Комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы

 

Использование: микроэлектроника, комплементарные биполярные транзисторные структуры интегральных схем. Сущность изобретения: комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы содержит биполярные n-p-n- и p-n-p-транзисторы, выполненные в многослойной полупроводниковой структуре и изолированные областями диэлектрика. Проводники к областям эмиттера, базы и коллектора каждого транзистора присоединены к соответствующим областям и изолированы слоями диэлектрика. Область коллектора p-n-p-транзистора отделена от подложки p-типа проводимости областью n-типа проводимости. Проводники к областям эмиттера n-p-n-транзистора и базы p-n-p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния первого уровня, легированного донорной примесью, проводники к областям базы n-p-n-транзистора и эмиттера p-n-p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния второго уровня, легированного примесью. Области эмиттеров указанных транзисторов сформированы диффузией из легированных поликремниевых проводников к этим областям. Проводники к областям коллекторов транзисторов выполнены из металла и присоединены к соответствующим областям на дне сформированных в структуре углублений. Расстояния между проводниками к областям транзисторов определены толщиной слоев диэлектрика, изолирующих проводники. Изобретение обеспечивает повышение плотности упаковки и быстродействия ИС. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно к разработке комплементарных биполярных транзисторных структур при производстве интегральных схем.

Для реализации ряда схематических решений требуется получение комплементарных биполярных транзисторных структур на одном кристалле в едином технологическом цикле. При этом и p-n-p и n-p-n-транзисторы должны иметь приемлемые параметры. В настоящее время существует целый ряд технологических разработок, которые позволяют реализовать такие структуры, но большинство из них реализует p-n-p-транзистор в латеральном исполнении, что резко ухудшает его характеристики и не дает возможности реализовать его в интегральной схеме.

Известна комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы, содержащая биполярные вертикальные n-p-n- и p-n-p-транзисторы, выполненные в многослойной p-n-p-n-структуре и изолированные областями диэлектрика, проводники к областям эмиттера, базы и коллектора каждого транзистора присоединены к соответствующим областям на дне сформированных в структуре углублений, выполненных в виде ступенек [1].

Наиболее близким аналогом к изобретению является комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы, содержащая биполярные n-p-n- и p-n-p-транзисторы, выполненные в многослойной полупроводниковой структуре на подложке p-типа проводимости и изолированные областями диэлектрика, проводники к областям эмиттера, базы и коллектора каждого транзистора присоединены к соответствующим областям и изолированы слоями диэлектрика, а область коллектора p-n-p-транзистора отделена от подложки p-типа проводимости областью n-типа проводимости [2].

К недостаткам известных структур можно отнести большую площадь, занимаемую транзисторами, контакты к областям транзисторов разделены значительными интервалами. Большие размеры транзисторов не позволяют достичь высокой степени интеграции и ограничивают быстродействие интегральной схемы, делают интегральную схему критичной к поражению дефектами, что снижает процент выхода годных. Кроме того, к недостаткам известных структур можно отнести и невозможность получения узких примесных профилей, значительную в силу использования несамосовмещенных технологий площадь p-n-переходов, протяженность технологического цикла, что в итоге ухудшает параметры структуры.

Техническим результатом изобретения является понижение коллекторного сопротивления у p-n-p-транзистора, существенное снижение площади транзисторной структуры и площади p-n-переходов, что в свою очередь обеспечивает повышение плотности упаковки и быстродействия ИС, также значительно сокращается технологический цикл изготовления структуры.

Это достигается тем, что в комплементарной биполярной транзисторной структуре интегральной схемы, содержащей биполярные n-p-n- и p-n-p-транзисторы, выполненные в многослойной полупроводниковой структуре на подложке p-типа проводимости и изолированные областями диэлектрика, проводники к областям эмиттера, базы и коллектора каждого транзистора присоединены к соответствующим областям и изолированы слоями диэлектрика, а область коллектора p-n-p-транзистора отделена от подложки p-типа проводимости областью n-типа проводимости, проводники к областям эмиттера n-p-n-транзистора и базы p-n-p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния первого уровня, легированного донорной примесью, проводники к областям базы n-p-n-транзистора и эмиттера p-n-p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния второго уровня, легированного акцепторной примесью, области эмиттеров указанных транзисторов сформированы диффузией из легированных поликремниевых проводников к этим областям, проводники к областям коллекторов n-p-n- и p-n-p-транзисторов выполнены из металла и присоединены к соответствующим областям на дне сформированных в структуре углублений, при этом расстояния между проводниками к областям эмиттера и базы и между проводниками к областям базы и коллектора каждого транзистора в месте присоединения проводников к соответствующим областям определены толщиной изолирующих проводники слоев диэлектрика. В качестве легирующей акцепторной примеси слоя поликристаллического кремния может быть использован бор, а в качестве легирующей донорной примеси слоя поликристаллического кремния может быть использован мышьяк. В качестве металла, из которого выполнены проводники к областям коллекторов транзисторов, может быть использован алюминий.

Концентрация легирующей примеси в слоях поликристаллического кремния выбрана из условия формирования проводников из поликремния, а также из условия формирования областей эмиттера транзисторов.

Данная конструкция предполагает формирование поликремниевых проводников к областям эмиттера и базы обоих типов транзисторов из слоев легированного поликристаллического кремния двух уровней, при этом проводники отделены друг от друга соответствующим слоем изолирующего диэлектрика, что значительно снижает площадь, занимаемую структурой. Возможность одновременного формирования проводников к областям обоих типов транзисторов из одного слоя легированного поликристаллического кремния позволяет получить комплементарные биполярные транзисторные структуры практически без увеличения числа литографий. Кроме того, использование поликристаллического кремния в качестве эмиттерного контакта позволяет получить мелкозалегающий эмиттерный переход, увеличить градиент концентрации примеси при одновременном создании контакта к эмиттеру.

На фиг. 1 представлены транзисторы предлагаемой комплементарной биполярной транзисторной структуры интегральной схемы, разрез; на фиг.2 - структура, вид сверху.

В полупроводниковой структуре на подложке p-типа проводимости 1 сформированы n-p-n- и p-n-p-транзисторы, окруженные изолирующими областями 2 двуокиси кремния с противоканальными областями 3. Области эмиттера 4, базы 5 и коллектора 6 n-p-n-транзистора сформированы соответственно в области n-типа проводимости, дополнительно сформированной в слое p-типа проводимости, в слое p-типа проводимости и в слое n-типа проводимости полупроводниковой структуры. Области эмиттера 7, базы 8 и коллектора 9 p-n-p-транзистора сформированы соответственно в области p-типа проводимости, сформированной в слое n-типа проводимости, в слое n-типа проводимости и в слое p-типа проводимости полупроводниковой структуры. Проводник 10 к области эмиттера n-p-n-транзистора и проводник 11 к области базы p-n-p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния первого уровня, легированного донорной примесью. Проводник 12 к области эмиттера p-n-p-транзистора и проводник 13 к области базы n-p-n-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния второго уровня, легированного акцепторной примесью. Проводник 14 к области коллектора n-p-n-транзистора и проводник 15 к области коллектора p-n-p-транзистора сформированы из металла и присоединены к соответствующим областям на дне сформированных в структуре углублений. Проводники к областям эмиттера, базы и коллектора транзисторов изолированы с разных сторон слоями 16 из диэлектрика.

Для получения представленной комплементарной биполярной транзисторной структуры интегральной схемы в полупроводниковой подложке p-типа проводимости формируют n⁺ скрытый слой n-p-n-транзистора и n-карман с p⁺ скрытым слоем для p-n-p-транзистора. Маскируют n-p-n-транзистор слоем окисла и проводят ионное легирование бора для формирования области коллектора p-n-p-транзистора. После формирования области коллектора p-n-p-транзистора проводят ионное легирование мышьяка для формирования области базы p-n-p-транзистора, удаляют окисел с поверхности n-p-n-транзистора, маскируют p-n-p-транзистор слоем фоторезиста, после чего проводят ионное легирование бором, формируют область базы n-p-n-транзистора. Затем формируют слой поликристаллического кремния, легированный мышьяком, формируют поликремниевый проводник к области эмиттера n-p-n-транзистора и к области базы p-n-p-транзистора из слоя поликристаллического кремния первого уровня, формируют изоляцию указанных проводников путем нанесения на проводники, покрытые слоем маскирующего окисла, слоя оксида и стравливания оксида с горизонтальных поверхностей структуры. Затем формируют поликремниевые проводники к области базы n-p-n-транзистора и к области эмиттера p-n-p-транзистора из слоя поликристаллического кремния второго уровня, легированного бором. Формируют боковую изоляцию поликремниевых проводников, проводят термообработку для формирования областей эмиттера. Затем формируют проводники к областям коллектора транзисторов из алюминия.

Пример. Был изготовлен прибор на кремниевой подложке p-типа проводимости (концентрация примеси 10¹⁴ см^-3), в которой были последовательно сформированы локальный скрытый слой n⁺-типа проводимости (концентрация примеси 10²¹ см^-3, толщина 1,5 мкм), низколегированная область n-типа проводимости (концентрация примеси 10¹⁵ см^-3, толщина 4 мкм), в которой сформирован локальный скрытый слой p⁺-типа проводимости (концентрация примеси 10²⁰ см^-3, толщина 1,5 мкм), а затем выращена эпитаксиальная пленка n-типа проводимости (концентрация примеси 5·10¹⁵ см^-3, толщина 1,0 мкм).

С использованием планарной технологии была изготовлена диэлектрическая изоляция активных областей транзисторных структур глубиной 1 мкм с p-типа охранными областями (концентрация примеси 10¹⁷ см^-3) под ней. Затем в меза-области p-n-p-транзистора при маскировании меза-области n-p-n-транзистора была сформирована область коллектора p-типа проводимости с использованием ионной имплантации бора с последующим термическим отжигом (концентрация примеси 10¹⁶ см^-3, глубина 1,0 мкм). После этого в этой же меза-области была сформирована область базы p-n-p-транзистора n-типа проводимости с использованием ионной имплантации мышьяка с последующим термическим отжигом при температуре 950^oC (концентрация примеси 10¹⁷ см^-3, глубина 0,3 мкм).

Затем в меза-области n-p-n-транзистора, при маскировании меза-области p-n-p-транзиcтора была сформирована область базы p-типа проводимости с использованием ионной имплантации бора с последующим термическим отжигом (концентрация примеси 10¹⁷ см^-3, глубина 0,4 мкм). После этого на поверхность был конформно осажден слой поликремния толщиной 0,2 мкм и проведена имплантация этого слоя мышьяком до концентрации примеси 10²¹ см^-3. После осаждения из газовой фазы низкотемпературного слоя оксида кремния, проведения фотолитографии и анизотропного плазмохимического травления с маской фоторезиста осажденных слоев окисла кремния и поликремния был сформирован первый уровень разводки и контакты к эмиттеру n-p-n и базе p-n-p биполярных транзисторов. После удаления фоторезиста проводилось конформное осаждение слоя окисла кремния толщиной 0,3 мкм с последующим плазмохимическим анизотропным травлением этого слоя. В результате чего данный слой оксида кремния удаляется со всех горизонтальных и остается на вертикальных поверхностях структуры, формируя боковую диэлектрическую изоляцию поликремниевых контактов к областям эмиттера и базе, а также поликремниевой разводки первого уровня.

Аналогичным образом формируются разводка второго уровня и поликремниевые контакты к базовой области n-p-n и к эмиттерной p-n-p-транзисторов. В этом случае второй слой поликремния легировался ионами бора до концентрации примеси 10¹⁹ см^-3 и после плазмохимического травления слоев оксида и поликремния выполнялось дополнительное анизотропное травление кремния до рассечения области базы p-типа для n-p-n-транзистора и n-типа для n-p-n-транзистора с заглублением не менее чем на 0,2 мкм в эпитаксиальную пленку n-типа проводимости для n-p-n-транзистора и p-типа и p-n-p-транзистора.

После этого формировалась боковая диэлектрическая изоляция поликремниевых контактов к области базы p-n-p и эмиттера n-p-n транзисторов и поликремниевой разводки второго уровня. При этом вскрывались соответствующие области для коллекторного контакта обоих типов транзисторов. С использованием последовательного маскирования транзисторов проводилось подлегирование фосфором коллекторного контакта n-p-n-транзистора и бором коллекторного контакта p-n-p-транзистора.

Окончательное формирование диффузионных областей эмиттера пассивной базы n-p-n- и p-n-p-транзисторов проводится посредством диффузии примеси из соответствующих поликремниевых контактов в результате заключительного термического отжига. Затем выполняются контактные окна к поликремниевым проводникам и алюминиевая разводка, включая контакты к коллекторам биполярных транзисторов.

Формула изобретения

1. Комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы, содержащая биполярные n - p - n- и p - n - p-транзисторы, выполненные в многослойной полупроводниковой структуре на подложке p-типа проводимости и изолированные областями диэлектрика, проводники к областям эмиттера, базы и коллектора каждого транзистора присоединены к соответствующим областям и изолированы слоями диэлектрика, а область коллектора p - n - p-транзистора отделена от подложки p-типа проводимости областью n-типа проводимости, отличающаяся тем, что проводник к областям эмиттера n - p - n-транзистора и базы p - n - p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния первого уровня, легированного донорной примесью, проводники к областям базы n - p - n-транзистора и эмиттера p - n - p-транзистора сформированы из слоя поликристаллического кремния второго уровня, легированного акцепторной примесью, области эмиттеров указанных транзисторов сформированы диффузией из легированных поликремниевых проводников к этим областям, проводники к областям коллекторов n - p - n- и p - n - p-транзисторов выполнены из металла и присоединены к соответствующим областям на дне сформированных в структуре углублений, при этом расстояния между проводниками к областям эмиттера и базы и между проводниками к областям базы и коллектора каждого транзистора в месте присоединения проводников к соответствующим областям определены толщиной изолирующих проводники слоев диэлектрика.

2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что в качестве легирующей донорной примеси слоя поликристаллического кремния первого уровня использован мышьяк, а в качестве легирующей акцепторной примеси слоя поликристаллического кремния второго уровня использован бор.

3. Структура по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в качестве металла, из которого выполнены проводники к областям коллекторов транзисторов, использован алюминий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2