САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО. ЛТД. (416 Маэтан-3Донг, Йонтон-Гу Сувон Сити, Кьюнгки-Д, 442-742 Gyeonggi-Do, KR)
формула изобретения
1. способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем, включающий формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости в местах последующего расположения скрытых слоев транзисторов скрытого слоя второго типа проводимости с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, создание скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование областей изоляции между областями коллекторов транзисторов, создание на поверхности первого слоя диэлектрика с окнами для последующего формирования областей карманов первого и второго типов проводимости комплементарных транзисторов, областей контактов к коллекторам транзисторов и базовых областей транзисторов, формирование через маску фоторезиста базовой области второго транзистора, формирование на кремнии в окнах первого диэлектрика тонкого слоя окисла кремния, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью первого типа проводимости, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления до тонкого слоя окисла кремния электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, удаление тонкого слоя окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливание его частично на расчетную величину под первым слоем поликристаллического кремния, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, путем осаждения второго слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния с последующим удалением полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование методами литографии и плазмохимического травления электродов из третьего слоя поликристаллического кремния, создание в процессе термического отжига мелкозалегающих областей эмиттера, пассивной базы и контакта к коллектору диффузией примеси из первого и второго слоев поликристаллического кремния, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем к электродам эмиттера, базы и коллектора и формирование металлизации, о т л и ч а ю щ и й с я т е м , что наряду с формированием методом легирования через маску фоторезиста базовой области второго транзистора примесью второго типа проводимости, формируют базовую область первого транзистора примесью первого типа проводимости, проводят легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода и коллекторного электрода второго транзистора, а также примесью второго типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода и коллекторного электрода первого транзистора, используют электроды из первого слоя поликристаллического кремния, защищенные вторым слоем диэлектрика, в качестве электродов к эмиттерным областям и областям контактов к коллектору первого и второго транзистора, легируют третий слой поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости в области второго транзистора, а также примесью первого типа проводимости в области первого транзистора, и затем формируют из него методами литографии и плазмохимического травления базовые электроды первого и второго транзисторов.
2. способ по п.l, отличающийся тем, что толщина тонкого слоя окисла кремния составляет от 100 а до 1000 а, а толщина третьего слоя поликристаллического кремния составляет, по крайней мере, больше половины толщины тонкого слоя окисла кремния.
3. способ по п. L, отличающийся тем, что расчетная величина частичного вскрытия тонкого слоя окисла кремния под электродом эмиттера из первого слоя поликристаллического кремния составляет от 100 а до 5000 а.
4. способ по п.l, отличающийся тем, что в качестве примеси первого типа проводимости используют элементы третьей группы таблицы менделеева, а в качестве примеси второго типа проводимости используют элементы пятой группы таблицы менделеева.
5. способ по п.l и п.4, отличающийся тем, что в качестве легирующей примеси второго типа проводимости при легировании первого слоя поликристаллического кремния используют мышьяк, а в качестве легирующей примеси первого типа проводимости при легировании второго слоя поликристаллического кремния используют бор. |
способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем
изобретение относится к микроэлектронике, а именно, к области создания интегральных схем (ис) с использованием комплементарных биполярных транзисторов NPN и PNP с носителями разного типа проводимости.
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. а сочетание двух типов биполярных транзисторов NPN и
PNP типа с носителями разного типа проводимости в составе одной ис открывает широкие возможности разработчикам ис, особенно при создании аналоговых и цифроаналоговых ис. по настоящее время большая часть аналоговых ис в мире выпускается с использованием биполярных транзисторов.
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 [1] .
наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем [2], включающий формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости в местах последующего расположения скрытых слоев в областях транзисторов скрытого слоя второго типа проводимости с
концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, создание скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование областей изоляции между областями транзисторов, создание на поверхности первого слоя диэлектрика с окнами для последующего формирования областей карманов первого и второго типов проводимости комплементарных транзисторов, областей контактов к коллекторам транзисторов и базовых областей транзисторов, легирование через маску фоторезиста кармана второго транзистора примесью активной базы, формирование на кремнии в окнах первого диэлектрика тонкого слоя окисла кремния, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью первого типа проводимости, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления до тонкого слоя окисла кремния электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, используемых в качестве базового электрода первого транзистора и электродов эмиттера и коллектора второго транзистора, удаление тонкого слоя окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливание его частично на расчетную величину под первым слоем поликристаллического кремния, легирование через маску фоторезиста кармана первого транзистора примесью активной базы, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, путем осаждения второго слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния с последующим удалением
полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование методами литографии и плазмохимического травления из третьего слоя поликристаллического кремния эмиттерного и коллекторного электродов первого транзистора и базового электрода второго транзистора, создание в процессе термического отжига мелкозалегающих слоев эмиттера, активной и пассивной базы и контакта к коллектору диффузией примеси из первого и второго слове поликристаллического кремния, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем к электродам эмиттера, базы и коллектора и формирование металлизации.
на фиг. 1.1.-1.5. представлены основные этапы изготовления комплементарных биполярных транзисторов по способу, представленному в [2].
на фиг. 1.1. представлен разрез структуры после формирования на кремниевой подложке первого типа проводимости 1 скрытого слоя второго типа проводимости 2, незначительно превышающий концентрацию в подложке в областях транзисторов, а затем создания скрытых слоев первого 3 и второго 4 типов проводимости, осаждения эпитаксиального слоя второго типа проводимости 5, формирования боковой изоляции между областями транзисторов 6, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 7 с окнами 8 под расположение областей карманов 10 и 11 и окнами 9 под расположение областей контакта к коллекторам 12 и 13 соответственного первого и второго типов проводимости над скрытыми слоями одноименного типа проводимости, области базы второго типа проводимости 14 в кармане
первого типа проводимости и формирования на поверхности карманов в окнах диэлектрика тонкого слоя окисла кремния 15.
на фиг. 1.2. представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 16, легирования поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости, создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 17, формирования методами литографии и плазмохимического травления электрода из первого слоя поликристаллического кремния 16 и над ним второго слоя диэлектрика 17 до тонкого окисла кремния на поверхности с образованием электродов базы 18 , эмиттера 19 и коллектора 20.
на фиг.1.3. представлен разрез структуры после жидкостного травления тонкого окисла до кремния 21 и одновременно бокового травления тонкого окисла под слой поликристаллического кремния на заданную величину 22.
на фиг. 1.4. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния 23 покрывающего электроды 18,19, 20 и вытравленные участки тонкого окисла под первым слоем поликристаллического кремния. на фиг. 1.5. представлен разрез структуры после окисления второго слоя поликристаллического кремния до кремния с образованием окисла кремния 24, с сохранением поликристаллического кремния в вытравленных участках 25 под первым слоем поликристаллического кремния, с последующим удалением окисла плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры и сохранением на вертикальных участка.
на фиг. 1.6. представлен разрез структуры после удаления окисла плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры и
сохранением его на вертикальных участках 26, осаждения третьего слоя поликристаллического кремния, легированного примесью второго типа проводимости, формирование методами литографии и плазмохимического травления эмиттерного 27 и базового 28 электродов транзисторов из третьего поликристаллического кремния.
на фиг. 1.7. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя диэлектрика 22, формирования контактных окон в нем 23 и металлической разводки 24.
структура, используемая в прототипе [2], решает проблему самосовмещаемости электродов базы и эмиттера транзистора, и обеспечивает возможность получения субмикронных размеров областей эмиттеров.
однако способ обладает существенным недостатком, не обеспечивая возможности получения равных по ширине субмикронных размеров областей эмиттеров обоих латеральных транзисторов.
в [2] размер ширины области эмиттера первого транзистора определяется размером окна в первом слое поликристаллического кремния, что практически соответствует минимальному размеру на литографии и не может быть выполнен меньшим, при этом размер области эмиттера второго транзистора может быть существенно меньшим размера на литографии.
это приводит к получению разных параметров транзисторов, особенно по быстродействию, и ограничивает возможность повышения быстродействия обоих латеральных транзисторов. задачей изобретения является повышение быстродействия интегральных схем за счет использования комплементарных транзисторов, у которых минимальный размер эмиттерных областей, определяющий быстродействие, может быть получен меньше
минимального размера на литографии, в результате того, что реальный размер эмиттерных областей обоих типов транзисторов задается величиной травления тонкого слоя окисла кремния под электродом эмиттера на сколь угодно малую расчетную величину субмикронного или ультра субмикронного размера, в дальнейшем заполняемую поликристаллическим кремнием.
для достижения названного технического результата в способе изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем [2], включающем формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости в местах последующего расположения скрытых слоев транзисторов скрытого слоя второго типа проводимости с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, создание скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование областей изоляции между областями коллекторов транзисторов, создание на поверхности первого слоя диэлектрика с окнами для последующего формирования областей карманов первого и второго типов проводимости комплементарных транзисторов, областей контактов к коллекторам транзисторов и базовых областей транзисторов, формирование через маску фоторезиста базовой области второго транзистора, формирование на кремнии в окнах первого диэлектрика тонкого слоя окисла кремния, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью первого типа проводимости, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления до тонкого слоя окисла кремния электродов из первого слоя поликристаллического кремния,
защищенного вторым слоем диэлектрика, удаление тонкого слоя окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливание его частично на расчетную величину под первым слоем поликристаллического кремния, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, путем осаждения второго слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния с последующим удалением полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование методами литографии и плазмохимического травления электродов из третьего слоя поликристаллического кремния, создание в процессе термического отжига мелкозалегающих областей эмиттера, пассивной базы и контакта к коллектору диффузией примеси из первого и второго слоев поликристаллического кремния, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем к электродам эмиттера, базы и коллектора и формирование металлизации, предложены следующие операции, являющиеся отличительными признаками предлагаемого способа:
• наряду с формированием методом легирования через маску фоторезиста базовой области второго транзистора примесью второго типа проводимости, формируют базовую область первого транзистора примесью первого типа проводимости,
• проводят легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода и коллекторного электрода второго
транзистора, а также примесью второго типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода и коллекторного электрода первого транзистора,
• используют электроды из первого слоя поликристаллического кремния, защищенные вторым слоем диэлектрика, в качестве электродов к эмиттерным областям и областям контактов к коллектору первого и второго транзистора,
• легируют третий слой поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости в области второго транзистора, а также примесью первого типа проводимости в области первого транзистора,
• и затем формируют из него методами литографии и плазмохимического травления базовые электроды первого и второго транзисторов. таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что
• наряду с формированием методом легирования через маску фоторезиста базовой области второго транзистора примесью второго типа проводимости, формируют базовую область первого транзистора примесью первого типа проводимости,
• проводят легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода второго транзистора, а также примесью второго типа проводимости в местах расположения эмиттерного электрода первого транзистора,
• используют электроды из первого слоя поликристаллического кремния, защищенные вторым слоем
диэлектрика, в качестве электродов к эмиттерным областям первого и второго транзистора,
• легируют третий слой поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости в области второго транзистора, а также примесью первого типа проводимости в области первого транзистора,
• и затем формируют из него методами литографии и плазмохимического травления базовые электроды первого и второго транзисторов. 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 областей эмиттеров первого и второго транзисторов определяется величиной торцевого травления тонкого слоя окисла кремния на сколь угодно малую величину, что позволяет формировать комплементарные транзисторы с размером области эмиттера в области ультра субмикронных размеров, меньших минимального размера на литографии.
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 первого типа проводимости 1 скрытого слоя второго типа проводимости 2, незначительно превышающий
концентрацию в подложке в местах расположения транзисторов, а затем создания скрытых слоев первого 3 и второго 4 типов проводимости, осаждения эпитаксиального слоя второго типа проводимости 5, формирования боковой изоляции между областями транзисторов 6, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 7 с окнами 8 под расположение областей карманов 10 и 11 и областей контакта к коллекторам 12 и 13 соответственного первого и второго типов проводимости над скрытыми слоями одноименного типа проводимости, области базы второго типа проводимости 14 в кармане первого типа проводимости и области базы первого типа проводимости 32 в кармане первого типа проводимости формирования на поверхности карманов в окнах диэлектрика тонкого слоя окисла кремния 15.
на фиг.2.2. представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 16, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости в местах расположения эмиттерного и коллекторного электрода в кармане первого типа проводимости (транзистор слева на фигуре), а также примесью второго типа проводимости в местах расположения эмиттерного и коллекторного электрода в кармане второго типа проводимости (транзистор справа), создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 17, формирования методами литографии и плазмохимического травления электродов эмиттеров 33 и контактов к коллекторам 34 из первого слоя поликристаллического кремния до тонкого слоя окисла кремния. на фиг.2.3. представлен разрез структуры после травления тонкого слоя окисла кремния до кремния 21 и одновременно бокового (торцевого) травления тонкого слоя окисла кремния под слоем поликристаллического кремния на заданную величину 22.
на фиг.2.4. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, заполняющего подтравленный участок тонкого слоя окисла кремния под электродами эмиттеров 33 и электродами к контактам к коллектору 34. на фиг.2.5. представлен разрез структуры после окисления второго слоя поликристаллического кремния до кремния с образованием окисла кремния 24, с сохранением поликристаллического кремния в вытравленных участках 25 под первым слоем поликристаллического кремния, с последующим удалением окисла плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры и сохранением на вертикальных участках.
на фиг.2.6. представлен разрез структуры после удаления окисла плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры и сохранением его на вертикальных участках 26, осаждения третьего слоя поликристаллического кремния, легированного примесью первого типа проводимости (транзистор справа) и второго типа проводимости (транзистор слева), формирование методами литографии и плазмохимического травления базовых 28 электродов транзисторов из третьего поликристаллического кремния. на фиг.2.7. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя диэлектрика 29, формирования контактных окон в нем 30 и создания металлической разводки 31.
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 второго слоя поликристаллического кремния заполняет подтравленный зазор под первым слоем
поликристаллического кремния, что и осуществляет в последующем контакт первого слоя поликристаллического кремния с кремнием. важно, чтобы зазор полностью был заполнен поликристаллическим кремнием, для чего толщина слоя поликристаллического кремния должна превышать половину толщины тонкого слоя окисла кремния.
при термическом отжиге вначале происходит легирование участков второго слоя поликристаллического кремния из легированного первого слоя поликристаллического кремния, а затем примесь диффундирует в кремний, образуя области эмиттера под эмиттерным электродом и области подлегирования контактов к коллектору под коллекторным электродом.
для обеспечения качественного контакта к коллектору необходимо, чтобы электрод контакта к коллектору располагался над кремнием. пример :B монокристаллической пластине кдб 12(100)
(концентрация ~ юl5 атомов в смз ) через маску фоторезиста ионной имплантацией фосфора с дозой Iмккyл/cм2 формируют вначале области скрытого слоя п-типа, отжигают его ( максимальная концентрация ~ ю 16 атомов в смз), а затем создают скрытый слой п- типа диффузией сурьмы с сопротивлением 40 Oм/cм2 (максимальная концентрация ~ юl 9 атомов в смз) и скрытый слой р - типа имплантацией бора сопротивлением 100 oм/cм2 (максимальная концентрация ~ i O 19 атомов в смз), совмещая их с ранее сформированным слоем п- типа проводимости в областях транзистор и скрытого слоя р- типа под областью изоляции.
методом хлоридной эпитаксии наращивают эпитаксиальный слой п -типа проводимости (омностью 0.7 ом. см, толщиной 1.75 мкм).
через маски фоторезиста имплантацией бора с дозой 10 мккyл/cм2 формируют области боковой изоляции р-типа проводимости, затем создают маски 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, имплантацией бора с дозой 1,5 мккyл/cм2 и фосфора с дозой 1,5 мккул /cм2 создают карманы п - и р - типа, ионным легированием фосфора с дозой 60 мккyл/cм2 и бора с дозой 50 мккyл/cм2 и последующего термического отжига в слабо окислительной среде при температуре HOO 0 C в течении 60 мин создают области глубокого коллектора п- и р- типа..
через маски фоторезиста ионным легированием имплантируют бор и фосфор с дозами 5 мккyл/cм2 для формирования областей базы р- и п - типа. термическим окислением создают слой тонкого окисла кремния толщиной 500 а , затем методом разложения моносилана осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,25 мкм при температуре 640° с , через маски имплантируют его мышьяком с дозой 1500 мккyл/cм2 и бором с дозой 600 мккyл/кв2., а пиролитическим методом при 75O 0 C осаждают слой диэлектрика толщиной 0.3 мкм. методом реактивно-ионного (рит) травления формируют из диэлектрика и поликристаллического кремния эмиттерные электроды 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 второй слой поликристаллического кремния толщиной 300 а, отжигом в парах воды при температуре 850 0 C окисляют его до кремния, а затем удаляют методом реактивно-ионного травления окисел
с горизонтальных участков. термическим отжигом при 95O 0 C в течении
30 мин в азоте формируют в кремнии области эмиттера и подлегироание контактов к коллекторам транзисторов диффузией примесей из поликристаллического кремния, легированного соответственно мышьяком. осаждают третий слой поликристаллического кремния толщиной 0.3 мкм. легируют его через маски фоторезиста бором с дозой 600 мккyлoн/cм2 и фосфором с дозой 600 мккyл/cм2 соответственно в п- р-п и р-п-р транзисторах и отжигают при 850 0 C в течении 30 мин., формируя при этом диффузией примесей области пассивной базы транзисторов. при 750 0 C 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. литература: 1. патент рф JNь2106719 2.. патент сша N<>5175607