一种高厄利电压横向晶体管结构及其制备方法与流程

本发明属于晶体管技术领域，具体涉及一种高厄利电压横向晶体管结构及其制备方法。

背景技术：

厄利电压是表征双极型晶体管基区宽变效应的参数，对双极晶体管而言，厄利电压越高，其抑制基区宽变效应的能力越强。

参照图1a、图1b和图2，在传统双极集成电路生产中，横向pnp晶体管集电区和发射区的p型杂质掺杂与npn晶体管的基区同层次进行，即形成npn晶体管的基区的同时进行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。

与npn晶体管相比，传统横向pnp晶体管的厄利电压较低：当pnp晶体管ce电压增大时，cb处于反偏状态，由于横向pnp晶体管p型集电区浓度远高于n型集区，cb结空间电荷区主要向n型基区扩展，导致横向pnp基区宽度快速减小，基区宽变效应显著导致晶体管厄利电压降低。

技术实现要素：

针对常规横向pnp晶体管厄利电压偏低的问题，本发明提供了一种高厄利电压横向晶体管结构及其制备方法，这种横向pnp晶体管结构能够有效提高横向pnp晶体管的厄利电压。

为达到上述目的，本发明一种高厄利电压横向晶体管结构，包括n型外延层，n型外延层上部自内向外依次设置有发射区、基区和集电区；其中，集电区中设置有集电极接触引出区，集电区掺杂杂质为硼，基区掺杂杂质为磷，集电区掺杂的杂质浓度低于基区掺杂的杂质浓度。

进一步的，晶体管的表面覆盖二氧化硅层。

进一步的，集电区、基区、发射区以及集电极接触引出区的结深相同。

进一步的，发射区、基区、集电区和集电极接触引出区的形状相同。

进一步的，发射区、基区、集电区和集电极接触引出区为圆环形或正方环形。

进一步的，发射区和基区为圆环形，集电区和集电极接触引出区为圆心角30°～360°的扇环。

一种高厄利电压横向晶体管结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在n型外延层表面生长二氧化硅层；

步骤2、在二氧化硅层表面涂覆光刻胶，光刻形成横向pnp晶体管的基区窗口；

步骤3、对pnp晶体管基区进行n型杂质选择性掺杂，去掉步骤2涂覆的光刻胶；

步骤4、在二氧化硅层表面涂覆光刻胶，光刻形成横向pnp晶体管的集电区窗口；

步骤5、对pnp晶体管集电区所在区域进行p型杂质选择性掺杂，注入剂量小于步骤3中pnp晶体管基区的注入剂量，去掉步骤4涂覆的光刻胶；

步骤6、在二氧化硅层表面涂覆光刻胶，光刻形成横向pnp晶体管的发射区和集电极欧姆接触引出区窗口；

步骤7、对pnp晶体管发射区和集电极接触引出区所在的区域进行p型杂质选择性掺杂，去掉步骤6涂覆的光刻胶；

步骤8、进行注入退火和杂质再分布，形成横向pnp晶体管的集电区、基区、发射区以及集电极接触引出区。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提出的高厄利电压结构横向pnp晶体管，p型集电区杂质浓度低于n型基区浓度，当pnp晶体管ce电压增大时，由于横向pnp晶体管p型集电区浓度低于n型集区，cb结空间电荷区主要向p型集电区扩展，抑制因ce电压增大导致的基区宽度变化，从而获得较高的厄利电压。即在相同放大倍数条件下，其ce击穿电压和厄利电压高于传统结构横向pnp晶体管。

进一步的，根据不同击穿电压需求，n型基区宽度可在5um～14um之间调整，以满足不同ce击穿电压的需求。

本发明提出的采用离子注入实现高厄利电压横向pnp晶体管的制备方法，在标准双极工艺流程中仅增加了两次光刻和两次离子注入，而不增加任何热过程的情况下实现了高厄利电压横向pnp晶体管的集电区和发射区的p型掺杂，与标准双极工艺流程具有良好的工艺兼容性。在工艺过程中，选择离子注入的掺杂方式，具有较高的掺杂浓度精度；光刻胶作为离子注入掺杂的掩蔽层，以提高线条尺寸控制精度。

横向pnp晶体管集电区、基区和发射区的掺杂独立进行，可对晶体管各项参数进行优化控制，具体为：通过集电区和基区杂质浓度控制，在保证晶体管击穿电压的前提下，提高晶体管的厄利电压；通过对发射区杂质浓度的调整，控制发射区/基区的杂质浓度比，调整横向pnp晶体管的发射效率，进而控制横向pnp晶体管的放大倍数。通过上述方法，从而获得更优化的晶体管厄利电压、放大倍数、击穿电压等关键参数。

附图说明

图1a：传统结构横向pnp晶体管顶视图一；

图1b：传统结构横向pnp晶体管顶视图二；

图2：传统结构横向pnp晶体管纵向剖面图；

图3a：高厄利电压横向pnp晶体管顶视图一；

图3b：高厄利电压横向pnp晶体管顶视图一；

图4：高厄利电压横向pnp晶体管纵向剖面图；

图5：n型外延层表面生长高能离子注入预氧层；

图6：光刻形成横向pnp晶体管n型基区窗口并完成注入掺杂及去胶示意图；

图7：光刻形成横向pnp晶体管p型集电区窗口并完成注入掺杂及去胶示意图；

图8：光刻形成横向pnp晶体管p型发射区和集电极接触引出区窗口并完成注入掺杂及去胶示意图；

图9：高温退火和杂质再分布后形成高厄利电压横向pnp晶体管，并通过光刻腐蚀形成金属连线的接触引出孔示意图；

图10：实施例3中的高厄利电压横向pnp晶体管顶视图。

附图中：1——n型外延层；21——传统横向pnp晶体管p型集电区；22—传统横向pnp晶体管p型发射区；3——二氧化硅层；4——高厄利电压横向pnp晶体管集电区；5——高厄利电压横向pnp晶体管基区；61——高厄利电压横向pnp晶体管发射区；62—高厄利电压横向pnp晶体管集电极接触引出区；11——基区窗口；12—集电区窗口；13—发射区和集电极欧姆接触引出区窗口。

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。

针对横向pnp晶体管结构对厄利电压的影响机理，提出了一种新型的高厄利电压横向pnp晶体管结构。这种横向pnp晶体管是通过在n型外延层上进行选择性的p型杂质掺杂形成：由一个p型掺杂区构成pnp晶体管的发射区(emitter)，在发射区外由一个完整或部分的环形p型掺杂区构成pnp晶体管的集电区4(collect)，在两个p型掺杂区之间是n型掺杂的外延层，形成pnp晶体管的基区5(base)，从而构成一个横向的p-n-p结构，形成横向pnp晶体管。晶体管的表面覆盖一层二氧化硅层，作为金属引线与pnp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。它与传统pnp管的区别在于：新型结构横向pnp晶体管的p型集电区单独进行掺杂，使p型集电区杂质浓度低于n型基区浓度，当pnp晶体管ce电压增大时，由于横向pnp晶体管p型集电区浓度低于n型集区，cb结空间电荷区主要向p型集电区扩展，抑制因ce电压增大导致的基区宽度变化，从而获得较高的厄利电压。

一种利用注入工艺实现高厄利电压横向pnp晶体管结构的方法，使用离子注入工艺分别进行横向pnp晶体管p型集电区、n型基区和p型发射区的杂质掺杂。在工艺过程中，选择离子注入的掺杂方式，具有较高的掺杂浓度精度；光刻胶作为离子注入掺杂的掩蔽层，以提高线条尺寸控制精度。该工艺方法仅在标准横向pnp晶体管工艺中增加了集电区和基区的光刻和注入步骤，不增加任何热过程，与标准横向pnp晶体管工艺良好兼容，具有工艺过程简单，工艺成本低的特点。具体包括以下步骤，：

步骤1、在n型外延层1表面生长不超过200nm的注入垫氧层；

步骤2、光刻形成横向pnp晶体管的基区窗口11，光刻胶的厚度应保证对离子注入的有效屏蔽；

步骤3、n型杂质离子注入，通过光刻胶对离子注入的屏蔽作用，实现对pnp晶体管基区5进行选择性掺杂；

步骤4、光刻形成横向pnp晶体管的集电区窗口12，光刻胶的厚度应保证对离子注入的有效屏蔽；

步骤5、p型杂质离子注入，通过光刻胶对离子注入的屏蔽作用，实现对pnp晶体管集电区进行p型杂质选择性掺杂，注入剂量应为n型基区注入剂量的20％～80％之间，以保证lpnp晶体管集电区杂质浓度小于基区；

步骤6、光刻形成横向pnp晶体管的发射区和集电极欧姆接触引出区窗口13，光刻胶的厚度应保证对离子注入的有效屏蔽；

步骤7、p型杂质离子注入，通过光刻胶对离子注入的屏蔽作用，实现对pnp晶体管发射区和集电极接触引出区进行p型杂质选择性掺杂，注入剂量应达到足够的发射区/基区杂质浓度比，以满足pnp放大倍数需求；

步骤8、在卧式扩散炉内进行注入退火和杂质再分布，形成次表面横向pnp晶体管的集电区4、发射区61以及集电极接触引出区62。

实施例1

采用本发明的高厄利电压横向pnp晶体管结构如下：

参照图3a和图4，高厄利电压横向pnp晶体管包括n型外延层1，n型外延层1上部自内向外依次设置有环形的发射区61、基区5和集电极接触引出区62，其中集电区中设置有集电极接触引出区62。

具体的，横向pnp晶体管采用直径6μm的圆形发射区61；内径6μm、外径30μm的圆环形基区5；内径30μm、外径50μm的270°圆环形集电区4，集电区内有内径38μm、外径42μm的30°～360°圆环形集电极接触引出区62；横向pnp晶体管p型集电区4掺杂杂质为硼，杂质浓度为1e15cm^-3；n型基区5掺杂杂质为磷，杂质浓度为3e15cm^-3；p型发射区61和集电极接触引出区62掺杂杂质为硼，杂质浓度为1e19cm^-3；横向pnp晶体管基区5宽度为12μm。

在相同横向pnp晶体管放大倍数条件下，高厄利电压横向pnp晶体管的厄利电压达到70v，传统横向pnp晶体管厄利电压为30v，新结构横向pnp晶体管厄利电压远高于传统结构横行pnp晶体管。

本结构可通过以下方法实现：

步骤1、参照图5，在温度950℃下，通过氢氧合成氧化，在n型衬底硅表面生长100nm的二氧化硅层3；

步骤2、参照图6，在二氧化硅层3表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光和显影，形成横向pnp晶体管基区图形；通过离子注入对横向pnp晶体管基区进行掺杂，注入杂质³¹p⁺，注入能量160kev，注入剂量6e12cm^-2；注入完成后通过h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤3、参照图7，在二氧化硅层3表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光和显影，形成横向pnp晶体管集电区图形；通过离子注入对横向pnp晶体管集电区进行掺杂，注入杂质¹¹b⁺，注入能量60kev，注入剂量2e12cm^-2；注入完成后通过h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤4、参照图8，在二氧化硅层表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光和显影，形成横向pnp晶体管发射区和集电极接触引出图形；通过离子注入对横向pnp晶体管发射区和集电极接触引出区进行掺杂，注入杂质¹¹b⁺，注入能量60kev，注入剂量2e15cm^-2；注入完成后通过等离子刻蚀和h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤5、参照图9，通过在1050℃条件下退火90min，和1150℃条件下进行85min的杂质再分布，形成高厄利电压横向pnp晶体管。

对本实施例和传统结构的横向pnp晶体管的部分测试数据如表1所示。

实施例2

采用本发明的高厄利电压横向pnp晶体管结构如下：

参照图3b和图4，高厄利电压横向pnp晶体管包括n型外延层1，n型外延层1上部自内向外依次设置有环形的发射区61、基区5和集电极接触引出区62，其中集电区中设置有集电极接触引出区62。

横向pnp晶体管采用边长4μm的正方形发射区；内边长4μm、外边长14μm的正方环形基区；内边长14μm、外边长28m的正方环形集电区，集电区内有内边长20μm、外边长28μm的正方环形集电极接触引出区；横向pnp晶体管p型集电区掺杂杂质为硼，杂质浓度为2e15cm^-3；n型基区掺杂杂质为磷，杂质浓度为4e15cm^-3；p型发射区和集电极接触引出区掺杂杂质为硼，杂质浓度为1e19cm^-3；横向pnp晶体管基区宽度为5μm；

在相同横向pnp晶体管放大倍数条件下，高厄利电压横向pnp晶体管的厄利电压达到50v，传统横向pnp晶体管厄利电压为20v，新结构横向pnp晶体管厄利电压远高于传统结构横行pnp晶体管。

本结构可通过以下方法实现：

步骤1、参照图5，在温度950℃下，通过氢氧合成氧化，在n型衬底硅表面生长50nm的二氧化硅层3；

步骤2、参照图6，在二氧化硅3层表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光、显影，形成横向pnp晶体管基区图形；通过离子注入对横向pnp晶体管基区进行掺杂，注入杂质³¹p⁺，注入能量80kev，注入剂量6e12cm^-2；注入完成后通过h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤3、参照图7，在二氧化硅层3表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光、显影，形成横向pnp晶体管集电区图形；通过离子注入对横向pnp晶体管集电区进行掺杂，注入杂质¹¹b⁺，注入能量50kev，注入剂量4e12cm^-2；注入完成后通过h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤4、参照图8，在二氧化硅层3表面涂覆1.3μm的光刻胶，通过曝光、显影，形成横向pnp晶体管发射区和集电极接触引出图形；通过离子注入对横向pnp晶体管发射区和集电极接触引出区进行掺杂，注入杂质¹¹b⁺，注入能量60kev，注入剂量1e15cm^-2；注入完成后通过等离子刻蚀和h2so4+h2o2溶液去除硅片表面光刻胶；

步骤5、参照图9，通过在1100℃退火和杂质再分布50min，形成高厄利电压横向pnp晶体管。

实施例3

横向pnp晶体管发射区设计为正方形或圆形结构，并可设计多集电区结构，按不同集电区对发射区的环绕范围，获得不同比例集电极电流：参照图10，如正方形发射区横向pnp晶体管设计两个集电区：第一集电区41和第二集电区42其中第一集电区41环绕正方形发射区的三条边，第二集电区42环绕正方形发射区的一条边，就可获得比值为3：1比例集电极电流；对于正方形发射区的横向pnp晶体管，其多集电极电流一般设计为1：1：1：1(四个集电区，每个集电区环绕正方形发射区的一条边)，2：1：1(三个集电区，一个集电区环绕正方形发射区的两条边，另外两个集电区各环绕正方形发射区的一条边)、3：1(两个集电区，一个集电区环绕正方形发射区的三条边，另一个集电区环绕正方形发射区的一条边)和1：1(两个对称设置的集电区，每个集电区环绕正方形发射区的一条边，以及与该条边连接的两条边的二分之一)共4种比例，而圆形发射区横向pnp晶体管集电极电流可设计为任意比例。

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。