Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

202	Гл. 2. Биполярные транзисторы

на-изоляторе (см. с. 282). Более подробно об ионной имплантации и лазерном отжиге можно прочитать в работах [58, 108, 143,

144, 1521.

Плазменное травление. Недостатком метода химического травления, используемого для вскрытия окон в БЮг перед проведением диффузии или ионной имплантации, является заметное боковое подтравливание окисла, которое заметно уменьшает разрешающую способность фотолитографического процесса. Поэтому как альтернатива химическому травлению при производстве БИС начиная с середины 70-х годов стала широко использовать-

ся технология плазменного	травления, иногда также называе-
мая «сухим» травлением [58,	141, 143].

Электрический разряд в газе низкого давления ( 1 0 - 3 - 1 0 1 мм рт. ст.) приводит к образованию плазмы, состоящей из электронов, ионов, а также заряженных и нейтральных радикалов. Плазма является источником реакционно-способных компонентов, вступающих в химическую реакцию с атомами поверхности твердого тела, в результате которой образуются летучие продукты реакций. Отличительной особенностью плазменного травления, которой нет у химического травления, является его анизотропия, то есть различие скоростей вертикального и бокового травления. При определенных режимах плазменного разряда, когда незащищенная поверхность распыляется высокоэнергичными ионами-радикалами, скорость бокового травления может быть уменьшена в ~100 раз по сравнению со скоростью вертикального травления. Это особенно важно для производства современных ИС с субмикронными размерами элементов, поскольку анизотропное травление позволяет сохранить высокое разрешение, достигаемое в фотолитографии. Именно этим способом изготавливаются глубокие «каналы» в поверхности кремния, необходимые для создания накопительных конденсаторов в современных динамических запоминающих устройствах (см. с. 278).

Подбирая состав газовой смеси, можно найти условия для избирательного травления определенного материала. Так, например, для удаления Si02 без заметного воздействия на фоторезист и находящийся под слоем Si02 кремний используют газовую смесь CF 4 +H 2 или CHF3. В то же время плазменное травление в смеси O2+CF4 с высоким содержанием кислорода можно использовать для преимущественного удаления самого резиста [141].

Плазменное травление оказывается эффективным и в тех случаях, когда трудно подобрать подходящий химический травитель.

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах

203

Так, например, чрезвычайно химически стойкие защитные слои нитрида кремния S13N4, широко используемые при создании ИС, легко травятся в плазменном разряде в смеси CF4+O2; для химического стравливания нитрида кремния пластины следовало бы нагревать в Н3РО4 до температуры 180 °С, которую не выдерживает ни один фоторезист.

Изготовление планарного транзистора. Рассмотрим сна-

чала последовательность операций, используемых для создания дискретного (одиночного) кремниевого транзистора по планарной технологии, а затем обсудим формирование более сложных транзисторных структур, применяемых в современных ИС.

а

РЩЩ

в

м 4 * «	S	йл
		« *

П

\ п

ж

Рис. 2.23. Основные операции при создании кремниевого планарного транзистора

Последовательность основных операций, проводимых при создании планарных п-р-п-транзисторов, показана на рис. 2.23. Исходным материалом для изготовления этих транзисторов яв-

ляется кремний n-типа проводимости	или структура, состоя-
щая из сильно легированной подложки п+ -типа,		на поверхно-
сти которой выращен эпитаксиальный	слой n-типа	необходимой

204 Гл. 2. Биполярные транзисторы

толщины. ') Пластина, на поверхности которой будут формироваться транзисторы, окисляется по методике, описанной на с. 197 (рис. 2.23а). После этого с помощью фотолитографии в окисле вскрываются окна для формирования области базы (рис. 2.236). База создается путем диффузии примеси бора. Загонка примеси проводится при ~ 1000 °С из летучего при высоких температурах В2О3 или путем добавления паров жидкого ВВгз в поток азота (аргона) с небольшой примесью кислорода. 2) Разгонка примеси происходит при ~ 1200 °С в токе азота (аргона) с примесью влажного кислорода. Слой образующегося в процессе разгонки боросиликатного стекла (рис. 2.23 в) будет далее использован

в	качестве маски при создании эмиттера.	После вскрытия	окон
в	этой маске с помощью фотолитографии	(рис. 2.23 г) в эти	окна

проводят диффузию или имплантацию донорной примеси (Р или

As) и создают	области эмиттера (рис. 2.23д). Наконец, после
всех указанных	операций с помощью фотолитографии вскрыва-

ются окна для контактных площадок к областям базы и эмиттера (рис. 2.23 е), напыляются и вжигаются металлические контакты (например, алюминий), пластина кремния разрезается на части и полученные дискретные приборы напаиваются на держатели (рис. 2.23ж).

Поперечное

сечение

металл

6

э

к

транзистора,

использу-

rem!:?».

емого

в

современных

о ' Ч ' •''

интегральных

схемах,

'•Is / .

SiOa

скрытый

слой

п+ -типа

показано

на

рис, 2.24.

В отличие от

рассмот-

подложка

р-типа

$ 0

ренного

выше

дискрет-

I

ного

транзистора,

кон-

Рис. 2.24.

Поперечное

сечение

типичного п-

струкция

транзисторов

для

ИС

должна

быть

р-n-транзистора, используемого в конструк-

ции интегральных схем [156]

такова, чтобы все выво-

ды транзистора

выходи-

ли на поверхность кристалла. Кроме того, как мы отмечали выше, в конструкции высокочастотных и мощных транзисторов создается еще сильно легированный слой коллектора, обозначен-

ный на рис. 2.24 как скрытый слой.

{) Об особенностях и технологии эпитаксиального роста можно прочитать в книгах [143, 155].

Использование ВВгз позволяет полностью избавиться от следов воды, неконтролируемо присутствующей в ВгОз, и тем самым повысить воспроизводимость получения заданной концентрации примеси при диффузии.

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах

205

Для создания таких транзисторов с целью их дальнейшей интеграции в составе ИС (для чего нам еще понадобится изолировать транзисторы друг от друга) поступают следующим образом [58]. В качестве подложки используется пластина слабо легированного кремния р-типа проводимости (р = 1-10 Ом-см) толщиной около 300 мкм. На ней с помощью окисления, фотолитографии и последующей имплантации As или Sb в тех местах, где будут располагаться транзисторы, создают слой полупроводника п+ -типа проводимости, который затем «разгоняется» в глубь подложки на глубину 2 - 8 мкм. Это — тот самый скрытый слой, который в дальнейшем будет служить низкоомным выводом коллектора.

Следующим этапом создания планарного транзистора для ИС является наращивание на поверхности кремниевой пластины вы-

сококачественного эпитаксиального		слоя n-типа, который будет
служить	коллектором и в котором будут формироваться база
и эмиттер	транзистора.
.Перед	началом эпитаксии подложка тщательно		очищается
и затем помещается в реактор, в		котором остатки	загрязнений

и собственного окисла удаляются с поверхности кремния путем разового травления при ~ 1200 °С в безводном НС1, добавляемом в' поток водорода. Затем в поток водорода добавляется SiCU и

при той же или чуть более низкой температуре методом	газо-
вой эпитаксии происходит наращивание эпитаксиального	слоя

n-типа, толщина и уровень легирования которого выбираются исходя из требуемого максимального рабочего напряжения транзистора (см. п. 2.3). Легирование эпитаксиального слоя осуществляется добавлением в поток водорода газообразных А б Н з или РН3. Характерная толщина наращиваемого слоя составляет

М> мкм, а его удельное сопротивление — 1 Ом - см (n ~ 4 х X 1015 см"3 ).

"После этого путем термического окисления на поверхности кремния создают тонкий (~500 А) слой окисла, на который осаждают пленку S13N4 толщиной около 1000 А. Выделив с помощью фотолитографии участки на поверхности образца, на которых будет создаваться окисная изоляция между элементами, методом плазменного травления удаляют слой нитрида кремния И проводят окисление кремния на всю глубину эпитаксиального слоя (нитрид кремния практически не окисляется и защищает закрытые им участки поверхности от окисления).

После удаления слоя нитрида в эпитаксиальном слое создают базовую и эмиттерную области аналогично тому, как это Делалось выше для дискретного транзистора. Для повышения

206	Гл. 2. Биполярные транзисторы
быстродействия	транзисторов область базы, прилегающая

к контакту, легируется заметно сильнее, чем область, располагающаяся непосредственно под эмиттером (см. рис. 2.24). Контакт

к коллектору (область п+ -типа) может быть создан одновременно

ссозданием п+ -области эмиттера (как показано на рис. 2.24), однако в случае, когда сопротивление толщи коллектора должно быть минимальным, перед созданием областей базы и эмиттера область под контактом к коллектору с помощью имплантации ионов фосфора сильно легируют на всю глубину вплоть до скрытого слоя (пунктир на рис. 2.24). Перед созданием контактов

на поверхность прибора осаждают тонкий слой S13N4, который защищает структуру от проникновения в нее ионов Na+ и молекул воды.

Оказывается, что тип примеси, используемой для создания эмиттера, может существенно влиять на характеристики транзисторов. Хотя примесь фосфора широко применяется для создания эмиттерных п-областей в транзисторах, выяснилось, что при ее использовании для создания неглубоких (< 0,3 мкм) р-п-переходов не удается получить высокий градиент концентрации примеси в области эмиттерного перехода, который необходим для высокого коэффициента инжекции эмиттера в области микротоков. Кроме того, при легировании фосфором происходит неконтролируемое оттеснение металлургической границы

коллекторного р - п - п е р е х о д а , л е ж а щ е г о

под эмиттером

(так называ-

емый «с1еер-эффект» [141]), что

м е ш а е т

с о з д а т ь

очень

тонкую базу.

Последнее с в я з а н о

с о с о б е н н о с т ь ю

д и ф ф у з и и Р

в

Si: фосфор начинает

диффундировать

с

поверхности

вглубь

к р и с т а л л а

в

виде комплексов

с вакансиями, а

когда

к о м п л е к с ы

р а с п а д а ю т с я ,

в

объеме

возникает

высокая к о н ц е н т р а ц и я

в а к а н с и й ,

которая

и с т и м у л и р у е т более быструю

диффузию н а х о д я щ е й с я в

б а з е

примеси бора. Напротив, при исполь-

зовании в м е с т о

ф о с ф о р а

м ы ш ь я к а

г р а д и е н т

концентрации

примеси

удается сделать в ~4 раза

выше, что о б е с п е ч и в а е т более чем двукрат-

ное у в е л и ч е н и е

к о э ф ф и ц и е н т а

у с и л е н и я , а отсутствие

deep-эффекта

позволяет примерно

вдвое

у в е л и ч и т ь и ч а с т о т у

отсечки

транзистора,

При создании транзисторов для ИС большую роль играет совмещение в создаваемой структуре скрытого слоя, базы и эмит-

тера, которое	осуществляется при проведении фотолитографии,
Заметим, что	в связи с неуклонным уменьшением размеров от-
дельных элементов (как		мы уже отмечали, в настоящее время
их размер составляет		мкм) проблемы совмещения выходят

Ионы натрия имеют достаточно высокий коэффициент диффузии в S1O2 и могут вызывать появление токов утечки р-п-переходов и инверсию типа

проводимости поверхностного слоя. Молекулы воды могут стимулировать элек- трохимическую коррозию контактов и приводить к их деградации.

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах

207

на первый план, в связи с чем в технологии большое внимание уделяется использованию приемов самосовмещения. Основной идеей этих приемов является использование ранее созданных элементов структуры в качестве масок при формировании последующих элементов (см. подробнее на с. 273).

Подробнее об особенностях технологии изготовления различных типов ИС можно прочитать в [58].

Изоляция элементов в ИС. В интегральной схеме, содер-

жащей обычно от нескольких тысяч до нескольких миллионов элементов, необходимо принять меры для уменьшения взаимного влияния элементов друг на друга путем их изоляции. Для изоляции элементов в ИС было разработано много способов, два из

которых получили	наибольшее распространение		[142].
В первом способе, называемом		изоляцией с	помощью	р-п-
перехода, после	наращивания	эпитаксиального слоя п-типа
в него через окна в окисле диффузией вводят акцепторную				при-

месь (обычно бор), которая разгоняется на глубину до подложки р-типа (см. рис. 2.25 а). В этом случае, если подать на подложку отрицательное напряжение, коллекторы отдельных транзисторов оказываются изолированными друг от друга обратно смещенными р-п-переходами. К сожалению, этот способ изоляции (также называемый разделительной диффузией) характеризуется большой паразитной емкостью коллекторов и большими непроизводительными потерями площади кристалла, идущей на создание изолирующих областей (из-за боковой диффузии толщина изолирующей области в простых ИС с эпитаксиальным

слоем толщиной 10 мкм при ширине окна	10 мкм достигает 35 -
40 мкм). Поэтому этот способ изоляции	использовался только

в первых ИС с невысоким уровнем интеграции (примерно до

1970 года).

В настоящее время при создании ИС используется комбинированный способ изоляции, в котором сочетаются боковая окисная изоляция и изоляция р-п-переходом, образуемым скрытым слоем и подложкой. Окисную изоляцию можно создать двумя способами. В кристаллах с тонким (порядка 1 мкм) эпитаксиальным слоем перед созданием областей транзистора в защитном слое Si3N4 ') в необходимых местах вскрываются окна, в них

') Слои стехиометрического SijN4 обладают высокой устойчивостью по отношению к окислению и могут быть получены на поверхности кремния химическим осаждением из смеси S1H4+NH3 при 700-900 Защитные пленки нестехиометрического нитрида кремния получаются плазмохимическим осаждением (в тлеющем разряде) из той же смеси при 200-350 °С [58].

208

Гл. 2. Биполярные транзисторы

В

W XS i 0 2 Wв

SiOa AI

поли-Si

Si3N^ SiOi

S i 3 N 4

71*" Al

Рис. 2.25. Способы изоляции элементов в ИС: а — изоляция р-п-переходом, б — окисная изоляция (изопланарный процесс), в — окисная изоляция с использованием V-образных канавок

травлением удаляется часть кремния (см. рис. 2.25 6), после чего оставшаяся часть эпитаксиального слоя термически окисляется на глубину до скрытого слоя, Удалить травлением часть кремния необходимо для того, чтобы после окисления поверхность структуры вновь стала планарной (напомним, что при окислении объем образующегося окисла в 2,2 раза превышает объем вступившего в химическую реакцию кремния). После этого в структуре можно создавать базу и эмиттер. Описанный способ создания окисной изоляции получил название изопланарного

процесса.

В кристаллах с толстым эпитаксиальным слоем после создания диффузионных областей базы в них вытравливаются

2.8. Элементы интегральных	схем на биполярных транзисторах	209
У-образные канавки (см.	рис. 2.25 б), которые покрываются

лоями окисла, нитрида 0 и затем заполняются каким-либо материалом (обычно поликристаллическим кремнием) для восстановления планарности. Для создания таких канавок используют травление кремния в селективном травителе (горячем водном растворе КОН, (CH3UNOH или гидразина) под маской из Si3N4. В таком травителе скорость травления поверхности (100) кремния в несколько десятков раз выше, чем поверхности (111), и поэтому на поверхности кремния, ориентированной в направлении (100), образуются V-образные канавки, идущие вдоль направлений <110>. В этих канавках угол между «ограненной» плоскостью стенки (111) и вертикальной плоскостью равен 35,3°.

Структуры, в которых используется окисная изоляция, характеризуются малой паразитной емкостью, они имеют в 3 - 8 раз более высокую плотность упаковки по сравнению со структурами, созданными разделительной диффузией, и поэтому идеально подходят для создания современных БИС и СБИС. Еще более высокую плотность упаковки можно получить, изолируя элементы с помощью U-образных канавок, получаемых методом анизотропного плазменного травления [141].

Полностью исключить взаимное влияние элементов друг на друга можно только в структурах, в которых тонкий эпитаксиальный слой полупроводника выращен на изолирующей подложке [142]. Наиболее важными среди таких структур являются кремний-на-сапфире и кремний-на-изоляторе (см. с. 282). Микросхемы, созданные в таких структурах, обладают лучшими характеристиками (меньшей паразитной емкостью, более высокой радиационной стойкостью), но в то же время имеют и заметно более высокую стоимость.

2.8.2. Особенности устройства цифровых ИС на биполярных транзисторах. В схемотехнике современных цифровых интегральных схем на биполярных транзисторах широко исполь-

зуются многоэмиттерные и многоколлекторные

транзисторы

(см. рис. 2.26 и 2.27). Применение таких транзисторов существенно упрощает реализацию логических функций в этих ИС. Например, с помощью многоэмиттерного транзистора в микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, см. рис. 2.26)

') Из-за сильных напряжений, создаваемых пленкой Si3N4 в расположенном под ней кремнии, в последнем могут возникать дислокации. Чтобы избежать этого, между нитридом кремния и кремнием помещают тонкий (порядка 500 А) подслой Si0 2 .

210

Гл. 2. Биполярные

транзисторы

реализуется функция «И-НЕ», Действительно, низкий уровень напряжения на выходе логического элемента (логический 0) получается только тогда, когда на все эмиттеры многоэмиттерного транзистора VT1 (входы логического элемента) подан высокий уровень напряжения (логическая 1) и соответствующие эмиттерные р-п-переходы закрыты. При подаче на любой из входов элемента напряжения низкого уровня транзистор VT1 входит в режим насыщения, выходной транзистор VT2 закрывается и на выходе логического элемента устанавливается высокий уровень напряжения. Использование многоэмиттерного транзистора для реализации логической функции одновременно решает и проблему электрической развязки входов логического элемента, поскольку в электронной схеме эти входы обычно подключены к выходам разных логических элементов, состояние которых должно оставаться независимым.

эмиттеры

входы

а

б

Рис. 2.26. Упрощенная принципиальная схема базовой ячейки ИС транзисторно-транзисторной логики (а) и топология используемого в ней многоэмиттерного транзистора (б)

В микросхемах интегральной инжекционной логики	(И2 Л,
см. рис. 2.27) выходное состояние инвертора, кодируемое	разо-

мкнутым или замкнутым состоянием транзисторного ключа, одновременно выдается на несколько электрически независимых коллекторов многоколлекторного транзистора, а необходимая логическая функция реализуется путем соединения выходов нескольких инверторов (такой способ реализации логической функции в схемотехнике называется «проводное ИЛИ»).

Микросхемы, построенные по принципу интегральной инжекционной логики (И2 Л) нашли широкое применение в современной микроэлектронике [157]. Это связано с тем, что конструкция базовой ячейки этих ИС позволяет достигнуть очен.» высокой плотности интеграции при низкой потребляемой мощности. При изготовлении этих интегральных схем используется

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах

211

стандартный набор операций планарной технологии (см. п. 2.8.1), однако общее число этих операций заметно меньше, чем при изготовлении других типов биполярных ИС. Все это определяет

низкую стоимость микросхем	И2 Л и простоту их интеграции
с другими типами биполярных	ИС.

Рассмотрим логический элемент И 2 Л более подробно. В конструкцию его базовой ячейки заложены две принципиально новые идеи: новый способ подачи смещения в базу усилительного транзистора, позволяющий вообще отказаться от использования резисторов (которые обычно занимают значительную площадь на поверхности кристалла), и функциональная интеграция рабочих областей транзисторов разного типа проводимости, при которой отпадает необходимость изолировать транзисторы друг от друга и создавать отдельные контакты к каждому их выводу (контакты также требуют дополнительного места на поверхности кристалла). Все это позволило увеличить плотность упаковки в микросхемах И2 Л (число элементов, размещаемых на единице площади кристалла) в 10-30 раз по сравнению с другими типами биполярных ИС.

инжектор

выходы

выходы

VT

вход

0-

«2

	инж.	вх.	коллекторы
				Si 0-2
				W вертикальный
				п - р - п (VT2)
	j	скрытый п+ эмиттер
	горизонтальный		подложка
в	р - п - р (VT1)
Рис. 2.27. Принципиальная		схема	базовой ячейки	(а), ее эквивалентная схема
	(б) и топология ячейки интегральной			схемы И2 Л {*)