Метод изготовления самосовмещенной бикмоп структуры субмикронных размеров

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве БиКМОП структур для многоэлементных фотоприемников и радиосхем, использующих базовую технологию КМОП приборов. Эффект от использования способа заключается в повышении качества структуры биполярного транзистора - сохранении высокой эффективности эмиттера и коэффициента усиления по току при уменьшении ширины эмиттера до субмикронных размеров, а также в «сокращении» маршрута изготовления, предусматривающем уменьшение количества операций литографии и полупроводниковых слоев, что снижает стоимость, повышает процент выхода годных и технологичность процесса. Сущность изобретения: высокая эффективность эмиттера и коэффициента усиления по току при субмикронных значениях размера эмиттера достигается благодаря формированию вокруг области эмиттера в кремнии кольцевого электрода из поликремния. Кольцевой электрод расположен на подзатворном окисле, охватывает эмиттер и имеет его потенциал, создающий вокруг эмиттера поле, препятствующее рекомбинации неосновных носителей в приповерхностной области, и, в результате, увеличивающий значения коэффициента усиления в два-три раза. Сокращение маршрута изготовления достигается в результате совмещения всех основных процессов формирования биполярного транзистора с типовыми процессами изготовления КМОП без потери качества и ухудшения параметров биполярного транзистора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве БиКМОП структур для многоэлементных фотоприемников и радиосхем, использующих базовую технологию КМОП приборов.

Современные БиКМОП структуры традиционно используют высокие параметры биполярных транзисторов, обеспечиваемые обычно самосовмещенной технологией биполярных транзисторов (self-alagnet Technology), использующей два слоя поликремния, один слой - для изготовления затворов полевых транзисторов и базовых электродов в биполярных транзисторов, второй слой поликремния - для формирования электрода поликремниевого эмиттера [1, 2].

Недостатком подобного построения БиКМОП структур является высокая стоимость производства приборов из-за повышенного количества процессов литографии и осаждаемых поликремниевых слоев, вызванных «сложением» двух технологий в одном технологическом процессе.

Известны методы изготовления биполярных транзисторов в составе КМОП технологии, описанные в патентах США и РФ [3, 4], которые обеспечивают получение высоких параметров биполярного транзистора и полевых транзисторов при минимальном увеличении числа операций маршрута КМОП схем при менее значительном увеличении сложности и стоимости, чем [1, 2].

Наиболее близким к заявленному изобретению является метод изготовления, описанный в патенте [4].

Указанный метод включает:

формирование скрытых слоев обоих типов проводимости в пластине кремния первого типа проводимости,

осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости,

формирование в кремнии областей карманов обоих типов проводимости,

создание глубокого коллектора второго типа проводимости до контакта со скрытым слоем того же типа проводимости на участке пластины, предназначенной для биполярного транзистора,

формирование базовой области первого типа проводимости,

формирование подзатворного окисла,

осаждение первого слоя поликремния,

удаление первого слоя поликремния и подзатворного окисла в окнах, предназначенных для размещения эмиттера биполярного транзистора,

осаждение второго слоя поликремния,

легирование слоя поликремния в местах размещения затворов и эмиттерного электрода примесью второго типа проводимости,

формирование затворов и эмиттерного электрода из поликремния,

формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода,

легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации,

первый отжиг структуры при высокой температуре,

легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации,

второй отжиг структуры при температуре ниже температуры первого отжига.

Однако этот метод (и другие известные методы) изготовления биполярных транзисторов с высокими параметрами в составе БиКМОП структуры имеет недостатки:

1) для формирования биполярного транзистора используется два слоя поликремния, что требует двукратного использования этого процесса в составе КМОП технологии, усложняющих и удорожающих техпроцесс,

2) поликремниевый затвор КМОП транзистора, состоящий из двух слоев поликремния, может иметь увеличенное сопротивление переходного слоя,

3) требуется дополнительная литография для формирования поликремниевого электрода эмиттера, наряду с литографией затворов полевых транзисторов.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося, во-первых, в повышении качества структуры биполярного транзистора - сохранении высокой эффективности эмиттера и коэффициента усиления по току при уменьшении ширины эмиттера до субмикронных размеров и, во-вторых, в «сокращении» маршрута изготовления, предусматривающем уменьшения количества операций литографии и полупроводниковых слоев, что снижает стоимость, повышает процент выхода годных и технологичность процесса.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления самосовмещенной БиКМОП структуры субмикронных размеров [4], включающем:

- формирование в кремнии областей карманов обоих типов проводимости,

- формирование на поверхности пластины подзатворного окисла,

- осаждение слоя поликремния,

- формирование затворов КМОП транзисторов и эмиттерного электрода биполярного транзистора из поликремния,

- формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода,

- легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации,

- легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной свободного пробега при имплантации,

предложены следующие операции, являющиеся отличительными признаками предлагаемого изобретения:

- перед формированием карманов в пластине кремния первого типа проводимости формируют мелкозалегающую щелевую изоляцию,

- после чего формируют области карманов первого типа проводимости для использования в качестве базовой области биполярного транзистора и кармана МОП транзистора с каналом первого типа проводимости, а также карманов второго типа проводимости для использования в качестве глубокого коллектора биполярного транзистора, контактируемого с формируемым в дальнейшем скрытым слоем того же типа проводимости, и кармана МОП транзистора с каналом второго типа проводимости,

- после формирования карманов имплантируют скрытый слой второго типа проводимости, используемый в качестве высоколегированного скрытого коллектора,

- при формировании эмиттерного электрода из поликремния оставляют кольцо поликремния вокруг области эмиттера в кремнии шириной, равной не менее четырем запасам на точность воспроизведения размеров в процессе литографии,

- перед формированием изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода легируют области пассивной базы биполярного транзистора, стоки и истоки МОП транзистора с каналом первого типа проводимости малыми дозами примеси первого типа проводимости, а области эмиттера биполярного транзистора, а также стоки и истоки МОП транзистора с каналом второго типа проводимости легируют малыми дозами примеси второго типа проводимости,

- после формирования изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода формируют имплантацией примеси второго типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации первую область эмиттера в кремнии,

- в процессе легирования областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации легируют вторую область эмиттера в кремнии, эмиттерный электрод и затвор МОП транзистора с каналом второго типа проводимости,

- в процессе легирования областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной свободного пробега при имплантации легируют затвор МОП транзистора с каналом первого типа проводимости,

- проводят отжиг структуры,

- после чего осуществляют силицирование областей стоков и истоков и поликремниевых затворов КМОП транзисторов, областей эмиттера в кремнии, пассивной базы, глубокого коллектора и поликремниевого электрода вокруг области эмиттера биполярного транзистора,

- формируют металлическую разводку к силицированным областям, при этом силицированную область эмиттера в кремнии и силицированного электрода вокруг эмиттера объединяют металлической разводкой.

Проведенные патентные исследования показали, что в литературе отсутствует указание на использование вышеперечисленной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи настоящего изобретения: сохранения высокой эффективности эмиттера и коэффициента усиления по току при уменьшении ширины эмиттера и «сокращения» маршрута изготовления БиКМОП, предусматривающего уменьшение количества операций литографии и полупроводниковых слоев до стандартного маршрута «КМОП плюс одна литография».

Перечень графических материалов, иллюстрирующих метод изготовления БиКМОП в маршруте «КМОП плюс одна литография», в процессе которого биполярный транзистор получают в тех же технологических операциях, что и КМОП, приведен на фиг.1-4.

На фиг.1 показано последовательное формирование поперечных сечений областей структуры биполярного транзистора по технологии «КМОП плюс одна литография», где:

- фиг.1а - формирование в пластине кремния (1) мелкозалегающей щелевой изоляции (2), областей карманов второго и первого типов проводимости, используемых соответственно в качестве глубокого коллектора (3) и базовой области (4) биполярного транзистора и карманов КМОП,

- фиг.1б - формирование скрытого слоя второго типа проводимости для создания высоколегированного скрытого коллектора (5) биполярного транзистора,

- фиг.1в - формирование подзатворного окисла, осаждение поликремния и формирование затворов и эмиттерного электрода (б) из поликремния соответственно КМОП и биполярного транзистора,

- фиг.1г - формирование малыми дозами областей первого типа проводимости в

областях пассивной базы (8) биполярного транзистора, стоках и истоках МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и второго типа проводимости в областях эмиттера (7) биполярного транзистора, а также стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости,

- фиг.1д - формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, соответственно КМОП и биполярного транзистора, создание путем импланции примеси второго типа проводимости заглубляемой первой области эмиттера в кремнии (9) биполярного транзистора,

- фиг.1е - легирование областей стоков и истоков КМОП транзистора с каналом второго типа проводимости, второй области эмиттера (10) и коллектора (10) биполярного транзистора примесью второго типа проводимости,

- фиг.1ж - легирование областей стоков и истоков КМОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора (11) примесью первого типа проводимости и отжиг структуры,

- фиг.1з - силицирование контактов к области эмиттера, к области электрода эмиттера, контактов к базовым и коллекторной областям (12) биполярного транзисторов, а также контактов к области затвора и контактов к стоковым и истоковым областям КМОП транзисторов,

- фиг.1и - формирование металлической разводки к силицированным областям (13).

На фиг.2 показано завершающее поперечное сечение структуры БиКМОП, где на участке формирования КМОП представлены области карманов второго (3) и первого (4) типов проводимости, затворы, сформированные из поликремния (6), легированные области стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости примесью второго типа проводимости (10), легированные области стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости примесью первого типа проводимости (11), силицированные контакты (12) к области затвора и к стоковым и истоковым областям транзисторов с каналами обоих типов проводимости, сформированная металлическая разводка к силицированным областям (13).

На фиг.3 показана зависимость коэффициента усиления от тока коллектора при различной ширине (Wpoly) поликремниевого эмиттерного электрода (между контактом к базе и областью эмиттера в кремнии) в биполярном транзисторе.

На фиг.4 представлена зависимость коэффициента усиления от ширины эмиттера для предлагаемой структуры с поликремниевым эмиттерным электродом и традиционной структуры без поликремниевого электрода при токе коллектора Ic=100 мкА в биполярном транзисторе.

Высокая эффективность эмиттера и коэффициент усиления по току при уменьшении ширины эмиттера до субмикронных размеров достигается благодаря формированию вокруг области эмиттера в кремнии кольцевого электрода из поликремния.

Кольцевой электрод расположен на подзатворном окисле, охватывает эмиттер и имеет его потенциал, создающий вокруг эмиттера поле, препятствующее рекомбинации неосновных носителей в приповерхностной области. Эффект от использования поликремниевого эмиттерного электрода иллюстрируется на фиг.4.

Сокращение маршрута изготовления БиКМОП, предусматривающее уменьшение количества операций литографии и полупроводниковых слоев до стандартного маршрута «КМОП плюс одна литография», необходимая для локального легирования области эмиттера, достигается в результате совмещения всех основных процессов формирования биполярного транзистора с типовыми процессами изготовления КМОП, что снижает стоимость, повышает процент выхода годных и технологичность процесса. Как следует из отличительных признаков изобретения, при формировании, например, карманов КМОП создаются базовая область и область глубокого коллектора биполярного транзистора, при легировании стоков КМОП легируются области пассивной базы, эмиттера и коллектора.

Пример.

Метод включает:

- подготовку пластины кремния первого типа проводимости марки КДБ с концентрацией акцепторов 10¹⁵ см^-3,

- формирование мелкозалегающей щелевой изоляции, включающий травление кремния на глубину 2500 Å под углом 78°, заполнение углубления окислом в процессе двухэтапного окисления при температуре 800° до достижения планарной поверхности,

- формирование в кремнии областей карманов обоих типов проводимости, полученных путем имплантации бора в три стадии с энергиями и дозами: 250 кэВ 6.5·10¹² см^-3, 120 кэВ 6.6·10¹² см^-3, 60 кэВ 2.5·10¹² см^-3 для областей первого типа проводимости, и имплантации фосфора в три стадии с энергиями и дозами: 600 кэВ 6.0·10¹² см^-3, 300 кэВ 9.0·10¹² см^-3, 120 кэВ 2.0·10¹² см^-3 для областей второго типа проводимости соответственно,

- формирование скрытой области второго типа проводимости методом имплантации фосфора с энергией 920 кэВ и дозой 2.5·10¹³ см^-3 для создания высоколегированного скрытого коллектора,

- формирование подзатворного окисла толщиной 60 Å, методом быстрого термического окисления в течение 40 сек,

- осаждение слоя поликремния толщиной 0.2 мкм из моносилана при пониженном давлении в реакторе,

- формирование затворов и эмиттерного электрода из поликремния методами реактивно-ионного травления,

- легированных областей пассивной базы биполярного транзистора, стоков и истоков р-канального МОП транзистора примесью бора с энергией 5 кэВ и дозой 3.21·10¹⁴ см^-3 и областей эмиттера в кремнии и эмиттерного электрода биполярного транзистора, стоков и истоков n-канального МОП транзистора примесью мышьяка с энергией 3 кеВ и дозой 1.08·10¹⁵ см^-3,

- формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода путем в результате осаждения слоя двуокиси кремния и удаления двуокиси кремния с горизонтальных участков реактивно-ионным травлением,

- локальное легирование области эмиттера форфором с энергией 250 кэВ и дозой 8.5·10 см^-3 для создания первой области эмиттера в кремнии,

- легирование областей стоков и истоков и затвора n-канального МОП транзистора, эмиттера, эмиттерного электрода и коллектора биполярного транзистора примесью мышьяка с энергией 50 кэВ и дозой 3.5·10¹⁵ см^-3,

- легирование областей стоков и истоков и затвора р-канального МОП транзистора и пассивной базы биполярного транзистора примесью бора с энергией 40 кэВ и дозой 2.0·10¹⁵ см^-3,

- отжиг структуры при температуре 85° в течении 30 минут,

- силицирование контактов к области эмиттера, к области электрода эмиттера, контактов к базовым и коллекторной областям биполярного транзисторов, а также контактов к области затвора и контактов к стоковым и истоковым областям КМОП транзисторов формированием силицида TiSi₂ методом осаждения титана и последующим отжигом при температуре 800°С в вакууме.

- формирование алюминиевой разводки к силицированным контактам, при этом контакты к области эмиттера и к области электрода эмиттера объединяют металлической разводкой.

Пример реализации, описанный выше, является частным случаем. Предлагаемый метод может использоваться для создании БиКМОП структур для любого типа биполярного транзистора, в производстве БиКМОП структур для многоэлементных фотоприемников и радиосхем, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература

1. Патент US N6984872.

2. Патент US N6893933.

3. Патент US N5455189.

4. Патент РФ №2141149.

1. Метод изготовления самосовмещенной БиКМОП структуры субмикронных размеров, включающий формирование в кремнии областей карманов обоих типов проводимости, формирование на поверхности пластины подзатворного окисла, осаждение слоя поликремния, формирование затворов КМОП транзисторов и эмиттерного электрода биполярного транзистора из поликремния, формирование изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода, легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации, легирование областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной свободного пробега при имплантации, отличающийся тем, что перед формированием карманов в пластине кремния первого типа проводимости формируют мелкозалегающую щелевую изоляцию, после чего формируют области карманов первого типа проводимости для использования в качестве базовой области биполярного транзистора и кармана МОП транзистора с каналом первого типа проводимости, а также карманов второго типа проводимости для использования в качестве глубокого коллектора биполярного транзистора, контактируемого с формируемым в дальнейшем скрытым слоем того же типа проводимости, и кармана МОП транзистора с каналом второго типа проводимости, после формирования карманов имплантируют скрытый слой второго типа проводимости, используемый в качестве высоколегированного скрытого коллектора, при формировании эмиттерного электрода из поликремния оставляют кольцо поликремния вокруг области эмиттера в кремнии шириной, равной не менее четырех запасов на точность воспроизведения размеров в процессе литографии, перед формированием изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода легируют области пассивной базы биполярного транзистора, стоки и истоки МОП транзистора с каналом первого типа проводимости малыми дозами примеси первого типа проводимости, а области эмиттера биполярного транзистора, а также стоки и истоки МОП транзистора с каналом второго типа проводимости легируют малыми дозами примеси второго типа проводимости, после формирования изолирующего слоя на боковых стенках затворов и эмиттерного электрода формируют имплантацией примеси второго типа приводимости с большей длиной пробега при имплантации первую область эмиттера в кремнии, в процессе легирования областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом второго типа проводимости и коллектора биполярного транзистора примесью второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации легируют вторую область эмиттера в кремнии, эмиттерный электрод и затвор МОП транзистора с каналом второго типа проводимости, в процессе легирования областей стоков и истоков МОП транзистора с каналом первого типа проводимости и пассивной базы биполярного транзистора примесью первого типа проводимости с большей длиной свободного пробега при имплантации легируют затвор МОП транзистора с каналом первого типа проводимости, проводят отжиг структуры, после чего осуществляют силицирование областей стоков и истоков и поликремниевых затворов КМОП транзисторов, областей эмиттера в кремнии, пассивной базы, глубокого коллектора и поликремниевого электрода вокруг области эмиттера биполярного транзистора, формируют металлическую разводку к силицированным областям, при этом силицированную область эмиттера в кремнии и силицированного электрода вокруг эмиттера объединяют металлической разводкой.

2. Метод по п.1, отличающийся тем, что в качестве примеси второго типа проводимости с большей длиной пробега при имплантации первой области эмиттера в кремнии выбирают фосфор.

3. Метод по п.1, отличающийся тем, что в качестве примеси второго типа проводимости с меньшей длиной пробега при имплантации второй области эмиттера в кремнии выбирают мышьяк.