СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С ЭМИТТЕРОМ СУБМИКРОННЫХ РАЗМЕРОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к области создания интегральных схем (ИС) с использованием биполярных транзисторов.

Биполярная технология все еще остается популярной, наряду с КМОП технологией, благодаря уникальным свойствам биполярных транзисторов, их помехоустойчивости, низкому уровню шумов, высоким коэффициентам усиления, возможности работы на высокие нагрузки.

При этом прочные позиции, занимаемые биполярными транзисторами в аналоговых схемах, связаны с непрерывным прогрессом в уменьшении размеров биполярных транзисторов с вертикальной структурой благодаря методам самосовмещения и самоформирования областей транзистора.

Известен БиКМОП прибор и способ его изготовления [1] с использованием двух слоев поликристаллического кремния для формирования биполярных транзисторов с электродом эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния и электродов базы из второго слоя поликристаллического кремния, что позволяет существенно уменьшить размеры биполярного транзистора и, как следствие, существенно увеличить быстродействие транзисторов и прибора в целом.

Однако в используемой в [1] структуре биполярного транзистора не обеспечивается самосовмещение электродов эмиттера и базы, а уменьшение размеров эмиттера ограничено минимальным размером на литографии.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является полупроводниковая структура вертикальных биполярных транзисторов и способ ее изготовления [2].

В [2] защищается:

1. Структура биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров, содержащая кремниевую подложку первого типа проводимости со скрытым слоем второго типа проводимости, размещенный на подложке эпитаксиальный слой второго типа проводимости, боковую изоляцию в эпитаксиальном слое вокруг области коллектора транзистора второго типа проводимости над скрытым слоем, первый слой диэлектрика на эпитаксиальном слое с окнами для размещения областей контакта к коллектору и базы первого типа проводимости, электрод эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, легированного примесью второго типа проводимости, покрытый вторым слоем диэлектрика и расположенный в области базы, область эмиттера второго типа проводимости в кремнии под электродом эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, пристеночный диэлектрик, изолирующий торцы электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, имплантированные вокруг электрода эмиттера области пассивной базы первого типа проводимости в кремнии, электрод из второго слоя поликристаллического кремния, легированного примесью первого типа проводимости, размещенный над областью базы и эмиттера и имеющий вскрытие над электродом эмиттера, достаточное для размещения контактного окна в пассивирующем диэлектрике и металлического электрода к электроду эмиттера, слой пассивирующего диэлектрика на поверхности структуры, контактные окна в пассивирующем диэлектрике над электродом базы, электродом эмиттера и областью контакта к коллектору, металлические электроды в контактных окнах.

2. Структура по п.1, в которой на электродах из первого и второго слоев поликристаллического кремния размещают слои силицида металла.

3. Способ изготовления структуры биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров, включающий формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости со скрытым слоем второго типа проводимости эпитаксиального слоя второго типа проводимости, областей изоляции, первого слоя диэлектрика вокруг формируемых в дальнейшем областей контакта к коллектору второго типа проводимости и базы первого типа проводимости, формирование областей контакта к коллектору второго типа проводимости и базы первого типа проводимости, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика на поликристаллическом кремнии, формирование электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, создание пристеночного диэлектрика на торцах электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, формирование в кремнии вокруг электрода эмиттера имплантированных областей пассивной базы первого типа проводимости, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью первого типа проводимости, формирование электрода базы из второго слоя поликристаллического кремния над областями базы и эмиттера, имеющего вскрытие над электродом эмиттера, достаточное для размещения контактного окна к электроду эмиттера в осаждаемом в последующем пассивирующем диэлектрике и металлического электрода в контактном окне, термический отжиг структуры, осаждение слоя пассивирующего диэлектрика, формирование контактных окон в пассивирующем диэлектрике над электродами базы и эмиттера и над областью контакта к коллектору, создание металлических электродов в контактных окнах.

4. Способ по п.3, в котором на электродах из первого и второго слоев поликристаллического кремния формируют слои силицида металла.

На фиг.1.1-1.5 представлены основные элементы структуры биполярного транзистора и способ ее изготовления, представленные в [2].

На фиг.1.1 представлен разрез структуры после формирования на кремниевой подложке первого типа проводимости 1 скрытого слоя второго типа проводимости 2, осаждения эпитаксиального слоя второго типа проводимости 3, формирования боковой изоляции между областями транзисторов 4, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 5 с окнами 6 под расположение областей контакта к коллектору транзистора второго типа проводимости 7 и базы первого типа проводимости 8.

На фиг.1.2 представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 9, легирования поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости, создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 10, формирования методами литографии и плазмохимического травления электрода из первого слоя поликристаллического кремния 9 и над ним второго слоя диэлектрика 10, используемого в качестве электрода эмиттера транзистора.

На фиг.1.3 представлен разрез структуры после формирования пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электрода из первого слоя поликристаллического кремния и над ним второго диэлектрика путем осаждения слоя диэлектрика на всю структуру и последующего удаления горизонтальных и наклонных участков диэлектрика 11 с помощью вертикального реактивного травления. Удаляются при вертикальном травлении горизонтальные и наклонные участки диэлектрика 11, не удаляются вертикальные участки диэлектрика 12.

На фиг.1.4 представлен разрез структуры после формирования в кремнии вокруг электрода эмиттера имплантированных областей пассивной базы первого типа проводимости 8а, осаждения второго слоя поликристаллического кремния 13, легирования его примесью первого типа проводимости, формирования методами литографии и плазмохимического травления из второго поликристаллического кремния базового электрода транзистора 13.

На фиг.1.5. представлен разрез структуры после осаждения слоя пассивирующего диэлектрика 17, формирования контактных окон в нем 15 и металлической разводки 16.

Структура, используемая в прототипе [2], решает проблему самосовмещаемости электродов базы и эмиттера транзистора в сравнении с [1]. Это обеспечивает уменьшение размеров базовых областей, так как нет необходимости делать запасы на независимое размещение базового электрода в базовой области относительно эмиттерного электрода в виде зазора между ними и в целом транзистора.

Однако размер области эмиттера транзистора в структурах [2] по прежнему определяется минимальным размером на литографии, что не обеспечивает создания транзисторов с размерами области эмиттера в ультра субмикронном диапазоне значений с меньшими значениями, чем возможности процесса литографии.

Задачей изобретения является повышение быстродействия биполярного транзистора за счет использования новой структуры транзистора, электрод эмиттера, в которой формируется на окисле кремния (по типу затвора МОП транзистора), а реальный размер реальной области эмиттера задается величиной торцевого травления слоя окисла кремния под электродом эмиттера на сколь угодно малую расчетную величину субмикронного или ультра субмикронного размера, в дальнейшем заполняемую поликристаллическим кремнием.

Названный технический результат достигается за счет добавления новых существенных улучшений в структуру транзистора и в способ изготовления структуры транзистора, защищаемых в техническом решение прототипа [2]. Для этого в [2] вносятся следующие изменения:

1. В структуре биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров, содержащей кремниевую подложку первого типа проводимости со скрытым слоем второго типа проводимости, размещенный на подложке эпитаксиальный слой второго типа проводимости, боковую изоляцию в эпитаксиальном слое вокруг области коллектора транзистора второго типа проводимости над скрытым слоем, первый слой диэлектрика на эпитаксиальном слое с окнами для размещения областей контакта к коллектору второго типа проводимости и базы первого типа проводимости, электрод эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, легированного примесью второго типа проводимости, покрытый вторым слоем диэлектрика и расположенный в области базы, область эмиттера второго типа проводимости в кремнии под электродом эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, пристеночный диэлектрик, изолирующий торцы электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, имплантированные в кремнии вокруг электрода эмиттера области пассивной базы первого типа проводимости, электрод из второго слоя поликристаллического кремния, легированный примесью первого типа проводимости, размещенный над областью базы и электродом эмиттера и имеющий вскрытие над электродом эмиттера, достаточное для размещения контактного окна к электроду эмиттера в пассивирующем диэлектрике и металлического электрода в контактном окне, слой пассивирующего диэлектрика на поверхности структуры, контактные окна в пассивирующем диэлектрике к электродам базы и эмиттера и к области контакта к коллектору, металлические электроды в контактных окнах, скрытый слой размещают в области дополнительного второго скрытого слоя с концентрацией примеси второго типа проводимости, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, располагают в окнах первого диэлектрика на кремнии под электродом эмиттера из поликристаллического кремния тонкий слой окисла кремния, имеющий частичное вскрытие под электродом эмиттера на расчетную величину, заполненное дополнительным третьим слоем поликристаллического кремния, который на торцах электрода эмиттера имеет прокисление в виде окисла кремния в качестве пристеночного диэлектрика.

2. В способе изготовления структуры биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров, включающем формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости со скрытым слоем второго типа проводимости эпитаксиального слоя второго типа проводимости, областей изоляции, первого слоя диэлектрика вокруг формируемых в дальнейшем областей контакта к коллектору второго типа проводимости и базы первого типа проводимости, формирование областей контакта к коллектору второго типа проводимости и базы первого типа проводимости, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика на поликристаллическом кремнии, формирование электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, создание пристеночного диэлектрика на торцах электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, формирование в кремнии вокруг электрода эмиттера имплантированных областей пассивной базы первого типа проводимости, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью первого типа проводимости, формирование электрода базы из второго слоя поликристаллического кремния над областями базы и эмиттера, имеющего вскрытие над электродом эмиттера, достаточное для размещения контактного окна к электроду эмиттера в осаждаемом в последующем пассивирующем диэлектрике и металлического электрода в контактном окне, термический отжиг структуры, осаждение слоя пассивирующего диэлектрика, формирование контактных окон в пассивирующем диэлектрике над электродами базы и эмиттера и над областью контакта к коллектору, создание металлических электродов в контактных окнах, до создания скрытого слоя в месте его последующего расположения формируют дополнительный второй скрытый слой первого типа проводимости с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, перед осаждением первого слоя поликристаллического кремния формируют на кремнии тонкий слой окисла кремния, формирование электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, производят до тонкого слоя окисла кремния, удаляют тонкий слой окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливают его частично на расчетную величину под электродом эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, осаждают дополнительный третий слой поликристаллического кремния, заполняющий вскрытие в тонком слое окисла кремния под электродом эмиттера, окисляют дополнительный третий слой поликристаллического кремния с образованием окисла кремния, кроме участка, заполняющего вскрытие в тонком слое окисла кремния под электродом эмиттера, затем удаляют плазмохимическим травлением слой окисла кремния, полученный из поликристаллического кремния, с горизонтальных участков структуры, сохранив его только на торцах эмиттера в качестве пристеночного диэлектрика.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в структуре биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров скрытый слой под коллектором транзистора размещают в области дополнительного второго скрытого слоя с концентрацией примеси второго типа проводимости, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, располагают под электродом эмиттера из поликристаллического кремния тонкий слой окисла кремния, имеющий частичное вскрытие под электродом эмиттера на расчетную величину, заполненное дополнительным третьим слоем поликристаллического кремния, который на торцах электрода эмиттера имеет прокисление в виде окисла кремния в качестве пристеночного диэлектрика,

а в способе изготовления структуры биполярного транзистора с эмиттером субмикронных размеров до создания скрытого слоя в месте его последующего расположения формируют дополнительный второй скрытый слой с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, перед осаждением первого слоя поликристаллического кремния формируют на кремнии тонкий слой окисла кремния, формирование электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния, покрытого вторым слоем диэлектрика, производят до тонкого слоя окисла кремния, удаляют тонкий слой окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливают его частично на расчетную величину под первым слоем поликристаллического кремния, осаждают дополнительный третий слой поликристаллического кремния, заполняющий вскрытие в тонком слое окисла кремния под электродом эмиттера, окисляют дополнительный третий слой поликристаллического кремния с образованием окисла кремния, кроме участка, заполняющего вскрытие в тонком слое окисла кремния под электродом эмиттера, затем удаляют плазмохимическим травлением слой окисла кремния, полученный из поликристаллического кремния с горизонтальных участков структуры, сохранив его только на торцах эмиттера в качестве пристеночного диэлектрика.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого способа. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Указанное выполнение предлагаемого способа приводит к тому, что размер области эмиттера транзистора определяется величиной торцевого травления тонкого слоя окисла кремния на сколь угодно малую величину, что позволяет формировать транзистор с размером области эмиттера в области ультра субмикронных размеров.

На фиг.2.1.-2.7 представлены основные этапы изготовления структуры биполярного транзистора.

На фиг.2.1 представлен разрез структуры после формирования на кремниевой подложке 1 области дополнительного скрытого слоя второго типа проводимости с низкой концентрацией примеси 19, а затем создания в этой же области скрытого слоя второго типа проводимости 2 для снижения сопротивления коллектора, осаждения эпитаксиального слоя второго типа проводимости 3, формирования боковой изоляции между областями транзисторов 4, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 5 с окнами 6 под расположение области контакта к коллектору второго типа проводимости 7, области базы первого типа проводимости 8 и формирования на поверхности кремния тонкого слоя окисла кремния 18.

На фиг.2.2 представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 9, легирования поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости, создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 10, формирования методами литографии и плазмохимического травления электрода эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния 11, покрытого вторым слоем диэлектрика 10, до тонкого слоя окисла кремния.

На фиг.2.3 представлен разрез структуры после травления тонкого слоя окисла кремния до кремния 20 и одновременно бокового (торцевого) травления тонкого слоя окисла кремния под слоем поликристаллического кремния на заданную величину 21.

На фиг.2.4 представлен разрез структуры после осаждения дополнительного третьего слоя поликристаллического кремния, заполняющего подтравленный участок тонкого слоя окисла кремния под электродом эмиттера 23, последующего термического окисления третьего слоя поликристаллического кремния с образованием слоя пристеночного диэлектрика. При этом участок под электродом эмиттера, заполненный поликристаллическим кремнием, не окисляется. Вертикальные участки прокисленного слоя поликристаллического кремния 25 не травятся при последующем реактивном ионном травлении, используются в качестве пристеночного диэлектрика, защищающего торцевые участки первого слоя поликристаллического кремния и второго слоя диэлектрика. Горизонтальные участки 24 удаляются.

На фиг.2.5 представлен разрез структуры после удаления прокисленного слоя с горизонтальных участков и сохранения его при реактивном ионном травлении в виде пристеночного диэлектрика на торцах второго слоя диэлектрика и первого слоя поликристаллического кремния.

На фиг.2.6 представлен разрез структуры после формирования в кремнии вокруг электрода эмиттера имплантированных областей пассивной базы первого типа проводимости 8а, осаждения второго слоя поликристаллического кремния 13, легирования его примесью первого типа проводимости, формирования методами литографии и плазмохимического травления базовых электродов транзисторов из второго поликристаллического кремния с выборкой над электродом эмиттера. И далее после отжига структуры формируются области пассивной базы и области эмиттера под электродом эмиттера 26.

На фиг.2.7 представлен разрез структуры после осаждения пассивирующего слоя диэлектрика 17, формирования контактных окон в нем 15 и создания металлической разводки 16.

Травление слоя тонкого окисла кремния осуществляется в жидкостных травителях с высокой селективностью к кремнию.

Боковое (торцевое) травление слоя тонкого окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния (фиг.2.3) осуществляется на расчетную величину, задающую необходимый размер области эмиттера (фиг.2.4).

Последующее осаждение дополнительного (третьего) слоя поликристаллического кремния заполняет подтравленный зазор под первым слоем поликристаллического кремния, что и осуществляет в последующем контакт первого слоя поликристаллического кремния с кремнием. При термическом отжиге вначале происходит легирование дополнительного слоя поликристаллического кремния из легированного первого слоя поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости, а затем примесь диффундирует в область эмиттера в кремнии.

Пример. В монокристаллической пластине КДБ 12(100) (концентрация ˜10¹⁵ атомов в см³) через маску фоторезиста формируют вначале область скрытого слоя п-типа проводимости ионной имплантацией фосфора с дозой 1 мккул/см², отжигают его (максимальная концентрация ˜10¹⁶ атомов в см³), а затем создают скрытый слой п-типа проводимости диффузией сурьмы с сопротивлением 40 Ом/см² (максимальная ˜10¹⁹ атомов в см³), совмещаемый с ранее сформированным слоем п-типа проводимости. Методом хлоридной эпитаксии наращивают эпитаксиальный слой п-типа проводимости (омностью 0.7 Ом·см, толщиной 1.75 мкм).

Через маску фоторезиста ионным легированием бора с дозой 10 мккул/см² формируют области боковой изоляции р-типа проводимости, затем создают маску нитрида кремния методом пиролитического осаждения и литографии и термическим окислением образуют первый слой диэлектрика толщиной 0,6 мкм вокруг областей базы и контакта к коллектору. Ионным легированием фосфора с дозой 60 мккул/см² и последующим термическим отжигом в слабо окислительной среде при температуре 1100°С в течение 60 мин создают область глубокого коллектора.

Через маску фоторезиста ионным легированием имплантируют бор с дозой 5 мккул/см² для формирования областей базы. В области транзистора термическим окислением создают слой тонкого окисла кремния толщиной затем методом разложения моносилана осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,25 мкм при температуре 640°С, имплантируют его мышьяком с дозой 1500 мккул/см², а пиролитическим методом при 750°С осаждают слой диэлектрика толщиной 0.3 мкм. Методом реактивно-ионного (РИТ) травления формируют из диэлектрика и поликристаллического кремния эмиттерный электрод транзистора до тонкого слоя окисла кремния, удаляют тонкий окисел кремния в водном растворе HP (1:4) до кремния и одновременно вытравливают тонкий окисел под первым слоем поликристаллического кремния в сторону на 0.15 мкм.

Осаждают дополнительный третий слой поликристаллического кремния толщиной отжигом в слабо окислительной среде в течение 60 мин, окисляют его в парах воды при температуре 850°С до кремния, а затем удаляют методом реактивно-ионного травления окисел с горизонтальных участков. Термическим отжигом при 950°С в течение 30 мин формируют в кремнии области эмиттера транзистора диффузией примесей из поликристаллического кремния, легированного мышьяком. Осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0.3 мкм. Легируют его бором с дозой 600 мккулон/см² и отжигают при 850°С в течение 30 мин, формируя при этом диффузией примесей области пассивной базы, формируют поликремниевый базовый электрод транзистора. При 750°С осаждают слой пиролитического окисла 0.5 мкм для пассивации структуры. Методами литографии и реактивного ионного травления формируют контактные окна в пассивирующем диэлектрике к базовому и эмиттерному электродам и к области контакта к коллектору.

Далее формируют металлические электроды в контактных окнах осаждением пленки алюминия с примесью кремния толщиной 0.6 мкм с использованием процессов литографии и травления.

Пример, описанный выше, является частным случаем, в котором используется предлагаемый способ. Предлагаемый способ может использоваться для создания PNP биполярного транзистора и других применений, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература

1. Патент РФ 2106719.

2.. Патент США 5.175.607.