專利名稱：適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體器件及其制備技術領域，特別涉及無需高能離子注入設 備、在常規設備及工藝條件下即可實現的一種適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集 電區結構的制備方法。
平面Si雙極晶體管是構建模擬集成電路的傳統器件。但由于硅材料在速度 上的先天劣勢，歷史上高頻高速應用領域一直由GaAs等III-V族化合物半導體 器件主宰。窄禁帶SiGe合金作為基區材料引入Si雙極晶體管得到的SiGe異質 結雙極晶體管，在高頻性能上有了很大的提高，同時還保持了 Si基技術成本較 低的優勢，因此己經廣泛應用于射頻微波集成電路領域，并部分替代了 GaAs等 化合物半導體器件。
無論平面Si雙極晶體管還是平面SiGe異質結雙極晶體管大都采用在重摻雜 襯底或埋層上面生長輕摻雜外延層作為器件的集電區的方案。除了要滿足給定的 擊穿電壓要求以外，集電區外延層的摻雜濃度對于器件高頻性能的影響存在著一 定的矛盾關系。 一方面，提高集電區外延層雜質濃度可以提高器件的、尤其是高 電流密度下的截止頻率fT，而另一方面，過高的集電區外延層雜質濃度則會導致 集電極-基極電容Q急劇增大，反過來有可能降低器件的最高震蕩頻率f皿。這
一點可以用以下f,與fT、基極電阻RB和集電極-基極電容Cec之間的簡化關系式
來解釋。
為此，當前高性能的Si雙極晶體管和SiGe異質結雙極晶體管工藝己普遍采 用了所謂的選擇性注入集電區(SIC)技術如在文獻[1]Integration of
selectively implanted collector (SIC) of SiGe:C HBT for optimised performance and manufacturability.F. K. Chai，J.Kirchgessner， R.
背景技術：
Cross, D. Ha腿ock， C. Lesher， D. Morgan, H. Rueda， Jin Tang， Guofu Niu， S. Stewart, J. John, S. Wipfand， B. Brown. Proceedings of the Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 28-30 S印t. 2003 Page(s) : 115 - 118; [2] Optimization of fT， BVCE0 and P with selectively implanted collectors in BiCMOS technology. M. G. Guvench. Proceedings of the Twelfth Biennial University/Government/Industry Microelectronics Symposium, 20-23 July 1997 Page(s):118 - 122 ; [3] Selectively-Implanted Collector Profile Optimisation for High-Speed Vertical Bipolar Transistors. M.S. Peter， G. A. M. Hurkx， C. E. Timmering. Proceeding of the 27th European Solid-State Device Research Conference, 22-24 S印tember 1997 Page(s) :308 - 311中，即 通過光刻掩蔽離子注入的方法提高發射區窗口下面的局部集電區外延層中的雜 質濃度，在提高fT的同時仍能將總體的集電極-基極電容CBc;保持在較低的數值， 從而達到綜合優化&和f,等高頻性能指標的目的。但是，選擇性注入集電區SIC 技術的問題在于所需的離子注入往往較深，相應地要求離子注入的能量較高，尤 其是對于需要厚外延層的擊穿電壓較高的雙極晶體管或異質結雙極晶體管，要想 實現滿足要求的SIC雜質分布，超高能量的離子注入設備是必需的。可見，為了 能夠突破工藝設備條件的限制，盡量降低對于昂貴設備及工藝的依賴度，雙極晶 體管或異質結雙極晶體管的集電區雜質分布的優化方案及其實現方法還需改進 或革新。'基于此，我們提出了以下的技術發明。
發明內容
本發明的目的是提出一種無需高能離子注入設備、在常規設備及工藝條件下 即可實現的一種適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構及其制備方法，其特 征在于，所述雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構包括在重慘雜襯底或集電區重 摻雜埋層中由高濃度快速擴散雜質形成的附加局部集電區隱埋層，以及據此向正 對器件發射區窗口下面的局部集電區外延層中延伸而成的、雜質濃度呈倒梯度分 布的集電區部分。
4適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備工藝流程包括以下步驟
1) 在重摻雜襯底或重摻雜集電區埋層中正對器件發射區窗口下方的區域，
由高濃度快速擴散雜質形成附加的局部集電區隱埋層；
2) 利用外延工藝生長常規的輕摻雜集電區外延層；
3) 利用附加的局部集電區隱埋層中的快速擴散雜質具有比構成重摻雜襯底 或集電區重摻雜埋層的雜質更高的擴散系數，借助上述外延工藝本身的熱推進作 用，或通過后續的熱擴散推進工藝或器件制備工藝所必需的其它熱處理過程，使 該附加的局部集電區隱埋層中的雜質向正對器件發射區窗口下面的局部集電區 外延層中擴散，從而在此局部選擇性地提高集電區雜質濃度，并形成所需要的從 襯底或集電區埋層向表面的倒梯度雜質濃度分布，同時使發射區窗口以外的集電 區外延層中的雜質濃度維持在較低的水平。
4) 此后可采用任何可行的雙極晶體管或異質結雙極晶體管的工藝流程完成 器件的制備。
從上述器件結構及其工藝實現方法可見，本發明具有以下優點與背景技術 選擇性注入集電區SIC相比，本發明無需高能量離子注入設備，因而可消除或緩 解設備及工藝條件對于實施器件優化方案的限制，并可降低用于器件制備的設備 及工藝成本；由于本發明提出的選擇性隱埋集電區是通過雜質從重摻雜襯底或埋 層向表面反擴散形成的，所以可以保證在正對發射區窗口下方的局部集電區外延 層中能夠得到單調的倒梯度雜質濃度分布，并可通過控制擴散的溫度和時間來靈 活調控雜質分布，從而能最大限度地折衷、優化器件的fr、 CB。、 f皿以及擊穿電
壓等各項性能指標。
圖l-l 圖1-6為背景技術選擇性注入集電區SIC的一個具體實施方案的工 藝流程截面示意圖。
圖2-l 圖2-5為本發明提出的適用于雙極晶體管或異質結雙極晶體管的選 擇性隱埋集電區結構的一個具體實施方案的工藝流程截面示意圖。
具體實施例方式
在說明本發明的具體實施方式
之前，首先結合一個具體實施方案實例，介紹
一下作為背景技術的選擇性注入集電區sic的工藝步驟。
1. 參見圖1-1，器件的初始材料為重摻雜第一導電類型的集電區襯底或重摻
雜第一導電類型的集電區埋層，如圖中的12所示。在12上面生長輕摻雜的第一 導電類型的集電區外延層14。若令12和14中的摻雜濃度分別為Nl和N2，則相 應的沿圖中縱向截面AA'的雜質濃度分布示意圖見圖中右邊部分。注意，這里給 出的僅是示意圖，為簡便起見，12和14結合部的雜質過渡區沒有畫出。
2. 在輕摻雜的第一導電類型的集電區外延層14上面通過外延生長摻雜成第 二導電類型的Si或SiGe基區16，見圖l-2。
3. 在Si或SiGe基區16上面淀積介質層18 (例如氧化硅但不限于此)，并通 過光刻.(曝光、顯影后的光刻膠見圖中的20)、刻蝕形成發射區窗口22。在保留 光刻膠20的情況下，利用SIC離子注入的方法向發射區窗口 22內注入第一導電 類型雜質離子，如圖卜3所示。選擇性注入集電區SIC離子注入的結果，是在發 射區窗口下面一定深度(與離子注入的能量有關)的局部集電區外延層14中疊 加上SIC離子注入的雜質分布。疊加后的等雜質濃度線如圖中所示，且沿圖中發 射區窗口中線的縱向截面AA'的雜質濃度分布示意圖也在圖中右邊一并給出。
4. 去掉光刻膠20后，淀積多晶Si層24，并在淀積過程中通過原位慘雜的方 式或在淀積完成之后利用離子注入的方法將該多晶Si層重摻雜成第一導電類型 的材料。接著，通過另一歩光刻(曝光、顯影后的光刻膠見圖中的26)及刻蝕工 藝先后刻蝕該層多晶材料和下面的介質層18，如圖1-4所示。刻蝕完成后剩余的 多晶Si層24就構成了器件的多晶發射極材料。
4. 然后，如圖1-5所示，在保留光刻膠26的情況下，進行大劑量外基區離 子注入；形成重摻雜的第二導電類型的外基區28。
5. 參見圖1-6，在去掉光刻膠26后，再利用熱推進或退火工藝，通過重摻雜 多晶發射極材料24中的雜質外擴散形成重摻雜的第一導電類型的單晶發射區30。其后，可采用該技術領域內任何可行的工藝步驟完成器件制備。
下面介紹本發明"適用于雙極晶體管和異質結雙極晶體管的選擇性隱埋集電 區結構的制備方法"的一個具體實施方案的工藝流程如下。
l.參見圖2-1，器件的初始材料為重摻雜第一導電類型的集電區襯底或重摻 雜第一導電類型的集電區埋層，如圖中的52所示。注意初始材料中所摻雜的雜 質應選擇擴散較慢的元素，以NPN雙極晶體管或異質結雙極晶體管為例，應選擇 砷或銻等擴散系數較小的雜質。利用器件發射區窗口掩膜版，通過光刻在光刻膠 54上形成窗口，然后利用大劑量、低能量的離子注入(劑量應大于1X107cm2， 能量應小于50KeV)向該窗口內注入擴散較快的第一導電類型的雜質離子，例如 磷，在重慘雜第一導電類型的集電區襯底或重摻雜第一導電類型的集電區埋層52 中形成摻雜濃度更高的第一導電類型的附加局部集電區隱埋層，其等雜質濃度線 以及沿光刻窗口中線的縱向截面BB'的雜質濃度分布示意圖都分別示于圖中和 右邊部分(其中Nl代表重摻雜第一導電類型的集電區襯底或重摻雜第一導電類型 的集電區埋層中的雜質濃度)。
2. 在重摻雜第一導電類型的集電區襯底或重摻雜第一導電類型的集電區埋層 52上面生長輕摻雜集電區外延層56。然后，對上述結構進行熱擴散推進工藝處 理。由于與周圍雜質相比，上述附加局部集電區隱埋層中的雜質的擴散系數較大， 其在熱推進過程中迅速沿各方向向外擴散，從而形成了如圖2 — 2中等雜質濃度 線所示的選擇性隱埋集電區的雜質分布，且圖中右邊部分還同時顯示了沿步驟1 中的光刻窗口中線的縱向截面BB'的雜質濃度分布示意圖(其中N2表示輕摻雜 集電區外延層的摻雜濃度)。
3. 如圖2-3所示，在集電區外延層56上面外延生長原位摻雜成第二導電類型 的Si或SiGe外延基區58，接著在上面淀積介質層60 (例如氧化硅層但不限于 此)。然后再次利用器件發射區窗口掩膜版進行光刻，并刻蝕介質層60形成發射 區窗口62;需要指出的是，本發明的目的就是要在發射區窗口下方局部形成選擇 性隱埋集電區，所以一方面在步驟1中利用發射區窗口掩膜版通過光刻掩蔽離子注入的方法形成作為選擇性隱埋集電區擴散源的附加局部集電區隱埋層(見圖 2-1中發射區窗口下的等雜質濃度線所表示的區域)，另一方面在這里再次使用同 一塊掩膜版進行光刻、刻蝕形成器件的發射區窗口，而考慮到該選擇性隱埋集電 區會隨其中雜質的橫向擴散而發生相應的橫向擴展，因此這兩次光刻之間的套準
偏差不會帶來問題。
4. 接下來，淀積多晶Si層64，并在淀積過程中通過原位摻雜的方式或在淀 積完成之后利用離子注入的方法將該多晶Si層重摻雜成第一導電類型的材料。 接著，通過另一步光刻(曝光、顯影后的光刻膠見圖中的66)及刻蝕工藝先后刻 蝕多晶Si層64和下面的介質層60，如圖2-4所示。刻蝕完成后剩余的多晶Si 層64就構成了器件的多晶發射極材料。然后，在保留光刻膠66的情況下，進行 大劑量外基區離子注入，形成重摻雜的第二導電類型的外基區68。
5. 在去掉光刻膠66后，再利用熱推進或退火工藝，通過重慘雜多晶發射極 材料64中的雜質外擴散形成重摻雜的第一導電類型的單晶發射區70，如圖2-5 所示。其后，采用該技術領域內任何可行的工藝步驟完成器件制備。值得注意的 是，考慮到外延工藝本身的熱推進作用，步驟2中外延后的熱擴散推進工藝也可 以省略，或被其后的熱擴散推進工藝或器件制備工藝所必需的其它熱處理過程所 替代，以最終形成所需要的選擇性隱埋集電區的雜質分布，如本圖中的等雜質濃 度線所示，且圖中右邊部分還同時顯示了沿發射區窗口中線的縱向截面BB'的雜 質濃度分布示意圖。可見，根據本發明的方案，在器件發射區窗口下面的局部集 電區外延層中的雜質濃度得以增加并形成了選擇性隱埋集電區，且沿縱向從集電 區埋層向器件表面的發射區窗口呈所需的倒梯度雜質濃度分布，而在發射區窗口 以外的集電區外延層中的摻雜濃度仍然可以維持在較低的數值，從而達到了既提 高f「又有效地限制了基極一集電極電容Q的增加、進而同時保證了較高的f, 的器件設計要求。
另外注意，考慮到本發明對集電極引出方式沒有任何限制，因此在以上具 體實施方案工藝流程圖中均未顯示集電區的引出電極。實際上，集電極既可從重
8摻雜的襯底背面引出，也可利用通常的重摻雜埋層及集電極Sinker等結構和工 藝，最終利用金屬連線從正面引出。
權利要求
1.一種適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備方法，所述選擇性隱埋集電區結構包括在重摻雜襯底或集電區重摻雜埋層中由高濃度快速擴散雜質形成的附加局部集電區隱埋層，以及據此向正對器件發射區窗口下面的局部集電區外延層中延伸而成的、雜質濃度呈倒梯度分布的集電區部分；其中雙極晶體管還包括異質結雙極晶體管；其特征在于，所述適用于雙極晶體管或異質結雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備工藝流程包括以下步驟1)在重摻雜襯底或重摻雜集電區埋層中正對器件發射區窗口下方的區域，由高濃度快速擴散雜質形成附加的局部集電區隱埋層；2)利用外延工藝生長常規的輕摻雜集電區外延層；3)利用附加的局部集電區隱埋層中的快速擴散雜質具有比構成重摻雜襯底或集電區重摻雜埋層的雜質更高的擴散系數，借助上述外延工藝本身的熱推進作用，或通過其后的熱擴散推進工藝或器件制備工藝所必需的熱處理過程，使該附加的局部集電區隱埋層中的雜質向正對器件發射區窗口下面的局部集電區外延層中擴散，從而在此局部選擇性地提高集電區雜質濃度，并形成所需要的從襯底或集電區埋層向表面的倒梯度雜質濃度分布，同時使發射區窗口以外的集電區外延層中的雜質濃度維持在較低的水平。4)此后采用任何可行的雙極晶體管或異質結雙極晶體管的工藝流程完成器件的制備。
2. 根據權利要求1所述適用于雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備方 法，其特征在于，所述選擇性隱埋集電區擴散源的附加局部集電區隱埋層的離子 注入需要選擇擴散較快的雜質離子為磷或硼。
3. 根據權利要求1所述適用于雙極晶體管和異質結雙極晶體管的選擇性隱埋 集電區結構的制備方法，其特征在于，所述重摻雜襯底或集電區重摻雜埋層的初 始材料中所摻雜的雜質應選擇擴散較慢的元素應選擇擴散系數較小的雜質砷或 銻。
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適用于雙極晶體管或異質結雙極晶體管的選擇性隱埋集電區結構的制備方法。所述制備方法是利用器件發射區窗口掩膜版，通過光刻在光刻膠上形成窗口，然后利用大劑量離子注入向該窗口內注入擴散較快的第一導電類型的雜質離子，在重摻雜第一導電類型的集電區襯底或重摻雜第一導電類型的集電區埋層中形成摻雜濃度更高的第一導電類型的附加局部集電區隱埋層，并以此為擴散源，在隨后生長低摻雜集電區外延層或熱處理過程中向器件發射區窗口擴散、延伸形成雜質濃度呈倒梯度分布的局部選擇性隱埋集電區結構，從而同時提高器件的f<sub>T</sub>和f<sub>max</sub>，本發明在常規設備及工藝條件下，無需高能離子注入設備即可實現。
文檔編號H01L21/02GK101552200SQ200810241108
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月30日 優先權日2008年12月30日
發明者嚴利人, 軍 付, 偉 張, 王玉東, 志 蔣, 平 許, 錢佩信 申請人:清華大學