鍺硅hbt器件及其制造方法

專利名稱：鍺硅hbt器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種HBT(Heterojunction bipolar transistor，異質結雙極型晶體管)器件，特別是涉及一種鍺硅(SiGe)HBT器件。
背景技術：
在射頻芯片的設計中，根據芯片功能的需要，有時需要集成不同工作電壓、不同特征頻率(即截止頻率)的鍺硅HBT。例如在射頻收發器(RF Transceiver)芯片上，其中的功率放大器需要用到高壓鍺硅HBT器件，以達到高功率輸出的需要；同一芯片上的低噪聲放大器則需要用到標準的鍺硅HBT或高速鍺硅HBT，以滿足低噪聲系數的需要。面對芯片上同時集成不同工作電壓的鍺硅HBT器件的情況，目前的做法是在制作時采用不同的集電區摻雜濃度，來實現具有不同擊穿電壓的鍺硅HBT器件。擊穿電壓不同，也就實現了工作電壓不同。不同特征頻率的鍺硅HBT器件也是通過采用不同的集電區摻雜濃度來實現的。這種做法需要對工作電壓不同的鍺硅HBT器件采用不同的光刻掩模版，以便在集電區離子注入時實現不同的摻雜濃度。有多少種工作電壓的鍺硅HBT器件，就需要進行多少次光刻和離子注入的工藝，工藝步驟復雜且工藝成本高。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種擊穿電壓可調的鍺硅HBT器件結構，這種調整并不是由某一部分結構的摻雜濃度不同來實現的，而是由某些結構之間的距離來實現的。為此，本發明還要提供所述鍺硅HBT器件的制造方法。為解決上述技術問題，本發明鍺硅HBT器件包括有位于溝槽中的隔離結構，所述隔離結構往下在襯底中依次形成有三個以上縱向接觸的贗埋層，其中最下方的贗埋層相互之間橫向連接，最上方的贗埋層與所述隔離結構相接觸且通過接觸孔中的電極引出作為集電極，其余贗埋層則連接最下方和最上方的贗埋層。優選地，除最下方的贗埋層以外，其余贗埋層在橫向上相互獨立。為了便于形成溝槽底部往下的三個以上的贗埋層，優選地，所述溝槽的截面形狀為正梯形，即溝槽頂部開口的寬度小于溝槽底部的寬度。本發明鍺硅HBT器件的制造方法包括如下步驟第1步，在襯底上刻蝕溝槽；第2步，在溝槽底部進行多次不同能量的離子注入，形成從溝槽底部往下依次接觸的三個以上的贗埋層，最下方的贗埋層還在橫向上相互連接；第3步，以介質填充溝槽形成隔離結構，并對兩個溝槽之間的襯底進行離子注入形成集電區；第4步，在硅片表面淀積第一介質并刻蝕出基區開口，接著在硅片表面淀積一層鍺硅材料并刻蝕，僅保留集電區之上的鍺硅材料和第一介質；
第5步，在硅片表面淀積第二介質并刻蝕出發射極窗口，接著在硅片表面淀積一層多晶硅并刻蝕，僅保留所述基區開口區域之上的多晶硅和第二介質，最后形成側墻；第6步，在硅片表面淀積第三介質并進行拋光，接著在第三介質中刻蝕通孔，包括與發射極相接觸的第一通孔、與鍺硅基區相接觸的第二通孔、以及與第三贗埋層相接觸的第三通孔，最后以金屬填充這些通孔。優選地，所述方法第2步中，按照從下往上的順序依次形成各個縱向相互接觸的
贗埋層。本發明鍺硅HBT器件以溝槽底部的縱向連接的三個以上的贗埋層代替現有鍺硅 HBT器件的集電區下的埋層，利用深孔(即第三通孔)穿過溝槽中的隔離結構連接最上方的贗埋層。通過調節最上方的贗埋層與有源區的距離(即與集電區的中間凸起之間的距離， 又即與溝槽底部內側一角的距離)決定鍺硅HBT器件的擊穿電壓和特征頻率，實現具有不同擊穿電壓的鍺硅HBT器件，滿足芯片的設計需要。本發明鍺硅HBT器件的制造方法，是通過多次不同能量的贗埋層離子注入，形成三個以上的贗埋層。其中最下方的贗埋層橫向互連且在集電區以下，用來滿足深孔(第三通孔)歐姆接觸所需的重摻雜集電區引出端。這無須增加額外的光刻，也無須額外的光刻掩膜版，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。


圖1是本發明鍺硅HBT器件的結構圖；圖加 圖加是本發明鍺硅HBT器件的制造方法的各步驟示意圖。圖中附圖標記說明1為襯底；2為溝槽；3為內側墻；4為第一贗埋層；5為第二贗埋層；6為第三贗埋層；7為集電區；8為介質；9為基區；10為介質；11為發射極；12為第一通孔；13為第二通孔；14為第三通孔；29a、29b為側墻；30為層間介質。
具體實施例方式請參閱圖1，這是本發明鍺硅HBT器件的一個實施例。其具體結構為在襯底1中具有溝槽2，溝槽2中填充有介質作為隔離結構。溝槽2的側壁具有內側墻3。在溝槽2的底部往下依次有縱向連接的第三贗埋層6、第二贗埋層5和第一贗埋層4。兩個溝槽2下方的第一贗埋層4在橫向上連為一體。由兩個溝槽2、兩個第三贗埋層6、兩個第二贗埋層5 和第一贗埋層4所圍成的區域是集電區7。在集電區7之上有第一介質8和T型鍺硅基區 9，第一介質8在T型鍺硅基區9的兩個肩膀部位下方。在所述隔離結構之上且在第一介質 8和T型鍺硅基區9的外側具有側墻^b。在鍺硅基區9之上有第二介質10和T型多晶硅發射極11，第二介質10在T型發射極11的兩個肩膀部位下方。在T型鍺硅基區9之上且在第二介質10和T型發射極11的外側具有側墻^a。硅片表面具有一層第三介質(層間介質)30，其中開設有第一通孔12、第二通孔13和第三通孔14并均填充有金屬電極。發射極11與第一通孔12中的電極相接觸。鍺硅基區9與第二通孔13中的電極相接觸。第三贗埋層6與第三通孔14中的電極相接觸。在圖1所示的三個贗埋層的基礎上，本發明鍺硅HBT器件還可在溝槽底部往下形成大于三個的縱向連接的贗埋層結構，最下方的贗埋層在橫向上互連，其余贗埋層在橫向上獨立。本發明鍺硅HBT器件具有如下特點其一，在溝槽2的底部往下依次排列有三個以上的縱向方向上相接觸的贗埋層， 其中最下方的贗埋層還在橫向方向上相連接。與溝槽2中的隔離結構相接觸的是最上方的贗埋層，其采用低能量的離子注入工藝，用來與深接觸孔(第三通孔14)形成歐姆接觸。該最上方的贗埋層緊挨著溝槽2的底部，兩者之間沒有間隙。如圖1所示，最上方的贗埋層6的內側與集電區7中間凸起之間的距離(即與溝槽2的底部內側一角的距離)為X，這也是最上方的贗埋層與有源區之間的距離。當χ減小，則增加器件的特征頻率，降低擊穿電壓，相反，當Χ增加，則會降低器件的特征頻率，增加擊穿電壓。最下方的是橫向擴散連為一體的第一贗埋層4，其采用高能量的離子注入工藝。高能量的離子注入使得雜質橫向擴散，兩個最下方的贗埋層橫向互連，在遠離表面的有源區下形成埋層，降低鍺硅HBT器件的集電區串聯電阻和器件的飽和壓降。在縱向上位于最上方贗埋層和最下方贗埋層之間的其余贗埋層，采用中等能量的離子注入工藝，用來連接最上方贗埋層和最下方贗埋層。其二，為便于三個以上的贗埋層的離子注入工藝，優選地，溝槽2的截面形狀為正梯形，即溝槽2開口的寬度小于溝槽2底部的寬度。正梯形的溝槽形狀有利于后續形成多個贗埋層，使得進行贗埋層的離子注入時離子不會摻雜到溝槽2的側壁。并且可有高能量注入，使注入的雜質的橫向擴散、互連，實現埋層功能，避免了器件橫向距離的加大引入的器件飽和壓降的提高。更優選地，溝槽2的截面形狀為等腰梯形。與溝槽2的正梯形截面形狀相對應，集電區7的截面形狀為倒T型，即集電區底部的寬度大于集電區頂部的寬度。并且集電區7的中間具有向內的凸起，集電區7并采用較低的摻雜濃度。其三，第一通孔12、第二通孔13只是穿過層間介質30，分別連接發射極11和鍺硅基區9。第三通孔14則穿過層間介質30和溝槽2中的隔離結構，連接最上方的贗埋層。本發明鍺硅HBT器件可通過調節第三贗埋層6與有源區之間的距離，來實現不同的擊穿電壓，距離越大，擊穿電壓越高，特征頻率越低。距離越小，擊穿電壓越低，特征頻率越高。本發明是通過版圖的改變來得到具有不同擊穿電壓的鍺硅HBT器件。無論是NPN 型還是PNP型鍺硅HBT器件，其第一贗埋層中都含有較易橫向擴散的雜質如磷或硼，第一贗埋層中的雜質橫向擴散后形成集電區埋層，最上方的贗埋層到有源區的距離為改變器件特性的一個重要因素，通過調整該距離，即可獲得想要的器件擊穿電壓和特征頻率，而不需要增加額外的工藝步驟。本發明所述的鍺硅HBT器件的制造方法包括如下步驟第1步，請參閱圖加，在半導體襯底(通常為硅襯底)1上刻蝕溝槽2，例如可采用淺槽隔離(STI)工藝。可選地，在襯底1上先淀積硬掩膜層21。所述硬掩膜層21為介質材料，例如采用
5氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化氮化硅(SiOxNy, χ、y均為自然數)或三者的任意組合。 其厚度由贗埋層的離子注入能量決定，需保證該硬掩膜層21能夠完全阻擋贗埋層的離子注入。接著再采用光刻和刻蝕工藝在襯底1上刻蝕出溝槽2。優選地，溝槽2的截面形狀為正梯形；更優選地，溝槽2的截面形狀為等腰梯形。第2步，請參閱圖2b，在溝槽2的底部進行多次不同能量的離子注入，形成從溝槽 2的底部往下依次接觸的第三贗埋層6、第二贗埋層5和第一贗埋層4，所述第一贗埋層4還在橫向上相互連接。可選地，先采用光刻工藝以光刻膠30覆蓋溝槽2的部分底部區域。溝槽2的其余底部區域打開，接收贗埋層的離子注入。接著采用離子注入工藝在溝槽2的未被光刻膠30 所覆蓋的底部區域進行多次不同能量的離子注入。離子注入的能量決定了其射程，即離子穿入硅片的總距離。這一步至少包括三次不同能量的離子注入，從而形成了與溝槽2的底部具有不同距離的三個以上的贗埋層。所述離子注入優選為如下情況首先進行高能量的離子注入并進行退火。由于是高能量(500keV以上)，離子注入區域距離溝槽2底部的距離最遠。退火后兩個離子注入區域橫向擴散并相連接，在襯底 1中形成第一贗埋層4。該步離子注入優選采用中等劑量，范圍為1 X IO12 1 X IO14原子每平方厘米(或離子每平方厘米)。接著進行中能量的離子注入并可選地進行退火。由于是中能量(50 500keV)，離子注入區域距離溝槽2底部的距離中等。在第一贗埋層4之上形成兩個第二贗埋層5，用來連接最下方贗埋層4和最上方贗埋層6，注入劑量為范圍為1 X IO14 1 X IO16原子每平方厘米(或離子每平方厘米)。當具有大于三個的贗埋層時，該中等能量離子注入的贗埋層為大于一個。最后進行低能量的離子注入并可選地進行退火。由于是低能量(50keV以下)， 離子注入區域距離溝槽2底部的距離最近，緊挨溝槽2底部。在兩個第二贗埋層5之上形成兩個第三贗埋層6，用來與深孔形成歐姆接觸。該步離子注入優選采用高劑量，范圍為 1 XIO14 1 X IO16原子每平方厘米(或離子每平方厘米)。對于PNP型鍺硅HBT器件，三個贗埋層均為ρ型摻雜，所注入的ρ型雜質優選為硼。對于NPN型鍺硅HBT器件，三個贗埋層均為η型摻雜，所注入的η型雜質例如為磷、 砷、銻等。優選地，第一贗埋層4和第二贗埋層5中所注入的η型雜質為磷或砷，第三贗埋層6中所注入的η型雜質為磷。第3步，請參閱圖2c，以介質填充溝槽2形成隔離結構，并對兩個溝槽2之間的襯底1進行離子注入形成集電區7。例如，先在溝槽2內制作內側墻3，接著以介質填充溝槽2形成隔離結構。這一步開始時，如果硅片上仍存在有光刻膠30，則首先去除光刻膠30。所述內側墻3的制造方法為現有工藝，簡單描述如下。首先可選地在溝槽2的側壁和底部熱氧化生長一層氧化硅作為襯墊氧化層。其次在溝槽2的區域(或者在整個硅片表面)淀積一層氧化硅，該層氧化硅覆蓋溝槽2的側壁和底部。接著對所淀積的氧化硅進行干法刻蝕，刻蝕終止點為溝槽2底部的硅或硬掩膜層21。刻蝕結束后，在溝槽2的側壁上就形成了內側墻3。所述溝槽2的填充方法為現有工藝，例如采用淺槽隔離工藝，簡單描述如下。首先在溝槽2的區域(或者在整個硅片表面)淀積一層介質材料，例如為氧化硅，該層介質填充溝槽2，并高于硬掩膜層21。其次采用化學機械研磨(CMP)工藝對所淀積的介質進行平坦化拋光，硬掩膜層21作為拋光阻擋層。最后采用濕法腐蝕工藝去除硬掩膜層21。這樣便在溝槽2中形成了隔離結構。 形成集電區7例如采用輕摻雜漏注入(LDD)工藝，注入劑量小于IxlO13原子每平方厘米(或離子每平方厘米)。 第4步，請參閱圖2d，在硅片表面淀積第一介質8并刻蝕出基區開口，接著在硅片表面淀積一層鍺硅材料9并刻蝕，僅保留集電區7之上的鍺硅材料9和第一介質8。所述第一介質8例如為氧化硅。所述基區開口就是圖1中基區9與集電區7相接觸的區域。在刻蝕完成后便形成了截面形狀為T型的鍺硅材料9，以及位于該T型鍺硅材料 9的兩個肩膀部位下方的第一介質8。第5步，請參閱圖2e，在硅片表面淀積第二介質10并刻蝕出發射極窗口，接著在硅片表面淀積一層多晶硅11并刻蝕，僅保留所述基區開口區域之上的多晶硅11、第二介質 10，最后形成側墻^a J9b。所述第二介質10例如為氧化硅。所述發射極窗口區域就是圖1中發射極11與基區9相接觸的區域。在刻蝕完成后便形成了截面形狀為T型的發射極11，以及位于T型發射極11的兩個肩膀部位下方的第二介質10。所述刻蝕工藝的終止點例如設為鍺硅基區9 的上表面。在鍺硅基區9之上，且在發射極11和第二介質10的兩側具有側墻；同時在第一介質8和鍺硅基區9的兩側也具有側墻^b。所述側墻29a或^b的制造方法為現有工藝，簡單描述如下。首先在硅片表面淀積一層介質四，例如為氧化硅、氮化硅等。接著對所淀積的介質四進行干法反刻，刻蝕終止點為鍺硅基區9或溝槽2中的隔離結構的上表面。刻蝕結束后，在發射極11和第二介質 10的兩側、以及第一介質8和鍺硅基區9的兩側就形成了側墻^aJ9b。第6步，請參閱圖1，在硅片表面淀積第三介質30并進行拋光，接著在第三介質30 中刻蝕通孔，包括與發射極11相接觸的第一通孔12、與鍺硅基區9相接觸的第二通孔13、 以及與第三贗埋層6相接觸的第三通孔14，最后以金屬填充這些通孔。所述第三介質30又稱為層間介質(ILD)，例如為氧化硅、氮化硅、氧化氮化硅或三者的任意組合。所述拋光工藝例如為化學機械研磨等平坦化工藝，將第三介質30的表面拋光平整。以金屬填充通孔例如采用鎢塞工藝。發射極11由第一通孔12中的電極引出。基區9由第二通孔13中的電極引出。集電區7由第一贗埋層4、第二贗埋層5、第三贗埋層6 和第三通孔14中的電極引出。以上僅為本發明的優選實施例，并不用于限定本發明。對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種鍺硅HBT器件，包括有位于溝槽中的隔離結構，其特征是，所述隔離結構往下在襯底中依次形成有三個以上縱向接觸的贗埋層，其中最下方的贗埋層相互之間橫向連接， 最上方的贗埋層與所述隔離結構相接觸且通過接觸孔中的電極引出作為集電極，其余贗埋層則連接最下方和最上方的贗埋層。
2.根據權利要求1所述的鍺硅HBT器件，其特征是，除最下方的贗埋層以外，其余贗埋層在橫向上相互獨立。
3.根據權利要求2所述的鍺硅HBT器件，其特征是，集電區由兩個溝槽中的隔離結構和各個贗埋層所圍成。
4.根據權利要求1所述的鍺硅HBT器件，其特征是，所述溝槽的截面形狀為正梯形，即溝槽頂部開口的寬度小于溝槽底部的寬度。
5.根據權利要求3或4所述的鍺硅HBT器件，其特征是，所述集電區的截面形狀為倒T 型，即集電區底部的寬度大于集電區頂部的寬度，且中間具有向內的凸起。
6.根據權利要求5所述的鍺硅HBT器件，其特征是，最上方的贗埋層與集電區的中間凸起的間距越大，則擊穿電壓越高，特征頻率越低；所述間距越小，則擊穿電壓越低，特征頻率越高。
7.—種鍺硅HBT器件的制造方法，其特征是，包括如下步驟第1步，在襯底上刻蝕溝槽；第2步，在溝槽底部進行多次不同能量的離子注入，形成從溝槽底部往下依次接觸的三個以上的贗埋層，最下方的贗埋層還在橫向上相互連接；第3步，以介質填充溝槽形成隔離結構，并對兩個溝槽之間的襯底進行離子注入形成集電區；第4步，在硅片表面淀積第一介質并刻蝕出基區開口，接著在硅片表面淀積一層鍺硅材料并刻蝕，僅保留集電區之上的鍺硅材料和第一介質；第5步，在硅片表面淀積第二介質并刻蝕出發射極窗口，接著在硅片表面淀積一層多晶硅并刻蝕，僅保留所述基區開口區域之上的多晶硅和第二介質，最后形成側墻；第6步，在硅片表面淀積第三介質并進行拋光，接著在第三介質中刻蝕通孔，包括與發射極相接觸的第一通孔、與第一介質相接觸的第二通孔、以及與第三贗埋層相接觸的第三通孔，最后以金屬填充這些通孔。
8.根據權利要求7所述的鍺硅HBT器件的制造方法，其特征是，所述方法第2步中，按照從下往上的順序依次形成各個縱向相互接觸的贗埋層。
全文摘要
本發明公開了一種鍺硅HBT器件，包括有位于溝槽中的隔離結構，所述隔離結構往下在襯底中依次形成有三個以上縱向接觸的贗埋層，其中最下方的贗埋層相互之間橫向連接，最上方的贗埋層與所述隔離結構相接觸且通過接觸孔中的電極引出作為集電極，其余贗埋層則連接最下方和最上方的贗埋層。本發明通過調節溝槽底部的最上方贗埋層與有源區的邊緣距離決定鍺硅HBT器件的擊穿電壓，實現具有不同擊穿電壓的鍺硅HBT器件。本發明還公開了所述鍺硅HBT器件的制造方法，只需要在形成贗埋層的離子注入步驟中調節注入能量便可以實現，無須增加額外的光刻，也無須額外的光刻掩膜版，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。
文檔編號H01L29/737GK102412287SQ20111034992
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者錢文生 申請人:上海華虹Nec電子有限公司