一種抗低劑量率輻照的雙極器件制造方法與流程

本發明涉及一種抗低劑量率輻照的雙極器件制造方法，該雙極器件具有雙層電極隔離介質和多層鈍化結構，屬于抗輻照半導體器件設計和制造領域。

背景技術：

雙極型器件具有電流驅動能力好、線性度高、噪聲低、匹配特性好等優點，常用作開關和信號放大器，廣泛應用于空間電子設備中。

運行在空間的雙極型器件，會受到地球帶電粒子、太陽宇宙射線等各種輻射，器件性能受到很大程度的損傷。輻射會在雙極器件的Si-SiO₂界面引起正電荷的積累并引入界面態，使表面勢位增加，引起表面復合大大增加，產生過剩基極電流，導致電流增益急劇下降。在空間輻射環境中雙極器件的異常或失效，會導致空間電子設備的可靠性下降，甚至出現災難性的事故。

在相同輻照總劑量下，相比于高劑量率輻照，低劑量率輻照對雙極型器件的性能影響更大。這是因為在低劑量率輻照時，由于其輻射感生正電荷的產生速率遠低于高劑量率輻照，其基區氧化層內產生的亞穩態或慢輸運的淺氧化物陷阱電荷少，形成的空間電場也較弱。所以，在弱電場、長時間的輻照下，輻射感生的正電荷有足夠的時間輸運到Si-SiO₂界面，并與鈍化鍵反應生成界面缺陷。因此，低劑量率輻照比高劑量率有更多的凈正氧化物電荷和界面缺陷，從而增加了過剩基極電流，最終造成了低劑量率輻射損傷增強效應(ELDRS)的產生。

正是由于低劑量率輻射損傷增強效應(ELDRS)的存在，現在空間電子設備應用對雙極型器件輻照指標明確規定了低劑量率的考核要求，一般要求在劑量率0.1rad(Si)/s～0.01rad(Si)/s的條件下進行輻照考核試驗。

雙極型器件的抗輻照能力與其設計、工藝加工方法密切相關。目前傳統的雙極型器件制造方法中，通常采用單層SiO₂作為電極隔離介質，采用SiO₂+Si₃N₄作為鈍化層。傳統方法雖然工藝步驟簡單，流片周期短，但其不足之處是：(1)作為電極隔離介質層的SiO₂與器件的基區直接接觸，是影響器件抗低劑量率輻照能力的關鍵部位。一般來說，為了滿足隔離要求，防止器件表面漏電，作為電極隔離介質層的SiO₂需要具有一定的厚度，但是氧化層的淀積過程中，各種缺陷的產生原因復雜，難以監控，并且缺陷數量會隨著氧化層厚度的增加而增加，這些缺陷會直接導致器件在輻照環境下失效；(2)Si₃N₄作為傳統的鈍化材料，具有工藝簡單，對外界水汽和可動電荷的阻擋性好等優點。在制備時，由于Si₃N₄和Si存在應力不匹配的問題，通常會在淀積Si₃N₄前先淀積一層SiO₂。雖然Si₃N₄對外界水汽和可動電荷的阻擋力很強，但是Si₃N₄對輻照時氧化層中感生的可動電荷并不能起到固定作用，這就決定了傳統Si₃N₄材料的鈍化膜不具備抗輻照能力。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種抗低劑量率輻照的雙極器件制造方法，大大降低了電極隔離介質層中的總缺陷數量，提高了雙極型器件的抗低劑量率輻照能力。

本發明的技術解決方案是：一種抗低劑量率輻照的雙極器件制造方法，包括以下步驟：

(1)以N型<111>外延片為基底材料，在所述N型<111>外延片的拋光面淀積氧化層，在淀積完氧化層的拋光面進行三極管基區光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出基區注入窗口，通過該窗口為基區注入硼，對注硼后的N型<111>外延片進行氧化推進，在N型<111>外延片的拋光面形成三極管基區；

(2)在三極管基區進行濃硼圖形光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出濃硼注入窗口，通過該窗口進行基區接觸濃硼注入，然后進行快速退火，形成基區接觸區；

(3)在三極管基區進行發射區圖形光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出磷注入窗口，通過該窗口進行發射區磷注入，然后進行磷擴散，形成發射區；

(4)對經過步驟(3)處理后的N型<111>外延片拋光面依次淀積SiO₂和PSG，然后進行致密，使N型<111>外延片拋光面覆蓋一層致密的雙層結構電極隔離介質層；

(5)在對應于基區接觸區和發射區的雙層結構電極隔離介質層上形成基區和發射區金屬電極；

(6)在金屬電極以及雙層結構電極隔離介質層表面依次淀積SiO₂、BPSG和SiO₂，形成多層結構鈍化膜，然后在對應于基區和發射區金屬電極的鈍化膜上進行光刻、刻蝕，露出基區和發射區鍵合區域；

(7)將N型<111>外延片的非拋光面進行減薄；

(8)在減薄后的非拋光面淀積金屬，形成集電區金屬電極，從而完成了具有雙層電極隔離介質和多層鈍化結構的抗輻照雙極器件的制造。

所述步驟(1)中N型<111>外延片的襯底厚度為450μm—525μm，外延厚度為8μm—80μm，摻雜濃度為1e14cm^-3—6e15cm^-3。

所述步驟(1)中淀積氧化層厚度為為基區注入的硼劑量為5e13cm^-2—5e14cm^-2，對注硼后的N型<111>外延片進行氧化推進的溫度為900℃—1200℃，時間為50min—200min。

所述步驟(2)中濃硼的注入劑量為1e15cm^-2—8e15cm^-2，快速退火的溫度為900℃—1100℃，時間為10s—30s。

所述步驟(3)中磷的注入劑量為1e16cm^-2—2e16cm^-2，磷擴散的溫度為900℃—1100℃，時間為30min—100min。

所述步驟(4)中淀積的SiO₂厚度為PSG厚度為淀積完成后，進行致密的溫度為800℃—900℃，時間為30min—60min。

所述步驟(5)中形成基區和發射區金屬電極的方法如下：

(7.1)在對應于基區接觸區和發射區的雙層結構電極隔離介質層上進行電極接觸孔光刻、腐蝕，形成歐姆接觸窗口；

(7.2)通過蒸發的方式在歐姆接觸窗口以及雙層結構電極隔離介質層表面淀積一層鋁硅銅合金，鋁硅銅合金厚度為1.0μm—5.0μm；

(7.3)在鋁硅銅合金層表面進行電極圖形光刻、電極腐蝕，形成基區和發射區金屬電極。

所述步驟(6)中，淀積的第一層SiO₂厚度為BPSG厚度為最后淀積的一層SiO₂厚度為且BPSG中質量比P：B＝5：3。

所述步驟(7)中減薄之后N型<111>外延片的總厚度為250μm—300μm。

所述步驟(8)中淀積的金屬依次為鈦、金，其中鈦厚度為金厚度為

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

(1)本發明抗輻照雙極型器件制造方法中，電極隔離介質采用PSG(磷硅玻璃)+SiO₂雙層結構，即先淀積一層較薄的SiO₂，再淀積一層較厚的PSG。SiO₂與下層Si基結構兼容性好，而且由于較薄，可以大大減少氧化層中的總缺陷數，進而減少輻照時氧化層中感生的正電荷。在SiO₂上再淀積一層PSG，一方面可以保證電極隔離介質的總厚度，保證器件不會出現表面穿通；另一方面PSG對正電荷離子有較強的捕集和阻擋作用，可以阻止輻照環境下正電荷在基區表面積累引起器件性能下降；此外PSG應力小，針孔密度低，與金屬層的兼容性好，是良好的絕緣層，保證了器件的高可靠性。

(2)本發明抗輻照雙極型器件制造方法中，鈍化層采用SiO₂+BPSG(硼磷硅玻璃)+SiO₂的多層結構。傳統Si₃N₄鈍化膜雖然對外界環境中正電荷離子有很強的阻擋作用，但是對器件內部的正電荷卻幾乎沒有固定作用。而BPSG鈍化膜卻可以吸收和固定器件氧化層中的正電荷，而且BPSG對正電荷離子的吸附作用比PSG還要強30～150倍。采用BPSG鈍化膜，正電荷離子被吸收和固定，氧化層中的正電荷數量大大減少，使三極管基區表面復合電流減少，有效提高了器件的抗輻照性能。

(3)在鈍化膜生長過程中，BPSG膜下層需要淀積一層SiO₂膜，滿足與金屬電極的粘附性和應力匹配；BPSG膜上層需要覆蓋一層SiO₂膜，克服了BPSG的吸潮性，能夠有效阻擋環境中濕氣和雜質離子，提高了器件的可靠性。

(4)本發明涉及的制造方法工藝步驟簡單，與目前普遍應用的Si制造工藝兼容度高，可推廣應用到抗總劑量最高達300Krad(Si)，最低劑量率0.01rad(Si)/s的抗輻照雙極型器件的制造中。

附圖說明

圖1為本發明抗低劑量率輻照雙極型器件制造方法流程圖；

圖2為本發明抗輻照雙極型器件外延材料示意圖；

圖3為本發明制造過程中完成基區結構后的剖面圖；

圖4為本發明制造過程中完成基區接觸區后的剖面圖；

圖5為本發明制造過程中完成發射區后的剖面圖；

圖6為本發明制造過程中完成雙層電極隔離介質后的剖面圖；

圖7為本發明制造過程中完成基極和發射極金屬電極后的剖面圖；

圖8為本發明制造過程中完成多層鈍化后的剖面圖；

圖9為本發明制造完成后的雙極器件剖面圖；

圖10為本發明制造的雙極型器件和傳統工藝雙極型器件在低劑量率輻照前后器件電流增益變化對比曲線。

圖中：1為N型<111>外延片，2為氧化層，3為P型基區，4為基區接觸區，5為N型發射區，6為電極隔離介質層，7為基區金屬電極，8為發射區金屬電極，9為多層結構鈍化膜，10為基區鍵合區，11為發射區鍵合區，12為集電區金屬電極。

具體實施方式

空間總劑量輻射會在雙極器件的Si-SiO₂界面引起正電荷的積累并引入界面態，使表面勢位增加，引起表面復合大大增加，產生過剩基極電流，導致電流增益急劇下降，在低劑量率輻照下還有輻照損傷增強效應，導致雙極型器件電性能指標下降。因此，本發明提出一種具有雙層電極隔離介質和多層鈍化結構的抗低劑量率輻照的雙極器件制造方法。該方法主要從兩個方面出發增加雙極型器件的抗輻照能力：一方面減少氧化層中輻照感生的正電荷總量，另一方面阻止輻照感生的正電荷在Si-SiO₂界面積累。具體實現思路為：電極隔離介質采用PSG(磷硅玻璃)+SiO₂雙層結構替代傳統SiO₂材質。由于部分SiO₂由PSG替代，一方面在保證電極隔離介質總厚度的情況下減薄了SiO₂的厚度，從而降低氧化層中的總缺陷數，最終大大減少了輻照時氧化層中感生的正電荷總量；另一方面PSG對氧化層中感生的正電荷還具有很強的吸附作用，進而阻止輻照時正電荷在基區表面積累，減少了基區復合電流，增強了器件的抗輻照能力。同時，鈍化層采用SiO₂+BPSG(硼磷硅玻璃)+SiO₂的多層結構。BPSG鈍化膜對正電荷的捕集能力是傳統Si₃N₄膜的數量級倍，是PSG膜的30—150倍。SiO₂+BPSG+SiO₂的多層鈍化結構，一方面對輻照感生的正電荷具有很強的固定作用，另一方面與金屬電極應力匹配度好，對環境中濕氣和雜質離子的阻擋能力也較強。

本發明涉及的制造方法工藝步驟簡單，與目前普遍應用的Si制造工藝兼容度高，可以用來制造具有抗低劑量率輻照能力的雙極型芯片。如圖1所示，本發明的具體步驟如下：

(1)以硅N型<111>外延片為基底材料，在該N<111>外延片的拋光面淀積氧化層。然后進行三極管基區光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出基區注入窗口，進行劑量為1e14cm^-2—3e14cm^-2的基區硼注入，然后在1000℃—1200℃的溫度下對注硼后的N型<111>外延片進行60min—200min的氧化推進，使基區有一定的結深，保證了器件擊穿電壓要求。在N型<111>外延片的拋光面形成P型基區。

(2)在三極管基區光刻濃硼圖形，接著采用濕法腐蝕工藝露出濃硼注入窗口，進行劑量為1e15cm^-2—6e15cm^-2的基區接觸濃硼注入，然后進行溫度為1000℃—1100℃，時間為10s—30s的快速退火，形成三極管基區接觸區。基區注入的硼在經過推進后表面濃度會降低，基區接觸區的存在很好的彌補了這一點。濃硼接觸區可以降低基區和金屬電極的接觸電阻，從而優化雙極型器件的飽和壓降等參數。

(3)在三極管基區進行發射區圖形光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出磷注入窗口，進行劑量為1e16cm^-2—2e16cm^-2的發射區磷注入，然后進行溫度為900℃—1100℃，時間為30min—100min的磷擴散，形成N型發射區。磷擴散工藝使發射區有一定結深，保證了器件的電流增益要求。

(4)對N型<111>外延片氧化層表面和基區表面依次淀積SiO2和PSG，然后進行致密，使步驟(3)中帶有三極管基區和發射區結構的N型硅外延片拋光面覆蓋一層致密的PSG+SiO₂雙層結構電極隔離介質層。PSG+SiO₂雙層隔離介質一方面可以作為電極隔離，防止器件表面穿通，另一方面還具有很強的抗輻照能力。

(5)在對應于基區接觸區和發射區的雙層結構電極隔離介質層上進行電極接觸孔光刻、腐蝕，形成歐姆接觸窗口；通過蒸發的方式在歐姆接觸窗口以及雙層結構電極隔離介質層表面淀積一層鋁硅銅合金，鋁硅銅合金厚度為1.0μm—5.0μm；在鋁硅銅合金層表面進行電極圖形光刻、電極腐蝕，形成基區和發射區金屬電極。接著進行正面金屬淀積，然后再通過電極圖形光刻、電極腐蝕，形成基區和發射區金屬電極。

(6)在金屬電極以及雙層結構電極隔離介質層表面依次淀積SiO₂、BPSG和SiO₂，形成多層結構鈍化膜，然后在對應于基區和發射區金屬電極的鈍化膜上進行光刻、刻蝕，露出鍵合區域。SiO₂+BPSG+SiO₂的多層鈍化結構，一方面對輻照感生的正電荷具有很強的固定作用，另一方面與金屬電極應力匹配度好，對環境中濕氣和雜質離子的阻擋能力也較強，保證了器件的可靠性和穩定性。

(7)將步驟(6)中覆蓋有多層結構鈍化膜的N型<111>外延片的非拋光面進行減薄；

(8)在減薄后的非拋光面淀積金屬，形成集電區金屬電極，從而完成了具有雙層電極隔離介質和多層鈍化結構的抗輻照雙極器件的制造。

按照本發明方法制造的抗輻照雙極器件剖面結構圖如圖9所示。基區和發射區表面的電極隔離介質層采用PSG+SiO₂雙層結構，其中，SiO₂處于下層，與Si外延直接接觸，PSG處于上層，覆蓋在SiO₂上。芯片鈍化膜采用SiO₂+BPSG+SiO₂的多層鈍化結構，BPSG處于鈍化膜中間層，BPSG上層和下層分別覆蓋一層SiO₂，形成三層鈍化膜結構。

實施例

(1)材料選擇：如圖2，選取<111>晶向的N型硅外延片1為襯底材料，硅片總厚度為525μm，N型外延厚度為50um，摻雜濃度為2e14cm^-3。

(2)基區制造：如圖3，以硅N型<111>外延片1為基底材料，在該N<111>外延片的拋光面淀積氧化層2。然后進行三極管基區光刻，接著采用濕法腐蝕工藝露出基區注入窗口，進行劑量為1e14cm^-2的基區硼注入，然后在1200℃的溫度下對注硼后的N型<111>外延片進行100min的氧化推進。在N型<111>外延片的拋光面形成P型三極管基區3；

(3)濃硼接觸：如圖4，在三極管基區3的區域內光刻濃硼圖形，采用濕法腐蝕工藝露出濃硼注入窗口，進行劑量為4e15cm^-2的基區接觸濃硼注入，然后進行溫度為1100℃，時間為10s的快速退火，形成三極管基區接觸區4。

(4)發射區制造：如圖5，在三極管基區3的區域內光刻發射區圖形，采用濕法腐蝕工藝露出磷注入窗口，進行劑量為1e16cm^-2的發射區磷注入，然后進行溫度為1100℃，時間為60min的磷擴散，形成三極管N型發射區5；

(5)電極隔離介質層：如圖6，對帶有三極管基區和發射區結構的N型<111>外延片拋光面依次淀積SiO₂和PSG，SiO₂厚度為PSG厚度為再進行850℃，30min的致密，形成一層致密的雙層電極隔離介質層6；

(6)正面金屬電極：如圖7，在對應于基區接觸區和發射區的雙層結構電極隔離介質層上進行電極接觸孔光刻、腐蝕，接著進行正面金屬鋁硅銅合金淀積，然后再通過電極圖形光刻、電極腐蝕，形成基區金屬電極7，發射區金屬電極8，基區金屬電極7，發射區金屬電極8不連通；

(7)表面鈍化：如圖8，在金屬電極以及雙層結構電極隔離介質層表面依次淀積SiO₂厚度BPSG厚度SiO₂厚度形成一種多層結構鈍化膜9，然后在對應于基區和發射區金屬電極的鈍化膜進行光刻、刻蝕，露出基極鍵合區10，發射極鍵合區11；

(8)減薄：將N型<111>外延片從非拋光面進行減薄，減薄后的厚度為250μm；

(9)背面金屬電極：如圖9，將減薄后的N型<111>外延片非拋光面依次淀積金屬鈦、金金屬層，其中鈦厚度為金厚度為形成集電極金屬電極12。

本發明方法制造的抗輻照雙極型晶體管，采用PSG+SiO₂雙層電極隔離介質和SiO₂+BPSG+SiO₂的多層鈍化結構：一方面大大降低了電極隔離介質層中的總缺陷數量；另一方面通過PSG和BPSG對正電荷的吸附性，阻止輻照環境下感生的正電荷在Si-SiO₂界面積累，減弱基區復合電流，緩解電流增益下降，進而提高雙極型器件的抗低劑量率輻照能力。圖10為在橫向版圖相同的情況下，采用本發明方法制造的器件和傳統結構雙極型器件，在經過總劑量100Krad(Si)，劑量率0.01rad(Si)/s的輻照后，器件電流增益的變化情況。可以看到，采用傳統結構制造的雙極型器件輻照前后，10只樣品的電流增益均值由64.74下降至18.39，衰減率高達71.6％。而采用本發明方法制造的雙極型器件輻照前后，10只樣品的電流增益均值由58.67下降至42.61，衰減率僅為27.3％。表明本發明的制造方法切實可靠，制造的雙極型器件具有較強的抗低劑量率輻照能力。

本發明未詳細描述內容為本領域技術人員公知技術。