СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СОСТАВЕ БиКМОП ИС Российский патент 2003 года по МПК H01L21/8248 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления БиКМОП приборов, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы, существенно расширяющие функциональные возможности и эффективность цифровых и аналоговых схем.

Однако БиКМОП структуры традиционно требуют использования эпитаксиальных и скрытых слоев в структуре биполярных транзисторов, что существенно усложняет процесс изготовления БиКМОП [1] в сравнении с более простыми КМОП структурами.

В последнее время появились сообщения о создании БиКМОП ИС с биполярным транзистором, имеющим структуру ЗД (трех диффузий), без использования дорогостоящих эпитаксиальных и скрытых слоев, в которых сопротивление коллектора снижается до "нормального" уровня с помощью новых простых приемов, например, в результате формирования профиля с "обратным градиентом" [2], когда с помощью глубокой высокоэнергетической имплантации примесь "утапливается" под область базы, создавая под базой область высокой концентрации, играющую роль "скрытого слоя", а также других методов.

Структуры, подобные [2], не получили широкого использования в ИС из-за высокого уровня дефектов в транзисторах при имплантации примеси на большую глубину с помощью высоких энергий.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления биполярного транзистора [3], включающий формирование в кремниевой пластине карманов двух типов проводимости для размещения полевых и биполярных транзисторов, создание полевого окисла на поверхности карманов, формирование высоколегированных областей одного с областью коллектора типа проводимости под полевым окислом, окружающих область базы с любой из 3 сторон, кроме стороны, где располагается контакт к области базы, и при этом по крайней мере одна из этих 3 сторон граничит с областью контакта к коллектору биполярного транзистора, создание подзатворного диэлектрика, формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов из разных, по крайней мере из трех, слоев поликристаллического кремния, создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера и в месте контакта к области базы.

Анализ технического решения, заявленного в прототипе [3], показывает, что оно не полностью обеспечивает получение высоких параметров транзистора, соответствующих "классической биполярной структуре", используемой в современных высококачественных СБИС.

Недостатками способа изготовления биполярного транзистора, заявленного в прототипе [3], является:
Использование процессов осаждения многих, по крайней мере четырех, слоев поликристаллического кремния: одного для формирования высоколегированной области в коллекторе для снижения сопротивления коллектора (в дальнейшем именуемом "шунтом"), двух слоев для создания электрода эмиттера биполярного транзисторов и по крайней мере одного для формирования затворов полевых транзисторов, что существенно усложняет маршрут изготовления микросхем, в том числе увеличивает длительность и стоимость процесса, добавляет дополнительные процессы и маски для литографии, что сказывается на рентабельности производства и проценте выхода годных.

Второй недостаток способа [3] связан с тем, что происходит "наложение" профилей высоколегированной пассивной базы вокруг эмиттера и высоколегированной области "шунта", в результате высоколегированная область "шунта" с высокой концентрацией ~ 10²⁰см^-3 образует с областью пассивной базы транзистора, также имеющей высокую концентрацию примеси ~10¹⁹см^-3, р-n-переход с низким пробивным напряжением и повышенной удельной емкостью.

Низкое напряжение пробоя и повышенная удельная емкость база-коллекторного р-n-перехода, образующегося между областями высоколегированной области базы и высоколегированной области в коллекторе ("шунта"), ограничивает применение данных транзисторов в высоковольтных и высокочастотных микросхемах.

Техническое решение, используемое в прототипе, решая задачу снижения сопротивления коллектора до значений "классического" транзистора, одновременно приводит к ухудшению других характеристик транзистора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в сокращении числа слоев поликристаллического кремния до двух слоев (при четырех в прототипе), делающего более рентабельным промышленное производство структур биполярных транзисторов в ИС с повышением выхода годных и исключающим возможность создания в структуре ИС низковольтного р-n-перехода с повышенной удельной емкостью, не позволяющего получать высоковольтные и высокочастотные ИС. Для достижения названного технического результата в способе изготовления биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающем формирование в кремниевой пластине карманов двух типов проводимости для размещения полевых и биполярных транзисторов, создание полевого окисла на поверхности карманов, формирование высоколегированных областей одного с областью коллектора типа проводимости под полевым окислом, окружающих область базы с любой из 3 сторон, кроме стороны, где располагается контакт к области базы, и при этом по крайней мере одна из этих 3 сторон граничит с областью контакта к коллектору биполярного транзистора, создание подзатворного диэлектрика, формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов из разных, по крайней мере из трех, слоев поликристаллического кремния, создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера и в месте контакта к области базы, формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов производится из одних и тех же двух слоев поликристаллического кремния, вначале осаждается первый слой поликристаллического кремния непосредственно на подзатворный диэлектрик, производится вскрытие в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окон под эмиттер, затем осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью одного с эмиттером типа проводимости, после чего производится формирование травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов, а третий слой поликристаллического кремния (при необходимости) используется для формирования пассивных элементов интегральной микросхемы, а создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера выполняется с отступлением от полевого окисла вокруг области базы так, что не происходит образования низковольтного р-n-перехода между высоколегированной областью базы и высоколегированной областью в коллекторе под полевым окислом, обладающего большими значениями паразитной емкости.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что формирование затворов полевых и электродов эмиттеров биполярных транзисторов производится из одних и тех же двух слоев поликристаллического кремния, вначале осаждается первый слой поликристаллического кремния непосредственно на подзатворный диэлектрик, производится вскрытие в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окон под эмиттер, затем осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью одного с эмиттером типа проводимости, после чего производится формирование травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов, а третий слой поликристаллического кремния (при необходимости) используется для формирования пассивных элементов интегральной микросхемы, а создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера выполняется с отступлением от полевого окисла вокруг области базы так, что не происходит образования низковольтного р-n-перехода между высоколегированной областью базы и высоколегированной областью в коллекторе под полевым окислом, обладающего большими значениями паразитной емкости.

На фигурах 1-3 приведена последовательность операций по новому техническому решению изготовления затворов полевых и электрода эмиттера биполярных транзисторов из двух (одних и тех же) слоев поликристаллического кремния с отказом от поликристаллической маски при создании шунта, что существенно упрощает маршрут изготовления БиКМОП прибора.

Одновременно в новом способе предусмотрено оттодвижение высоколегированной области базы от полевого окисла, под которым находится "шунт", и исключает тем самым возможность наложения профилей высоколегированных областей базы и "шунта", а значит устраняет возможность создания низковольтного р-n-перехода с повышенной удельной емкостью.

На фиг. 1 изображен разрез структуры после формирования в кремниевой пластине карманов двух типов проводимости для размещения полевых и биполярных транзисторов, создания полевого окисла на поверхности карманов, формирования через маску нитрида кремния имплантацией первой высоколегированной области "шунта N+типа", затем второй высоколегированной области "шунта N++4типа", создание подзатворного диэлектрика, первого слоя поликристаллического кремния, осаждаемого непосредственно на подзатворный диэлектрик, и вскрытия в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окон под эмиттер.

На фиг.2. отражены операции осаждения второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью одного с эмиттером типа проводимости.

На фиг. 3. приведены операции формирования плазмохимическим травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов и создания высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера выполняется с отступлением от полевого окисла вокруг области базы так, что не происходит образования низковольтного р-n-перехода между высоколегированной областью базы и высоколегированной областью в коллекторе под полевым окислом, обладающего большими значениями паразитной емкости.

Третий слой поликристаллического кремния (на фиг.3 не показан) при необходимости может наноситься в дальнейшем для формирования пассивных элементов интегральной микросхемы.

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 предлагаемой конструкции прибора.

Пример. В монокристаллической пластине марки КДБ 12 создают карманы n типа проводимости имплантацией фосфора с дозой 1 мкКл/см² и р типа проводимости имплантацией бора с дозой 0,8 мкКл/см² с последующей разгонкой при температуре 1100^oС в течении 3 часов, формируют из нитрида кремния маску толщиной 0,15 мкм на поверхности, имплантируют через окна в маске в области карманов вокруг расположения будущих базовых областей примеси фосфора с дозой 10 мкКл/см² и мышьяка с дозой 300 мкКл/см² для формирования высоколегированных областей (шунтов), методом термического окисления формируют полевой окисел толщиной 0,6 мкм, создают базовые области р типа имплантацией бора с дозой 6 мкКл/см² и энергией 40 кэВ, формируют подзатворный окисел толщиной термическим окислением в парах воды при 850^oС, осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,15 мкм пиролизом моносилана при температуре 640^oС, удаляют первый слой поликристаллического кремния ПХТ травлением в местах формирования эмиттера и слой подзатворного диэлектрика жидкостным травлением, осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0,15 мкм при температуре 640^oС разложением моносилана, легируют его имплантацией мышьяка с дозой 1500 мкКл/см², осаждают первый металлический силицидный и первый диэлектрический слои, травят через маску фоторезиста затворы полевых и электрод эмиттера биполярных транзисторов из первого и второго слоев поликристаллического кремния, окисляют торцевую часть затворов и электрода, формируют слой нитрида кремния толщиной 0,15 мкм на боковых стенках затворов и электрода с удалением его с горизонтальных участков плазмохимическим травлением, формируют высоколегированные области базы биполярного транзистора и области стока и истока полевого транзистора имплантацией бора с дозой 600 мкКл/см², после чего отжигают структуру при температуре 850 С, осаждают слой диэлектрика толщиной 0,5 мкм, вскрывают в нем контактные окна и формируют металлические электроды из алюминия.

Пример, описанный выше, является частным случаем, в котором используется предлагаемый способ. Предлагаемый способ может использоваться для создания также БиКМОП приборов с любым набором полевых или биполярных транзисторов, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература
1. Патент РФ N 2141149, приоритет от 0.09.07, 19.08.1998г.

2. H.Yoshida et al. "An RF BiCMOS Process using High f_sp Spiral Inductor with Premetal Deep Trenches and A Dual Recessed Bipolar Collector Sink ", IEDM 98-213, p.8.5.1.

3. Патент N WO 95/05679, приоритет от 15.08.1994 г.

Использование: микроэлектроника, БиКМОП приборы, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы, существенно расширяющие функциональные возможности и эффективность цифровых и аналоговых схем. Техническим результатом изобретения является сокращение числа слоев поликристаллического кремния, что делает более рентабельным промышленное производство структур биполярных транзисторов в интегральной схеме с повышением выхода годных, и исключение возможности создания в структуре интегральной схемы низковольтного р-n-перехода с повышенной удельной емкостью. Сущность изобретения: в кремниевой пластине формируют карманы двух типов проводимости для размещения полевых и биполярного транзисторов, создают полевой окисел на поверхности карманов, формируют высоколегированные области с одним с областью коллектора типом проводимости под полевым окислом, окружающие область базы с любой из трех сторон, кроме стороны, где располагается контакт к области базы, при этом по крайней мере одна из этих трех сторон граничит с областью контакта к коллектору биполярного транзисторов, создают подзатворный диэлектрик, формируют затворы полевых и электрод эмиттера биполярного транзистора из разных, по крайней мере из трех, слоев поликристаллического кремния, создают высоколегированную область в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера и в месте контакта к области базы. Формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов производят из одних и тех же двух слоев поликристаллического кремния, вначале осаждают первый слой поликристаллического кремния непосредственно на подзатворный диэлектрик, производят вскрытие в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окон под эмиттер, затем осаждают второй слой поликристаллического кремния, легируют его примесью одного с эмиттером типа проводимости, после чего производят формирование травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов, а третий слой поликристаллического кремния при необходимости используют для формирования пассивных элементов интегральной микросхемы. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающий формирование в кремниевой пластине карманов двух типов проводимости для размещения полевых и биполярного транзисторов, создание полевого окисла на поверхности карманов, формирование высоколегированных областей одного с областью коллектора типа проводимости под полевым окислом, окружающих область базы с любой из трех сторон, кроме стороны, где располагается контакт к области базы, и при этом по крайней мере одна из этих трех сторон граничит с областью контакта к коллектору биполярного транзистора, создание подзатворного диэлектрика, формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов из слоев поликристаллического кремния, создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера и в месте контакта к области базы, отличающийся тем, что затворы полевых и электрод эмиттера биполярного транзисторов формируют из двух слоев поликристаллического кремния, вначале осаждают первый слой поликристаллического кремния непосредственно на подзатворный диэлектрик, производят вскрытие в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окна под эмиттер, затем осаждают второй слой поликристаллического кремния, легируют его примесью одного с эмиттером типа проводимости, после чего формируют травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворы полевых и электрод эмиттера биполярного транзисторов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в составе БиКМОП ИС формируют биполярный транзистор NPN типа, в области коллектора (n-)-типа которого формируют высоколегированную область (n+)-типа с большей концентрацией примеси, чем область коллектора. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что высоколегированную область (n+)-типа в области коллектора формируют имплантацией двух примесей фосфора и мышьяка через одну маску литографии. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что выбирают дозы легирования фосфора в интервале 5-20 мккул/см², а мышьяка 100-500 мккул/см². 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что третий слой поликристаллического кремния осаждают для формирования пассивных элементов интегральной схемы. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что слой поликристаллического кремния для формирования пассивных элементов интегральной микросхемы осаждают до осаждения двух слоев поликристаллического кремния, используемых для формирования затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов. 7. Способ изготовления биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающий формирование в кремниевой пластине карманов двух типов проводимости для размещения полевых и биполярного транзисторов, создание полевого окисла на поверхности карманов, формирование высоколегированных областей одного с областью коллектора типа проводимости под полевым окислом, окружающих область базы с любой из трех сторон, кроме стороны, где располагается контакт к области базы, и при этом по крайней мере одна из этих трех сторон граничит с областью контакта к коллектору биполярного транзистора, создание подзатворного диэлектрика, формирование затворов полевых и электрода эмиттера биполярного транзисторов из слоев поликристаллического кремния, создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера и в месте контакта к области базы, отличающийся тем, что затворы полевых и электрод эмиттера биполярного транзисторов формируют из двух слоев поликристаллического кремния, вначале осаждают первый слой поликристаллического кремния непосредственно на подзатворный диэлектрик, производят вскрытие в первом слое поликристаллического кремния и в подзатворном диэлектрике окна под эмиттер, затем осаждают второй слой поликристаллического кремния, легируют его примесью одного с эмиттером типа проводимости, после чего формируют травлением одновременно из двух слоев поликристаллического кремния затворы полевых и электрод эмиттера биполярного транзисторов, а создание высоколегированной области в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера выполняют с отступлением от полевого окисла вокруг области базы, так что не происходит образования низковольтного p-n перехода между высоколегированной областью базы и высоколегированной областью в коллекторе под полевым окислом, обладающего большими значениями паразитной емкости. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что третий слой поликристаллического кремния осаждают для формирования пассивных элементов интегральной схемы.