[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

本发明涉及一种双极晶体管半导体装置，包括：衬底层；由衬底层支撑的集电极外延层；由集电极外延层的一部分支撑的基极区域；以及由基极区域的一部分支撑的发射极区域，其中，发射极区域包括多晶硅材料。

技术领域

本公开涉及半导体装置、制造半导体装置的方法以及包括半导体装置的电子装置。更具体地，本公开涉及双极结型晶体管(BJT)半导体装置，也称为双极晶体管。

背景技术

双极晶体管通常用于模拟电路和数字电路中的电流放大。在其最简单的形式中，如图1所示，离散NPN双极晶体管100包括电耦接到发射极端子101a的发射极区域101、电耦接到集电极端子103a的集电极区域103和电耦接到基极端子102a的基极区域102。当以共发射极模式被构造时，这种双极晶体管100可以作为电流放大器工作，使得输入基极电流I_B的小变化可以导致输出集电极/发射极电流I_C的大变化。

双极晶体管的电流放大特性由电流增益或放大系数hFE(也称为β)控制。经放大的输出集电极/发射极电流I_C的大小通常由双极晶体管的hFE和基极电流I_B的乘积来定义。

通常，高电流增益hFE特性是优选的，使得仅由小基极电流驱动的双极晶体管可以进入高集电极电流的装置饱和。传统的BJT通常具有范围从约10到500的hFE值。

传统的离散双极晶体管装置结构包括在集电极外延层内形成的扩散发射极和基极。发射极接触端子和基极接触端子位于装置晶圆前部104上，集电极端子位于晶圆后部105上。

为了实现具有高hFE的双极晶体管，装置必须实现高发射极葛谋数(Gummelnumber)。发射极葛谋数是用于测量晶体管的发射极效率的参数并且与发射极的有效掺杂有关，发射极葛谋数受到带隙变窄和载流子寿命的限制。虽然技术人员将意识到该参数可以用于评估和帮助双极晶体管设计的工艺，但是葛谋数在晶体管设计中的应用的详细讨论不在本公开的范围内。此外，对于双极晶体管，还需要低的基极葛谋数。该数值与总的基极掺杂有关，并且受击穿电压BVCBO的限制。BVCBO是发射极浮置时的集电极-基极击穿电压。限制在于基极必须包含总临界掺杂以包含BVCBO的耗尽区域，否则会发生穿通(punch-through)。

因此，为了实现双极晶体管的高hFE，发射极必须是高掺杂的，基极必须是低掺杂的并且/或宽度尽可能窄。

为了实现hFE值为700或更大的双极晶体管，传统工艺受限于可获得的最大有效发射极掺杂剂和与产生低掺杂和窄基极相关的工艺扩展(即，装置之间和装置内的性质/特性的变化)。实际上，对于窄的基极，基极宽度可能变得非常难以控制。由于掺杂较高，晶体管的发射极扩散得比基极更快。这样，对于非常窄的基极，最轻微的掺杂变化将导致基极区域的不均匀分布。随着基极变得更窄，在炉中的给定时间内，基极的不均匀分布将恶化。

应用已知的工艺，可制造hFE为1000或更高的离散双极晶体管，但代价是损害装置的性能，诸如必须接受大的工艺扩展(即，由于具有低掺杂和窄基极造成的)，导致相当大的成品率损失，或必须使用达林顿晶体管(Darlington transistor)布置，这使得晶体管不可能进入饱和(因为它防止VBC改变极性)，这会限制晶体管可传导的最大电流，从而限制装置的额定值。