| 一种实用化的互补双极工艺技术 张正元 张正 璠摘 要： 在3 μm工艺条件下开发了一套实用的互补双极工艺（CB）。利用此工艺制造出特征频率分别为3.2 GHz和1.6 GHz的高性能NPN与PNP管，并成功地 集成在压摆率高达2200 V／μs的高速运算放大器芯片中。关键词：互补双极工艺；双极工艺；半导体制造；半导体器件；运 算放大器 中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1004-3365（2000）01-0066-03 A Practical Complementary Bipolar Techno logy ZHANG Zheng-yuan，ZHANG Zheng-fan Abstract：A practical 3-μmcompl ementary bipolar process has been developed．With this technology，high performance npn and pnp transistors with an fT of 3．2 GH z and 1.6 GHz，respectively，are fabricated， which are integrated into high speed ope rational amplifier IC's with a swing rat e of 2200 V／μs．The process experiment is described，and the results are discussed ． 1 引 言 互补双极工艺技术能够把高性能NPN管和PNP管集成到同一芯片上，使得很多新型的模 拟集成电路在不牺牲电路精度、电路工作范围和功耗等关键参数的情况下能高速工作［ 1］。模拟器件公司利用XFCB工艺制造出fT分别为4 GHz和2 GHz 的高性能NPN管与PNP管，并开发出XFCB运算放大器AD8000系列；哈里斯公 司利用硅-硅键合技术的全介质隔离互补双极工艺UHF-1，也研制出特征频率分别为8 GHz和4 GHz的高性能NPN管与PNP管，以及其对应产品HFA3XXX系列 。本文根据现有的工艺条件，开发出一种设计线宽为3 μm、最小间距为5 μm的单层 多晶硅发射极互补双极工艺，并成功地制造出fT分别为3.2 GHz和1.6 GHz的高性能的NPN管与PNP管，并应用于压摆率为2200 V／μs的高速运算 放大器。晶体管结构如图1所示。 |
| 图1 晶体管结构剖面图 2 工艺实验 互补双极工艺一般可分为全介质隔离的互补双极工艺、混合介质隔离的互补双极工艺和PN 结隔离的互补双极工艺［2，3］。全介质隔离的互补双极工艺 最为复杂，需要解决硅-硅键合和槽隔离所带来的问题。相对来说，最简单的是PN结隔离 的互补双极工艺，其难点是NPN管和PNP管制作上的兼容问题，如阱结深和阱浓度的选 择、磷基区与硼基区的结深和浓度选择、发射区杂质注入和退火条件的选择等。本文限于工艺条件，仅围 绕PN结互补双极工艺技术开展工艺研究，避开了介质隔离方面的技术难题。 |
| 2.1 N阱结深和浓度的选取 N阱的作用是使PNP管的集电极与衬底绝缘。如果N阱结深过浅，PNP管的集电区P ＋埋层会穿过N阱与P型衬底连在一起，造成PNP无法隔离；如果N阱浓度过高，P＋ 埋层中的硼补偿太多，且P＋埋层结深较浅，使P＋埋层电阻增大，造成PNP管的 RC较大，输出能力降低，影响晶体管的性能。经过SUPREM-Ⅲ模拟后选择阱 结 深大于5 μm，阱浓度为1017cm－3。实验得出的N阱工艺条件为：注入剂 量5×1013cm－2；能量为60 keV，退火条件是在1200 ° C下2 h氧气＋3.5 h氮气。 2.2 N＋埋层的形成技术 为了防止N＋埋层上返太多，选用扩散系数小的As杂质作埋层，注入剂量为5×10 15cm－2，注入能量为100 keV。实验证明，采用以下两种方法可以 消除注入损 伤和光刻胶的掩蔽问题： 1）为了减少大剂量As注入造成损伤，在注入前氧化一层薄氧化层（约50 μm）作为 注入缓冲层，减少注入损伤； 2）为了防止高剂量高能量的As离子注入光刻胶掩蔽区，在注入前先用固胶机固化光刻胶 ，提高光刻胶的掩蔽能力。 2.3 P阱结深和杂质浓度的考虑 为了降低NPN管的集电极串联电阻RC，外延层电阻率选为1Ω.cm，其杂质 浓度为 5×1015cm－3。阱浓度选择过低，会使PNP管的RC增大； 阱浓 度选择过高，就必须提高PNP管的基区浓度，进而造成PNP管的电流增益难以调节。P 阱结深过浅，会造成P＋埋层与P阱之间有一薄层外延层，达不到降低RC的目的 ，因 而必须对P阱结深和杂质浓度进行优化考虑。经过模拟后选择P阱浓度为1×1017 cm－3，结深为3m。实验后得出P阱的注入剂量为2×101 3cm－2，注入能量为60keV。 2.4 基区结深考虑 基区结深是制造高性能晶体管的关键。基区结深愈浅，晶体管的特征频率越高，但工艺难度 很大，很容易发生穿通现象。因此在工艺设计时，必须对NPN管和PNP管的基区结深进 行优化设计。本文的PNP管的发射区是用B＋注入退火形成的，由于其射程较远，且扩 散速度比As快，因此选择为0.45μm。图2是用扩展电阻测试仪测得的PNP管基 区 杂质分布曲线。NPN管的发射区用As＋注入，由于它的扩散系数小，在调节NPN的 电流增益中不容易发生穿通现象。但是在互补双极工艺中，要使PNP和NPN两种晶体管 的性能都比较高，NPN管的基区结深宜选深一些，实验中选择为0.3μm左右。 2.5 多晶硅发射极串联电阻的考虑 多晶硅发射极电阻包括多晶硅电阻、界面氧化层电阻、单晶硅发射区电阻及金属与多晶硅接 触电 阻四部分［4］。其中，多晶硅电阻和单晶硅发射区电阻相对来说较小，可以忽略， 起主要作用的是金属与多晶硅接触电阻和界面氧化层电阻。金属与多晶硅接触电阻可以通过 合金得到改善。界面氧化层电阻随界面氧化层的厚度增加而增加，且受退火调节β中氧化层 的击穿情况的影响。界面氧化层对NPN管基区中的空穴有阻碍作用，抑制了少子的反向注 入效应，因而对提高晶体管的β有利，但会增加发射极的串联电阻。 2.6 多晶硅发射极退火工艺的考虑 多晶硅中的杂质在退火中外扩散很厉害，如果控制不好，会使发射区杂质浓度降低，发射区 的注入效应降低，进而难以调节晶体管的β［5］，因此，必须采用有效的方法抑制 多晶硅杂质外扩散。实验发现，在多晶硅表面氧化一层氧化物，既可以防止在退火中杂 质的外扩散，又可以降低注入损伤。 |
| 图2 实验时多晶硅中As杂质浓度分布（As注入：剂量 经过实验，得到优化的PN结隔离互补双极工艺流程和部分工艺条件为： |
| 该工艺一共需要15次光刻，6次注入，两次扩散。利用此互补双极工艺，成功地研制 出高 性能的NPN管和PNP管，用HP7855网络分析仪测得其特征频率分别为3.2 G Hz和1.6 GHz。晶体管的GP图和频率特性曲线如图3～6所示。利用此晶体管参 数研制出的高速运算放大器的压摆率达到2200 V／μs。 |
| 图3 PNP管的GP图 |
| 图4 PNP管的频率特性曲线 |
| 图5 NPN管的GP图 |
| 图6 NPN管的频率特性曲线 在晶体管参数提取过程中得到CAE中心的李儒章博士和陈静同志的大力帮助，在此深表谢 意。 作者简介：张正元（1964～ ）男，1987年毕业于兰州大学物理系 ，获学士学位，1997年在电子科技大学微电子学系获硕士学位，现从事半导体集成电路 的工艺技术研究。 ［参考文献］ ［1］武俊齐.国外双极超高频技术的进展［J ］．微电子学，1993：23（3）：9～16． 收稿日期：1999-04-20 |
京公网安备 11010802033920号
