СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В СОСТАВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Российский патент 2005 года по МПК H01L21/8222 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к технологии изготовления 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 комплементарных биполярных транзисторов [1 - ICE “Status 2000”].

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

В способе [2] представлена последовательность изготовления самосовмещенных комплементарных вертикальных транзисторов NPN и PNP типа, включающая осаждение эпитаксиального слоя n-типа проводимости, имплантацию примеси алюминия для создания кармана PNP транзистора, имплантацию примеси бора и фосфора для создания областей глубокого коллектора NPN и PNP транзисторов, формирование областей внешней базы NPN и PNP транзисторов, формирование областей внутренней базы и областей эмиттера NPN и PNT транзисторов.

Данный способ обеспечивает создание самосовмещенных областей коллектора и базы, областей базы и эмиттера, однако не все главные области самосовмещены, например не самосовмещаются контакты эмиттера и базы, области активной и пассивной базы. Кроме того, размеры основных областей транзистора, например размер контактных окон к базе, расстояние между электродами к эмиттеру и к базе, размер самой базы, существенно больше минимального размера на литографии, так как в них, кроме размера на литографии, входит учет многих факторов, таких как уход размеров при травлении, точность совмещения в тех операциях, где не использовано самосовмещение, учет шага по металлу.

Эти проблемы преодолеваются при использовании методов суперсамосовмещенной технологии биполярных транзисторов [3].

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем [4], включающий формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование боковой изоляции между областями транзисторов, создание на поверхности первого слоя диэлектрика с окнами под дальнейшее расположение областей карманов первого и второго типов проводимости, областей контактов к коллекторам транзисторов и формирование базовых областей первого и второго типа проводимости, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления электродов из первого слоя поликристаллического кремния, покрытых вторым слоем диэлектрика и используемых в качестве базовых электродов на поверхности кармана второго типа проводимости, и электродов эмиттера и коллектора на поверхности кармана первого типа проводимости, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование методами литографии и плазмохимического травления базового и коллекторного электродов из второго поликристаллического кремния соответственно в области карманов второго и электрода эмиттера в области кармана первого типов проводимости, проведение термического отжига структуры, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем и металлизации.

На фиг.1.1.-1.5. представлены основные этапы изготовления комплементарных биполярных транзисторов по способу, представленному в [4]. На фиг.1.1. представлен разрез структуры после формирования на кремниевой подложке первого типа проводимости 1 скрытых слоев первого 2 и второго 3 типа проводимости, осаждения эпитаксиального слоя 4 второго типа проводимости, формирования боковой изоляции 5 между областями транзисторов, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 6 с окнами 7 под расположение областей контактов к коллекторам транзисторов первого 8 и второго 9 типа проводимости, создания областей карманов первого 10 и второго 11 типов проводимости и базовых областей первого 12 и второго 13 типов проводимости.

На фиг.1.2. представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 14, легирования поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 15, формирования методами литографии и плазмохимического травления электродов из первого слоя поликристаллического кремния и второго слоя диэлектрика, используемых в качестве базовых электродов 16 на поверхности кармана второго типа проводимости, и электродов эмиттера 17 и коллектора 18 на поверхности кармана первого типа проводимости транзистора.

На фиг.1.3 представлен разрез структуры после формирования пристеночного диэлектрика 19, изолирующего торцы электродов из второго диэлектрика и первого слоя поликристаллического кремния: путем осаждения слоя диэлектрика на всю структуру и последующего удаления горизонтальных 19а и наклонных участков диэлектрика 19а с помощью вертикального реактивного травления. Удаляемые при вертикальном травлении горизонтальные и наклонные участки диэлектрика 19а обозначены светлым тоном, не удаляемые вертикальные участки диэлектрика обозначены темным фоном 19.

На фиг.1.4. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, легирования его примесью второго типа проводимости, формирования методами литографии и плазмохимического травления из второго поликристаллического кремния эмиттерного 20 и коллекторного 22 электродов транзисторов соответственно в области кармана второго типа проводимости и базовых электродов в области кармана первого типа проводимости, термического отжига структуры с образованием областей эмиттера второго типа проводимости 23а и первого типа проводимости 23.

На фиг.1.5. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя диэлектрика 24, формирования контактных окон в нем 25 и металлической разводки 26.

Способ, указанный в прототипе [4], решает многие проблемы по самосовмещаемости областей, отмеченные в аналоге [3]. Однако размеры областей структуры транзистора, получаемые способом [4], не обеспечивают требования создания микросхем с ультрасубмикронными размерами эмиттерных областей и базовых областей субмикронного диапазона.

Это связано с тем, что минимальный размер эмиттера в [4] не может быть меньше минимального размера на литографии (фиг.1., электрод эмиттера, транзистор справа). Это вытекает из способа изготовления электрода эмиттера, методом литографии. А размеры базовых областей в способе повторяют размер области кармана коллектора, в которую вписывается область эмиттера и базовые электроды, что в сумме составляет несколько микрон.

Все это приводит к увеличению размеров транзисторов, к росту значений его паразитных базовых и эмиттерных емкостей и как результат к снижению быстродействия ИС, выполненных на данных транзисторах.

Задачей изобретения является повышение быстродействия ИС на биполярных транзисторах за счет использования новой структуры транзисторов, электроды к базе и эмиттеру в которой формируются на окисле кремния (по типу затвора МОП транзистора), а реальная площадь контакта электродов с кремнием, определяющая размер базы и эмиттера, задается величиной торцевого травления окисла кремния на сколь угодно малую величину субмикронного или ультрасубмикронного размера.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем, включающем формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование боковой 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 и базовых областей транзисторов, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, используемых в качестве базового электрода первого транзистора и электродов эмиттера и коллектора другого транзистора, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью, формирование методами литографии и плазмохимического травления из второго слоя поликристаллического кремния эмиттерного и коллекторного электродов первого транзистора и базового электрода второго транзистора, создание мелкозалегающих слоев эмиттера, пассивной базы и контакта к коллектору диффузией примеси из первого и второго слоев поликристаллического кремния в процессе термического отжига, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем к электродам эмиттера, базы и коллектора и металлизации, до создания скрытых слоев первого и второго типа проводимости в местах их последующего расположения формируют скрытый слой второго типа проводимости с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, перед осаждением первого слоя поликристаллического кремния через маску фоторезиста легируют второй транзистор примесью активной базы, формируют на кремнии в окнах первого диэлектрика обоих транзисторах тонкий слой окисла кремния, плазмохимическое травление электродов из первого слоя поликристаллического кремния 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, через маску фоторезиста легируют область первого транзистора примесью активной базы, формируют пристеночный диэлектрик, изолирующий торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, путем осаждения третьего слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния, с последующим удалением полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что до создания скрытых слоев первого и второго типов проводимости в местах их последующего расположения формируют скрытый слой второго типа проводимости с концентрацией примеси, незначительно превышающей концентрацию примеси в подложке, перед осаждением первого слоя поликристаллического кремния через маску фоторезиста легируют второй транзистор примесью активной базы и формируют на кремнии в окнах первого диэлектрика обоих транзисторах тонкий слой окисла кремния, плазмохимическое травление электродов из первого слоя поликристаллического кремния 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, через маску фоторезиста легируют область первого транзистора примесью активной базы, формируют пристеночный диэлектрик, изолирующий торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, путем осаждения третьего слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния, с последующим удалением полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры.

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 размеры эмиттера и базы транзисторов определяются величиной торцевого травления диэлектрика на сколь угодно малую величину, что позволяет формировать комплементарную пару транзисторов с размером эмиттера одного транзистора в области ультрасубмикронных размеров и второго транзистора с субмикронным размером базы.

На фиг.2.1.-2.6. представлены основные этапы способа изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем.

На фиг.2.1. представлен разрез структуры после формирования на кремниевой подложке 1 областей скрытого слоя второго типа проводимости с концентрацией примеси 27, незначительно превышающей концентрацию в подложке, а затем создания в этих областях скрытых слоев первого 2 и второго 3 типов проводимости, осаждения эпитаксиального слоя 4 второго типа проводимости, формирования боковой изоляции 5 между областями транзисторов, создания на поверхности первого слоя диэлектрика 6 с окнами 7 под расположение областей карманов 10 и 11 и областей контактов к коллекторам 8, 9 соответственно первого и второго типов проводимости над скрытыми слоями одноименного типа проводимости, области базы второго типа проводимости 13 в кармане первого типа проводимости и формирования на поверхности карманов в окнах диэлектрика тонкого слоя окисла кремния 28.

На фиг.2.2. представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 14, легирования поликристаллического кремния примесью второго типа проводимости, создания на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика 15, формирования методами литографии и плазмохимического травления второго слоя диэлектрика и первого слоя поликристаллического кремния до тонкого окисла кремния на поверхности с образованием электродов базы 16, эмиттера 17 и коллектора 18.

На фиг.2.3. представлен разрез структуры после травления тонкого окисла до кремния 29 и одновременно бокового травления тонкого окисла под слой поликристаллического кремния на заданную величину 30.

На фиг.2.4. представлен разрез структуры после осаждения дополнительного третьего слоя поликристаллического кремния, покрывающего поверхность структуры 31 и заполняющего вытравленные участки тонкого окисла под первым слоем поликристаллического кремния 32.

На фиг.2.5. представлен разрез структуры после прокисления дополнительного третьего слоя поликристаллического кремния с образованием слоя окисла кремния и последующего удаления его с горизонтальных и наклонных участков структуры. Светлым фоном 19а выделены участки окисла кремния, которые удаляются при последующем плазмохимическом травлении.

Темным фоном 19 выделены участки окисла кремния, используемые в качестве пристеночного диэлектрика, защищающего торцевые участки первого слоя поликристаллического кремния.

Участки дополнительного третьего слоя поликристаллического кремния 32, под первым слоем поликристаллического кремния, не прокисляются и обеспечивают контакт первого слоя поликристаллического кремния с кремнием.

На фиг.2.6. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, легирования его примесью первого типа проводимости, формирования методами литографии и плазмохимического травления эмиттерного и базовых электродов транзисторов из второго поликристаллического кремния.

На фиг.2.7. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя диэлектрика, формирования контактов в нем и металлической разводки.

Введение тонкого окисла кремния на первом этапе (на фиг.2.1.) позволяет на последующем этапе (фиг.2.2.) при плазмохимическом травлении первого слоя поликристаллического кремния до тонкого окисла кремния контролировать окончания процесса, в то время как в прототипе (на фиг.1.2.) контроль окончания процесса проблематичен (в силу равных скоростей травления поликристаллического кремния и кремния). Травление тонкого окисла кремния осуществляется в жидкостных травителях с высокой селективностью к кремнию.

Боковое (торцевое) травление тонкого окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния (фиг.2.3.) осуществляется на расчетную величину, задающую необходимый размер области эмиттера (фиг.2.4., транзистор справа), и одновременно на ту же величину с каждой стороны увеличивается эмиттерное окно другого транзистора (фиг.2.4., транзистор слева), образующее размер области базы.

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, образуя области базы и эмиттера.

Легирование дополнительного слоя поликристаллического кремния осуществляется из первого слоя примесью второго типа проводимости.

В результате область базы в транзисторе (расположенном слева на фиг.2.4.) выполняется равной ширине размера эмиттерного окна (обычно субмикронного размера, равного минимальному размеру на литографии), увеличенного на две величины травления под слой поликристаллического кремния, минимальное значение которого определяется толщиной тонкого окисла кремния, реально составляющей десятки или сотни ангстрем.

Пример: В монокристаллической пластине КДБ 12(100) через маски фоторезиста формируют вначале области скрытого слоя n-типа проводимости ионной имплантацией фосфора с дозой 1 мкКл/см², а затем скрытые слои р- и n-типа проводимости ионной имплантацией бора с сопротивлением 100 Ом/см² и диффузией сурьмы с сопротивлением 40 Ом/см², совмещаемые с ранее сформированным слоем n-типа проводимости. Методом хлоридной эпитаксии наращивают эпитаксиальный слой n-типа проводимости (омностью 0.7 Ом·см, толщиной 1.75 мкм).

Через маску фоторезиста ионным легированием бора с дозой 10 мкКл/см² формируют области боковой изоляции р-типа проводимости, затем через маску нитрида кремния, формируемого методом пиролитического осаждения и литографии, образуют первый слой диэлектрика методом локального окисления кремния толщиной 0,8 мкм вокруг областей транзисторов. Ионным легированием фосфора и бора с дозой 60 мкКл/см² создают области глубокого коллектора и ионным легированием бора и фосфора с дозой 1 мкКл/см² формируют области карманов р-типа и n-типа проводимости для размещения комплементарных биполярных транзисторов. Термическим отжигом в слабо окислительной среде при температуре 1100°С в течение 60 мин формируются требуемые глубины областей. Через маску фоторезиста ионным легированием имплантируют фосфор с дозой 5 мкКл/см² для формирования областей базы n-типа проводимости. В открытых областях транзисторов термическим окислением создают тонкий окисел кремния толщиной 500 , затем методом разложения моносилана осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,25 мкм при температуре 640°С, имплантируют его бором с дозой 600 мкКл/см², а пиролитическим методом при 750°С осаждают слой диэлектрика толщиной 0,35 мкм. Методом реактивно-ионного травления (РИТ) формируют из диэлектрика и поликристаллического кремния базовые электроды NPN транзистора и эмиттерный и коллекторный электроды PNP транзистора: травят методом реактивно-ионного травления второй диэлектрик до поликристаллического кремния, затем методом реактивно-ионного травления травят первый слой поликристаллического кремния до тонкого слоя окисла кремния, удаляют тонкий окисел кремния в водном растворе HF (1:4) до кремния и одновременно вытравливают тонкий окисел под первым слоем поликристаллического кремния в сторону на 0.25 мкм.

Осаждают дополнительный третий слой поликристаллического кремния толщиной 300 , окисляют его в парах воды при температуре 850°С до кремния, а затем удаляют методом реактивно-ионного травления окисел с горизонтальных участков. Ионным легированием через маску фоторезиста формируют базу р-типа NPN с Е=40 кэВ и дозой 5 мкКл/см².

Осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0.25 мкм. Легируют его мышьяком с дозой 1500 мкКл/см² и отжигают при 950°С в течение 40 мин, формируя при этом диффузией примесей из первого слоя поликристаллического кремния, легированного бором, области пассивной базы NPN и области эмиттера PNP транзистора, а из второго слоя поликристаллического кремния, легированного мышьяком, эмиттерные области NPN и области пассивной базы PNP.

При 750°С осаждают слой пиролитического окисла 0.5 мкм. Методами литографии и РИТ травления формируют контактные окна в диэлектрике к базовым, эмиттерным и коллекторным электродам комплементарных транзисторов. Далее формируют металлическую разводку осаждением пленки алюминия с примесью кремния толщиной 0.6 мкм и последующими процессами литографии и травления.

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

Литература:

1. ICE “Status 2000”.

2. Патент US 5151378.

3. Патент РФ 2099814.

4. Патент US 5175607.

Использование в микроэлектронике, а именно в технологии изготовления интегральных схем (ИС) с использованием комплементарных биполярных транзисторов NPN и PNP с носителями разного типа проводимости. Сущность изобретения: способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем по предлагаемому изобретению приводит к тому, что размеры эмиттера и базы транзисторов определяются величиной травления тонкого слоя окисла кремния на сколь угодно малую величину, что позволяет формировать комплементарную пару транзисторов в составе одного транзистора с размером эмиттера одного транзистора в области ультрасубмикронных размеров и второго транзистора с субмикронным размером базы. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия интегральных схем за счет использования структуры транзисторов, электроды к базе и эмиттеру в которой формируются на окисле кремния, а реальная площадь контакта электродов с кремнием, определяющая размер базы и эмиттера, задается величиной торцевого травления окисла кремния на сколь угодно малую величину субмикронного или ультрасубмикронного размера. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ изготовления комплементарных вертикальных биполярных транзисторов в составе интегральных схем, включающий формирование на кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев первого и второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование боковой 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 и базовых областей транзисторов, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью, создание на поликристаллическом кремнии второго слоя диэлектрика, формирование методами литографии и плазмохимического травления электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, используемых в качестве базового электрода первого транзистора и электродов эмиттера и коллектора другого транзистора, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, защищенного вторым слоем диэлектрика, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью, формирование методами литографии и плазмохимического травления из второго слоя поликристаллического кремния эмиттерного и коллекторного электродов первого транзистора и базового электрода второго транзистора, создание мелкозалегающих слоев эмиттера, пассивной базы и контакта к коллектору диффузией примеси из первого и второго слоев поликристаллического кремния в процессе термического отжига, осаждение третьего слоя диэлектрика, формирование контактных окон в нем к электродам эмиттера, базы и коллектора и металлизации, отличающийся тем, что в создании скрытых слоев первого и второго типа проводимости в местах их последующего расположения формируют скрытый слой второго типа проводимости с концентрацией примеси, незначительного превышающей концентрацию примеси в подложке, перед осаждением первого слоя поликристаллического кремния через маску фоторезиста легируют второй транзистор примесью активной базы и формируют на кремнии в окнах первого диэлектрика обоих транзисторов тонкий слой окисла кремния, плазмохимическое травление электродов из первого слоя поликристаллического кремния 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, через маску фоторезиста легируют область первого транзистора примесью активной базы, формируют пристеночный диэлектрик, изолирующий торцы электродов из первого слоя поликристаллического кремния, путем осаждения третьего слоя поликристаллического кремния и его окисления до кремния с последующим удалением полученного окисла кремния плазмохимическим травлением с горизонтальных участков структуры.2. Способ по п.1, в котором толщина тонкого окисла выбрана равной 100-1000 , а толщина третьего слоя поликристаллического кремния должна быть больше половины толщины тонкого диэлектрика.3. Способ по п.1, в котором удаление тонкого окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливание его частично под первым слоем поликристаллического кремния проводят на величину до 5000 .4. Способ по п.1, в котором первый слой поликристаллического кремния легируют примесью второго типа проводимости, а второй слой поликристаллического кремния легируют примесью первого типа проводимости.5. Способ по п.1 или 4, в котором в качестве примеси второго типа проводимости используют мышьяк.6. Способ по п.1 или 5, в котором отжиг для создания мелкозалегающих слоев эмиттера и базы комплементарных транзисторов проводят в два этапа, первый отжиг проводят до легирования второго слоя поликристаллического при больших температурах отжига, второй отжиг при меньших температурах после легирования второго слоя поликристаллического кремния.7. Способ по п.1, в котором первый слой поликристаллического кремния легируют примесью первого типа проводимости, а второй слой поликристаллического кремния легируют примесью второго типа проводимости.