本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体三极管及其制造方法。
背景技术
目前，半导体三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的pn结，两个pn结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有pnp和npn两种，相比较来说npn管的电流放大能力更强。
三极管是从三个区引出相应的电极，分别为基极b、发射极e和集电极c，且三极管有以下重要的电性参数：
1、集电极与基极之间的反向击穿电压，其与集电区的结深及掺杂浓度直接相关。
2、集电极与发射极之间的反向击穿电压，其与基区有效结深存在相关性。
3、发射极与集电极之间的饱和压降，此参数直接关系到三极管的驱动能力。
由于三极管应用非常广泛，不仅常常以分立器件的形式被制造出来，还经常被集成到集成电路之中，因此如何优化三级管的以上电性参数，一直是半导体器件研究需要克服的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种半导体三极管，能提高器件的集电极与基极之间、集电极与发射极之间的反向击穿电压，同时能得到比传统工艺更低的集电极发射极之间的饱和压降，也增强了三极管的放大性能。
为解决上述背景技术中的技术问题，一方面，本发明提供以下技术方案来实现。
一种半导体三极管，其包括第一导电类型的衬底、形成在所述衬底上的第二导电类型的埋层、形成在所述埋层与所述衬底上且第二导电类型的外延层、与所述埋层相连且形成所述外延层的第一注入区、形成在所述外延层且具有第一导电类型的第二注入区、形成在所述第二注入区且具有第二导电类型的第三注入区、形成在所述第一注入区的第一电极、形成在所述第二注入区的第二电极及形成在所述第三注入区的第三电极，所述第一注入区注入有至少两种物质形成第一晶格缺陷，所述第一注入区内的外延层具有第二晶格缺陷。
本发明提供的一种半导体三极管的有益效果为：通过在所述衬底上形成埋层，在所述第一上表面形成第一注入区并形成所述外延层，所述第一电极、第二电极及第三电极分别形成于所述第一注入区、第二注入区及第三注入区上表面，在本发明中所述第一注入区与所述外延层可以同时形成，这样简化了制备工艺也可以获得放大性能较好及耐压性能高的半导体三极管，同时也降低了制造工艺成本。
另一方面，本发明还提供一种半导体三极管的制造方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：提供一个衬底；
步骤2：在所述衬底上形成埋层；
步骤3：在所述埋层进行光刻，接着先注入第一类型物质，再注入第二类型物质形成第一晶格缺陷；
步骤4：在所述衬底上形成具有第二晶格缺陷的外延层，同时形成所述第一注入区；
步骤5：在所述外延层内形成第二注入区；
步骤6：在所述第二注入区形成第三注入区；
步骤7：在所述第三注入区进行介质层的生长及回流；
步骤8：在所述介质层进行金属层生长形成所述半导体三极管的第一电极、第二电极及第三电极。
本发明中通过在所述埋层20进行光刻，依次注入所述第一类型物质及所述第二类型物质，且所述第二类型物质的注入浓度和能量均大于所述第一类型物质的注入浓度和能量形成第一晶格缺陷，在外延生长后所述外延层及所述第一注入区同时形成，且所述第一注入区内的外延层具有第二晶格缺陷，使杂质离子在所述第一注入区可以均匀扩散，在无第二晶格缺陷的所述外延层进行光刻形成第二注入区，增强了所述半导体三极管的耐压性能，节省了制造成本。
附图说明
图1为本发明半导体三极管的结构示意图；
图2至图10为本发明半导体三极管的制造过程的示意图；
图11为本发明半导体三极管的制造方法的流程图。
图中：半导体三极管1；衬底10；埋层20；光刻胶30；第一光刻胶31；第二光刻胶32；第三光刻胶33；外延层40；第一外延层401；第二外延层402；第一注入区41；第一类型物质411；第二类型物质412；第二注入区42；第三注入区43；氧化层50；第一氧化层51；第二氧化层52；第三氧化层53；第四氧化层54；介质层60；第一介质层61；第二介质层62；第三介质层63；第四介质层64；第一接触孔65；第一金属层651；第二接触孔66；第二金属层661；第三接触孔67；第三金属层671；第一电极70；第二电极80；第三电极90。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
参阅图1，一种半导体三极管1，其包括第一导电类型的衬底10、形成在所述衬底10上的第二导电类型的埋层20、形成在所述埋层20与所述衬底10上且第二导电类型的外延层40、与所述埋层20相连且形成所述外延层40的第一注入区41、形成在所述外延层40且具有第一导电类型的第二注入区42、形成在所述第二注入区42且具有第二导电类型的第三注入区43、形成在所述第一注入区41的第一电极70、形成在所述第二注入区42的第二电极80及形成在所述第三注入区43的第三电极90，所述第一注入区41注入有至少两种物质形成第一晶格缺陷，所述第一注入区41内的外延层40具有第二晶格缺陷。
通过在所述衬底10上形成所述埋层20，在所述埋层20上表面形成所述外延层40并形成第一注入区41，所述第一电极70、第二电极80及第三电极90分别形成于所述第一注入区41、第二注入区42及第三注入区43上表面，在本发明中所述第一注入区41与所述外延层40可以同时形成，这样简化了制备工艺也可以获得放大性能较好及耐压性能高的半导体三极管1，同时也降低了制造工艺成本。
进一步的，所述两种物质为第一类型物质411及第二类型物质412，所述第一类型物质411为磷离子，第二类型物质412为硅离子和氩气，且所述第二类型物质412的注入能量和浓度均大于所述第一类型物质411。
进一步的，所述半导体三极管1还包括多个位于所述外延层40上表面的氧化层50，所述氧化层50包括第一氧化层51、第二氧化层52、第三氧化层53及第四氧化层54，所述第一电极70、第二电极80及第三电极90分别被第一氧化层51、第二氧化层52、第三氧化层53及第四氧化层54的相邻两氧化层部分包裹。
可以理解，所述第一注入区41位于所述第三氧化层53与所述第四氧化层54之间的下表面，同样的，所述第二注入区42位于所述第一氧化层51与所述第二氧化层52之间的下表面，所述第三注入区43位于所述第二氧化层52与所述第三氧化层53之间的下表面，氧化层起到保护所述外延层40的作用，便于光刻和刻蚀的制备工艺。
进一步的，所述半导体三极管1还包括多个分别位于所述第一电极70、第二电极80及第三电极90两侧的介质层60，所述第一电极70、第二电极80及第三电极90间隔设置。
可以理解，所述介质层60包括第一介质层61、第二介质层62、第三介质层63及第四介质层64，所述第一电极70位于所述第三介质层63与所述第四介质层64之间，同样的，所述第二电极80位于所述第一介质层61与所述第二介质层62之间，所述第三电极90位于所述第二介质层62与所述第三介质层63之间，通过引入所述介质层60使所述第一电极70,、第二电极80及第三电极90间隔分开保护三电极和隔离的作用。
本发明提供一种半导体三极管1，通过在所述衬底10上形成埋层20，在所述埋层20上表面形成所述外延层40并形成所述第一注入区41，所述第一电极70、第二电极80及第三电极90分别形成于所述第一注入区41、第二注入区42及第三注入区43上表面，在本发明中所述第一注入区41与所述外延层40可以同时形成，这样简化了制备工艺也可以获得放大性能较好及耐压性能高的半导体三极管1，同时也降低了制造工艺成本。
参阅图2至图11，本发明还提供一种半导体三极管1的制造方法，包括如下工艺步骤：
步骤1：提供一个衬底10；
具体的，请参阅图2，提供一个第一导电类型的衬底10，所述衬底10的材料可以是硅或锗，在本实施方式中，选用高纯度硅作为衬底的材料，如此，便于实现，且可以降低成本。
步骤2：在所述衬底10上形成埋层20；
具体的，请再次参阅图2，形成所述埋层20的过程可以为：先在所述衬底10上形成刻蚀阻挡层(图未示)，然后在刻蚀阻挡层上形成光刻胶层30，之后采用具有所述埋层20图形的掩膜版对所述光刻胶层30进行曝光，再进行显影，得到具有所述埋层20图形的光刻胶30。以具有所述埋层20图形的光刻胶30为掩膜，采用反应离子刻蚀法等刻蚀方法，在刻蚀阻挡层上刻蚀形成所述埋层20的图形开口(图未示)。然后以具有所述埋层20图形开口的刻蚀阻挡层为掩膜，采用湿法刻蚀或干法刻蚀等方法，去除未被刻蚀阻挡层覆盖的所述衬底10区域，进而在所述衬底10上形成所述埋层20。此后可采用化学清洗等方法去除光刻胶30和刻蚀阻挡层。在上述过程中，为了保证曝光精度，还可在光刻胶层和刻蚀阻挡层之间形成抗反射层。本实施方式中，传统工艺注入的杂质为锑元素，而砷和磷均比锑导电性能好，因此需要注入的能量相对较低。所述衬底10上表面注入的杂质选用砷或磷，注入第二导电类型的浓度在1e15/cm2～1e16/cm2之间，注入的能量在50kev～100kev之间，如此减少了所述第一注入区41与所述第二注入区42的饱和压降。
可以理解，通过在所述衬底10上光刻形成所述埋层20，本实施方式中以纵向npn管为例，若没有所述埋层20，纵向npn管的电流会横向从所述第二注入区42流向所述第一注入区41。若有所述埋层20，因为所述第二注入区42到所述第一注入区41的纵向距离比横向距离短，所以电流就会纵向流到所述埋层20，这样所述第一电极70的串联电阻减少，即电流由原来的横向变成纵向，从而增强了后续形成所述第一电极70的电流放大系数。
步骤3：在所述埋层20进行光刻，接着先注入第一类型物质411，再注入第二类型物质412形成第一晶格缺陷；
具体的，请参阅图3，先去除所述埋层20表面的光刻胶，再进行所述埋层20的高温推进，由于砷和磷均比锑的扩散温度低，因此推进温度低于传统工艺，通常温度在1100℃～1200℃之间，形成所述埋层20的结深在0.5微米～3微米之间。所述第一注入区41的光刻过程为：先在所述埋层20上形成刻蚀阻挡层，然后在刻蚀阻挡层上形成光刻胶30，之后采用具有所述第一注入区41图形的掩膜版对所述光刻胶30进行曝光，再进行显影，得到具有所述第一注入区41图形的光刻胶30。以具有所述第一注入区41图形的光刻胶30为掩膜，采用反应离子刻蚀法等刻蚀方法，在刻蚀阻挡层上蚀刻形成所述第一注入区41的图形开口(图未示)。然后以具有所述第一注入区41图形开口的刻蚀阻挡层为掩膜，采用湿法刻蚀或干法刻蚀等方法，去除未被刻蚀阻挡层覆盖的所述埋层20区域，进而在所述埋层20上形成所述一定厚度的第一注入区41。此后可采用化学清洗等方法去除光刻胶30和刻蚀阻挡层。在上述过程中，为了保证曝光精度，还可在光刻胶层和刻蚀阻挡层之间形成抗反射层。
进一步的，进行所述第一注入区41的第一次注入及第二次注入，本实施方式中，第一次注入第一类型物质411为磷离子，注入的能量在30kev～100kev之间，注入的浓度在1e15/cm2～1e16/cm2之间，第二次注入第二类型物质412为硅离子，同时通入氩气，注入的能量在100kev～300kev之间，注入的剂量在1e16/cm2～1e18/cm2之间。
可以理解，在所述埋层20上进行所述第一注入区41的光刻，进行所述第一注入区41的第一次注入，再进行所述第一注入区41的第二次注入，由于第二次注入与第一次注入的物质类型不同，且第二次注入的浓度和能量均大于第一次注入。在本实施方式中，第一次注入磷离子，第二次注入硅离子，第一次向所述第一注入区41高浓度高能量注入形成晶体，接着第二次向所述第一注入区41注入浓度和能量均比第一次注入浓度和能量高，在高温状态下，通入氩气可以隔离氧气防止磷和硅被氧化和阻止多晶硅的晶格被修复，形成第一晶格缺陷，即在经过高能量和剂量的离子注入之后，硅表面会产生非常多的缺陷，在有晶格缺陷的硅片表面低温外延生长，则缺陷区域形成的外延层为多晶硅而非单晶硅，多晶硅扩散系数远高于单晶硅的特性，所述第一注入区41表面将被第二次注入带来大量的晶格损伤和缺陷，直至非晶化，这样可以降低外延后的热扩散温度，减小杂质的横向扩散，提升后续第一电极70的导电性能。
步骤4：在所述衬底10上形成具有第二晶格缺陷的外延层40，同时形成所述第一注入区41；具体的，请参阅图4，在所述衬底10上进行所述外延层40的生长并形成第一外延层401和第二外延层402，所述第一外延层401形成于所述第一注入区41内，所述第二外延层402形成于所述埋层20并与所述第一注入区41相连。
进一步的，请再次参阅图4，去除光刻胶30和表面氧化层50，进行低温外延生长，在本实施方式中，所述衬底10为高纯度的硅材料，在单晶衬底10上生长一层跟所述衬底10具有相同晶格排列的单晶材料，所述外延层40可以是同质外延层，也可以是异质外延层。本实施例中优选异质外延层，即所述衬底10为第一导电类型，形成的所述外延层40为第二导电类型，在其他实施方式中，所述衬底10为第二导电类型，所述第一外延层40为第一导电类型，当然也可以是导电类型相同。同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延，超高真空化学气相沉积，常压及减压外延等，本实施方式中优选低压外延，所述外延层40形成于所述衬底10上表面，温度控制在800℃～1100℃之间，由于所述第一注入区41上表面存在大量的第一晶格缺陷，因此所述第一注入区41内杂质也会在高温状态下扩散，使所述第一注入区41的面积增大。
可以理解，外延生长形成的所述第一外延层401的晶格是错乱的，即为第二晶格缺陷，接近于多晶状态，而所述外延层40生长形成的正常区域不存在晶格缺陷，生长形成的所述第二外延层402是正常的无晶格缺陷的晶体状态。在本实施方式中，由于杂质离子在多晶硅中的扩散速度远高于硅中的扩散速度，所以在外延结束时，所述第一注入区41表面生长出来的所述第一外延层401内已经被底部的磷或砷充分扩散，成为高掺杂的多晶硅，多晶硅导电性能较好，此时所述第一注入41区的面积也会增大，从而增强了所述第一注入区41的耐压性能，所述第二外延层402呈晶体状态，便于后续制备工艺。
步骤5：在所述外延层40内形成第二注入区42；
具体的，请参阅5，在所述第二外延层402上表面涂覆光刻胶层(图未示)，进行第二注入区42的曝光，在本实施方式中，进行所述第二注入区42的光刻和刻蚀的过程为：在所述第二外延层402上形成刻蚀阻挡层，然后在刻蚀阻挡层上形成光刻胶层，之后采用具有所述第二注入区42图形的掩膜版对所述光刻胶层进行曝光，再进行显影，得到具有所述第二注入区42图形的光刻胶层。以具有所述沟槽2图形的光刻胶层为掩膜，采用反应离子刻蚀法等刻蚀方法，在刻蚀阻挡层上刻蚀形成所述第二注入区42的图形开口。然后以具有所述第二注入区42图形开口的刻蚀阻挡层为掩膜，采用湿法刻蚀或干法刻蚀等方法，去除未被刻蚀阻挡层覆盖的所述第二外延层402区域，进而在所述第二外延层42内形成所述第二注入区42。此后可采用化学清洗等方法去除光刻胶层和刻蚀阻挡层。在上述过程中，为了保证曝光精度，还可在光刻胶层和刻蚀阻挡层之间形成抗反射层。在本实施方式中，向所述第二注入区42中注入第一导电类型，注入的剂量在1e13/cm2～5e14/cm2之间，而第二注入区42扩散的温度在1000℃～1100℃之间，扩散的过程中，所述第二注入区42外侧第二导电类型的杂质也会沿水平方向向所述第一注入区41中扩散。
需要说明的是，在本实施例中，高温扩散的同时所述外延层40及所述第二注入区42上表面均被氧化形成氧化层50，由于所述第一注入区41的横向扩散距离远小于纵向扩散距离，所以所述第一注入区41与所述第二注入区42之间的距离为所述外延层40厚度的1-2倍之间，再进行所述第二注入区42的高温扩散，而所述第二注入区42的结深基本决定了半导体三极管1的电流放大倍数。
步骤6：在所述第二注入区42形成第三注入区43；
具体的，请参阅6，在所述第二注入区42上涂覆光刻胶30，所述光刻胶30，进行所述第三注入区43的曝光，在本实施方式中，进行所述第三注入区43光刻和刻蚀的过程为：在所述第二注入区42上形成刻蚀阻挡层，然后在刻蚀阻挡层上形成光刻胶30，之后采用具有所述第三注入区43图形的掩膜版对所述光刻胶层30进行曝光，再进行显影，得到具有所述第三注入区43图形的光刻胶层30。以具有所述第三注入区43图形的光刻胶30为掩膜，采用反应离子刻蚀法等刻蚀方法，在刻蚀阻挡层上蚀刻形成所述第三注入区43的图形开口。然后以具有所述第三注入区43图形开口的刻蚀阻挡层为掩膜，采用湿法刻蚀或干法刻蚀等方法，去除未被刻蚀阻挡层覆盖的所述第二注入42区域，进而在所述第二注入区42内形成所述第三注入区43。此后可采用化学清洗等方法去除光刻胶层和刻蚀阻挡层。在上述过程中，为了保证曝光精度，还可在光刻胶层30和刻蚀阻挡层之间形成抗反射层。本实施方式中，完成后注入第二导电类型，注入剂量在1e15/cm2～1e16/cm2之间。
进一步的，请再次参阅图6，形成所述第三注入区43后，所述光刻胶30形成三个间隔分开的第一光刻胶31、第二光刻胶32及第三光刻胶33，所述第一光刻胶31、第二光刻胶32及所述第三光刻胶33分别位于所述第一氧化层51、第二氧化层52及第三氧化层53的上表面，所述第三注入区43位于所述第一光刻胶31与所述第二光刻胶32之间并与所述第二注入区42相连，此时所述第一注入区41上表面形成空口(图未示)。
可以理解，在本实施方式中，由于所述第三注入区43形成于所述第二注入区42，因此所述第三注入区43的厚度小于所述第二注入区42，若要减少所述第一注入区41的电阻，只需在所述第一注入区41上表面的窗口注入第二导电类型，使所述第一注入区41的浓度增大，从而降低了所述第一注入区41与所述第三注入区43之间的饱和压降，增强了所述半导体三极管1的驱动能力。
步骤7：在所述第三注入区43进行介质层60的生长及回流；
具体的，请参阅图7，本实施方式中，所述介质层60的主要选用二氧化硅为材料，二氧化硅较常见隔离性能好，所述介质层60的生长过程为：用化学方法沉积的硼磷硅玻璃(cvdbpsg)膜取代常规的磷硅玻璃(psg)膜作回流介质层，可将回流温度降低到1000℃以内，达到800℃-950℃之间，因而可以把高温引发的那些不希望有的杂质扩散和各种缺陷减至最少，选用硼磷硅玻璃有较低的回流温度、内应力低及绝缘性好的提点，即使较厚的膜层在之后的热处理过程中也不会出现裂纹，腐蚀速率比磷硅玻璃的低得多，因此在刻蚀瞳孔时，图形尺寸易于控制，具有良好的吸收和阻挡碱金属离子玷污物的能力，沉积时成分和厚度易于控制。本实施方式中，所述第三注入区43的上表面高温回流工艺的温度在850℃～1000℃之间，在回流的同时形成所述第三注入区43。由于所述第三注入区43的结深小于所述第二注入区42的结深，所述第三注入区43下表面的厚度为有效第二注入区(图未示)的厚度，它直接决定了器件的电流放大系数。
可以理解，在本实施方式中，采用成分和厚度均匀、颗粒很细的玻璃膜作多层金属层间的绝缘层、回流介质层和钝化保护层时，晶片上各处的腐蚀速率均匀一致，为准确控制刻蚀图形的尺寸提供了优良的条件，还可以降低回流温度或缩短回流所需的时间，提高了半导体三极管1的制备效率。
步骤8：在所述介质层60进行金属层生长形成所述半导体三极管1的第一电极70、第二电极80及第三电极90。
具体的，请参阅图8、图9及图10，先在所述介质层60内形成间隔排列的三个接触孔，分别为第一接触孔65、第二接触孔66及第三接触孔67，在本实施方式中，形成所述第一接触孔65的过程为：进行所述第一接触孔65的光刻和刻蚀，在所述介质层60上形成刻蚀阻挡层，然后在刻蚀阻挡层上形成光刻胶层，之后采用具有所述第一接触孔65图形的掩膜版对所述光刻胶层进行曝光，再进行显影，得到具有所述第一接触孔图形的光刻胶层。以具有所述金属层图形的光刻胶层为掩膜，采用反应离子刻蚀法等刻蚀方法，在刻蚀阻挡层上蚀刻形成所述金属层的图形开口，然后以具有所述金属层图形开口的刻蚀阻挡层为掩膜，采用湿法刻蚀或干法刻蚀等方法，去除未被刻蚀阻挡层覆盖的所述介质层60区域，进而在所述介质层60内形成所述第一接触孔65。此后可采用化学清洗等方法去除光刻胶层和刻蚀阻挡层，同样的，所述第二接触孔66及所述第三接触孔67的形成过程与所述第一接触孔65相同。接着再分别向所述第一接触孔65、第二接触孔66及第三接触孔67注入离子，分别形成第一金属层651,、第二金属层661及第三金属层671，在本实施方式中，所述离子为硼离子，注入硼离子的浓度在1e14/cm2～5e14/cm2之间，最后对所述第一接触孔65、第二接触孔66及第三接触孔67进行热退火处理，退火目的是降低硬度，改善切削加工性，消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷，退火处理后获得满足要求的半导体三极管1，本实施方式中，退火温度在800℃～1050℃之间，退火时间在10～30秒之间，因此形成半导体三极管1的第一电极70、第二电极80及第三电极90。可以理解，由于所述第二注入区42及所述第一注入区41上方有高浓度的第二导电类型注入，而第一导电类型杂质的浓度远低于第二导电类型杂质的浓度，注入几乎不会影响它们的电性和接触电阻，使所述第一接触孔65、第二接触孔66及第三接触孔67的尺寸均增大，从而使形成的三个电极获得更低的接触电阻。
在本发明的一种半导体三极管1的制造方法中，每次光刻和刻蚀的方法基本相同，形成所述埋层20可以减少所述第一注入区41的电阻，增强了所述第一注入区41后续形成第一电极70的性能，注入的杂质在高温扩散时，所述第一注入区41杂质扩散使其面积增大，增强了所述第一注入区41的耐压性能，进行所述第一注入区41高温推进的温度和能量低于外延生长，同时可以获得高掺杂浓度的第一注入区41和正常晶格的第二外延层402，所述第一注入区41面积也增大，后续形成所述第二注入区42的面积相对增大，也增加了所述第一电极70与所述第三电极90之间的饱和压降，使所述第一注入区41与所述第二注入区42横向距离减小，增大了所述第一电极70的电流放大系数，从而提高了半导体三极管1的驱动能力。
本实施方式中，所述第一电极70为所述半导体三极管1的集电极，所述第二电极80为所述半导体三极管1的基极，所述第三电极90为所述半导体三极管1的发射极，对应的所述第一注入区41为集电区，所述第二注入区42为基区，所述第三注入区43为发射区。
本发明中通过采用导电性较好的砷或磷，使所述第一注入区41和所述第一电极70的电阻更低，从而使所述第一电极70与所述第三电极90之间的饱和压降降低。所述接触孔的热退火处理时间短，使所述埋层20和所述第一注入区41向所述第二外延层402扩散减少，有效尺寸减小，提高了所述半导体三极管1的集成度。无需在1150℃以上进行高温处理，使所述第二外延层402内的杂质均匀分布，增强了所述半导体三极管1的耐压性能。采用所述接触孔的第一导电类型的普通注入工艺，无需在所述第二注入区42进行第一导电类型的光刻，节省了制造成本。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。