Способ изготовления латерального биполярного транзистора с изолированным затвором на структуре "кремний на изоляторе" Российский патент 2023 года по МПК H01L29/768 H01L21/328 B82Y40/00 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению транзисторов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ) с субмикронной толщиной приборного слоя.

Известна конструкция биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) и способ его изготовления на структуре КНИ с толстым приборным слоем, описанные в патенте US 6191456 В1 от 20.02.2001 «Lateral IGBT in a SOI configuration and method for its fabrication».

Недостатком предложенного решения является необходимость использования исходных структур КНИ с толщиной приборного слоя несколько мкм, а также необходимость эпитаксии дополнительного слоя кремния, что существенно усложняет технологический процесс и требует применения дорогостоящего технологического оборудования. Большая толщина приборного слоя обуславливает необходимость формирования глубокой щелевой изоляции, что также приводит к новым особенностям и усложнению технологии изготовления.

В патенте US 5382818 А от 17.01.2017 «Lateral semiconductor-on-insulator (SOI) semiconductor device having a buried diod» предложен способ изготовления латерального БТИЗ на структуре КНИ с толщиной захороненного оксида 0,1÷0,3 мкм и с толщиной приборного слоя более 0,5 мкм.

Недостатком данного аналога является несовместимость со стандартной комплементарной металл-оксид-полупроводник (КМОП) технологией изготовления интегральных схем (ИС) на структурах КНИ с приборным слоем толщиной 0,2 мкм.

Прототипом для предлагаемого изобретения является патент US 6191453 В1 от 20.02.2001 «Lateral insulated-gate bipolar transistor (LIGBT) device in silicon-on-insulator (SOI) technology». В данном патенте предложен способ изготовления БТИЗ на структуре КНИ с приборным слоем толщиной более 1 мкм.

Недостатком прототипа также является несовместимость со стандартной КМОП-КНИ технологией изготовления ИС на структуре КНИ с приборным слоем толщиной 0,2 мкм.

Также стоит отметить, что в прототипе формируют область поверхностной изоляции, что существенно удлиняет и усложняет маршрут. Так как требует формирования маски из нитрида кремния, долгого процесса высокотемпературного отжига и дальнейшего удаления маски из слоя нитрида кремния.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа изготовления субмикронного латерального БТИЗ на структуре КНИ с приборным слоем толщиной 0,2 мкм, совместимого со стандартной КМОП-КНИ технологией изготовления ИС.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение номенклатуры изделий, изготавливаемых по КМОП-технологическому процессу с использованием в качестве исходных подложек структур КНИ с субмикронной толщиной приборного слоя, а именно создание дискретных высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором с напряжением пробоя более 200 В.

Технический результат достигается тем, что латеральный биполярный транзистор с изолированным затвором изготавливают на структуре «кремний на изоляторе» с приборным слоем толщиной 0,2 мкм, путем формирования в приборном слое слаболегированной области базы такой длины, чтобы в готовой структуре она была не менее длины области пространственного заряда р-n перехода между этой областью и эмиттером, области эмиттера по Т-образной маске так, чтобы эмиттер имел перпендикулярный выступ, заходящий в область истока, и коллектор, затем формирования области истока транзистора и сильнолегированной области базы. На полученной структуре формируют подзатворный оксид кремния. Создают поликремниевый затвор над областью эмиттера, за исключением области перпендикулярного выступа эмиттера, длиной не менее длины эмиттера. Формируют спейсеры транзистора путем осаждения слоя оксида кремния, дальнейшего безмасочного травления до остаточной толщины оксида кремния равного толщине подзатворного оксида кремния. Остаточный оксид кремния удаляют по маске для формирования контактов. Создают контакты посредством силицидирования не закрытых оксидом кремния областей истока, эмиттера, коллектора, при этом контакт к истоку и не закрытой оксидом кремния части перпендикулярного выступа эмиттера выполняют единым.

Рассмотрим подробнее способ изготовления оригинального БТИЗ на структуре КНИ с приборным слоем 0,2 мкм на примере n-канального варианта.

Изобретение поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 представлено схематическое изображение топологии n-канального БТИЗ.

На фигуре 2 показана структура транзистора на основных этапах предлагаемого способа изготовления:

а - структура на этапе формирования слаболегированной базы транзистора в сечении В-В;

б - структура на этапе формирования кармана (эмиттера) и коллектора в сечении В-В;

в - структура на этапе формирования истока и сильнолегированной области базы в сечении В-В;

г - вид сверху структуры со сформированными областями истока, эмиттера (кармана), коллектора, слаболегированной и сильнолегированной базы;

д - структура на этапе формирования подзатворного оксида кремния и формирование поликремниевого затвора в сечении А-А;

е - структура на этапе формирования формирование спейсеров в сечении В-В;

ж - структура на этапе формирования формирование спейсеров в сечении А-А.

На фигуре 3 приведены зависимости плотности тока коллектора от напряжения на коллекторе структур, изготовленных предложенным способом, при разных значениях приложенного напряжения на поликремниевом затворе транзистора, полученные посредством численного моделирования.

На фигуре 4 приведена зависимость напряжения пробоя БТИЗ от длины слаболегированной области базы транзистора.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

1 - карман транзистора (эмиттер);

2 - исток транзистора;

3 - поликремниевый затвор;

4 - слаболегированная область базы;

5 - сильнолегированная область базы;

6 - коллектор;

7 - кремниевая подложка структуры КНИ;

8 - захороненный оксид кремния;

9 - приборный слой исходной структуры КНИ;

10 - подзатворный оксид кремния;

11 - спейсеры транзистора.

Изобретение осуществляется следующим образом.

На пластине КНИ, состоящей из кремниевой подложки 7 структуры КНИ, захороненного оксида кремний 8, приборного слоя 9 исходной структуры КНИ, формируют слаболегированную область базы 4 методом ионной имплантации примеси фосфора по маске и последующего отжига (фиг. 2а). Длину слаболегированной области базы изготавливают такой, чтобы в готовой структуре она была не менее длины области пространственного заряда р-n перехода между этой областью и эмиттером.

Далее посредством ионной имплантации бора формируют карман (эмиттер) транзистора 1 по Т-образной маске так, чтобы эмиттер имел перпендикулярный выступ, заходящий в область истока конечной структуры тразистора (фиг. 2б, 2г). Потом ионной имплантацией бора по маске формируют коллектор 6 (фиг. 2б).

Затем ионной имплантацией фосфора по маске формируют области истока транзистора 2 и сильнолегированную область базы 5. Последующим отжигом активируют примесь (фиг. 2в, г).

Далее посредством высокотемпературного окисления в среде кислорода формируют подзатворный оксид кремния 10. Осаждают поликремний, легируют слой поликремния и травлением по маске формируют поликремниевый затвор 3 над областью эмиттера за исключением области перпендикулярного выступа эмиттера (фиг. 2д), при этом длину затвора выбирают не менее длины эмиттера (вне области перпендикулярного выступа, фиг. 1).

Далее формируют спейсеры 11 транзистора путем осаждения слоя оксида кремния, дальнейшего безмасочного травления до остаточной толщины оксида кремния равного толщине подзатворного оксида кремния 10. Затем для проведения силицидирования истока, эмиттера, коллектора транзистора, остаточный оксид кремния удаляется по маске (фиг. 2е, ж).

Процесс завершается формированием контактов посредством силицидирования не закрытых оксидом кремния областей.

Вследствие формирования эмиттера транзистора Т-образной топологии (фиг. 1, фиг. 2г, е, ж) исток транзистора и незакрытая оксидом кремния часть кармана транзистора (часть перпендикулярного выступа эмиттера) силицидируются одновременно, имеют общий контакт.

На фигуре 3 приведены зависимости плотности тока коллектора от напряжения на коллекторе оригинальных n-канальных транзисторов с длиной кармана транзистора 0,5 мкм, длиной слаболегированной области базы 7 мкм при разных значениях приложенного напряжения Ug на поликремниевый затвор транзистора, где а - при Ug=0,4 B; b - при Ug=0,5 B; с - при Ug=0,6 B; d - при Ug=0,7 B; е - при Ug=0,8 B; f - при Ug=0,9 B; g - при Ug=1,0 В; h - при Ug=1,1 В.

На фигуре 3 наблюдается увеличение напряжения пробоя и уменьшение плотности тока при уменьшении напряжения на затворе БТИЗ. Таким образом, при напряжении на затворе равном 0,4 В, ток транзистора шириной 1 см будет менее 1е-9А, а напряжение пробоя более 150 В. Такие транзисторы являются высоковольтными.

Так как значение тока зависит от ширины транзистора, то при напряжении на затворе 1,1 В, в приведенном транзисторе, шириной 1 см будет течь ток 0,1 А. Такие транзисторы можно применять в мощных ИС.

Увеличение длины слаболегированной области базы приведет к увеличению напряжения пробоя транзистора. На фигуре 4 приведена зависимость напряжения пробоя от длины слаболегированной области базы, полученная численным моделированием, которая показывает полученное напряжение пробоя 200 В при длине слаболегированной области базы 1000 мкм, с длиной кармана транзистора 0,5 мкм, концентрацией примеси 1e18 см^-3 при напряжении на затворе Ug=1,1 В (ток коллектора порядка 1 е-5А/мкм).

Формирование перпендикулярного выступа эмиттера (кармана) транзистора связано с необходимостью совместного силицидирования областей эмиттера и истока транзистора с целью приложения одинакового нулевого напряжения на эти области, что позволяет изготавливать БТИЗ на структурах КНИ.

Таким образом, использование предложенного способа изготовления БТИЗ на структуре КНИ с толщиной приборного слоя 0,2 мкм позволяет получить высоковольтные транзисторы, напряжение пробоя которых более 200 В и изготавливать БТИЗ как дискретные элементы, так и с управляющей полупроводниковой схемой в составе интеллектуальных силовых модулей.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению транзисторов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ) с субмикронной толщиной приборного слоя. Транзистор изготавливают на структуре КНИ, путем формирования в приборном слое толщиной 0,2 мкм слаболегированной области базы, области эмиттера по Т-образной маске так, чтобы эмиттер имел перпендикулярный выступ, заходящий в область истока, и коллектор, затем формирования области истока транзистора и сильнолегированной области базы. Затем формируют подзатворный оксид кремния, создают поликремниевый затвор над областью эмиттера, за исключением области перпендикулярного выступа эмиттера, формируют спейсеры транзистора. Остаточный оксид кремния удаляют по маске для формирования контактов. Контакт к истоку и не закрытой оксидом кремния части перпендикулярного выступа эмиттера выполняют единым. Технический результат заключается в расширении номенклатуры изделий, изготавливаемых по КМОП-технологическому процессу, а именно создание дискретных высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором с напряжением пробоя более 200 В. 4 ил.

Способ изготовления латерального биполярного транзистора с изолированным затвором на структуре «кремний на изоляторе», включающий формирование слаболегированной области базы, эмиттера, сильнолегированные области истока, базы и коллектора, отличающийся тем что транзистор изготавливают на структуре «кремний на изоляторе» с приборным слоем толщиной 0,2 мкм, путем формирования в приборном слое слаболегированной области базы, длиной не менее длины области пространственного заряда р-n перехода, расположенного между областями эмиттера и слаболегированной области базы, области эмиттера по Т-образной маске так, чтобы эмиттер имел перпендикулярный выступ, заходящий в область истока, и коллектор, затем формирования области истока транзистора и сильнолегированной области базы, далее на полученной структуре формируют подзатворный оксид кремния, затем создают поликремниевый затвор над областью эмиттера за исключением области перпендикулярного выступа эмиттера, при этом длину затвора выбирают не менее длины эмиттера, далее формируют спейсеры транзистора путем осаждения слоя оксида кремния, дальнейшего безмасочного травления до остаточной толщины оксида кремния равного толщине подзатворного оксида кремния, остаточный оксид кремния удаляют по маске для формирования контактов, создают контакты посредством силицидирования не закрытых оксидом кремния областей истока, эмиттера, коллектора, при этом контакт к истоку и не закрытой оксидом кремния части перпендикулярного выступа эмиттера выполняют единым.