Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

202 Гл. 2. Биполярные транзисторы

на-изоляторе (см. с. 282). Более подробно об ионной импланта-

ции 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 про-

ведением диффузии или ионной имплантации, является заметное

боковое подтравливание окисла, которое заметно уменьшает раз-

решающую способность фотолитографического процесса. Поэто-

му 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 (10

-3

-10

мм

рт. ст.) приводит к образованию плазмы, состоящей из элек-

тронов, ионов, а также заряженных и нейтральных радикалов.

Плазма является источником реакционно-способных компонен-

тов, вступающих в химическую реакцию с атомами поверхности

твердого тела, в результате которой образуются летучие продук-

ты реакций. Отличительной особенностью плазменного травле-

ния, которой нет у химического травления, является его анизо-

тропия, то есть различие скоростей вертикального и бокового

травления. При определенных режимах плазменного разряда, ко-

гда 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 анизо-

тропное травление позволяет сохранить высокое разрешение,

достигаемое в фотолитографии. Именно этим способом изготав-

ливаются глубокие «каналы» в поверхности кремния, необходи-

мые 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, напри-

мер, для удаления Si02 без заметного воздействия на фоторезист

и находящийся под слоем Si02 кремний используют газовую

смесь CF

или CHF3. В то же время плазменное травление

в смеси O2+CF4 с высоким содержанием кислорода можно

использовать для преимущественного удаления самого рези-

ста [141].

Плазменное травление оказывается эффективным и в тех слу-

чаях, 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 вы-

держивает ни один фоторезист.

Изготовление планарного транзистора. Рассмотрим сна-

чала последовательность операций, используемых для создания

дискретного (одиночного) кремниевого транзистора по планар-

ной технологии, а затем обсудим формирование более сложных

транзисторных структур, применяемых в современных ИС.

РЩЩ

S йл

м 4

« « *

Рис. 2.23. Основные операции при создании кремниевого планарного транзи-

стора

Последовательность основных операций, проводимых при со-

здании 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 формиро-

ваться 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.

) 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

6 э к

транзистора, использу-

металл

SiOa

rem!:?».

' Ч '

•''

'•Is / .

скрытый слой п

-типа

подложка р-типа

$ 0

емого в современных

интегральных схемах,

показано на рис, 2.24.

В отличие от рассмот-

ренного выше дискрет-

ного транзистора, кон-

струкция транзисторов

для ИС должна быть

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.

Рис. 2.24. Поперечное сечение типичного п-

р-n-транзистора, используемого в конструк-

ции интегральных схем [156]

{

) 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 воспроизво-

димость 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 изо-

лировать транзисторы друг от друга) поступают следующим об-

разом [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, фо-

толитографии и последующей имплантации As или Sb в тех

местах, где будут располагаться транзисторы, создают слой полу-

проводника 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 выво-

дом 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 тран-

зистора (см. п. 2.3). Легирование эпитаксиального слоя осу-

ществляется добавлением в поток водорода газообразных АбНз

или РН3. Характерная толщина наращиваемого слоя составляет

М> мкм, а его удельное сопротивление — 1 Ом - см (n ~ 4х

X 10

см"

"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 по-

мощью 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, располага-

ющаяся непосредственно под эмиттером (см. рис. 2.24). Контакт

к коллектору (область п

-типа) может быть создан одновременно

с созданием 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

молекул воды.

Оказывается, что тип примеси, используемой для создания эмит-

тера, 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 пере-

хода, который необходим для высокого коэффициента инжекции эмит-

тера в области микротоков. Кроме того, при легировании фосфором

происходит неконтролируемое оттеснение металлургической границы

коллекторного р-п-перехода, лежащего под эмиттером (так называ-

емый «с1еер-эффект» [141]), что мешает создать очень тонкую базу.

Последнее связано с особенностью диффузии Р в Si: фосфор начинает

диффундировать с поверхности вглубь кристалла в виде комплексов

с вакансиями, а когда комплексы распадаются, в объеме возникает

высокая концентрация вакансий, которая и стимулирует более быструю

диффузию находящейся в базе примеси бора. Напротив, при исполь-

зовании вместо фосфора мышьяка градиент концентрации примеси

удается сделать в ~4 раза выше, что обеспечивает более чем двукрат-

ное увеличение коэффициента усиления, а отсутствие deep-эффекта

позволяет примерно вдвое увеличить и частоту отсечки транзистора,

При создании транзисторов для ИС большую роль играет сов-

мещение 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 после-

дующих элементов (см. подробнее на с. 273).

Подробнее об особенностях технологии изготовления различ-

ных 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 изо-

ляции 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 транзисто-

ров оказываются изолированными друг от друга обратно сме-

щенными р-п-переходами. К сожалению, этот способ изоляции

(также называемый разделительной диффузией) характеризу-

ется большой паразитной емкостью коллекторов и большими

непроизводительными потерями площади кристалла, идущей на

создание изолирующих областей (из-за боковой диффузии тол-

щина 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 комбини-

рованный способ изоляции, в котором сочетаются боковая окис-

ная изоляция и изоляция р-п-переходом, образуемым скрытым

слоем и подложкой. Окисную изоляцию можно создать двумя

способами. В кристаллах с тонким (порядка 1 мкм) эпитаксиаль-

ным 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 хи-

мическим осаждением из смеси S1H4+NH3 при 700-900 Защитные пленки

нестехиометрического нитрида кремния получаются плазмохимическим оса-

ждением (в тлеющем разряде) из той же смеси при 200-350 °С [58].

208

Гл. 2. Биполярные транзисторы

Si0

SiOa AI

поли-Si Si

N^ SiOi

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 крем-

ния необходимо для того, чтобы после окисления поверхность

структуры вновь стала планарной (напомним, что при окисле-

нии 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 со-

здания 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 ма-

териалом (обычно поликристаллическим кремнием) для восста-

новления 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) крем-

ния в несколько десятков раз выше, чем поверхности (111),

и поэтому на поверхности кремния, ориентированной в направ-

лении (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, харак-

теризуются малой паразитной емкостью, они имеют в 3-8 раз

более высокую плотность упаковки по сравнению со структу-

рами, созданными разделительной диффузией, и поэтому иде-

ально 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 эпитак-

сиальный слой полупроводника выращен на изолирующей под-

ложке [142]. Наиболее важными среди таких структур являются

кремний-на-сапфире и кремний-на-изоляторе (см. с. 282). Мик-

росхемы, созданные в таких структурах, обладают лучшими ха-

рактеристиками (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 бипо-

лярных 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 суще-

ственно упрощает реализацию логических функций в этих ИС.

Например, с помощью многоэмиттерного транзистора в микро-

схемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, см. рис. 2.26)

') Из-за сильных напряжений, создаваемых пленкой Si3N4 в расположен-

ном под ней кремнии, в последнем могут возникать дислокации. Чтобы избе-

жать этого, между нитридом кремния и кремнием помещают тонкий (порядка

500 А) подслой Si0

210

Гл. 2. Биполярные транзисторы

реализуется функция «И-НЕ», Действительно, низкий уровень

напряжения на выходе логического элемента (логический 0) по-

лучается только тогда, когда на все эмиттеры многоэмиттерного

транзистора VT1 (входы логического элемента) подан высокий

уровень напряжения (логическая 1) и соответствующие эмит-

терные 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 про-

блему электрической развязки входов логического элемента, по-

скольку в электронной схеме эти входы обычно подключены к

выходам разных логических элементов, состояние которых долж-

но оставаться независимым.

Рис. 2.26. Упрощенная принципиальная схема базовой ячейки ИС

транзисторно-транзисторной логики (а) и топология используемого в ней мно-

гоэмиттерного транзистора (б)

В микросхемах интегральной инжекционной логики (И

Л,

см. рис. 2.27) выходное состояние инвертора, кодируемое разо-

мкнутым или замкнутым состоянием транзисторного ключа,

одновременно выдается на несколько электрически независи-

мых коллекторов многоколлекторного транзистора, а необходи-

мая логическая функция реализуется путем соединения выходов

нескольких инверторов (такой способ реализации логической

функции в схемотехнике называется «проводное ИЛИ»).

Микросхемы, построенные по принципу интегральной ин-

жекционной логики (И

Л) нашли широкое применение в совре-

менной микроэлектронике [157]. Это связано с тем, что кон-

струкция базовой ячейки этих ИС позволяет достигнуть очен.»

высокой плотности интеграции при низкой потребляемой мощ-

ности. При изготовлении этих интегральных схем используется

эмиттеры

входы

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 И

Л и простоту их интеграции

с другими типами биполярных ИС.

Рассмотрим логический элемент И

Л более подробно. В кон-

струкцию его базовой ячейки заложены две принципиально но-

вые 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 ра-

бочих 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 И

Л (число элементов, размещаемых на единице

площади кристалла) в 10-30 раз по сравнению с другими типами

биполярных ИС.

инжектор выходы

выходы

вход

«2

инж. вх. коллекторы

j скрытый п

эмиттер

вертикальный

п-р-п (VT2)

Si 0-2

горизонтальный подложка

р-п-р (VT1)

Рис. 2.27. Принципиальная схема базовой ячейки (а), ее эквивалентная схема

(б) и топология ячейки интегральной схемы И

Л {*)