CN1377065A - 自我对准的双极性结型晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种自我对准的双极性结型晶体管及其制造方法。在半导体基板上形成一第一基极区、一发射极区和一第二基极区,形成各邻近于发射极区的一对氮化硅间隔物,用具有第一导电型的杂质掺杂第一与第二基极区,除去氮化硅间隔物,发射极区形成小于或等于0.30μm的凹槽区去除的间隔物的区域中,用绝缘物填满上述凹槽,用具有第二导电型的杂质掺杂上述发射极区,以形成自我对准的双极性晶体管,不但寄生参量减少,组件大小也被缩小。

Description

自我对准的双极性结型晶体管及其制造方法

本发明是有关于半导体装置。特别地，有关于自我对准的双极性结型晶体管(BJT/bipolar junction transistor)及其制造方法。

一传统的双极性晶体管10显示在图1中。装置被构成在硅基板12上图解地它是P-型。一埋藏的N⁺层14位置在基板12上以及一N-型集极区16位置在埋藏的N⁺层14上。此外，多数场氧化层(FOX)区18被形成在基板上。一N⁺深的连接区20连接基板表面到埋藏的N⁺层14，形成一集极接触。一P-型基极区22被形成在N-型井16中，它构成基极。两个P⁺-型基极接触区24和26被形成在基极22的两侧上。

发射极28包括N⁺掺杂的多晶硅或多晶金属硅化物区30形成在基板的表面上。发射极28也包括N⁺扩散区29。在N⁺多晶硅区30的两侧上有氧化硅间隔物32。两个金属接触36和38连接到P⁺掺杂的基极接触区24和26。一金属接触40连接到深的集极连接区20，与N⁺掺杂的集极埋藏层14连接。一金属接触41连接到发射极28。金属接触36、38、40和41被形成在一层间绝缘(inter-layer-dielectric/ILD)层42的开口中。

整个的结构是一NPN晶体管具有N-型集极16，P-型基极22和N-型发射极28。埋藏的N⁺掺杂层14和N⁺深的连接区20构成一集极接触，而P⁺掺杂区24和26构成一基极接触。因为基极接触区不直接地连接到P-型基极区22，等效上有一寄生电阻R_b串联到双极性晶体管的基极。R_b的值由P⁺扩散片电阻和在基极接触与发射极之间的距离L₁来决定。一般来说，P⁺扩散片电阻不能在不影响到组件特性下被明显地改进。而距离L₁则决定多晶硅射极和接触之间的光学对准偏差、以及金属接触的工艺。如果L₁被缩短，则R_b可以被减小。另一方面，距离L₂是被用来防止基极金属接触区36和38的接触到场氧化层区18。L₁和L₂的存在与基极接触需求将扩大P⁺扩散区24和26(譬如到深度0.3μm和宽度1.4μm)。因此，那里便存在一大的基极到集极电容C_bc；大电容C_bc将大幅地降低双极性晶体管的组件性能(因为C_bc位于双极性晶体管的共射极(common emitter/CE)结构中的输入节点与输出节点之间)。

为了改进双极性结型晶体管的特性，有人提出一具有自我对准的基极接触的双极性结型晶体管10’的制备方法，即如图2所示。使用传统的前段工艺，N⁺掺杂层14被形成在基板12上。并且，N-型集极区16被形成在基板表面上场氧化层18间。利用扩散或离子注入，在N-型井16中形成深的集极连接区20。其次，利用扩散或离子注入形成P基极区22。其后，形成P⁺掺杂多晶硅基极连接54和56。特别地，基极连接54和56是先由沉积一多晶硅层、再使用光刻(photolithography)、以及蚀刻工艺将多晶硅层蚀刻形成。P⁺基极接触区24和26是利用从P⁺掺杂多晶硅基极连接54和56的向外扩散而形成。这构成一自我对准的基极连结由基极22，经过P⁺基极接触区24和26，和经过P⁺掺杂多晶硅区54和56到基极金属接触36和38(它们被形成在ILD沉积之后)。

接下来发射极28是由先沉积一N⁺掺杂多晶硅层，再加以光刻技术与蚀刻工艺，以形成N⁺多晶硅发射极区30。N⁺射极区29是利用从N⁺多晶硅区30的向外扩散N⁺杂质所形成。尔后，形成ILD层42、并经定义接触窗，供做为金属连接之用。然后，形成金属接触36，38，40和41。

最后，形成具有自我对准的基极接触的双极性晶体管10’。因为P型基极22是利用P⁺基极连接54和56做金属接触，P⁺基极接触区24和26可以被做得小于图1传统组件的P⁺基极接触区。因此，集极-基极电容C_bc在图2的装置10’中是小于C_bc在图1的装置10中。寄生电阻R_b也可以利用低电阻P⁺对晶金属硅化物作基极连接而减小。

然而，图2的组件10’仍然有一些缺点。首先，为了获得自我对准的双极性晶体管，两层多晶硅(或多晶金属硅化物)工艺被使用，所以增加了整个制备工艺复杂度。其次，P⁺基极接触区24和26是于N⁺多晶硅区30向外扩散形成N⁺射极区29之前，经过热扩散处理而得。然而，当N⁺多晶硅区30向外扩散形成N⁺射极区29之时，亦将引起P⁺杂质在P⁺区24和26中向外扩散，因此增大P⁺区24和26的大小。因此，可能造成发射极区(区29)到P⁺基极接触区(区24和26)接口的漏电现象。此外，由于在P⁺区24和26大小的增加，C_bc也随之增加。

而且，因为P⁺基极接触区24和26是利用从P⁺基极连接54和56向外扩散所形成，所以只有多晶硅或多晶金属硅化物可以被使用于这些基极连结物。因此，可能导致一大的基极连接电阻。再者，因为发射极宽度(W_E)是等于全部的扩散区域宽度(W₁)减去两个P⁺多晶金属硅化物基极连接的部份宽度(W_p1+W_p2)再减去两倍间隔物宽度(在发射极30和P⁺多晶金属硅化物基极连接54和56之间)，所以发射极宽度不能够精确地被控制，而会影响双极性晶体管组件特性。

为了解决这些缺点，第二种具有一自我对准基极接触的双极性结型晶体管10”结构，即如图3所示。首先，使用传统的前段制备工艺，N⁺层14被形成在基板12上，N-型集极区16被形成，然后，场氧化层(fieldoxide/FOX)区18被形成在基板表面上。接着，利用扩散或离子注入，在N-型井16内形成深的集极连接区20。其后，先沉积一多晶硅层(或多晶金属硅化物)，再利用光刻和蚀刻工艺对多晶硅层(或多晶金属硅化物)成型，形成基极连接区54和56与发射极区28，。

宽度W_E由光刻工艺所决定。发射极区28包括N⁺多晶硅(或多晶金属硅化物)区30形成在基板上和N⁺扩散区29在硅基板中。间隔物32(譬如是氧化间隔物)是位于N⁺多晶硅区30的两侧上。杂质分别地从发射极区30中热扩散以形成N⁺扩散区29，并从基极接触区54与56中热扩散形成P⁺扩散区域24与26。两个金属接触36和38连接到P⁺基极接触区54和56。一第三金属接触40连接到深集极连接区20，与N⁺集极埋层14接触。一第四金属接触41连接到射极28。金属接触36、38、40和41被形成在一ILD层42的开口中。

相较于图2的装置，这多晶硅(多晶金属硅化物)工艺复杂性被减小。然而，前例所描述的一些缺点仍留下。例如，因为多晶硅(多晶金属硅化物)发射极28在同时与P⁺多晶硅(多晶金属硅化物)基极连接54和56一起被成型，一些空间(W_p)必须被保留在这两个区域之间。例如，如果应用一0.35μm双极性晶体管工艺，W_p的大小约为0.4μm。因此，除了R_b之外，有一另外的基极串联电阻R_b’。值得注意的是因为必须保留间隔W_p，P⁺扩散区24和26将被扩大，C_bc因而增加。此外，因为寄生的组件R_b+R_b’和C_bc太大而不能应用在高速电路中。

所以，为了克服现有技术的不足，本发明目的在于提出一种自我对准的双极性晶体管及其制造方法。尤其是，本发明提供一种具自我对准的双极性结型晶体管及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种自我对准的双极性晶体管的制造方法，包括下列步骤：

形成一第一基极区、一发射极区和一第二基极区在半导体基板上；

形成各邻近于发射极区的一对氮化硅间隔物；

用具有第一导电型的杂质掺杂上述第一与第二基极区；

除去上述氮化硅间隔物对；

经过上述发射极区形成凹槽区在去除的间隔物的区域中；

用绝缘物填满上述凹槽；以及

用具有第二导电型的杂质掺杂上述发射极区，以形成自我对准的双极性晶体管。

本发明还涉及一种自我对准的双极性结型晶体管，它包括：

一第一基极区，邻近于第一绝缘层，邻近于一发射极区，邻近于第二层绝缘层，邻近于一第二基极区，

其中上述第一和第二层绝缘层的宽度大体小于或等于0.3μm。

本发明相比现有技术具有如下优点：

运用传统的前段工艺形成一N⁺埋层在基板上。一N-型集极区然后被形成于隔离区之间的基板表面上。使用离子注入形成一深集极连接区于N-井中。其次，使用离子注入形成一P型基极。一未掺杂多晶硅(多晶金属硅化物)层然后被沉积在基板的表面上。其后，一不能被氧化的绝缘层被沉积在未掺杂多晶硅(多晶金属硅化物)层的上方。然后，利用光刻和蚀刻工艺，将绝缘层形成一绝缘射极。然后，在绝缘射极的边壁上形成氮化硅间隔物。除了在绝缘射极和氮化硅的区域以外，利用离子植入将多晶硅(多晶金属硅化物)层用P-型杂质深度掺杂。用热氧化法在P⁺掺杂多晶硅(多晶金属硅化物)层的表面上形成一氧化层，然后除去氮化硅间隔物。最后，再除去发射极区及基极区以外的热成长氧化层。

绝缘射极和热成长的氧化层然被用来当成一罩幕。尔后将未被其保护的P⁺多晶硅(多晶金属硅化物)层蚀刻掉。接着，除去绝缘射极和热成长的氧化层。在P⁺多晶硅(多晶金属硅化物)层和未掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)层之间存在一狭窄的间隙。尔后，用一绝缘物质填满。然后将未掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)区用N-型杂质深度掺杂。接着，加热将杂质从多晶硅(多晶金属硅化物)层中扩散到硅基板。最后，用传统的后段工艺被接着做包括ILD层沉积和平坦化，接触窗开口，金属接线成型等工艺。

该工艺所制成的双极性晶体管，一方面可容易地被制造，另一方面它可减小整个组件大小与减少寄生参量对组件的影响。

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1是图解地显示一传统的双极性晶体管。

图2是图解地显示具有一自我对准的基极接触的第一种传统的双极性晶体管。

图3是图解地显示具有一自我对准的基极接触的第二种传统的双极性晶体管。

图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12是显示根据本发明的实施例用以形成具有自我对准的发射极和基极的双极性晶体管的制备方法。

图号说明

12～基板；14～埋藏的N⁺层；16～N-型集极区/N-型井；18～场氧化层区；20～深的集极连接区；22～基极区；24～P⁺-型基极接触区；26～P⁺-型基极接触区；28～发射极；29～N⁺射极扩散区；30～N⁺多晶硅射极区；32～氧化硅间隔物；34～氧化硅间隔物；36～金属接触；38～金属接触；40～第三金属接触；41～第四金属接触；42～ILD层；54～P⁺多晶硅区/P⁺多晶硅连接层；56～P⁺多晶硅区/P⁺多晶硅连接层；112～基板；114～N⁺层；116～N-型集极区/N-型井；118～隔离区；120～深的集极连结器区；122～P型基极区；124～P⁺扩散区；128～绝缘射极区；129～N⁺射极扩散区；130～多晶硅(多晶金属硅化物)层；131～多晶硅(多晶金属硅化物)射极区；132～氮化硅间隔物；135～热氧化层；137～凹槽；139～绝缘物。

实施例

用以形成本发明的一实施例是显示在图4到图12中。

使用标准的前段工艺，一N⁺层114首先被形成在一硅基板112上如显示在图4中。然后，一N-型集极区(N-型井)116被形成，而将隔离区118(例如场氧化层区)形成在硅基板表面上。使用离子注入形成深集极连接区120于N-井116中。其次，使用离子注入形成P型基极区122。

如显示在图5中，一厚度约为2000埃的未掺杂多晶硅(多晶金属硅化物)层130被沉积在基板的表面上。其次，一厚度约为2000埃不能被氧化的绝缘层被沉积在未掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)层130上。再利用光刻术与蚀刻工艺形成绝缘射极区128。

如显示在图6中，在绝缘射极区128的边壁上形成氮化硅(Si₃N₄/nitride)间隔物132，其厚度在0.3μm到0.1μm或更小的范围。而氮化硅间隔物的形成，是先沉积厚度约为2500埃的一氮化硅层后，施行一非等方向性的氮化硅蚀刻步骤，以获致所欲之间隔物132。然后，多晶硅(多晶金属硅化物)层130以离子注入，用P-型杂质大量地掺杂。显示在图7中的区域131，因为位于绝缘射极区128以及氮化硅间隔物132之下而保持未掺杂。然后，以热氧法成长一氧化层135在P⁺掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)层130的表面上，即如图7所示。此热氧化层135的厚度约为200埃，小于绝缘射极区128的高度。因为氧不能渗入透过氮化硅及绝缘射极，多晶硅(多晶金属硅化物)区131在氮化硅间隔物132及绝缘射极128下方不会成长氧化层。

其次，除去氮化硅间隔物132，即如图8所示。因为在氧化层135和氮化硅间隔物132之间有高蚀刻选择性，故氮化硅间隔物132可容易地去除而不影响氧化层。绝缘射极区128也被选择成有一高的氮化硅蚀刻选择性的物质。除了在射极-基极区上方的氧化层以外，其它部份的氧化层135也被从多晶硅(多晶金属硅化物)层130上方除去。接着，去除氮化硅间隔物132，结果绝缘射极区128与氧化层的剩余部份构成一罩幕，即如图8所示。然后，利用一非等方向性的多晶硅蚀刻未被罩幕保护的部分多晶硅(多晶金属硅化物)层130。在间隔物被除去的区域中，多晶硅(多晶金属硅化物)被除去而显露出细缝137，即如图9所示。然后，除去绝缘射极128和热成长的氧化层135。细缝137已经被蚀刻在未掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)层131和P⁺掺杂多晶硅(多晶金属硅化物)层130之间，然后用一绝缘物例如SiO₂将其填满。结果显示在图10中。

如显示在图11中，未掺杂的多晶硅(多晶金属硅化物)层131将N-型杂质以离子注入深度掺杂。杂质然后被加热地从多晶硅(多晶金属硅化物)层130和131中扩散出，而形成P⁺基极扩散区124和N⁺射极扩散区129。因为P-型杂质的热扩散系数较高于N-型杂质的系数，所以P-型杂质的接口深度会深于N-型杂质的深度。

接着，进行传统的后段工艺。其包括ILD层沉积和平坦化，接触开口，金属沉积和形成金属接线，完成自我对准的双极性晶体管，即如图12所示。

宽度W在N⁺掺杂的发射极131和P⁺掺杂的基极连接物130之间，如显示在图12中，是等于氮化硅间隔物132的宽度(显示在图7中)。宽度W因此容易地被控制。使用上面所描述的发明的方法，一0.3μm或较小的细缝宽度可以被容易地获得，而不必考虑到光学刻设备的能力。另一方面，W应该要足够大以防止N⁺射极扩散区129在N⁺多晶硅(多晶金属硅化物)发射极131之下延伸直接的接触及P⁺基极扩散区124在P⁺多晶硅(多晶金属硅化物)基极连接130之下。这个宽度直接地关系到射极-基极接面崩溃电压和反向接面漏电流。在双极性晶体管装置特性规格的限制之下，W可以被最佳化以减小寄生电阻R_b，寄生电容C_bc，和双极性晶体管组件的整个的大小。

所发明的双极性结型晶体管的制造方法优点之一是它的工艺非常简单。利用使用单一多晶硅(多晶金属硅化物)方法，双极性晶体管组件特性也被改进使其超过图2中的传统组件。这结果归因于组件尺寸小于传统使用两层多晶硅(多晶金属硅化物)方法的双极性晶体管的组件大小的事实。所发明的双极性结型晶体管制造方法的另一优点是组件是可比例化缩小。这是因为自我对准的发射极和基极的制造工艺的本质，整个双极性晶体管容易地被比例缩小。此外，本发明的双极性晶体管组件特性也超过被良好控制的先前技术。这是因为本发明方法制成的射极与基极距离并非由光刻技术所决定。所以，不但寄生电阻R_b和寄生电容C_bc的效应被减少，而且组件大小也被缩小。

最后，虽然本发明已以较佳实施例批露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知本领域技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求的范围结合说明书和附图所界定者为准。

Claims (7)

1.一种自我对准的双极性结型晶体管的制造方法，其特征是：包括下列步骤：

形成一第一基极区、一发射极区和一第二基极区在半导体基板上；

形成各邻近于上述发射极区的一对氮化硅间隔物；

用具有第一导电型的杂质掺杂上述第一与第二基极区；

除去上述氮化硅间隔物对；

经过上述射极区形成凹槽区在去除的间隔物的区域中；

用绝缘物填满上述凹槽；以及

用具有第二导电型的杂质掺杂上述射极区，以形成自我对准的双极性晶体管。

2.如权利要求1所述的自我对准的双极性晶体管的制造方法，其特征是：其中形成上述氮化硅间隔物的步骤包括下列步骤：

沉积一氮化硅层在第一基极区、发射极区和第二基极区上；以及

蚀刻上述氮化硅层，以形成间隔物。

3.如权利要求1所述的自我对准的双极性晶体管的制造方法，其特征是：更进一步包括下列步骤：

在用第一导电型的杂质掺杂上述第一和第二基极区的步骤，和除去上述氮化硅对的步骤之间，成长一氧化层在上述第一和第二基极区上。

4.如权利要求1所述的自我对准的双极性晶体管的制造方法，其特征是：其中上述凹槽的宽度小于或等于0.3μm。

5.如权利要求1所述的自我对准的双极性晶体管的制造方法，其特征是：更进一步包括下列步骤：

形成一集极区在形成一第一基极区、一发射极区和一第二基极区的步骤之前。

6.一种自我对准的双极性晶体管，其特征是：包括：

一第一基极区，邻近于第一绝缘层，邻近于一发射极区，邻近于第二层绝缘层，邻近于一第二基极区，

其中上述第一和第二层绝缘层的宽度大体小于或等于0.3μm。

7.如权利要求6所述的自我对准的双极性晶体管，其特征是：还进一步包括一集极区，并列于上述第二基极区。

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