技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体技术领域，具体是一种纵向高压功率双极结型晶体管及其制造方法。
背景技术
[0002] 二十世纪四十年代中期，由于导航、通讯、武器装备等
电子器件系统日益复杂，导致电子
电路的集成化和微型化需求日益迫切，1959年美国仙童半导体公司终于汇聚了前任的技术成果，采用平面双极工艺集成技术制造出了第一
块实用
硅集成电路，为集成电路的应用和大
力发展开创了先河，双极型集成电路的工艺是所有集成电路工艺中最先发明，也是应用范围最为广泛的，随着集成电路技术的不断进步，尽管受到CMOS工艺的巨大挑战，双极型工艺仍然凭借其高速、高跨导、低噪声以及较高的
电流驱
动能力等方面的优势，发展依然较快，目前主要的应用领域是高
精度运放、
驱动器、
接口、电源管理等模拟和超高速集成电路。
[0003] 双极型集成电路早期主要以标准硅材料为衬底，并采用埋层工艺和隔离技术，后续在标准双极平面工艺
基础上陆续发明了
多晶硅发射极双极、互补双极、SiGe双极、SOI全介质隔离双极等工艺，并广泛采取了薄层
外延、
深槽隔离、多晶硅自对准、多层金属互联等技术，使得陆续推出的新工艺技术制造的双极器件性能不断提高，不过双极工艺集成技术也变得越来越复杂。
[0004] 双极工艺中基本元件包括有源器件和无源器件，无源器件主要包括
电阻、电感和电容，有源器件有
二极管、NPN管、纵向PNP管、衬底PNP管、悬浮PNP管等。对于双极工艺中的单个有源元器件来说，设计者希望器件各方面的特性都是最优的，双极结型晶体管具有高增益、大电流、高
频率等一系列优点，但是随着双极工艺集成技术的不断发展，展现出来的弊端也越来越明显，而功率管可以理解为多个双极结型晶体管并联而成，其耐压、漏电、频率等特性在高压领域的限制尤为明显，耐压、漏电与增益、频率、器件尺寸等参数是相当难以调和的，因此综合考虑各个因数就成为设计人员一个非常困难的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是解决
现有技术中，纵向功率NPN管中增益和BVceo耐压的折中实现问题。
[0006] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种纵向高压功率双极结型晶体管，其特征在于，包括P型衬底、N型埋层、P型埋层、N型外延层、P型基区、P型隔离穿透区、N型穿通区、N型重掺杂发射区、N型重掺杂环状集电区、预
氧层、场氧层、IMD平坦化介质、TEOS金属前介质层、基极第一层金属、发射极第一层金属、集
电极第一层金属、发射极第二层金属、基极第二层金属和集电极第二层金属。
[0007] 所述N型埋层位于P型衬底上表面的中间
位置。
[0008] 所述P型埋层位于P型衬底上表面的两边位置。
[0009] 所述N型外延层位于N型埋层之上，所上述N型外延层与P型衬底、N型埋层和P型埋层相
接触。
[0010] 所述P型基区位于N型外延层上表面的中间位置。
[0011] 所述P型隔离穿透区与N型外延层的两端相接触，所述P型隔离穿透区的底部与P型埋层的顶部相连。
[0012] 所述N型穿通区位于N型埋层上表面的左端，所述N型穿通区的底部与N型埋层的顶部相连。
[0013] 所述N型重掺杂发射区由一个或者多个重复的结构单元构成。所述N型重掺杂发射区位于P型基区内。
[0014] 所述N型重掺杂环状集电区呈环状结构，所述N型重掺杂环状集电区的一端位于N型穿通区的中间位置，另一端位于N型外延层内。
[0015] 所述场氧层位于N型穿通区上表面的外侧位置、N型穿通区和P型基区之间的上表面位置、P型基区和N型重掺杂环状集电区之间的上表面位置、N型重掺杂环状集电区上表面的外侧位置。所述N型重掺杂环状集电区为位于N型外延层内的一端。
[0016] 所述预氧层位于N型外延层之上的部分表面，所述预氧层位于场氧层之间的位置。
[0017] 所述TEOS金属前介质层
覆盖在整个器件表面的未开接触孔的位置。所述接触孔分别位于P型基区之内、N型重掺杂发射区之内和N型穿通区之内。所述接触孔分别与P型基区、N型重掺杂发射区和N型重掺杂环状集电区相接触。
[0018] 所述发射极第一层金属位于N型重掺杂发射区的接触孔内，且覆盖所有发射区接触孔。所述发射极第一层金属与N型重掺杂发射区和TEOS金属前介质层相接触。
[0019] 所述基极第一层金属位于P型基区的接触孔内。所述基极第一层金属与P型基区和TEOS金属前介质层相接触。所述基极第一层金属的边缘尺寸超过P型基区两端的长度为结深的1～5倍。
[0020] 所述集电极第一层金属位于N型穿通区的接触孔内。所述集电极第一层金属与N型重掺杂环状集电区和TEOS金属前介质层相接触。所述集电极第一层金属的边缘金属尺寸不超过N型重掺杂环状集电区。
[0021] 所述IMD平坦化介质位于集电极第一层金属、发射极第一层金属和基极第一层金属之上的未开通孔的位置。所述通孔位于发射极第一层金属之上、集电极第一层金属的部分区域之上和基极第一层金属的部分区域之上。
[0022] 所述发射极第二层金属位于所有发射极第一层金属所开的通孔之上。
[0023] 所述基极第二层金属位于所有基极第一层金属所开的通孔之上。
[0024] 所述集电极第二层金属位于所有集电极第一层金属所开的通孔之上。
[0025] 一种纵向高压功率双极结型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0026] 1)提供P型衬底，生长氧化层。
[0027] 2)一次
光刻，光刻
刻蚀去胶后，生长氧化层，进行N型埋层注入。
[0028] 3)二次光刻，光刻刻蚀去胶后，生长氧化层，进行P型埋层注入。
[0029] 4)生长N型外延层，热生长氧化层。
[0030] 5)三次光刻，光刻后在N型外延层的元胞两端进行N型穿通区扩散，生长氧化层。
[0031] 6)四次光刻，在器件两端进行P型隔离穿透区注入，LP淀积SIN。
[0032] 7)五次光刻，光刻SIN后，注入N型杂质，生长氧化层。
[0033] 8)剥离残余SIN，生长氧化层。
[0034] 9)六次光刻，光刻后进行P型基区注入。
[0035] 10)七次光刻，光刻后进行N型重掺杂发射区和N型重掺杂环区注入。
[0036] 11)LP淀积氧化层。
[0037] 12)八次光刻，刻蚀出接触孔，所述接触孔位于P型基区边缘位置、N型重掺杂发射区之内和N型穿通区中间。
[0038] 13)第一层金属淀积，九次光刻、反刻
铝。
[0039] 14)
合金，平坦化介质淀积以及刻蚀，形成IMD平坦化介质。
[0040] 15)十次光刻，刻蚀出通孔，所述通孔位于发射极第一层金属之上、集电极第一层金属的部分区域之上和基极第一层金属的部分区域之上。
[0041] 16)第二层金属淀积，十一次光刻、反刻铝。
[0043] 18)十二次光刻刻蚀出压焊点。
[0044] 19)低温
退火后，进行
硅片初测、切割、装架、
烧结和封装测试。
[0045] 进一步，所述P型衬底和N型外延层的材料包括体硅、
碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅。
[0046] 进一步，晶体管能够是纵向的PNP。
[0047] 本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
[0048] 1)本发明提出一种纵向高压功率双极结型晶体管及其制造方法，具体为在一种常规的纵向功率双极结型集体管的基础上，通过优化第一层所有金属的布局，使基极第一层金属全覆盖于基区边缘之上，尺寸超出基区结深的1-5倍，而发射极金属通过通孔以及第二次金属引出。
[0049] 2)本发明理论分析在器件处于反向耐压工作状态下，所有基区结边缘由于金属场板的覆盖，使得耗尽区扩散时边缘曲面结的
曲率效应大大降低，BVcbo耐压急剧变大，从而使得相对应的BVceo变大，而对于正向增益无任何损失。
[0050] 3)通过仿真以及实际流片结果得出本发明的纵向高压功率双极结型晶体管在其余参数影响不大，增益基本维持不变的情况下，BVcbo提高40％以上、BVceo提高20％以上。
附图说明
[0051] 图1是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的三维立体结构图；
[0052] 图2是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的二维平面结构图；
[0053] 图3是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的N型埋层版图及其器件结构；
[0054] 图4是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的P型埋层版图及其器件结构；
[0055] 图5是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的P型隔离穿通区版图及其器件结构；
[0056] 图6是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的N型穿通区版图及其器件结构；
[0057] 图7是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的有源区版图及其器件结构；
[0058] 图8是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的P型基区版图及其器件结构；
[0059] 图9是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的N型重掺杂环状集电区、N型重掺杂发射区版图及其器件结构；
[0060] 图10是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的接触孔区版图及其器件结构；
[0061] 图11是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的M1金属版图及其器件结构；
[0062] 图12是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的通孔版图及其器件结构；
[0063] 图13是本发明的一种纵向高压功率双极结型晶体管的M2金属版图及其器件结构。
[0064] 图中：P型衬底100、N型埋层101、P型埋层102、N型外延层103、P型基区104、P型隔离穿透区105、N型穿通区106、N型重掺杂发射区107、N型重掺杂环状集电区108、预氧层109、场氧层110、IMD平坦化介质111、TEOS金属前介质层112、基极第一层金属113、发射极第一层金属114、集电极第一层金属115、发射极第二层金属116、基极第二层金属117和集电极第二层金属118。
具体实施方式
[0065] 下面结合
实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0066] 实施例1：
[0067] 如图1和图2，一种纵向高压功率双极结型晶体管，其特征在于，包括P型衬底100、N型埋层101、P型埋层102、N型外延层103、P型基区104、P型隔离穿透区105、N型穿通区106、N型重掺杂发射区107、N型重掺杂环状集电区108、预氧层109、场氧层110、IMD平坦化介质111、TEOS金属前介质层112、基极第一层金属113、发射极第一层金属114、集电极第一层金属115、发射极第二层金属116、基极第二层金属117和集电极第二层金属118。
[0068] 所述N型埋层101位于P型衬底100上表面的中间位置。
[0069] 所述P型埋层102位于P型衬底100上表面的两边位置。
[0070] 所述N型外延层103位于N型埋层101之上，所上述N型外延层103与P型衬底100、N型埋层101和P型埋层102相接触。
[0071] 所述P型基区104位于N型外延层103上表面的中间位置。
[0072] 所述P型隔离穿透区105与N型外延层103的两端相接触，所述P型隔离穿透区105的底部与P型埋层102的顶部相连。
[0073] 所述N型穿通区106位于N型埋层101上表面的左端，所述N型穿通区106的底部与N型埋层101的顶部相连。
[0074] 所述N型重掺杂发射区107由一个或者多个重复的结构单元构成。所述N型重掺杂发射区107位于P型基区104内。
[0075] 所述N型重掺杂环状集电区108呈环状结构，所述N型重掺杂环状集电区108的一端位于N型穿通区106的中间位置，另一端位于N型外延层103内。
[0076] 所述场氧层110位于N型穿通区106上表面的外侧位置、N型穿通区106和P型基区104之间的上表面位置、P型基区104和N型重掺杂环状集电区108之间的上表面位置、N型重掺杂环状集电区108上表面的外侧位置。所述N型重掺杂环状集电区108为位于N型外延层
103内的一端。
[0077] 所述预氧层109位于N型外延层103之上的部分表面，所述预氧层109位于场氧层110之间的位置。
[0078] 所述TEOS金属前介质层112覆盖在整个器件表面的未开接触孔的位置。所述接触孔分别位于P型基区104之内、N型重掺杂发射区107之内和N型穿通区106之内。所述接触孔分别与P型基区104、N型重掺杂发射区107和N型重掺杂环状集电区108相接触。
[0079] 所述发射极第一层金属114位于N型重掺杂发射区107的接触孔内，且覆盖所有发射区接触孔。所述发射极第一层金属114与N型重掺杂发射区107和TEOS金属前介质层112相接触。
[0080] 所述基极第一层金属113位于P型基区104的接触孔内。所述基极第一层金属113与P型基区104和TEOS金属前介质层112相接触。所述基极第一层金属113的边缘尺寸超过P型基区104两端的长度为结深的1～5倍。
[0081] 所述集电极第一层金属115位于N型穿通区106的接触孔内。所述集电极第一层金属115与N型重掺杂环状集电区108和TEOS金属前介质层112相接触。所述集电极第一层金属115的边缘金属尺寸不超过N型重掺杂环状集电区108。
[0082] 所述IMD平坦化介质111位于集电极第一层金属115、发射极第一层金属114和基极第一层金属113之上的未开通孔的位置。所述通孔位于发射极第一层金属114之上、集电极第一层金属115的部分区域之上和基极第一层金属113的部分区域之上。
[0083] 所述发射极第二层金属116位于所有发射极第一层金属114所开的通孔之上。
[0084] 所述基极第二层金属117位于所有基极第一层金属113所开的通孔之上。
[0085] 所述集电极第二层金属118位于所有集电极第一层金属115所开的通孔之上。
[0086] 所述P型衬底100和N型外延层103的材料包括体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅。
[0087] 实施例2：
[0088] 如图3～图13所示，一种纵向高压功率双极结型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0089] 1)选择
缺陷较少的NTD<111>单晶片，片厚约500～700μm，
电阻率5～30Ω·cm，打标清洗、烘干待用；
[0090] 2)生长一层厚氧化层
温度1100～1150℃、时间100min～120min、干加湿氧化条件。
[0091] 3)一次光刻，光刻刻蚀去胶后，生长一层薄氧化层 温度1000～1020℃、时间30min～40min、纯干法氧化条件。
[0092] 在圆片衬底中间位置进行N型埋层101注入，
离子注入条件为：剂量1e15～5e15cm-2、
能量40～80KeV。
[0093] 再分布条件为：有氧条件1000℃，氧化层厚度为 再退火温度纯N2、1100～1150℃、时间100min～120min。
[0094] 4)二次光刻，光刻刻蚀去胶后，生长一层薄氧化层 温度1000～1020℃、时间30min～40min、纯干法氧化条件。
[0095] 在圆片衬底两端进行P型埋层102注入，离子注入条件为：剂量4e15～8e15cm-2、能量60～100KeV。
[0096] 再分布条件为：纯N2氛围退火温度、1100～1150℃、时间100min～120min。去氧化层。
[0097] 5)硅片表面生长N型外延层103，温度在1100℃～1150℃，厚度为5～30μm，电阻率为4～40Ω·cm；
[0098] 6)热生长氧化层，厚度在
[0099] 7)三次光刻，光刻后在N型外延层103的元胞两端进行N型穿通区106扩散，具体为采用恒定杂质表面浓度方法扩散，在扩散之前生长50～100nm厚的氧化层，恒定杂质表面浓度方法扩散条件为：PCL3气体源、无氧条件，温度1100～1150℃、时间100min～1500min；去氧化层；
[0100] 8)生长一层薄氧化层 温度1000～1020℃、时间30min～40min、纯干法氧化条件。
[0101] 四次光刻，光刻后，在器件两端进行P型隔离穿透区105注入，离子注入条件为：剂量1e15～8e15cm-2、能量60～100KeV。
[0102] 9)LP淀积SIN，厚度在
[0103] 10)第五次光刻，光刻刻蚀SIN后，普注一次剂量为1E11-5E11、能量为60-100KeV的N型杂质，然后生长一层厚氧化层 温度1000～1050℃、时间200min～400min、干加湿氧化条件。
[0104] 退火再分布条件为：纯N2氛围退火温度、1100～1150℃、时间100min～120min。
[0105] 11)残余SIN剥离，剥离一层厚度约为 的氧化层。并生长一层薄氧化层温度1000～1020℃、时间30min～40min、纯干法氧化条件。
[0106] 12)六次光刻，光刻后进行P型基区104注入，具体为采用带胶注入，离子注入条件为：剂量1e14～5e14cm-2、能量60～100KeV，再分布条件为：无氧条件，温度1100～1150℃、时间100min～200min；
[0107] 13)七次光刻，光刻后进行、N型重掺杂发射区107以及N型重掺杂环状集电区108注入，具体为采用带胶注入，离子注入条件为：剂量1e15～5e15cm-2、能量40～80KeV，再分布条件为：无氧条件，温度950～1000℃、时间30min～60min；
[0108] 14)LP淀积氧化层，厚度在
[0109] 15)八次光刻，刻蚀出接触孔；接触孔位置分别位于P型基区104之内、N型重掺杂发射区107之内和N型穿通区106之内，所述接触孔分别与P型基区104、N型重掺杂发射区107和N型重掺杂环状集电区108相接触。
[0110] 16)第一层金属淀积，在整个圆片表面淀积金属AL，九次光刻、反刻铝；
[0111] 17)合金，炉温550℃、时间10min～30min；
[0112] 18)平坦化介质淀积以及刻蚀，形成IMD平坦化介质111；
[0113] 19)十次光刻，刻蚀出通孔；通孔位于发射极第一层金属114之上、集电极第一层金属115的部分区域之上和基极第一层金属113的部分区域之上。
[0114] 20)第二层金属淀积，在整个圆片表面淀积金属AL，十一次光刻、反刻铝；
[0115] 21)合金，炉温550℃、时间10min～30min、
钝化层生长；
[0116] 22)十二次光刻刻蚀出压焊点；
[0117] 23)低温退火，温度500℃～510℃，恒温30min；
[0118] 24)硅片初测、切割、装架、烧结、封装测试。
