САМОСОВМЕЩЕННЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и микроэлектронике, в частности к высоковольтным интегральным транзисторам. Важнейшими параметрами транзистора любого типа, определяющими возможности их надежной работы в конкретной схеме, являются предельно допустимые пробивные напряжения p-n переходов. В планарных транзисторах электрический пробой p-n переходов имеет свою специфику, обусловленную конструктивными особенностями планарных p-n переходов. Существует несколько причин, которые приводят к уменьшению пробивных напряжений p-n переходов при изготовлении планарного интегрального транзистора (А. Блихер. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Пер. с англ. под ред. И.В. Грехова. Ленинград, «Энергоатомиздат», 1986, с.37-50) [1].

Известна конструкция интегрального биполярного транзистора, «Интегральный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою», патент РФ №2024995 H01L 29/72 [2]. Конструкция содержит основной и защитный транзисторы. Транзисторы сформированы в подложке-коллекторе первого типа проводимости, состоящего из сильно легированной n⁺⁺ области и расположенную над ней слабо легированную n+ область, в слабо легированной n+ области сформированы в едином процессе базовая область второго типа проводимости основного транзистора и вокруг этой базовой области в виде кольца базовая область защитного транзистора, являющаяся делительным кольцом для базовой области основного транзистора. В базовых областях второго типа проводимости сформированы эмиттерные области первого типа проводимости.

В планарной транзисторной структуре p-n переходы формируются методом локальной диффузии в окна (прямоугольной формы), вскрытые в диоксиде кремния. Так как диффузия примеси происходит не только в окно, формируя плоскую часть p-n перехода, но и под диоксид кремния у линейного края окна, образуя искривленный участок, который имеет конфигурацию почти цилиндрической формы, а в углах окна под диоксидом кремния образуя еще более искривленный участок сферической формы, которые выходят на поверхность подложки, находящейся под диоксидом кремния. Пробивные напряжения цилиндрических и сферических p-n переходов уменьшают общее пробивное напряжение p-n переходов планарного интегрального транзистора.

Напряжение пробоя снижается также под действием механических напряжений на границе окна кремний-диоксид кремния, особенно в углах окон, вследствие различия коэффициентов расширения кремния и диоксида кремния. Поверхностная концентрация примеси, которая диффундирует под диоксид кремния, становится меньше по сравнению с поверхностной концентрацией примеси в окне из-за разных граничных условий диффузии и коэффициента сегрегации примеси в диоксид кремния, изменяя таким образом поверхностную проводимость кремния.

Так как p-n переходы выходят на поверхность подложки, защищенную диоксидом кремния, то на напряжения пробоя существенное влияние оказывают условия на поверхности подложки. Наличие на поверхности планарного p-n перехода диоксида кремния влечет за собой два нежелательных фактора, влияющих на снижение напряжение пробоя. Во-первых, диоксид кремния, сформированный на подложке, имеет положительный заряд. Во-вторых, приповерхностные слои кремния изменяют свою проводимость вследствие перераспределения примеси при термическом окислении. Оба эти фактора снижают пробивные напряжения, сужая область объемного заряда в приповерхностном слое. Сужение области объемного заряда приводит к увеличению напряженности электрического поля в p-n переходе, что приводит к уменьшению пробивных напряжений. Это явление еще более усугубляется присутствием положительного заряда в диоксиде кремния.

Как отмечалось выше, значительное влияние на снижение напряжение пробоя оказывает искривление p-n перехода. Уменьшение этого эффекта заключается в формировании охранного диффузионного кольца с глубиной залегания намного больше глубины базовой области, одинакового типа проводимости с базовой областью, и смыкающегося с последней. Увеличение напряжения пробоя достигается увеличением радиуса кривизны охранного диффузионного кольца.

Конструкции интегрального транзистора, описанного в патенте РФ №2024995 H01L 29/72, присущи следующие недостатки:

- существенное увеличение площади транзисторной структуры из-за формирования охранных диффузионных колец;

- отсутствие самосовмещения областей транзисторной структуры;

- увеличение емкости коллекторной области из-за присутствия охранных колец, приводящее к снижению быстродействия транзистора;

- увеличения сопротивления коллектора, из-за увеличенной области объемного заряда, что также снижает быстродействие транзистора;

- что p-n переходы транзисторов состоят из частей: плоской, сферической и цилиндрической с выходом на поверхность подложки. Сферическая и цилиндрическая части p-n переходов снижают их пробивные напряжения, дополнительная емкость этих p-n переходов уменьшает быстродействие транзисторов;

- инжекция основных носителей сферическими и цилиндрическими частями эмиттера способствует уменьшению коэффициента усиления из-за рекомбинации основных носителей в пассивной части базы.

Известна конструкция транзистора «Интегральный транзистор с защитой от перенапряжений» патент РФ №2175461 H01L 29/72 [3]. Конструкция содержит биполярный и полевой транзисторы, которые сформированы в подложке-коллекторе первого типа проводимости, состоящего из сильно легированной n⁺⁺ области и расположенной над ней слабо легированной n+ области, слабо легированная n+ область содержит базовую область второго типа проводимости, в которой сформированы эмиттерная область первого типа проводимости биполярного транзистора и затвор полевого транзистора первого типа проводимости. Сток которого соединен с базовой областью, а исток является базовым контактом. Конструкции интегрального транзистора, описанного в патенте РФ №2175461 H01L 29/72, присущи следующие недостатки:

- что p-n переходы транзисторов состоят из частей: плоской, сферической и цилиндрической с выходом на поверхность подложки. Сферическая и цилиндрическая части р-n переходов снижают их пробивные напряжения, дополнительная емкость этих p-n переходов уменьшает быстродействие транзисторов;

- инжекция основных носителей сферическими и цилиндрическими частями эмиттера способствует уменьшению коэффициента усиления из-за рекомбинации основных носителей в пассивной части базы;

- отсутствие самосовмещения областей транзисторной структуры, приводящее к увеличению площади, занимаемой транзистором.

Наиболее близким аналогом в части конструкции самосовмещенного высоковольтного интегрального транзистора, принятым нами за прототип, является «Биполярный транзистор интегральной схемы», патент РФ №2108640 H01L 29/72 [4].

В полупроводниковой меза-структуре, окруженной диэлектрическим материалом, расположены области эмиттера, базы и коллектора биполярного транзистора. В меза-структуре выполнены ступеньки, горизонтальные поверхности которых расположены на поверхности меза-структуры, в области базы и коллектора. Диэлектрик, изолирующий меза-структуру, выполнен в виде ступенек, горизонтальные поверхности которых расположены на трех уровнях, соответствующих по высоте месту расположения областей эмиттера, базы и коллектора. Контакты к областям структуры выполнены поликремниевыми слоями, расположенными как на горизонтальных, так и на вертикальных плоскостях меза-структуры, легированными примесью, соответствующей примеси эмиттерной, базовой и коллекторной областям. Поликремниевые контакты и вертикальные стенки меза-областей изолированы диэлектриком. К недостатком данной конструкции транзистора относится:

- конструкция обладает повышенным микрорельефом;

- металлизация структуры, состоящая из поликремния, обладает повышенным сопротивлением по сравнению с металлом и как следствие увеличением сопротивления металлизированной разводки;

- присутствие двуслойной разводки на транзисторной структуре способствует снижению быстродействия и выхода годных интегральных схем (ИС);

- отсутствие самосовмещения при формировании меза-структуры и поликремниевых контактов к областям структуры снижает плотность их компоновки;

- увеличенная емкость коллектор-подложка снижает быстродействие ИС;

- сложность реализации данной конструкции, приводящая к снижению выхода годных ИС.

Задачей изобретения является повышение выхода годных ИС, увеличение их быстродействия, повышение плотности компоновки.

Это решается тем, что предложенная конструкция самосовмещенного высоковольтного интегрального транзистора, содержащего коллекторную область, состоящую из сильно легированной области первого типа проводимости, расположенной над диэлектриком, сформированным в подложке, и слабо легированную область того же типа проводимости, расположенной над сильно легированной областью и окруженной комбинированной изолирующей областью, включающей изолирующие диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненной изолирующим слоем, смыкающимся с диэлектриком, расположенным под коллекторной областью, причем коллекторная область с трех сторон примыкает к комбинированной изолирующей области, а с четвертой стороны частично примыкает к изолированному коллекторному контакту, включающему изолирующие диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненной слоем, который контактирует в донной части изолированного контакта с коллекторной областью, расположенной над областью первого типа проводимости базовую активную область второго типа проводимости, причем базовая активная область с двух сторон примыкает к комбинированной изолирующей области, с четвертой стороны примыкает к изолированному коллекторному контакту, а с третьей стороны частично примыкает к изолированному базовому контакту, включающему изолирующие диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненного слоем, который контактирует в донной части изолированного контакта с активной базовой областью, расположенной над активной базовой областью эмиттерную область первого типа проводимости, причем эмиттерная область с двух сторон примыкает к комбинированной изолирующей области, с третьей стороны примыкает к изолированному базовому контакту, а с четвертой стороны частично примыкает к изолированному коллекторному контакту и к изолированному эмиттерному контакту, включающему изолирующие диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненного слоем, который контактирует в донной части изолированного контакта с эмиттерной областью.

Суть изобретения состоит в том, что в предложенной конструкции самосовмещенного высоковольтного интегрального транзистора формирование экранирующих слоев на месте изолирующей области, коллекторного, эмиттерного и базового контактов позволяет в едином технологическом процессе осуществлять их формирование, что обеспечивает полное самосовмещение структуры, присутствие диэлектрика под коллекторной областью способствует уменьшению емкости p-n перехода коллектор-подложка, присутствие однослойной планарной металлизированной разводки транзисторной структуры способствует уменьшению емкости данной разводки. Данная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу - повышения плотности компоновки транзисторных структур, увеличения их быстродействия и повышения выхода годных ИС.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1.

На фиг.1 изображено поперечное сечение предлагаемой конструкции транзистора, где (исходным материалом является структура кремния на диэлектрике (СКНД)): 1 - подложка; 2 - диэлектрик, сформированный в подложке; 3, 4 - коллекторная область, состоящая из сильно легированной n⁺⁺ и слабо легированной n областей первого типа проводимости, соответственно; 5 - базовая область второго типа проводимости; 6 - эмиттерная область первого типа проводимости; 7, 13 - диэлектрические слои, маскирующие транзисторную структуру; 8, 9 - изолирующие диэлектрические слои изолирующих и контактных щелей; 10 - изолирующая область; 11, 15, 16 - контакт к коллекторной области, состоящий из легированного поликремния первого типа проводимости, полицида титана, алюминия, соответственно; 12, 15, 16 - базовый контакт, состоящий из легированного поликремния второго типа проводимости, полицида титана, алюминия, соответственно; 14, 15, 16 - эмиттерный контакт, состоящий из легированного поликремния первого типа проводимости, полицида титана, алюминия, соответственно.

Предлагаемый транзистор работает следующим образом: в нормальном активном режиме (отрицательное напряжение (-U) подано на эмиттер, а положительное +U на базу и коллектор) достигается высокий коэффициент инжекции электронов в p-n переход коллектор-база, в виду отсутствия инжекции через боковую поверхность эмиттера и отсутствия их рекомбинации на поверхности базы, так как в данной конструкции таковая отсутствует, что способствует увеличению коэффициента усиления транзистора, присутствие в конструкции транзистора плоских p-n переходов способствует как увеличению пробивных, так и уменьшению их емкостей, особенно емкости p-n перехода коллектор-подложка, который отделен от подложки диэлектриком, что способствует повышению быстродействия.

Предлагаемая конструкция транзистора может быть изготовлена существующими технологическими методами.

Пример конкретного выполнения. Транзистор был изготовлен на подложке со структурой кремния на диэлектрике (СКНД), на которой были последовательно сформированы слои n⁺⁺-типа проводимости (толщиной 1,5-2 мкм с концетрацией примеси (сурьма) 6·10¹⁹ см ^-3 и n^--типа (толщиной 2.0-2,5 мкм с концентрацией примеси (сурьма) 5·10¹⁵ см^-3. Ионной имплантацией бора в слое n^--типа формировали слой p-типа (базовая область) ρ_S=250-300 Ом/кв, глубиной 1,2-1,25 мкм. С использованием планарной технологии в едином цикле, с использованием экранирующих слоев в окнах изолирующей области и контакта к коллекторной области транзисторной структуры, были изготовлены плазмохимическим травлением кремния щелевая изоляция активной области транзисторной структуры и щелевой контакт к n⁺⁺ коллекторной области, с последующим формированием на вертикальных стенках щелей разделительных диэлектриков и заполнение щелей поликремнием. Под защитой фоторезиста ионной имлантацией вводили фосфор (будущий эмиттер) в слой p-типа. В едином цикле были изготовлены плазмохимическим травлением кремния щелевые контакты к базовой области и эмиттерной области с последующим формированием на вертикальных стенках щелей разделительных диэлектриков и заполнение щелей поликремнием. Последовательно под защитой фоторезиста ионной имплантацией бора легировали щелевой контакт к базовой области и фосфором щелевые контакты к эмиттерной и коллекторной областям с последующим термическим отжигом, в результате чего формировалась эмиттерная область и щелевые контакты к областям транзистора. Далее на поликремниевых щелевых контактах формировали полицид никеля, напыляли алюминий и с помощью фотолитографии формировали разводку из алюминия.

Как следует из рассмотренного технического решения присутствие диэлектрика под коллекторной областью способствует уменьшению емкости p-n перехода коллектор-подложка, присутствие однослойной планарной металлизированной разводки транзисторной структуры способствует уменьшению емкости данной разводки, формирование изолирующих областей, областей транзисторной структуры и контактов к областями в одном цикле способствует увеличению компоновки структур, отсутствие микрорельефа на подложке повышает выход годных при формировании металлизированной разводки. Данная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу - повышения плотности компоновки транзисторных структур, увеличения их быстродействия и повышения выхода годных ИС.

Источники информации

1. А. Блихер. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Пер. с англ. под ред. И.В. Грехова. Ленинград, «Энергоатомиздат», 1986, с.37-50.

2. Патент РФ № 2024995 H01L 29/72.

3. Патент РФ № 2175461 H01L 29/72.

4. Патент РФ № 2108640 H01L 29/72 - прототип.