（微电子学与固体电子学专业论文）高速bicmos数模混合电路的工艺研究.pdf

摘要 近年来随着无线通汛领域的模拟和数模混合信号应用的快速增长，使得 b i c m o s 技术在数模混合集成电路中的应用越来越被人们关注。本论文对高速双 层多晶硅自对准b i c m o s i t i l 作工艺进行了研究，开发了一套完整的0 5 u m 高速双 层多晶硅自对准b i c m o s 0 i i j 作工艺，获得的主要结果有： 1 、在b i c m o s 工艺中采用了深沟隔离( d t i ) 技术。采用了现在国际上通用 的s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 三层结构作为阻挡层，用c 1 2 b c l 3 s f 6 混合气体主刻，在s 辞寸底 上刻蚀出了宽为1 8 1 a m ，深为4 5 儿m 的深沟，深沟形状较好，并通过c v d 本征多 晶硅对构槽进行了填充。最后测试深沟隔离性能良好。 2 、在b i c m o s 双极部分的e b 结隔离工艺中采用了s i o z s i 3 n 4 复合侧墙结 构，最终形成了侧墙厚度均匀、隔离性能良好的复合侧墙，测试e - - b 反向击穿 电压达5 6 v 。 3 、对影响b i c m o s 器件性能的主要工艺条件进行了研究和优化，主要包括： 在内基区形成工艺中采取了低能b f 2 注入取代硼离子注入的方式形或超薄内摹 区；采取增加选择性注入集电极( s i c ) 的方法降低内基区宽度、减小集电极电 阻以提高双极晶体管的特征频率；对工艺中的退火工艺对器件性能的影响进行了 模拟和优化。并根据优化结果设计了一套合理的b i c m o s 制作工艺参数。 4 、通过优化，成功地开发了一套完整的o 5 1 a m 高速双层多晶硅自对准 b i c m o s 制作工艺。制作出双极器件部分的特征频率为8 1 6 g h z 、c m o s 部分各 项性能良好的高速b i c m o s 器件。 关键词：b i c m o s 混合集成电路深沟隔离 s i 0 2 s i s n 4 复合侧墙 选择性集电极注入 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h e b o o m i n gi n c r e a s i n go fa d m i x e d s i g n a l a p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b i c m o s t e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n i na dm i x e di ch a sd r a w nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，w ed or e s e a r c h e so nt h ep r o c e s so f h i g h s p e e d d u a l l a y e rp o l y s i l i c o ns e l f - a l i g nb i c m o s ，a n dd e v e l o p e daf u l l s e to f p r o c e s st e c h n o l o g y f o r 0 5 9 mh i g h - s p e e dd u a l - l a y e r p o l y s i l i c o n s e l f - a l i g nb i c m o s t h e r e s u l t so f t h i sw o r ka r ea sf o l l o w s ： l 、u s i n g d t i t e c h n o l o g y i n b i c m o s u s i n g t h ec o m m o n s i 0 2 s i 3 n j s i 0 2t r i l a y e r s a st h e b a r r i e r , u s i n gt h ec 1 2 b c l 3 s f 6a s t h e m a i ne t c hg a s e s ，w eg e tt h eg o o dd e e pt r e n c h e so nt h es is u b s t r a t e ，t h e w i d t ha n dt h e d e e p n e s s o ft h et r e n c h e q u a l s t o 1 8 p m a n d 4 5 l a l n r e s p e c t i v e l y u s i n gt h ei n t r i n s i cp o l y s i l i c o n ，w ef i l l t h et r e n c hb ym e a n s o fc v d t h ef i n a lt e s ts h o w st h a tt h et r e n c hh a sg o o di n s u l a t i o na b i l i t y 2 、i nt h ep r o c e s so fe bj u n c t i o ni n s u l a t i o no fb i c m 0 8 ，w eu s e s i 0 2 s i 3 n 4m u l t i p l es i d e w a l ls t r u c t u r e ，a n dg e t t h eg o o dp e r f o r m a n c e s i d e w a l lw i t hu n i f o r mt h i c k n e s sa n dg o o di n s u l a t i o na b i l i t y t h er e v e r s e b r e a k d o w nv o l t a g eo fe 。bi u n c t i o ne q u a l st o5 6 v 3 、w ei n v e s t i g a t ea n do p t i m i z et h em a i np r o c e s sc o n d i t i o n sw h i c h c o u l da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fb i c m o s ，e g ，u s i n gt h el o we n e r g y i m p l a n t a t i o no fb f ，t or e p l a c et h ebi m p l a n t a t i o nt of o i t l lt h eu l t r a t h i n i n t e r i o rb a s er e g i o n ；i n c r e a s i n gt h es i ct or e d u c et h ew i d t ho fi n t e r i o r b a s e r e g i o n ，r e d u c et h e r e s i s t o ro f c o l l e c t o r , w h i c hc o u l d i n c r e a s et h ef to f b i p o l a rt r a n s i s t o r ；s i m u l a t ea n do p t i m i z e t h ea n n e a l i n g p r o c e s s u s i n ga l l t h e s e o p t i m i z e d r e s u l t s ，w ed e s i g n e d as e to fr e a s o n a b l e p r o c e s s p a r a m e t e r s f o rt h eb i c m o s 4 、b yo p t i m i z i n g ，d e v e l o p e d af u l ls e to f p r o c e s s t e c h n o l o g yf o ro 5 1 x m h i g h s p e e dh i g h s p e e dd u a l - l a y e rp o l y s i l i c o ns e l f - a l i g nb i c m o s w eg e t t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eh i g h s p e e db i c m o st r a n s i s t o r , t h ef to ft h e b i p o l a r t r a n s i s t o ri s8 16 g h za n dt h ec m o st r a n s i s t o r h a s g o o d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：b i c m o s ：d t i ；s i 0 2 s i 3 n 4m u l t i p l es i d e w a l l ；s i c 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 目 一 论文作者签名：屋坠! !日期： 2 0 0 ( ；f 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学和中科院微电子研究所共同所有。本人完全了解兰州大学有关保存、 使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手 段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直 接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。保密期限为学生毕业后2 年。 论文作者签名：垦坠! i 导师签名： 圃 e t 期：211 ：! 兰州大学硕j 1 学位论文 第一章概述 1 1 b i c m o s 技术的主要特点 现代集成电路的巨大成就来源于2 0 世纪4 0 年代对半导体导电理论的深入认 识，自从1 9 4 7 年美国贝尔实验室发明了第一个晶体管、1 9 5 8 年美国得克萨斯仪器 公司宣布一种集成振荡器的问世、1 9 6 1 年美国仙章公司制成一种集成触发器后， 集成电路丌始了飞速的发展【卜2 】。 2 0 世纪五六十年代，随着半导体材料和分离元件制造技术的不断提高，双极 技术在集成电路中的发展也稳步的迅速得到提高，因而到了7 0 年代术期，硅双极 工艺形成了世界集成电路市场的基础。但是由于芯片集成度的不断提高，电路尺 寸的迅速缩减，从8 0 年代起，c m o s q - 艺开始逐渐取代双极成为硅集成电路的主 要技术。这是因为c m o s 集成电路以其低功耗、高集成度和设计简便等优点而 拥有更为广阔的应用前景。 在集成电路中，c m o s 器件和双极器件的性能之间存在着显著的差距。 c m o s 器件的主要特点是功耗低、器件尺寸小、集成度高，但是在速度和模拟性 能方面，c m o s 器件与双极器件有很大的差距。双极电路虽然具有高速度、驱动 能力强和模拟精度高的优点，但是电路集成度低、功耗大【3 j 。从图1 1 中可以看出， 这些性能上差距的存在意味着无论是c m o s 集成电路还是双极集成电路都很难 同时满足电路高速和低功耗的要求。 功耗 图1 1c 1 n 0 $ 、双极晶体管和b i c m o s 在速度和功耗方面的比较 兰州大学颂士学位论文 双极- - c m o s 兼容工艺技术( b i c m o s ) 的出现终于满足了电路同时在集成 度和功耗之间的要求。b i c m o s 是将双极型器件工艺与c m o s 2 1 2 e 结合在一起形 成的一种兼容工艺技术，它允许电路设计者在同一快电路芯片上既使用双极型器 件又使用c m o s 器件。 这种b i c m o s 兼容工艺技术主要应用于以下三个方面，一是在诸如静态随机 存储器( s r a m ) 等存储器电路中，s r a m 存储器单元要求低功耗、高集成度， 因而可以采用c m o s 电路，而其输入输出( i o ) 部分电路则要求高速高电流驱 动能力，所以可采用双极电路。二是在高速数字集成电路中，双极型器件可以用 来驱动比较大的电容负载；三是在数字模拟混合集成电路中【“，由于近年来无线 通讯领域的模拟和数模混合信号应用的快速增长，b i c m o s 技术在数模混合集成 电路中的应用越来越被人们关注胪j 。 1 2 早期的b i c m o s 技术特点 b i c m o s 工艺发展丌始于二十世纪八十年代，作为一种显著提高数字电路 性能的方法，最初的b i c m o s 技术主要应用于s r a m l 6 。早期的b i c m o s 主要 是在c m o s 工艺上发展而来的，一般是在不降低c m o s 晶体管特性的前提下制 作双极晶体管，因此通常双极性能较差。 三重扩散( 3 d ) b i c m o s 是一种最简单的b i c m o s 结构。它主要利用c m o s 工艺中的n 阱来作为双极器件的集电极。图1 2 为3 db i c m o s 的典型结构剖面 图。 图1 2 3 db i 0 , 8 0 8 典型结构剖面图 n m o s 器件是在p + 衬底上的1 0 9 m 1 5 9 m 厚的外延层上制作的，而p m o s 器件制作在4 1 a m 5 1 a m 深的n 阱中。用通过一个垂直方向的p n p 寄生器件提供 低阻通道的方法，p + 衬底用于降低闩锁效应。n 沟道和p 沟道器件都使用多晶硅 兰州大学硕上学位论文 栅极。双极器件的p 型基区约| l t m 深，掺杂浓度为i e l 7 e r a 3 。很多工艺可同时 用于m o s 与双极器件。例如，n m o s 源极和漏极掺杂工艺也用于双极结构的发 射极和集电极接触区，同样，p m o s 源极和漏极离子注入也用于p + 基极的接触区。 这种最简单的制作b i c m o s 器件的方法最主要的缺点是轻掺杂的1 3 阱导致了集 电极电阻很大，从而限制了双极晶体管的特性。 为了克服这种缺点，降低双极晶体管部分的集电极电阻，于是采用了在n 型外延层下面增加n + 埋层的方法，这种结构称为标准埋入集电极( s b c ) b i c m o s 。图1 3 为这种b i c m o s 的结构示意图。 图1 3 s b cb i c m o s 结构示意图 制作方法是首先用砷离子注入法在衬底上生成n + 埋层，然后再外延约2 9 m 厚的n 型外延层。这层n + 埋层不仅降低了集电极电阻，同时也降低了闩锁效应 的发生。接着在n 型外延层上，为n m o s 器件和双极晶体管制作p 阱。将n 型 外延层的电阻率选为1 q c m 的典型值，以便同时用于p m o s 和双极晶体管。用 另外一次光刻来生成n + 埋层相连接的n + 重掺杂的集电极接触区，进一步减小集 电极电阻，这个连接区可以用n + 离子注入，也可以用多晶硅插塞。这种方法可 以得到更低的双极器件部分集电极电阻。 尽管采用上面的方法使b i c m o s 性能得到了很大的改善，但是仍然存在很 多缺点。由于p - 衬底的掺杂浓度较低，需要保持埋层之间的一定距离以防止集电 极之闻的穿通，这限制了器件的封装密度，而如果增加衬底浓度又会增大集电极 到衬底之间的电容，所以可以用增加n + 埋层区的自对准p 型埋层的方法来提高 双极器件的密度。这就形成了图1 4 所示的双阱双埋层b i c m o s 。 兰州大学坝j j 学位论文 图1 ，4双阱双埋层b i c m o s 结构示意图 双阱双埋层b i c m o s 器件自对准p 型埋层是这样形成的，首先在轻掺杂的p 型衬底淀积二氧化硅和氮化硅的复台层，光刻n + 埋层区，刻蚀n + 埋层区上的氮 化硅和二氧化硅，注入锑离子并高温在有氧气的气氛中退火使锑离子扩散，并在 n 十埋层区e 形成一层较厚的氧化层用来作为p 型埋层注入时的阻挡层，去掉氮化 硅，注入硼形成p 型埋层。 这种双阱双埋层b i c m o s 器件结构由于主要是以增加光刻次数的代价来提 高双极器件和c m o s 器件的性能，因此性价比不高。但在对b i c m o s 器件性能 要求不是很高的时候，这种结构现在仍然被采用。 1 3 高性能的s i g eb i c m o s 技术 早期的b i c m o si c 只是在c m o s 逻辑门后面增加双极驱动器，两者之间仅 是简单的拼接，在芯片上两者放在不同区域，工艺是以c m o s 工艺为主，因此 双极器件性能较差。 随着集成电路工艺技术的发展，尤其是多晶硅自对准工艺以及s i g eh b t 技 术的出现和发展，使b i c m o s 器件的性能得到了极大的提高。 目前先进的s i g eb i c m o s 技术是以双层多晶硅自对准b i c m o s 为基础，将 s i g e 外延技术应用于h b t 的基区和发射区的制各，并和c m o s 电路起集成， 这使b i c m o s 器件的高频性能得到极大的提高，同时也拓展了b i c m o s 的应用 范围。 一一。 兰型查堂堡! ：兰笪堕苎 图1 5高性能s ；g eb i 酬o s 结构示意图 图】5 为一种高性能s l o eb i c m o s 工艺剖面图，同早期的b i c m o s 相比， 这种b i c m o s 器件的结构采用了以下先进技术： 一、采用原位掺杂的多晶硅发射极技术 多晶硅发射极双极晶体管拥有比普通双极管高达3 7 倍的电流增益【7 j 而 这种对电流增益的提高为增加基区掺杂浓度( 而不降低晶体管的电流增益) 提供 了交换余地，这样，双极管的各项性能有了更大的优化空间，因此现在的 b i p o l a r b i c m o s 工艺中大多采用了多晶硅发射极技术。早期的发射极多品硅采 用离子注入的方法掺杂，因为发射区宽度较大，所以较容易形成很理想的发射区 和内基区。但是随着集成度的不断增加，发射区的宽度迅速减小，当发射区宽瘦 减小到亚微米数量缴时，注入掺杂的发射极多晶硅的周边耗尽效应和阻塞效应就 越来越明显，这严重影响了双极晶体管的性能，因此入们l 丌始采用另一种多晶硅 掺杂方法多晶硅原位( i n s i t u ) 掺杂。多晶硅原位掺杂技术就是在c v d 多 晶硅的气源s i l l 4 中加入定量的p h 3 ，在c v d 过程中，s i h 4 和p h 3 一起分解， 这样磷杂质就均匀的分布在淀积下来的多晶硅当中了。要制作出超高速的硅双极 晶体管，通常都要采用原位掺杂多晶硅的技术。 二、双层多晶硅自对准结构 自对准结构使得发射区和基区的对准不再依赖于光刻的对准精度。由于无需 考虑光学版对准容错，发射区可以做得很小，目前流行的用于r f 和微波通信的 大规模的s i g e h b t 和s i g e b i c m o s 电路几乎都采用这种双层多晶硅自对准结 构。 兰州大学倾i ：学位论文 三、先进的深沟隔离技术 深沟隔离的使用，不仅能减小器件之间的漏电，同时还有许多其他的优势， 如能减4 、器件面积，增加集成度；减小寄生电容，提高速度；增大发射极和发 射极之间的击穿电压等等。因此在双极和b i c m o s 工艺中，常采用深沟隔离来 达到更好的隔离效果。 四、外延s i g e 形成基区 出于离子注入有一系列的不足之处，如沟道效应，阴影效应，和导致晶格 缺陷等，所以在离子注入工艺的基础上想把双极管的f t 做到超过5 0 6 0 g h z 是 非常困难的。用外延薄膜生长的方法来实现本征基区，可以把基区宽度控制在 几十个n m 。但对于超高速的双极晶体管，仅仅通过降低基区的宽度来达到高速 的目的是很有限的。因为双极器件的c - e 结的击穿特性是同基区宽度相关的， 当基区宽度降低的同时，如果基区的掺杂浓度保持不变，c e 结的击穿电压也会 降低。如果基区的掺杂浓度提高，器件的b 值又会降低。因此为了获得更高速、 更高性能的双极器件，人们采用了s i g e 异质结双极晶体管结构。由下面的公式： = 见吼珥g b e x p 池k r j ( 1 3 1 ) 可以看出在内基区的s i 中掺入g e 可以极大地提高双极晶体管的p 值。这给内基 区的结构设计提供了很大的余地，设计时可以提高基区的掺杂浓度而不用考虑p 的降低。在文献中f 8 】制作的f t 为2 0 0 g h z 的s i g eh b t 器件中，基区的浓度达到 了2 4 e 2 0 c m ，而且s i g eh b t 制作工艺同现在主流的硅工艺完全兼容，因此近 年来对s i g eh b t 器件的研究非常活跃。 五、先进的c m o s 工艺 在b i c m o s 工艺中，为了提高c m o s 器件部分的性能，一些先进的c m o s 工艺技术也应用到了b i c m o s 中，比如采用双栅工艺提高p m o s 器件性能：采 用l d d 结构减小热载流子效应的发生：做硅化物降低接触电阻；l o w k 和h i g h k 技：术等都被应用到了高性能的b i c m o s 工艺中。 兰州大学硕士学位论文 1 4 国内外发展现状 b i c m o s 工艺发展丌始于二十世纪八十年代早期，是作为一种显著提高数字 电路性能的方法，主要应用于s r a m 中。随着b i c m o s 工艺的发展和应用的连 续增长，模拟b i c m o s 工艺虽然也越来越受到重视，但在具体应用上却受到限 制。这主要是因为在模拟电路中存在商电压盛行和双极工艺的负担，尽管此时 b i c m o s ：【艺已经大量应用于大规模数字集成电路，但是由于工艺复杂、成本较 高，b i c m o s 始终没有取代c m o s 而成为当今超大规模集成电路发展的主流工 艺。 随着信息技术的发展，对集成电路集成度和速度等性能都有更高的要求，而 b i c m o s 器件由于同时具有双极器件高速、高驱动能力和c m o s 器件低功耗、高 集成度的优点，近年来取得了迅速的发展，特别是无线通讯领域的模拟和数模混 合信号应用的快速增长，使得b i c m o s 技术在数模混合集成电路中的应用越来越 受到人们的关注。 国外近几年来对b i c m o s 工艺的研究已经从硅b i c m o s 技术转向s i g e 和 s i g e ：c 的b i c m o s 技术，硅双极晶体管的j o h n s o n 极限已经由以前的斤+ b v 。 为2 0 0 g h z v 增加到了5 0 0 g h z - v ，b i c m o s 钓工艺主流已经发展到了o 3 5 1 a m 0 1 8 p m ，在2 0 0 3 年的b c t m 上，i b m 公布了他们最新开发的o 1 3 i u n 的s i g e b i c m o s 工艺，其中n p ns i g eh b t 的特征频率f t 高达2 0 0 g h z ，最高频率f m 。 达到了2 8 0 g h z 引。 国内双层多晶硅自对准的b i c m o s 工艺的发展比较落后，北京大学微电子 所一直在从事多晶硅发射极方面的工作，并取得了较大的成果他们的单层多晶 硅自对准b j t 技术发展已经比较成熟嘲。但是关于高性能的b i c m o s 工艺，国 内近年来末见有报道。 兰州人学硕十学位论文 1 5 作者的工作和论文内容安排 1 5 1 作者的工作 作者是2 0 0 3 年9 月来到微电子中心硅器件与集成技术研究室开始学习的， 利用近两年的时间，主要完成了以下工作： 】大量阅读、收集和翻译了双层多晶硅自对准双极和b i c m o s 工艺方面的 文献，对国内外的成果进行了总结。 2 对以前研究室在b i p o l a r b i c m o s 工艺研究方面上成果进行分析、总结。 3 对影响b i c m o s 器件性能的主要工艺条件进行模拟和优化。 4 对b i c m o s 关键单项工艺进行研究和优化。 5 根据优化结果，开发了一套完整的0 5 t x m 的高性能b i c m o s 工艺，制作 出双极n p n 晶体管特征频率为8 1 6 g h z ，c m o s 器件各项性能良好的b i c m o s 器件。 i 5 2 论文内容安排 本文共分六章，具体内容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了b i c m o s 技术特点、应用、国内外发展现 状，以及作者在硕士期间所做的主要工作。 第二章为b i c m o s 器件结构设计，包括b i c m o s 器件结构特点、双极部分 的结构设计、以及对c m o s 部分的结构设计 第三章为b i c m o s 中关键制作工艺的研究，其中包括：深沟隔离，e b 结 隔离以及双极晶体管n p n 结的形成。 第四章为b i c m o s 主要工艺条件对器件性能影响研究和优化，包括对内基 区工艺条件、选择性注入集电极( s i c ) 条件、退火条件，以及阱摧进条件进行 了工艺模拟和单项研究。 第五章对器件制作过程进行了描述，并对器件性能进行了测试和分析。 第六章为结论部分。 最后是结束语和致谢。 兰型：! ! 塑! ：兰垡堡兰 第1 章参考文献 i l lm a r t i ng b u e b l e r , “m i c r o e l e c t r o n i ct e s t c h i p s f o rv l s ie l e c t r o n i c s ”v l s i e l e c t r o n i c s m i c r o s t r u c t u r es c i e n c e ，v o l u m e 6 ，t 9 8 3 2 t o h r un a k a m u r aa n dh i r o t a k an i s h i z a w a ，“r e c e n tp r o g r e s si nb i p o l a rt r a n s i s t o r t e c h n o l o g y ”，i e e et r a n s ，e l e c t r o n d e v i c e s ，v 0 1 4 2 ，n o 3 ，p p 3 9 0 ，19 9 5 3 1j a m e sd w a r n o c k ，s i l i c o nb i p o l a rd e v i c es t r u c t u r e sf o rd i g i t a la p p l i c a t i o n s ： t e c h n o l o g y t r e n d sa n df u t u r ed i r e c t i o n s ”，i e e et r a n s e l e c t r o n d e v i c e s ，v o l4 2 ， n o 3 ，p p ，3 7 7 ，1 9 9 5 4 t w a k i m o t o ，y a k a z a w aa n ds k o n a k a ，“s ib i p o l a r2 g s s6 - b i tf l a s h a d ”，c o n v e r s i o nl s i t e c h d i g i s s c c ，p p 2 3 2 ，f e b 1 9 9 8 【5 r h a d a w a y , e ta l ，“b i c m o st e c h n o l o g yf o rt e l e c o m m u n i c a t i o n s ”，b c t m t e c h n i c a ld i g e s l ，p p l 5 9 ，1 9 9 3 f 6 ja ，r a l v a r e z ，“b i c m o st e c h n o l o g ya 1 1 da p p l i c a t i o n s ”，s e c o n de d i t i o nk l u w e r a c a d e m i cp u b l i s h e r s1 9 9 3 ， 7 】7a b d e l s h a f ya ，e l t o u k h ya n dd a v i djr o u l s t o n ，“t h er o l eo ft h ei n t e r f a c i a ll a y e r i n p o l y s i l i c o n e m i t t e r b i p o l a rt r a n s i s t o r s ”，i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ， v 0 1 2 9 ，n o 1 2 ，p p 1 8 6 2 ，1 9 8 2 8 】t a k e os h i b aa n d t a k a s h iu e b i n o ，q ns i t up h o s p h o r u s d o p e d p o l y s i l i c o n e m i t t e r t e c h n o l o g y f o rv e 掣h i 曲一s p e e d ，s m a l le m i t t e r b i p o l a rt r a n s i s t o r s ”， i e e et r a n s e l e c t r o n d e v i c e s ，p p 8 8 9 ，1 9 9 6 【9 】o m e r ，b a ；l i ue ta l ，“ao 1 3 s p lm u mb i c m o st e c h n o l o g yf e a l u r i n ga 2 0 0 2 8 0g h z ( f s u bt f s u bm a x ) s i g eh b t ”，b c t mt e c h n i c a l d i g e s t ， p p 2 0 3 2 0 6 ，2 0 0 3 1 0 j 张利春等，“超高速双层多晶硅发射极晶体管及电路”，半导体学报，v o l ，2 2 ， n o 3 ，p p 3 4 5 ，2 0 0 1 一兰型查兰型! ：兰竺堡兰 第二章b i c m o s 器件结构设计 2 1b i c m o s 器件结构特点 如图2 1 所示为我们在实验中制作的b i c m o s 器件结构示意图：双极部分采 用了双层多晶硅自对准结构，c m o s 部分则采用了单阱单栅结构。该b i c m o s 结构主要具有以下几项特点： a 采用了多晶硅发射极技术； b 采用了双层多晶硅自对准结构： c 采用了深沟隔离和l o c o s 隔离相结合的隔离方式； d 在内基区注入前采用了选择性集电极注入( s i c ) ； e 用低能注入的方式形成内基区； f 用注入退火的方式形成发射结； g 单阱单栅的c m o s 工艺。 l 皿团圆圈 钛化硅 未掺杂多晶硅p + 多晶硅 n + 多晶硅 金属 圈2 1实验中采用的b i c m o s 器件结构示意图 2 1 2 多晶硅发射极技术 所谓多晶硅发射极，就是利用多晶硅直接与发射区接触，引出发射极，多晶 硅发射极的采用能使双极晶体管的电流增盏系数增大3 7 倍，雨这种对电流增 益的提高为增加基区掺杂浓度( 而不降低晶体管的电流增益) 提供了交换余地， 这样，双极管的各项性能有了更大的优化空间。 l o 兰州大学硕_ ：学位论文 多晶硅发射极的优势：提高电流增益；高频率；使n p n 管的纵向尺寸 和横向尺寸能同时缩减，使e b 结电容的周边部分能同时按比例缩减：避免 了传统的离子注入发射区在e b 结附近形成缺陷而避免了铝刺穿e ，b 结。 发射极高电流增益机理 i _ 5 1 ： 氧化层隧穿模型 该理论认为，在制造器件的工艺过程中，在多晶硅淀积之前，单晶硅衬底表 面上会不可避免的生成一层自然氧化层，这层自然氧化层在多晶硅和单晶硅之间 形成了一个很薄的势垒，而载流子必须通过遂穿效应通过此势垒。用半导体知识 可以推出最大电流增为： h 。= 去= 鲁= c o n s i 誓e x p 一号( 匕：k 。一虬) ( 2 】1 ) 此模型表明：随着界面氧化层的厚度和势垒高度的不而，多晶硅发射极可以 使电流增益提高1 0 倍或者更多。 界面杂质离析模型 陔模型主要是建立在假设多晶硅中的杂质会在多晶硅晶界上离析出来的基 础之上。因为在多晶硅发射极结构中，多晶单晶界面实质上可以看作一个大的 连续的晶界，所以多晶硅的杂质会在界面上大量离析出来。离析在界面上的杂质 抬高了界面的势垒，从而阻止正偏时空穴注入到发射极。这种阻挡行为降低了空 穴在发射区的浓度分布，使空穴电流变小，从而增大了电流增益。此模型类似界 面氧化层模型，其不同之处就在于在界面处形成势垒的物质不同而已。 载流子通过多晶硅膜的输运理论 该理论认为多晶硅发射极引起的电流增益是由于空穴在多晶硅膜中的输运 引起的。在多晶硅中，空穴的迁移率会低于单晶硅中的空穴迁移率。因为在多晶 硅的晶粒内，空穴的迁移率与单晶硅中是一样的，但是在晶界上，空穴的迁移率 就下降了，并且还会发生复合，因此整体来说空穴的迁移率就下降了。另外晶粒 数目越多，空穴的迁移率就越低。发射区的空穴迁移率降低，就意味着基区电流 减小，但是电子的迁移率在多晶硅中却并无多大变化，所以电流增益就会增大。 实际韵情况 实际上，多晶硅发射积的电流增益应该是三种机制同时作用的结果，就是说 可能有的地方是氧化物势垒在起作用，有的地方则是杂质势垒在起作用，再加上 兰塑查兰塑! 兰篁堡苎 空穴在多晶硅膜中的迁移率的下降，共同导致了多晶硅发射极对电流增益的提高 效果。这样使得双极管的设计就增加了很大的自由度：我们可以适当的增大基区 浓度，减薄基区，这样并不降低基区穿通电压，也可以保持电流增益，但是晶体 管的特征频率f t 却得到了很大的提高。 2 1 2 双层多晶硅自对准结构 多晶硅发射极另一个重要的突破点是为双极晶体管实现自对准结构提供了 可能，自对准结构使得发射区和基区的对准不再依赖于光刻的对准精度。自对准 的多晶硅发射极双极晶体管主要有两类结构：单层多晶硅自对准和双层多晶硅自 对准。 单层多晶硅自对准晶体管的制作有好几种方法，或多或少类似传统的c m o s 流狸，其工艺比较简单。 双层多晶硅自对准结构，自1 9 8 0 年出现以来，不到十年的时间，已经迅速 发展成为绝大多数高性能双极和b i c m o s 技术的首选结构。目前流行的用于r f 和微波通信的大规模的s i g eh b t 和s i g eb i c m o s 电路几乎都采用这种结构o2 1 ， 本征多晶硅 图2 2双层多晶硅自对准结构的示意图 图2 2 为双层多晶硅自对准结构的示意图，其特点为：基极用p + 多晶硅 引出，并且p 十多晶硅为外基区的形成提供扩散源；发射极用n + 多晶硅引出， 同样n + 多晶硅也为发射区的形成提供扩散源；发射区通过侧墙与基区自对准， 同时侧墙也影响着内外基区的连接。 图2 , 3 为双层多晶硅自对准结构的制作过程，首先将硅片表面清洗干净，淀 积第一层多晶硅，注入硼( b ) 到多晶硅中形成p + 外基区的扩散源，刻蚀内基区 一一兰型苎堂塑主兰些丝兰 窗口，再进行内基区注入，然后淀积氧化层返刻形成e - b 结侧墙，再淀积第二 层多晶硅，注入砷( a s ) 或磷( p ) 形成n + 多晶硅，最后退火形成n p n 晶体管。 图2 3双层多晶硅自对准结构的制作过程 这种双层多晶硅自对准结构的主要优势在于：发射区与基区实现自对准， 无需考虑光学版对准容错，发射区可以做得很小，甚至小于最小光学尺寸；基 区与有源区也实现自对准，因此基区也可以做得很小，这样减小了寄生电容，提 高了晶体管的频率特性；基极通过多晶硅引出，基极的接触孔可以开在隔离区 上，这样可以减小管子的面积；分别引出基极和发射极的两层多晶硅都可以用 来布线，这样给电路设计者提供了很大的自由度。 2 1 3 先进的隔离技术 在双极器件中，最早采用的隔离技术是结区隔离。结区隔离是采用反向偏置 的p n 结来隔离器件，这种隔离技术工艺十分简单，但是结区隔离需要占用芯片 面的面积大，因此不适用于大规模集成电路中。另外，隔离扩散导致集电极与衬 底之间以及集电极与基区之间的寄生电容增大，因此降低了电路的速度性能。 于是开始采用硅的局部氧化( l o c o s ) 隔离技术取代了p n 结隔离，现在 l o c o s 隔离技术已经成为了硅集成电路制造的标准工艺之一。图2 4 为场氧的 l o c o s 隔离形成过程，首先生长层薄氧化层，然后l p c v d 淀积一层s 1 3 n 4 。 光刻刻蚀露出场氧区后，进行场注入用来提高寄生m o s f e t 的阈值电压，然后 去掉光刻胶，再进行场氧( 如图2 4 所示) 。在场氧中，s i n 4 阻挡了氧化剂的扩 散，使s b n 4 下面的硅不能被氧化，但是在s i 3 n 4 顶部也会长出一层薄氧化层， 因此在场氧后去除s i 3 n 4 之前，需要先去除s i 3 n 4 上面的这层薄氧化层。 一 兰型盔兰竺! ：兰竺堕苎 图2 。4l o c o $ 隔离形成过程 l o c o s 隔离技术存在两个严重的缺点：首先这种方法形成的表面有很高的 台阶，这使得后面的淀积工艺的台阶覆盖差，并且将影响光刻工艺的对准精度， 在光刻小尺寸图形时这种问题会更严重；另外l o c o s 隔离中鸟嘴( b i r d sb e a k ) 的存在减小了器件的有效宽度，从而减小了晶体管的驱动电流。因此现在的 l o c o s 隔离技术通常只用在特征尺寸大于0 3 5 p r o 的工艺中。 对于超高速集成电路而言，早期的p n 结隔离和常规等平面氧化物( l o c o s ) 隔离有较大的寄生效应，而且不能按比例缩小。尤其是当器件尺寸减小、晶体管 集成度提高时，无论是l o c o s 技术，还是任何其它改进的隔离技术都不适合这 种小尺寸、高集成度电路。为解决这些问题，开发了一些新的隔离方法。首先研 究的是纵横比小的浅槽。可以认为浅槽技术与l o c o s 技术有些类似，只不过在 浅稽技术中填入场区的是淀积的s i 0 2 而不是热氧生长的s i 0 2 ，淀积完s i 0 2 后， 必须进行平坦化工艺来去除有源区上多余的s i 0 2 。 为了获得更好的隔离性能，人们研究了另一种深槽隔离技术。深槽隔离采用 的是固定宽度的深槽。一般深槽的尺寸宽度在o 1 8 - - l p m 之间，深度在2 5 p r o 之问。沟槽隔离是b i c m o s 技术中的重要工艺。在双极电路中，深沟隔离的使 用能大大减小器件面积和c s 寄生电容，能显著提高n p n 管的频率特性，增大集 电极。集电极之间的击穿电压。而在c m o s 中，埋层、外延层和深沟隔离的联合 使用能彻底消除闩锁( 1 a t c h - u p ) 效应。 在实验中我们采用了先进的深沟隔离和l o c o s 隔离相结合的隔离方式。得 到了良好的隔离性能。 兰卅f 入学硕士学位论文 2 1 4 选择性集电极注入( s i c ) 选择性集电极注入( s i c ) 对双极晶体管的影响有几个方面：一是对集电极 电阻的影响，s i c 注入能有效降低集电极电阻，在双极晶体管结构中，外延层掺 杂浓度通常比较低( 为2 e 1 6 e m 。) ，而s i c 的注入能提高内基区到埋层之间外延 层的浓度，从而降低集电极电阻；二是s i c 对内基区宽度的影响，在内基区注入 条件不变的情况下，s i c 的注入能降低内基区的有效宽度，同时随着s i c 注入浓 度的提高，基区宽度也随之降低，因此s i c 的注入还可以起到调节内基区宽度的 作用。双极晶体管中集电极电阻和内基区有效宽度的降低都能提高晶体管的特征 频率。三是对击穿电压的影响，s i c 注入提高了集电极浓度，在内基区浓度一定 的情况下，b c 结反向击穿电压( b v b 。) 会降低。同时内基区宽度的减小，c e 结穿通电压( b y 。) 也会降低。 由于s i c 注入对双极器件的影响一方面能有效提高晶体管特征频率，获得较 高的频率特性，但另一方面也降低了晶体管的击穿电压。因此在双极晶体管参数 设计中必须选用合适的s i c 注入莉量，以便使器件在频率特性和击穿特性之间达 到一定的平衡。 2 1 5 内基区的形成方式 内基区的形成方式通常有三种：注入基区，扩散基区和外延基区。 用注入的方法给基区掺杂，是最简单的也是用得最早的方法。早期在发射区 尺寸还较大时，这种方法可以得到较好的效果。但是由于注入时离子的拖尾效应 和沟道效应，用注入的方式很难形成很窄的内基区，也较难形成超高速的双极器 件。 内基区也通过扩散的方式形成，这不仅可以减小离子注入造成的损伤，而且 还能形成较好的结分布。在很多工艺中，第二层多晶硅不仅是发射区的杂质扩散 源，同时也作为基区