Способ создания биполярных интегральных структур
Использование: микроэлектроника, технология изготовления интегральных схем. Сущность изобретения: способ создания биполярных интегральных структур включает формирование скрытых слоев в кремниевой подложке, нанесение эпитаксиального слоя, формирование в нем областей эмиттера, базы и коллектора, вскрытие контактных окон в диэлектрическом покрытии, нанесение слоя металла и его фотолитографическую обработку. Новым в способе является то, что перед осаждением слоя металла структуры подвергают плазмохимическому или реактивно-ионному травлению с полным удалением диэлектрического покрытия и 30 - 80 ни кремния из областей формирования контактных окон при селективном травлении кремния в областях p-типа к кремнию в областях n-типа в интервале 1,5:1 - 2,5 - 1. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления биполярных ИС. Уменьшение геометрических размеров биполярных транзисторов по вертикали и горизонтали приводит к проблемам с получением коэффициента усиления по току. Кроме того, для некоторых типов схем существуют противоречивые требования к параметрам транзисторных структур при коэффициенте усиления более 300 единиц пробивное напряжение перехода коллектор-эмиттер более 12 В. Известен способ создания интегральных структур, включающий формирование базовых и коллекторных областей биполярных транзисторов в эпитаксиальном слое, вскрытие контактных окон в диэлектрическом покрытии к областям формирования эмиттерных структур, нанесение слоя поликристаллического кремния, его последующую фотолитографическую обработку, диффузию примеси n-типа в области формирования эмиттерных структур, вскрытие контактных окон к областям базовых и коллекторных структур, нанесение слоя металла и его последующую фотолитографическую обработку. Данный способ обладает, рядом недостатков: 1) Операция нанесения слоя поликремния и его последующей фотолитографической обработки увеличивает трудоемкость изготовления интегральных структур. 2) Фотолитографическая обработка слоя поликремния приводит к образованию нежелательного поверхностного микрорельефа. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ создания интегральных структур, включающий формирование скрытых слоев в исходной кремниевой подложке, нанесение эпитаксиального слоя, формирование базовых и коллекторных областей биполярных транзисторов в эпитаксиальном слое, вскрытие контактных окон в диэлектрическом покрытии к областям формирования эмиттерных структур, создание тонкого диэлектрического слоя на поверхности контактных окон, нанесение слоя поликремния, его последующую фотолитографическую обработку, диффузию примеси n-типа в области эмиттерных структур, вскрытие контактных окон к областям базовых и коллекторных структур, нанесение слоя металла и его последующую фотолитографическую обработку. Данному способу, кроме недостатков аналога, также присуще следующее: 1) Наличие тонкого диэлектрического слоя приводит к увеличению токов утечки и сопротивления эмиттерных областей. 2) Практическая невозможность обеспечения воспроизводимых значений коэффициента усиления по току вследствие колебания толщины диэлектрического слоя между поликремнием и монокремнием. Целью изобретения является повышение качества и надежности интегральных схем. Поставленная цель достигается тем, что в способе создания интегральных структур, включающем формирование скрытых слоев в исходной кремниевой подложке, нанесение эпитаксиального слоя, формирование в нем областей базы, эмиттера и коллектора, вскрытие контактных окон в диэлектрическом покрытии, нанесение слоя металла и его последующую фотолитографическую обработку, перед осаждением слоя металла структуры подвергают плазмохимическому (ПХТ) или реактивно-ионному травлению (РИТ) с полным удалением диэлектрического покрытия и 30-80 нм кремния из областей формирования контактных окон при селективности травления кремния в областях р-типа к кремнию в областях n-типа в интервале от 1,5:1 до 2,5:1. Кроме того, поставленная цель достигается тем, что плазмохимическое или реактивно-ионное травление осуществляют с селективностью травления кремния к оксиду кремния в интервале от 3:1 до 5:1, а также тем, что плазмохимическое или реактивно-ионное травление осуществляют в газовой смеси на основе гексафторида серы. Использование слоев поликремния в качестве источника диффузии в областях формирования эмиттеров структур приводит к повышению коэффициента усиления по току биполярных n-p-n-транзисторов. Формирование тонкого диэлектрического слоя между слоями монокремния и поликремния способствует тонкого диэлектрического слоя между слоями монокремния и поликремния способствует дальнейшему повышению коэффициента усиления за счет барьерных свойств диэлектрического слоя, препятствующих инжекции дырок из области базы в эмиттерную область. Однако, кроме увеличения трудоемкости и возникновения поверхностного микрорельефа, данный способ приводит к увеличению контактного сопротивления к эмиттерным областям и снижению воспроизводимости значений коэффициента усиления. В данном изобретении плазмохимическое или реактивно-ионное травление с полным удалением диэлектрического покрытия и 30-80 нм кремния из областей формирования контактных окон при селективности травления кремния в областях р-типа к кремнию в областях n-типа в интервале от 1,5:1 до 2,5:1 позволяет снизить контактное сопротивление к областям кремния p- и n-типа улучшить параметры диодов Шоттки, а также повысить коэффициент усиления по току без снижения пробивных напряжений транзисторных структур. Полное удаление диэлектрического покрытия из областей формирования контактных окон необходимо для обеспечения равномерности последующего травления кремния в контактных окнах. Учитывая, что после вскрытия контактных окон в диэлектрическом покрытии структуры перед нанесением слоя металла могут подвергаться обработке в кислородной плазме в процессе удаления фоторезиста, толщина удаляемого диэлектрического покрытия находится в интервале 10-15 нм. ПХТ или РИТ диэлектрического слоя и 30-80 нм кремния с энергией менее 100 эВ приводит к снижению контактного сопротивления к эмиттерным и базовым областям. Для получения требуемых параметров транзисторных структур необходима концентрация примеси n-типа на уровне 1020-1021 см-3, что превышает величины предельных растворимостей этих примесей в кремнии при стандартных температурах электроактивации (900-1000)оС. Вероятно, удаление из контактных окон верхнего слоя кремния, максимально насыщенного примесью в неактивном состоянии, приводит к снижению контактного сопротивления к эмиттерным областям. Уменьшение величины контактного сопротивления к базовым областям вероятно обусловлено компенсацией эффекта захвата атомов бора оксидом кремния в процессе термического окисления базовых областей, который приводит к снижению поверхностной концентрации атомов бора. Кроме того, снижению контактного сопротивления способствует и плазменная обработка поверхности кремния, вероятно вследствие увеличения туннельной компоненты тока, протекающего через контакт. Также положительную роль играет очистка поверхности кремния от следов оксида кремния и загрязняющих примесей. ПХТ и РИТ кремния в предлагаемом диапазоне толщин уменьшает токи утечки диодов Шоттки и снижает коэффициент неидеальности, а также увеличивает коэффициент усиления по току без снижения пробивных напряжений биполярных транзисторов при уменьшении токов, протекающих через обратно смещенные переходы. Известно, что термическое окисление кремния приводит к формированию переходной области на границе SiO2-Si, которая характеризуется несоответствием стехиометрического состава, пространственного расположения атомов и расстояния между ними, наличием напряженных валентных связей и оборванных связей атомов кремний кислород, причем по некоторым данным, глубина проникновения переходной области в кремний достигает 20 нм. Возможно, удаление оксида кремния и кремния из областей контактов приводит к снижению плотности быстрых поверхностных состояний, образующих электроактивные центры в запрещенной зоне, а также к снижению механических напряжений в системе кремний оксид кремния по периметру контактных окон. Однако вклад в увеличение коэффициента усиления вносит не только удаление оксида кремния и кремния, но и плазменное воздействие на поверхность структур. Например, жидкостное травление слоев оксида и кремния не всегда приводит к увеличению коэффициента усиления и улучшению параметров диодов Шоттки. С другой стороны, плазменная обработка поверхности структур в режимах травления оксида кремния и кремния с пассивированными контактными окнами, например, силицидом платины, увеличивает коэффициент усиления без снижения пробивных напряжений. Следует особо отметить, что увеличение коэффициента усиления и улучшение параметров диодов Шоттки являются стабильными эффектами и не деградируют в процессе последующих технологических термических и плазменных обработок. В случае ионно-плазменного травления диэлектрического покрытия и кремния из областей формирования контактных окон с энергией более 100 эВ наблюдается увеличение токов утечки обратной ветви диодов Шоттки и возрастает невоспроизводимость величины коэффициента усиления. При ПХТ или РИТ менее 30 нм кремния из областей контактных окон не наблюдается заметного снижения контактного сопротивления, особенно к областям р-типа и не во всех случаях происходит увеличение коэффициента усиления. В случае удаления более 80 нм кремния имеет место ухудшение вольт-амперных характеристик диодов Шоттки и увеличение контактного сопротивления к эмиттерным областям. При проведении ПХТ или РИТ кремния из областей контактных окон при селективности травления кремния в областях р-типа к кремнию в областях n-типа менее 1,5:1 может произойти затравливание эмиттерных областей и областей диодов Шоттки, что приведет к увеличению контактного сопротивления и токов утечки диодов Шоттки. Травление кремния в базовых областях с селективностью более 2,5:1 по отношению к эмиттерным областям, с одной стороны, невоспроизводимо увеличивает коэффициент усиления, с другой стороны, не улучшает параметров диодов Шоттки. Используемые обычно в биполярной технологии уровни легирования эмиттерных (1020-1021 см-3) и базовых (1018-1019 см-3) областей позволяет обеспечить требуемую селективность травления кремния в среде углеродфторгалогенов или гексафторида серы, вследствие пассивации высоколегированных эмиттерных областей n-типа примесями углерода и наличия активных центров на поверхности базовых областей. Требуемая селективность травления достигается подбором режимов травления (рабочее травление, плотность мощности, расход газов) для конкретной конструкции камеры установки и уровней легирования активных областей. Обеспечение селективности ПХТ и РИТ низколегированного кремния к оксиду кремния обусловлено тем, что при селективности более 5:1 возможно неравномерное подтравливание кремния по поверхности кремниевой пластины, учитывая неодновременное стравливание оксида кремния в контактных окнах. Кроме того, возможно боковое подтравливание кремния под оксид кремния с образованием нежелательного "козырька", что особенно негативно сказывается на параметры диодов Шоттки. При селективности травления кремния к оксиду кремния менее 3:1 возможно затравливание геттерирующего слоя диэлектрического покрытия на поверхности полупроводниковой структуры, что может снизить надежность интегральных схем и коэффициент усиления. Проведение ПХТ или РИТ в газовой смеси на основе гексафторида серы позволяет добиться максимального увеличения коэффициента усиления при одновременном полирующем характере травления кремния. Исключение загрязнений поверхности кремния продуктами реакции обеспечивается 20-40%-ным содержанием гексафторида серы в травящей смеси. Ниже рассмотрен конкретный пример технической реализации предлагаемого решения. В исходной кремниевой подложке КДБ-10(III) методами фотолитографии, эпитаксии, диффузии, ионной имплантации формируют активные структуры интегральных схем по эпитаксиально-планарно-диффузной технологии с концентрацией бора в базовых областях 5 . 1018 см-3, фосфора в эмиттерных областях 5 . 1020 см-3 и толщиной слоя фосфоросиликатного стекла над эмиттерными структурами 0,1-0,12 мкм. Вскрытие контактных окон в оксиде кремния осуществляли на установке "Плазма-125ИМ" в газовой смеси хладона-14, 15-20% хладона-218 и 70-75% азота при суммарном давлении 300-400 Па и плотности мощности 8-10 Вт/см2. После удаления слоя фоторезиста в кислородной плазме производят полное удаление оксида кремния в контактных окнах в плазме хладона-23 при плотности мощности 0,2-0,4 Вт/см2 и рабочем давлении 2,0-3,0 Па, а затем травление кремния в контактных окнах в газовой смеси гексафторида серы и 75%-ным содержанием азота при суммарном давлении 3,0-5,5 Па и плотности мощности 0,2-0,4 Вт/см2. Обе стадии травления осуществляли на установке 08ПХО-100Т-005 в едином вакуумном цикле. Также травление оксида кремния и кремния в контактных окнах можно осуществить на установке 08ПХО-125/50-008 в одну стадию в плазменном разряде хладона-14 и 60-70% азота при рабочем давлении 28-32 Па и плотности мощности 2,5-3,5 Вт/см2. Затем формируют систему металлизации на основе PtSi-TiW-Al и проводят термообработку структур при температуре 510оС в среде азота в течение 15 мин. Использование предлагаемого способа создания интегральных структур позволит увеличить коэффициент усиления по току биполярных транзисторов в 1,5-2 раза, снизить величины контактного сопротивления к эмиттерным областям на 30-50% контактного сопротивления к базовым областям в 1,3-2 раза (при температуре 60оС в 5-8 раз), уменьшить ток утечки обратной ветви диодов Шоттки в 3-4 раза при коэффициенте неидеальности 1,03-1,04. Улучшение данных параметров интегральных структур позволяет исключить отказы по статическим и динамическим характеристикам при функционировании интегральных схем в диапазоне температур от -60 до +125оС.
Формула изобретения
1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СТРУКТУР, включающий формирование скрытых слоев в исходной кремниевой подложке, нанесение эпитаксиального слоя, формирование в нем областей эмиттера, базы и коллектора, нанесение диэлектрического покрытия, вскрытие контактных окон с помощью плазменного травления, нанесение металлизации, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и надежности биополярных интегральных структур за счет снижения контактного сопротивления к областям кремния p- и n-типа, увеличения коэффициента усиления по току без снижения пробивных напряжений и повышения стабильности параметров диодов Шоттки, перед нанесением металлизации плазмохимическим или реактивно-ионным травлением удаляют 30 80 нм кремния в контактных окнах с селективностью травления кремния p-типа и кремнию n-типа от 1,5:1 до 2,5:1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазмохимическое или реактивно-ионное удаление кремния в контактных окнах осуществляют с селективностью кремния к оксиду кремния в интервале от 3:1 до 5:1. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что плазмохимическое или реактивно-ионное травление кремния осуществляют в газовой смеси на основе гексафторида серы.MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000
Извещение опубликовано: 20.10.2000
