Интегральная биполярная структура

 

Использование: проектирование аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов. Сущность изобретения: интегральная схема содержит горизонтальный p-n-ри два вертикальных п-р-п-транзистора, 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

(l9) ((!) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s . Н 01 . 27/082

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И. ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4882045/25 (22) 16 11.90 (46) 07.07.92, Бюл. М 25 (71) Минский научно-исследовательский приборостроительный институт (72) О.В.Дворников и Е.М.Любый (53) 621.382 (088.8) (56) Заявка Японии М 60-9165, кл. Н 01 1.

29/74, 1985.

Elufronic Oerlgu, 1986, ч,34, М 10, с.173, рис,2а, б. (54) ИНТЕГРАЛ Ь НАЯ . БИПОЛЯРНАЯ

СТРУКТУРА (57) Использование: проектирование аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов. Сущность изобретения:

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

Известна ИБС, содержащая полупроводниковую подложку с эпитаксиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы подконтактная область n -mrna проводимости, первая и вто+ рая области р-типа проводимости, внутри второй области р-типа проводимости .сформирована область и -типа проводимости, + поверхность эпитаксиального слоя покрыта

- слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем вышеуказанным областям. интегральная схема содержит.горизонталь-. ный р-и-р- и два вертикальных и-р-и-транзистора, вокруг эмиттер ной области горизонтального транзистора сфбрмированы две замкнутые области того же типа проводимости. что и эмиттер горизонтального транзистора, частично перекрывающие области баэ 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 э.п,ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Данная ИБС позволяет при различных с, внешних соединениях реализовать верти- ф) кальный транзистор, эмиттером которого О является область и -типа проводимости, ба- р зой — вторая область р-типа проводимости, коллектором — эпитаксиальный слой, коллекторным контактом --подконтактная область;горизонтальныа р- о — р-транзистор, ) эмиттером которого является вторая об- . ласть р-типа проводимости(или первая), базой — эпитаксиальный слой с подконтактной областью и .-типа проводимости, коллектором — первая область р-типа проводимости (или вторая).

Однако обеспечение минимальной площади кристалла обуславливает низкий коэффициент усиления горизонтального р — n

-р-транзистора из-за отсутствия кольцевого коллектора. Наличие по одному контакту

1746440 к областям эмиттера, коллектора и базы как и — р — и, так р — n — р-транзисторов вызывает фиксированную последовательность расположения выводов: коллектор — база — эмиттер для n — р — п-транзистора, усложняющую выполнение соединений на БМК. Полная изоляция эпитаксиального слоя, являющегося коллектором n — 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 и-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы подконтак тная область п -типа проводимости, первая, вторая и третья области р-типа проводимости, причем первая и вторая области выполнены в виде двух.полуколец, окружающих третью область, внутри первой и второй области сформированы первая и вторая области и -типа проводимости, поверхность

+ эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем указанным областям, и два окна к подконтактной области.

Данная ИБС позволяет путем различных соединений реализовать два и — р— и-транзистора с объединенными коллекторами; двухколлекторный р — п — р-транзитсор, /

Выполнение первой и второй области р-типа проводимости в виде полуколец, являющихся коллекторами горизонтальных р — n — р- и базами вертикальных n — р— п-транзисторов, повышает коэффициент усиления по току р — n — р-транзистора по каждому из коллекторов, причем параллельное соединение коллекторов такого р — n— р-транзистора еще более увеличивает его усиление, Фиксированная последовательность расположения выводов как n — р — и, так и р — n — р-транзисторов коллектор — база— эмиттер для n — р — n и база — коллектор— эмиттер для р — и — р, наличие вскрытых окон B подконтактной области только с одной стороны от центральной части схемы усложняет выполнение соединений на БМК.

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

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

10 Кроме того, данное техническое решение обладает плохими переключательными свойствами, Наиболее близкой к предлагаемой является ИБС, содержащая полупроводниковую

15 подложку р-типа проводимости с эпитакстиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы две подконтактные области и -типа проводимости, первая, вторая области р-типа прово20 димости, причем первая и вторая области. имеющие 1-образную форму, окружают третью область и не соприкасаются между собой, внутри первой и второй областей р-типа проводимости сформировань первая и

25 вторая области и -типа проводимости, подконтактные области расположены rio разные . стороны от третьей области, поверхность эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором BGKpblTbl контактные ок30 на и сформированы омические контакты ко всем указанным выше областям.

Данная конструкция ИБС позволяет реализовать 2 и — р — n-транзистора с обьединенным коллектором с различной

35 последовательностью расположения выводов: коллектор — база — эмиттер, коллектор — эмиттер — база, а также двухколлекторный р — n — р-транзистор с последовательностью выводов: база — коллектор — эмиттер, база—

40 эмиттер — коллектор. Кроме того, расположение подконтактных областей по разные стороны от третьей области дает возможность использовать их в качестве низкоомного резистора "нырка". Расположение

45 подконтактных областей между L-образными областями обуславливает отсутствие замкнутой (кольцевой) области р-типа (коллектора горизонтального р — и. — р-транзистора), что уменьшает собирание

50 неосновных носителей, инжектированных эмиттером. р — п — р-транзистора (третья область р-типа проводимости) и таким образом.уменьшает коэффициент усиления р — n — р-транзистора по току, 55 Однако расположение областей и -типа проводимости внутри расширенных частей

L-образных областей приводит к ухудшению частотных свойств, Кроме того, данное техническое решение обладает плохими переключательными свойствами.

1146440

Недостатками известного технического решения являются низкий коэффициент усиления по току р — и — р-транзистора, плохие переключательные и частотные свойства. 5

Цель изобретения — улучшение частотных, переключательных и усилительных характеристик.

Цель достигается тем, что в ИБС, содержащей подложку р-типа проводимости с 10 эпитаксиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого расположены две подконтактные области п -типа проводимости. горизонтальный р—

+ и — р-транзистор и две вертикальных n — р — 15 п-транзистора, расположенные симметрично относительно области эмиттера горизонтального транзистора, при этом базовой и коллекторной областями горизонтального транзистора являются соответственно кол- 20 лекторная и базовая области вертикальных транзисторов, маскирующее покрытие, в окнах которого сформированы омические контакты к указанным областям, систему внешних соединений, согласованную со 25 схемой, дополнительно вокруг эмиттерной области горизонтального р — n — р-транзистора сформированы идентичная ей первая замкнутая область и вторая замкнутая.область того же типа проводимости, частично 30 перекрывающие области баэ вертикальных транзисторов, при этом степень легирования эмиттерной области горизонтального р — n — р-транзистора больше, а глубина залегания меньше соответствующих парамет- 35 ров базовых областей вертикальных п — р— п-транзисторов, а глубина залегания второй замкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных п — р — n-транзисторов, Система внешних соединений может 40 быть выполнена двумя способами.

° Область эмиттера горизонтального р—

n — р-транэистооа может быть электрически соединена с коллекторной областью вертикального n — р — n-транзистора или же зам- 45 кнутые области могут быть электрически соединены с областями эмиттеров вертикальных п — р — n-транзисторов.

Введение вокруг эмиттерной области горизонтального р-- n — р-транзистора пер- 50 вой замкнутой области, частично перекрывающей области баз и не контактирующей с областями эмиттеров вертикальных транзисторов, обеспечивает меньшее расстояние между эмиттерной и коллекторной областя- 55 ми горизонтального транзистора, чем меж- ду эмиттерной областью р — n р-транзистора и базовыми областями и — р — n-rðàí3èñr0ðà, так как в противном случае замкнутая область либо полностью перекрывалась бы областями беэ вертикальных

n — р — n-транзисторов, либо их окружала, Выполнение указанного условия обеспечивает формирование базы горизонтального р — n — р-транзистора между наиболее близко расположенными областями (замкнутой и эмиттерной) р — n — р-транзисторов. Так как первая замкнутая область сформирована в том же слое р-типа проводимости, что и эмиттерная область горизонтального р — n— р-транзистора, минимальное расстояние между ними будет определятся только растравом маскирующего покрытия и фоторезистора и боковой диффузией, и поэтому может быть выполнено малым (= 1,0 мкс) с высокой воспроизводимостью. При формировании эмиттерной и коллекторной областей горизонтального р — n — р-транзистора в разных слоях расстояние между ними зависит также от рассовмещения фотошаблонов, допустимое значение которого составляет 1,0 мкм, при этом толщины базы лежит в пределах (0,2 — 0,4) — (2,2 — 2,4) мкм, что существенно ухудшает либо пробивное напряжение, либо коэффициент усиления по току и делает невоспроизводимым формирование р — n — р-транзисторов. Если вто- рая замкнутая область имеет глубину более глубины залегания базовых областей вертикальных n — р — n-транзисторов, то она эффективно собирает неосновные носители, инжектированные эмиттером горизонтального р — n — р-транзистора и увеличивает его 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 горизонтального транзистора имеют степень легирования больше, а глубину залегания меньше, что обеспечивает увеличение собирания носителей, инжектированных эмиттерной областью горизонтального р — n— 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 n — р — n-транзисторов — вторая замкнутая). Таким образом, введение замкнутых областей увеличивает собирание носителей, а формирование эмиттерной области горизонтального транзистора с высокой степенью легирования увеличивает эффективность эмиттера р — n — р-транзистора. Суммарным эффектом будет увеличение коэффициента усиления по току. С другой стороны, замкнутые области не контактируют с эмиттерными областями

1746440.вертикальных n — р — n-транзисторов, так что их коэффициент усиления не изменяется, Если и — р — и-транзистор полупроводниKoBoI o прибора работает в режиме насыщения, а эмиттер.р — n -- р-транзистора

"оборван", эмиттерный переход р — n — ртранзистора смещается в прямом направлении и в коллекторной области n — - р — п-транзистора накапливается заряд. что ухудшает переключательные свойства n — р — и-транзистора. Аналогичный эффект существует и в р — п — 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 — и-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 эмиттерн Ьй 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 иэ-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 соедйнений обеспечивает возможность работы структуры в качестве вертикальных и — р — n-транзисторов с объединенным коллектором (при системе внешних соединений, когда область эмиттера горизонтального р — n — р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального п — р

-и-транзистора); горизонтального р — n— р-транзистора (при системе внешних соединений, когда замкнутые области электрически соединены с областями эмиттеров вертикальных n — р — n-òðàíýèñòoðoâ).

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 — Э схематически представлена предлагаемая ИБС, при этом фиг.2 поясняет

ИБС в том случае, когда глубина залегания

10 второй замкнутой области равна глубине залегания, а фиг.3 —. когда она более глубины залегания базовых областей вертикальных

n — р — n-транзисторов.

ИБС содержит полупроводниковую подложку р-типа проводимости 1 с эпитаксиальным слоем 2, в котором при помощи разделительных областей 3 сформирована изолированная область. В изолированной области сформированы две подконтактные области 4 и -типа проводимости, скрытый

+ слой 5, и -типа проводимости, две базовые области 6 и — р — n вертикальных транзисторов, две эмиттерные области 7, и -типа проводимости, эмиттерная область 8 р — n — р горизонтального транзистора, первая замкнутая область 9, р-типа проводимости того же типа проводимости, той же концентрации носителей и глубины залегания, что и эмиттерная область р — n — р-транзистора и вторая замкнутая область 13, поверхность

ИБС покрыта маскирующим покрытием 10, в окнах 11 которого сформированы омические контакты.12 к указанным областям.

ИБС при соответствующей системе внешних соединений обеспечивает возможность работы в качестве вертикальных и — р

-n-транзисторов с объединенным коллектором, которым является эпитаксиальный слой 2, базами — областями 6, змиттерами— области 7; горизонтального р — п — р-транзи40 стора, коллектором которого является замкнутая область 9 совместно с областями 6, базой — эпитаксиальный слой 2, эмиттером — область 8, При работе ИБС в качестве вертикального n — р — n-транзистора, коллектор поэмиттерный переход горизонтального транзистора находится при нулевом напряжении . При любом режиме работы вертикального и — р — n-транзистора р — ив р-транзистор не переходит в режим насыщения, добавочное накопление заряда неосновных носителей заряда в коллекторной области и — р — n-тразистора не наступает, что улучшает переключательные свойства и — р — n-транзистора.

55 следнего 2 соединяется с эмиттером 8

50 горизонтального транзистора. При этом

1746440

При работе ИБС в качестве горизон- ции кольцевого генератора, состоящегоиз 5 тального р — n — р-транзистора коллектор 9 инверторов, каждый из которых включал и— последнего соединяется с эмиттерами 7 fl — р — fl-транзистор с коллектором, соединенр — п-транзисторов, при этом неухудшаются ным через резистор 4,5 кОМ с шиной питапереключательные свойства р — n — р-тран- 5 ния, а эмиттер заземлен. зистора, Результаты измерений приведены в

Работа транзисторов в статическом ре- таблице, жиме происходит известным образом, Предлагаемая ИБС имеет коэффициент

Пример (для фиг.2). усиления по току ð — n — ð-транзистора в 5,7

На кремниевой пластине с эпитаксиаль- 10 раз больше, модуль коэффициента передачи ным слоем и со скрытым слоем 76 в 1,64 раза больше, задержку на вентиль в

5КЭФ1, О/6КЭ С20 1,22 раза меньше, чем прототип. о ионной имп380ЭКДБ10 2 б (111 ) 4 Таким образом, изобретение обеспечилантацией созданы области разделения р- вает увеличение коэффициента УсилениЯ Р-. типа проводимости глубиной х} =- 5,2 + 0 8 15 и — p-транзистора за счет Увеличения конмкм и поверхностным сопротивлением Р == центрации пРимеси в эмиттере с одновре50+ 15 pM/квадрат; низкоомной базы р-ти- менным Увеличением площади коллектора, па при х} = 11+ 0,2 мкм и R, = 100ь 20 co6 pafo eA неосновань}е р д

pM/квадрат; высокоомной базы р-типа при (ННЗ) в базе; улучшение переключательных

1 5 + 0 2 мкм и R, 750 + 150 О /кв 20, свойств за счет исключения накапливания рат; эмиттера п+-типа проводимости при х} ННЗ в коллекторных областях как верти0,7 +01 мкм и р 28 i3 г}м/квадрат. кальных n — p — и-, так и горизонтальных pв глубокого коллектора n+-типа проводимости n — P -транзисторов; оптимальное РасполоnpN xj = 4 2f 0 5 MKM u Rs — 25) 5 QM/квадра г жение облас1ей, позволяющее использо25 вать полупроводниковый прибор в БМК и ,Поверхность эпитаксиальной пленки по- осуществлять различные виды соединений; крыта термическим окислом кремния толщи Возможность формированиЯ эмиттеров и ной 0,25+ 0,02 мкм, в котором вскрыты окна р — n-транзисторов в виде Узких полосок, а исформированы элементыметаллизациина следовательно, улучшение частотных основе алюминия и ванадия. Полученные 30 свойств, обеспечение минимальной площаструк уры покрыты пассивирующим слоем Ди ИБС окисла толщиной 0,45 мкм, Формула изобретения

Сформированы структуры двух типов: с 1. Интегральная биполярная структура, топологией прототипа и топологией данно- содержащая подложку р-типа проводимого решения.

35 сти с эпитаксиальным слоем и-типа провоТопология прототипа имела L-o6ðàýíûe Димости, в изолиРованной области KDTQPoro базовые Области и — р — n-транзисторов, в Расположены Две поДкОнтактные области которых сформированы эмиттерные обла- и -типа проводимости, гоРизонтальный P—

+ сти и -типа в виде квадрата со стороной 8 n — P òðàíçèñòoð и Два верти а ь"ûõ "— P— мкм, базовые области n — р — n -транэисто 40 п-транзистора, расположенные симметричров не соприкасались между собой. В дан- но относительно области эмиттера горизонном решении эмиттер и — р — и-транзистора тального тРанзистоРа; пРи этом базовой и был выполнен в виде полоски шириной 4 коллекторной областями горизонтального мкм и длиной 18 мкм, имеющей утолщение тРанзистоРа являются соответственно колдля контактногоокна. Первая замкнутая об 45 лекторная и базовая области вертикальных ласть и эмиттер горизонтального р — и — транзисторов, маскирующее покРытие в окр-транзистора сформированы в слое низко- нах о орого сфоРмиРованы омические кономной базы р -типа проводимости. вторая " Указан н ь} бл астя систему замкнутая область сформирована в слое вы- внешних соединений, согласованную со сокоомной р-базы., 50 схемой,отл ичающаясятем.что,сцелью

Измерялись следующие параметры: ко- Улучшени частотных переключательных и эффициент усиления по току горизонталь- Усил е ых ара ерис к пр бора, вокного р — и — р- ранзистора при эмиттерном РУГ эмиттеРной Области ГОРизонтального Р токе I = 0,1 МА и напряжения коллектор —, — n — P-транзистора сфоРмиРованы идентичэмиттер UK,=508((}21Е) модуль коэффици 55 ная ей первая замкнУтая область и вторая ента передачи тока (/}121с/) на высокой час- замкнутая область ого же типа проводимототе и — р — n-транзистора при эмиттерном сти, частично перекрывающие области баз токе 1Э - 10 мд, напряжении коллектор-база - Вертикальных тРанзистоРов, при этом сте5 0 f3 и частоте f = 100 м} ц; частота генера- пень легированиЯ эмиттеРной области гоРИзонтального р — n — р-транзистора больше, 11

1746440

I а глубина залегания меньше соответствующих параметров базовых областей вертикальных и — р — n-транзисторов, а глубина залегания второй замкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных n — р — n-транзисторов, 2. Структура пои. 1отл ичаю ща яся тем, что область эмиттера горизонтального р — n — р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального р—

n — р-транзистора.

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

1746440

11 11 B B

2 1 э 4 3

Заказ 2399 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат" Патент",г.Ужгород,уд. Гагарина,101

/ ! !

F ! !

Составитель О,В.Дворников

Редактор А.Алексеенко Техред M,Моргентал Корректор Э.Лончакова

1 l

}3 !

l !