专利名称：垂直bjt及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直BJT (双极结晶体管)及其制造方法。
技术背景通常，图像传感器是将光学图像转换成电信号的半导体器件。图像传感 器可以是电荷耦合器件(CCD)图像传感器，其中单个金属氧化物半导体 (MOS)电容器相互靠近以使电荷载流子充入电容器或从电容器释放。互补 金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器使用开关模式通过提供与像素数目 相对应的MOS晶体管而对输出进行连续检测。CMOS技术可以集成例如控 制电路和信号处理电路的外围器件至传感器中。CMOS图像传感器可以在每 个单元像素中包括光电二极管和MOS晶体管，以检测开关模式中的信号并 形成图像。根据现有技术，在如上面描述的CMOS图像传感器的制造工艺中，NPN 器件可以通过在外延层上应用CMOS工艺而制造。如图1和图2所示，在垂 直NPNBJT器件中，在衬底100上形成深N阱层102，在深N阱层102上 形成P阱112和N阱110。在P阱112中形成N型发射极E和P型基极B， 在N阱110中形成N型集电极C。为了使它们相互之间隔离，在发射极E、 基极B和集电极C之间形成浅沟槽隔离(STI)区域120。注入高密度N型 离子的发射极接触区域126和集电极接触区域130，以及注入P型离子的基 极接触区域128，分别形成在发射极区域、集电极区域和基极区域的上面部 分之上。深N阱层102允许电子从N型发射极E流向N型集电极C。这样，在 常规有源模式中就会产生垂直集电极电流IC。在双极结晶体管(BJT)器件 中，集电极电流IC与基极电流IB的比率(也就是IC/IB)被当作共发射极 电流增益(e)，并且该比率是判定器件DC性能的重要因素。由于单个寧 极层的厚度和宽度由制造工艺而定，因此并不能通过所述CMOS工艺得到所 述垂直BJT器件的最佳电流增益。 发明内容实施例涉及垂直双极结晶体管(BJT)，该垂直双极结晶体管与光电二 极管区域结合，可以实现最大电流增益。实施例涉及的垂直双极结晶体管，包括第一和第二集电极区域，位于不 同外延层中；发射极区域，插入在第一和第二集电极区域间；基极区域，形 成在第一集电极区域和发射极区域、以及第二集电极区域和发射极区域之 间。实施例涉及垂直双极结晶体管的制造方法。该方法包括制备衬底；通过 注入第一掺杂型离子至衬底中而形成第一集电极区域；在衬底上形成第一外 延层，以及注入第二掺杂型杂质至第一外延层中；通过注入第一掺杂型离子 至第一外延层中而形成连接至第一集电极区域的第一集电极连接区域；通过 注入第一掺杂型离子至第一外延层中而形成发射极区域；在第一外延层上形 成第二外延层，并形成浅沟槽隔离区域；通过注入第二掺杂型杂质至第二外 延层中而形成p阱，以及通过注入第一掺杂型杂质至p阱中而形成连接至第 一集电极连接区域的第二集电极连接区域，和连接至发射极区域的发射极连 接区域；通过注入第一掺杂型离子至第二外延层而形成第二集电极区域、连 接至第二集电极区域的集电极接触区域、以及位于发射极区域上的发射极接 触区域；通过注入第二掺杂型离子至第二外延层中而形成基极接触区域。由于BJT可以与光电二极管一起形成，并且集电极电流基于双基极结构 而向上和向下流动，所以可以增加电流的幅度。与相似尺寸的现有BJT相比， 在实施例中的BJT可以获得相对更大的电流增益。
图1是示出现有的垂直NPNBJT器件的平面视图。图2是示出图1中现有的垂直NPNBJT器件的剖面视图。图3是示出根据实施例的光电二极管区域和BJT区域的剖面视图。图4A至4N是顺序示出根据实施例制造BJT的步骤的剖面视图。 -.
具体实施方式
如图3中所示，在光电二极管区域中，在形成于半导体衬底之上的第一 外延层200中形成红色光电二极管区域252。生长第二外延层210，并且通 过注入P型离子至第二外延层210中来形成第二 P型外延层210。通过注入 高浓度离子至第二 P型外延层210中来形成第一插栓254以连接第二 P型外 延层210至红色光电二极管区域252，用以发送信号。在第二 P型外延层210上形成光致抗蚀剂层图案后，通过部分地注入离 子至第二P型外延层210中，而在第二P型外延层210中形成绿色光电二极 管区域256，在包括绿色光电二极管区域256的第二 P型外延层210上生长 第三外延层220，在第三外延层220中形成STI区域260以定义有源区域。在第三外延层220上形成光致抗蚀剂层图案后，将离子注入到第三外延 层220中，从而在第三外延层220中形成第二插栓258。应用阱工艺，在包 括STI260的第三P型外延层220上形成光致抗蚀剂层图案，进行离子注入 以在连接至红色光电二极管区域252的第一插栓254之上形成第二插栓258。 这样，第二插栓258可以连接至绿色光电二极管区域256。在第三P型外延层220上形成光致抗蚀剂层图案后，注入离子至第三P 型外延层220中，从而形成蓝色光电二极管区域259。红、绿和蓝色光电二 极管区域252、 256和259垂直排列，从而形成一个像素。在NPNBJT制造工艺中，于形成红色光电二极管区域252的步骤中，在 第一 P型外延层200中形成第一 N型集电极区域202;于形成第一插栓254 的步骤中，形成第一N型集电极连接区域212;于形成绿色光电二极管区域 256的步骤中，形成N型发射极区域214。发射极区域214水平延伸，以使 发射极区域214的预定部分与第一集电极区域202在纵向方向上交叠。在形成第二插塞258的步骤中，形成第二集电极连接区域222a以连接 第一集电极连接区域212至上面的层。同时可以形成发射极连接区域222b 以连接发射极区域214至上面的层。在形成蓝色光电二极管区域259的步骤中，在发射极连接区域222b上 形成N型发射极接触区域226，形成N型集电极接触区域225和第二集电极 区域224以接触第二集电极连接区域222a，第二集电极区域224的预定部分 与第一集电极区域202和发射极区域214在纵向方向的水平交叠。
在发射极区域214和第二集电极区域224上形成附加的光致抗蚀剂层图 案后，形成P型基极接触区域228。在发射极E、基极B和集电极C之间形 成STI区域260以相互隔离它们。连接基极区域至第二 P型外延层210，以 及第三P型外延层220，从而形成双基极结构。因此，将电子注入分别排列 在发射极214之上和之下的第二集电极区域225和第一集电极区域202中。在NPNBJT中，集电极电流IC和基极电流IB的比率(也就是IC/IB) 被当作共发射极电流增益(e)。由于集电极电流根据实施例的双基极结构 而向上和向下流动，所以可以增加电流的幅度。与相似尺寸的现有BJT相比， 在实施例中的BJT可以获得相对更大的电流增益。如图4A中所示，制备半导体衬底或在半导体衬底上生长第一外延层 200a。如图4B中所示，将P型离子，例如硼离子，注入到第一外延层200a 中，形成第一P型外延层200。如图4c中所示，形成第一光致抗蚀剂层图案281，该第一光致抗蚀剂层 图案281具有暴露第一 P型外延层200的一部分的开口。以几十KeV的能 量将N型离子，例如砷离子，注入到第一P型外延层200中，从而形成第一 集电极区域202和红色光电二极管252 (见图3)。然后，移除第一光致抗 蚀剂层图案281。如图4D中所示，在第一 P型外延层200和第一集电极区域202上形成 第二外延层210a。如图4e中所示，形成第二光致抗蚀剂层图案282，该第二 光致抗蚀剂层图案282具有暴露第二外延层210a的一部分的开口。以几百 至几千KeV的能量将N型离子，例如砷离子，注入到第二外延层210a中， 从而形成第一集电极连接区域212和第一插栓254 (见图3)。然后，移除 第二光致抗蚀剂层图案282。如图4F中所示，将P型离子，例如硼离子，注入到第二外延层210a的 表面中，形成第二P型外延层210。如图4G中所示，形成第三光致抗蚀剂 层图案283，该第三光致抗蚀剂层图案283具有暴露第二 P型外延层210的 一部分的开口。以几十KeV的能量将N型离子，例如砷离子，注入到第二 外延层210中，从而形成发射极区域214和绿色光电二极管256 (见图3)。 然后，移除第三光致抗蚀剂层图案283。 ，如图4H中所示，在第二 P型外延层210上形成第三外延层220，其中
发射极区域214形成于该第二P型外延层210中。如图4I中所示，STIs260， 它们作为隔离区域，在第三外延层220中形成。如图4J中所示，形成第四光致抗蚀剂层图案284，该第四光致抗蚀剂层 图案284具有暴露第三外延层220的一部分的开口 。将P型离子注入到第三 外延层220中，从而形成P阱221。然后，移除第四光致抗蚀剂层图案284。如图4K中所示，形成第五光致抗蚀剂层图案285，该第五光致抗蚀剂 层图案285具有暴露第三外延层220的一部分的开口 。以儿百至几千KeV的 能量将N型离子，例如砷离子，注入到第三外延层220中，从而形成第二集 电极连接区域222a、发射极连接区域222b和第二插栓(见图3)。然后， 移除第五光致抗蚀剂层图案285。如图4L中所示，形成第六光致抗蚀剂层图案286，该第六光致抗蚀剂层 图案286具有暴露第三外延层220的一部分的开口 。将N型离子注入到第三 外延层220中，在发射极连接区域222b上形成发射极接触区域226，同时在 P阱221上形成第二集电极区域225和集电极接触区域224，以及蓝色光电 二极管259 (见图3)。然后，移除第六光致抗蚀剂层图案286。如图4M中所示，形成第七光致抗蚀剂层图案287，该第七光致抗蚀剂 层图案287具有暴露第三外延层220的一部分的开口 。将P型离子部分地注 入到第三外延层220中，从而形成基极接触区域228。其结果，如图4N中 所示，就可以应用光电二极管工艺而形成具有双基极结构的NPNBJT。然后， 移除第七光致抗蚀剂层图案287。在NPNBJT实施例中，由于集电极电流根据实施例的双基极结构而向上 和向下流动，所以可以增加电流的幅度。与相似尺寸的现有BJT相比，在实 施例中的BJT可以获得相对更大的电流增益。根据垂直BJT实施例，由于BJT可以与光电二极管一起形成，并且集电 极电流基于双基极结构而向上和向下流动因此，所以可以增加电流的幅度。 与相似尺寸的现有BJT相比，在实施例中的BJT可以获得相对更大的电流增、,对本领域技术人员来说，显然可以在公开的实施例中做出各种各样的改 进和变化。因此，公开的实施例应该涵盖明显和显然的改进和变化，设定它 们落在随附的权利要求和它们的等同范围之内。
权利要求
1、一种设备，包括第一和第二集电极区域，位于不同的外延层中；发射极区域，位于该第一和第二集电极区域之间；以及基极区域，位于该第一集电极区域、该第二集电极区域和该发射极区域之间。
2、 根据权利要求1所述的设备，其中该第一集电极区域、该发射极区 域和该第二集电极区域分别形成在第一、第二和第三外延层上。
3、 根据权利要求1所述的设备，其中该第一集电极区域、该发射极区 域和该第二集电极区域是第一掺杂类型，以及该基极区域是第二掺杂类型。
4、 根据权利要求3所述的设备，其中该第一掺杂类型通过注入N型离 子而获得，以及该第二掺杂类型通过注入P型离子而获得。
5、 根据权利要求1所述的设备，其中该第一和第二集电极区域是通过 第一掺杂集电极区域互连的。
6、 根据权利要求2所述的设备，其中连接至该发射极区域的发射极接 触区域、连接至该第一和第二集电极区域的集电极接触区域、以及连接至该 基极区域的基极接触区域形成在该第三外延层中。
7、 根据权利要求1所述的设备，其中该第一集电极区域、该发射极区 域和该第二集电极区域水平延伸，并且该第一集电极区域的预定部分、该发 射极区域的预定部分和该第二集电极区域的预定部分在纵向方向上相互交 叠在该衬底上。
8、 一种方法，包括制备衬底；通过注入第一惨杂型离子至该衬底中形成第一集电极区域； 在该衬底上形成第一外延层，以及注入第二掺杂型杂质至该第一外延层中；通过注入第一掺杂型离子至该第一外延层中，形成连接至该第一集电极 区域的第一集电极连接区域；通过注入第一掺杂型离子至该第一外延层中形成发射极区域； 在该第一外延层上形成第二外延层并形成浅沟槽隔离区域；通过注入第二掺杂型离子至该第二外延层中形成p阱，以及通过注入第 一掺杂型杂质至该p阱中，形成连接至该第一集电极连接区域的第二集电极 连接区域，和连接至该发射极区域的发射极连接区域；通过注入第一掺杂型离子至该第二外延层中而形成第二集电极区域、连 接至该第二集电极区域的集电极接触区域、以及位于该发射极区域上的发射 极接触区域；以及通过注入第二掺杂型离子至该第二外延层中形成基极接触区域。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中该第一集电极区域、该发射极区 域和该第二集电极区域水平延伸，以使该第一集电极区域的预定部分、该发 射极区域的预定部分和该第二集电极区域的预定部分在纵向方向上相互交 叠在该衬底上。
10、 根据权利要求8所述的方法，其中在该第一集电极区域和该发射极 区域之间，以及在该第二集电极区域和该发射极区域之间形成基极区域。
11、 根据权利要求8所述的方法，其中第一掺杂型离子是N型离子，以 及第二掺杂型离子是P型离子。
12、 根据权利要求8所述的方法，包括光电二极管区域和双极结晶体管 区域的制造，其中，所述形成第一集电极区域包括形成红色光电二极管； 所述形成第一集电极连接区域包括形成连接至该红色光电二极管的第 一插栓；所述形成发射极区域包括形成绿色光电二极管； 所述形成阱包括形成第二插栓；以及 所述形成第二集电极区域包括形成蓝色光电二极管。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中该第一集电极区域、该发射极 区域和该第二集电极区域水平延伸，以使该第一集电极区域的预定部分、该 发射极区域的预定部分和该第二集电极区域的预定部分在纵向方向上相互 交叠在该衬底上。
14、 根据权利要求12所述的方法，其中在该第一集电极区域和该发射 极区域之间，以及在该第二集电极区域和该发射极区域之间形成基极区域，并使该基极区域连接至该基极接触区域。
全文摘要
一种在光电二极管区域具有最大电流增益的垂直BJT及其制造方法，该垂直BJT包括第一和第二集电极区域，位于不同外延层；发射极区域，插入在第一和第二集电极区域间；基极区域，形成在第一集电极区域和发射极区域、以及第二集电极区域和发射极区域上。根据实施例，由于BJT可以与光电二极管一起形成，并且集电极电流基于双基极结构而向上和向下流动，所以可以增加电流的幅度。
文档编号H01L27/146GK101132021SQ20071014240
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年8月22日
发明者秀 林 申请人:东部高科股份有限公司