专利名称：在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体元件的制造方法，特别是有关于一种在硅绝缘体(Silicon on Insulator，SOI)基底上制造双载子互补式金氧半导体(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS)的方法。
而在半导体元件的工艺中，CMOS晶体管是目前最常见半导体元件，虽然CMOS晶体管的整体的速度与NMOS相当，但还是比双载子晶体管的速度来的慢。双载子晶体管的缺点在于高耗能与低集成度，而这些缺点刚好是CMOS晶体管可以加以弥补的。于是一种结合这两类半导体结构而产生的双载子互补式金氧半导体，便受到相当大的重视。在此种电路中，将最需要高速度与高电流驱动的部分，以双载子晶体管来处理，而将电路中需要高集成度与低耗能的部分，以CMOS来制作。如此整个电路的操作不但具有CMOS高集成度与低耗能的优点，也同时具有双载子晶体管速度上的优势，因此BiCMOS整体的表现将较CMOS更为优越。
在公知技术中，已揭露出许多利用SOI BiCMOS工艺所制造的半导体元件，例如Eklund et al.的美国专利第5294823号，以及Shahidi etal.的美国专利第5298786号。然而，这些公知技术所揭露的SOIBiCMOS工艺却相当复杂，将增加工艺的成本。
为达成本发明的目的，本发明提供一种在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其步骤包括提供一硅绝缘体层的P型基底，在该硅层中形成一电性隔离结构以分别定义出一双载子连接晶体管(bipolar junction transistor，BJT)的主动区与一金氧半导体的主动区，在上述主动区的表面上分别形成一薄氧化层，在双载子连接晶体管主动区表面的薄氧化层中形成一开口，以暴露出部分的P型硅层，沉积一多晶硅层覆盖于半导体基底并填入该开口中，定义多晶硅层，分别在金氧半导体的主动区上形成栅极以及在双载子连接晶体管主动区上形成一多晶硅电极覆盖住该开口，在栅极与多晶硅电极的侧壁形成绝缘间隙壁，以栅极、多晶硅电极及其绝缘间隙壁为罩幕对二主动区进行N型离子植入，以在金氧半导体的主动区中形成源极/漏极区，同时在双载子连接晶体管主动区中形成N+掺杂区，并同时对多晶硅电极进行N掺杂，完成本发明使用硅绝缘体的双载子互补式金氧半导体元件的工艺。
以本发明上述所提供的方法制作出的双载子互补式金氧半导体元件，其中双载子连接晶体管主动区中的N+型掺杂区为一发射极(emitter)，N掺杂的多晶硅电极为一集电极(collector)，而集电极下方的P型区域为基极(base)。
本发明另一种制作方法，可以在主动区的表面上分别形成一薄氧化层后，在双载子连接晶体管主动区中进行N型离子植入，使该主动区的硅层上半部为P型，下半部为N型，而其它后续的工艺则与本发明前段所述的第一种工艺相同。根据本发明另一种制作方法，双载子连接晶体管主动区中的P型区域(基极)将同时为多晶硅电极、N+型掺杂区与下方的N型硅层所包覆，因N+掺杂区与N型硅层对P型区域(基极)有较大的包覆面积，因此将作为一集电极，而多晶硅电极则作为发射极，此一工艺如本发明的第一较佳实施例所示。
在上述本发明的双载子互补式金氧半导体的制造方法中，各区域的导电型态可同时改为另一型，即原来P型者改为N型，同时原来N型者改为P型。
由于本发明将MOS的工艺加以修改，以同步制作双载子晶体管与互补式金氧半晶体管，如此将可大幅减少工艺步骤，降低工艺成本。再者，由于本发明使用硅绝缘体的工艺形成双载子互补式金氧半导体元件，故可降低元件的寄生电容，避免元件发生闭锁现象，并可增进元件的集成度与操作速度。
图2为依据上述本发明较佳实施例的方法所形成的BiCMOS元件中BJT部分的的俯视平面图。在
图1A-图1E中的BJT主动区部分的剖面流程图是依据图2中的I-I切线所绘制。
100半导体硅基底102绝缘层104绝缘层上的硅层(SOI)106浅沟渠隔离结构108a金氧半导体元件主动区108b双载子连接晶体管主动区110aMOS主动区的硅层110bBJT主动区的硅层112aMOS主动区表面的薄氧化层(栅氧化层)112bBJT主动区表面的薄氧化层114第一图案化光阻层116第一次N型离子植入118第一图案化光阻层的开口120aBJT主动区的N型硅层120bBJT主动区的P型硅层(基极)121基极的接触窗122第二图案化光阻层124第二图案化光阻层的开口126MOS的栅极128多晶硅电极(发射极)129发射极的接触窗130MOS栅极多晶硅层之间隙壁132BJT多晶硅层之间隙壁134第二次N型离子植入136MOS的源极/漏极区138BJT的N+掺杂区139集电极的接触窗
140集电极请参阅图1A，首先，提供一P型硅基底100，利用氧植入隔离(Separation by IMplanted OXygen，SIMOX)的方式在基底100中形成一氧化硅绝缘层102，并在绝缘层104上形成一单晶硅层104，其中单晶硅层104的掺杂型态例如是P型，其晶格方向例如是<100>，厚度约为500至2500埃。
接着，请参阅图1B，在单晶硅层104中形成一电性隔离结构，例如是浅沟渠隔离106，其材质例如是氧化硅，用以定义出一金氧半导体的主动区108a与一双载子连接晶体管的主动区108b。而在单晶硅层104中可以形成场氧化层(field oxide)，同样也可以作为定义主动区的电性隔离结构。
在定义出二主动区108a与108b后，在其表面分别形成一薄氧化层112a与112b，形成的方法例如是热氧化法，在800-1000℃的炉管中成长30分钟，其厚度约为80-150埃。之后在整个基底100上形成一第一图案化光阻层114，其覆盖住金氧半导体的主动区108a，并具有一光阻层开口118暴露出双载子连接晶体管的主动区108b。接着以第一图案化光阻层114为罩幕，对双载子连接晶体管主动区108b进行一第一次N型离子植入116工艺，使主动区110b下半部形成一N型硅层120a，且其上半部成为掺杂型态不变的一P型硅层120b，植入的N型离子例如是砷离子或磷离子，植入的能量例如是60-80KeV。
接着将第一图案化光阻层114去除。由于一般是以灰化的方式去除光阻层114，为避免灰化过程中伤害到薄氧化层112a与112b，因此通常会在形成第一图案化光阻层之前先沉积一层薄的多晶硅层(未图标)加以保护。
请再参阅图1C，将第一图案化光阻层114去除后，接着又在基底100上形成一图案化第二光阻层122，光阻层122中形成有一开口124，暴露出双载子连接晶体管的主动区108b上方部分的薄氧化层112b。之后将薄氧化层112b暴露的部分去除，去除的方法例如是非等向性蚀刻法，使下层的P型硅层120b暴露出来。接着再将第二图案化光阻层122去除。
请再参阅图1D，在基底100上沉积一多晶硅层(未图标)，覆盖住金氧半导体主动区108a与双载子连接晶体管主动区108b，并填入薄氧化层112b的开口124中，而与P型硅层120b相接触。多晶硅层沉积的方法例如是化学气相沉积法，沉积的温度例如是500-650℃，沉积的厚度例如是1000-25000埃。接着利用微影蚀刻的方式定义该多晶硅层，以分别在薄氧化层112a(栅氧化层)上形成一栅极126，以及在薄氧化层112b暴露出P型硅层120b的开口124上形成一多晶硅电极128。
接着在栅极126与多晶硅电极128上沉积一共形的绝缘层(未图标)，绝缘层的材料例如是氧化硅，沉积的方法例如是化学气相沉积法，沉积的温度约为650-800℃，沉积厚度约为500-1500埃。之后对于该绝缘层进行非等向性回蚀刻，分别在栅极126的侧壁形成间隙壁130，以及在多晶硅电极128的侧壁形成间隙壁132。
请再参阅图1E，以栅极126及其间隙壁130以及多晶硅电极128及其间隙壁132为罩幕，对于金氧半导体的主动区108a及双载子连接晶体管的主动区108b，进行第二次N型离子植入，植入的N型离子例如是砷离子或磷离子，离子植入的能量例如是30-80KeV，以分别在主动区108a形成源极漏极区136以及在主动区108b中形成N+掺杂区138，并对多晶硅电极128进行N掺杂。此时P型区域120b为基极(base)，其同时为N掺杂多晶硅电极128、N+型掺杂区138与下方的N型硅层120a所包覆，因N+掺杂区138与N型硅层120a对P型区域120b(基极)有较大面积的接触，因此N+掺杂区138与N型硅层120a将作为集电极(collector)，而N掺杂图案化多晶硅层128则作为发射极(emitter)。至此便完成本发明的使用硅绝缘体的双载子互补式金氧半导体元件的制作。
请再参阅图2，其中I-I切线为图1A-图1E中BJT图标剖面的位置，而区域138表示BJT主动区中的N+掺杂区，而虚线区域139表示未来集电极140的接触窗的位置。同样的，区域128表示BJT主动区中的多晶硅电极，区域120b表示BJT主动区中的P形硅层，而虚线区域129与121分别表示其未来接触窗的位置。在此必须特别说明的是，因为双载子连接晶体管的元件特性，因此多晶硅层128不必是T字形，可以是L型或其它相近似的形状。
本发明另一种较佳实施例，在主动区的表面上分别形成一薄氧化层后，不再对双载子连接晶体管的主动区中进行N型离子植入，因此该主动区的硅层都为P型，而其它后续的工艺则与第一实施例所述的工艺相同。根据此制作方法，双载子连接晶体管主动区中的P型区域为基极，而N+型掺杂区为发射极，多晶硅电极为集电极。
根据上述本发明所提供的较佳实施例可见，本发明将MOS的工艺加以修改，以同步制作双载子互补式金氧半导体元件，如此将可大幅减少工艺步骤，降低工艺成本。再者，由于本发明在硅绝缘体基底上形成双载子互补式金氧半导体元件，故可降低元件的寄生电容，避免CMOS元件发生闭锁现象，并可增进元件的集成度与操作速度。
权利要求
1.一种在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该方法包括下列步骤a.提供一硅绝缘体基底，该硅绝缘体基底具有一第一导电型态的硅层与该硅层下方的一绝缘层；b.在该硅层中形成一电性隔离结构，以定义出一金氧半导体的主动区与一双载子连接晶体管的主动区；c.在该些主动区的表面上分别形成一薄氧化层，其中该金氧半导体主动区中的该薄氧化层为一栅氧化层；d.在该双载子连接晶体管主动区表面的薄氧化层中形成一开口，以暴露出该薄氧化层下方部分的硅层；e.沉积一多晶硅层于该基底上，并填入该开口中；f.定义该多晶硅层，以同时在该金氧半导体的主动区上形成一栅极，并在该双载子晶体管主动区上形成一多晶硅电极覆盖住该开口；g.在该栅极与该多晶硅电极的侧壁分别形成一绝缘间隙壁；以及h.以该栅极、该多晶硅电极及该绝缘间隙壁为罩幕进行一第二导电型态离子植入，以在该金氧半导体的主动区中形成一第二导电型态源极/漏极区，同时在该双载子连接晶体管主动区中形成一第二导电型态掺杂区的发射极，且同时对该多晶硅电极掺杂而使其形成一第二导电型态的集电极，而位于该集电极下方的该第一导电型态硅层成为一基极。
2.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，步骤a中的该绝缘层形成的方法为氧植入隔离法(SIMOX)。
3.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该第一导电型态为P型。
4.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该电性隔离结构为浅沟渠隔离。
5.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该电性隔离结构为场氧化层。
6.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，步骤c中的该薄氧化层形成的方法为热氧化法。
7.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，形成该开口的方法为非等向性蚀刻法。
8.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，形成该多晶硅层的方法为化学气相沉积法。
9.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该些间隙壁形成的方法先在该硅基底表面形成一共形的绝缘层，然后对该绝缘层进行回蚀刻。
10.如权利要求1所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该第二导电型态离子是一N型离子。
11.如权利要求10所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该N型离子是由砷离子与磷离子所组成的族群中所选出。
12.一种在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该方法包括下列步骤a.提供一硅绝缘体基底，该硅绝缘体基底具有一第一导电型态的硅层与该硅层下方的一绝缘层；b.在该硅层中形成一电性隔离结构，以定义出一金氧半导体的主动区与一双载子连接晶体管的主动区；c.在该些主动区的表面上分别形成一薄氧化层，其中该金氧半导体主动区中的该薄氧化层为一栅氧化层；d.植入一第二导电型态离子于该双载子连接晶体管的主动区中，使得该主动区中的该硅层的下半部成为一第二导电型态硅层，但该主动区中的该硅层的上半部仍为一第一导电型态硅层；e.在该双载子连接晶体管主动区表面的薄氧化层中形成一开口，以暴露出该薄氧化层下方部分的该第一导电型态硅层；f.沉积一多晶硅层覆盖在该基底上，并填入该开口中；g.定义该多晶硅层，以在该金氧半导体的主动区上形成一栅极位于该栅氧化层上，同时在该双载子连接晶体管主动区上形成一多晶硅电极覆盖住该开口；h.在该栅极与该多晶硅电极的侧壁上分别形成一绝缘间隙壁；i.以该栅极、该多晶硅电极及其绝缘间隙壁为罩幕进行一第二导电型态离子植入，以在该金氧半导体的主动区中形成一第二导电型态源极/漏极区，同时在该双载子连接晶体管主动区中形成一第二导电型态掺杂区，且同时对该多晶硅电极掺杂以形成一第二导电型态的发射极，此时位于该发射极下方的该第一导电型态硅层成为一基极，而该第二导电型态掺杂区与位于该第一导电型态硅层下方的第二导电型态硅层共同形成一集电极。
13.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，步骤a中该绝缘层形成的方法为氧植入隔离法(SIMOX)。
14.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该第一导电型态为P型。
15.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该电性隔离结构为浅沟渠隔离。
16.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该电性隔离结构为场氧化层。
17.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，步骤c中的该薄氧化层形成的方法为热氧化法。
18.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，形成该开口的方法为非等向性蚀刻法。
19.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，形成该多晶硅层的方法为化学气相沉积法。
20.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该些间隙壁形成的方法先在该硅基底表面形成一共形的绝缘层，然后对该绝缘层进行回蚀刻。
21.如权利要求12所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该第二导电型态离子是一N型离子。
22.如权利要求21所述的在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其特征是，该N型离子是由砷离子与磷离子所组成的族群中所选出。
全文摘要
一种在硅绝缘体基底上制造双载子互补式金氧半导体的方法，其将金氧半晶体管的工艺加以修改，以同步制作双载子晶体管与互补式金氧半晶体管，如此将可大幅减少工艺步骤，并降低工艺成本。再者，由于本发明在硅绝缘体基底上形成双载子互补式金氧半导体元件，故可降低元件的寄生电容，避免元件发生闭锁现象，并可增进元件的集成度与操作速度。
文档编号H01L21/8238GK1479367SQ0214187
公开日2004年3月3日 申请日期2002年8月27日 优先权日2002年6月7日
发明者吴集锡 申请人:联华电子股份有限公司