CN102468209B - 锗硅hbt的埋层形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锗硅HBT的埋层形成方法，将光刻胶的曝光分为两次。第一次曝光聚焦于光刻胶接近表面的部分，形成主要图形。第二次曝光聚焦于光刻胶接近衬底的部分，对主要图形的底部进行附加曝光。从而使光刻胶底部形成的实际尺寸尽可能接近设计尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种锗硅HBT的制造方法，特别是涉及一种锗硅HBT的埋层的制造方法。
背景技术
锗硅（SiGe）是硅和锗通过共价键结合形成的半导体化合物，是这两种元素无限互溶的替位式固溶体。锗硅HBT（Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极晶体管）是一种常用的高频RF（Radio Frequency，射频）器件。和传统的硅晶体管相比，锗硅具有禁带宽度可调，且比硅的带隙更窄的特点，非常适合高速高频应用。
请参阅图1，这是一种现有的锗硅HBT。其中，集电极3埋在基极5之下，因此需要埋层1和集电极引出区4将集电极3引出进行连线。
图1所示的锗硅HBT的埋层制造方法包括如下步骤：
第1步，请参阅图3a，在衬底01a上旋涂光刻胶10。
第2步，请参阅图3b，对光刻胶10进行曝光。此时根据光强分布的不同，光刻胶10可以至少分为三个区域。最中间的区域10a是光强最强的区域，该区域中的光刻胶10在显影后可以被完全去除。稍外侧的区域10b是光强从强往弱递减的区域，该区域中的光刻胶10在显影后可以被部分去除部分残留。最外侧的区域10c是光强减至零的区域，该区域中的光刻胶10在显影后几乎完全保留。
第3步，请参阅图3c，对曝光后的光刻胶10进行显影，显影后衬底01a上的光刻胶10就形成了埋层离子注入窗口，该离子注入窗口的两侧壁都是光刻胶10。
第4步，请参阅图3d，在光刻胶10形成的埋层离子注入窗口中的衬底01a上作离子注入，形成埋层1，然后去除光刻胶10。
第5步，请参阅图3e，在衬底01a之上生长出外延层01b。
第6步，请参阅图3f，通过退火工艺使埋层1中的杂质扩散分布均匀，退火后埋层1部分扩散到外延层01b中。
图3a～图3f所示锗硅HBT的埋层制造方法需要使用外延工艺，因此成本较高。但对光刻胶曝光时，纵向光强分布是均匀的，即图3b中任意一条竖直直线在不同高度的光强强度相同。请参阅图5a，这是在垂直负方向（箭头方向表示从硅片表面往内部）上图3b所示的光刻胶曝光时的光强分布，表现为垂直光强分布均匀。由此形成的埋层离子注入窗口的尺寸可以精确控制，反映为图3c中光刻胶10的侧壁接近于90度。
请参阅图2，这是另一种现有的锗硅HBT。其中，隔离结构（如场氧隔离LOCOS或浅槽隔离STI）2中具有深孔8，该深孔8填充后作为集电极引出区。
图2所示锗硅HBT的埋层制造方法包括如下步骤：
第1步，请参阅图4a，在有源区01c上刻蚀出两个沟槽，两个沟槽之间的有源区01c的上方被硬掩膜层9所覆盖和保护。
第2步，请参阅图4b，在硅片上旋涂光刻胶10。由于有沟槽和硬掩膜 层9的存在，因此光刻胶10在硬掩膜层9的上方会呈现出凸起的形貌。
第3步，请参阅图4c，对光刻胶10进行曝光。此时根据光强分布的不同，光刻胶10可以至少分为三个区域。最中间的区域10a是光强最强的区域，该区域中的光刻胶10在显影后可以被完全去除。稍外侧的区域10b是光强从强往弱递减的区域，该区域中的光刻胶10在显影后可以被部分去除部分残留。最外侧的区域10c是光强减至零的区域，该区域中的光刻胶10在显影后几乎完全保留。
第4步，请参阅图4d，对曝光后的光刻胶10进行显影，显影后形成了两个埋层离子注入窗口。每个埋层离子注入窗口都是由光刻胶10和沟槽的一侧侧壁共同形成的。
第5步，请参阅图4e，在这两个埋层离子注入窗口的底部的有源区01c进行离子注入，形成两个独立的埋层1。
第6步，请参阅图4f，通过退火工艺使这两个独立的埋层1相连且使其中的杂质扩散分布均匀。
图4a～图4f所示锗硅HBT的埋层制造方法不使用外延工艺，也不需要额外引入集电极引出区的光刻工艺，因此制造成本较低。同时由于没有集电极引出区，因此埋层的尺寸就可以大幅度减小，因此HBT部分的器件面积较传统HBT小很多，因此单个晶体管的均摊制造成本较低。但对光刻胶曝光时，纵向光强分布是从上到下逐次递减的，即图4c中任意一条竖直直线在较高位置的光强强度要大于或等于较低位置的光强强度，这是由于沟槽的侧壁具有一定倾斜度所致。请参阅图5b，这是在垂直负方向上图4c 所示的光刻胶曝光时的光强分布，表现为进入硅片内部的深度越大、光强强度越小。这会导致在光刻胶10的底部真正需要形成图形的位置，由于光强不够，无法有效形成图形，因此实际形成的尺寸远远小于设计尺寸，如图4d所示。因此在这种工艺中，图形的设计规则只能被迫放大，因此和CMOS器件集成做Bi-CMOS产品时，CMOS部分的器件面积会增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种锗硅HBT的埋层的制造方法，在保证现有器件结构优势的同时，解决埋层离子注入窗口到有源区的设计规则比传统器件尺寸大的问题。
为解决上述技术问题，本发明锗硅HBT的埋层形成方法包括如下步骤：
第1步，采用光刻和刻蚀工艺在硅片上刻蚀出两个沟槽，两个沟槽之间的硅片的上方被硬掩膜层所覆盖；
第2步，在硅片上旋涂光刻胶；
第3步，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为-0.1～0.1μm，曝光能量为5～100mJ/cm2（毫焦/平方厘米），对光刻胶进行第一次曝光，此时不显影；
第4步，硅片不离开光刻机平台，掩膜版不离开掩膜版平台，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为90%的所述沟槽深度～110%的所述沟槽深度，曝光能量为第一次曝光能量的50%～200%，对光刻胶进行第二次曝光，然后显影；
此时形成了两个埋层离子注入窗口，每个埋层离子注入窗口都是由光 刻胶和沟槽的一侧侧壁共同形成的；
第5步，在这两个埋层离子注入窗口的底部的硅片进行离子注入，形成两个独立的埋层；
第6步，通过退火工艺使这两个独立的埋层相连且使其中的杂质扩散分布均匀。
与传统的锗硅HBT的埋层形成方法相比，本发明结合低成本HBT的埋层特殊结构，克服有源区倾斜面带来的光刻工艺缺陷。本发明中第一次曝光聚焦于光刻胶接近表面的部分，形成上部分图形。第二次曝光聚焦于光刻胶接近衬底的部分，对底部进行附加曝光。从而使光刻胶底部形成的实际尺寸尽可能接近设计尺寸。
附图说明
图1是现有的一种锗硅HBT的结构示意图；
图2是现有的另一种锗硅HBT的结构示意图；
图3a～图3f是图1所示锗硅HBT的埋层制造方法的各步骤示意图；
图4a～图4f是图2所示锗硅HBT的埋层制造方法的各步骤示意图；
图5a是图1所示锗硅HBT在光刻胶曝光时的垂直方向光强示意图；
图5b是图2所示锗硅HBT在光刻胶曝光时的垂直方向光强示意图；
图5c是本发明锗硅HBT对光刻胶二次曝光的垂直方向光强示意图；
图5d是本发明锗硅HBT对光刻胶二次曝光的水平方向光强示意图；
图6a是现有两次曝光工艺的水平方向示意图；
图6b是现有两次曝光工艺的垂直方向示意图；
图7a～图7c是本发明锗硅HBT的埋层制造方法的部分步骤示意图。
图中附图标记说明：
01a为衬底；01b为外延层；01c为有源区；1为埋层；2为隔离结构；3为集电极；4为集电极引出区；5为基极；6为发射极；7为发射极窗口绝缘层；8为深孔；9为硬掩膜层；10为光刻胶；10a为光强最强区域；10b为光强递减区域；10c为光强减为零的区域。
具体实施方式
本发明锗硅HBT的埋层形成方法包括如下步骤：
第1步，请参阅图4a，采用光刻和刻蚀工艺在硅片（有源区01c）上刻蚀出两个沟槽，这两个沟槽通常是平行的，且深度相同。这两个沟槽之间的硅片（有源区01c）的上方被硬掩膜层9所覆盖，该硬掩膜层9保护其下方的硅片不被刻蚀到。
第2步，请参阅图4b，在硅片上旋涂光刻胶10。
第3步，请参阅图7a，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为-0.1～0.1μm，曝光能量为5～100mJ/cm2，对光刻胶10进行第一次曝光，此时不显影。图7a中的点填充区域为曝光区域，尚未显影，因此只是光刻胶的光酸分布示意。接近硅片表面部分的曝光面积较大、深入硅片内部部分的曝光面积较小。
第4步，请参阅图7b，硅片不离开光刻机平台，掩膜版不离开掩膜版平台，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为90%的所述沟槽深度～110%的所述沟槽深度，曝光能量为第一次曝光能量的50%～ 200%，对光刻胶进行第二次曝光，然后显影。此时形成了两个埋层离子注入窗口，每个埋层离子注入窗口都是由光刻胶10和沟槽的一侧侧壁共同形成的。
第5步，请参阅图7c，在这两个埋层离子注入窗口的底部的硅片（有源区01c）进行离子注入，形成两个独立的埋层1。
第6步，请参阅图4f，通过退火工艺使这两个独立的埋层1相连且使其中的杂质扩散分布均匀。
所述方法第4步中，更优选地，设置数值孔径为0.68～0.75，相干系数为0.8～0.9，曝光能量为第一次曝光能量的80%～150%。
请参阅图5c，这是在垂直负方向上本发明两次对光刻胶曝光时的光强分布，其中虚线表示第一次曝光，实线表示第二次曝光。第一次曝光的垂直光强分布与图5b完全相同，光强集中在硅片表面附近。新增加的第二次曝光则将光强集中于硅片内部较深的位置。
请参阅图5d，这是在水平方向上本发明两次对光刻胶曝光时的光强分布，其中虚线表示第一次曝光，实线表示第二次曝光。显然两次曝光在水平光强分布上几乎没有差别。
现有的半导体器件制造工艺中也有两次曝光工艺，图6a显示了现有的两次曝光工艺的水平光强分布，图6b显示了现有的两次曝光工艺的垂直光强分布，其中虚线表示第一次曝光，实线表示第二次曝光。显然，现有的两次曝光工艺的垂直光强分布几乎完全相同，而在水平光强分布上有所区别。本发明的两次曝光工艺则在水平光强分布上几乎完全相同，在垂直光 强分布上有所区别，因而与现有的两次曝光工艺是完全不同的。
综上所述，本发明锗硅HBT的埋层形成方法，特别设计了针对光刻胶的两次曝光。第一次曝光使沟槽边缘产生较多的光酸，然后再进行第二次曝光，可以克服因为倾斜沟槽造成的底部曝光不足而引起的设计规则受限问题，从而使锗硅HBT器件面积缩小。
Claims (2)
1.一种锗硅HBT的埋层形成方法，其特征是，包括如下步骤：
第1步，采用光刻和刻蚀工艺在硅片上刻蚀出两个沟槽，两个沟槽之间的硅片的上方被硬掩膜层所覆盖；
第2步，在硅片上旋涂光刻胶；
第3步，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为-0.1～0.1μm，曝光能量为5～100mJ/cm2，对光刻胶进行第一次曝光，此时不显影；
第4步，硅片不离开光刻机平台，掩膜版不离开掩膜版平台，设置数值孔径为0.52～0.82，相干系数为0.3～0.9，焦距为90%的所述沟槽深度～110%的所述沟槽深度，曝光能量为第一次曝光能量的50%～200%，对光刻胶进行第二次曝光，然后显影；
此时形成了两个埋层离子注入窗口，每个埋层离子注入窗口都是由光刻胶和沟槽的一侧侧壁共同形成的；
第5步，在这两个埋层离子注入窗口的底部的硅片进行离子注入，形成两个独立的埋层；
第6步，通过退火工艺使这两个独立的埋层相连且使其中的杂质扩散分布均匀。
2.根据权利要求1所述的锗硅HBT的埋层形成方法，其特征是，所述方法第4步中，设置数值孔径为0.68～0.75，相干系数为0.8～0.9，曝光能量为第一次曝光能量的80%～150%。
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