專利名稱：Npn型的鍺硅異質結雙極晶體管及其制造方法
技術領域：
本發明屬于半導體器件制備技術領域，特別涉及NPN型鍺硅異質結雙極晶體 管(SiGeHBT)的一種NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管及其制造方法。
背景技術：
由于具有能帶工程特點的鍺硅異質結晶體管，其性能明顯優于具有摻雜工程 特點的硅雙極晶體管，近年來得到了迅猛的發展。NPN型SiGeHBT的能帶結構抑 制了基區空穴向發射區注入，有利于發射區的電子向基區注入，因此提高了發射 極的注入效率，電流增益主要由能帶確定而不再僅僅由發射區和基區的雜質濃度 比確定，使基區雜質濃度可以大幅提高，做到基區很薄但基區電阻卻可以很小， 使得器件有很好的頻率、功率增益及其噪聲等性能。
SiGeHBT的結構有非自對準、自對準和超自對準三種形式，自對準和超自對 準結構的工藝復雜，現有非自對準結構的工藝比較簡單，但也存在缺陷，比如選 擇離子注入集電區(SIC)在SiGe外延之后進行，雜質離子穿透過SiGe層，給 SiGe層帶來一定程度的晶格損傷，而晶格恢復需要的退火溫度和時間受到一定的 限制，否則容易使SiGe層馳豫，造成結的漏電。此外，采用深槽隔離帶來的臺 階需要回填平坦化，否則將給后面的工藝造成困難，例如金屬易在臺階處斷條等。 最后，常規雙極結型晶體管中的基極電阻及其接觸電阻都難以做小，而基極電阻 和各歐姆接觸電阻對器件的高頻功率增益和噪聲性能影響很大，需要降低基極電 阻和各歐姆接觸電阻，以提高器件的高頻性能。因此，常規的非自對準SiGeHBT 的結構和工藝需要進一步改進。
發明內容
本發明的目的是提供一種NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管及其制造方法。 在P型硅襯底1上面設置N+埋層區2和P+隔離環3， N+埋層區2厚度與P 型襯底1上表面基本平齊，在N+埋層區2兩邊的P型襯底1上面保留Si02層7， 在N+埋層區2上面是選擇性Si外延N-區5，該區中鑲嵌SIC作為選擇離子注入
的集電區6，在集電區6右邊的選擇性Si外延N-區5內是集電極引出N+區4， 集電區6和集電極引出N+區4的下平面與N+埋層區2接觸；在上述結構的上平 面生長一層選擇性SiGe外延區8，選擇性Si外延N-區5兩邊是穿過選擇性SiGe 外延區8的U型側墻介質層12. 1，在U型側墻介質層12. 1的U型槽內填入孔介 質14;選擇性SiGe外延區8上面的Si0z層9上的發射區窗口與集電區6對應， 離子注入摻雜的多晶硅在帶有發射區窗口的Si02層9上形成T型多晶硅發射極 10，由T型多晶硅發射極自對準形成的離子注入摻雜外基區11的組成部分有離 子注入硼的SiGe層，以及下面N-硅外延層中因摻入硼而變為P+硅的區域。多晶 硅發射極10和離子注入外基區11上面為硅化物13，金屬電極15分別設置在多 晶硅發射極IO、外基區ll以及集電極引出N+區4之上，金屬電極的下表面在硅 化物13之上；金屬層間介質16覆蓋在整個器件上表面，上層金屬17通過金屬 層間介質16上的通孔與金屬電極15接通。
所述多晶硅發射極10周圍設有劈型介質側墻12。
所述集電極、基極和發射極集成在同一平面上。
所述NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管的制造方法，該方法采用常規的微細加 工，制造NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管的工藝特點如下
l.集電區的形成，首先，在P型〈100〉硅片1上制作Si02層7，利用干法刻 蝕或/和濕法腐蝕,在Si02層7上開出局部N+埋層2的窗口，并注入高劑量的N型 雜質砷、銻或磷，然后高溫爐退火，使N+/P的結深滿足設計要求，通常為卜3ta 深，硼離子注入形成P+隔離環3或在制作Si02層7之前進行，P+隔離環的雜質 濃度為107cm3。減壓化學氣相淀積(RPCVD)或超高真空化學氣相淀積(UHVCVD) 進行選擇性硅外延，原位摻入低濃度N型雜質，在Si02層7限定的窗口內得到低 濃度的N-硅外延層5。之后在與發射結對應的位置上進行選擇性離子注入摻雜， 摻入濃度為10'7cm3 2X10'7cm3的N型雜質磷或砷，經過爐溫95(TC、 30分鐘 的退火或105(TC、 20秒的快速退火，完成選擇離子注入的集電區6的雜質激活 和再分布，由于濃度較高的集電區6只集中在與Si02層9的窗口所限定的發射結 所對應的區域，而外基區11下面的N-區雜質濃度很低，這樣既保證了器件的電
流和頻率性能，又限制了BC結的電容，有利于提高器件的高頻功率增益性能；
2. SiGe基區的形成，用RPCVD或UHVCVD進行選擇性SiGe外延，在選擇N-硅外延區(包括集電區)之上形成SiGe區8， 一般厚度為幾十納米；
3. 發射極的形成及外基區注入，用熱分解法淀積Si02，利用光刻膠掩蔽，用 選擇性的干法刻蝕或濕法腐蝕開出發射極窗口，淀積非摻雜多晶硅；采用離子注 入摻入高劑量的N型雜質(磷和/或砷)，用反應離子刻蝕和濕法腐蝕完成發射極 臺面的制作，并以此為掩蔽在外基區注入高劑量的P型雜質(硼或二氟化硼)；
4. 用熱分解法淀積Si02，用光刻膠掩蔽在集電極引出的位置去掉Si02，并注 入高劑量的N型雜質，制作集電極引出區，采用快速熱退火激活注入雜質。在有 源區內RIE干法回刻Si02，使發射極臺面的兩側形成側墻12;濺射金屬鈦、或鎳、 或鈷，兩步退火加選擇性濕法腐蝕Ti、或鎳、或鈷，在外基區表面、發射極表面以 及集電極引出區表面形成硅化物；
5. 制作孔介質，用選擇性刻蝕或腐蝕開出歐姆接觸窗口，必要時可在接觸窗 口內補充硅化物，淀積接觸層+阻擋層+導電層的復合金屬層，然后按常規方式制 作金屬互連等后道工藝，即可得到高性能的SiGeHBT。
所述制造NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管的工藝做如下改變
① 襯底1改變為N+〈100〉硅材料；
② 省去P+隔離環、Si02層7和N+埋層區，直接在N+襯底上進行大面積非 選擇性N-硅外延；
③ 省去制作集電極引出區、集電極引出孔和集電極引出電極； 省去層間介質和上層金屬；
則可實現背面為集電極的分立器件制作，其工藝更加簡單。 本發明有益效果是.-
1) 采用先做選擇性離子注入摻雜集電區，經高溫退火后再外延SiGe基區的 方法，既可以很好地激活注入雜質，又不影響SiGe區的質量。
2) 采用選擇性Si外延生長N-集電區和SiGe區，有利于降低器件的寄生參數。
3) 采用簡單的工藝，利用側墻隔離，同時在外基區和發射極上形成硅化物， 從而可以很好地降低基極與發射極的串連電阻(包括有關的薄層電阻和歐姆接觸 電阻)，有效地提高器件的高頻性能。
4) 可制作集電極與基極和發射極在同一平面上的集成電路單元器件
圖1為集電極與基極和發射極在同一平面上的SiGeHBT結構。 圖2為背面為集電極的SiGeHBT結構。
圖3為由P型襯底、局部N+埋層、P+隔離環、選擇外延N-層和集電區組成。 圖4為由P型襯底、局部N+埋層、P+隔離環、選擇外延N-層、SIC區和選擇 性SiGe外延層組成。
圖5為上述組成之上的多晶硅發射極和外基區。
圖6為在集電極引出區表面、外基區表面和發射極臺面上，形成了鈦硅化物、 或鎳硅化物、或鈷硅化物，其中外基區表面和發射極臺面上的硅化物用自對準方 式形成。
具體實施例方式
本發明提供一種NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管(SiGeHBT)及其制造方法， 其結構見示意圖1 (注圖中只畫出了集電極的上電極和通孔，發射極和基極的 上電極和通孔未畫出)。經過簡化步驟，也可制作背面為集電極的分立器件，其 結構見示意圖2。該方法采用常規的微細加工，NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管 的制造工藝特點如下
l.集電區的形成，首先，在P型〈100〉硅片1上制作Si02層7，利用干法刻 蝕或/和濕法腐蝕，在Si02層7上開出局部N+埋層2的窗口，并注入高劑量的N型 雜質砷、銻或磷，然后高溫爐退火，使N+/P的結深滿足設計要求，通常為l-3陶 深。硼離子注入形成P+隔離環3(此步也可在制作Si02層7之前進行)，P+隔離環 的雜質濃度約為107cm:i。減壓化學氣相淀積(RPCVD)或超高真空化學氣相淀積 (UHVCVD)進行選擇性硅外延，原位摻入低濃度N型雜質，在Si02層7限定的窗口 內得到低濃度的N-硅外延層5。之后在與發射結對應的位置上進行選擇性離子注
入摻雜，摻入較高濃度(107citf 2X107criO的N型雜質磷或砷，經過爐溫950 °C、 30分鐘的退火或105(TC、 20秒的快速退火，完成集電區6的雜質激活和再 分布。由于濃度較高的集電區的SIC層只集中在與Si02層9的窗口所限定的發射 結所對應的區域，而外基區11下面的N-區雜質濃度很低，這樣既保證了器件的 電流和頻率性能，又限制了BC結的電容，有利于提高器件的高頻功率增益性能。 (參見示意圖3)。
2. SiGe基區的形成，用RPCVD或UHV/CVD進行選擇性SiGe外延，在選擇N-硅外延區(包括集電區)之上形成SiGe區8， 一般厚度為幾十納米(參見示意圖 4)。
3. 發射極的形成及外基區注入，用熱分解法淀積Si02，利用光刻膠掩蔽，用 選擇性的干法刻蝕或濕法腐蝕開出發射極窗口，淀積非摻雜多晶硅；采用離子注 入摻入高劑量的N型雜質(磷和/或砷)，用反應離子刻蝕和濕法腐蝕完成發射極 臺面的制作，并以此為掩蔽在外基區注入高劑量的P型雜質(硼或二氟化硼)。(參 見不意圖5)。
4. 用熱分解法淀積Si02，用光刻膠掩蔽在集電極引出的位置去掉Si02，并注 入高劑量的N型雜質，制作集電極引出區，采用快速熱退火激活注入雜質。在有 源區內RIE干法回刻Si02，使發射極臺面的兩側形成側墻12。濺射金屬鈦、或鎳、 或鈷，兩步退火加選擇性濕法腐蝕Ti、或鎳、或鈷，在外基區表面、發射極表面以 及集電極引出區表面形成硅化物。(參見示意圖6)。
5. 制作孔介質，用選擇性刻蝕或腐蝕開出歐姆接觸窗口，必要時可在接觸窗 口內補充硅化物，淀積復合金屬(接觸層+阻擋層+導電層)。按常規方式制作金 屬互連等后道工藝，即可得到高性能的SiGeHBT。(參見示意圖1)
若將本發明做如下改變 襯底l改變為N+材料；
(D省去P+隔離環、SiO,層7和N+埋層區，直接在N+襯底上進行大面積
N-硅外延；
⑦省去制作集電極引出區、集電極引出孔和集電極引出電極；
⑧省去通孔和上層金屬電極；
則可實，背面為集電極的分立器件制作，其工藝更加簡單。其結構參見示意圖2。
通常情況下，N-Si層是用常壓外延的方法，在整個圓片上進行大面積的Si 外延然后利用淺槽和深槽將各器件的集電區隔離開，為了避免槽的臺階影響到后 面的工藝，必須將Si(^和多晶硅填入槽中，并進行回刻來實現平坦化，在本發明 中，利用選擇外延僅在單晶Si上進行同質外延生長，而在Si02上由于Si無法成 核的特點，利用制作局部N+埋層的Si02窗口，將需要N-硅的區域裸露，就可以 在裸露的硅上得到選擇性N-Si外延層。由于選擇性N-Si外延區域是孤島狀，相 互之間有Si02隔離，因此可以省去刻深槽及其回填平坦化等工藝，簡化了工藝步 驟。參見圖3。
本發明選擇此時在對應于發射區窗口的位置上進行選擇性離子注入摻雜，注 入適量的N型雜質。(這時還可根據N-層的厚度，在集電極引出孔的區域內注入 高劑量的N型雜質。當N-層薄時，此歩也可不做)。此時由于沒有SiGe層的存在， 退火的方式和條件不受限制，可以得到完美的晶格和理想的雜質分布。圖4中 的SIC區域即為集電區6，由于濃度較高的集電區6只集中在與Si02層9限定的 發射結所對應的區域內，而外基區ll下面的N-區濃度依然很低，十分有利于降 低SiGeHBT的BC結電容，提高其高頻性能。SIC完成之后，仍用選擇性外延生長 SiGe區，以盡量降低基極與集電極之間的寄生電容。
本發明在外基區摻雜完成之后，在外基區表面、發射極臺面上以及集電極引 出阱內表面形成鈦硅化物或鈷硅化物,其中外基區表面和發射極臺面上的硅化物 是采用側墻隔離的自對準方式形成。常規的BJT通常不做硅化物，少數用光刻的 方式，在Si02上開出窗口，在窗口區域內形硅化物。由于本發明是自對準方式， 因此在發射極臺面和外基區表面的最大范圍內形成了硅化物，可以更好地降低外 基區薄層電阻以及基極和發射極的歐姆接觸電阻，提高器件的高頻功率增益和噪 聲性能。結構參見圖6。為了保證基極和發射極的歐姆接觸電阻，必要時也可在 接觸孔形成后，在孔內進一步補充硅化物。
本發明屮的SIC與發射區窗口之間、外基區注入與發射區窗口之間都不是自
對準的，其中前者對于對準的要求不高，0.8um光刻機的套準精度，完全可以滿 足器件性能要求。與傳統的非自對準SiGeHBT結構一樣，外基區注入與發射區窗 口對于對準的要求稍高一些，否則發射極兩側的基區串聯電阻將不對稱。設計時 應盡量降低發射極兩側基區串聯電阻在整個Rb中所占的比重。
權利要求
1.一種NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管，其特征在于，在P型硅襯底(1)上面設置P+隔離環(3)和N+埋層區(2)，N+埋層區(2)厚度與P型襯底(1)上表面基本平齊，在N+埋層區(2)兩邊的P型襯底(1)上面保留SiO2(7)，在N+埋層區(2)上面是選擇性Si外延N-區(5)，該區中部是鑲嵌選擇性離子注入SIC材料的集電區(6)，在集電區(6)左邊選擇外延N-區(5)內是集電極引出N+區(4)，集電區(6)和集電極引出N+區(4)的下平面與N+埋層區(2)接觸；在上述結構的上平面生長一層選擇性SiGe外延區(8)，選擇性Si外延N-區(5)兩邊是穿過選擇性SiGe外延區(8)的U型側墻介質層(12.1)，在U型側墻介質層(12.1)的U型槽內填入孔介質(14)；選擇性SiGe外延區(8)上面的SiO2層(9)上的發射區窗口與集電區(6)對應，離子注入摻雜的多晶硅發射極(10)在帶有發射區窗口的SiO2層(9)上形成T型多晶硅發射極，由T型發射極自對準形成的離子注入摻雜外基區(11)的組成部分有離子注入硼的SiGe層，以及下面N-硅外延層中因注入硼而變為P+硅的區域；多晶硅發射極(10)和離子注入外基區(11)上面為硅化物(13)，金屬電極(15)分別設置在多晶硅發射極(10)、外基區(11)以及集電極引出N+區(4)之上，金屬電極的下表面在硅化物(13)之上；金屬層間介質(16)覆蓋在整個器件上表面，上層金屬(17)通過金屬層間介質(16)上的通孔與金屬電極(15)接通。
2. 根據權利要求1所述NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管，其特征在于，所述 多晶硅發射極(10)周圍另設劈型介質側墻(12)。
3. 根據權利要求1所述NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管，其特征在于，所述 集電極、基極和發射極集成在同一平面上。
4. NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述NPN型的 鍺硅異質結雙極晶體管的制造方法是采用常規的微細加工，其制造工藝特點如下1)集電區的形成，首先，在P型〈100〉硅片(1)上制作Si02層(7)，利用 干法刻蝕或/和濕法腐蝕，在Si02層(7)上開出局部N+埋層(2)的窗口，并注入 .高劑量的N型雜質砷、銻或磷，然后高溫爐退火，使N+/P的結深滿足設計要求， 通常為1-3Mm深；硼離子注入形成P+隔離環(3)或在制作Si02層(7)之前進 行，P+隔離環的雜質濃度為107cm3;減壓化學氣相淀積RPCVD或超高真空化學 氣相淀積UHVCVD進行選擇性硅外延，原位摻入低濃度N型雜質，在Si02層(7) 限定的窗口內得到低濃度的N-硅外延層(5)之后，在與發射結對應的位置上進 行選擇性離子注入摻雜，摻入濃度為10Vcnf' 2X107cm3的N型雜質磷或砷， 經過爐溫95(TC、 30分鐘退火或1050°C、 20秒的快速退火，完成選擇性離子注 入的集電區(6)的雜質激活和再分布，由于濃度較高的集電區(6)只集中在與 Si02層(9)的窗口所限定的發射結所對應的區域，而外基區(11)下面的N-區雜 質濃度很低，這樣既保證了器件的電流和頻率性能，又限制了 BC結的電容，有 利于提高器件的高頻功率增益性能；2) SiGe基區的形成，用RPCVD或UHVCVD進行選擇性SiGe外延，在選擇N-硅外延區(包括集電區)之上形成SiGe區(8)，厚度為幾十納米；3) 發射極的形成及外基區注入，用熱分解法淀積Si02，利用光刻膠掩蔽， 用選擇性的干法刻蝕或濕法腐蝕開出發射極窗口，淀積非摻雜多晶硅；采用離子 注入摻入上述劑量的N型雜質磷和/或砷，用反應離子刻蝕和濕法腐蝕完成發射 極臺面的制作，并以此為掩蔽在外基區注入高劑量的P型雜質硼或二氟化硼；4) 用熱分解法淀積SiO,，用光刻膠掩蔽在集電極引出的位置去掉Si02，并注 入高劑量的N型雜質，制作集電極引出區，采用快速熱退火激活注入雜質，在有 源區內RIE干法回刻Si02，使發射極臺面的兩側形成側墻(12)，濺射金屬鈦、或 鎳、或鈷,兩步退火加選擇性濕法腐蝕Ti、或鎳、或鈷,在外基區表面、發射極表 面以及集電極引出區表面形成硅化物；5) 制作孔介質，用選擇性刻蝕或腐蝕開出歐姆接觸窗口，或在接觸窗口內 補充硅化物，淀積接觸層+阻擋層+導電層的復合金屬層，然后按常規方式制作金 屬互連后道工藝，即可得到高性能的SiGeHBT。 ，
5.根據權利要求4所述NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述襯底(1)的材料由P型〈100〉硅改為N+〈100〉硅材料，直接在N+襯底 上進行N-外延，從而省去P+隔離環、Si02層(7)和N+埋層區，同時還省去制作 集電極引出區、集電極引出孔、集電極引出電極、金屬層間介質和上層金屬電極; 則可實現背面為集電極的分立器件制作，其工藝更加簡單。
全文摘要
本發明公開了屬于半導體器件制備技術領域的一種NPN型的鍺硅異質結雙極晶體管及其制造方法。采用先做選擇性離子注入摻雜集電區，經高溫退火后再外延SiGe基區的方法，既可以很好地激活注入雜質，又不影響SiGe層的質量。制作集電極與基極和發射極在同一平面上的集成電路單元器件。本發明采用選擇外延生長N-集電區和SiGe區，有利于降低器件的寄生參數。采用簡單的工藝，利用側墻隔離，同時在外基區和發射極上形成硅化物，從而可以很好地降低基極與發射極之間的電阻(包括有關的薄層電阻和歐姆接觸電阻)，有效地提高器件地高頻性能。
文檔編號H01L21/02GK101101922SQ200710119850
公開日2008年1月9日 申請日期2007年8月1日 優先權日2007年8月1日
發明者劉志弘, 衛 周, 偉 張, 陽 徐, 李高慶, 熊小義, 王玉東, 志 蔣, 平 許, 錢佩信 申請人:中電華清微電子工程中心有限公司