Приемы самосовмещения при формированиитранзисторных структур БИСНаличие в структуре с боковой диэлектрической изоляцией пристеночных р-n-переходов предполагает самосовмещение базовой, эмиттерной областей и контактов к ним с транзисторной меза-областью. При литографических операциях соответствующие вскрывающиеся окна шире меза-области и частично перекрывают область изоляции. В случае изоляции приборов селективным окислением кремния травление маскирующего слоя в окне для легирования эмиттера приводит к частичному травлению и изолирующего окисла. Рельеф поверхности кремния в эмиттерном окне имеет углубление на границе с изолирующим окислом, где возможно короткое замыкание эмиттер-коллектор (рис. 20.1).
Рисунок 20.1 Самосовмещенное легирование эмиттера и базы в изопланарной структуре: а) ионное легирование база через слой тонкого окисла; б) сечение структуры с «пристеночным» эмиттером без дополнительного легирования активной области базы; Дополнительное легирование области активной базы непосредственно в эмиттерное окно позволяет исключить этот дефект. В рассматриваемых ниже структурах, в которых легирование активной и пассивной областей базы не может быть выполнено одновременно, также всегда осуществляется сомосовмещенное легирование эмиттера и активной базы в одно окно. В целях исключения ошибки совмещения масок при последовательных литографических операциях уменьшений размеров транзисторов используется прием «жесткой маски». В качестве «жесткой маски» обычно применяется слой нитрида кремния, в котором вскрываются необходимые окна. С помощью фотолитографии некоторые окна закрываются фоторезистом, травление или ионное легирование структуры производится с одновременным использованием маскирующих свойств нитрида кремния и фоторезиста. На рис. 20.2 показаны основные этапы формирования транзисторной структура с помощью двухслойной «жесткой маски».
Рисунок 20.2 Использование двухслойной «жесткой маски» для формирования контуров изоляции и контактов: а) топология маски; б) использование маскирующих свойств окисла и фоторезистов для травления контура изоляции; в) вскрытие коллекторного контакта и легирование, области коллектора Двухслойная маска обеспечивает формирование контуров изоляции, эмиттера, контактных окон к коллектору и базе в одном процессе фотолитографии. Получение качественных электрических характеристик мелкослойных транзисторов требует наличия в контактах барьерного слоя из поликристаллического кремния. В этом случае негативная «жесткая маска» используется для селективного окисления поликремниевого слоя. Легирование областей коллекторного контакта, эмиттера, контакта к базе и активной базы производится после стравливания нитридных участков «жесткой маски» над соответствующими контактными окнами. Диффузия примесей после вскрытия окон ведется в атмосфере неокисляющего газа, например, аргона. Обеспечив совмещаемость контактов, «жесткая маска» не позволяет уменьшить шаг металлизации и сократить расстояние между электродами транзистора до размеров менее 1 мкм. Существенное уменьшение размеров транзистора возможно только при самосовмещении элементов разводки и контактов. Причем в качестве элементов, совмещающих функции электродов транзистора и разводки, чаще всего используются участки поликристаллического кремния. Один из вариантов самосовмещенной структуры представляет транзистор с приподнятыми электродами (ЕЕЛС) (рис. 20.3). Рельеф, образованный при травлении поликремния, использован для получения разрыва в вертикальной плоскости в пленке металла, а также ионно-плазменного травления контактных окон. Окна к кремнию вскрыты только на плоских участках, а вертикальные стенки приподнятых электродов защищены окислом. В структуре обеспечиваются малые топологические размеры транзистора, но большие высота и крутизна рельефа в слое поли кремния затрудняют формирование второго и последующих уровней металлизации.
Рисунок 20.3 Сечение транзисторной структуры
Рисунок 20.4 Основные этапы формирования транзистора и поликремниевого резистора в структуре PSA: а) нитридная маска на пленке поликремния; б) легирование пассивной области базы и окисление поликремния; в) удаление маски, легирование резистора, активной базы и эмиттера; г) формирование силицида платины на поликремнии. Самосовмещение контактных окон с разводкой первого уровня достигается при селективном окислении поликремния в структуре. Разводка первого уровня выполнена силицидом платины на слое поликремния. В процессе PSA расстояние между электродами определяется разрешающей способностью литографии или не зависит от точности совмещения масок. Основной недостаток структуры относительно высокое (1-3 Ом/кв) сопротивление силицидной разводки (рис. 20.4). Значительное сокращение расстояния между эмиттером и контактом к базе при наличии металлических низкоомных контактов к эмиттеру и коллектору достигается в структуре АPSA (транзистор со структурой АPSA) имеет поликремниевый эмиттер, поликремниевый контакт к базе и малую площадь коллекторного перехода (3-4 площади эмиттера). Процесс АPSA требует нанесения двух изолированных уровней поликремния - для контакта к базе и контактов эмиттера-коллектора. Общая площадь APSA - транзистора такая же, как и при использовании PSA процесса, т.к. в нее входит и площадь металлизированного контакта к базе, расположенного на изолирующем диэлектрике. Наиболее оригинальной транзисторной структурой, полученной мноступенчатым самосовмещением, является структура SST-2 (Super Selby-align Transistor). В такой структуре (рис. 20.5) использован только один слой поликремния. Субмикронный зазор между эмиттером и контактом к базе сформирован селективным плазмохимическим травлением нелегированного поликремния. С использованием процесса SST-2 получены наиболее быстродействующие биполярные БИС: схема памяти емкостью 1 Кбит с временем выборки 3нс и комбинационный умножитель, выполняющий операцию перемножения двух восьмиразрядных чисел за 10 нс. Параметры транзисторов БИС, изготовленных по маршруту SST-2 с 2 мкм проектными нормами, приведены в таблице 20.1. Измерения времени задержки ЭСЛ переключателей в кольцевых генераторах дали величину 0, 196 нс при мощности 1, 2 мВт на 1 вентиль для вентилей на транзисторах типа 2 и 0, 34 нс при мощности 0, 35 мВт - для вентилей на транзисторах типа 1 (рабочий ток 0, 2 мА). Таблица 20.1 Параметры интегральных транзисторов, изготовленных по маршруту SST-2
Рисунок 20.5 Основное этапы формирования транзистора в маршруте SST-2: а) легирование поликремния бором под защитной трехслойной маской; б) боковое травление окисла для уменьшения размера маски; в) травление нитрида под защитой окисла и селективное травление нелегированного пали кремния; г) окисление поликремния с одновременной диффузией пассивной базы, удаление маски, легирование базы и эмиттера, вскрытие контактов и металлизация Некоторые варианты схемотехники быстродействующих БИС требуют высоких усилительных характеристик транзисторов, как в прямом, так и в инверсионном включении. Для таких случаев разработана транзисторная структура с симметричными характеристиками. Основой процесса является одновременное эпитаксиальное наращивание монокристаллического и поликристаллического слоев. В диэлектрике над областью скрытого n+-слоя вскрываются окна эмиттера и коллектора. Далее проводится наращивание кремниевого слоя р-типа, причем над областью диэлектрика осаждается поликристаллический слой. После обтравливания кремниевый слой окисляют, в окисле вскрывают контактные окна, проводят легирование эмиттера и контакта к базе и формирование металлизации ИС. Структура имеет очень маленькую емкость перехода коллектор-база, однако эпитаксиальная база препятствует получению высоких плотностей тока и достижению предельного быстродействия. Использование нитридных и поликремниевых слоев, селективного окисления и травления, стандартных процессов фотолитографии позволяет на основе приемов самосовмещения получать транзисторы площадью менее 100 мкм2. Решение одной из основных задач технологии - приблизить параметры приборов к физическим пределам - возможно при использовании электронолитографии и уменьшении площади транзистора до 10-14 мкм2.
|
