出，需增加減薄、背金的 工藝步驟。所述減薄、背金的工藝為，采用機械磨片的方法，將原本厚度在500 600nm的硅片，從背面磨去一部分，成為厚僅200um的硅片；然后在硅片的背 面通過蒸發(fā)或者濺射鈦、金的方式制作硅片背面的金屬層，并形成硅片背面的發(fā)
射極接觸。本發(fā)明的有益效果是，器件結(jié)構(gòu)下層的高濃度N+發(fā)射區(qū)，可以抑制E-B PN 結(jié)耗盡層的向下擴展，從而將E-BPN結(jié)的位置控制在SiGe材料層內(nèi)；另一方面， 通過從上方進行的較高濃度的N型的離子注入，也可以抑制B-C PN結(jié)耗盡層的 向上擴展，從而將B-CPN結(jié)的位置也控制在SiGe材料層內(nèi)。由此保證了器件具 備優(yōu)良的高頻性能。器件不含常規(guī)NPN管中的埋層加N-外延的復合收集區(qū)結(jié)構(gòu)， 極大地降低了器件制作的工藝復雜度。利用所述的器件結(jié)構(gòu)，可以一次性地制作 多個共用發(fā)射區(qū)的SiGe HBT晶體管，經(jīng)過適當金屬連線后，將能夠方便地形成 微波單片集成電路(MMIC)，并不需要像常規(guī)單片集成電路那樣，要從硅片的上 表面引出電極，還要通過深槽隔離等措施來實現(xiàn)晶體管之間的隔離。


圖l為采用傳統(tǒng)工藝的Si雙極晶體管的剖面結(jié)構(gòu)圖，a為俯視圖，b為剖面圖。圖2為常規(guī)的多晶發(fā)射極Si雙極晶體管的剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3為多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe HBT晶體管的主體剖面結(jié)構(gòu)。，附圖中的標號說明1. 是作為器件發(fā)射區(qū)的N+型Si;2. 是作為器件基區(qū)的P型SiGe/Si層；3. 是作為器件收集區(qū)的N型Si/多晶Si層；4. 是用作基極電極引出的P+型多晶Si層；5. 是用作隔離的Si02層；6. 是基極引線孔；7. 是收集極引線孔；8. 是器件之間橫向的隔離結(jié)構(gòu)；9. 是減小收集區(qū)串聯(lián)電阻的埋層。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管。其主體結(jié)構(gòu)如 圖3所示為器件的剖面結(jié)構(gòu)。具體的制作過程，舉例說明如下1) 在襯底硅片上，襯底硅片可以是P型加N+型Si的雙層結(jié)構(gòu)，也可以全部 是N+型，生長場氧化層，典型為l"m，然后去掉所有氧化層，經(jīng)過這一步驟處 理后，表面呈現(xiàn)較緩的高低起伏；2) 生長起隔離作用的薄氧化層(Si02層)5，典型為30nm 50nra;采用LPCVD 方法沉積基極引出用的多晶Si，典型為200mn，對多晶Si進行P型摻雜；3) 采用RIE等離子干法刻蝕，刻去一部分多晶Si,只留下用作基極引線4 的部分；繼而濕法腐蝕已去除的多晶Si下方的薄氧化層，露出襯底N+型Si，是 為最終的發(fā)射區(qū)l;4) 外延SiGe材料，典型為30nm 50nm，同時原位摻雜P型雜質(zhì)；在SiGe 外延的末段，外延Si材料帽層，典型為150mn;離子注入N型雜質(zhì)，典型為120keV 注磷，控制B-C結(jié)的位置；采用RIE反應離子刻蝕方法，刻蝕去一部分SiGe/Si 層，只留下器件核心區(qū)域的SiGe/Si，其中的P型SiGe為最終的基區(qū)2;5) 沉積Si02，典型厚度為200nm 300nm;光刻并濕法腐蝕Si02層，露出收 集區(qū)窗口；6) 沉積多晶Si，典型厚度400nm;對多晶Si進行摻雜，成為N型多晶硅； RIE干法刻蝕多晶Si;剩余的N型多晶Si和之前外延生長并經(jīng)離子注入成N型 的單晶Si—起，共同構(gòu)成了器件的收集區(qū)3;7) 沉積用作孔介質(zhì)的Si02，典型厚度400nm; RIE反應離子刻蝕刻蝕基極引 線孔6和收集極引線孔7;8) 濺射金屬化引線層，典型為鋁，厚lPm; Rlg反應離子刻蝕刻蝕金屬層；9) 鈍化；RIE反應離子刻蝕刻鈍化層，露出壓焊塊；10) 如果襯底整體為N+型的，則發(fā)射極l將從背面引出，需增加減薄、背金 的工藝步驟。所述減薄、背金的工藝為，采用機械磨片的方法，將原本厚度在500 600ixm的硅片，從背面磨去一部分，成為厚僅200um的硅片；然后在硅片的背 面通過蒸發(fā)或者濺射鈦、金的方式制作硅片背面的金屬層，并形成硅片背面的發(fā)
射極接觸。在常規(guī)的SiGe HBT晶體管中，基區(qū)-收集區(qū)PN結(jié)由于基區(qū)濃度較高，而收 集區(qū)為埋層/N-層復合結(jié)構(gòu)，靠近基區(qū)的部分為N-型的，其PN結(jié)位置是很難控制 的。本申請將收集區(qū)置于器件結(jié)構(gòu)的上方，因而可以采用離子注入的方法，適當 調(diào)高靠近基區(qū)部分的N型收集區(qū)的摻雜濃度，從而可以將基區(qū)-收集區(qū)PN結(jié)的位 置有效地推入到SiGe材料中去，實現(xiàn)結(jié)位置的良好控制。從舉例的制作工藝中 也可以看到，除了器件本身不含埋層和N-外延，因而能夠簡化工藝，降低制造成 本之外，所用工藝步驟都在較低的溫度下進行，制造過程簡明易行。倒置結(jié)構(gòu)SiGe HBT晶體管，還適于構(gòu)成共射形式的單片微波集成電路。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征在于，所述倒置結(jié)構(gòu)晶體管是在Si襯底上，以襯底N型Si材料作發(fā)射區(qū)，從下向上依次制作SiGe基區(qū)，N型離子注入Si和N型摻雜多晶硅組成的復合收集區(qū)；在制作出引線電極后，形成同常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)相反的倒置SiGe HBT NPN晶體管結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征 在于，所述Si襯底，其底層為P型而表面一部分為N+型，或者全部都是N+型； 利用N+型Si作為晶體管的發(fā)射區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征 在于，所述SiGe基區(qū)，處于發(fā)射區(qū)上方，經(jīng)外延工藝生長，并通過原位摻雜成 P+型，直接處于發(fā)射區(qū)窗口上方的SiGe層構(gòu)成了內(nèi)基區(qū)；在發(fā)射區(qū)窗口兩旁側(cè) 上方的SiGe由于向兩側(cè)引出并和那里的P+型多晶Si相連接，形成了外基區(qū)，從 外基區(qū)處引出器件的基極，外基區(qū)部分的SiGe與下方的N+型Si通過一薄層Si02 相隔離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征 在于，所述的復合收集區(qū)，下層由外延生長的Si構(gòu)成，該Si層經(jīng)離子注入成為 N型，并且下部的摻雜濃度較高而上部的摻雜濃度較低，為N-型；俟后生長的多 晶Si也摻雜成N型，與之前的N型Si材料共同構(gòu)成器件的收集區(qū)，并且收集極 電極亦由此處引出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征 在于，在所述襯底全部是N+型時，則發(fā)射極經(jīng)過減薄和背金后從硅片背面引出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管，其特征 在于，所述Si襯底的底層為P型而表面一部分為N+型的Si，則發(fā)射極可由硅片 上表面引出。
7. —種多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的制備工藝，其特征在于， 制備工藝步驟如下 1) 在襯底硅片上，襯底硅片可以是P型加N+型Si的雙層結(jié)構(gòu)，或全部是 N+型，生長場氧化層，然后去掉所有氧化層，經(jīng)過這一步驟處理后，表面呈現(xiàn)較 緩的高低起伏；2) 生長起隔離作用的薄氧化層；釆用低壓化學氣相沉積方法沉積基極引出 用的多晶Si，對多晶Si進行摻雜；3) 采用RIE等離子干法刻蝕，刻去一部分多晶Si，只留下用作基極引線的 部分；繼而濕法腐蝕已去除的多晶Si下方的薄氧化層，露出襯底N+型Si發(fā)射區(qū)；4) 外延SiGe材料，同時進行原位摻雜；在SiGe外延的末段，外延純的Si 材料帽層；離子注入N型雜質(zhì)以控制B-C結(jié)的位置；采用反應離子刻蝕，刻蝕去 一部分SiGe/Si層，只留下器件核心區(qū)域的SiGe/Si作基區(qū)；5) 淀積SiO"光刻并濕法腐蝕Si02層，露出收集區(qū)窗口；6) 淀積用作收集區(qū)的多晶Si;對多晶Si進行摻雜；反應離子刻蝕刻蝕多晶Si;7) 淀積用作孔介質(zhì)的Si02;反應離子刻蝕刻1:蟲引線孔；8) 濺射金屬化引線層；反應離子刻蝕刻蝕金屬層；9) 鈍化；反應離子刻蝕刻鈍化層，露出壓焊塊；10) 如果襯底整體為N+型的，則發(fā)射極將從背面引出，需增加減薄、背金的工藝步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述多晶硅收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的制備工 藝，其特征在于，所述減薄、背金的工藝為，采用機械磨片的方法，將原本厚度 在500 600ym的硅片，從背面磨去一部分，成為厚僅200ym的硅片；然后在 硅片的背面通過蒸發(fā)或者濺射鈦、金的方式制作硅片背面的金屬層，并形成硅片 背面的發(fā)射極接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導體器件結(jié)構(gòu)及其制造工藝范圍的一種多晶收集區(qū)倒置結(jié)構(gòu)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管。是在省略了常規(guī)SiGe HBT晶體管中的埋層和N-外延Si層結(jié)構(gòu)后，直接利用襯底N+層做發(fā)射區(qū)，然后依次制作SiGe外延基區(qū)，多晶Si收集區(qū)，和發(fā)射極，基極，收集極引線而形成的電子器件結(jié)構(gòu)。收集區(qū)處在結(jié)構(gòu)的上層，有利于采用離子注入技術(shù)調(diào)節(jié)B-C結(jié)位置，因而更好地保證器件的性能。外基區(qū)和基極引線的部分，采用介質(zhì)層與下方的發(fā)射區(qū)隔離，能夠減小電容，保證器件的工作速度。倒置結(jié)構(gòu)晶體管，還適于構(gòu)成共發(fā)形式的SiGe單片微波集成電路。
文檔編號H01L29/737GK101162730SQ20071017724
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者嚴利人, 劉志弘, 衛(wèi) 周 申請人:清華大學