双极晶体管及其制作方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种双极晶体管及其制作方法。

背景技术：
双极晶体管包括基区、发射区和集电区，当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极晶体管因具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点而被广泛应用于广播、电视、通信、雷达等领域。所述双极晶体管在移动通信2G、3G、4G技术领域可作为超线性功率放大器，在军工雷达用P-X波段可作为特大功率放大器。常规的双极晶体管在S波段以上的雷达上使用时，其输出电容大，起始压降高，动态范围小，从而使得输出功率较低。而常规的双极晶体管在作为超线性功率放大器使用时线性性能差，因此已被具有较好线性性能的LDMOS(LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor，横向扩散金属氧化物半导体)器件代替。但是，所述LDMOS器件效率较低，只有约10％左右。而如果为了提高效率，增大输出，通常需要采用线路复杂、价格昂贵的Doherty+DPD技术，从而增大了生产成本。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供了一种双极晶体管及其制作方法，以解决现有的双极晶体管线性差的问题，同时提高输出功率。为解决上述问题，本发明实施例提供了一种双极晶体管，包括：重掺杂衬底；位于所述重掺杂衬底上的轻掺杂外延层；设置在所述轻掺杂外延层内的集电区；设置在所述轻掺杂外延层内、位于所述集电区上方且与所述集电区相邻的基区；位于所述轻掺杂外延层上、且位于所述基区上的发射区。优选地，所述的双极晶体管还包括：位于所述基区与发射区之间的轻掺杂夹层。优选地，所述外延层为N型轻掺杂外延层，所述外延层的电阻率不小于10Ω·cm。优选地，所述重掺杂衬底为：表面形成有N型重掺杂层的轻掺杂P-型基片。优选地，所形成的发射区成多条并列结构。优选地，所述重掺杂衬底为重掺杂的N型硅衬底。优选地，所述集电区为N型导电区，所述基区为P型导电区，所述发射区为N型导电区。相应地，本发明还提供一种双极晶体管的制作方法，包括步骤：提供一重掺杂衬底；在所述重掺杂衬底上外延生长一轻掺杂外延层；通过离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成集电区；通过离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成与集电区相邻、且位于所述集电区上方的基区；在所述基区上形成发射区。优选地，还包括：在所述基区与发射区之间形成轻掺杂夹层。优选地，所述轻掺杂外延层为N型轻掺杂外延层，电阻率不小于10Ω·cm。从上述技术方案可以看出，本发明实施例所提供的双极晶体管的制作方法，首先在重掺杂衬底上外延生长一轻掺杂外延层，然后通过高能小束流离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成集电区，接着在外延层内集电区上方形成基区，最后在基区上形成发射区。采用本发明所提供的方法最终形成的 准本征双极晶体管，由于重掺杂衬底上具有一高阻轻掺杂外延层，所述轻掺杂外延层内具有集电区，所述集电区即为本征区，所述集电区两侧的非本征区电容较小、容值固定，因此所述非本征区对集电区的电容干扰较小，最终使得器件的线性提高，同时在高频段的输出功率也提高。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例所提供的一种双极晶体管的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的另一种双极晶体管的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的一种双极晶体管制作方法的流程示意图；图4为本发明实施例所提供的双极晶体管的电压-电流特性示意图；图5为本发明实施例所提供的双极晶体管的电压-容抗特性示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。正如背景技术部分所述，现有的双极晶体管在s波段以上高频应用时由于输出电容大，起始压降高，动态范围小，因此使得输出功率较小。尤其在作 为超线性功率放大器使用时，由于非本征区电容的干扰，使得双极晶体管的线性性能差。基于此，本发明提供了一种双极晶体管，所述双极晶体管为准本征双极晶体管(QussiIntrinsicBipolarJunctionTransistor，QIBJT)，所述准本征双极晶体管即是接近本征半导体的双极晶体管，也称II型准本征双极晶体管。实施例一参见图1，为本发明实施例所提供的双极晶体管的结构示意图，该双极晶体管包括：重掺杂衬底100；位于所述重掺杂衬底100上的轻掺杂外延层101；设置在所述轻掺杂外延层101内的集电区102；设置在所述轻掺杂外延层101内、位于所述集电区102上方且与所述集电区102相邻的基区103；位于所述轻掺杂外延层101上、且位于基区103上的发射区105。所述重掺杂衬底为低阻衬底；所述轻掺杂外延层为高阻外延层。本发明实施例中所述重掺杂衬底100可以为重掺杂的N型(N+)低阻硅衬底，这种衬底极易找到，因此成本较低，该重掺杂衬底100的掺杂浓度一般高于1019cm-3。所述重掺杂衬底100上的轻掺杂外延层101可通过外延生长和后续的反扩散工艺而形成，所述外延层101为N型高阻外延层，且通过控制工艺条件使得该高阻外延层的电阻率不小于10Ω·cm。位于轻掺杂外延层101内且靠近底部的集电区102可通过高能小束流离子注入工艺来形成，所形成的集电区102也即是该QIBJT器件的本征区，所述本征区的电阻率例如可以为1Ω·cm左右。由于所述本征区两侧(水平方向上的两侧)为非本征区，所述非本征区即为高阻外延层101，因此，所述非本征区的电阻率较高，在很低工作电压下完全耗尽，从而使得非本征区的电容较小，且容值恒定。因此，当器件工作时，所述非本征区对本征区的干扰较小，从而可改善双极晶体管的线性，同时使器件的输出功率增大，进而提高效率。本发明实施例所提供的双极晶体管在高频段比现有的双极晶体管的输出功率高4倍左右，效率高一倍左右；且该准本征双极晶体管比现有的LDMOS器件的输出线性功率要高几倍，效率也高3～4倍。所述轻掺杂外延层101内集电区102上方设置有基区103，所述基区103两侧设置有连接基区103的中间基区104，所述中间基区104上方设置有基区引线(B)108。所述基区103和中间基区104均可通过离子注入工艺而形成。所述轻掺杂外延层101上基区103的上方设置有发射区105，所述发射区105上设置有发射区引线(E)107。所述发射区105可通过生长多晶硅的方式而形成。所述高阻外延层101上发射区105的两侧设置有绝缘层106，所述基区引线108穿透所述绝缘层106与中间基区104相连。所述重掺杂衬底100上设置有集电区引线(C)109，所述集电区引线109通过所述低阻衬底100与集电区102相连。在该QIBJT器件中还设置有接地区(图中未示出)以及连接接地区的接地引线，所述接地区位于所述高阻外延层101内，所述接地引线穿透所述绝缘层106与所述接地区相连。本发明实施例所提供的双极晶体管，由于低阻的重掺杂衬底上具有高阻的轻掺杂外延层，而外延层内的集电区为具有低电阻率的本征区，集电区两侧的非本征区为具有高电阻率的区域，因此，非本征区的电容较小，其对器件本征区的干扰较小，与现有双极晶体管相比本发明的QIBJT器件的线性较好，同时，QIBJT器件在高频段的输出功率较大，进而可提高器件的效率。实施例二参考图2，在实施例一的基础上，本发明实施例所提供的双极晶体管还包括：位于所述基区103与发射区105之间的轻掺杂夹层110。所述夹层110可在低温条件下通过外延生长工艺而形成或在真空条件下通过化学气相沉积工艺而形成。所述轻掺杂夹层110为高阻夹层，可以为轻掺杂的硅层，其厚度相对较薄，如约为所述轻掺杂夹层110和所述发射区105的两侧均为绝缘层106，且所述轻掺杂夹层110和所述发射区105的长度和宽度相等。图2中所示器件的其他结构均与实施例一中所描述的相同，不再赘述。本发明实施例通过在基区103与发射区105之间设置轻掺杂夹层110，从而可减小基区103与发射区105之间的电容，可降低3～4倍左右。而且，由于所述轻掺杂夹层较薄，电子经过时可以不发生碰撞而直接飞跃该高阻夹层，因此，此器件可以在高频领域应用。实施例三上面详细描述了本发明所提供的双极晶体管的结构，下面介绍其制作方法。参见图3，为本发明实施例所提供的一种双极晶体管制作方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤：步骤S1：提供一重掺杂衬底。本实施例中所述重掺杂衬底可以为重掺杂的N型(N+)低阻硅衬底，该低阻衬底成本较低。本发明制作的晶体管，如用于雷达用管，通常有10％的占空比，用于移动通信超线性管，通常有约10db的峰均比，这两种应用对器件的散热要求都不高，可以直接采用成本较低的低阻衬底。对于有特殊需要，例如用于连续波工作，或者长脉冲雷达管等对器件散热性能要求较高的领域，由于高阻材料比低阻材料的导热性能高3-5倍，可以采用在导热性能较好的轻掺杂P-型基片表面上形成一层N型重掺杂层作为本发明的衬底，在轻掺杂P-型基片上形成的重掺杂低阻层上进行后续工艺制作。采用这样的衬底虽然工艺难度较大，成本较高，但是可以解决器件散热问题，能够适应连续波等特殊领域的要求。步骤S2：在所述重掺杂衬底上外延生长一轻掺杂外延层。通过外延生长工艺在所述重掺杂衬底上外延生长一高纯度的外延层。本实施例中所述外延层为N型的高阻外延层，所述轻掺杂外延层的电阻率不小于10Ω·cm。步骤S3：通过离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成集电区。通过高能小束流离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成集电区，所述集电区直达所述外延层底部，所形成的集电区即是器件的本征区。所述本征区的电阻率约为1Ω·cm左右。所述本征区两侧的高阻外延层即为非本征区。本实施例中所述集电区为N型导电区。步骤S4：通过离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成与集电区相邻、且位于所述集电区上方的基区。通过离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内的集电区上方形成基区，所述基区与集电区相邻，两者之间形成集电结。本实施例中所述基区为P型导电区。之后还应在所述基区两侧的高阻外延层内形成中间基区，便于后续基区引线的制作。步骤S5：在所述基区上形成发射区。通过多晶硅的生长工艺在所述轻掺杂外延层上对应基区的上方形成发射区，本实施例中所述发射区为N型导电区。之后还包括在所述发射区两侧形成绝缘层，在所述发射区上方形成发射区引线等，这些工艺步骤与现有的工艺相类似，不再详细描述。同样，对于QIBJT器件上的其他引线或相应掺杂区域，由于均与现有工艺相类似，因此，不再一一进行描述。通过上述工艺步骤最终所形成的双极晶体管，由于本征区两侧的非本征区为高阻外延层，因此使得所述非本征区对所述本征区的干扰较小，提高器件的线性性能，同时可提高器件在高频段的输出功率和效率。实施例四在实施例三的基础上，本发明实施例所提供的双极晶体管的制作方法，在形成基区之后还包括：在所述基区上形成高阻的轻掺杂夹层，之后在所述轻掺杂夹层上形成发射区。所述轻掺杂夹层可在真空条件下通过化学气相沉积工艺而形成。所述夹层为高阻夹层，可以为轻掺杂的硅层，所述高阻夹层位于所述基区与发射区之间，可使得器件在高频环境下正常应用。实施例五按照实施例一或二所述双极晶体管，制作过程中使得双极晶体管中的发射区成多条并列结构。现有技术中的双极晶体管多采用狭条多片结构，以现有技术中的3134雷达45W管为例进行说明，该晶体管采用4片合成结构，每一片结构中均包括240条发射极，发射极长为75μm，宽为1.4μm。器件的直流特性如图4所示，设最大工作电流为IM，集电极工作电压为VC，起始工作电压为V0，交流动态范围ΔV＝2(VC-V0)，负载阻抗RL＝ΔV/IM，输出功率Pout＝(1/8)·IM·ΔV＝(1/8)RLIM2。高频工作时，与负载阻抗并联的有一容抗1/ωCC，最后得出输出阻抗实部Re(Z)＝RL/(1+ω2RL2CC2)，当ωRLCC＝1时，Re(Z)取最大值，1/ωCC在特定频率下的数值，限定了RL的取值。对于现有技术中的3134雷达用双极晶体管，实测IM＝3.6A，不同电压下的容抗(对应3250兆)如图5所示。根据图5取RL＝10Ω，动态范围36V，工作电压32V，输出功率Pout＝16.2W，效率(甲乙类)η＝44％。4片合成后，Pout≥45W，η(甲乙类)≥30％，η(丙类)＞40％，输出阻抗1/4×10Ω＝2.5Ω。对于本发明实施例所提供的双极晶体管，其起始工作电压(使高阻外延层离化所需的电压)V0＜7V，可取VC＝40V，根据图4所示数据可知IM＝240×75·10-4×1.4·10-4×1.5·1016×1.6·10-19×107＝6A。在整个动态范围内，空间电荷层厚度在非本征区为2.75μm，在本征区，由于注入电子对集电区掺杂的调制，V＜VC时空间电荷层厚度不变，得出全周期平均厚度为2μm。电容CC＝240×75·10-4×(4.6/2.75+1.4/2)＝4.27p，3250兆时容抗为11.5Ω。需要说明的是，在整个动态范围内，容抗具有较小的改变，这也是本发明的双极晶体管用于移动通信时可以具有极好的线性特性的原因。取VC＝40V，V0＝7V，ΔV＝66V，RL＝11Ω，则Pout＝50W，是现有技术中BJT输出功率的3倍。效率η(甲乙类)＝65％，η(丙类)可达80％。当发射区采用多条并列结构时，且每条480个发射区，一共两条并列，这时就有960个发射区，等于现有技术中3134雷达用管中的4片合成结构中的总发射区条数，但是这种并列结构避免了多片合成结构的损失，同时可以节省芯片面积。最后得出：Pout＝200W，η(丙类)≈80％，阻抗＝2.75Ω。由上面具体实验数据可以看出，采用本发明实施例所提供的准本征双极晶体管，相比现有的双极晶体管而言，其输出功率有大幅的提高，效率也可增大约一倍。需要说明的是，当发射区形成多条并列结构时，由于片子的厚度小于150μm，发射极长为75μm，因此，只要两条并列排列时的间距在300μm左右，使得各条散热互不干扰即可，从而形成紧凑的一体结构，避免了多片合成的损耗。综上可知，本发明实施例所提供的双极晶体管的制作方法，在重掺杂衬底上形成高阻的轻掺杂外延层，通过高能小束流离子注入工艺在所述轻掺杂外延层内形成集电区，所述集电区即为本征区，所述本征区两侧的非本征区即为高阻外延层，因此，所述非本征区的电容较小，所述非本征区对本征区的干扰较小，最终使得器件线性改善，同时在高频段的输出功率有了大幅的提高，效率也可增大一倍。本发明的制作方法中，除了通过高能小束流离子注入工艺形成集电区外，后续的制作步骤可以与常规制作硅微波功率管工艺兼容。本发明实施例所提供的双极晶体管，如用于雷达管或移动通信的超线性管，对散热要求不高，所述重掺杂衬底可以为成本较低的重掺杂的N型(N+)低阻硅衬底。对于有特殊需要，例如用于连续波工作，或者长脉冲雷达管等对器件散热性能要求较高的领域，由于高阻材料比低阻材料的导热性能高3-5倍，可以采用表面形成有N型重掺杂层的轻掺杂P-型基片为本发明的衬底，在P-型基片上形成的重掺杂层上进行后续工艺制作。采用这样的衬底虽然工 艺难度较大，成本较高，但是可以解决器件散热问题，能够适应连续波等特殊领域的要求。本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。