БЕЗЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
NON-EPITAXIAL STRUCTURE OF BIPOLAR TRANSISTOR

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно конструированию БиКМОП приборов, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы, существенно расширяющие функциональные возможности и эффективность цифровых и аналоговых схем.
Современные БиКМОП структуры традиционно требуют использования эпитаксиальных и скрытых слоев и глубокого коллектора в структуре биполярных транзисторов, что существенно усложняет и удорожает процесс изготовления БиКМОП [1], в сравнении с более простыми КМОП структурами, изготавливаемыми на пластине кремния.
Известна структура биполярного транзистора, не требующая использования трудоемких эпитаксиальных и скрытых слоев [2], в которой высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенная под полевым окислом, окружающим область базы с трех сторон, выполняет функцию скрытого слоя (шунта).
Недостатками структуры биполярного транзистора с конструкцией, заявленной в [2], является повышенное сопротивление коллектора по сравнению с «классической биполярной структурой» с использованием эпитаксиальных и скрытых слоев [1], приводящее к потере мощности и к задержке распространения сигнала в ИС.
Роль скрытого слоя в подобных структурах, снижающих высокое сопротивление коллектора, выполняет высоколегированная область, формируемая под полевым окислом между базой и контактом к коллектору (шунт), показанный на Фиг.1, где 1 - пластина кремния, 2 - коллектор, 3 - шунт, 4 - полевой окисел, 5 - база, 6 - эмиттер, 7 - поликремниевый электрод к эмиттеру, 8 - путь тока от эмиттера к контакту коллектора, 9 - контакт к коллектору.
Однако эффективность шунта определяется близостью к области эмиттера. Для снижения сопротивления коллектора между эмиттером и контактом к коллектору высоколегированная область (шунт) должна накладываться на область базы под эмиттером. Но при этом будет создаваться «р+-n+» переход база-коллектор с высокой удельной емкостью, приводящий к задержке сигнала в транзисторе и искажающий область активной базы (ширины базы), нарушая работу транзистора.
Наиболее близким к изобретению является структура биполярного транзистора [3], включающая области коллектора, области базы и эмиттера в пластине кремния, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера и при этом контакты к областям базы и эмиттера осуществляются через электроды из поликристаллического кремния, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы с четырех сторон, и другую высоколегированную область одного с коллектором типа проводимости, располагаемую в коллекторе под областью активной базы.
На Фиг.2 приведена структура по техническому решению [3] с первой высоколегированной областью, охватывающей базу транзистора с четырех сторон (1-й шунт) и с другой высоколегированной областью одного с коллектором типа проводимости, располагаемой в коллекторе под областью активной базы (2-й шунт), позволяющими приблизить значения сопротивления коллектора до значений сопротивления "классического" транзистора.
Обозначения на Фиг.2 те же, что и на Фиг.1, с добавлением второго шунта 10, изолирующего диэлектрика 13 и поликремниевого электрода к базе 12.
Однако оба известных решения [2] и [3] имеют существенное ограничение при использовании в высокочастотных ИС, где требуются размеры эмиттера, существенно меньшие, чем применяемый размер поликремниевого электрода эмиттера микронного размера, к которому может осуществляться непосредственно контакт металлической разводки.
Указанное ограничение, например, устранено в структуре транзистора [4], в которой электрод эмиттера формируется на окисле кремния (по типу затвора МОП транзистора), и при этом реальный размер области эмиттера задается величиной торцевого травления слоя окисла кремния под электродом эмиттера на сколь угодно малую расчетную величину субмикронного или ультрасубмикронного размера, в дальнейшем заполняемую поликристаллическим кремнием, а расстояние между контактом к базе и эмиттером определяется толщиной формируемого диэлектрика.
Другим серьезным недостатком структуры прототипа [3] является высокая удельная емкость база-коллекторного «р+-n+» перехода, образованная второй высоколегированной областью одного с коллектором типа проводимости под всей областью базы (2 - шунт), приводящая к увеличению задержки распространения сигнала в ИС.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такой конструкции биполярного транзистора, которая обеспечила бы как повышение быстродействия биполярного транзистора, так и степень интеграции за счет минимизации размеров областей эмиттера, базы и коллектора безэпитаксиального транзистора.
Для достижения технического результата была разработана усовершенствованная безэпитаксиальная структура биполярного транзистора, включающая области коллектора, области базы и эмиттера в пластине кремния, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, при этом контакты к областям базы и эмиттера осуществляются через электроды из поликристаллического кремния, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, первую высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы с четырех сторон, и вторую высоколегированную область одного с коллектором типа проводимости, располагаемую в коллекторе под областью активной базы, при этом основное отличие заключается в том, что электрод эмиттера сформирован на окисле кремния по типу затвора МОП транзистора, при этом реальный размер области эмиттера задается величиной торцевого травления слоя окисла кремния под электродом эмиттера, которая является произвольно малой, вплоть до ультрасубмикронного размера, который понимается как величина, не превышающая 0,15 мкм, область эмиттера заполняется поликристаллическим кремнием, контакт к базе осуществляется электродом из поликристаллического кремния, при этом вторая высоколегированная область одного с коллектором типа проводимости размещена только под областями активной базы на участках между областью эмиттера и полевым окислом.
Структура транзистора по новому техническому решению приведена на Фиг.3, где 1 - пластина кремния, 2 - коллектор, 3 - 1-й шунт, 4 - полевой окисел, 5 - база, 6 - эмиттер, 7 - поликремниевый электрод к эмиттеру, 8 - путь тока от эмиттера к контакту коллектора, 9 - контакт к коллектору, 10 - 2-й шунт, 11 - поликремниевый электрод к базе, 12 - тонкий диэлектрик, 13 - изолирующий диэлектрик, 14 - ширина активной базы.
Электрод 7 эмиттера из поликремния на тонком диэлектрике 12 выполняется по типу затвора МОП транзистора, реальный размер области эмиттера 6 задается величиной торцевого травления слоя окисла кремния под электродом эмиттера на сколь угодно малую расчетную величину субмикронного или ультрасубмикронного размера, контакт к базе осуществляется электродом 11 из поликристаллического кремния, не требующим дополнительной площади базы для осуществления контакта, а снижение коллекторного сопротивления обеспечивается первой высоколегированной областью одного с областью коллектора типа проводимости под полевым окислом (1-й шунт) 3, окружающим область базы с четырех сторон, а также другой высоколегированной областью того же типа проводимости, под областью активной базы на участках между областью эмиттера и полевым окислом (2-й шунт) 10, снижающей сопротивление коллектора на участке под базой и позволяющей также управлять шириной активной базы 14.
Ширина эмиттера задается величиной торцевого травления слоя окисла кремния под электродом эмиттера до 0,18 мкм и менее и хорошо регулируется травлением в жидкостном травителе.
Боковой изолирующий диэлектрик реализуется с высокой точностью осаждением слоя поликристаллического кремния для заполнения зазора под электродом эмиттера, при последующем его окислении, для получения требуемых значений в интервале размеров 0,05 и менее.
В результате новая структура позволяет реализовать ультрасубмикронные размеры эмиттера и расстояния между контактом к базе и эмиттером.
Новая конструкция транзистора предусматривает расположение поликристаллического кремниевого электрода базы вокруг эмиттера, что не требует дополнительных размеров на формирование локального контакта к базе, при существенно меньшем размере базовой и коллекторной областей, чем в прототипе, а также делает более эффективным расположение 1-го и 2-го шунтов с четырех сторон. Кроме того, возможность легирования базы с высокой концентрацией, для получения качественного контакта с электродом, из поликристаллического кремния позволяет создавать мелкозалегающую область пассивной базы, не увеличивающей удельной емкости базы. В результате вторая высоколегированная область (2-й шунт) образует с низколегированной базой «р-n» переход с малой удельной емкостью, что снижает время задержки сигнала в транзисторе.
Кроме того, в новой конструкции предусмотрена высоколегированная область в коллекторе под областью активной базы только на периферийных участках базы, между эмиттером и полевым окислом, что позволяет фактически устранить высокоомную составляющую сопротивления коллектора, управлять шириной активной базы, уменьшив время пролета неосновных носителей через базу, и при этом только на периферийных участках иметь повышенную удельную емкость базы, в отличие от прототипа, в котором емкость базы возрастает существенно по всей площади базы в транзисторе.
Проведенный анализ показал, что совокупность признаков заявляемого изобретения является новой, а отличительные признаки являются неочевидными.
Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь ожидаемого технического результата.
Использование предлагаемых отличительных признаков позволило в простом и экономичном варианте КМОП технологии (low cost) осуществить БиКМОП без использования эпитаксиальных, скрытых слоев и глубокого коллектора, достигнув главных базовых усовершенствований современных сложных и трудоемких высокочастотых ИС:
- с помощью стандартного элемента технологии КМОП - создания легированной области под полевым окислом, а также благодаря непосредственному расположению областей эмиттера вдоль полевого окисла осуществить «шунт», снижающий сопротивление коллектора до требуемых размеров,
- осуществить возможность реализации размеров эмиттера до 0,15 мкм и принципиально ниже, а расстояния между контактом к базе и эмиттером до 0,05 мкм и ниже,
- достигнуть осуществления «мелкого» контакта к базе электродом из поликремния, обеспечив снижение размеров транзистора,
- с помощью второго «шунта» реализовать «тонкую» активную базу под эмиттером для повышения максимальной частоты транзистора,
- обеспечить повышение быстродействия транзистора благодаря низким значениям сопротивления и емкости базы и коллектора, определяющих задержку прохождения сигнала.
Пример конкретной реализации.
2
2
2
2
2
2
2
В монокристаллической пластине марки КДБ 12 р-типа проводимости создают карманы n-типа проводимости имплантацией фосфора с дозой 1 мккул/см и последующей разгонкой при температуре 1100°С в течение 3 часов, формируют маску из нитрида кремния на поверхности, имплантируют через маску в области карманов вокруг расположения будущих базовых областей примеси фосфора и мышьяка с дозой соответственно 10 мккул/см и 300 мккул/см для формирования высоколегированных областей (1-го шунту), отжигают структуру в течение 0,5 часа при температуре 1000°С, методом термического окисления при 1000°С формируют полевой окисел толщиной 0,6 мкм, создают базовую область р-типа имплантацией бора с дозой 3 мккул/см и энергией 10 кэВ, формируют подзатворный окисел толщиной 180 Å термическим окислением в парах воды при 850°С, осаждают слой поликремния толщиной 0.25 мкм из моносилана при пониженном давлении в реакторе, легируют слой поликремния мышьяком с энергией 50 кэВ и дозой 500 мккул/см, осаждают слой диэлектрика толщиной 0,15 мкм. Методом реактивного ионного (РИТ) травления формируют из диэлектрика и поликремния эмиттерный электрод транзистора до тонкого окисла кремния, высокоэнергетической имплантацией с дозой 5 мккул/см и энергией 300 КэВ вводят примесь фосфора для создания высоколегированного слоя n-типа (2-й шунт) под активной базой на участках между электродом эмиттера и полевым окислом, удаляют тонкий окисел в водном растворе HP (1:4) до кремния и одновременно вытравливают тонкий окисел под первым слоем поликремния в сторону на 0,15 мкм. Осаждают второй слой поликремния толщиной 200 Å, окисляют его в парах воды до кремния, а затем удаляют методом реактивно-ионного травления окисел с горизонтальных участков. Осаждают третий слой поликремния толщиной 0,25 мкм, легируют его бором с энергией 10 кэВ и дозой 500 мккул/см, методом литографии и плазменного травления обтравливают базовые электроды, методом ионного легирования через маску фоторезиста легируют фосфором область контакта к коллектору и отжигают структуру при 900°С в течение 30 мин, формируя при этом диффузией примесей области пассивной базы из третьего поликремния и области эмиттера из первого слоя поликремния, а также область контакта коллектора.
Пример реализации, описанный выше, является частным случаем. Предлагаемый метод может использоваться для создания любого типа биполярного транзистора в рамках и в объеме формулы изобретения, основанной на описании.
Источники информации
1. Патент РФ 2141149.
2.  WO 95/05679.
3.  Патент РФ 2210838.
4.  Патент РФ 2279733.