一种基区环掺杂抗辐射横向PNP晶体管及制备方法与流程

本发明属于pnp晶体管技术领域，具体涉及一种基区环掺杂抗辐射横向pnp晶体管及制备方法。

背景技术：

横向pnp晶体管是双极集成电路中经常使用的一种晶体管结构，传统双极集成电路生产中，采用扩散工艺或离子注入工艺进行横向pnp晶体管集电区和发射区的p型杂质掺杂，即在n型外延层上进行选择性的p型杂质掺杂形成横向pnp晶体管的p型集电区和p型发射区，外延层作为横向pnp晶体管的n型基区，通过引线最终实现横向的pnp晶体管结构，在晶体管的表面会覆盖一层二氧化硅层，作为金属引线与晶体管掺杂区之间的绝缘层，以避免晶体管不同掺杂区之间通过金属连线产生短路。

横向pnp晶体管抗总剂量辐射能力较差：总剂量辐射会导致晶体管表面覆盖的二氧化硅层中诱生正电荷并积累，使晶体管表面感应负电荷，造成横向pnp晶体管p型集电区/发射区表面耗尽/反型，并将注入基区的空穴推向衬底，空穴扩散距离增加，pnp晶体管基区宽度wb增加，输运系数αt下降，β下降。

技术实现要素：

本发明针对总剂量辐射对横向pnp晶体管的影响机理，提出一种新型的通过基区环掺杂提高抗总剂量辐射能力的横向pnp晶体管及其制备方法，这种结构的横向pnp晶体管具有更高的抗总剂量辐射能力。

为达到上述目的，本发明所述一种基区环掺杂抗辐射横向pnp晶体管，包括n型外延层，n型外延层上部同心设置有p型集电区和p型发射区，p型集电区和p型发射区的深度相同，p型集电区和p型发射区之间设置有n型基区环，n型基区环掺杂杂质为磷。

进一步的，n型基区环的结深为p型集电区结深的10％～30％。

进一步的，n型基区环的宽度为横向pnp晶体管基区宽度的30％～80％。

进一步的，n型基区环与p型集电区之间的距离d1和n型基区环与p型发射区之间的距离d2相等。

进一步的，n型外延层上端面设置有二氧化硅绝缘层。

进一步的，n型基区环为中心角为30°～360°的扇环。

一种上述的基区环掺杂抗辐射横向pnp晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、利用传统双极工艺完成不同区域杂质选择性掺杂，形成横向pnp晶体管结构并形成二氧化硅绝缘层；

步骤2、在二氧化硅绝缘层表面涂覆光刻胶，并通过曝光和显影形成n型基区环窗口；

步骤3、通过离子注入对n型基区环所在区域进行掺杂，注入杂质³¹p⁺；

步骤4、去除步骤2涂覆的光刻胶；

步骤5、热退火，形成基区环横向pnp晶体管结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

针对总剂量辐射对横向pnp晶体管的影响机理，通过基区环掺杂提高晶体管抗总剂量辐射能力的新型双极晶体管结构。在发射区和集电区之间增加一个n型基区环，将横向pnp晶体管的基区宽度wb所在位置由n型外延层表面推向n型外延层体内，晶体管在总剂量辐射情况下，虽然氧化层中正电荷积累会导致p型集电区的耗尽和反型以及p型发射区表面的耗尽和反型，但基区宽度wb和耗尽或反型已不在同一平面，所以基区宽度wb也不会发生变化，从而抑制输运系数αt会下降，减小因辐射导致的β下降，提高了横向pnp晶体管的抗总剂量辐射能力。

进一步的，n型基区环的结深为p型集电区结深的10％～30％，在达到基区环效果的前提下，降低基区环掺杂对横向pnp晶体管基区杂质浓度的影响，减小基区环对横向pnp晶体管性能的影响。

进一步的，n型基区环的宽度为横向pnp晶体管基区宽度的30％～80％，在满足n型基区环与横向pnp晶体管集电区、发射区间距的要求下，尽量取得更宽的基区环，以保证基区环的效果。

进一步的，n型基区环与p型集电区之间的距离d1和n型基区环与p型发射区之间的距离d2相等，在保证n型基区环宽度的前提下，避免因基区环掺杂导致横向pnp晶体管基区-发射区结和基区-集电区pn结的击穿电压变化。

进一步的，n型外延层上端面覆盖有二氧化硅绝缘层，以避免晶体管不同掺杂区之间通过金属连线产生短路。

上述结构的晶体管通过选择性离子注入形成：在通过传统双极工艺完成不同区域杂质选择性掺杂，形成横向pnp晶体管结构之后，通过光刻胶掩蔽注入的方法在横向pnp晶体管n型基区表面进行一次n型杂质注入，在n型基区表面形成一个环形的n+掺杂区，将横向pnp晶体管的基区宽度wb所在位置由n型外延层表面推向n型外延层体内。当基区环结构的横向pnp晶体管处于总剂量辐照环境中时，虽然氧化层中正电荷积累会导致p型集电区的耗尽和反型以及p型发射区表面的耗尽或反型，但由于基区宽度wb位置已下移至p型集电区的耗尽和反型和p型发射区表面的耗尽或反型区域下方，所以并不会影响横向pnp晶体管的基区宽度，故这种基区环结构横向pnp晶体管具有较强的抗总剂量辐射能力。

附图说明

图1a：传统结构横向pnp晶体管顶视图；

图1b：传统结构横向pnp晶体管顶视图；

图2：传统结构横向pnp晶体管纵向剖面图；

图3：传统结构横向pnp晶体管总剂量辐射后纵向剖面图

图4a：基区环结构横向pnp晶体管顶视图一；

图4b：基区环结构横向pnp晶体管顶视图二；

图5：基区环结构横向pnp晶体管纵向剖面图；

图6：基区环结构横向pnp晶体管总剂量辐射后纵向剖面图；

图7：完成不同区域杂质选择性掺杂，形成横向pnp晶体管结构并形成二氧化硅绝缘层示意图；

图8：光刻形成n型基区环掺杂窗口示意图；

图9：离子注入进行n型基区环掺杂示意图；

图10：去除硅片表面作为注入屏蔽层的光刻胶示意图；

图11：形成n型基区环示意图。

附图中：1——n型外延层；21——横向pnp晶体管p型集电区；22-横向pnp晶体管p型发射区；3——二氧化硅绝缘层；41——p型集电区表面耗尽或反型层；42——总剂量辐射后p型发射区表面耗尽或反型层；5——n型基区环；7—光刻胶；8—n型基区环窗口；9—注入的杂质³¹p⁺。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

针对总剂量辐射对硅基横向pnp晶体管的影响机理，本发明通过基区环掺杂提高晶体管抗总剂量辐射能力的新型横向pnp晶体管结构。这种新型结构双极型晶体管通过选择性离子注入形成：在通过传统双极工艺完成不同区域杂质选择性掺杂，形成横向pnp晶体管结构之后，通过光刻胶掩蔽注入的方法在横向pnp晶体管n型基区表面进行一次n型杂质注入，在n型基区表面形成一个环形的n+掺杂区，将横向pnp晶体管的基区宽度wb所在位置由n型外延层表面推向n型外延层体内。当基区环结构的横向pnp晶体管处于总剂量辐照环境中时，虽然氧化层中正电荷积累会导致p型集电区21的耗尽或反型，在p型集电区21上部两侧形成p型集电区表面耗尽或反型层41，导致p型发射区22表面的耗尽或反型，在p型发射区22上部两侧形成p型集电区表面耗尽或反型层42，但由于基区宽度wb位置已下移至p型集电区21的耗尽和反型和p型发射区22表面的耗尽和反型下方，所以并不会影响横向pnp晶体管的基区宽度，故这种基区环结构横向pnp晶体管具有较强的抗总剂量辐射能力。

一种横向pnp晶体管结构，包括自下至上依次设置的n型外延层1和二氧化硅绝缘层3，n型外延层1上部设置有p型集电区21和p型发射区22，p型集电区21和p型发射区22同心设置，p型集电区21和p型发射区22的深度相同，p型集电区21和p型发射区22之间设置有n型基区环5。n型基区环5的结深为p型集电区21结深的10％～30％。

现结合实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1

采用本发明的n型基区环横向pnp晶体管结构，包括自下至上依次设置的n型外延层1和二氧化硅绝缘层3，n型外延层1上部设置有p型集电区21和p型发射区22，p型集电区21和p型发射区22同心设置，p型集电区21和p型发射区22的深度相同，p型集电区21和p型发射区22之间设置有n型基区环5。

其中，横向pnp晶体管发射区22结深2.5μm，n型基区环5掺杂杂质为磷，n型基区环5结深0.25μm～0.75μm，n型基区环5结深为发射区22结深的10％～30％，峰值杂质浓度为5e16cm^-3。

横向pnp晶体管采用边长10μm的正方形发射区，内边长30μm、外边长50μm的正方环形集电区，受横向pnp晶体管集电区结深和击穿电压指标限制，n型基区环5内边与横向pnp晶体管发射区间距2μm～3μm，受横向pnp晶体管发射区结深和be结正向压降控制要求，基区环外边与集电区内边间距2μm～3μm，最终设置n型基区环5宽度4μm～6μm。与传统结构横向pnp晶体管相比，采用基区环结构的横向pnp晶体管，在100krad(si)总剂量辐射后，晶体管放大倍数衰减量由29％降低至18％，采用基区环结构的横向pnp晶体管具有更高的抗总剂量辐射能力。

上述n型基区环横向pnp晶体管的制备方法包括以下步骤：

步骤1.参照图7，传统双极工艺完成不同区域杂质选择性掺杂，形成横向pnp晶体管结构并形成二氧化硅绝缘层，此时横向pnp晶体管中具有n型外延层1和二氧化硅绝缘层3，n型外延层1上部有p型集电区21和p型发射区22；

步骤2.参照图8，在二氧化硅绝缘层表面涂覆2.4μm的光刻胶7，通过曝光和显影，形成n型基区环窗口8；

步骤3.参照图9，通过离子注入对n型基区环5所在区域进行掺杂，注入杂质³¹p⁺注入能量400kev，注入剂量3e12cm^-2；

步骤4.参照图10，注入完成后通过等离子刻蚀和h2so4+h2o2溶液去除步骤2涂覆的光刻胶7；

步骤5.参照图11，在950℃条件下热退火30分钟，完成注入杂质激活，形成基区环横向pnp晶体管结构。

实施例2

采用本发明的p型保护环双极晶体管结构，包括自下至上依次设置的n型外延层1和二氧化硅绝缘层3，n型外延层1上部设置有p型集电区21和p型发射区22，p型集电区21和p型发射区22同心设置，p型集电区21和p型发射区22的深度相同，p型集电区21和p型发射区22之间设置有n型基区环5。

其中，横向pnp晶体管采用直径6μm的圆形发射区，内直径15μm、外直径27μm的30°～360°圆环形集电区，如果小于30°则横向pnp晶体管效率过低，不具备实用性；基区环宽度2.5μm，基区环内边与横向pnp晶体管发射区间距1μm，基区环外边与集电区内边间距1μm；横向pnp晶体管n型基区环5掺杂杂质为磷，n型基区环5结深0.3μm，峰值杂质浓度为7e16cm^-3。

与传统结构横向pnp晶体管相比，采用基区环结构的横向pnp晶体管，在100krad(si)总剂量辐射后，晶体管放大倍数衰减量由29％降低至18％，采用基区环结构的横向pnp晶体管具有更高的抗总剂量辐射能力。

上述n型基区环横向pnp晶体管的制备方法包括以下步骤：

步骤1.参照图7，传统双极工艺完成不同区域杂质选择性掺杂，形成pnp晶体管结构并在pnp晶体管表面形成二氧化硅绝缘层3；

步骤2.参照图8，在二氧化硅绝缘层3表面涂覆1.3μm的光刻胶7，通过曝光和显影，形成n型基区环窗口8；

步骤3.参照图9，通过离子注入，对n型基区环所在区域进行掺杂，注入杂质³¹p⁺，注入能量100kev，注入剂量5e12cm^-2；

步骤4.参照图10，注入完成后通过等离子刻蚀和h2so4+h2o2溶液去除步骤2涂覆的光刻胶7；

步骤5.参照图11，在800℃条件下10热退火分钟，形成基区环横向pnp晶体管结构。

分别对本发明实施例1提出的新型基区环结构横向pnp晶体管和传统结构横向pnp晶体管进行总剂量辐射试验评价：经100krad(si)总剂量辐射后，新型基区环结构横向pnp晶体管放大倍数衰减18.85％，传统结构横向pnp晶体管放大倍数衰减29.68％，基区环结构晶体管的抗总剂量辐射能力高于传统结构双极晶体管。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。