发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺方法
发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺，适用于微波功率晶体管生产的结构和工艺，属于半导体微电子设计制造技术领域。
【背景技术】
[0002]目前传统微波脉冲功率管大都采用了叉指梳状结构的硅双极型晶体管(BJT)。由于材料、结构等限制，大功率输出时更多应用在中短脉宽、小占空比范围。长脉宽、大占空比应用时器件的性能与可靠性下降很快，已经越来越难以适应现代雷达对作用距离、作用效能和对抗效果的要求。本发明利用发射极多晶硅兼做横向分布式镇流电阻，提供功率管的二次镇流，可以有效改善器件的散热均匀性，同时利用多晶硅发射极的电流方向与内基区的电流方向相反的特性有效减小了发射极的集边效应，提高了微波功率器件的最大电流与散热面积，从而提高了微波功率器件的性能与可靠性。采用本方法制作的功率管，可以在更长的脉宽、更大的占空比条件下输出更大的功率，拓展了硅双极型器件在微波大功率领域的应用范围。现代双极型微波功率晶体管普遍采用梳妆结构，由许多个子晶体管并联而成。功率晶体管的电流集中效应，通常在每个子晶体管的小发射极条上串联一个小镇流电阻7(Rd)(横向结构参考顶视图图1、纵向结构参考图2B-B方向的剖面图图9)。该电阻设计在有源区外面，可以利用离子注入硅或扩散形成的体电阻，也可以用金属薄膜做电阻。这种镇流电阻有两个缺点，一个缺点是只能对不同的发射极条起镇流作用，对同一个发射极条的电流集中效应却没有镇流效果，因为芯片中心散热差，边缘散热好，导致功率管芯片大电流密度下有源区中心线的电流密度明显大于芯片两边缘的电流密度，器件的功率性能、稳定性与可靠性下降。另一个缺点是硅体电阻有较大的正温度系数，虽然增强了镇流效果，但双极器件高温下增益与功率下降，若镇流电阻再增加，加重了增益下降趋势，器件高温下的增益与输出功率比低温下的增益与输出功率下降较大，导致高低温性能不够理想，器件性能随温度波动变化大。
[0003]还有一种制作镇流电阻的方法是利用发射极重掺杂多晶硅本身的纵向电阻兼做垂直分布镇流电阻。该方法因为是处处镇流，明显改善了镇流的均匀性。但是因为重掺杂多晶硅的方块电阻偏低，多晶硅厚度因工艺难度大不能做得太厚，导致镇流电阻明显偏小，实际镇流效果比较微弱，没有得到普遍应用。
[0004]功率管在大电流应用时，由于基极电流通过基极电阻时产生的压降，使得晶体管发射结上不同区域的偏压不相等，这会使得发射极电流在发射结上的分布极不均匀，发射极电流明显集中在边缘，称为集边效应。通过缩窄发射极条宽度可以减弱集边效应，但增加了工艺难度，增加了电流密度，器件散热也变差。
【发明内容】
[0005]本发明提出的是一种发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺;其目的旨在解决功率晶体管的电流集中效应，有效地减弱集边效应，并克服现有技术所存在的上述缺陷。
[0006]本发明的技术解决方案:发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+(硼)形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。
[0007]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，包括如下步骤:
1)选择硅N+/N—外延材料；
2)高温氧化生长Si02；
3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶；
4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去月父；
5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶；
6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质；
7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶；
8)LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻；
9)高温推进激活掺杂形成发射极；
10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶；
11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密；
12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶；
13)溅射11/WN /Au ；
14)光刻电镀区，选择电镀；
15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B);
16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)。
[0008]本发明的有益效果:
1)不改变原有的器件纵向结构、不增加工艺步骤，通过改进器件的光刻版设计提供发射极所需的分布式电阻作为器件的二次镇流电阻，实现了器件的处处镇流，镇流均匀性明显提升;
2)同时通过芯片中心与芯片边缘的非均匀发射极镇流电阻设计，降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性。
[0009]3)本结构还明显减弱了发射极大电流工作特有的集边效应，提高了器件的电流能力与散热能力。
[0010]4)采用二次镇流技术还改善了功率管的高低温性能。
[0011]5)采用该技术后，把微波功率晶体管的应用范围从中短脉宽、小占空比、中低工作电压，拓展到了中长脉宽、较大占空比、中高电压，同时也提高了微波功率管的微波性能(输出功率、效率等)及可靠性。
【附图说明】
[0012]图1是当前双极型微波功率晶体管采用最普遍的梳妆结构的顶视图，使用了离子注入硼形成的硅体电阻做镇流电阻。
[0013]图2是本发明采用的变种梳妆结构的顶视图，除了使用了离子注入硼形成的硅体电阻做一次镇流电阻外，还利用发射极多晶硅横向的体电阻做二次镇流电阻。
[0014]图3是图2发射极的局部放大图，从图可以看出，利用发射极接触孔的不等间距排列，中间疏，两边密(D1>D2)，就可以获得大小不等的梯形组成的多晶硅体电阻，使得芯片中心镇流电阻大，芯片边缘镇流电阻小。
[0015]图4是图1在AA方向的垂直剖面图。
[0016]图5是图6是图2在AA方向的垂直剖面图。
[0017]图7?图11是图2在BB方向的垂直剖面图。
[0018]图12?图17是图2在AA方向的垂直剖面图。
[0019]图中的1是基极金属；2是发射极金属；3是离子注入镇流电阻窗口； 4是发射极窗口； 5是离子注入形成的P型基区;6是基区浓硼接触窗口； 7是一次镇流电阻R1; 8是发射极接触孔;9是二次镇流电阻R2(芯片中心)；10、二次镇流电阻R3(芯片边缘)；11是掺砷多晶硅；12是Si02纯化层；13是惨砷多晶娃尚温推进形成的发射区；14是N-外延层；15是N++衬底；16是背面金属。
【具体实施方式】
[0020]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+(硼)形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻，方法是将每个发射极条由一条E条13(剖面图见图4)分为两条E条13(剖面图见图5)，发射条宽度缩窄一半，维持总的发射极面积基本不变。为了不降低器件的图形优质，把基区的浓硼接触孔缩窄，每个子胞的周期长度维持不变，这样改动后器件的输入电容、输出电容、反馈电容都基本保持不变，基极电阻也基本不变，所以维持了频率性能基本不变。再LPCVD生长掺砷多晶硅并光刻只保留发射孔上和两个发射孔之间的多晶硅，高温推进形成发射极(图
14)。把发射极的接触孔从常规工艺的发射孔上方移到两个发射孔的中间，利用发射极掺砷多晶硅兼做横向分布式镇流电阻(横向结构参考顶视图图2、A-A方向的纵向结构参考剖面图图5)，同时把芯片中心区的发射极接触孔的间距设计得比芯片边缘大(D1>D2)(顶视图参考图3，图3是图2的发射极局部放大图)，使得芯片中心区的发射极镇流电阻9要大于芯片边缘的发射极镇流电阻10(Re2>Re3)。降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性。发射极二次镇流电阻利用了发射极重掺砷多晶硅的体电阻，没有增加额外的工艺;通过调节多晶硅的厚度从2000埃?5000埃，可以很方便地大范围调节镇流电阻的阻值，为设计与应用带来了方便。
[0021]这种结构还可以有效地减弱集边效应，原理图见图6的剖面图。
[0022]从图6可以看到，在发射孔内，多晶硅发射极的电流方向ie从左向右，发射孔下面的内基区的电流方向ib从右向左，电流方向正好相反，大电流工作时，多晶硅上的压降部分抵消了内基区电阻的压降，从而削弱了集边效应，使得有效发射极变宽，提高了每条发射极的输出电流，改善了发射极的热均勾性。理论上，当fT/f *Re= Rb，可以消除集边效应。工艺上可以根据工作频率与fT、内基区方块电阻与多晶硅电阻率来调整多晶硅厚度以达到尽量减小集边效应的目的。
[0023]采用多晶硅做镇流电阻虽然具有工艺简单(不用额外增加工艺，与多晶硅发射极一道形成)、不占面积、镇流均匀、减弱集边效应等诸多优点，但是高掺砷多晶硅的温度特性是负温度系数，意味着芯片越热的地方镇流电阻越小，减弱了镇流效果，若单独使用可靠性存在隐患。本发明采用了二次镇流技术，利用硅体电阻有较大的正温度系数去抵消多晶硅体电阻的负温度系数，调整两种电阻的制作工艺条件与电阻阻值比例，可以得到略带正温度系数的组合镇流电阻，既得到了有效镇流，也改善了功率管的高低温性能。
[0024]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构的工艺方法，步骤如下:
1)选择硅N+/N-外延材料，(图7)。
[0025]2)高温氧化生长Si02;(图8)。
[0026]3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶，(图9)。
[0027]4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶，(图10)。
[0028]5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶，(图11)。
[0029]6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质。
[0030]7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶，(图12)。
[0031 ] 8)LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻。
[0032]9)高温推进激活掺杂形成发射极(图13)。
[0033]10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶，(图14)。
[0034]11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密。
[0035]12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶(图15)。
[0036]13)溅射Ti /WN /Au ；
14)光刻电镀区，选择电镀；
15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B)(图16)。
[0037]16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)(图17)。
实施例
[0038]工艺步骤如下:
1)选择硅N+/N—，衬底材料N++电阻率《0.005Ω.cm;在该衬底上外延N—型硅外延层，电阻率0.5Ω.αιι?2Ω.cm，外延层厚度3μηι?ΙΟμπι，(图7);
2)清洗后的硅片，在炉温1000°C— 1150°C，并通干氧气的条件下，恒温15分钟-30分钟，然后通三氯甲烷或三氯乙烯30分钟-60分钟，干氧气10分钟-20分钟，生成900埃一 1200埃二氧化硅，(图8);
3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，注入剂量(1?20)X 1014cm—2，能量40KeV?lOOKeV，去胶，(图9);
4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?6) X 1015cm—2，能量40KeV?lOOKeV去胶，(图10)；
5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?10)X1013cm—2，能量30KeV?80KeV去胶，(图11);
6)LPCVD工艺淀积2000A?8000ASi02钝化层。800°C?1000°C高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质；
7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶，(图12);
8)LPCVD掺砷多晶硅，厚度为2000A?5000A。这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻；
9)高温推进并激活掺杂形成发射极:在800°C?1000°C的温度下，通N220?60分钟(图
13)；
10).光刻多晶硅，保留发射极条上和横向镇流电阻区域的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶(图14);
1DLPCVD淀积2000A?4000A Si02钝化层，在800°C?1000°C的温度下，通N2 10?40分钟；
12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶(图15);
13)溅射Ti500A?1500A/WN ΙΟΟΟΑ?3000A/Au 500A?1500A ；
14)光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μπι?2.5μπι;
15)反刻形成金属电极，即发射极(Ε)和基极(Β)(图16);
16)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μπι?ΙΙΟμπι;对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗;蒸发Ti 500A?1500A /Ni 3000A?5000A /Au 3000A?7000A形成下电极，即集电极(C)(图17)。
【主权项】
1.发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+硼形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。2.根据权利要求1所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的有源区内部增加一个二次镇流电阻，其方法是将每个发射极条由一条E条13分为两条E条13，发射条宽度缩窄一半，维持总的发射极面积基本不变;为了不降低器件的图形优质，把基区的浓硼接触孔缩窄，每个子胞的周期长度维持不变，再LPCVD生长掺砷多晶硅并光刻只保留发射孔上和两个发射孔之间的多晶硅，高温推进形成发射极。3.根据权利要求2所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射极的接触孔从常规工艺的发射孔上方移到两个发射孔的中间，利用发射极掺砷多晶硅兼做横向分布式镇流电阻，同时把芯片中心区的发射极接触孔的间距设计得比芯片边缘大，使得芯片中心区的发射极镇流电阻要大于芯片边缘的发射极镇流电阻。4.根据权利要求1所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射极二次镇流电阻利用了发射极重掺砷多晶硅的体电阻，没有增加额外的工艺;通过调节多晶硅的厚度从2000埃?5000埃，调节镇流电阻的阻值。5.根据权利要求2所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射孔内，多晶硅发射极的电流方向ie从左向右，发射孔下面的内基区的电流方向ib从右向左，电流方向正好相反，大电流工作时，多晶硅上的压降部分抵消了内基区电阻的压降，从而削弱了集边效应，使得有效发射极变宽，提高了每条发射极的输出电流，改善了发射极的热均匀性。6.如权利要求1的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是包括如下步骤: 1)选择硅N+/N—外延材料； 2)高温氧化生长Si02； 3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶； 4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去月父； 5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶； 6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质； 7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶； 8) LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E )同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻； 9)高温推进激活掺杂形成发射极； 10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶； 11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密； 12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶； 13)溅射Ti/WN /Au ； 14)光刻电镀区，选择电镀； 15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B); 16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)。7.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 1)选择硅N+/N—，衬底材料N++电阻率《0.005Ω.cm;在该衬底上外延N—型硅外延层，电阻率0.5Ω.αιι?2Ω.cm，外延层厚度3μηι?ΙΟμπι; 2)清洗后的硅片，在炉温1000°C— 1150°C，并通干氧气的条件下，恒温15分钟-30分钟，然后通三氯甲烷或三氯乙烯30分钟-60分钟，干氧气10分钟-20分钟，生成900埃一 1200埃二氧化硅； 3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，注入剂量(1?20)X 1014cm—2，能量40KeV?lOOKeV; 4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?6)X1015cm—2，能量40KeV?lOOKeV去胶； 5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?10)X 1013cm—2，能量30KeV?80KeV去胶; 6)LPCVD工艺淀积2000A?8000ASi02钝化层，800°C?1000°C高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质。8.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 8)LPCVD掺砷多晶硅，厚度为2000A?5000A; 9)高温推进并激活掺杂形成发射极:在800°C?1000°C的温度下，通N220?60分钟； 11)LPCVD淀积2000A?4000A Si02钝化层，在800°C?1000°C的温度下，通N2 10?40分钟。9.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 13)溅射Ti500A?1500A/WN ΙΟΟΟΑ?3000A/Au 500A?1500A ； 14)光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μπι?2.5μπι; 16)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μπι?ΙΙΟμπι;对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗;蒸发Ti 500A?1500A /Ni 3000A?5000A /Au 3000A?7000A形成下电极。
【专利摘要】本发明是发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构和工艺方法，采用二次镇流技术：有源区外部仍采用离子注入P+（硼）形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。优点：1）实现了器件的处处镇流，镇流均匀性明显提升；2）降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性；3）明显减弱了发射极大电流工作特有的集边效应，提高了器件的电流能力与散热能力；4）采用二次镇流技术还改善了功率管的高低温性能；5）把微波功率晶体管的应用范围从中短脉宽、小占空比、中低工作电压,拓展到了中长脉宽、较大占空比、中高电压，提高了微波功率管的微波性能及可靠性。
【IPC分类】H01L29/73, H01L21/331, H01L29/08
【公开号】CN105489640
【申请号】CN201510950089
【发明人】盛国兴
【申请人】中国电子科技集团公司第五十五研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月18日
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺，适用于微波功率晶体管生产的结构和工艺，属于半导体微电子设计制造技术领域。
【背景技术】
[0002]目前传统微波脉冲功率管大都采用了叉指梳状结构的硅双极型晶体管(BJT)。由于材料、结构等限制，大功率输出时更多应用在中短脉宽、小占空比范围。长脉宽、大占空比应用时器件的性能与可靠性下降很快，已经越来越难以适应现代雷达对作用距离、作用效能和对抗效果的要求。本发明利用发射极多晶硅兼做横向分布式镇流电阻，提供功率管的二次镇流，可以有效改善器件的散热均匀性，同时利用多晶硅发射极的电流方向与内基区的电流方向相反的特性有效减小了发射极的集边效应，提高了微波功率器件的最大电流与散热面积，从而提高了微波功率器件的性能与可靠性。采用本方法制作的功率管，可以在更长的脉宽、更大的占空比条件下输出更大的功率，拓展了硅双极型器件在微波大功率领域的应用范围。现代双极型微波功率晶体管普遍采用梳妆结构，由许多个子晶体管并联而成。功率晶体管的电流集中效应，通常在每个子晶体管的小发射极条上串联一个小镇流电阻7(Rd)(横向结构参考顶视图图1、纵向结构参考图2B-B方向的剖面图图9)。该电阻设计在有源区外面，可以利用离子注入硅或扩散形成的体电阻，也可以用金属薄膜做电阻。这种镇流电阻有两个缺点，一个缺点是只能对不同的发射极条起镇流作用，对同一个发射极条的电流集中效应却没有镇流效果，因为芯片中心散热差，边缘散热好，导致功率管芯片大电流密度下有源区中心线的电流密度明显大于芯片两边缘的电流密度，器件的功率性能、稳定性与可靠性下降。另一个缺点是硅体电阻有较大的正温度系数，虽然增强了镇流效果，但双极器件高温下增益与功率下降，若镇流电阻再增加，加重了增益下降趋势，器件高温下的增益与输出功率比低温下的增益与输出功率下降较大，导致高低温性能不够理想，器件性能随温度波动变化大。
[0003]还有一种制作镇流电阻的方法是利用发射极重掺杂多晶硅本身的纵向电阻兼做垂直分布镇流电阻。该方法因为是处处镇流，明显改善了镇流的均匀性。但是因为重掺杂多晶硅的方块电阻偏低，多晶硅厚度因工艺难度大不能做得太厚，导致镇流电阻明显偏小，实际镇流效果比较微弱，没有得到普遍应用。
[0004]功率管在大电流应用时，由于基极电流通过基极电阻时产生的压降，使得晶体管发射结上不同区域的偏压不相等，这会使得发射极电流在发射结上的分布极不均匀，发射极电流明显集中在边缘，称为集边效应。通过缩窄发射极条宽度可以减弱集边效应，但增加了工艺难度，增加了电流密度，器件散热也变差。
【发明内容】
[0005]本发明提出的是一种发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构及工艺;其目的旨在解决功率晶体管的电流集中效应，有效地减弱集边效应，并克服现有技术所存在的上述缺陷。
[0006]本发明的技术解决方案:发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+(硼)形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。
[0007]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，包括如下步骤:
1)选择硅N+/N—外延材料；
2)高温氧化生长Si02；
3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶；
4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去月父；
5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶；
6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质；
7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶；
8)LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻；
9)高温推进激活掺杂形成发射极；
10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶；
11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密；
12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶；
13)溅射11/WN /Au ；
14)光刻电镀区，选择电镀；
15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B);
16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)。
[0008]本发明的有益效果:
1)不改变原有的器件纵向结构、不增加工艺步骤，通过改进器件的光刻版设计提供发射极所需的分布式电阻作为器件的二次镇流电阻，实现了器件的处处镇流，镇流均匀性明显提升;
2)同时通过芯片中心与芯片边缘的非均匀发射极镇流电阻设计，降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性。
[0009]3)本结构还明显减弱了发射极大电流工作特有的集边效应，提高了器件的电流能力与散热能力。
[0010]4)采用二次镇流技术还改善了功率管的高低温性能。
[0011]5)采用该技术后，把微波功率晶体管的应用范围从中短脉宽、小占空比、中低工作电压，拓展到了中长脉宽、较大占空比、中高电压，同时也提高了微波功率管的微波性能(输出功率、效率等)及可靠性。
【附图说明】
[0012]图1是当前双极型微波功率晶体管采用最普遍的梳妆结构的顶视图，使用了离子注入硼形成的硅体电阻做镇流电阻。
[0013]图2是本发明采用的变种梳妆结构的顶视图，除了使用了离子注入硼形成的硅体电阻做一次镇流电阻外，还利用发射极多晶硅横向的体电阻做二次镇流电阻。
[0014]图3是图2发射极的局部放大图，从图可以看出，利用发射极接触孔的不等间距排列，中间疏，两边密(D1>D2)，就可以获得大小不等的梯形组成的多晶硅体电阻，使得芯片中心镇流电阻大，芯片边缘镇流电阻小。
[0015]图4是图1在AA方向的垂直剖面图。
[0016]图5是图6是图2在AA方向的垂直剖面图。
[0017]图7?图11是图2在BB方向的垂直剖面图。
[0018]图12?图17是图2在AA方向的垂直剖面图。
[0019]图中的1是基极金属；2是发射极金属；3是离子注入镇流电阻窗口； 4是发射极窗口； 5是离子注入形成的P型基区;6是基区浓硼接触窗口； 7是一次镇流电阻R1; 8是发射极接触孔;9是二次镇流电阻R2(芯片中心)；10、二次镇流电阻R3(芯片边缘)；11是掺砷多晶硅；12是Si02纯化层；13是惨砷多晶娃尚温推进形成的发射区；14是N-外延层；15是N++衬底；16是背面金属。
【具体实施方式】
[0020]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+(硼)形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻，方法是将每个发射极条由一条E条13(剖面图见图4)分为两条E条13(剖面图见图5)，发射条宽度缩窄一半，维持总的发射极面积基本不变。为了不降低器件的图形优质，把基区的浓硼接触孔缩窄，每个子胞的周期长度维持不变，这样改动后器件的输入电容、输出电容、反馈电容都基本保持不变，基极电阻也基本不变，所以维持了频率性能基本不变。再LPCVD生长掺砷多晶硅并光刻只保留发射孔上和两个发射孔之间的多晶硅，高温推进形成发射极(图
14)。把发射极的接触孔从常规工艺的发射孔上方移到两个发射孔的中间，利用发射极掺砷多晶硅兼做横向分布式镇流电阻(横向结构参考顶视图图2、A-A方向的纵向结构参考剖面图图5)，同时把芯片中心区的发射极接触孔的间距设计得比芯片边缘大(D1>D2)(顶视图参考图3，图3是图2的发射极局部放大图)，使得芯片中心区的发射极镇流电阻9要大于芯片边缘的发射极镇流电阻10(Re2>Re3)。降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性。发射极二次镇流电阻利用了发射极重掺砷多晶硅的体电阻，没有增加额外的工艺;通过调节多晶硅的厚度从2000埃?5000埃，可以很方便地大范围调节镇流电阻的阻值，为设计与应用带来了方便。
[0021]这种结构还可以有效地减弱集边效应，原理图见图6的剖面图。
[0022]从图6可以看到，在发射孔内，多晶硅发射极的电流方向ie从左向右，发射孔下面的内基区的电流方向ib从右向左，电流方向正好相反，大电流工作时，多晶硅上的压降部分抵消了内基区电阻的压降，从而削弱了集边效应，使得有效发射极变宽，提高了每条发射极的输出电流，改善了发射极的热均勾性。理论上，当fT/f *Re= Rb，可以消除集边效应。工艺上可以根据工作频率与fT、内基区方块电阻与多晶硅电阻率来调整多晶硅厚度以达到尽量减小集边效应的目的。
[0023]采用多晶硅做镇流电阻虽然具有工艺简单(不用额外增加工艺，与多晶硅发射极一道形成)、不占面积、镇流均匀、减弱集边效应等诸多优点，但是高掺砷多晶硅的温度特性是负温度系数，意味着芯片越热的地方镇流电阻越小，减弱了镇流效果，若单独使用可靠性存在隐患。本发明采用了二次镇流技术，利用硅体电阻有较大的正温度系数去抵消多晶硅体电阻的负温度系数，调整两种电阻的制作工艺条件与电阻阻值比例，可以得到略带正温度系数的组合镇流电阻，既得到了有效镇流，也改善了功率管的高低温性能。
[0024]发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构的工艺方法，步骤如下:
1)选择硅N+/N-外延材料，(图7)。
[0025]2)高温氧化生长Si02;(图8)。
[0026]3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶，(图9)。
[0027]4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶，(图10)。
[0028]5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶，(图11)。
[0029]6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质。
[0030]7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶，(图12)。
[0031 ] 8)LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻。
[0032]9)高温推进激活掺杂形成发射极(图13)。
[0033]10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶，(图14)。
[0034]11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密。
[0035]12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶(图15)。
[0036]13)溅射Ti /WN /Au ；
14)光刻电镀区，选择电镀；
15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B)(图16)。
[0037]16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)(图17)。
实施例
[0038]工艺步骤如下:
1)选择硅N+/N—，衬底材料N++电阻率《0.005Ω.cm;在该衬底上外延N—型硅外延层，电阻率0.5Ω.αιι?2Ω.cm，外延层厚度3μηι?ΙΟμπι，(图7);
2)清洗后的硅片，在炉温1000°C— 1150°C，并通干氧气的条件下，恒温15分钟-30分钟，然后通三氯甲烷或三氯乙烯30分钟-60分钟，干氧气10分钟-20分钟，生成900埃一 1200埃二氧化硅，(图8);
3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，注入剂量(1?20)X 1014cm—2，能量40KeV?lOOKeV，去胶，(图9);
4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?6) X 1015cm—2，能量40KeV?lOOKeV去胶，(图10)；
5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?10)X1013cm—2，能量30KeV?80KeV去胶，(图11);
6)LPCVD工艺淀积2000A?8000ASi02钝化层。800°C?1000°C高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质；
7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶，(图12);
8)LPCVD掺砷多晶硅，厚度为2000A?5000A。这层多晶硅作为功率管的发射极(E)同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻；
9)高温推进并激活掺杂形成发射极:在800°C?1000°C的温度下，通N220?60分钟(图
13)；
10).光刻多晶硅，保留发射极条上和横向镇流电阻区域的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶(图14);
1DLPCVD淀积2000A?4000A Si02钝化层，在800°C?1000°C的温度下，通N2 10?40分钟；
12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶(图15);
13)溅射Ti500A?1500A/WN ΙΟΟΟΑ?3000A/Au 500A?1500A ；
14)光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μπι?2.5μπι;
15)反刻形成金属电极，即发射极(Ε)和基极(Β)(图16);
16)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μπι?ΙΙΟμπι;对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗;蒸发Ti 500A?1500A /Ni 3000A?5000A /Au 3000A?7000A形成下电极，即集电极(C)(图17)。
【主权项】
1.发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是采用二次镇流技术:有源区外部仍采用离子注入P+硼形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。2.根据权利要求1所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的有源区内部增加一个二次镇流电阻，其方法是将每个发射极条由一条E条13分为两条E条13，发射条宽度缩窄一半，维持总的发射极面积基本不变;为了不降低器件的图形优质，把基区的浓硼接触孔缩窄，每个子胞的周期长度维持不变，再LPCVD生长掺砷多晶硅并光刻只保留发射孔上和两个发射孔之间的多晶硅，高温推进形成发射极。3.根据权利要求2所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射极的接触孔从常规工艺的发射孔上方移到两个发射孔的中间，利用发射极掺砷多晶硅兼做横向分布式镇流电阻，同时把芯片中心区的发射极接触孔的间距设计得比芯片边缘大，使得芯片中心区的发射极镇流电阻要大于芯片边缘的发射极镇流电阻。4.根据权利要求1所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射极二次镇流电阻利用了发射极重掺砷多晶硅的体电阻，没有增加额外的工艺;通过调节多晶硅的厚度从2000埃?5000埃，调节镇流电阻的阻值。5.根据权利要求2所述的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构，其特征是所述的发射孔内，多晶硅发射极的电流方向ie从左向右，发射孔下面的内基区的电流方向ib从右向左，电流方向正好相反，大电流工作时，多晶硅上的压降部分抵消了内基区电阻的压降，从而削弱了集边效应，使得有效发射极变宽，提高了每条发射极的输出电流，改善了发射极的热均匀性。6.如权利要求1的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是包括如下步骤: 1)选择硅N+/N—外延材料； 2)高温氧化生长Si02； 3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，去胶； 4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去月父； 5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，去胶； 6)LPCVD工艺淀积Si02钝化层，高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质； 7)光刻发射区，刻蚀Si02，去胶； 8) LPCVD掺砷多晶硅，这层多晶硅作为功率管的发射极(E )同时兼做发射极的横向分布式镇流电阻； 9)高温推进激活掺杂形成发射极； 10)光刻多晶硅，保留发射极条上和两条发射极之间的多晶硅，刻蚀多晶硅终止于Si02表面，去胶； 11)LPCVD淀积Si02钝化层，高温致密； 12)光刻发射极、基极接触窗口，刻蚀Si02终止于Si表面，去胶； 13)溅射Ti/WN /Au ； 14)光刻电镀区，选择电镀； 15)反刻形成金属电极，即发射极(E)和基极(B); 16)硅片背面磨片减薄，蒸发Ti/Ni/Au形成下电极，即集电极(C)。7.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 1)选择硅N+/N—，衬底材料N++电阻率《0.005Ω.cm;在该衬底上外延N—型硅外延层，电阻率0.5Ω.αιι?2Ω.cm，外延层厚度3μηι?ΙΟμπι; 2)清洗后的硅片，在炉温1000°C— 1150°C，并通干氧气的条件下，恒温15分钟-30分钟，然后通三氯甲烷或三氯乙烯30分钟-60分钟，干氧气10分钟-20分钟，生成900埃一 1200埃二氧化硅； 3)光刻镇流电阻窗口，刻蚀Si02，带胶注入B+，注入剂量(1?20)X 1014cm—2，能量40KeV?lOOKeV; 4)同时光刻出基区浓硼接触窗口和镇流电阻浓硼接触窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?6)X1015cm—2，能量40KeV?lOOKeV去胶； 5)光刻淡基区窗口，刻蚀Si02，带胶注入BF2+，注入剂量(2?10)X 1013cm—2，能量30KeV?80KeV去胶; 6)LPCVD工艺淀积2000A?8000ASi02钝化层，800°C?1000°C高温致密Si02层同时激活各层注入的杂质。8.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 8)LPCVD掺砷多晶硅，厚度为2000A?5000A; 9)高温推进并激活掺杂形成发射极:在800°C?1000°C的温度下，通N220?60分钟； 11)LPCVD淀积2000A?4000A Si02钝化层，在800°C?1000°C的温度下，通N2 10?40分钟。9.如权利要求6的发射极二次镇流及减小发射极集边效应的工艺方法，其特征是所述的步骤 13)溅射Ti500A?1500A/WN ΙΟΟΟΑ?3000A/Au 500A?1500A ； 14)光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μπι?2.5μπι; 16)采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μπι?ΙΙΟμπι;对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗;蒸发Ti 500A?1500A /Ni 3000A?5000A /Au 3000A?7000A形成下电极。
【专利摘要】本发明是发射极二次镇流及减小发射极集边效应的结构和工艺方法，采用二次镇流技术：有源区外部仍采用离子注入P+（硼）形成的硅体电阻做一次镇流，有源区内部增加一个二次镇流电阻。优点：1）实现了器件的处处镇流，镇流均匀性明显提升；2）降低了芯片中心线处的电流密度，有效地弥补了芯片中心散热差的问题，改善了芯片热场分布的均匀性；3）明显减弱了发射极大电流工作特有的集边效应，提高了器件的电流能力与散热能力；4）采用二次镇流技术还改善了功率管的高低温性能；5）把微波功率晶体管的应用范围从中短脉宽、小占空比、中低工作电压,拓展到了中长脉宽、较大占空比、中高电压，提高了微波功率管的微波性能及可靠性。
【IPC分类】H01L29/73, H01L21/331, H01L29/08
【公开号】CN105489640
【申请号】CN201510950089
【发明人】盛国兴
【申请人】中国电子科技集团公司第五十五研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月18日
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