Peculiarities of the method in internal formation of structures in bipolar and CMOS technologies

Full Text

Введение

Поиск компромиссных решений, позволяющих получить оптимальную комбинацию энергетических и частотных параметров биполярных кремниевых транзисторов, привел к тому, что сложился определенный подход к их конструированию [1–4].

В то же время дальнейшее улучшение характеристик и качества этого класса приборов на основе сложившегося подхода практически невозможно. Это связано с тем, что в настоящее время в некоторой степени реализованы предельные возможности современной технологии. Кроме того, существуют причины фундаментального характера, включая ограничение допустимых рабочих температур полупроводниковых материалов и напряженности электрического поля в них [5], вероятность теплового (выделяемая джоулевая мощность в современных транзисторных структурах составляет ~10⁷ Вт/см³) и электрического пробоя (напряженность электрического поля в элементах транзистора достигает ~10⁵ В/см), эффектов, связанных с насыщением дрейфовой скорости носителей заряда, скин-эффекта и других факторов [6, 7]. При этом для транзисторов спад выходной мощности с ростом частоты подчиняется зависимости ~1/f² [5, 6, 8].

Целью работы является поиск дополнительных возможностей для улучшения качества и выходных параметров биполярных транзисторов, в частности, с использованием методов внутреннего формирования структур (самосовмещение и самоформирование) [9–13] без изменения горизонтальных размеров и формы коллекторной, базовой и эмиттерных областей. В работе приведены результаты сравнительных данных по особенностям формирования структуры мощного СВЧ-транзистора по стандартной технологии и новой (методом внутреннего формирования структур).

Обзор путей совершенствования технологии

Эволюция запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ) на основе КМОП-структур идет в направлении увеличения их информационной емкости и быстродействия, в результате возрастает количество элементов на кристалле и уменьшаются их размеры [14]. Основой ЗУПВ является накопитель информации, занимающий 60 % или более площади кристалла, построенный на основе запоминающих ячеек (ЗЯ), хранящих информацию. Структура отдельной ячейки памяти определяет степень интеграции всего ЗУПВ, а технологический процесс создания ЗУПВ является процессом синтеза ЗЯ и определяет уровень качества и стоимость ЗУПВ.

Изучение возможных путей повышения плотности упаковки элементов ЗЯ показывает [14, 16], что пропорциональное уменьшение (масштабирование) может быть применено не ко всем размерам элементов схемы. Одной из причин является то, что эффекты коротких и длинных каналов накладывают ограничения на длину и ширину каналов МОП-транзисторов. Второй фактор – рост «птичьих клювов» при создании изоляции элементов. Третья проблема связана с реализацией малых зазоров при создании контактов.

Решение этих проблем взаимосвязано. Подавление «клювов» также ведет к более высоким значениям плотностей дефектов и токов утечек переходов из-за значительного возрастания остаточных напряжений. К возрастанию дефектности и токов утечки приводит и увеличение концентрации примеси в каналах и канало-ограничительных (охранных) областях, требуемое для подавления эффектов узкого и короткого каналов, а также уменьшение зазоров при создании контактов. Кроме того, размер и форма «клювов» влияет на эффект узкого канала и на качество создаваемых контактов. Таким образом, более высокий процент выхода годных СБИС ЗУПВ и более низкая их трудоемкость могут быть достигнуты путем оптимизации технологических решений, включая меры по снижению плотности дефектов. Проблема повышения выхода годных и снижения трудоемкости СБИС ЗУПВ на блоке охраны в работе решается путем использования термического диоксида кремния (вместо нитрида кремния) в качестве маскирующего покрытия и совершенствованием способа легирования n⁻- и p⁻-карманов КМОП-структур.

Самосовмещение в биполярной технологии СВЧ-транзисторов

Исследовались мощные СВЧ кремниевые эпитаксиально-планарные n–p–n транзисторы диапазона частот ≥ 1 ГГц, для изготовления которых использовали однослойные эпитаксиальные структуры 10КЭФ1,8/350ЭКЭС0,01(111).

На рис. 1 представлены два варианта конструкции транзистора. Равноудаленность эмиттерных p–n-переходов от коллекторного p–n-перехода на расстояние, равное толщине активного участка базы W_б (рис. 1б), обеспечивает увеличенную эффективную площадь эмиттера, при этом минимальная глубина пассивного участка базы l соизмерима с толщиной активного участка области базы W_б.

 

Рисунок 1 – Фрагмент транзисторной структуры с эмиттерными переходами, изготовленными по стандартной (а) и новой (б) технологиям: 1 – коллекторная область; 2 – эпитаксиальный слой; 3 – p+–пассивный участок области базы; 4 – активный участок области базы; 5 – пассивный участок области базы; 6 – эмиттерная область; 7 – диоксид кремния; 8 – омический контакт к эмиттеру, 9 – омический контакт к базе

 

Основные операции, входящие в состав технологического маршрута формирования структуры мощного биполярного СВЧ-транзистора, представлены на рис. 2 (стандартная технология) и на рис. 3 (новая технология). В стандартной технологии после пирогенного выращивания толстого (~0,65 мкм) слоя SiO₂ на однослойной эпитаксиальной структуре 10КЭФ1,8/350ЭКЭС0,01(111) при температуре 1150°C и длительности 1 ч (рис. 2а) формировали p⁺-пассивную базу фотолитографией и травлением окон в SiO₂ с последующей имплантацией ионов B⁺ через окна в SiO₂ дозой 8,7∙10¹⁵ см⁻² и энергией 40 кэВ (рис. 2б). После имплантационного отжига пластин монокремния, легированных ионами B⁺, в сухом кислороде при температуре 1150°C в течение 15 мин (x_j ~ 1,9 мкм, R_s = 40 Ом/кв) проводили формирование области базы путем вскрытия окон в пленке SiO₂ фотолитографией и травлением (рис. 2в), имплантации ионами B⁺ вскрытой поверхности эпитаксиального слоя монокремния [15] дозой 1,4∙10¹⁴ см⁻² и энергией 40 кэВ и последующего пиролитического осаждения пленки SiO₂ толщиной порядка 300 нм.

Последующий постимплантационный отжиг пластин монокремния, имплантированных ионами B⁺, осуществляли в две стадии: сначала при температуре 940°C в течение 360 с во влажном кислороде, а затем при температуре 940°C в течение 360 с в среде сухого кислорода (x_j ~ 300 нм, R_s = 520 Ом/кв.).

При создании области эмиттера (рис. 2д) имплантацию ионов P⁺ (доза 3,5∙10¹⁵ см⁻², энергия 40 кэВ) проводили в эмиттерные окна, вскрытые в пленке SiO₂ фотолитографией и травлением. Последующий отжиг залегированных ионами P⁺ пластин монокремния осуществляли в среде аргона при температуре 900°C в течение 16 мин.

Характеристики сформированной области эмиттера: глубина залегания p–n-перехода x_j ~ 180 нм, R_s~35 Ом/кв. Финальной стадией изготовления активной транзисторной структуры являлось формирование многослойных контактов к кремнию на основе алюминия с барьерным слоем молибдена (рис. 2е). При этом боковые (латеральные) участки эмиттерных p–n-переходов удалены от коллекторного p–n-перехода на расстояние, большее толщины активного участка базы l>w_б (рис. 1а).

 

Рисунок 2 – Основные этапы формирования транзисторной структуры по стандартной технологии

 

Рисунок 3 – Основные этапы формирования транзисторной структуры по новой технологии

 

После этого пленку пиролитического SiO₂ уплотняли при температуре 850°C в среде влажного кислорода. Далее фотолитографией с последующим травлением в смеси HF:NH₄F:H₂O = 4:10:15 в течение 15–20 мин в двухслойной пленке SiO₂ толщиной 0,9 мкм вскрывали окно под область базы и проводили окисление монокремния в среде сухого кислорода при температуре 1150°C в течение 90 мин до получения пленки SiO₂ толщиной 250 нм. Затем с помощью фотолитографии формировали в резисте окна для p⁺-пассивной базы (рис. 3б), выполняющей функцию охранного кольца, и проводили легирование монокремния в окна в резисте ионами B⁺ дозой 2,5∙10¹⁵ см⁻² и энергией 100 кэВ.

После снятия фоторезиста в плазме O₂ и доснятия в смеси H₂SO₄+H₂O₂ = 3:1 проводили постимплантационный отжиг легированных ионами B⁺ пластин монокремния в среде аргона при температуре 1150°C в течение 1500 с. При этом глубина залегания (x_j) области p⁺-пассивной базы составляла порядка 1,9 мкм, а ее поверхностное сопротивление (R_s) – порядка 40 Ом/кв (рис. 3в).

После этого фотолитографией с последующим травлением в пленке термического SiO₂ толщиной 250 нм вскрывали эмиттерные окна для формирования базовой области – активной и пассивной – в одном процессе путем одновременной имплантации ионов B⁺ [15–17] в эпитаксиальный слой монокремния через слой SiO₂ и эмиттерные окна в нем (рис. 3г) дозой 1,3∙10¹⁴ см⁻² и энергией 55 кэВ с последующим постимплантационным отжигом пластин монокремния, легированных ионами B⁺. Таким образом, ионы B⁺, внедрившиеся в эптаксиальный слой монокремния через окна в слое термического SiO_2, формируют активный участок базы (4), а часть ионов, внедрившаяся через слой термического SiO_2, – пассивный участок базы (5) (рис. 1б). Одновременная имплантация ионов B⁺ через пленку термического SiO₂ и сформированные в нем окна представляет собой процесс самоформирования структур. Постимплантационный отжиг пластин монокремния, легированных ионами B⁺ активной и пассивной областей базы, осуществляли в среде аргона при температуре 900°C в течение 1800 с. Характеристики сформированной активной и пассивной областей базы: глубина залегания p–n-перехода x_j ~ 360 нм, R_s ~ 600 Ом/кв. и – x_j ~ 200 нм, R_s ~ 1600 Ом/кв. соответственно.

Формирование области эмиттера осуществляли путем имплантации ионов P⁺ в эпитаксиальный слой монокремния дозой 4,375∙10¹⁵ см⁻² и энергией 30 кэВ в те же самые эмиттерные окна пленки термического SiO₂ (рис. 3г), что и при легировании базы (процесс самосовмещения) с последующим постимплантационным отжигом пластин монокремния, легированных ионами P⁺. Постимплантационный отжиг пластин монокремния, легированных ионами P⁺, проводили в среде аргона при температуре 900°C в течение 600 с. Характеристики сформированной области эмиттера: глубина залегания p–n-перехода x_j ~ 180 нм, поверхностное сопротивление R_s = 35 Ом/кв.

Заключительная операция – формирование многослойных контактов к монокремнию осуществляется так же, как и в стандартной технологии (рис. 3е). При этом боковые участки эмиттерных p–n-переходов равноудалены от коллекторного p–n-перехода на расстояние порядка толщины активного участка базы l~w_б (рис. 1б).

Транзисторы в обоих случаях имели толщину активной базы в пределах 200–240 нм. Следует отметить, что доза имплантации ионами B⁺ области базы (4, 5) в новой технологии (рис. 1б) ниже, чем в стандартной. После вскрытия контактных окон к базовой области транзистора наносили молибденалюминиевую металлизацию на планарную поверхность пластины для формирования омических контактов к эмиттерам и базе транзистора. Для нанесения пленки молибдена использовали метод магнетронного распыления в среде аргона, толщина барьерного слоя была 0,13 мкм. Верхний слой алюминия, легированный никелем (0,1 % никеля по массе), наносили термическим способом испарением навесок алюминиевой и никелевой проволок в соотношении по массе (алюминий + 0,5 % никеля). Фотолитографией с последующим травлением формировали разводку (рисунок 78-гребенчатой конфигурации токопроводящих дорожек). Отжиг контактов 8, 9 (рис. 1а,1б) на основе алюминия с барьерным слоем молибдена к областям эмиттера и базы транзистора проводили в среде аргона при температуре 500°C в течение 300 с.

После проверки параметров транзисторов на пластине и проведения операции глубокого травления коллекторной области (1) (рис. 1а, 1б) пластины (утонение пластин) с целью снижения теплового сопротивления переход – окружающая среда, скрайбирования и ломки пластин на кристаллы, годные по параметрам кристаллы монтировали в корпуса КТ-16-2 (кристаллы были посажены на эвтектику золото – кремний, разварены микропроволочными выводами) и загерметизированы. На собранных в корпус приборах, изготовленных по новой и стандартной технологиям, проводили измерение следующих параметров: граничная частота f_гр при токах коллектора I_К 1,5 А и 1,8 А, выходная мощность P_вых при входной мощности P_вх 8 Вт, коэффициент усиления по мощности K_уP, КПД коллектора h_к, емкость коллекторного и эмиттерного переходов C_к и C_э соответственно, пробивное напряжение эмиттер – база U_{ЭБО проб} и тепловое сопротивление переход – корпус R_{Т п-к}.

Самосовмещения в технологии КМОП: замена Si₃N₄ пленкой SiO₂

Изготовление комплементарных КМОП ИС предполагает создание на пластинах монокремния, например, марки КЭФ 4,5 ориентации (100) транзисторов, противоположных типов проводимости, концентрация примесей в каналах которых одного порядка с концентрацией примеси в подложке [18–20]. В технологическом процессе изготовления карманов КМОП-структур в качестве маскирующего покрытия (маски) обычно используется пленка нитрида кремния толщиной 0,1–0,2 мкм [18]. Нижняя граница толщины пленки Si₃N₄ обусловлена его устойчивостью к прокислению при выращивании локального толстого SiO₂. Верхняя – предельно допустимыми напряжениями на границе Si–SiO₂. Экспериментально показано, что при больших толщинах пленки Si₃N₄ значительно возрастает вероятность увеличения дефектности структуры, а при незначительных отклонениях от оптимальных режимов возможно даже образование трещин [21–25].

При нанесении пленок Si₃N₄ в качестве маскирующего покрытия возникают макронапряжения, которые не зависят от вида изоляции, а определяются качеством подложки и качеством покрытия. При этом в пленке Si₃N₄, получаемой методом осаждения из парогазовой фазы при температуре 800°C, возникают внутренние напряжения порядка 100 ГПа [22], что превышает предел прочности кремния [24, с. 135].

Рентгенотопографические исследования образцов после осаждения пленок термического SiO₂, а также пленок пиролитического Si₃N₄ и SiO₂ показали [25], что пленки термического SiO₂ создают в слое монокремния под SiO₂ при нормальной температуре растягивающие напряжения, а пленки пиролитического Si₃N₄ и SiO₂ – напряжения сжатия. При этом была отмечена и существенная разница в величине напряжений.

В [26–28] приведены типовые результаты моделирования процесса изготовления диэлектрической изоляции приборов микроэлектроники с использованием окисления канавок в монокремнии при использовании маскирующего покрытия из пленки нитрида кремния. Показано, что высокотемпературное термическое окисление канавок в монокремнии в парах воды приводит как к изменению величины, так и знака остаточных напряжений в монокремнии. Причем величины максимальных остаточных напряжений (до 45 МПа) одного порядка со значениями остаточных напряжений (до 40 Мпа), приведенными в работе [27].

С учетом изложенного можно отметить главные особенности при использовании в качестве маскирующего покрытия пленок из нитрида кремния.

Во-первых, маскирующие покрытия из нитрида кремния создают в монокремнии напряжения сжатия порядка 100 ГПа, что превышает предел прочности монокремния и повышает его дефектность и токи утечки переходов [22].

Во-вторых, для повышения процента выхода годных КМОП ИС и снижения трудоемкости их изготовления целесообразно перейти от нитридной маски к маске из термического SiO₂ с одновременным совершенствованием метода легирования карманов.

Для реализации предложенного подхода для КМОП ИС на блоке охраны использовался метод внутреннего формирования структур, предложенный в [29] и усовершенствованный применительно к КМОП-технологии [22].

Существенным в новом способе является то, что в качестве источника диффузии для создания n⁻-кармана КМОП-структур используют маскирующее покрытие – пленку термического SiO₂ (вместо пленки Si₃N₄) толщиной h (0,1–0,2 мкм), легированную примесью n-типа с коэффициентом сегрегации m >1 и длиной среднего проективного пробега, удовлетворяющего условию (R_Pn + 5∆R_Pn) ≤h, где ∆R_Pn – дисперсия пробега ионов n-типа, что обеспечивает легирование монокремния из источника ограниченной концентрации. Кроме того, легирование монокремния идет локально в процессе термообработки, что обеспечивается удалением той части пленки SiO₂, которая находится в областях p⁻-кармана. Легирование областей p⁻-кармана осуществляют через маскирующее покрытие пленки термического SiO₂ с защитой фоторезистивной маски ионами примеси p-типа с R_Pp ≥ h с последующим удалением легированной части пленки SiO₂, что обеспечивает попадание необходимой примеси нужной концентрации в области p⁻-кармана. В связи с использованием для диффузии в монокремний двух различных источников – легированной пленки SiO₂ и непосредственно залегированного монокремния – отпадает необходимость в использовании в качестве маскирующего покрытия пленки Si₃N₄, что значительно снижает общее напряженное состояние пластин [22].

Экспериментальные исследования проводились на КМОП-структурах, изготовленных на пластинах монокремния марки КЭФ4,5(100), карманы которых изготавливались по новой [22] технологии (рис. 4).

 

Рисунок 4 – Основные этапы изготовления двух карманов КМОП-структур по новой технологии (с использованием в качестве маски термического SiO₂)

 

Предлагаемая (новая) технология формирования карманов включает следующие операции. Окисление монокремния проводили в среде сухого кислорода до получения толщины пленки SiO₂ h ~110 нм (рис. 2а). Затем всю поверхность легировали ионами P⁺ дозой 3,2∙10¹³ см⁻² и с энергией 35 кэВ, что удовлетворяет условию (R_Pn + 5∆R_Pn) ≤ h. Поэтому ионы P⁺ легируют только пленку SiO₂, не проникая в монокремний (рис. 2б). Далее наносили фоторезистивную маску и по ней методом фотолитографии создавали рисунок p⁻-кармана и проводили легирование ионами B⁺ дозой 1,25∙10¹³ см⁻² и с энергией 100 кэВ (рис. 2в), что удовлетворяет условию R_Pp ≥ h. Таким образом, на планарной поверхности пластины монокремния были сформированы два автономных источника диффузии примеси двух типов (n и p). После легирования ионами B⁺ диоксид кремния из областей p-типа вытравливают до монокремния (рис. 2г), фоторезист удаляют. После химической обработки проводили постимплантационный отжиг пластин монокремния, легированных примесями n- и p-типа в карманах одновременно в среде азота. Фосфор благодаря коэффициенту сегрегации m >1 (~20) перераспределяется из пленки SiO₂ в монокремний, легируя его до требуемой концентрации. Окончательный вид структуры показан на рис. 2д.

Результаты и их обсуждение

В таблице 1 приведены значения измеренных параметров мощных СВЧ-транзисторов, изготовленных по стандартной и предложенной (эмиттерные p–n-переходы выполнены равноудаленными от коллекторного p–n-перехода на расстояние, равное толщине активного участка базовой области) технологиям. Из таблицы видно, что у транзисторов, изготовленных по предложенной технологии, значения параметров f_гр, K_уP, h_к, U_{ЭБО проб} больше, а C_Э,C_К и R_{Т п-к} меньше.

 

Таблица 1 – Влияние технологии изготовления на параметры мощного СВЧ-транзистора

Технология	Параметры
	fгр, ГГц		Pвых, Вт Pвх = 8 Вт	KуP	hк,, %	CК, пФ	CЭ, пФ	UЭБО проб, В	RТ п-к, °C/Вт
	IК=1,5 А	IК=2,8 А
Стандартная     Новая	1,71- 1,92   2,04- 2,13	1,42- 1,56   1,81- 2,01	19,97- 20,06   20,79- 21,73	2,51- 2,57   2,65- 2,72	56,00- 60,62   77,23- 82,46	15,5-16,7   14,5- 15,3	180- 190   145- 167	4,8- 4,9   5,2- 5,6	6,1- 6,6   4,4- 4,8

С учетом результатов работы [30] была разработана физическая модель [31], объясняющая влияние рельефности области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода транзистора в активном режиме работы с учетом растекания неосновных носителей с боковой поверхности эмиттерных переходов в базу транзистора на его параметры (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Схематическое изображение ячейки транзистора в разрезе, изготовленного по новой (а) и по стандартной (б) технологиям

 

Из рисунка видно, что линии напряженности электрического поля в ОПЗ коллекторного перехода показаны сплошными стрелками, траектории пролета – подвижными носителями заряда области базы и ОПЗ коллекторного перехода – пунктирными стрелками. При этом А = А¢ » 0,4 мкм, H = H¢ » 1,9 мкм, S₂>S₂¢, L>L¢₁.

При прохождении потока подвижных носителей заряда через ОПЗ коллекторного перехода концентрация их на выходе из этой области будет превышать концентрацию на входе. Соотношение площадей (S₁/S₂) будет определять кратность увеличения концентрации носителей на выходе из этой области (сечение S₂) по сравнению с концентрацией на входе (сечение S₁) при достаточной однородности распределения носителей по сечениям S₁ и S₂, так как все носители, входящие в ОПЗ коллекторного перехода через сечение S₁, выходят из нее через сечение S₂ (без учета генерации и рекомбинации в ОПЗ).

Соотношение площадей S₁/S₂ будет зависеть от бокового растекания неосновных носителей в базе транзистора, а также геометрии ОПЗ коллекторного перехода и значений напряжения на коллекторном переходе (для нашего случая U_К = 28 В). Площадь S₁ зависит от распределения носителей в базе транзистора. Минимально возможная площадь S₁ будет равна площади эмиттерного перехода, а максимальная площадь будет определяться растеканием носителей в базе транзистора. Площадь S₂ будет зависеть от геометрии коллекторного перехода, удельного сопротивления материала коллекторной области и напряжения на коллекторном переходе. Для приборов, изготовленных на однослойных эпитаксиальных структурах кремния 10КЭФ1,8/350ЭКЭС0,01(111) с удельным сопротивлением эпитаксиального слоя r_к = 1,8 Ом×см, ширина ОПЗ будет равна ~3,9 мкм при U_К = 28 В. При такой ширине ОПЗ в современных СВЧ-транзисторах, обладающих большой плотностью компоновки элементов транзисторной структуры, площадь S₂ может стать практически равной нулю.

Так как площадь S₁ не может стать меньше площади эмиттерного перехода, то соотношение S₁/S₂ стремится к бесконечности, и поток подвижных носителей заряда фокусируется на выходе из ОПЗ, то есть в малом объеме этой области под эмиттером будет резко возрастать их концентрация. Отличительной чертой СВЧ-транзисторов являются исключительно малые размеры объемов взаимодействия. При этом основное количество тепловой энергии выделяется именно в этих строго ограниченных объемах, в основном в области коллекторного перехода СВЧ-транзистора, расположенного под эмиттерными переходами. Фокусировка потока носителей в ОПЗ будет приводить к тому, что удельная плотность мощности, выделяемая в коллекторном переходе под эмиттером, будет достигать ~10⁷ Вт/см³ [32]. Такая высокая плотность выделяемой в полупроводниковых приборах мощности ведет к локальным перегревам, а при неоднородностях в полупроводниковом материале – концентрации тока под отдельными эмиттерами и еще большему возрастанию локальной плотности мощности.

Продвижение вверх по частотному диапазону требует, как правило, уменьшению емкостей и пролетных промежутков. В результате объем взаимодействия уменьшается и плотность мощности растет. В свою очередь высокая концентрация мощности грозит развитием процессов теплового пробоя. Следовательно, СВЧ-транзисторы работают буквально на пределе физических возможностей.

Фокусировка потока носителей в ОПЗ будет приводить и к снижению f_гр, а в результате и к снижению P_вых, K_Ур, h_к и увеличению R_{T п-к} транзисторов, изготовленных по стандартной технологии, по сравнению с транзисторами, изготовленными по новой технологии, так как S¢₂<S₂, а S₁ = S¢₁ (рис. 5б). В то же время рельефность ОПЗ коллекторного перехода у транзисторов, изготовленных по стандартной технологии, больше рельефности области объемного заряда коллекторного перехода транзисторов, изготовленных по новой технологии: L>L¢₁ (рис. 5б). При этом уменьшение величины C_К транзисторов, изготовленных по новой технологии, обусловлено различием в вертикальной геометрии исследуемых структур, а именно планаризацией области объемного заряда коллекторного перехода и уменьшением его площади (рис. 5а, 5б). Снижение R_{T п-к} транзисторов, изготовленных по новой технологии, обусловлено тем, что S₂> S¢₂.

Таким образом, увеличение f_гр и снижение R_{T п-к}, а также улучшение энергетических параметров транзисторов, изготовленных по новой технологии, по сравнению со стандартной технологией, хорошо согласуется с предложенной моделью работы мощного СВЧ-транзистора. Меньшая фокусировка подвижных носителей заряда на выходе из области пространственного заряда коллекторного перехода у транзисторов, изготовленных по новой технологии (S₂»S₁, рис. 5а), улучшает равномерность распределения носителей и в соответствии с механизмом спада граничной частоты f_гр при растущем токе коллектора I_К, граничная частота f_гр таких транзисторов выше.

Анализ профилей распределения примесей в активной области транзисторной структуры позволяет объяснить экспериментальные результаты по электрическим характеристикам рассматриваемого биполярного транзистора, изготовленного по стандартной и предложенной (новой) технологиям. Снижение концентрации бора вдоль боковых участков эмиттерного p–n-перехода в новой технологии по сравнению со стандартной [30] позволяет объяснить уменьшение C_Э. В то же время более низкий уровень концентрации примесей у боковых участков эмиттерного p–n-перехода в новой технологии обуславливает и повышение напряжения пробоя перехода эмиттер – база по сравнению со стандартной технологией.

Важно также подчеркнуть, что слой диэлектрика на поверхности коллектора транзисторной структуры, формируемый по новой технологии [30], имеет большую толщину, чем в стандартной технологии. Увеличение толщины слоя диэлектрика позволяет минимизировать составляющую емкости коллектора между контактной площадкой и телом коллектора, поскольку эта емкость, включенная параллельно активному прибору в эквивалентной схеме транзистора, является паразитной [33, с. 13–15; 34]. Наличие участка с постоянной концентрацией фосфора в приповерхностной области эпитаксиального слоя монокремния при малой глубине диффузии обеспечивает в новой технологии и более высокий коэффициент инжекции эмиттерного перехода, что согласуется с экспериментальными данными [35, с. 265].

Следует отметить, что транзисторы, изготовленные по новой технологии, отдают одну и ту же мощность P_вых при меньшем токе коллектора I_К, нежели обычные, но при одной и той же мощности на входе P_вх. При этом КПД у них выше за счет меньшей мощности источника питания на коллекторе. Более высокие КПД этих приборов приводят и к увеличению полезной P_вых и снижению доли мощности, рассеиваемой транзистором, вызывающей его избыточный разогрев [5, 27].

Результаты измерения выходных характеристик транзисторов в схеме с общим эмиттером (ОЭ) I_К = f(U_КЕ), представленные на рис. 6, показывают, что при работе в линейном режиме (класс A) линейность усиления на транзисторах, эмиттерные p–n-переходы которых выполнены равноудаленными от коллекторного p–n-перехода на расстояние, равное толщине активного участка базовой области, будет лучше, поскольку нелинейные искажения у них выражены слабее.

 

Рисунок 6 – Выходные характеристики транзисторов в схеме ОЭ, изготовленных по новой технологии (а) и по стандартной (б)

 

При этом входные характеристики для схемы с ОЭ I_Б = f(U_БЭ) для транзисторов двух типов идентичны.

Нужно отметить [2, с. 12], что в транзисторах для линейных устройств следует стремиться максимально уменьшать значения ряда величин, которые могут быть источниками возникновения нелинейности: на входе транзистора такую роль может играть емкость эмиттерного перехода, на выходе – коллекторного перехода. Источником нелинейности на входе является и сама входная характеристика эмиттерного перехода.

Поскольку энергетические параметры очень важны для устройств, в которых применяются мощные СВЧ-транзисторы, следует полагать, что транзисторы, имеющие лучшие энергетические параметры (P_вых, K_уP, h_к), а также более высокие значения f_гр, более надежны при использовании их в режиме, когда транзисторный каскад работает в классах B или C. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в конструкции мощного СВЧ-транзистора, эмиттерные p–n-переходы которых выполнены равноудаленными от коллекторного p–n-перехода на расстояние, равное толщине активного участка базовой области, его параметры и характеристики P_вых, K_уP, h_к, f_гр, C_Э , C_К , U_{ЭБО проб}, I_К = f(U_кэ) лучше, чем у транзистора стандартной конструкции. Улучшение параметров и выходных характеристик транзистора обусловлено более эффективной работой эмиттерного p–n-перехода за счет возрастания числа электронов, инжектированных в базовую область через боковые участки эмиттерного p–n-перехода вследствие одинаковой эффективности p–n-переходов боковых и плоских участков [17, 29]. При этом увеличивается и радиационная стойкость прибора [36].

Особенности формирования структуры кремниевого эпитаксиально-планарного n–p–n СВЧ-транзистора по новой технологии (методом внутреннего формирования структур) следующие.

Создание слоя SiO₂ толщиной 900 нм на поверхности эпитаксиального слоя монокремния, полученного сочетанием термического окисления и пиролитического наращивания диоксида кремния, обусловлено следующими соображениями. Известно, см., например, [37, с. 370–387], что наиболее важными типами дефектов, которые могут образоваться в пластинах монокремния во время окисления, являются дислокации и дефекты упаковки. Эти дефекты могут влиять на процессы деградации электрических параметров полупроводниковых приборов и ИС, в частности биполярных транзисторов.

Поэтому, во-первых, для того, чтобы минимизировать возникновение дислокаций и дефектов упаковки в эпитаксиальном слое монокремния в новой технологии [17], окисление монокремния осуществляют в смеси водорода – кислорода при температуре 1150°C в течение 35–50 мин. При этом толщина выращенной пленки SiO₂ составляет ~400 нм. В то же время известно, см., например, [38, 39], что для получения пленки SiO₂ толщиной 1,0–2,0 мкм время процесса окисления монокремния при той же температуре может составить ~2–16 ч, что нерентабельно в условиях серийного производства транзисторов.

Во-вторых, при наращивании пленки пиролитического SiO₂ толщиной ~500 нм на SiO₂, полученный термическим окислением пластин монокремния, дислокации и дефекты упаковки в монокремнии не образуются.

В-третьих, в результате применения относительно толстой пленки SiO₂ толщиной ~900 нм (в стандартной технологии выращивается только термический диоксида кремния толщиной ~600–650 нм) удалось почти в 1,5 раза снизить емкость базовых контактных площадок.

В-четвертых, новая технология, в отличие от [40], позволяет легирование базовой области осуществлять путем внедрения ионов B⁺ в эпитаксиальный слой монокремния через маску, формируемую из пленки термического SiO₂ и в ее эмиттерные окна, с последующим имплантационным отжигом легированных ионами B⁺ пластин монокремния в нейтральной среде аргона. При этом за счет совмещения в одном цикле операций по имплантации ионов B⁺ обеспечивается создание как активного, так и пассивного участков базовой области (процесс самоформирования).

В-пятых, внедрение ионов P⁺ для формирования эмиттерных областей в новой технологии осуществляется в те же самые эмиттерные окна, что и для формирования активного участка базовой области, чем достигается эффект самосовмещения и отсутствие эффекта эмиттерного оттеснения (образование углубления в области перехода база – коллектор). Последнее позволяет получать более узкую базу (более высокую f_гр). С другой стороны, отсутствие углубления в области перехода база – коллектор исключает «прокол» базы, и, как следствие, допустимые рабочие напряжения транзистора не ухудшаются.

В-шестых, исключаются операции по удалению пленки SiO₂ в эмиттерных окнах (в частности, боросиликатного стекла), поскольку постимплантационный отжиг залегированных ионами B⁺ пластин монокремния осуществляется в нейтральной среде аргона, что исключает рост пленки SiO₂ в эмиттерных окнах и обеспечивает не только их чистоту, но также исключает возможность увеличения их ширины. Последнее исключает возможность ухудшения параметров P_вых, f_гр и других и, следовательно, улучшает качество изготовления транзисторных структур. Исключается удаление пленки SiO₂ (фосфорносиликатного стекла) в эмиттерных окнах, так как постимплантационный отжиг легированных ионами P⁺ пластин монокремния при создании эмиттерной области также осуществляется в нейтральной среде аргона, что исключает рост пленки SiO₂ в эмиттерных окнах. Это обеспечивает не только их чистоту, но также исключает возможность обнажения эмиттерного перехода (особенно важно для мелких эмиттерных переходов ~ 100–200 нм) и возникновения его короткого замыкания материалом разводки. Таким образом, в новой технологии отсутствует необходимость в травлении окон после постимплантационного отжига легированных ионами P⁺ пластин монокремния. Это также улучшает качество изготовления транзисторных структур. Кроме этого улучшается и качество металл-кремниевых контактов, так как известно, см., например [41, 42], что наличие тонкой пленки SiO₂ в окнах приводит к деградации контактов, таких как, например, омический контакт в сторону увеличения переходного сопротивления контактов транзистора.

В-седьмых, окислению монокремния, как правило, сопутствует перераспределение легирующих примесей, в частности бора, в растущий SiO₂, в результате снижается его поверхностная концентрация. При проведении постимплантационного отжига залегированных ионами B⁺ пластин монокремния в среде аргона перераспределение примеси отсутствует и пленка SiO₂ не растет, что не противоречит результатам, полученным в работе [43].

В-восьмых, изготовление транзисторов по новой технологии обеспечивает создание вертикальной конфигурации базовой и эмиттерных областей, обеспечивающей более эффективную работу эмиттерного p–n-перехода за счет возрастания числа электронов, инжектируемых в базовую область через боковые участки эмиттерного p–n-перехода вследствие одинаковой эффективности p–n-переходов боковых и плоских участков.

Кроме того, был разработан специальный технологический процесс [11], позволяющий формировать эмиттерную область транзистора посредством имплантации ионов P⁺ в эпитаксиальный слой монокремния через эмиттерные окна в пленке SiO₂. При этом удалось пересмотреть технологический маршрут изготовления транзисторов с использованием метода самосовмещения таким образом, чтобы использовать возможность формирования структуры транзисторов в едином цикле отжига базовой и эмиттерной примеси. Это позволило минимизировать влияние эффекта каналирования на профиль легирования в области базы, уменьшить дисперсию значений параметров приборов и получить более крутой диффузионный профиль в области базы.

Таким образом, в работе на примере экспериментальных образцов мощных СВЧ-транзисторов показано, что за счет повышения эффективности эмиттерных областей можно получить качественно новое сочетание параметров: как увеличение значений энергетических параметров Р_вых, К_Ур, h_к, так и частоты f_гр в схеме с ОЭ.

Поскольку для транзисторов спад выходной мощности Р_вых с ростом частоты подчиняется зависимости ~1/f² [5, 6] и при этом произведение Р_вых f² = const, то, следовательно, это позволяет до некоторой степени преодолеть фундаментальные ограничения, связанные со спадом выходной мощности с ростом частоты. Результаты исследований позволили разработать новую конструкцию мощного планарного СВЧ-транзистора с гребенчатой конфигурацией эмиттерной области [44]. Отметим, что в данной работе в биполярной технологии мощных СВЧ-кремниевых эпитаксиально-планарных n–p–n транзисторов, в которой выполнен описанный выше эксперимент, уровень технологии соответствует 3 мкм.

Результаты экспериментов по исследованию влияния маскирующего покрытия, сформированного из термического SiO₂ толщиной h и среднего проективного пробега ионов B⁺ и P⁺ в SiO_2, при формировании карманов КМОП ИС, изготовленных по новой технологии (рис. 4), на выход годных на блоке охраны, представлены в таблице 2. При этом параметры длины пробега ионов P⁺ и B⁺ в пленке SiO₂, представленные в таблице, взяты из работы [45, с. 329].

Из таблицы видно, что если длины пробегов ионов примеси n- и p-типа в SiO₂ связаны с толщиной маски эмпирическим соотношением (R_Pn + 5∆R_Pn) ≤ h и R_Pp ≥ h соответственно, то процент выхода годных высокий. Невыполнение этих соотношений приводит или к резкому снижению процента выхода годных или даже к нулевому результату.

Физико-математическое моделирование распределения напряжений в структуре Si₃N₄–SiO₂–Si, полученной по стандартной технологии [46], представлено на рис. 7, 8, а распределение напряжений в структуре SiO₂–Si, полученной по новой технологии [46], представлено на рис. 9. Сравнение рис. 7, 8, 9 подтверждает более высокую степень остаточных напряжений, вносимых пленкой Si₃N₄ в монокремний (~100 раз), по сравнению с остаточными напряжениями, вносимыми пленкой термического SiO₂. Отметим, что при изготовлении двух карманов с использованием в качестве маскирующего покрытия пленки Si₃N₄ остаточные напряжения в монокремнии носят характер растягивающих, а с использованием в качестве маскирующего покрытия пленки термического SiO₂ – сжимающих.

Сравнение процессов формирования карманов n⁻ и p⁻-типа показало, что новый процесс позволяет сократить количество операций при изготовлении двух карманов КМОП-структур, а также уменьшить дефектность и токи утечки переходов. В результате выход годных на блоке охраны увеличился на ~4,5 %, а расчет трудоемкости изготовления пластин на этом блоке показал, что она уменьшилась на ~21,5 % [22]. Измерение функционирования изделия показало, что съем годных кристаллов на пластине и их параметры не изменились. Таким образом, результаты физико-математического моделирования подтверждают значительное снижение остаточных напряжений в монокремнии (~100 раз) при использовании пленки термического SiO₂ в качестве маскирующего покрытия.

Следствием этого и является снижение дефектности в монокремнии, токов утечки переходов и, как следствие, повышение выхода годных КМОП ИС, а также снижение трудоемкости их изготовления. Однако следует отметить, что новая технология требует прецизионного оборудования ионной имплантации (особенно в части задания величины энергии примеси), а также проведения прецизионного термического окисления монокремния, особенно на начальной его стадии [47].

 

Таблица 2 – Влияние толщины маски на процент выхода годных на блоке охраны КМОП ИС в зависимости от величины среднего проективного пробега ионов по отношению к толщине маски

Толщина маски SiO2 h, мкм	Параметры длины пробега ионов P в SiO2 [45, с. 329]			(RPn + 5ΔRPn) по отношению к h	Параметры длины пробега ионов B в SiO2 [45, с. 329]		RPp по отношению к h	Выход годных, %	Примечание
	E, эВ	RPn, мкм	ΔRPn, мкм		E, кэВ	RPp, мкм
0,1	20	0,0284	0,0093	<0,1	100	0,4024	>0,1	97,1
0,2	60	0,0796	0,0236	»0,2	100	0,4024	>0,2	96,9
0,05	10	0,0155	0,0053	<0,05	100	0,4024	>0,05	95,0
0,23	70	0,0925	0,0268	<0,23	100	0,4024	>0,23	90,0
0,1	50	0,0667	0,0202	>0,1	100	0,4024	>0,1	10,0	Из-за большой глубины легирования ионами P залегированы p-области, что привело к падению Uпроб
0,2	10	0,0155	0,0053	<<0,2	100	0,4024	>0,2	20,0	Из-за малого легирования SiO2 ионами P последний при разгонке кармана слабо залегировал n-карман, так что UТ оказалось гораздо ниже нормы
0,1	60	0,0796	0,0236	>0,1	100	0,4024	>0,1	0	Из-за большой глубины легирования ионами P залегированы p-области, что привело к падению Uпроб
0,2	60	0,0796	0,0236	»0,2	30	0,1439	<0,1	0	Из-за малого пробега ионов B карман p-типа оказался практически не залегирован, в результате все пластины ушли в брак

 

Рисунок 7 – Распределение остаточных напряжений в структуре Si3N4–SiO2–Si: (а) – часть структуры вблизи края Si3N4; (б) – распределение напряжений в слоях Si3N4, SiO2 и Si [46].

 

Рисунок 8 – Распределение остаточных напряжений в структуре Si3N4–SiO2–Si: (а) – часть структуры на краю Si3N4; (б) – распределение напряжений в слоях Si3N4, SiO2 и Si [46].

 

Рисунок 9 – Распределение остаточных напряжений в структуре SiO2–Si: (а) – часть структуры на краю SiO2; (б) – распределение напряжений в слоях SiO2–Si.

Выводы

Проведенные исследования показали, что возможно формировать области базы и эмиттера мощных СВЧ-транзисторов путем ионного легирования ионами B⁺ эпитаксиального слоя монокремния через пленку термического SiO₂ и эмиттерные окна в ней (самоформирование) с последующим введением в них ионов P⁺ (самосовмещение) и имплантационным отжигом пластин в атмосфере аргона, что обеспечивает формирование равноудаленных эмиттерных p–n-переходов от коллекторного p–n-перехода на расстояние, равное толщине активного участка базовой области, а это обеспечивает увеличенную эффективную площадь эмиттера.

Установлено, что новый процесс позволяет снизить трудоемкость изготовления, а за счет повышения эффективности (коэффициента инжекции) эмиттерных областей можно получить качественно новое сочетание параметров: как увеличение значений энергетических параметров Р_вых, К_Ур, h_к, так и частоты f_гр в схеме с ОЭ и улучшенные выходные характеристики (I_К = f(U_КЭ) транзисторов. Это позволяет до некоторой степени преодолеть фундаментальные ограничения, связанные со спадом выходной мощности с ростом частоты.

Исследование КМОП-структур на блоке охраны показало, что благодаря упрощению конструкции маски и технологического процесса ее формирования снизилась трудоемкость изготовления КМОП ИС с двумя карманами. А вследствие применения маски, состоящей только из пленки термического SiO₂, без пленки Si₃N₄, величина остаточных напряжений в поверхностных слоях эпитаксиального слоя монокремния уменьшилась, что в свою очередь обеспечивает снижение дефектности и повышение выхода годных. Установлено, что длины пробегов ионов n-типа и p-типа связаны с толщиной маски h пленки термического SiO₂ эмпирическим соотношением (R_Pn + 5∆R_Pn) ≤ h и R_Pp≥ h соответственно.

About the authors

Vitaly A. Solodukha

JSC "INTEGRAL"

Email: vsolodukha@integral.by

PhD, General Director

Belarus, Belarus, Minsk

Yuri P. Snitovsky

Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics

Author for correspondence.
Email: yu.snitovsky@tut.by
SPIN-code: 7996-5717

Candidate of Technical Sciences, Vice-professor,  Department of Micro- and Nanoelectronics

Belarus, Belarus, Minsk

Yaroslav A. Solovyov

JSC "INTEGRAL"

Email: market@transistor.com.by

Candidate of Technical Sciences, Chief Engineer

Belarus, Belarus, Minsk

References

Supplementary files