双极晶体管的集电区和集电区埋层的制造工艺方法 【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 (SiOxNy， 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 14 16 指， n 型杂质可选择磷、 砷、 锑， 离子注入剂量为 1×10 ～ 1×10 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， 14 离子注入剂量一般应小于 1×10 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。