СТРУКТУРА - КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ ДЛЯ СБИС (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H01L27/12 

Областью применения изобретения является производство СБИС, у которых на одном кристалле формируются как полевые, так и биполярные транзисторы (БиКМОП СБИС).

Наиболее прогрессивной структурой для СБИС является структура - кремний на изоляторе (SOI = Silicon on Insulator), когда тонкие кремниевые слои располагаются на слое диэлектрика, а боковая изоляция кремниевых областей, в которых располагаются элементы СБИС, осуществляется углублениями, заполненными веществом, например поликристаллическим кремнием. Такое исполнение структуры СБИС обеспечивает существенное увеличение степени интеграции и значительное повышение быстродействия ИС.

Вместе с тем большинство работ по совершенствованию структуры - кремний на изоляторе (SOI = Silicon on Insulator) ограничивается использованием в новых структурах только полевых транзисторов, в то время как использование одновременно полевых и биполярных транзисторов существенно расширяет функциональные возможности СБИС.

Известен полупроводниковый прибор со структурой - кремний на изоляторе [1] , содержащий полупроводниковую пластину, диэлектрический слой и монокристаллический слой над диэлектрическим слоем. В монокристаллическом слое в местах размещения биполярных транзисторов находятся имплантированные скрытые низкоомные слои, а над монокристаллическим слоем - эпитаксиальный слой. Области кремния в эпитаксиальном и монокристаллическом слоях, для размещения полевых и биполярных транзисторов, изолированы канавками, стенки которых покрыты диэлектриком, а сами канавки заполнены веществом (поликристаллическим кремнием).

Данная структура позволяет создавать ИС с полевыми и биполярными транзисторами. Однако используемый в структуре монокристаллический слой над изолирующим слоем создается из полукристаллического слоя, содержит высокий уровень дефектов, прорастающих затем в эпитаксиальный слой кремния, выращиваемый над дефектным монокристаллическим, что в дальнейшем снижает качество биполярных транзисторов. Это одна из причин, по которой в биполярной технологии не могут быть использованы структуры "кремний на сапфире", "кремний на шпинели", по методу SIMOX, применяемые в технологии изготовления полевых транзисторов. В первых двух упомянутых структурах несоответствие параметров подложки и эпитаксиального слоев кремния, а в методе Simox - процесса высокоэнергетической имплантации приводят к появлению дефектов, снижающих время жизни неосновных носителей в полупроводнике, что делает изготовление в нем биполярных структур, использующих как основные, так и неосновные носители заряда, невозможным. Для изготовления биполярных структур применяются либо пластины монокристаллического кремния, полученные методами Чохральского или зонной плавкой, либо эпитаксиальные слои кремния, выращенные на бездефектных подложках монокристаллического кремния.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является структура - кремний на изоляторе, реализованная в способе соединения полупроводниковых пластин с помощью слоя силицида металла [2], содержащая первый и второй кремниевые слои, первый диэлектрический и слой силицида металла между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области кремния в кремниевом слое, предназначенном для размещения элементов СБИС, над первым диэлектрическим слоем, полевые транзисторы в упомянутых изолированных областях кремния.

На фиг. 1 приведено поперечное сечение структуры, выполненной в соответствии с прототипом, содержащей первый 1 и второй 2 кремниевые слои, диэлектрический слой 3 и слой силицидов металлов 4 между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем 5 области в кремниевом слое 6, предназначенном для размещения элементов СБИС, полевые транзисторы 7 в изолированных областях кремния.

Однако структура, описанная в прототипе [2], имеет и существенные недостатки.

Первый принципиальный недостаток. В прототипе не предусмотрена возможность создания в структуре, наряду с полевыми транзисторами, биполярных транзисторов, что не позволяет создавать всю номенклатуру СБИС на биполярных транзисторах и полевых транзисторах, в частности БиКМОП СБИС.

Для создания биполярного транзистора необходимо использование скрытого низкоомного слоя в коллекторе транзистора.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в создании структуры - кремний на изоляторе для СБИС, включающей как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, имеющие скрытый низкоомный слой в области коллектора.

Для достижения названного технического результата в структуре - кремний на изоляторе для СБИС, содержащей первый и второй кремниевые слои, первый диэлектрический слой и слой силицидов металлов между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области в кремниевом слое, предназначенном для размещения в них элементов СБИС, полевые транзисторы в изолированных областях кремния, изолированные области кремния содержат слой силицидов металлов, а в изолированных областях кремния над слоем силицидов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя в области подложки полевого транзистора и в области коллектора биполярного транзистора используют вышеуказанный слой силицидов металлов.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что изолированные области кремния содержат слой силицидов металлов, а в изолированных областях кремния над слоем силицидов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя в области подложки полевого транзистора и в области коллектора биполярного транзистора используют вышеуказанный слой силицидов металлов.

На фиг. 2 приведен поперечный разрез предлагаемой структуры, содержащей первый 1 и второй 2 кремниевые слои, диэлектрический слой 3, изолированные области 6, второй диэлектрический слой 5, полевые 7 и биполярные 8 транзисторы в изолированных областях кремния и скрытый низкоомный слой из силицидов металлов 4 под ними.

К скрытому низкоомному слою в области коллектора традиционно предъявляются следующие требования:
1) малая величина поверхностного сопротивления слоя менее 20-50 Ом/см²,
2) высокие (близкие к величине предельной растворимости) концентрации примеси в скрытом слое, обеспечивающие малые сопротивления при минимальной толщине скрытого слоя,
3) омический контакт к области коллектора транзистора, несущественно меняющий величину сопротивления скрытого слоя,
4) планарность фронта слоя силицидов металлов, обеспечивающая возможность применения тонких кремниевых слоев.

При использовании в области коллектора транзистора слоя силицидов металлов существенно снижается величина сопротивления скрытого слоя до 2-10 Ом/см² и толщина скрытого слоя до 0,1 - 0,2 мкм, определяющих постоянную заряда в области коллектора транзистора (RC, где R определяется сопротивлением скрытого слоя, а емкость коллектора C - общей толщиной коллектора, включающей скрытый слой), что увеличивает быстродействие СБИС.

Требование по обеспечению омического контакта скрытого слоя к области коллектора транзистора реализуется в предлагаемой структуре за счет размещения локальной высоколегированной области на границе кремниевого слоя и слоя силицида металла. При этом концентрация примеси в локальной высоколегированной области на границе со слоем силицидов металлов должна быть выше концентрации примеси, обеспечивающей омический контакт. В соответствии с теорией [3] величина концентрации должна быть не ниже 10¹⁷ см^-3.

Размещение локальной высоколегированной области на границе со слоем силицидов металлов может быть осуществлено методами высокоэнергетической имплантации требуемого вида примеси.

Известна структура СБИС [4], в которой биполярные транзисторы содержат области эмиттера, базы, коллектора и контакты к ним и слой силицидов металлов, используемый в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, а также локальные высоколегированные области между областью базы и скрытым слоем.

В предлагаемой нами структуре упомянутые биполярные транзисторы содержат области эмиттера, базы, коллектора и контакты к ним и слой силицидов металлов, используемый в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, а также локальные высоколегированные области с типом проводимости коллектора между областью базы и слоем силицидов металлов и между контактом к области коллектора и слоем силицидов металлов, обеспечивающие омический контакт к слою силицидов металлов.

На фиг. 3 приведено поперечное сечение предлагаемой структуры, где биполярные транзисторы 8 содержат области эмиттера 9, базы 10, коллектора 11 и контакты к ним 12, 13, 14 и слой силицидов металлов, используемый в качестве скрытого низкоомного слоя 15 в области коллектора биполярного транзистора и к области подложки 16 полевого транзистора 7 и локальные высоколегированные области 17 и 18 между областью базы и слоем силицидов металлов и между контактом к области коллектора и слоем силицидов металлов соответственно.

При этом концентрация примеси в локальной высоколегированной области на границе со слоем силицидов металлов, используемой для обеспечения омического контакта, выше концентрации примеси, обеспечивающей омический контакт.

Локальные высоколегированные области в предлагаемой структуре обеспечивают, наряду с эффектом повышения быстродействия транзистора за счет утонения базовой области, также и подлегирование кремниевого слоя, непосредственно примыкающего к слою силицидов металлов. Это обеспечивает выполнения требований, сформулированных выше в п. 3).

В предлагаемой структуре скрытый низкоомный слой предусмотрен и в области подложки полевых транзисторов, что позволяет решить проблему защелкивания в структуре комплементарных полевых транзисторов.

Как известно, для исключения проблемы защелкивания в структурах полевых транзисторов используются эпитаксиальные слои над высоколегированной подложкой или эпитаксиальные структуры со скрытыми низкоомными слоями [5].

Наличие слоя силицидов металлов или металлидов позволяет решить названную проблему.

В предлагаемой структуре используют силициды металлов из группы, состоящей из платины, кобальта, никеля, вольфрама, титана, тантала и комбинации среди них. Представители данной группы характеризуются способностью образования тонких ≈0,1 мкм слоев с низкими сопротивлениями ≈1-10 Ом/см², температурами образования (сращивания), хорошо согласуемыми с температурным интервалом техпроцесса изготовления СБИС, а также способностью образовывать низкоомные омические контакты уже при концентрациях ≈10¹⁶ см^-3.

При создании СБИС с размером элементов субмикронного диапазона вплоть до 0,1 мкм принципиальным становится проблема получения в структуре планарного фронта силицид/кремний.

Поэтому является целесообразным и оправданным введение в один из вариантов предлагаемой структуры дополнительного слоя между кремниевым слоем, используемым для размещения элементов СБИС, и слоем силицидов металлов, со свойствами барьера для слоя силицидов металлов и кремния.

Это решает техническую задачу обеспечения планарной границы между кремниевым слоем и скрытым низкоомным слоем.

Для этого в структуре - кремний на изоляторе для СБИС, содержащей первый и второй кремниевые слои, диэлектрический слой и слой силицидов металлов между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области в кремниевом слое, предназначенном для размещения элементов СБИС, полевые транзисторы в изолированных областях кремния, между слоем силицидов металлов и кремниевым слоем, предназначенным для размещения элементов СБИС, располагают слой, материал которого выбирается из группы металлических соединений (металлидов), обладающий свойствами барьера для слоя силицидов металлов и кремния, а в изолированных областях кремния над слоем металлида и лежащим под ним слоем силицида металлов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя, имеющего омический контакт к подложке полевых транзисторов и к области коллектора биполярных транзисторов, используют вышеуказанные слои металлидов и силицидов металлов.

Таким образом, отличительными признаками второго варианта предлагаемого изобретения является то, что между слоем силицидов металлов и кремниевым слоем, предназначенным для размещения элементов СБИС, располагают слой, материал которого выбирается из группы металлических соединений (металлидов), обладающий свойствами барьера для слоя силицидов металлов и кремния, а в изолированных областях кремния над слоем металлида и лежащим под ним слоем силицида металлов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя, имеющего омический контакт к подложке полевых транзисторов и к области коллектора биполярных транзисторов, используют вышеуказанные слои металлидов и силицидов металлов.

На фиг. 4 приведено поперечное сечение предлагаемой структуры, где между слоем силицидов металлов 4 и изолированной областью 6 в кремниевом слое, предназначенным для размещения элементов СБИС, располагают слой металлидов 19.

Введение между кремниевым слоем и слоем силицидообразующего металла барьерного слоя обеспечивает повышение стабильности структуры, что достигается за счет предотвращения потребления кремния из кремниевого слоя и за счет повышения стабильности силицидной фазы, поскольку барьерный слой ограничивает количество кремния, расходуемого на формирование силицида, только слоем поликристаллического кремния.

Помимо этого, появляется возможность использования определенных силицидов путем выбора толщины слоев поликристаллического кремния и силицидообразующего металла. Достоинство этого заключается в возможности управлять механическими напряжениями, возникающими в системе в результате образования силицидов металлов.

Известно, что эффективными диффузионными барьерами являются тугоплавкие металлы, их соединения и сплавы [6].

С термодинамических позиций критерием выбора материала диффузионного барьера, если это химическое соединение металла, является более отрицательная теплота образования этого соединения по сравнению с теплотой образования силицида металла. Выбор сплавов металлов в качестве материалов диффузионного барьера обусловлен возможностью управлять механическими свойствами системы, подбирая концентрации ингредиентов сплава.

Можно использовать в качестве материалов диффузионных барьеров нитриды, бориды, карбиды тугоплавких металлов, поскольку они имеют более отрицательную энтальпию образования по сравнению с силицидами металлами. Например, известно, что нитрид титана является эффективным диффузионным барьером для диффузии атомов металлов и кремния [7].

Для образования силицида может быть выбран любой силицидообразующий металл. Однако наиболее благоприятными являются те из них, у которых имеются силицидные фазы с параметрами кристаллической решетки, близкими к кремниевой, поскольку в этом случае в системе возникают минимальные механические напряжения. Например, в этом качестве могут быть использованы никель и кобальт, поскольку известно, что силициды NiSi₂ и CoSi₂ имеют параметры решеток, очень близкие к параметрам решетки кремния [8].

В предлагаемой структуре в качестве барьера используют нитриды, бориды и карбиды металлов, в частности в предлагаемой структуре используют нитрид титана.

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

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

Указанное выполнение предлагаемой структуры приводит к тому, что в структуре - кремний на изоляторе для СБИС появляется возможность создания как полевых, так и биполярных транзисторов, использующих скрытый слой силицида металлов в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, как для структур с проектными нормами в субмикронном диапазоне, так и для структур с проектными нормами выше 1 мкм.

Литература
1. Патент Японии N 6069086 B4.

2. Патент США N 5387555.

3. В.И. Стриха и др. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки. - М.: Советское радио.

4. SUKE Konaka, Eiichi Yamamoto. A 20-ps Si Bipolar IC Using Advanced Super Self-Aligned Process Technology with Collecton Ion Implantation. IEEE TEANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. 36 N 7, 1989.

5. Технология СБИС/ Под редакцией Зи С. Том 2, стр. 235-237, 247-248.

6. Достанко А. П., Баронов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Минск: Вышэйшая школа, 1989 г., 238 стр.

7. Сейдман Л. А. Реактивное травление в вакууме слоев нитрида титана и применение их в системах контактной металлизации полупроводниковых приборов. Обзоры по ЭТ. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Вып. 6 (1366), 1988 г., стр. 58.

8. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник /Под ред. Т.Я. Косолаповой. - М.: Металлургия, 1986 г., 928 стр.

Использование: микроэлектроника, производство СБИС, у которых на одном кристалле формируются как полевые, так и биполярные транзисторы. Сущность изобретения: в структуре - кремний на изоляторе для СБИС, содержащей первый и второй кремниевые слои, диэлектрический слой и слой силицидов металлов между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области в кремниевом слое, предназначенном для размещения элементов СБИС, полевые транзисторы в изолированных областях кремния, изолированные области кремния содержат слой силицидов металлов, а в изолированных областях кремния над слоем силицидов металлов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя, имеющего омический контакт к подложке полевых транзисторов и к области коллектора биполярных транзисторов, используют вышеуказанный слой силицидов металлов. Упомянутые биполярные транзисторы содержат области эмиттера, базы, коллектора и контакты к ним и слой силицидов металлов, используемый в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, а также локальные высоколегированные области с типом проводимости коллектора между областью базы и слоем силицидов металлов и между контактом к области коллектора и слоем силицидов металлов, обеспечивающие омический контакт к слою силицидов металлов. Техническим результатом изобретения является создание структуры, включающей как полевые, так и биполярные транзисторы, имеющие скрытый низкоомный слой в области коллектора. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Структура - кремний на изоляторе для СБИС, содержащая первый и второй кремниевые слои, диэлектрический слой и слой силицидов металлов между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области в кремниевом слое, предназначенном для размещения элементов СБИС, полевые транзисторы в изолированных областях кремния, отличающаяся тем, что изолированные области кремния содержат слой силицидов металлов, а в изолированных областях кремния над слоем силицидов металлов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя, имеющего омический контакт к подложке полевых транзисторов и к области коллектора биполярных транзисторов, используют вышеуказанный слой силицидов металлов. 2. Структура по п.1, в которой упомянутые биполярные транзисторы содержат области эмиттера, базы, коллектора и контакты к ним и слой силицидов металлов, используемый в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, а также локальные высоколегированные области с типом проводимости коллектора между областью базы и слоем силицидов металлов и между контактом к области коллектора и слоем силицидов металлов, обеспечивающие омический контакт к слою силицидов металлов. 3. Структура по п.2, в которой концентрация примеси в локальной высоколегированной области на границе со слоем силицидов металлов, используемой для обеспечения омического контакта, выше концентрации примеси, обеспечивающей омический контакт. 4. Структура по п.1, в которой используют силициды металлов из группы, состоящей из платины, кобальта, никеля, вольфрама, титана, тантала и комбинации среди них. 5. Структура - кремний на изоляторе для СБИС, содержащая первый и второй кремниевые слои, диэлектрический слой и слой силицидов металлов между ними, изолированные вторым диэлектрическим слоем области в кремниевом слое, предназначенном для размещения элементов СБИС, полевые транзисторы в изолированных областях кремния, отличающаяся тем, что между слоем силицидов металлов и кремниевым слоем, предназначенным для размещения элементов СБИС, располагают слой, материал которого выбирается из группы металлических соединений (металлидов), обладающий свойствами барьера для слоя силицидов металлов и кремния, а в изолированных областях кремния над слоем металлида и лежащим под ним слоем силицида металлов размещают как полевые транзисторы, так и биполярные транзисторы, причем в качестве скрытого низкоомного слоя, имеющего омический контакт к подложке полевых транзисторов и к области коллектора биполярных транзисторов, используют вышеуказанные слои металлидов и силицидов металлов. 6. Структура по п.5, в которой в качестве барьера используют нитриды, бориды и карбиды металлов. 7. Структура по п.6, в которой используется нитрид титана.