Интегральная биполярная структура

(9) 01 Е. 27/О 5)5 ПИСА Е ИЗОБР ЕНИЯ ЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И. ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИ(57) Использование: проектирование аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов, Сущность изобретения: Изобретение относится к конструкциям полупроводниковых приборов, в точнее к конструкции интегральных биполярных структур (ИБС), и может использоваться при проектировании аналоговых и аналого-циф-. ровых базовых матричных кристаллов (БМК).Известна ИБС, содержащая полупроводниковую подложку с эпитаксиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого сформированы подконтактная область и -типа проводимости, первая и вторая области р-типа проводимости, внутри второй области р-типа проводимости .сформирована область и -типа проводимости,+поверхность эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем вышеуказанным областям. 174 б 440 А 1 интегральная схема содержит.горизонталь-. ный р-и-р- и два вертикальных и-р-и-транзистора, вокруг эмиттер ной области горизонтального транзистора сфбрмированы две замкнутые области того же типа проводимости. что и эмиттер горизонтального транзистора, частично перекрывающие области баэ вертикальных транзисторов, при этом первая замкнутая область идентична эмиттеру горизонтального транзистора, степень легирования которого больше, а глубина залегания меньше баз вертикальных транзисторов, а глубина, залегания второй замкнутой области - не менее глубины залегания баз вертикальных транзисторов.2 э,п,ф-лы, 1 табл., 3 ил. Данная ИБС позволяет при различных внешних соединениях реализовать вертикальный транзистор, эмиттером которого является область и -типа проводимости, базой - вторая область р-типа проводимости, коллектором - эпитаксиальный слой, коллекторным контактом - подконтактная область; горизонтальный р - и - р-транзистор, эмиттером которого является вторая об- . ласть р-типа проводимости(или первая), базой - эпитаксиальный слой с подконтактной областью и+;типа проводимости, коллектором - первая область р-типа проводимости (или вторая).Однако обеспечение минимальной площади кристалла обуславливает низкий коэффициент усиления горизонтального р - и -р-транзистора из-за отсутствия кольцевого коллектора, Наличие по одному контактук областям эмиттера, коллектора и базы как и - р - и, так р - и - р-транзисторов вызывает фиксированную последовательность расположения выводов: коллектор - база - эмиттер для п - р - п-транзистора, усложняющую выполнение соединений на БМК. Полная изоляция эпитаксиального слоя, являющегося коллектором и - р - п-транзистора, обеспечивая хорошие частотные характеристики, требует значительного усложнения технологического процесса,. Кроме того, эта ИБС имеет плохие переключательные свойства из-за наличия "оборванного" эмиттера неиспользуемого транзистора.Известна ИБС, содержащая полупроводниковую подложку с эпитаксиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной областикоторого сформированы подконтактная область о -типа проводимости, первая, вторая и третья области р-типа проводимости, причем первая и вторая области выполнены в виде двух.полуколец, окружающих третью область, внутри первой и второй области сформированы первая и вторая области и -типа проводимости, поверхность+эпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные окна и сформированы омические контакты ко всем указанным областям, и два окна к подконтактной области,Данная ИБС позволяет путем различных соединений реализовать два и - р - и-транзистора с объединенными коллекторами; двухколлекторный р - п - р-транзитсор,Выполнение первой и второй области р-типа проводимости в виде полуколец, являющихся коллекторами горизонтальных р - и - р- и базами вертикальных и - р - п-транзисторов, повышает коэффициент усиления по току р - и - р-транзистора по каждому из коллекторов, причем параллельное соединение коллекторов такого р - и - р-транзистора еще более увеличивает его усиление,Фиксированная последовательность расположения выводов как и - р - и, так и р - и - р-транзисторов коллектор - база - эмиттер для и - р - и и база - коллектор - эмиттер для р - и - р, наличие вскрытых окон в подконтактной области только с одной стороны от центральной части схемы усложняет выполнение соединений на БМК.Расположение областей и-.типа проводимости, являющихся эмиттерами и - р - и-транзисторов внутри первой и второй областей р-типа проводимости, имеющих форму полуколец; приводит к тому, что области и -типа проводимости должны располагаться в расширенных частях полуколец и иметьформу, близкую к квадрату (шестиугольник,круг и т.д.), что существенно ухудшает частотные свойства и - р - п-транзисторов,+5 выполнение же областей и -типа проводимости в виде полосок в расширенных частяхполуколец увеличивает размеры последних,а также емкости р - и-переходов и ухудшаетчастотные свойства.10 Кроме того, данное техническое решение обладает плохими переключательнымисвойствами,Наиболее близкой к предлагаемой является ИБС, содержащая полупроводниковую15 подложку р-типа проводимости с эпитакстиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого сформированыдве подконтактные области и -типа проводимости, первая, вторая области р-тига прово 20 димости, причем первая и вторая области,имеющие 1 -образную форму, окружаюттретью область и не соприкасаются междусобой, внутри первой и второй областей р-типа проводимости сформировань первая и25 вторая области и -типа проводимости, подконтактные области расположены по разныестороны от третьей области, поверхностьэпитаксиального слоя покрыта слоем диэлектрика, в котором вскрыты контактные ок 30 на и сформированы омические контакты ковсем указанным выше областям.Данная конструкция ИБС позволяет реализовать 2 и - р - п-транзистора с обьединенным коллектором с различной35 последовательностью расположения выводов: коллектор - база - эмиттер, коллектор- эмиттер - база, а также двухколлекторныйр - и - р-транзистор с последовательностьювыводов: база - коллектор - эмиттер, база -40 эмиттер - коллектор. Кроме того, расположение подконтактных областей по разныестороны от третьей области дает возможность использовать их в качестве низкоомного резистора "нырка". Расположение45 подконтактных областей между -образными областями обуславливает отсутствиезамкнутой (кольцевой) области р-типа (коллектора горизонтального р - и. - р-транзистора), что уменьшает собирание50 неосновных носителей, инжектированныхэмиттером. р - п - р-транзистора (третьяобласть р-типа проводимости) и таким образом.уменьшает коэффициент усиления р - и- р-транзистора по току,55 Однако расположение областей и-типапроводимости внутри расширенных частейЕ-образных областей приводит к ухудшению частотных свойств, Кроме того, данноетехническое решение обладает плохими переключательными свойствами.Недостатками известного техническогорешения являются низкий коэффициентусиления по току р - и - р-транзистора,плохие переключательные и частотныесвойства, 5Цель изобретения - улучшение частотных, переключательных и усилительных характерйстик.Цель достигается тем, что в ИБС, содержащей подложку р-типа проводимости с 10эпитаксиальным слоем и-типа проводимости, в изолированной области которого расположены две подконтактные областии -типа проводимости. горизонтальный р -+и - р-транзистор и две вертикальных и - р - 15п-транзистора, расположенные симметрично относительно области эмиттера горизонтального транзистора, при этом базовой иколлекторной областями горизонтальноготранзистора являются соответственно коллекторная и базовая области вертикальныхтранзисторов, маскирующее покрытие, в окнах которого сформированы омические контакты к указанным областям, системувнешних соединений, согласованную со 25схемой, дополнительно вокруг эмиттернойобласти горизонтального р - и - р-транзистора сформированы идентичная ей перваязамкнутая область и вторая замкнутая.область того же типа проводимости, частично 30перекрывающие области баэ вертикальныхтранзисторов, при этом степень легирования эмиттерной области горизонтального р- и - р-транзистора больше, а глубина залегания меньше соответствующих параметров базовых областей вертикальных п - р -п-транзисторов, а глубина залегания второйзамкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных п - р- п-транзисторов,Система внешних соединений может 40быть выполнена двумя способами.Область эмиттера горизонтального р -и - р-транзистора может быть электрическисоединена с коллекторной областью вертикального и - р - п-транзистора или же замкнутые области могут быть электрическисоединены с областями эмиттеров вертикальных п - р - п-транзисторов.Введение вокруг эмиттерной областигоризонтального р - п - р-транзистора первой замкнутой области, частично перекрывающей областибаз и не контактирующей собластями эмиттеров вертикальных транзисторов, обеспечивает меньшее расстояниемежду эмиттерной и коллекторной областями горизонтального транзистора, чем между эмиттерной областью р - ир-транзистора и базовыми областями и - р- п-транзистора, так как в противном случае замкнутая область либо полностью перекрывалась бы областями без вертикальных и - р - п-транзисторов, либо их окружала, Выполнение указанного условия обеспечивает формирование базы горизонтального р - и - р-транзистора между наиболее близко расположенными областями (замкнутой и эмиттерной) р - и - р-транзисторов, Так как первая замкнутая область сформирована в том же слое р-типа проводимости, что и эмиттерная область горизонтального р - и - р транзистора, минимальное расстояние между ними будет определятся только растравом маскирующего покрытия и фоторезистора и боковой диффузией, и поэтому может быть выполнено малым ( = 1,0 мкс) с высокой воспроизводимостью. При формировании эмиттерной и коллекторной областей горизонтального р - и - р-транзистора в разных слоях расстояние между ними зависит также от рассовмещения фотошаблонов, допустимое значение которого составляет 1,0 мкм, при этом толщины базы лежит в пределах (0,2 - 0,4) - (2,2 - 2,4) мкм, что существенно ухудшает либо пробивное напряжение, либо коэффициент усиления по току и делает невоспроизводимым формирование р - и - р-транзисторов. Если вто- рая замкнутая область имеет глубину более глубины залегания базовых областей вертикальных и - р - п-транзисторов, то она эффективно собирает неосновные носители, инжектированные эмиттером горизонтального р - и - р-транзистора и увеличивает его коэффициент усиления,Возможен случай, когда вторая замкну-, тая область имеет глубину, равную глубине залегания базовых областей, Однако при этом необходимо учесть, что введенные первая замкнутая и эмиттерная области гори- зонтального транзистора имеют степень легирования больше, а глубину залегания меньше, что обеспечивает увеличение собирания носителей, инжектированных эмиттерной областью горизонтального р - и - р-транзистора за счет увеличения параметра (по кольцу) и площади собирающей части (носители собирает как первая замкнутая область. так и более глубоко залегающие участки баз вертикальных и - р - и-транзисторов - вторая замкнутая). Таким образом, введение замкнутых областей увеличивает собирание носителей, а формирование эмиттерной области горизонтального транзистора с высокой степенью легирования увеличивает эффективность эмиттера р - и - р-транзистора, Суммарным эффектом будет увеличение коэффициента усиления по току. С другой стороны, замкнутые области не контактируют с эмиттерными областями.вертикальных и - р - п-транзисторов, так что их коэффициент усиления не изменяется,Если и - р - п-транзистор полупроводникового прибора работает в режиме насыщения, а эмиттер.р - и - р-транзистора "оборван", эмиттерный переход р - и - ртранзистора смещается в прямом направлении и в коллекторной области и. - р - и-транзистора накапливается заряд, что ухудшает переключательные свойства и - р - п-транзистора, Аналогичный эффект существует и в р - п - р-транзисторе, если он находится в состоянии насыщения, а эмиттер и - р - и-транзистора "оборван",Когда ИБС используется как биполярный транзистор определенного типа проводимости, система внешних соединений формируется таким образом, что неиспользуемый р - и-переход находится при нулевом напряжении и неиспользуемый транзистор не входит в режим насыщения. накапливания носителей в коллекторной области работающего транзистора не происходит и его переключательные свойства не ухудшаются.С точки зрения частотных свойств ИБС имеет минимально возможную длину а, определяемую только минимально возможными размерами эмиттерной области горизонтального р - и - р-транзистора, замкнутой области и окна к указанной эмиттерной области (составляющие для современных ИС 8 мкм + 6 мкм + 8 мкм == 22 мкм) минимально возможное сопротивление базовой области, определяемое практически только расстоянием от замкнутой области до эмиттерных областей; возможность формирования эмиттерных областей в виде узких полосок, длиной для указанных размеров 18 мкм и шириной, определяемой минимально допустиМыми размерами технологического процесса; уменьшенное объемное сопротивление коллектора иэ-за возможности формировать протяженные подконтактные области длиной а, равной или превышающей длину эмиттерных областей, Все эти свойствами ИБС ведут к улучшению ее частотных характеристик,Предлагаемая совокупность областей при соответствующей системе внешних соедйнений обеспечивает возможность работы структуры в качестве вертикальных и - р - и-транзисторов с объединенным коллектором (при системе внешних соединений, когда область эмиттера горизонтального р - и - р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального п - р-и-транзистора); горизонтального р - и - р-транзистора при системе внешних соединений, когда замкнутые области электриче ски соединены с областями эмиттеров вертикальных п - р - п-транзисторов). Данная ИБС очень удобна для использования в БМК, так как она позволяет реализовать одноколлекторный р - и -р-транзистор с аналогичной известным последовательностью выводов, но значительно большим коэффициентом усиления,На фиг.1 - Э схематически представлена предлагаемая ИБС, при этом фиг.2 поясняет ИБС в том случае, когда глубина залегания 10 второй замкнутой области равна глубине залегания, а фиг,З - , когда она более глубины залегания базовых областей вертикальных и - р - п-транзисторов.ИБС содержит полупроводниковую подложку р-типа проводимости 1 с эпитаксиальным слоем 2, в котором при помощи разделительных областейЭ сформирована изолированная область. В изолированной области сформированы две подконтактные области 4 и -типа проводимости, скрытый+слой 5, и -типа проводимости, две базовые области 6 и - р - и вертикальных транзисторов, две эмиттерные области 7, и -типа проводимости, змиттерная область 8 р - и - р горизонтального транзистора, первая замкнутая область 9, р-типа проводимости того же типа проводимости, той же концентрации носителей и глубины залегания, что и эмиттерная область р - и - р-транзистора и вторая замкнутая область 13, поверхность ИБС покрыта маскирующим покрытием 10, в окнах 11 которого сформированы омические контакты.12 к указанным областям. ИБС при соответствующей системе внешних соединений обеспечивает возможность работы в качестве вертикальных и - р -и-транзисторов с объединенным коллектором, которым является эпитаксиальный слой 2, базами - областями 6, змиттерами - области 7; горизонтального р - п - р-транзи 40 стора, коллектором которого является замкнутая область 9 совместно с областями 6, базой - эпитаксиальный слой 2, эмиттером- область 8, При работе ИБС в качестве вертикального и - р - п-транзистора, коллектор поэмиттерный переход горизонтального транзистора находится при нулевом напряжении. При любом режиме работы вертикального и - р - и-транзистора р - и - р-транзистор не переходит в режим насыщения, добавочное накопление заряда не- основных носителей заряда в коллекторной области и - р - и-тразистора не наступает, что улучшает переключательные свойства п - р - п-транзистора,55 следнего 2 соединяется с эмиттером 850 горизонтального транзистора. При этомПри работе ИБС в качестве горизон- ции кольцевого генератора, состоящегоиз 5тального р - и - р-транзистора коллектор 9 инверторов, каждый из которых включал и -последнего соединяется с эмиттерами 7 и - р - и-транзистор с коллектором, соединенр - п-транзисторов, при этом неухудшаются ным через резистор 4,5 кОм с шиной питапереключательные свойства р - и - р-тран ния, а эмиттер заземлен.зистора, Результаты измерений приведены вРабота транзисторов в статическом ре- таблице,жиме происходит известным образом, Предлагаемая ИБС имеет коэффициентП р и м е р (для фиг.2). усиления по току р - и - р-транзистора в 5,7На кремниевой пластине с эпитаксиаль раз больше, модуль коэффициента передачиным слоем и со скрытым слоем 76 в 1,64 раза больше, задержку на вентиль в5 КЭФ 1, О/6 КЭ С 20 1,22 раза меньше, чем прототип.ионной имп 380 ЭКДБ 10 -2 б (111 ) 40 Таким образом, изобретение обеспечилантацией созданы области разделения р- ваетувеличение коэффициентаусиления р-.типа проводимости глубиной х =- 5,2+ 0,8 "5 и Р-транзистора за счет увеличения конмкм и поверхностным сопротивлением В, =- центрации пРимеси в эмиттере с одновре 50+ 15 Ом/квадрат; низкоомной базы р-ти- менным увеличением площади коллектора,па при х = 1,1+ 0,2 мкм и В, =- 100 ь 20 собирающей неоснованые носители зарядаОм/квадрат; высокоомной базы р-типа при (ННЗ) в базе: Улучшение переключательныхх =1,510,2 мкми Вэ =750 +150 Ом/квад свойств за счет исключения накапливаниярат; эмиттера и+-типа проводимости при х ННЗ в коллекторных областях как верти= 0,7 +0,1 мкм и Вэ =.28 13 Ом/квадрат; кальных и - р - и-, так и горизонтальных р -глубокогоколлекторап-типапроводимости и Р -тРанзисторов; оптимальное располопри х =4,21 0,5 мкм и В = 25 5 Ом/квадрат. жение областей, позволяющее использо 25 вать полупроводниковый прибор в БМК и,Поверхность эпитаксиальной пленки по-осуществлЯть Различные виды соединений;крыта термическим окислом кремния толщи- возможность формирования эмиттеров и -ной 0,25 1 0,02 мкм, в котором вскрыты окна Р - и-транзисторов в виде узких полосок, аисформированы элементыметаллизациина следовательно, улучшение частотныхоснове алюминия и ванадия. Полученные 30 свойств, обеспечение минимальной площаструктуры покрыты пассивирующим слоемокисла толщиной 0,45 мкм, Формула изобретенияСформированы структуры двух типов: с 1. Интегральная биполярная структура,топологией прототипа и топологией данно- содержащая подложку р-типа проводимого решения. 35 сти с эпитаксиальным слоем и-типа провоТопология прототипа имела-образные димости, в изолированной области которогобазовые области и - р - п-транзисторов, в расположены две подконтактные областикоторых сформированы эмиттерные обла- и -типа пРоводимости, горизонтальный р -+сти и -типа в виде квадрата со стороной 8 и - Р-транзистор и два вертикальных и - р -мкм, базовые области и - р - и -транэисто п-транзистора, расположенные симметричров не соприкасались между собой. 8 дан- но относительно области эмиттера горизонном решении эмиттер и - р - и-транзистора тального транзистора, при этом базовой ибыл выполнен в виде полоскишириной 4 коллекторной областями горизонтальногомкм и длиной 18 мкм, имеющей утолщение транзистора являются соответственно колдля контактного окна, Первая замкнутая об лекторная и базовая области вертикальныхласть и эмиттер горизонтального р - и - транзисторов, маскирующее покрытие, в окр-транзистора сформированы в слое низко- нах которого сформированы омические кономной базы р -типа проводимости. Вторая такты к указанным областям, систему.замкнутая область сформирована в слое вы. внешних соединений, согласованную сосокоомной Р-базы., 50 схемой,отл ичающаясятем.что,сцельюИзмерялись следующие параметры: ко- улучшения частотных переключательных иэффициент усиления по току горизонталь- усилиельных характеристик прибора, вокного р - и - р-транзистора при эмиттерном руг эмиттерной области горизонтального ртоке э = 0,1 мА и напряжения коллектор -- и - р-транзистора сформированы идентичэмиттер Окэ=5,0 8(п 21 Е): модуль коэффици 55 ная ей первая замкнутая область и втораяента передачи тока (/Ь 21 с/) на высокой час- замкнутая область того же типа проводимототе и - . р - и-транзистора при эмиттерном сти, частично перекрывающие области базтоке 4-10 мА, напряжении коллектор-база веРтикальных транзисторов, при этом сте 5,0 8 и частоте 1 = 100 мГц; частота генера- пень легирования эмиттерной области горизонтального р - и - р-транзистора больше,а глубина залегания меньше соответствующих параметров базовых областей вертикальных и - р - п-транзисторов, а глубина залегания второй замкнутой области не менее глубины залегания базовых областей вертикальных и - р - п-транзисторов,2. Структура по и. 1 отл ича ю ща я с я тем, что область эмиттера горизонтального р- и - р-транзистора электрически соединена с коллекторной областью вертикального р - и - р-транзистора.5 3. Структура по п.1, о т л и ч а ю щ а я с ятем, что дополнительная замкнутая область электрически соединена с областями эмиттеров вертикальных п - р - п-транзисторов.10Ъ 746440 1 5 едактор А,Алексе ректор Э,Лончако НТ СС оизводственно-издательский комбинат" Патент",г.Ужгород,уд. Гагарина,10 Заказ 2399 ВНИИПИ Госуд 1 б 9Фиг. Составитель О,В,ДворникТехред М,Моргентал Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5