Способ изготовления автомасштабируемого биполярного транзистора

 

Использование: в микроэлектронике, в технологии изготовления интегральных схем высокой степени интеграции на биполярных транзисторах. Сущность изобретения: способ изготовления биполярного транзистора включает нанесение на подложку кремния первого слоя диэлектрика, формирование в нем травлением методом РИТ окон под базу, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии. Формирование маски фоторезиста производят таким образом, что границы эмиттерных окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окна под базу, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков диэлектрика. Также способ включает вытравливание методом РИТ в окнах фоторезиста второго слоя диэлектрика на горизонтальных участках до первого слоя поликристаллического кремния, вытравливание первого слоя поликристаллического кремния до кремния, легирование кремния примесью первого типа проводимости, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния в окнах под эмиттерные области, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование пассивных и активных базовых областей и эмиттерных областей, создание контактов к ним и металлизации. До осаждения первого слоя поликристаллического кремния на поверхности кремния окислением формируют тонкий слой окисла кремния. Травление первого слоя поликристаллического кремния производят методом плазмохимического травления до первого тонкого слоя окисла кремния, а травление первого тонкого слоя окисла кремния производят жидкостным травлением до кремния, а также частично под первым слоем поликристаллического кремния. Для формирования же пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния, вначале осаждают третий слой поликристаллического кремния, окисляют его до кремния, а затем удаляют окисел, полученный прокислением третьего слоя поликристаллического кремния, плазмохимическим травлением только на дне окон. Техническим результатом изобретения является масштабирование размеров эмиттера и базы биполярного транзистора, что обеспечивает повышение качества и процента выхода годных. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления интегральных схем (ИС) высокой степени интеграции на биполярных транзисторах с использованием методов самосовмещенной технологии (ССТ).

Метод самосовмещенной технологии (Gigabit Logic Bipolar Technology advanced super self-aligned Process Technology) [1] позволяет существенно уменьшить расстояния между электродами к базе и эмиттеру и в целом размер транзистора. Вместе с тем размер эмиттера в этом методе определяется минимальным размером на литографии, незначительно уменьшаясь на толщину пристеночного диэлектрика на стенках окна, не позволяя получать субмикронные размеры эмиттера, меньшие чем размер на литографии.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления транзистора [2], включающий формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости формирование областей изоляции и глубокого коллектора, нанесение на подложку кремния первого слоя диэлектрика, формирование в нем реактивно ионным травлением (РИТ) окон под базу, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста таким образом, что границы эмиттерных окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окна под базу, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков диэлектрика, вытравливание путем метода РИТ в окнах фоторезиста второго слоя диэлектрика на горизонтальных участках до первого слоя поликристаллического кремния, вытравливание первого слоя поликристаллического кремния до кремния, легирование кремния примесью первого типа проводимости, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния в окнах под эмиттерные области, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование пассивных и активных базовых областей и эмиттерных областей, создание контактов к ним и металлизации.

На фиг.1.1-1.5 представлены основные этапы изготовления биполярного транзистора по способу в соответствии с прототипом [2].

На фиг.1.1 представлен разрез структуры после создания в подложке 1 скрытого слоя 2, осаждения эпитаксиального слоя 3, имплантации глубокого коллектора 4, формирования изоляции 5, осаждения первого диэлектрика 6, вскрытия окна под базу транзистора 7.

На фиг.1.2 представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 8, второго слоя диэлектрика 9 и формирования окна эмиттера в фоторезисте 10 на вертикальных ступенях диэлектрика.

На фиг.1.3 представлен разрез структуры со ступенчатой формой травления методом РИТ окна во втором диэлектрике (на фиг. сохранена первоначальная форма ступеней диэлектрика и пунктиром после травления): большой размер окна в диэлектрике переносится при травлении через маску 11 (в верхней части окна) и масштабированный уменьшенный размер окна реального эмиттера 12 в диэлектрике и в поликристаллическом кремнии получается при травлении через щель между вертикальными стенками диэлектрика (в нижней части окна).

На фиг.1.4 представлен разрез структуры после имплантации бора (формируется область активной базы транзистора 14) и создания на стенках окна пристеночного диэлектрика 13, получаемого в результате осаждения слоя диэлектрика на всей поверхности структуры с последующим травлением методом РИТ его с горизонтальных участков (операции травления и формирования пристеночного диэлектрика в окне под контакт к коллектору, выполняемые идентично, на фиг.1.3 и 1.4 не показаны).

На фиг.1.5 представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, имплантации его примесью в местах расположения эмиттера и контакта к коллектору 15, формирования пассивных областей базы 16, эмиттера 17, формирования контактов к ним 18 металлизации 19.

Способ изготовления биполярного транзистора обеспечивает существенное увеличение интеграции ИС путем масштабирования размеров базы и эмиттера.

Однако содержит и ряд недостатков.

В способе [2] травление поликристаллического кремния, в месте формирования окна под эмиттер, до кремния производится плазмохимическим травлением, не обладающим селективностью к кремнию. Для надежного удаления поликристаллического кремния приходится затравливать кремний, что делает неопределенным расположение границы травления (а значит и расположение мелкозалегающих переходов транзистора), а также вносит нарушения в структурное совершенство поверхности кремния, что приводит в целом к снижению качества и процента выхода годных транзисторов.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, повышающего качество и процент выхода годных ИС, изготовленных на биполярных транзисторах, за счет исключения процесса плазмохимического травления монокристаллического кремния в окне эмиттера биполярного транзистора.

Для достижения названного технического результата в способе изготовления биполярного транзистора, включающем формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование областей изоляции и глубокого коллектора, нанесение на подложку кремния первого слоя диэлектрика, формирование в нем травлением методом РИТ окон под базу, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста таким образом, что границы эмиттерных окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окна под базу, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков диэлектрика, вытравливание методом РИТ в окнах фоторезиста второго слоя диэлектрика на горизонтальных участках до первого слоя поликристаллического кремния, вытравливание первого слоя поликристаллического кремния до кремния, легирование кремния примесью первого типа проводимости, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния в окнах под эмиттерные области, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование пассивных и активных базовых областей и эмиттерных областей, создание контактов к ним и металлизации, до осаждения первого слоя поликристаллического кремния на поверхности кремния окислением формируют тонкий слой окисла кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния производят методом плазмохимического травления до первого тонкого слоя окисла кремния, а травление первого тонкого слоя окисла кремния производят жидкостным травлением до кремния, а также частично под первым слоем поликристаллического кремния, для формирования же пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния, вначале осаждают третий слой поликристаллического кремния, окисляют его до кремния, а затем удаляют окисел, полученный прокислением третьего слоя поликристаллического кремния, плазмохимическим травлением только на дне окон. Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что до осаждения первого слоя поликристаллического кремния на поверхности кремния окислением формируют тонкий слой окисла кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния производят методом плазмохимического травления до первого тонкого слоя окисла кремния, а травление первого тонкого слоя окисла кремния производят жидкостным травлением до кремния, а также частично под первым слоем поликристаллического кремния, для формирования же пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния, вначале осаждают третий слой поликристалличского кремния, окисляют его до кремния, а затем удаляют окисел, полученный прокислением третьего слоя поликристаллического кремния, плазмохимическим травлением только на дне окон.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.2.1.-2.7 представлены основные этапы изготовления биполярного транзистора по предлагаемому способу.

На фиг.2.1 представлен разрез структуры после создания в подложке 1 скрытого слоя 2, осаждения эпитаксиального слоя 3, имплантации глубокого коллектора 4, формирования боковой диэлектрической изоляции 5, осаждения первого слоя диэлектрика 6, вскрытия окна методом РИТ под базу транзистора 7 и формирование тонкого окисла термическим окислением 21.

На фиг.2.2 представлен разрез структуры после осаждения первого слоя поликристаллического кремния 8, второго слоя диэлектрика 9 и формирования окна эмиттера в маске фоторезиста 10, границы которой располагаются на вертикальных ступенях диэлектрика.

На фиг.2.3 и 2.4 представлен разрез структуры после травления методом РИТ второго слоя диэлектрика в окне эмиттера. Большой размер окна в диэлектрике в верхней части структуры задается травлением через маску 11, не достигая поликристаллического кремния. А масштабированный уменьшенный размер окна реального эмиттера в диэлектрике и в поликристаллическом кремнии 12 задается травлением через щель, создаваемую “сближенными” вертикальными стенками диэлектрика.

На фиг.2.5 представлен разрез структуры после жидкостного химического травления тонкого окисла кремния до кремния с подтравом окисла под вторым слоем поликристаллического кремния 23 и имплантации кремния примесью базы для формирования области активной базы транзистора 14 (операции травления в окна под контакт к коллектору не выделены).

На фиг.2.6 представлен разрез структуры после формирования на стенках пристеночного диэлектрика 13, получаемого в результате осаждения третьего слоя поликристаллического кремния на всей поверхности структуры с последующим его прокислением и удалением методом РИТ полученного окисла кремния с горизонтальных участков 24.

На фиг.2.7 представлен разрез структуры после осаждения второго слоя поликристаллического кремния, имплантации его примесью эмиттера в местах формирования эмиттера и контакта коллектора 15, формирования пассивных областей базы 16, эмиттера 17, формирования контактов к ним 18 и металлизации 19.

Автомасштабирование размера эмиттера и базы достигается за счет того, что ширина эмиттера определяется величиной зазора между двумя вертикальными стенками второго слоя диэлектрика. При уменьшении размера окна под базу зазор между вертикальными стенками второго диэлектрика (ширина эффективного эмиттера) будет уменьшаться до сколь угодно малых значений, меньших минимального размера на литографии.

Изготовление биполярного транзистора по предлагаемому способу приводит к тому, что устраняются оба недостатка, свойственных прототипу:

а) плазмохимическим травлением в окне эмиттера удаляется поликристаллический кремний с высокой селективностью до тонкого слоя окисла кремния, защищающего от воздействий поверхность монокристаллического кремния,

б) селективным жидкостным химическим травлением к монокристаллическому кремнию удаляется тонкий слой окисла кремния с поверхности кремния,

в) при жидкостном травлении тонкого слоя окисла кремния с поверхности кремния одновременно производится травление окисла кремния под слоем поликристаллического кремния, с образованием зазоров между слоем поликристаллического кремния и подложкой кремния,

г) нанесение третьего слоя поликристаллического кремния позволяет заполнить зазоры поликристаллическим кремнием, обеспечивая контакт второго слоя поликристаллического кремния с подложкой кремния,

д) термическим окислением третьего слоя формируется пристеночный окисел на торцах второго слоя поликристаллического кремния.

Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу: масштабировать размеры эмиттера и базы биполярного транзистора, обеспечивая при этом качество и высокий процент выхода годных ИС.

Толщина тонкого окисла кремния между поликристаллическим и монокристаллическим кремнием выбирается как обеспечивающая защиту от воздействий при удалении методом РИТ слоя поликристаллического кремния. Учитывая, что селективность процесса (отношение скоростей травления) отличаются в 20-30 раз, а толщина слоя поликристаллического кремния составляет 2000-3000 , то из этих соображений толщина тонкого окисла может выбираться выше 100 .

Вторым критерием при выборе толщины слоя тонкого окисла является необходимость травления тонкого окисла под вторым слоем поликристаллического кремния для последующего заполнения зазора третьим слоем поликристаллического кремния и обеспечения контакта второго слоя поликристаллического кремния, являющегося базовым электродом транзистора, с кремнием. Максимальный контакт достигается, когда зазор подтравливается под всем участком слоя поликристаллического кремния, равным толщинам второго слоя поликристаллического кремния и второго диэлектрика. Учитывая, что толщина второго слоя диэлектрика выбирается равной двум погрешностям на литографии, что равно 3000-5000 , то общая толщина слоев, а значит и величина подтрава составляет не менее 5000 . Травление такой величины в зазоре требует значительного времени травления. Увеличивая толщину тонкого окисла (сечение зазора), мы можем уменьшать время травления.

При заполнении зазора поликристаллическим кремнием, учитывая осаждение на стенках зазора, минимальная толщина слоя поликристаллического кремния должна быть не менее половины зазора. Это минимальная толщина слоя.

Одновременно толщину третьего слоя поликристаллического кремния определяют с учетом необходимой толщины пристеночного диэлектрика, изолирующего базовый и эмиттерный электроды, обычно составляющую 1000-1500 . Из этих условий и выбирается толщина третьего слоя поликристаллического кремния. Т.е., слой поликристаллического кремния должен быть более 50% толщины тонкого диэлектрика и выбирается исходя из требуемой толщины пристеночного диэлектрика.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого способа. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Пример:

В подложке кремния р-типа проводимости КДБ 10 (100) формируют п+скрытый слой диффузией из Sb₂О₃ с сопротивлением 40 Ом/см² и глубиной 2,5 мкм. Методом хлоридной эпитаксии наращивают слой кремния п-типа (0,7 Омсм, толщиной 1,75 мкм). Эпитаксиальный слой маскируют двухслойным покрытием из окисла кремния, получаемого термическим окислением, и нитрида кремния, получаемого пиролитическим осаждением, толщиной 600 и 1500 соответственно. Методом литографии и ПХТ травления вскрывают окна в маскирующем диэлектрике и травят канавки в кремнии на глубину до 1 мкм. Методом ИЛ формируют на дне канавок антиканальные области р-типа проводимости с концентрацией 510 (в 17 степени) атомов в см³. Далее формируют термическим окислением канавок окисную изоляцию типа “Изопланар” и удаляют покрытие из нитрида и окисла кремния с поверхности. Методом ИЛ формируют области глубокого коллектора. Осаждают на поверхности первый слой диэлектрика в установке “Изотрон” толщиной 0,4 мкм, через маску фоторезиста вытравливают в диэлектрике методом РИТ окна под базу и коллектор, окислением формируют на поверхности кремния тонкий окисел кремния толщиной 500 , осаждают первый слой поликристаллического кремния 0,25 мкм, методом ИЛ легируют слой поликристаллического кремния бором с дозой 500 мккул/см² при энергии 40 кэВ, окисляют слой поликристаллического кремния с образованием окисла кремния толщиной 500 и осаждают слои нитрида кремния 0,18 мкм и окисла кремния 0,3 мкм. Общая толщина второго диэлектрика составляет около 0,5 мкм, что более чем в два раза превышает погрешность при литографии. Размер окна под базу выбирают равным 2,0 мкм, так что после осаждения слоя поликристаллического кремния и диэлектриков размер между вертикальными стенками составил бы 0,5 мкм. Далее методом литографии формируют маску фоторезиста для травления окна под эмиттер размером 1,0 мкм, при этом границы окна в фоторезисте проходят над вертикальными участками диэлектрика (в нашем случае посредине). При травлении между вертикальными стенками вытравливают методом РИТ диэлектрик до поликристаллического кремния (при этом в остальной части окна маски фоторезиста диэлектрик не вытравливается - он значительно толще), что и обеспечивает формирование окна эффективного эмиттера малых размеров. Затем в узких окнах между вертикальными стенками диэлектрика вытравливают методом ПХТ слой поликристаллического кремния до тонкого окисла кремния. В растворе фтористоводородной кислоты удаляют тонкий окисел кремния и одновременно подтравливают окисел под слоем поликристаллического кремния на величину 0,5 мкм. Легируют кремний бором с дозой 3 мккул/см² с энергией 40 кэВ. Осаждают слой поликристаллического кремния толщиной 300 , окисляют его до полного прокисления и затем удаляют плазмохимическим травлением на дне окон до кремния. Осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0,3 мкм и через маску фоторезиста легируют его мышьяком с дозой 1500 мккул/см² с энергией 70 кэВ, термическим отжигом в азоте при температуре 950С в течение 30 мин формируют пассивные и активные базовые области и эмиттерные области диффузией примесей из поликристаллического кремния, методами литографии и плазмохимического травления создают контакты к ним в диэлектрике и формируют металлизацию осаждением пленки алюминия с примесью кремния толщиной 0,6 мкм с последующей литографией и плазмохимическим травлением алюминия.

Пример, приведенный выше, является частным случаем, в котором используется предлагаемый способ. Предлагаемый способ может использоваться для изготовления альтернативного типа транзистора PNP, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература

1. Electronics Letters, 14 the April, 1983, v. 19, N 8.

2. Патент RU N 2110868 C1 6, H 01 L 21/331.

Формула изобретения

1. Способ изготовления автомасштабируемого биполярного транзистора, включающий формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости скрытых слоев второго типа проводимости, осаждение эпитаксиального слоя второго типа проводимости, формирование областей изоляции и глубокого коллектора, нанесение на подложку кремния первого слоя диэлектрика, формирование в нем методом РИТ окон под базу, осаждение первого слоя поликристаллического кремния, легирование поликристаллического кремния примесью первого типа проводимости, осаждение второго слоя диэлектрика с толщиной не менее двух погрешностей совмещения на литографии, формирование маски фоторезиста таким образом, что границы эмиттерных окон в фоторезисте проходят над вертикальными участками второго слоя диэлектрика, образованными на ступенях окна под базу, и располагаются не ближе одной погрешности совмещения на литографии от каждой боковой стенки вертикальных участков диэлектрика, вытравливание методом РИТ в окнах фоторезиста второго слоя диэлектрика на горизонтальных участках до первого слоя поликристаллического кремния, вытравливание первого слоя поликристаллического кремния, легирование кремния примесью первого типа проводимости, формирование пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния в окнах под эмиттерные области, осаждение второго слоя поликристаллического кремния, легирование его примесью второго типа проводимости, формирование пассивных и активных базовых областей и эмиттерных областей, создание контактов к ним и металлизации, отличающийся тем, что до осаждения первого слоя поликристаллического кремния на поверхности кремния окислением формируют тонкий слой окисла кремния, травление первого слоя поликристаллического кремния производят методом плазмохимического травления до первого тонкого слоя окисла кремния, а травление тонкого слоя окисла кремния производят жидкостным травлением до кремния, а также частично под первым слоем поликристаллического кремния, для формирования же пристеночного диэлектрика, изолирующего торцы первого слоя поликристаллического кремния, вначале осаждают третий слой поликристаллического кремния, окисляют его до кремния, а затем удаляют окисел, полученный прокислением третьего слоя поликристаллического кремния, плазмохимическим травлением только на дне окон.

2. Способ по п.1, в котором толщина тонкого окисла выбрана равной 100-1000 .

3. Способ по п.1, в котором толщина третьего слоя поликристаллического кремния должна быть не менее половины толщины первого тонкого слоя окисла кремния.

4. Способ по п.1, в котором толщина слоя второго диэлектрика выбрана равной 0,5 мкм.

5. Способ по п.1, в котором в качестве второго диэлектрика формируется комбинированный диэлектрик, включающий слои окисла кремния, полученного прокислением первого слоя поликристаллического кремния, осаждаемые слои нитрида кремния и окисла кремния.

6. Способ по п.1, в котором удаление тонкого окисла кремния в жидкостном травителе до кремния и одновременно вытравливание его частично под первым слоем поликристаллического кремния проводят на величину до 10000 .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12