Интегральная биполярная структура Советский патент 1992 года по МПК H01L27/82 

Изобретение относится к конструкциям полупроводниковых приборов, в точнее к конструкции интегральных биполярных структур (И Б С), и может использоваться при проектировании аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов (БМК).

Известна ИБС, содержащая полупроводниковую подложку с эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы подконтактная область проводимости, первая и вторая области р-типа проводимости, внутри второй области р-типа проводимости сформирована область п -типа проводимости, поверхность эпитаксиал ьного слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем вышеуказанным областям.

Данная ИБС позволяет при различных внешних соединениях реализовать вертикальный транзистор, эмиттером которого является область п -типа проводимости, базой - вторая область р-типа проводимости, коллектором - эпитаксиальный слой, коллекторным контактом - подконтактная область; горизонтальный р - п - р-транзистор, эмиттером которого является вторая область р-типа проводимости (или первая), базой - эпитаксиальный слой с подконтактной областью Путина проводимости, коллектором - первая область р-типа проводимости (или вторая).

Однако обеспечение минимальной площади кристалла обуславливает низкий коэффициент усиления горизонтального р - п -р-транзистора из-за отсутствия кольцевого коллектора. Наличие по одному контакту

Ч J Os

4 О

к областям эмиттера, коллектора и базы как п - р - п, так р - п - р-транзисторов вызывает фиксированную последовательность расположения выводов, коллектор - база - эмиттер для п - р - n-транэистора, усложняющую выполнение соединений на БМК. Полная изоляция эпитаксиального слоя, являющегося коллектором п - р - n-транзистора, обеспечивая хорошие частотные характеристики, требует значительного усложнения технологического процесса. Кроме того, эта ИБС имеет плохие переключательные свойства из-за наличия оборванного эмиттера неиспользуемого транзистора.

Известна ИБС, содержащая полупроводниковую подложку с эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы под- контактная область п -типа проводимости, первая, вторая и третья области р-типа проводимости, причем первая и вторая области выполнены в виде двух полуколец, окружающих третью обл-асть, внутри первой и второй области сформированы перьая и вторая области проводимости, поверхность эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем указанным областям, и два окна к под- контактной области.

Данная ИБС позволяет путем различных соединений реализовать два п - р - n-транзистора с объединенными коллекторами; двухколлекторный р - п - р-транзит- сор.

Выполнение первой и второй области р-типа проводимости в виде полуколец, являющихся коллекторами горизонтальных р

-п - р- и базами вертикальных п - р - n-транзисторов, повышает коэффициент усиления по току р - п - р-транзистора по каждому из коллекторов, причем параллельное соединение коллекторов такого р - п - р-транзистора еще более увеличивает его усиление.

Фиксированная последовательность расположения выводов как п - р - п, так и р

-п - р-транзисторов. коллектор - база - эмиттер для п - р - п и база - коллектор - эмиттер для р - п - р, наличие вскрытых окон в подконтактной области только с одной сторон ы от центральной части схемы усложняет выполнение соединений на БМК.

Расположение областей п+-типа проводимости, являющихся эмиттерами п - р - n-транзисторов внутри первой и второй областей р-типа проводимости, имеющих форму полуколец, приводит к тому, что области п -типа проводимости должны располагаться в расширенных частях полуколец и иметь форму, близкую к квадрату (шестиугольник, круг и т.д.), что существенно ухудшает частотные свойства п - р - п-трэнзисторов,

выполнение же областей п -типа проводимости в виде полосок в расширенных частях полуколец увеличивает размеры последних, а также емкости р - n-переходов и ухудшает частотные свойства.

0 Кроме того, данное техническое решение обладает плохими переключательными свойствами,

Наиболее близкой к предлагаемой является ИБС, содержащая полупроводниковую

5 подложку р-типа проводимости с эпитаксти- альным слоем п-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы две подконтактные области п+-типа проводимости, первая, вторая области р-типа прово0 димости, причем первая и вторая области, имеющие L-обраэную форму, окружают третью область и не соприкасаются между собой, внутри первой и второй областей р-типа проводимости сформированы первая и

5 вторая области п+-типа проводимости, под- контактные области расположены по разные стороны от третьей области, поверхность эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные ок0 на и сформированы омические контакты ко всем указанным выше областям.

Данная конструкция ИБС позволяет реализовать 2 п - р - n-транзистора с объеди- ненным коллектором с различной

5 последовательностью расположения выводов: коллектор - база - эмиттер, коллектор

-эмиттер - база, а также двухколлекторный р-п- р-транзистор с последовательностью выводов база - коллектор - эмиттер, база 0 эмиттер - коллектор. Кроме того, расположение подконтактных областей по разные стороны от третьей области дает возможность использовать их в качестве низкоом- ного резистора нырка. Расположение

5 подконтактных областей между L-образны- ми областями обуславливает отсутствие замкнутой (кольцевой) области р-типа (коллектора горизонтального р - п - р-транзистора), что уменьшает собирание

0 неосновных носителей, инжектированных эмиттером р - п - р-транзистора (третья область р-типа проводимости) и таким образом уменьшает коэффициент усиления р - п

-р-транзистора по току.

5 Однако расположение областей п -типа проводимости внутри расширенных частей L-образных областей приводит к ухудшению частотных свойств. Кроме того, данное техническое решение обладает плохими переключательными свойствами.

Недостатками известного технического решения являются низкий коэффициент усиления по току р - п - р-транзистора, плохие переключательные и частотные свойства.

Цель изобретения - улучшение частотных, переключательных и усилительных характеристик.

Цель достигается тем, что в ИБС, содержащей подложку р-типа проводимости с эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, в изолированной области которого расположены две подконтактные области п+-типа проводимости, горизонтальный р - п - р-транзистор и две вертикальных п - р - n-транзистора, расположенные симметрично относительно области эмиттера горизонтального транзистора, при этом базовой и коллекторной областями горизонтального транзистора являются соответственно коллекторная и базовая области вертикальных транзисторов, маскирующее покрытие, в окнах которого сформированы омические контакты к указанным областям, систему внешних соединений, согласованную со схемой, дополнительно вокруг эмиттерной области горизонтального р - п - р-транзистора сформированы идентичная ей первая замкнутая область и вторая замкнутая область того же типа проводимости, частично перекрывающие области баз вертикальных транзисторов, при этом степень легирования эмиттерной области горизонтального р

-п - р-транзистора больше, а глубина залегания меньше соответствующих параметров базовых областей вертикальных п - р - n-транзисторов, а глубина залегания второй замкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных п - р

-п-транзисторов,

Система внешних соединений может быть выполнена двумя способами.

Область эмиттера горизонтального р - п - р-транзистооа может быть электрически соединена с коллекторной областью вертикального п - р - n-транзистора или же замкнутые области могут быть электрически соединены с областями эмиттеров вертикальных п - р - п-транзисторов.

Введение вокруг эмиттерной области горизонтального р - п - р-транзистора первой замкнутой области, частично перекрывающей области баз и не контактирующей с областями эмиттеров вертикальных транзисторов, обеспечивает меньшее расстояние между эмиттерной и коллекторной областями горизонтального транзистора, чем между эмиттерной областью р - п - р-транзистора и базовыми областями п - р

-n-транзистора, так как в противном случае

замкнутая область либо полностью перекрывалась бы областями без вертикальных п - р - п-транзисторов, либо их окружала. Выполнение указанного условия обеспечи- 5 вает формирование базы горизонтального р - п - р-транзистора между наиболее близко расположенными областями (замкнутой и эмиттерной) р - п - р-транзисторов. Так как первая замкнутая область сформирована в 0 том же слое р-типа проводимости, что и эмиттерная область горизонтального р- п - р транзистора, минимальное расстояние между ними будет определятся только рас- травом маскирующего покрытия и фоторе- 5 зистора и боковой диффузией, и поэтому может быть выполнено малым ( 1,0 мкс) с высокой воспроизводимостью. При формировании эмиттерной и коллекторной областей горизонтального р - п - р-транзистора 0 в разных слоях расстояние между ними зависит также от рассовмещения фотошабло- нов, допустимое значение которого составляет 1,0 мкм, при этом толщины базы лежит в пределах (0,2 - 0,4} - (2,2 - 2,4) мкм, 5 что существенно ухудшает либо пробивное напряжение, либо коэффициент усиления по току и делает невоспроизводимым формирование р - п - р-транзисторов. Если вторая замкнутая область имеет глубину более 0 глубины залегания базовых областей вертикальных п - р - п-транзисторов, то она эффективно собирает неосновные носители, инжектированные эмиттером горизонтального р - п - р-транзистора и увеличивает его 5 коэффициент усиления,

Возможен случай, когда вторая замкну-. тая область имеет глубину, равную глубине залегания базовых областей Однако при этом необходимо учесть, что введенные первая замкнутая и эмиттерная области гори- 0 зонтального транзистора имеют степень легирования больше, а глубину залегания меньше, что обеспечивает увеличение собирания носителей, инжектированных эмиттерной областью горизонтального р - п - 5 р-транзистора за счет увеличения параметра (по кольцу) и площади собирающей части (носители собирает как первая замкнутая область так и более глубоко залегающие участки баз вертикальных п - р - п-транзи- 0 сторов - вторая замкнутая) Таким образом, введение замкнутых областей увеличивает собирание носителей, а формирование эмиттерной области горизонтального транзистора с высокой степенью легирования 5 увеличивает эффективность эмиттера р - п - р-транзистора Суммарным эффектом будет увеличение коэффициента усиления по току. С другой стороны, замкнутые обпасти не контактируют с эмиттерными областями

вертикальных n - р - n-транзисторов, так что их коэффициент усиления не изменяется.

Если n - р -n-транзистор полупроводникового прибора работает в режиме насыщения, а эмиттер р - n - р-транзистора оборван, эмиттерный переход р - n - р- транзистора смещается в прямом направле- нии и в коллекторной области n - р -n-транзистора накапливается заряд, что ухудшает переключательные свойства n - р - n-транзмстора. Аналогичный эффект существует и в р - n - р-транзисторе, если он находится в состоянии насыщения, а эмиттер n - р - n-транзистора оборван.

Когда ИБС используется как биполярный транзистор определенного типа проводимости, система внешних соединений формируется таким образом, что неиспользуемый р - п-переход находится при нулевом напряжении и неиспользуемый транзистор не входит в режим насыщения, накапливания носителей в коллекторной области работающего транзистора не происходит и его переключательные свойства не ухудшаются.

С точки зрения частотных свойств ИБС имеет минимально возможную длину а, определяемую только минимально возможными размерами эмиттерной области горизонтального р - n - р-транзистора, замкнутой области и окна к указанной эмиттер- ной области (составляющие для современных ИС 8 мкм + 6 мкм + 8 мкм 22 мкм) минимально возможное сопротивление базовой области, определяемое практически только расстоянием от замкнутой области до эмиттерных областей; возможность формирования эмиттерных областей в виде узких полосок, длиной для указанных размеров 18 мкм и шириной, определяемой минимально допустимыми размерами технологического процесса; уменьшенное объемное сопротивление коллектора из-за возможности формировать протяженные подконтактные области длиной а, равной или превышающей длину эмиттерных областей. Все эти свойствами ИБС ведут к улучшению ее частотных характеристик,

Предлагаемая совокупность областей при соответствующей системе внешних соединений обеспечивает возможность работы структуры в качестве вертикальных n - р

-n-транзисторов с объединенным коллектором (при системе внешних соединений, когда область эмиттера горизонтального р - n

-р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального n - р -n-транзистора); горизонтального р - n - р-транзистора (при системе внешних соединений, когда замкнутые области электрически соединены с областями эмиттеров вертикальных n - р - п-транзиеторов).

Данная ИБС очень удобна для использования в БМК, так как она позволяет реализовать одноколлекторный р - n - р-транзистор с аналогичной известным последовательностью выводов, но значительно большим коэффициентом усиления, На фиг. 1-3 схематически представлена

0 предлагаемая ИБС, при этом фиг.2 поясняет ИБС в том случае, когда глубина залегания второй замкнутой области равна глубине залегания, а фиг.З - когда она более глубины залегания базовых областей вертикальных

5 n - р - п-транзисторов.

ИБС содержит полупроводниковую подложку р-типа проводимости 1 с эпитак- сиальным слоем 2, в котором при помощи разделительных областей 3 сформирована

0 изолированная область. В изолированной области сформированы две подконтактные области 4 n -типа проводимости, скрытый слой 5, п+-типа проводимости, две базовые области б n - р - n вертикальных транзисто5 ров, две эмиттерные области 7, п+-типа проводимости, эмиттерная область 8 р - n - р горизонтального транзистора, первая замкнутая область 9, р-типа проводимости того же типа проводимости, той же концентра0 ции носителей и глубины залегания, что и эмиттерная область р - п - р-транзистора и вторая замкнутая область 13, поверхность ИБС покрыта маскирующим покрытием 10, а окнах 11 которого сформированы омиче5 ские контакты 12 к указанным областям.

ИБС при соответствукж1ей системе внешних соединений обеспечивает возможность работы в качестве вертикальных n - р -n-транзисторов с объединенным коллекто0 ром, которым является эпитаксиальный слой 2, базами - областями б, эмиттерами - области 7; горизонтального р - n - р-транзистора, коллектором которого является замкнутая область 9 совместно с областями б,

5 базой - эпитаксиальный слой 2, эмиттером

-область 8.

При работе ИБС в качестве вертикального n - р - n-транзистора. коллектор последнего 2 соединяется с эмиттером 8

0 горизонтального транзистора. При этом эмиттерный переход горизонтального транзистора находится при нулевом напряжении . При любом режиме работы вертикального n - р - n-транзистора р - n 5 р-транзистор не переходит в режим насыщения, добавочное накопление заряда неосновных носителей заряда в коллекторной области n - р - n-тразистора не наступает, что улучшает переключательные свойства n

-р - п-транзистора.

При работе ИБС в качестве горизонтального р - п - р-транзистора коллектор 9 последнего соединяется с эмиттерами 7 п - р - n-транэисторов, при этом не ухудшаются переключательные свойства р - г - р-транзистора.

Работа транзисторов в статическом режиме происходит известным образом.

Пример (для фиг.2).

На кремниевой пластине с эпитаксиаль- ным слоем и со скрытым слоем 76 5КЭФ1 ,0/6КЭС20

рг-ИОННОИ ИМП380ЭКДБ10-2 6(111)4° лантацией созданы области разделения р- типа проводимости глубиной xj 5,2 ± 0,8 мкм и поверхностным сопротивлением Rs - 50+.15 Ом/квадрат; ниэкоомной базы р-ти- па при xj 1,1+ 0,2 мкм и Rs 100-t 20 Ом/квадрат; высокоомной базы р-типа при xj 1,5 ± 0,2 мкм и Rs 750 + 150 Ом/квадрат; эмиттера п -типа проводимости при xj 0,7 ±0,1 мкм и Rs 28 ±3 Ом/квадрат; глубокого коллектора п+-типа проводимости при Xj 4,2± 0,5 мкм и Rs 25i 5 Ом/квадрат.

Ловерхность эпмтаксиальной пленки покрыта термическим окислом кремния толщиной 0,25 ± 0,02 мкм, в котором вскрыты окна и сформированы элементы металлизации на основе алюминия и ванадия. Полученные структуры покрыты пассивирующим слоем окисла толщиной 0,45 мкм.

Сформированы структуры двух типов: с топологией прототипа и топологией данного решения.

Топология прототипа имела L-образные базовые области п - р - n-транзисторов, в которых сформированы эмиттерные области п -типа в виде квадрата со стороной 8 мкм, базовые области п - р - п -транзисторов не соприкасались между собой. В данном решении эмиттер п - р - п-транзистора Выл выполнен в виде полоски шириной 4 мкм и длиной 18 мкм, имеющей утолщение для контактного окна. Первая замкнутая область и эмиттер горизонтального р - п - р-транзистора сформированы в слое низко- омной базы р+-типа проводимости. Вторая замкнутая область сформирована в слое вы- сокоомной р-базы.

Измерйлись следующие параметры: коэффициент усиления по току горизонтального р - п - р-транзистора при эмиттерном токе 1э 0,1 мА и напряжения коллектор - эмиттер Uo 5,0 В (п21Е); модуль коэффициента передачи тока (/h2ic/) на высокой частоте п - р - n-транзистора при эмиттерном токе Ь 10 мА, напряжении коллеккф7база 5,0 В и частоте f 100 мГц; частота генерации кольцевого генератора, состоящего из 5 инверторов, каждый из которых включал п - р -- n-транзистор с коллектором, соединенным через резистор 4,5 кОм с шиной пита- 5 ния, а эмиттер заземлен.

Результаты измерений приведены в таблице.

Предлагаемая ИБС имеет коэффициент

усиления по току р -- п - р-транзистора в 5,7

0 раз больше, модуль коэффициента передачи

в 1,64 раза больше, задержку на вентиль в

1,22 раза меньше, чем прототип.

Таким образом, изобретение обеспечивает увеличение коэффициента усиления р- 5 п - р-транзистора за счет увеличения концентрации примеси в эмиттере с одновременным увеличением площади коллектора, собирающей неоснованые носители заряда (ННЗ) в базе; улучшение переключательных 0 свойств за счет исключения накапливания ННЗ в коллекторных областях как вертикальных п - р - п-, так и горизонтальных р - п - р -транзисторов; оптимальное расположение областей, позволяющее использо- 5 вать полупроводниковый прибор в БМК и осуществлять различные виды соединений; возможность формирования эмиттеров п - р - n-транзисторов в виде узких полосок, а следовательно, улучшение частотных 0 свойств, обеспечение минимальной площади ИБС.

Формула изобретения 1. Интегральная биполярная структура, содержащая ггодложку р-типэ проводимо- 5 сти с эпитаксиальным слоем n-типа проводимости, в изолированной области которого расположены две подконтактные области п+-типа проводимости, горизонтальный р - п - р-транзистор и два вертикальных п р- 0 n-транзистора, расположенные симметрично относительно области эмиттера горизонтального транзистора, при этом базовой и коллекторной областями горизонтального транзистора являются соответственно кол- 5 лекторная и базовая области вертикальных транзисторов, маскирующее покрытие, в окнах которого сформированы омические контакты к указанным областям, систему внешних соединений, согласованную со 0 схемой, отличающаяся тем, что, с целью улучшения частотных переключательных и усилительных характеристик прибора, вокруг эмиттерной области горизонтального р - п - р-транзистора сформированы идентич- 5 ная ей первая замкнутая область и вторая замкнутая область того же типа проводимости, частично перекрывающие области баз вертикальных транзисторов, при этом степень легирования эмиттерной области горизонтального р - п - р-транзистора больше,

а глубина залегания меньше соответствующих параметров базовых областей вертикальных п - р - п-транзисторов, а глубина залегания второй замкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных п - р - п-транзисторов,

2. Структура по п. 1отличающаяся тем, что область эмиттера горизонтального р

- п - р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального р - п - р-транзистора.

3. Структура поп.1,отличающаяся тем, что дополнительная замкнутая область электрически соединена с областями эмиттеров вертикальных п - р - п-транзисторов.

Использование: проектирование аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов. Сущность изобретения: интегральная схема содержит горизонтальный p-n-р- и два вертикальных п-р-п-транзи- стора, вокруг эмиттерной области горизонтального транзистора сформированы две замкнутые области того же типа проводимости, что и эмиттер горизонтального транзистора, частично перекрывающие области баз вертикальных транзисторов, при этом первая замкнутая область идентична эмиттеру горизонтального транзистора, степень легирования которого больше, а глубина залегания меньше баз вертикальных транзисторов, а глубина.залегания второй замкнутой области - не менее глубины залегания баз вертикальных транзисторов. 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил. У Ё

Фиг. 1

7 7 Ш

ь, Г . .1../I I гЦ,

-л и

-У//г/V-xV-Л

11llilG 92374

e. 9 2

. 2

Фиг.З

21543