锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，刻蚀N型外延区的单晶形成凹进再生长场氧化层，而后淀积氧化硅并用化学机械研磨平坦化形成低于单晶表面500～1000埃的场氧凹进；淀积氧化硅和无定型硅，光刻和干法刻蚀无定型硅打开基区有源区，其窗口边缘位于场氧鸟嘴处，清洗硅表面后生长锗硅外延，有源区和场氧区的锗硅上表面基本齐平；淀积发射极窗口介质，打开发射极窗口及集电极有源区，淀积N型重掺杂的发射极多晶硅，形成发射极-基极结和低电阻通道。本发明调整场氧和单晶硅的相对高度及锗硅窗口相对场氧鸟嘴的位置，锗硅生长表面平坦，锗硅和发射极多晶硅厚度均匀，发射极窗口尺寸易控制，锗硅HBT器件特性稳定。
【专利说明】锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路领域，特别属于一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法。
【背景技术】
[0002]在常规的锗硅异质结双极型三极管工艺中，在N型埋层I’、N型埋层2’、低掺杂N型外延3’及集电极引出端4’完成后，生长场氧6’或用浅槽作为隔离，随后淀积一层氧化硅和一层无定形硅，光刻和干法刻蚀无定形硅打开基区有源区；湿法去除露出的氧化硅并清洗硅表面，进行锗硅外延层9’的生长，基区有源区上生长单晶结构的锗硅外延层，其它区域则为多晶硅结构。后续工艺依次包括干刻去除集电极引出端4’的多晶硅和外基区外部区域的多晶硅，淀积介质并光刻和干刻打开发射极窗口和集电极引出端，淀积N型重掺杂多晶硅，发射极窗口处形成的发射极多晶硅12’与锗硅单晶硅接触形成发射极-基极结，N型重掺杂多晶硅与N型重掺杂集电区单晶硅(即集电极引出端4’)接触形成低电阻的引出端，最终器件就形成了，如图1所示是器件结构的截面图，在外基区会留下氧化硅和无定形娃层。
[0003]锗硅异质结双极型三极管中锗硅异质结是器件的核心，由于引入了一层无定型硅，为了降低锗硅生长时形成的缺陷在后续的锗硅外延层生长中需要采用高于900度的高温前处理，而在高温下无定型硅会重新结晶，使器件表面形貌非常粗糙，导致后续工艺受此影响会出现诸如光刻无法对准、缺陷增多、基极集电极结漏电、工艺不稳定等问题。但对于包含除锗硅HBT外还有其他器件的制造工艺中，无定形硅是用来保护其他器件而必须的，将隔离结构进行优化并选择基区有源区窗口边缘的位置对器件性能稳定至关重要。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，可以提闻错娃外延层和发射极多晶娃的厚度均勻性，减少基区的缺陷，解决集电极和基极之间的结漏电，提闻工艺的稳定性和广品良率。
[0005]为解决上述技术问题，本发明的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，包括以下步骤:
[0006]步骤1，在P型硅衬底上形成N型埋层，在N型埋层上生长N型外延层；进行N型离子注入，在N型外延层中形成底部与N型埋层相连接的第一离子注入区，所述第一离子注入区成为集电极引出区；
[0007]步骤2，生长一层衬垫氧化硅，其上淀积一层氮化硅；光刻打开欲形成场氧的区域，干刻去除打开区域的氮化硅和衬垫氧化硅并刻蚀N型外延层的单晶形成凹进，在所述凹进处生长场氧隔离；
[0008]步骤3，淀积一层氧化硅并对该层氧化硅进行化学机械研磨平坦化，湿法去除氮化硅并去除衬垫氧化硅，湿法去除场氧隔离的部分氧化硅形成场氧凹进；[0009]步骤4，生长一牺牲氧化硅层，进行N型离子注入，在后续定义的发射极窗口下形成第二离子注入区，所述第二离子注入区底部与N型埋层相连接成为集电极的低电阻底座；湿法刻蚀去除牺牲氧化硅层，对硅片表面进行清洗得到无缺陷的单晶硅表面；
[0010]步骤5，生长一层氧化硅，其上先淀积一层氧化硅再淀积一层无定型硅，光刻和干法刻蚀无定型硅形成基区有源区窗口，所述基区有源区窗口的边缘位于场氧隔离的鸟嘴处，基区有源区窗口外的其它区域保留无定形硅和氧化硅；
[0011]步骤6，生长锗硅外延层，基区有源区窗口处的锗硅外延层为单晶硅结构，场氧隔离和第一离子注入区上的锗硅外延层为多晶硅结构；
[0012]步骤7，使用光刻胶遮挡基区有源区和外基区，干法刻蚀去除未被遮挡部分的多晶硅并停在氧化硅上，再湿法去除氧化硅；
[0013]步骤8，淀积发射极窗口介质，光刻定义并干法刻蚀打开发射极窗口和集电极引出区，清洗硅片表面并淀积N型多晶硅，所述发射极窗口介质自下而上为氧化硅加氮化硅；
[0014]步骤9，使用光刻胶遮挡发射极和集电极引出区，刻蚀去除未遮挡区域的多晶硅和发射极窗口介质的氮化硅并停在氧化硅上，用氧化硅作缓冲层对外基区进行P型离子注入形成外基区注入区；去除光刻胶，淀积介质并回刻形成多晶硅侧墙；
[0015]步骤10，进行热退火，发射极多晶硅中的N型杂质激活并扩散形成发射极基极结，锗硅外延层和集电区的杂质激活并扩散形成基极-集电极结；淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。
[0016]步骤I中，N型埋层为重掺杂，注入离子为砷，注入能量为30?120keV，剂量为IO15?IO16CnT2 ;N型外延层的掺杂杂质是磷，掺杂浓度在2X IO15?5X IO16CnT3 ;第一离子注入区的注入离子是磷，注入能量为80?180keV，剂量为IO15?1016CnT2。
[0017]步骤I中，在N型埋层形成后采用炉管进行高温推进，再生长N型外延层。高温推进的温度为1000?1100°C，时间为30?120分钟。
[0018]步骤2中，N型外延层的单晶凹进深度为3000?8000埃，场氧隔离的厚度为6000?15000埃，衬垫氧化硅的厚度为100?300埃，氮化硅的厚度为1000?3000埃。
[0019]步骤3中，氧化硅的厚度为3000?8000埃，化学机械研磨完全去除氮化硅上的氧化硅，场氧凹进处的氧化硅表面比N型外延层的单晶表面低500?1000埃，所述场氧隔离与N型外延层顶部之间形成一个呈斜坡状的单晶结构。
[0020]步骤4中，牺牲氧化层的厚度为100?300埃，第二离子注入区通过选择性N型离子一次注入或多次注入形成，其中一次注入或者多次注入中至少有一次注入的注入深度达到N型外延层的厚度。
[0021]步骤5中，场氧隔离上的无定型硅表面和N型外延层的单晶表面齐平。
[0022]步骤6中，锗硅外延层分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100?500埃；所述锗硅层的厚度为200?800埃，其中20?300埃掺杂硼，掺杂浓度在2X IO19?6X IO19CnT3 ;所述硅帽层的厚度为200?500埃，掺杂浓度为IO15?IO17CnT3 ;基区有源区上的锗硅单晶表面和场氧隔离上的锗硅多晶表面之间的高度差为-300?300埃。
[0023]步骤8中，N型多晶硅是在位掺杂或者离子注入掺杂，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于IO20Cm'[0024]步骤8中，清洗硅片表面后先快速热氧化生长5?10埃的氧化层再淀积N型多晶硅。
[0025]步骤9中，外基区注入区的注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5?120keV，注入剂量为IO15?IO16Cm'
[0026]步骤10中，热退火的温度为1015?1050°C，时间是5?30秒，形成300?500埃
且缓变的发射极-基极结。
[0027]本发明经单晶硅层凹进、场氧生长、氧化硅淀积及化学机械研磨形成场氧隔离区，经湿法刻蚀使场氧隔离区低于基区有源区，在基区有源区和场氧隔离区之间形成一个较缓的呈斜坡状的单晶结构，使锗硅外延窗口边沿位于这一区域，在单晶和多晶结合处可以得到平滑的形貌，而且通过降低场氧区相对有源区的高度，可在锗硅生长后得到基本齐平的上表面，这一改进可得到均匀的锗硅外延层厚度和发射极多晶硅厚度，更好控制关键的发射极窗口尺寸大小，从而得到稳定的锗硅HBT器件特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是现有的锗硅异质结双极型三极管器件的截面示意图；
[0029]图2至图16是本发明中锗硅异质结双极型三极管器件在制造过程中的截面示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0031]本发明提供的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，包括以下步骤:
[0032]步骤I，在P型硅衬底I上形成重掺杂的N型埋层2，在N型埋层2上生长轻掺杂的N型外延层3，其中N型埋层2的注入离子为在较高热开销时向上扩散较少的砷，注入能量为30?120keV，剂量为IO15?1016cnT2，N型外延层3的掺杂杂质是磷，掺杂浓度在2 X IO15?5 X IO16CnT3 ;进行N型离子注入，注入离子较佳的是在高温下易推进的磷，注入能量为80?180keV,剂量为IO15?1016cm_2，在N型外延层3中形成底部与N型埋层2相连接的第一离子注入区4，该第一离子注入区4成为集电极引出区；优选的，在N型埋层2形成后采用炉管进行温度为1000?1100°C、时间为30?120分钟的高温推进，再生长N型外延层3 ；
[0033]步骤2，生长一层100?300埃的衬垫氧化硅，其上淀积一层1000?3000埃的氮化娃5 ;光刻打开欲形成场氧的区域,干刻去除打开区域的氮化娃5和衬垫氧化娃并刻蚀N型外延层3的单晶形成深度为3000?8000埃的凹进，如图2所示；
[0034]步骤3，在所述单晶凹进处生长厚度为6000?15000埃的场氧隔离6，如图3所示；
[0035]步骤4，淀积一层厚度为3000?8000埃的氧化硅，如图4所示，再进行化学机械研磨完全去除氮化硅5上的氧化硅，湿法去除氮化硅5并去除衬垫氧化硅，如图5所示；
[0036]步骤5，湿法去除场氧隔离6的部分氧化硅形成场氧凹进，场氧凹进处的氧化硅表面比N型外延层3的单晶表面低500?1000埃，所述场氧隔离6与N型外延层3顶部之间形成一个较缓的呈斜坡状的单晶结构，如图6所示；
[0037]步骤6，生长一 100?300埃的牺牲氧化硅层，进行选择性N型离子注入，在后续定义的发射极窗口 11下形成第二离子注入区7，所述第二离子注入区7底部与N型埋层2相连接成为集电极的低电阻底座；湿法刻蚀去除牺牲氧化硅层，对硅片表面进行清洗得到无缺陷的单晶硅表面；再生长一层30?80埃的薄氧化硅，其上先淀积一层氧化硅再淀积一层无定型硅8，如图7所示，此时场氧隔离6上的无定型硅8表面和N型外延层3的单晶表面齐平；第二离子注入区7可以是一次注入或多次注入，可以调节器件的击穿电压，其中至少有一次注入的能量要保证注入深度达到N型外延层3的厚度；
[0038]步骤7，光刻和干法刻蚀无定型硅形成基区有源区窗口，所述基区有源区窗口的边缘位于场氧隔离6的鸟嘴处，基区有源区窗口外的其它区域保留无定形硅和氧化硅，如图
8、图9所示；
[0039]步骤8，生长锗硅外延层9，基区有源区窗口处的锗硅外延层为单晶硅结构，场氧隔离6上的锗硅外延层为多晶硅结构；锗硅外延层9分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100?500埃；所述锗硅层的厚度为200?800 ±矣，其中20?300埃掺杂硼，掺杂浓度在2 X IO19?6 X IO19CnT3 ;所述硅帽层的厚度为200?500埃，掺杂浓度为IO15?IO17CnT3 ;基区有源区的单晶表面和场氧隔离6上的多晶表面的闻度差小于±300埃,如图10所不；
[0040]步骤9，使用光刻胶遮挡基区有源区和外基区，干法刻蚀去除未被遮挡部分的多晶硅，再湿法去除氧化硅，如图11所示；
[0041]步骤10，淀积发射极窗口介质10，所述发射极窗口介质10最好是双层，如氧化硅加氮化硅，光刻定义并干法刻蚀打开发射极窗口 11和集电极引出区，如图12所示；
[0042]步骤11，清洗硅片表面并淀积N型多晶硅，如图13所示，N型多晶硅可以是在位掺杂也可以是离子注入掺杂，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于102°cm_3 ；也可以清洗硅片表面后先快速热氧化生长5?10埃的氧化层再淀积N型多晶硅；
[0043]步骤12，使用光刻胶遮挡发射极和集电极引出区，刻蚀去除未遮挡区域的多晶硅和发射极窗口介质10中的氮化硅并停在氧化硅上，用氧化硅作缓冲层并对外基区进行P型离子注入，如图14所示，注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5?120keV，注入剂量为IO15?IO16CnT2，形成外基区注入区13 ；
[0044]步骤13，去除光刻胶，淀积介质并回刻形成多晶硅侧墙,如图15所示；
[0045]步骤14，进行热退火，温度为1015?1050°C，高于常规锗硅工艺O?20°C，时间是5?30秒，发射极多晶硅12中的N型杂质激活并扩散形成深度为300?500埃的缓变的发射极-基极结，其侧面由于氧化硅底切形状的优化，其杂质剖面分布较平缓，可阻止基区复合电流的非正常增大；同时锗硅外延层和集电区的掺杂杂质也被激活并扩散形成基极-集电极结；
[0046]步骤15，淀积硅化物合金层14，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接，如图16所示。
[0047]本发明经单晶硅层凹进、场氧生长、氧化硅淀积及化学机械研磨形成场氧隔离区，经湿法刻蚀使场氧隔离区低于基区有源区，在基区有源区和场氧隔离区之间形成一个较缓的呈斜坡状的单晶结构，使锗硅外延窗口边沿位于这一区域，在单晶和多晶结合处可以得到平滑的形貌，而且通过降低场氧区相对有源区的高度，可在锗硅生长后得到基本齐平的上表面，这一改进可得到均匀的锗硅外延层厚度和发射极多晶硅厚度，更好控制关键的发射极窗口尺寸大小，从而得到稳定的锗硅HBT器件特性。
[0048]以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可对本发明做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤1，在P型硅衬底(I)上形成N型埋层(2)，在N型埋层(2)上生长N型外延层(3);进行N型离子注入，在N型外延层(3)中形成底部与N型埋层(2)相连接的第一离子注入区(4)，所述第一离子注入区(4)成为集电极引出区； 步骤2，生长一层衬垫氧化硅，其上淀积一层氮化硅(5);光刻打开欲形成场氧的区域，干刻去除打开区域的氮化硅(5)和衬垫氧化硅并刻蚀N型外延层(3)的单晶形成凹进，在所述凹进处生长场氧隔离(6); 步骤3，淀积一层氧化硅并对该层氧化硅进行化学机械研磨平坦化，湿法去除氮化硅(5)并去除衬垫氧化硅，湿法去除场氧隔离(6)的部分氧化硅形成场氧凹进； 步骤4，生长一牺牲氧化硅层，进行N型离子注入，在后续定义的发射极窗口( 11)下形成第二离子注入区(7)，所述第二离子注入区(7)底部与N型埋层(2)相连接成为集电极的低电阻底座；湿法刻蚀去除牺牲氧化硅层，对硅片表面进行清洗得到无缺陷的单晶硅表面； 步骤5，生长一层氧化硅，其上先淀积一层氧化硅再淀积一层无定型硅(8)，光刻和干法刻蚀无定型硅形成基区有源区窗口，所述基区有源区窗口的边缘位于场氧隔离(6)的鸟嘴处，基区有源区窗口外的其它区域保留无定形硅和氧化硅； 步骤6，生长锗硅外延层(9)，基区有源区窗口处的锗硅外延层为单晶硅结构，场氧隔离(6)和第一离子注入区(4)上的锗硅外延层为多晶硅结构； 步骤7，使用光刻胶遮挡基区有源区和外基区，干法刻蚀去除未被遮挡部分的多晶硅并停在氧化硅上，再湿法去除氧化硅； 步骤8，淀积发射极窗口介质(10)，光刻定义并干法刻蚀打开发射极窗口( 11)和集电极引出区，清洗硅片表面并淀积N型多晶硅，所述发射极窗口介质(10)自下而上为氧化硅加氮化硅； 步骤9，使用光刻胶遮挡发射极和集电极引出区，刻蚀去除未遮挡区域的多晶硅和发射极窗口介质(10)的氮化硅并停在氧化硅上，用氧化硅作缓冲层对外基区进行P型离子注入形成外基区注入区(13);去除光刻胶，淀积介质并回刻形成多晶硅侧墙； 步骤10，进行热退火，发射极多晶硅(12)中的N型杂质激活并扩散形成发射极-基极结，锗硅外延层和集电区的杂质激活并扩散形成基极集电极结；淀积硅化物合金层，采用接触孔工艺和金属连线工艺对发射极、基极和集电极进行连接。
2.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤I中，N型埋层(2)为重掺杂，注入离子为砷，注入能量为30~120keV，剂量为IO15~IO16CnT2 ；N型外延层(3)的掺杂杂质是磷，掺杂浓度在2 X IO15~5 X IO16CnT3 ;第一离子注入区(4)的注入离子是磷，注入能量为80~180keV，剂量为IO15~IO16CnT2。
3.根据权利要求1或2所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤I中，在N型埋层(2)形成后采用炉管进行高温推进，再生长N型外延层(3)。
4.根据权利要求3所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，高温推进的温度为1000~1100°C，时间为30~120分钟。
5.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤2中，N型外延层(3)的单晶凹进深度为3000~8000埃，场氧隔离(6)的厚度为6000~15000埃，衬垫氧化硅的厚度为100~300埃，氮化硅的厚度为1000~3000埃。
6.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤3中，氧化硅的厚度为3000~8000埃，化学机械研磨完全去除氮化硅(5)上的氧化硅，场氧凹进处的氧化硅表面比N型外延层(3)的单晶表面低500~1000埃，所述场氧隔离(6)与N型外延层(3)顶部之间形成一个呈斜坡状的单晶结构。
7.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤4中，牺牲氧化层的厚度为100~300埃，第二离子注入区(7)通过选择性N型离子一次注入或多次注入形成，其中一次注入或者多次注入中至少有一次注入的注入深度达到N型外延层(3)的厚度。
8.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤5中，场氧隔离(6)上的无定型娃(8)表面和N型外延层(3)的单晶表面齐平。
9.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤6中，锗硅外延层(9)分为硅缓冲层、锗硅层和硅帽层，其中锗硅层和硅帽层分别掺杂有硼；所述硅缓冲层的厚度为100~500埃；所述锗硅层的厚度为200~800埃，其中20~300埃掺杂硼，掺杂浓度在2X IO19~6X IO19CnT3 ;所述硅帽层的厚度为200~500埃，掺杂浓度为IO15~IO17CnT3 ;基区有源区上的锗硅单晶表面和场氧隔离(6)上的锗硅多晶表面之间的高度差为-300~300埃。
10.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤8中，N型多晶硅是在位掺杂或者离子注入掺杂，掺杂离子为磷和/或砷，浓度大于102°cm_3。
11.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤8中，清洗硅片表面后先快速热氧化生长5~10埃的氧化层再淀积N型多晶硅。
12.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤9中，外基区注入区(13)的注入离子是硼或氟化硼，注入能量为5~120keV，注入剂量为IO15 ~IO1W20
13.根据权利要求1所述的锗硅异质结双极型三极管器件的制造方法，其特征是，步骤10中，热退火的温度为1015~1050°C，时间是5~30秒，形成300~500埃且缓变的发射极-基极结。
【文档编号】H01L21/331GK103681320SQ201210315732
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2012年8月30日
【发明者】周正良, 潘嘉, 陈曦 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司