一种应变SiGe回型沟道BiCMOS集成器件及制备方法

摘要

本发明公开了一种应变SiGe回型沟道BiCMOS集成器件及制备方法，其过程为：在SOI衬底上生长N型Si外延层作为双极器件集电区，制备深槽隔离，然后依次制备基极多晶、基区、发射区以及集电极，形成SiGe HBT器件；在衬底NMOS器件有源区生长五层材料，制备漏极、栅极和源区，完成NMOS器件制备；在PMOS器件有源区生长三层材料，制备虚栅极，利用自对准工艺注入形成PMOS器件源、漏；刻蚀虚栅，完成PMOS器件制备，形成应变SiGe回型沟道BiCMOS集成器件及电路；本发明在制备过程中，采用全自对准工艺，有效地减小了寄生电阻与电容，提高了器件的电流与频率特性，而且SiGe HBT发射极、基极和集电极全部采用多晶，减小了器件有源区的面积以及器件尺寸，提高了电路的集成度。

主权项

一种应变SiGe回型沟道BiCMOS集成器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步、选取氧化层厚度为150～400nm，上层Si厚度为100～150nm，N型掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^‑3的SOI衬底片；第二步、利用化学气相淀积的方法，在600～750℃，在衬底上生长一层厚度为50～100nm的N型Si外延层，作为集电区，该层掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^‑3；第三步、利用化学气相淀积的方法，在600～800℃，在外延Si层表面生长一层厚度为300～500nm的SiO₂层，光刻深槽隔离，在深槽隔离区域干法刻蚀出深度为2.5～3.5μm的深槽，再利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在深槽内填充SiO₂；最后，用化学机械抛光方法，去除表面多余的氧化层，形成深槽隔离；第四步、利用化学气相淀积的方法，在600～800℃，在外延Si层表面淀积一层厚度为200～300nm的SiO₂层，光刻集电极接触区窗口，对衬底进行磷注入，使集电极接触区掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^‑3，形成集电极接触区域，再将衬底在950～1100℃温度下，退火15～120s，进行杂质激活；第五步、刻蚀掉衬底表面的氧化层，利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积二层材料：第一层为SiO₂层，厚度为20～40nm；第二层为P型多晶硅层，厚度为200～400nm，掺杂浓度为1×10²⁰～1×10²¹cm^‑3；第六步、光刻多晶硅，形成外基区，利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积SiO₂层，厚度为200～400nm，利用化学机械抛光的方法去除多晶硅表面的SiO₂；第七步、利用化学气相淀积方法，在600～800℃，淀积一层SiN层，厚度为50～100nm，光刻发射区窗口，刻蚀掉发射区窗口内的SiN层和多晶硅层；再利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积一层SiN层，厚度为10～20nm，干法刻蚀掉发射窗SiN，形成侧墙；第八步、利用湿法刻蚀，对窗口内SiO₂层进行过腐蚀，形成基区区域，利用化学气相淀积方法，在600～750℃，在基区区域选择性生长SiGe基区，Ge组分为15～25％，掺杂浓度为5×10¹⁸～5×10¹⁹cm^‑3，厚度为20～60nm；第九步、光刻集电极窗口，利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积多晶硅，厚度为200～400nm，再对衬底进行磷注入，并利用化学机械抛光去除发射极和集电极区域以外表面的多晶硅，形成发射极和集电极；第十步、利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积SiO₂层，光刻集电极，并对该接触孔进行磷注入，以提高集电极的多晶硅的掺杂浓度，使其达到1×10¹⁹～1×10²⁰cm^‑3，最后去除表面的SiO₂层；第十一步、利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在衬底表面淀积SiO₂层，在950～1100℃温度下，退火15～120s，进行杂质激活；第十二步、光刻NMOS器件有源区，利用干法刻蚀工艺，在NMOS器件有源区刻蚀出深度为1.5～2.0μm的深槽，利用化学气相淀积的方法，在600～750℃，在深槽中连续生长五层材料：第一层是厚度为1.3～1.6μm的N型Si外延层，掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^‑3，作为NMOS器件漏区；第二层是厚度为3～5nm的N型应变SiGe层，掺杂浓度为1～5×10¹⁸cm^‑3，Ge组分为10％，作为NMOS器件的第一N型轻掺杂源漏结构层；第三层是厚度为22～45nm的P型应变SiGe层，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^‑3，Ge组分为梯度分布，下层为10％，上层为20～30％的梯度分布，作为NMOS器件沟道区；第四层是厚度为3～5nm的N型应变SiGe层，掺杂浓度为1～5×10¹⁸cm^‑3，Ge组分为为20～30％，作为NMOS器件的第二N型轻掺杂源漏结构层；第五层是厚度为200～400nm的N型Si层，掺杂浓度为5×10¹⁹～1×10²⁰cm^‑3，作为NMOS器件源区；第十三步、利用化学气相淀积的方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiO₂，光刻PMOS器件有源区，利用化学气相淀积的方法，在600～750℃，在深槽中选择性外延生长一层N型弛豫Si层，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^‑3，厚度为30～50μm，再生长一N型应变SiGe层，掺杂浓度为5×10¹⁶～5×10¹⁷cm^‑3，Ge组分为10～30％，厚度为10～20nm，最后生长一本征弛豫Si帽层，厚度为3～5nm，将沟槽填满，形成PMOS器件有源区；利用湿法腐蚀，刻蚀掉表面的层SiO₂；第十四步、利用化学气相淀积的方法，在600～800℃，在外延Si层表面生长一层厚度为200～300nm的SiO₂层，光刻浅槽隔离，在浅槽隔离区域干法刻蚀出深度为300～500nm的浅槽，再利用化学气相淀积方法，在600～800℃，在浅槽内填充SiO₂；最后，用化学机械抛光方法，去除表面多余的氧化层，形成浅槽隔离；第十五步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiO₂和一层SiN，形成阻挡层；光刻NMOS器件漏沟槽，利用干法刻蚀工艺，刻蚀出深度为0.4～0.6μm的漏沟槽；利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiO₂，形成NMOS器件漏沟槽侧壁隔离，干法刻蚀掉表面的SiO₂，保留漏沟槽侧壁的SiO₂，利用化学气相淀积方法，在600～780℃，淀积掺杂浓度为1～5×10²⁰cm^‑3的N型多晶硅，将沟槽填满，化学机械抛光方法去除衬底表面多余多晶硅，形成NMOS器件漏连接区；利用湿法腐蚀，刻蚀掉表面的层SiO₂和SiN；第十六步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiO₂和一层SiN，再次形成阻挡层；光刻NMOS器件栅窗口，利用干法刻蚀工艺，刻蚀出深度为0.4～0.6μm的栅沟槽；利用原子层化学气相淀积方法，在300～400℃，在衬底表面淀积一层厚度为5～8nm的HfO₂，形成NMOS器件栅介质层，然后利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积掺杂浓度为1～5×10²⁰cm^‑3的N型多晶硅，将NMOS器件栅沟槽填满，再去除掉NMOS器件栅沟槽以外表面部分多晶硅和HfO₂，形成NMOS器件栅、源区，最终形成NMOS器件；利用湿法腐蚀，刻蚀掉表面的层SiO₂和SiN；第十七步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiO₂，光刻PMOS器件有源区，利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层厚度为10～15nm的SiO₂和一层厚度为200～300nm的多晶硅，光刻多晶硅和SiO₂，形成PMOS器件虚栅；对PMOS器件进行P型离子注入，形成掺杂浓度为1～5×10¹⁸cm^‑3的P型轻掺杂源漏结构；第十八步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面上淀积一层厚度为3～5nm的SiO₂，干法刻蚀掉衬底表面上的SiO₂，保留Ploy‑Si侧壁的SiO₂，形成PMOS器件栅电极侧墙；再对PMOS器件有源区进行P型离子注入，自对准生成PMOS器件的源区和漏区，使源漏区掺杂浓度达到5×10¹⁹～1×10²⁰cm^‑3；第十九步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积SiO₂层，用化学机械抛光方法平整表面，再用干法刻蚀工艺刻蚀表面SiO₂至虚栅上表面，露出虚栅；湿法刻蚀虚栅，在栅电极处形成一个凹槽；利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积一层SiON，厚度为1.5～5nm；用物理气相沉积淀积W‑TiN复合栅，用化学机械抛光去掉表面金属，以W‑TiN复合栅作为化学机械抛光的终止层，从而形成栅极，最终形成PMOS器件；第二十步、利用化学气相淀积方法，在600～780℃，在衬底表面淀积SiO₂层，光刻引线孔，金属化，溅射金属，光刻引线，构成MOS器件导电沟道为22～45nm的应变SiGe回型沟道BiCMOS集成器件。