СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИКМОП СТРУКТУРЫ Российский патент 1999 года по МПК H01L21/8248 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно БиКМОП ИС, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы. Изобретение относится к способу изготовления этих приборов, а именно к технологии изготовления полевых транзисторов и вертикальных NPN биполярных транзисторов на общей подложке.

В настоящее время известны многочисленные способы изготовления биполярных и полевых транзисторов на общей подложке, например [1].

При изготовлении [1] в эпитаксиальном слое, сформированном на подложке со скрытыми слоями, создаются две изолированные области. В первой изолированной области расположен первый МОП транзистор и биполярный транзистор, во второй изолированной области расположен второй МОП транзистор. Недостатком данного способа изготовления БиКМОП ИС является большая площадь транзистора, когда в базовой области размещаются контакт к базе и область эмиттера, разделенные интервалами, учитывающими погрешности совмещения и исполнения отдельных слоев. Большие размеры транзисторов не позволяют достигнуть высокой степени интеграции и ограничивают быстродействие ИС, делают ИС критичной к поражению дефектами, что снижает процент выхода годных.

В последнее время появились технические решения, позволяющие существенно снизить размеры транзисторов благодаря использованию самосовмещенной технологии формирования биполярных транзисторов, согласующейся с технологией КМОП.

Наиболее близким к изобретению является техническое решение [2], включающее формирование скрытых слоев обоих типов проводимости в подложке кремния первого типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое областей карманов обоих типов проводимости для полевых транзисторов с n- и p-каналами, создание областей глубокого коллектора второго типа проводимости до контакта со скрытым слоем того же типа проводимости на участке эпитаксиального слоя, предназначенного для биполярного транзистора, изготовление охранных областей под формируемым затем полевым окислом между карманами разного типа проводимости, формирование подзатворного окисла и первого слоя поликремния, формирование базовых областей первого типа проводимости, удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора, осаждение второго слоя поликремния, легирование слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера примесью второго типа проводимости, формирование затворов и эмиттерного электрода из поликремния, окисление поликремния затворов и электрода эмиттера, первое легирование областей стоков и истоков вначале n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости, затем p- канального полевого транзистора, базовой и эмиттерной областей биполярного транзистора примесью первого типа проводимости, формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, второе легирование областей стоков и истоков вначале n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости, затем p-канального второго полевого транзистора и базовой и эмиттерной областей биполярного транзистора примесью первого типа проводимости, заключительный отжиг структуры.

На фиг. 1.1. показано поперечное сечение структуры, включающей эпитаксиальный слой 4 на подложке 1 со скрытыми слоями 2 и 3 после формирования в эпитаксиальном слое областей карманов первого 5 и второго 6 типа проводимости для полевых транзисторов, изготовление высоколегированной области коллектора 7 до контакта со скрытым слоем, изготовление охранных областей 8 под полевым окислом 9 между карманами разного типа проводимости, формирование подзатворного окисла 10 и первого слоя поликремния 11, формирование базовых областей 12, удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах 13, предназначенных для формирования эмиттера.

На фиг. 1.2. показано поперечное сечение структуры после осаждения второго слоя поликремния, легирования слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера примесью второго типа проводимости, формирования затворов 14 и 15 и эмиттерного электрода 16 из поликремния, окисления 17 поликремния затворов и электрода эмиттера, первого легирования областей стоков и истоков поочередно n-канального транзистора примесью второго типа проводимости 18 и p-канального транзистора 19, базовой области 20 и эмиттера 16 биполярного транзистора примесью первого типа проводимости.

На фиг. 1.3. показано поперечное сечение структуры после формирования изолирующего слоя 22 на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, второго легирования областей стоков и истоков поочередно n-канального транзистора примесью второго типа проводимости 23 и областей стоков и истоков p-канального полевого 24, базовой области 25 и эмиттера 26 биполярного транзистора примесью первого типа проводимости и заключительного отжига структуры.

Недостатком данного способа изготовления БиКМОП структуры, предусматривающей (в интересах сокращения маршрута) отказ от операций маскирования эмиттера в процессе легирования базовых областей и, как результат, приводящее к "нештатному" легированию эмиттера примесью базы (в расчете на неполную перекомпенсацию основной примеси в эмиттере базовой примесью), является некорректно выбранная последовательность проведения отжигов имплантированных примесей в эмиттере и базе биполярного транзистора.

В способе, заявленном в прототипе, использованы последовательно два типа отжигов структуры транзисторов:
отжиг при 900^oC 30 мин в кислороде (при "окислении поликремниевых затворов и электрода эмиттера"), быстрый термический отжиг при 1030^oC 20 с ("завершающий отжиг").

При этом до первого отжига выполняются процессы "легирования базовой области биполярного транзистора" и "легирование затворов и электрода эмиттера из поликремния" и первый отжиг воздействует на распределение примесей только в указанных областях.

Далее проводятся последовательно первое и второе легирования областей стоков и истоков полевых транзисторов и базы и электрода эмиттера биполярного транзистора (при этом области базы и электрода эмиттера легируются базовой примесью) и завершающий отжиг (при высокой температуре), окончательно перераспределяющий примеси в структуре и формирующий параметры транзисторов.

Существенным недостатком выбранной последовательности двух отжигов является то, что температура второго отжига выше первого (900^oC первый отжиг и 1030^oC второй), и в процессе второго отжига происходит перераспределение базовой примеси в эмиттере, приводящее к значительной компенсации основной примеси в области эмиттера, что снижает эффективность эмиттера и усиление транзистора.

Кроме того, глубины залегания областей стоков и истоков (формируемые при заключительном отжиге) будут отличаться из-за различных коэффициентов диффузии примесей и длины пробега при имплантации в одном и другом полевых транзисторах, создавая "перекос" параметров комплементарных полевых транзисторов. Оба обстоятельство существенно снижают качество БиКМОП ИС, изготавливаемых по способу-прототипу.

Кроме того, не в полной мере в прототипе реализуются возможности, связанные с введением локального коллектора под эмиттером для утонения активной области базы и, соответственно, уменьшения времени пролета базы, не позволяющего базе расползаться вглубь коллектора, определяющего граничную частоту транзистора (Ft), так как совмещены два процесса:
создание локального коллектора под эмиттером, требующего минимального времени и температуры отжига,
создание глубокого коллектора до скрытого слоя, где важно "продвинуть" примесь вглубь коллектора, естественно, за счет увеличенного времени и температуры отжига.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося, во-первых, в повышении качества БиКМОП структуры - сохранении высокой эффективности и усилении транзистора в "сокращенном" маршруте, предусматривающем экономию операций маскирования, за счет корректно выбранной последовательности проведения отжигов имплантированных примесей в структуре БиКМОП и, во-вторых, создание возможности независимого формирования параметров глубокого коллектора и области локального коллектора под эмиттером биполярного транзистора.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления БиКМОП структуры, включающем формирование скрытых слоев обоих типов проводимости в подложке кремния первого типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое областей карманов обоих типов проводимости для полевых транзисторов с n- и p-каналами, создание глубокого коллектора второго типа проводимости до контакта со скрытым слоем того же типа проводимости на участке эпитаксиального слоя, предназначенного для биполярного транзистора, изготовление охранных областей под формируемым затем полевым окислом между карманами разного типа проводимости, формирование подзатворного окисла и первого слоя поликремния, формирование базовых областей первого типа проводимости, удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора, осаждение второго слоя поликремния, легирование слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера примесью второго типа проводимости, формирование затворов и эмиттерного электрода из поликремния, окисление поликремния затворов и электрода эмиттера, первое легирование областей стоков и истоков поочередно обоих типов полевых транзисторов примесями разного типа проводимости, формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, второе легирование областей стоков и истоков p-канального полевого транзистора, пассивной базы и эмиттера биполярного транзистора примесью первого типа проводимости, затем областей стоков и истоков n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости, заключительный отжиг структуры, формирование эмиттерного электрода из поликремния производят с перекрытием окна под эмиттер в первом слоем поликремния и подзатворном диэлектрике на величину погрешности при литографии, вначале проводят второе легирование областей стока и истока n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации, выполняют первый отжиг структуры при высокой температуре, затем проводят второе легирование областей стоков и истоков p-канального полевого транзистора, пассивной базы и эмиттера биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации и проводят второй отжиг при температуре ниже температуры первого отжига.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что формирование эмиттерного электрода из поликремния производят с перекрытием окна под эмиттер в первом слое поликремния и подзатворном диэлектрике на величину погрешности при литографии, вначале проводят второе легирование областей стока и истока n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации, выполняют первый отжиг структуры при высокой температуре, затем проводят второе легирование областей стоков и истоков p-канального полевого транзистора, пассивной базы и эмиттера биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации и проводят второй отжиг при температуре ниже температуры первого отжига.

И кроме того, после удаления первого слоя поликремния в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора, проводят высокоэнергетическую имплантацию примесью второго типа проводимости.

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

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

Указанное выполнение предлагаемого способа приводит к тому, что после первого "высокотемпературного" отжига формируется активная структура биполярного транзистора - ширина и концентрация примеси активной базы и глубина залегания эмиттера, которые уже не меняются после заключительного "низкотемпературного" отжига, и области стоков и истоков полевого транзистора, "требующего" высокотемпературной обработки.

После заключительно "низкотемпературного" отжига формируются стоки и истоки второго полевого транзистора и пассивная область базы биполярного транзистора, легируемые "быстрой" примесью, с большей длиной пробега при имплантации, а также происходит "вынужденное" легирование "открытого" электрода эмиттера и самого эмиттера примесью одного типа с базой (последнее из-за сниженной температуры второго отжига не приводит к деградации параметров эмиттера).

Снижение температуры заключительного отжига для всех областей оказывает благоприятное влияние:
уменьшает глубину залегания областей стоков и истоков и пассивной базы, легированных примесью с большей величиной пробега при имплантации, что положительно отражается на комплементарности полевых транзисторов и на быстродействии биполярных транзисторов,
и главное приводит к меньшей компенсации основной примеси в эмиттере базовой примесью в результате снижения температуры, не снижая эффективность эмиттера.

А проведение высокоэнергетической имплантации после удаления первого слоя поликремния в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора, позволяет оптимально снизить время и температуру последующего отжига локального коллектора под эмиттером.

Такая совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки способа изготовления БиКМОП структуры и обеспечивает повышение качества и быстродействия ИС.

На фиг.2.1. показано поперечное сечение структуры, включающей эпитаксиальный слой 4 на подложке 1 со скрытыми слоями 2 и 3, после формирования в эпитаксиальном слое областей карманов первого 5 и второго 6 типа проводимости для полевых транзисторов, изготовление охранных областей 7 под полевым окислом 8 между карманами разного типа проводимости, изготовление высоколегированной области коллектора 9 до контакта со скрытым слоем, формирование подзатворного окисла 10 и первого слоя поликремния 11, формирование базовых областей 12, удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах 13, предназначенных для формирования эмиттера.

На фиг.2.2. показано поперечное сечение структуры после осаждения второго слоя поликремния, легирования слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера примесью второго типа проводимости, формирования затворов 14 и 15 и эмиттерного электрода 16 из поликремния, низкотемпературного окисления 17 поликремния затворов и электрода эмиттера и первого легирования областей стоков и истоков p-канального 19 и n-канального 18 полевых транзисторов.

На фиг. 2.3. показано поперечное сечение структуры после формирования изолирующего слоя на боковых стенках 22 затворов и эмиттерного электрода, второго легирования областей стоков и истоков n-канальных полевых транзисторов примесью второго типа проводимости 23 и первый отжиг при высокой температуре.

На фиг. 2.4. показано поперечное сечение структуры после второго легирования областей стоков и истоков p-канальных полевых транзисторов примесью первого типа проводимости 24, пассивной базы 25 и эмиттера 26 биполярного транзистора и второго отжига при температуре ниже температуры первого отжига.

Пример. В монокристаллической подложке p-типа проводимости (10Ом•см) формируют первый скрытый слой диффузией сурьмы из твердого источника Sb₂O₅ в атмосфере азота при 1200^oC (с поверхностным сопротивлением 35 Ом/кв), формируют p+ скрытый слой с поверхностными сопротивлением 200 Ом/кв имплантацией бора с дозой 40 мккул/см² c последующей разгонкой при температуре 1100^oC.

Наращивают эпитаксиальный слой n-типа проводимости толщиной 1,75 мкм с сопротивлением 0,7 Ом•см, создают в эпитаксиальном слое карманы p-типа (имплантацией бора с дозой 1 мккул/см² и n-типа (имплантацией фосфора с дозой 1 мккул/см²), с последующей разгонкой при температуре 1050^oC в течение 70 мин в азоте в местах размещения n-канальных и p-канальных полевых транзисторов, формируют глубокий коллектор имплантацией фосфора с дозой 150 мккул/см² и отжигают в азоте при температуре 1050^oC, формируют слои нитрида кремния и окисла кремния, вскрывают в них окна, создают в карманах охранные области p+ типа проводимости имплантацией бора дозой 20 мккул/см² формируют полевой диэлектрик 0,4 мкм окислением при температуре 1000^oC в парах воды, создают подзатворный окисел толщиной 200 термическим окислением при 850^oC, осаждают первый слой поликремния толщиной 800 в процессе пиролиза моносилана при температуре 640^oC, формируют базовые области p типа проводимости имплантацией бора с дозой 6 мккул/см² через слои поликремния и окисла, удаляют первый слой поликремния ПХТ травлением с мест расположения эмиттера биполярных транзисторов, удаляют фоторезист, а затем подзатворный окисел в растворе плавиковой кислоты (1:50) под защитой поликремния, осаждают второй слой поликремния толщиной 0,25 мкм при температуре 640^oC разложением моносилана, легируют во втором слое поликремния места расположения затворов и электрода эмиттера примесью мышьяка с дозой 600 мккул/см², травят через маску фоторезиста поликремниевые затворы и поликремниевые контакты к эмиттерам, окисляют поликремний с затворов и электрода эмиттера при 850^oC, легируют области стока и истока n-канального полевого транзистора через маску фоторезиста фосфором с дозой 3 мккул/см² а p-канального с такой же дозой бором, формируют диэлектрик на боковых стенках затворов и электродов эмиттера осаждением слоя нитрида кремния толщиной 0,2 мкм с последующим его удалением с горизонтальных участков RIT травлением, легируют области истока и стока n-канального полевого транзистора и коллектора биполярного транзистора имплантацией через маску фоторезиста примесью мышьяка с дозой 800 мккул/см², отжигают структуру при температуре 900^oC 30 мин, контролируют параметры биполярного транзистора и при необходимости увеличивают время отжига, под защитой фоторезиста легируют области истока и стока p-канального полевого транзистора, области базы и эмиттера биполярного транзистора примесью бора с дозой 600 мккул/см², после чего отжигают структуру при температуре 850^oC в течение 30 мин.

Литература
1. ЕР N 0325342 A2, H 01 L 21/82, H 01 L 21/285.

2. US Patent N 5455189, Int. CL H 01 L 21/265.

Использование: микроэлектроника, технология БиКМОП ИС, в которой на одном кристалле формируются n-канальные и р-канальные полевые и npn биполярные транзисторы. Предлагаемый способ изготовления БиКМОП структуры обеспечивает получение высоких параметров npn биполярного и полевых транзисторов и одновременно существенно сокращает маршрут изготовления структуры. Сущность изобретения: в способе изготовления БиКМОП-структуры формирование эмиттерного электрода из второго слоя поликремния производят с перекрытием окна под эмиттер в первом слое поликремния и подзатворном диэлектрике на величину погрешности при литографии. Легирование областей стока и истока n-канального полевого транзистора выполняют примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации, проводят первый отжиг при высокой температуре, а легирование областей стоков и истоков р- канального полевого транзистора, пассивной базы и эмиттера биполярного транзистора - примесью первого типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации и выполняют второй отжиг при температуре ниже первой. Техническим результатом изобретения является повышение качества структуры - сохранение высокой эффективности и усиление транзистора в сокращенном маршруте, предусматривающем экономию операций маскирования при определенной последовательности проведения отжигов имплантированных примесей. Кроме того, создание возможности независимого формирования параметров глубокого коллектора и области локального коллектора под эмиттером биполярного транзистора. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ изготовления БиКМОП структуры, включающий формирование скрытых слоев обоих типов проводимости в подложке кремния первого типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое областей карманов обоих типов проводимости для полевых транзисторов с n- и p-каналами, создание глубокого коллектора второго типа проводимости до контакта со скрытым слоем того же типа проводимости на участке эпитаксиального слоя, предназначенного для биполярного транзистора, изготовление охранных областей под формируемым затем полевым окислом между карманами разного типа проводимости, формирование подзатворного окисла и первого слоя поликремния, формирование базовой области первого типа проводимости, удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора, осаждение второго слоя поликремния, легирование слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера примесью второго типа проводимости, формирование затворов и эмиттерного электрода из поликремния, окисление поликремния затворов и электрода эмиттера, первое легирование областей стоков и истоков поочередно обоих типов полевых транзисторов примесями разного типа проводимости, формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, второе легирование областей стоков и истоков p-канального полевого транзистора и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости, затем областей стоков и истоков n-канального полевого транзистора и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости, заключительный отжиг структуры, отличающийся тем, что формирование эмиттерного электрода из второго слоя поликремния производят с перекрытием окна под эмиттер в первом слое поликремния и подзатворном диэлектрике на величину погрешности при литографии, вначале проводят второе легирование областей стока и истока n-канального полевого транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации, выполняют первый отжиг структуры при высокой температуре, затем проводят второе легирование областей стоков и истоков p-канального полевого транзистора, пассивной базы и эмиттера биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации и проводят второй отжиг при температуре ниже температуры первого отжига. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют в качестве примеси второго типа проводимости при первом легировании фосфор, а при втором легировании и легировании слоя поликремния в местах размещения затворов и электрода эмиттера мышьяк. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление первого слоя поликремния производят методом плазмохимического травления, а подзатворного окисла в жидком травителе, на основе плавиковой кислоты, под защитой слоя поликремния.