СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2005 года по МПК H01L21/331 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления интегральных схем (ИС) на биполярных транзисторах, изготовленных с использованием методов самосовмещенной технологии (ССТ).

Метод самосовмещенной технологии (Gigabit Logic Bipolar Technology advanced super self-al igned Process Technology) [1] с использованием двух слоев поликристаллического кремния для формирования базовой и эмиттерной областей транзистора позволяет существенно уменьшить размеры транзистора в плане, увеличивает степень интеграции и быстродействие ИС при одновременном снижении мощности потребления.

Ключевым процессом ССТ технологии является процесс травления поликристаллического кремния, в местах формирования окна под эмиттер, до кремния. При этом является обязательным выполнение ряда требований к процессу травления, являющихся условием получения качественных ИС:

1) высокая селективность процесса травления поликристаллического кремния до кремния,

2) отсутствие структурных нарушений в кремнии,

3) отсутствие изотропного (бокового) травления поликристаллического кремния, меняющего размеры окна.

Известен способ жидкостного селективного травления слоя поликристаллического кремния, легированного фосфором, до кремния [2]. Недостатком данного способа - является наличие изотропного (бокового) травления поликристаллического кремния, существенно увеличивающего размеры окна эмиттера в транзисторе, за счет латеральной составляющей травления. Так, при ширине окон под эмиттер 0.8 мкм при жидкостном травлении слоя поликристаллического кремния толщиной 0,5 мкм размер эмиттера увеличивается до 1,8 мкм, т.е. более чем в 2 раза, что в большинстве случаев неприемлемо.

Этот недостаток устраняется использованием методов анизотропного (без боковой составляющей) плазмохимического травления поликристаллического кремния.

Известно техническое решение анизотропного плазмохимического травления слоя поликристаллического кремния до кремния [3]. Сущность предлагаемого решения [3] заключается в использовании периферии рабочей пластины, где под слоем поликристаллического кремния формируется слой диэлектрика - для контроля. Процесс травления поликристаллического кремния проводится до тех пор, пока на периферии пластины не стравливают поликристаллический кремний до диэлектрика, после чего срабатывает сигнал по спектральному датчику, реагирующему на продукты травления диэлектрика, останавливающий процесс травления. При этом в рабочих областях пластины также завершается травление поликристаллического кремния, проводимое до кремния.

Недостатком данного решения [3] являются структурные нарушения, вносимые в процессе плазмохимического травления кремния, снижающие процент выхода годных ИС на пластине. Кроме того, имеет место потеря части площади пластины, используемой для контроля, что снижает съем кристаллов с пластины, а также требуется дополнительная маска на литографии для создания диэлектрика на периферии, что увеличивает трудоемкость процесса изготовления ИС.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления биполярного транзистора [4], включающий формирование на подложке кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и первого окисла кремния до кремния, травление первого слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесями эмиттера и базы транзистора и термообработку.

На фиг.1.1-1.5 представлены основные этапы изготовления биполярного транзистора по способу в соответствии с прототипом [4].

На фиг.1.1. представлен разрез структуры после нанесение на подложку кремния (1) первого слоя окисла кремния (2) и первого слоя поликристаллического кремния (3), легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы (5), осаждение слоя нитрида кремния (4).

На фиг.1.2. представлен разрез структуры после вскрытия (через маску фоторезиста (7)) методом плазмохимического травления окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния (6) и последующего травления первого слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния (8).

На фиг.1.3. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, при этом происходит заполнение зазоров под первым слоем поликристаллического кремния, проведения термообработки и окисления второго слоя поликристаллического кремния до кремния с образованием второго слоя окисла кремния на участках (10), при этом участки второго слоя поликристаллического кремния (9), заполняющие зазоры под первьм слоем поликристаллического кремния, не прокисляются.

На фиг.1.4. представлен разрез структуры после травления второго слоя окисла кремния методом плазмохимического травления на горизонтальных участках структуры, при этом в окнах второй слой окисла кремния травится до кремния (11), на поверхности структуры - до нитрида кремния (11), второй слой окисла кремния остается только на вертикальных участках структуры (12).

На фиг.1.5. представлен разрез структуры после осаждение третьего слоя поликристаллического кремния (13), легирование его примесями эмиттера (14) и примесями базы (15) транзистора, и термического отжига структуры для формирования слоев базы (22) из первого слоя поликристаллического кремния и слоев активной базы (23) и эмиттера (24) из третьего слоя поликристаллического кремния.

Способ изготовления биполярного транзистора [4] отвечает требованиям селективного травления слоя поликристаллического кремния до окисла кремния и отсутствия боковой составляющей травления за счет использования плазмохимического травления.

Однако содержит и ряд недостатков.

1) Так использование плазмохимического травления окисла кремния до кремния, дважды проводимое в [4], вносит нарушения в структурное совершенство поверхности кремния, снижающее процент выхода годных ИС.

Более технологичным является жидкостное химическое травление диэлектрика на поверхности кремния.

2) При плазмохимическом травлении второго окисла кремния до кремния подтравливается слой нитрида кремния. А так как в технологии ИС слои нитрида кремния из за внутренних напряжений изначально не могут использоваться более 0,15-0,20 мкм, то в [4] возможен электрический пробой утоненного слоя нитрида кремния между первым и третьим слоями поликристаллического кремния в структуре ИС.

Это делает обоснованным введение под нитридом кремния дополнительного слоя окисла кремния, играющего также роль буфера от напряжений.

3) Формирование слоев активной базы и эмиттера в результате одновременной диффузии примесей бора и мышьяка из третьего слоя поликристаллического кремния, легированного обоими типами примесей, связано с возможным "проколом" базы, так как нет четкого механизма управления движением одной и другой примеси независимо.

Целесообразно проводить раздельное легирование: вначале первой примесью - областей активной базы, затем второй примесью области эмиттера.

Задачей настоящего изобретения является достижение комплексного технического результата, заключающегося в улучшении структурного совершенства поверхности кремния - за счет сокращения количества процессов плазмохимического травления кремния в окне эмиттера транзистора, создания надежной изоляции между слоями поликристаллического кремния, выполняющих роль электродов в транзисторе, - путем введения слоя окисла кремния под слоем нитрида кремния, а также улучшения воспроизводимости параметров физической структуры транзистора в результате раздельных процессов легирования активной базы и эмиттера, повышающих качество и процент выхода годных ИС.

Возможно два варианта достижения названного технического результата.

В первом варианте, для достижения названного технического результата в способе изготовления биполярного транзистора, включающий формирование на подложке кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния, травление слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью эмиттера транзистора и термообработку, до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.

Отличительными признаками предлагаемого первого варианта способа является то, что до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.

На фиг.2.1-2.5 представлены основные этапы изготовления биполярного транзистора по первому варианту предлагаемому способу.

На фиг.2.1. представлен разрез структуры после нанесения на подложку кремния (1) первого слоя окисла кремния (2) и первого слоя поликристаллического кремния (3), формирования третьего слоя окисла кремния (15), легирования через слой окисла кремния первого слоя поликристаллического кремния примесью базы (5), осаждения слоя нитрида кремния (4).

На фиг.2.2. представлен разрез структуры после вскрытия (под защитой фоторезиста (7)) окон в слоях нитрида кремния, третьего окисла кремния, поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния (16), затем травления первого слоя окисла кремния методом жидкостного травления до кремния с одновременным подтравливанием первого окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния и третьего окисла - под нитридом кремния (17).

На фиг.2.3. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, в процессе которого происходит заполнение зазоров под первым слоем поликристаллического кремния и под слоем нитрида кремния, проведения термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния на участках (10)), при этом участки второго слоя поликристаллического кремния (9) под первым слоем поликристаллического кремния и под нитридом кремния не прокисляются.

На фиг.2.4 представлен разрез структуры после плазмохимического травления второго слоя окисла до кремния со дна окна и с поверхности структуры (20), второй слой окисла (12) при этом остается на торцах структуры, а также легирования кремния примесью активной базы (21).

На фиг.2.5. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя поликристаллического кремния (13), легирования его примесями эмиттера (14) транзистора, и термического отжига структуры для формирования слоев базы (22) диффузией примеси из первого слоя поликристаллического кремния, активной базы (23) из кремния и эмиттера (24) диффузией примеси из третьего слоя поликристаллического кремния.

Указанное выполнение предлагаемого способа приводит к следующему.

Исключается один из двух процессов плазмохимического травления окисла кремния на поверхности кремния - первый слой окисла кремния удаляется жидкостным травлением, что снижает уровень дефектов в структуре.

Введение третьего слоя окисла кремния под слоем нитрида кремния увеличивает общую толщину изолирующего диэлектрика, между электродами базы и эмиттера транзистора до требуемой величины, что устраняет второй недостаток способа [4].

Проведение легирования кремния вначале примесью активной базы, затем осаждение третьего слоя поликристаллического кремния и его легирование примесью эмиттера, обеспечивает нормальную последовательность формирования структуры ССТ транзистора, исключающую прокол базы, возможный в способе [4].

Возможен второй вариант решения поставленной задачи, позволяющий исключить оба плазмохимические процесса травления окисла на кремнии.

Для достижения названного технического результата во втором варианте способа изготовления биполярного транзистора, включающем нанесение на подложку кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния, травление первого слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью эмиттера транзистора и термообработку, до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего окисла кремния и первого поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, перед вскрытием окон во втором слое окисла кремния осаждают второй слой нитрида кремния, травят его методом плазмохимического травления до второго слоя окисла кремния, а второй слой окисла кремния удаляют методом жидкостного травления, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого второго варианта изобретения является то, что до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего окисла кремния и первого поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, перед вскрытием окон во втором слое окисла кремния осаждают второй слой нитрида кремния, травят его методом плазмохимического травления до второго слоя окисла кремния, а второй слой окисла кремния удаляют методом жидкостного травления, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.

На фиг.3.1-3.6 представлены основные этапы изготовления биполярного транзистора по второму варианту предлагаемому способу.

Этапы способа на фигурах 3.1, 3.2 и 3.3 полностью соответствуют этапам, показанным на фиг.2.1., 2.2. и 2.3.

На фиг.3.4. представлен разрез структуры после осаждения второго слоя нитрида кремния, травления его методом плазмохимического травления на горизонтальных участках (19)) до второго слоя окисла кремния, при этом второй слой нитрида кремния остается на стенках окна (18).

На фиг.3.5. представлен разрез структуры после жидкостного травления второго слоя окисла со дна окна и с поверхности структуры (20), второй слой окисла (12) остается на торцах структуры и легирования кремния примесью активной базы (21).

На фиг.3.6. представлен разрез структуры после осаждения третьего слоя поликристаллического кремния (13), легирование его примесями эмиттера (14) транзистора и термического отжига структуры для формирования слоев базы (22) диффузией примеси из первого слоя поликристаллического кремния, активной базы (23) из кремния и эмиттера (24) диффузией примеси из третьего слоя поликристаллического кремния.

Указанное выполнение предлагаемого способа по второму варианту приводит к тому, что в дополнение к первому варианту, в результате использования маски второго слоя нитрида кремния происходит удаление как первого слоя, так и второго слоя окисла кремния жидкостным травлением, что исключает внесение дефектов в структуру кремния ИС.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого способа. 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.

Пример:

На подложке кремния КЭФ 1(100) окислением формируется первый слой окисла кремния, толщиной 600 ., методом пиролиза при 620°С осаждается первый слой поликристаллического кремния толщиной 2500 , окислением формируется слой окисла кремния ˜1000 , имплантацией бора через слой окисла легируется первый слой поликристаллического кремния с Е=50 кэВ и Д=600 мккул/см². Далее методом пиролиза осаждается при 780°С слой нитрида кремния, толщиной 1500 . Через маску фоторезиста плазмохимией производится вскрытие окон вначале в слоях нитрида кремния, окисла кремния, а затем и поликристаллического кремния селективно до окисла кремния, далее производится жидкостное травление слоя окисла кремния в HF под первьм слоем поликристаллического кремния на 1000 на сторону, пиролитически при 620°С осаждается второй слой поликристаллического кремния толщиной 500 , термообработкой в окислительной среде образуется второй слой окисла кремния прокислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, методом пиролиза при 780°С осаждается второй слой нитрида кремния толщиной 500 . Нитрид кремния плазмохимически травится на горизонтальных участках структуры селективно до окисла кремния, далее под маской нитрида кремния производится вскрытие окон во втором слое окисла методом жидкостного травления в HF до кремния, выполняется легирование кремния примесью активной базы (бор с Е=40 кэВ и Д=3 мккул/см²), методом пиролиза осаждается при 620°С третий слой поликристаллического кремния 2000 , легируется мышьяком с Е=100 кэВ и Д=1500 мккул/см², затем вся структура отжигается при 950°С в течение 30-40 мин.

Данный пример является иллюстрацией второго варианта предлагаемого способа при формировании структуры биполярного транзистора NPN типа.

Литература

1. Electronics Letters, 14 th April, 1983, v.l9, N 8.

2. JP, заявка, 63 - 4492, Н 01 L 21/364, 1988.

3. US, патент, 4886569, Н 01 L 21/306, 1989.

4. Авторское свидетельство СССР N 1176774, H 01 L 21/18, 1984.

Использование: микроэлектроника, технология изготовления интегральных схем на биполярных транзисторах, изготовленных с использованием методов самосовмещенной технологии. Сущность изобретения: в способе изготовления биполярного транзистора, включающем нанесение на подложку кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния, травление первого слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью эмиттера транзистора и термообработку. До легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния. Травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением. Перед вскрытием окон во втором слое окисла кремния осаждают второй слой нитрида кремния, травят его методом плазмохимического травления до второго слоя окисла кремния. Второй слой окисла кремния удаляют методом жидкостного травления, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора. Техническим результатом изобретения является улучшение структурного совершенства поверхности кремния за счет сокращения процессов плазмохимического травления кремния в окне эмиттера транзистора, создания надежной изоляции между слоями поликристаллического кремния, выполняющих роль электродов в транзисторе, улучшение воспроизводимости параметров физической структуры транзистора в результате раздельных процессов легирования активной базы и эмиттера. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ изготовления биполярного транзистора, включающий формирование на подложке кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния, травление слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью эмиттера транзистора и термообработку, отличающийся тем, что до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.2. Способ изготовления биполярного транзистора, включающий формирование на подложке кремния первого слоя окисла кремния и первого слоя поликристаллического кремния, легирование первого слоя поликристаллического кремния примесью базы, осаждение слоя нитрида кремния, вскрытие окон в слоях нитрида кремния, поликристаллического кремния и окисла кремния до кремния, травление слоя окисла кремния под первым слоем поликристаллического кремния, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, проведение термообработки и образование второго слоя окисла кремния окислением второго слоя поликристаллического кремния до кремния, вскрытие окон во втором слое окисла до кремния, осаждение третьего слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью эмиттера транзистора и термообработку, отличающийся тем, что до легирования первого слоя поликристаллического кремния на нем окислением образуют третий слой окисла кремния, вскрывают окна в слоях нитрида кремния, третьего окисла кремния и первого поликристаллического кремния методом плазмохимического травления до первого слоя окисла кремния, травление первого слоя окисла кремния под поликристаллическим кремнием производят жидкостным травлением, перед вскрытием окон во втором слое окисла кремния осаждают второй слой нитрида кремния, травят его методом плазмохимического травления до второго слоя окисла кремния, а второй слой окисла кремния удаляют методом жидкостного травления, а до осаждения третьего слоя поликристаллического кремния поверхность кремния легируют примесью активной базы транзистора.3. Способ по пп.1 и 2, в которых толщина второго слоя поликристаллического кремния должна быть не менее половины толщины большего по толщине из слоев первого и второго окислов кремния.