双极性三极管器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双极性三极管器件及其制备方法，该双极性三极管器件包括衬底、外延层和双极性三极管；双极性三极管包括：由轻掺杂的N‑型单晶硅外延层组成的集电区；由掺杂碳原子的P型单晶硅锗合金组成的基区，P型单晶硅锗合金中锗的含量沿第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零；由重掺杂的N+型单晶硅组成的发射区；金属电极，包括集电极、基极和发射极；衬底为重掺杂的P+型单晶硅衬底；外延层包括沿第一方向层叠设置的轻掺杂的P‑型单晶硅外延层和重掺杂的N+型单晶硅外延层，集电区位于在N+型单晶硅外延层上，以使P+型单晶硅衬底与集电区之间形成反向PN结隔离。本实施例的双极性三极管器件具有较高的电流增益以及较好的隔离效果。

【技术实现步骤摘要】
双极性三极管器件及其制备方法
本专利技术属于半导体
，尤其涉及一种双极性三极管器件及其制备方法。
技术介绍
随着半导体制造业的迅速发展，芯片上集成的晶体管的数量越来越多，电路的速度也越来越快。而双极性三极管由于其既具有CMOS工艺的优点，又具有良好的高频性能，并且制备成本低、噪声性能优，成为半导体行业常用的电子器件。现有的双极性三极管一般采用纯硅基区，或以一定比例均匀掺杂的硅锗合金的基区，电流增益不够大，且现有的双极性三极管与其他器件的隔离效果不好。因此，亟需一种可以提高电流增益且隔离效果较好的双极性三极管。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种双极性三极管器件及其制备方法，能够实现双极性三极管器件的较高的电流增益以及较好的隔离效果。一方面，本专利技术提供了一种双极性三极管器件，包括衬底和沿第一方向依次层叠设置在衬底上的外延层和双极性三极管；双极性三极管包括：集电区，由轻掺杂的N-型单晶硅外延层组成；基区，沿第一方向上层叠设置于集电区背离衬底的一侧，基区由掺杂碳原子的P型单晶硅锗合金组成，P型单晶硅锗合金中锗的含量沿第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零；发射区，沿第一方向层叠设置于基区背离衬底的一侧，由重掺杂的N+型单晶硅组成；金属电极，包括集电极、基极和发射极，集电极与集电区电连接，基极与基区电连接，发射极与发射区电连接；衬底为重掺杂的P+型单晶硅衬底，外延层包括轻掺杂的P-型单晶硅外延层和重掺杂的N+型单晶硅外延层，集电区位于在N+型单晶硅外延层上，以使P+型单晶硅衬底与集电区之间形成反向PN结隔离。根据本专利技术的一个方面，进一步包括：第一边缘隔离区，设置在双极性三极管的周侧，第一边缘隔离区包括沿第一方向设置的第一凹槽，第一凹槽由N-型单晶硅外延层延伸至衬底，第一凹槽内填充有多晶硅，第一凹槽的内表面设置有氧化层以包围所述多晶硅。根据本专利技术的一个方面，进一步包括：第二边缘隔离区，在第一方向上第二边缘隔离区位于第一边缘隔离区的背离衬底的一侧，且一部分对应第一边缘隔离区、另一部分位于基区与集电区之间设置；第二边缘隔离区包括沿第一方向设置的第二凹槽，第二凹槽内填充有高密度等离子氧化层，第二凹槽的内表面设置有氧化层以包围高密度等离子氧化层，第二边缘隔离区的背离衬底的表面与集电区齐平。根据本专利技术的一个方面，第一凹槽的深度为6微米～10微米，第二凹槽的深度为0.4微米～0.6微米，第一凹槽内的氧化层的厚度为800埃～1200埃，第二凹槽内的氧化层的厚度为100埃～300埃，多晶硅层的厚度大于第一凹槽的宽度的一半，高密度等离子氧化层的厚度大于第二凹槽的宽度的一半。根据本专利技术的一个方面，第一阈值是P型单晶硅锗合金中锗原子与硅原子的个数比，第一阈值的取值范围为30％～50％。根据本专利技术的一个方面，P型单晶硅锗合金中碳原子的掺杂含量为0.1％～0.2％，掺杂量为碳原子与硅原子的个数比。根据本专利技术的一个方面，基区的单晶硅锗合金的厚度为100埃～300埃，P型单晶硅锗合金的掺杂浓度为1E18cm-3量级。根据本专利技术的一个方面，P+型单晶硅衬底的厚度为600微米～800微米，P-型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，P-型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E16cm-3量级；N+型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，N+型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E19cm-3量级；N-型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，N-型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E16cm-3量级。根据本专利技术的一个方面，双极性三极管还包括：基极引出区，设置在基区和发射区的周侧，且与基区、发射区和集电区电接触，基极设置于基极引出区上，通过基极引出区与基区电连接，基极引出区由具有掺杂浓度梯度的P+型单晶硅组成，基极引出区的厚度为1微米～2微米；发射极引出区，沿第一方向层叠设置在发射区背离衬底的一侧，且与发射极电接触，发射极设置于发射极引出区上，通过发射极引出区与发射区电连接，发射极引出区由N+型多晶硅组成，发射极引出区的厚度为1000埃～3000埃；集电极引出区，设置于集电区的一侧，且集电区的一侧电接触，集电极设置在集电极引出区上，通过集电极引出区与集电区电连接，集电极引出区由具有掺杂浓度梯度的N+型单晶硅组成，集电极引出区的厚度为2微米～4微米。根据本专利技术的一个方面，金属电极的材料包括钛及铜中的至少一种。另一方面，本专利技术实施例提供了一种双极性三极管器件的制备方法，包括：提供P+型单晶硅衬底，并掺杂以在P+型单晶硅衬底上沿第一方向依次形成P-型单晶硅外延层、N+型单晶硅外延层和N-型单晶硅外延层，集电区位于N-型单晶硅外延层内；通过第一光刻工艺和第一掺杂工艺在集电区的一侧进行形成集电极引出区，其中，集电极引出区由具有掺杂浓度梯度的N+型单晶硅组成，以将N+外延层引到N-型单晶硅外延层的表面；在基区对应区域内，进行P型单晶硅锗合金外延生长，并在生长过程中引入碳原子以填补原子间的间隙，其中，P型单晶硅锗合金中锗的含量沿第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零；在发射区对应区域内，进行N+型单晶硅层的外延生长；通过第二光刻工艺和第二掺杂工艺，将部分N-型单晶硅外延层、部分P型单晶硅锗合金外延以及部分N+型单晶硅层形成基极引出区，其中，基极引出区由具有掺杂浓度梯度的P+型单晶硅组成；通过第三光刻工艺，形成基区和发射区；通过第四光刻工艺以及沉积工艺，在发射极引出区对应区域内，在N+型单晶硅外延层上沉积N+型多晶硅层，形成发射极引出区；形成金属电极的制备工艺，金属电极包括集电极、基极和发射极。根据本专利技术的一方面，在基区对应区域内，进行P型单晶硅锗合金外延生长，并在生长过程中引入碳原子以填补原子间的间隙的步骤包括：在硅锗合金高真空UHV-CVD炉中，经过表面氢气钝化后，通过调整硅原子和锗原子的流速，在基区对应区域内形成锗的含量沿第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零的P型单晶硅锗合金外延，并在单晶硅锗合金外延形成过程中引入碳原子，硅锗合金高真空UHV-CVD炉的温度为500℃～800℃。根据本专利技术的一个方面，通过第一光刻工艺和第一掺杂工艺在集电区的周侧进行形成集电极引出区的步骤具体包括：通过第一光刻工艺界定出集电极引出区对应区域；对集电极引出区对应区域的N-型单晶硅外延层在30KeV～70KeV能量、1E14cm-2～1E15cm-2量级的计量下进行浅层砷离子轰击，以及在200KeV～600KeV能量、1E14cm-2～1E15cm-2量级计量下进行深层磷离子轰击，将砷离子和磷离子注入硅片形成N+型掺杂浓度梯度的集电极引出区，之后去除集电极引出区在第一光刻工艺中形成的光刻胶，置于900℃～1000℃下快速退火约20秒～40秒以激活砷离子和磷离子。根据本专利技术的一个方面，通过第二光刻工艺和第二掺杂工艺，将部分N-型单晶硅外延层、部分P型单晶硅锗合金外延以及部分N+型单晶硅层形成基极引出区的步骤包括：通过第二光刻工艺界定出基极引出区对应区域；对基极引出区对应区域的N-型单晶硅外延层、P型单晶硅锗合金以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性三极管器件，其特征在于，包括衬底和沿第一方向依次层叠设置在所述衬底上的外延层和双极性三极管；/n所述双极性三极管包括：/n集电区，由轻掺杂的N-型单晶硅外延层组成；/n基区，沿所述第一方向上层叠设置于所述集电区背离所述衬底的一侧，所述基区由掺杂碳原子的P型单晶硅锗合金组成，所述P型单晶硅锗合金中锗的含量沿所述第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零；/n发射区，沿所述第一方向层叠设置于所述基区背离所述衬底的一侧，由重掺杂的N+型单晶硅组成；/n金属电极，包括集电极、基极和发射极，所述集电极与所述集电区电连接，所述基极与所述基区电连接，所述发射极与所述发射区电连接；/n所述衬底为重掺杂的P+型单晶硅衬底，所述外延层包括沿第一方向依次层叠设置的轻掺杂的P-型单晶硅外延层和重掺杂的N+型单晶硅外延层，所述集电区位于在所述N+型单晶硅外延层上，以使所述P+型单晶硅衬底与所述集电区之间形成反向PN结隔离。/n

【技术特征摘要】
1.一种双极性三极管器件，其特征在于，包括衬底和沿第一方向依次层叠设置在所述衬底上的外延层和双极性三极管；
所述双极性三极管包括：
集电区，由轻掺杂的N-型单晶硅外延层组成；
基区，沿所述第一方向上层叠设置于所述集电区背离所述衬底的一侧，所述基区由掺杂碳原子的P型单晶硅锗合金组成，所述P型单晶硅锗合金中锗的含量沿所述第一方向由零递增至第一阈值后再递减为零；
发射区，沿所述第一方向层叠设置于所述基区背离所述衬底的一侧，由重掺杂的N+型单晶硅组成；
金属电极，包括集电极、基极和发射极，所述集电极与所述集电区电连接，所述基极与所述基区电连接，所述发射极与所述发射区电连接；
所述衬底为重掺杂的P+型单晶硅衬底，所述外延层包括沿第一方向依次层叠设置的轻掺杂的P-型单晶硅外延层和重掺杂的N+型单晶硅外延层，所述集电区位于在所述N+型单晶硅外延层上，以使所述P+型单晶硅衬底与所述集电区之间形成反向PN结隔离。


2.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，进一步包括：
第一边缘隔离区，设置在所述双极性三极管的周侧，所述第一边缘隔离区包括沿所述第一方向设置的第一凹槽，所述第一凹槽由所述N-型单晶硅外延层延伸至所述衬底，所述第一凹槽内填充有多晶硅，所述第一凹槽的内表面设置有氧化层以包围所述多晶硅。


3.根据权利要求2所述的双极性三极管器件，其特征在于，进一步包括：
第二边缘隔离区，在所述第一方向上所述第二边缘隔离区位于所述第一边缘隔离区的背离所述衬底的一侧，且一部分对应所述第一边缘隔离区、另一部分位于所述基区与所述集电区之间设置；
所述第二边缘隔离区包括沿所述第一方向设置的第二凹槽，所述第二凹槽内填充有高密度等离子氧化层，所述第二凹槽的内表面设置有氧化层以包围所述高密度等离子氧化层，所述第二边缘隔离区的背离所述衬底的表面与所述集电区齐平。


4.根据权利要求3所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述第一凹槽的深度为6微米～10微米，所述第二凹槽的深度为0.4微米～0.6微米，所述第一凹槽内的所述氧化层的厚度为800埃～1200埃，所述第二凹槽内的所述氧化层的厚度为100埃～300埃，所述多晶硅层的厚度大于所述第一凹槽的宽度的一半，所述高密度等离子氧化层的厚度大于所述第二凹槽的宽度的一半。


5.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述第一阈值是所述P型单晶硅锗合金中锗原子与硅原子的个数比，所述第一阈值的取值范围为30％～50％。


6.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述P型单晶硅锗合金中碳原子的掺杂含量为0.1％～0.2％，所述掺杂量为所述碳原子与所述硅原子的个数比。


7.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述基区的所述单晶硅锗合金的厚度为100埃～300埃，所述P型单晶硅锗合金的掺杂浓度为1E18cm-3量级。


8.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述P+型单晶硅衬底的厚度为600微米～800微米，所述P-型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，所述P-型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E16cm-3量级；所述N+型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，所述N+型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E19cm-3量级；所述N-型单晶硅外延层的厚度为2微米～4微米，所述N-型单晶硅外延层的掺杂浓度为1E16cm-3量级。


9.根据权利要求1所述的双极性三极管器件，其特征在于，所述双极性三极管还包括：
基极引出区，设置在所述基区和所述发射区的周侧，且与所述基区、发射区和集电区电接触，所述基极设置于所述基极引出区上，通过所述基极引出区与所述基区电连接，所述基极引出区由具有掺杂浓度梯度的P+型单晶硅组成，所述基极引出区的厚度为1微米～2微米；
发射极引出区，沿所述第一方向层叠设置在所述发射区背离所述衬底的一侧，且与所述发射极电接触，所述发射极设置于所述发射极引出区上，通过所述发射极引出区与所述发射区电连接，所述发射极引出区由N+型多晶硅组成，所述发射极引出区的厚度为1000埃～3000埃；
集电极引出区，设置于所述集电区的一侧，且所述集电区的一侧电接触，所述集电极设置在所述集电极引出区上，通过所述集电极引出区与所述集电区电连接，所述集电极引出区由具有掺杂浓度梯度的N+型单晶硅组成，所述集电极引出区的厚度为2微米～4微米。


10.根据权利要求1所述的双极性三...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙澜，章剑锋，刘宗华，
申请(专利权)人：瑞能半导体科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36