Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния развития комплементарных биполярных технологических процессов 11
1.1 Начало развития КБТП 11
1.2 Конструкции интегральных pnp-транзисторов 11
1.3 Сверхвысокочастотные комплементарные биполярные технологические процессы 14
1.4 Технологические особенности производства ИМС в Российской Федерации 17
1.5 Симметрия параметров комплементарных биполярных транзисторов 19
1.6 Радиационная стойкость аналого-цифровых ИМС на основе комплементарных биполярных транзисторов 20
1.7 Параметры биполярных транзисторов 21
1.8 Элементы конструкции биполярных транзисторов 22
1.8.1 Межэлементная изоляция 22
1.8.1.1 Изоляция обратносмещенным p-n переходом 22
1.8.1.2 Полная диэлектрическая изоляция 23
1.8.1.3 Изоляция с помощью КНИ-подложек 23
1.8.1.4 Комбинированный способ изоляции 25
1.8.1.5 Боковая щелевая изоляция 26
1.8.2 Область коллектора 29
1.8.2.1 Неоднородный профиль распределения примеси в коллекторе 32
1.8.3 Изоляция активных областей транзисторов 34
1.8.4 Область базы
1.8.4.1 Технологии самосовмещения 35
1.8.4.2 Спейсеры 39
1.8.4.3 Выбор метода формирования пассивной базы 40
1.8.4.4 Область активной базы 42
1.9 Дополнительные элементы КБТП 42
1.9.1 Интегральные диоды Шоттки 43
1.9.2 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом 45
1.10 Выводы з
ГЛАВА 2 Особенности приборно-технологического моделирования свч комплементарных биполярных транзисторов 49
2.1 Особенности построения расчётной сетки 49
2.2 Выбор моделей технологических процессов
2.2.1 Критерии выбора оптимальной модели технологического процесса 52
2.2.2 Ионная имплантация
2.2.1.1 Имплантация акцепторной примеси 56
2.2.1.2 Имплантация донорной примеси 59
2.2.1.3 Имплантация через маскирующий оксид кремния 61
2.2.1.4 Имплантация в поликремний 62
2.2.2 Температурная обработка 63
2.2.2.1 Диффузия акцепторной примеси 64
2.2.2.2 Диффузия донорной примеси 68
2.2.2.3 Диффузия из поликремния 70
2.2.2.4 Моделирование процесса окисления 71
2.2.3 Методология решения задач технологического проектирования 72
2.3 Анализ электрофизических характеристик интегральных элементов 73
2.3.1 Процессы генерации-рекомбинации 74
2.3.2 Подвижность носителей заряда 76
2.4 Выводы 77
ГЛАВА 3 Результаты проектирования сверхвысокочастотных КБТ 78
3.1 Элементы конструкции КБТ 78
3.1.1 Конструктивные элементы при комбинированном способе изоляции 78
3.1.1.1 Скрытый слой изоляции n– 78
3.1.1.2 Формирование глубоких областей щелевой изоляции 79
3.1.2 Область коллектора 82
3.1.2.1 Особенности системы слаболегированный слой/скрытый слой 82
3.1.2.2 Формирование области коллектора при диэлектрической изоляции 83
3.1.2.3 Параметры эпитаксиальной пленки n-типа 84
3.1.2.4 Методы управления обратной диффузии 85
3.1.2.5 Область перекомпенсации 89
3.1.2.6 Селектино-имплантированный коллектор 91
3.1.2.7 Неоднородный профиль, сформированный в процессе перекомпенсации 93
3.1.2.8 Формирование областей глубокого коллектора 94
3.1.3 Методы изоляции активных областей транзисторов 96
3.1.3.1 Особенности формирования ЛОКОС-изоляции 97
3.1.4 Особенности формирования областей пассивной базы 98
3.1.4.1 Ограничения метода формирования пассивной базы с помощью имплантации 98
3.1.4.2 Особенности формирования самосовмещенной пассивной базы КБТ 100
3.1.4.3 Оптимизация режимов формирования области пассивной базы 101
3.1.4.4 Формирование спейсеров 106
3.1.5 Область активной базы: финальный профиль распределения примеси 109
3.2 Экспериментальные исследования 115
3.3 Выводы 120
ГЛАВА 4 Дополнительные элементы КБТП 121
4.1 Интегральные диоды Шоттки 121
4.1.1 Технологические особенности 123
4.1.2 Конструктивные особенности 124
4.1.3 Экспериментальные исследования 127
4.2 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом 131
4.2.1 Технологические особенности 131
4.2.2 Конструктивные особенности 135
4.2.3 Экспериментальные исследования 137
4.3 Выводы 140
Заключение 141
Список литературы 142
- Радиационная стойкость аналого-цифровых ИМС на основе комплементарных биполярных транзисторов
- Критерии выбора оптимальной модели технологического процесса
- Особенности системы слаболегированный слой/скрытый слой
- Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
Введение к работе
Актуальность работы
Быстродействующие радиационно-стойкие интегральные микросхемы (ИМС) находят широкое применение в аппаратуре различного назначения. Они применяются в измерительных приборах, приемных и передающих устройствах связи, системах управления и обработки сигналов.
На современном этапе развития микроэлектроники происходит
непрерывное ужесточение требований к ИМС (расширение частотного и
динамического диапазонов, снижение потребляемой мощности, повышение
уровня стойкости к внешним воздействующим факторам (ВВФ), расширение
функциональных возможностей). Применение комплементарного биполярного
технологического процесса (КБТП), сочетающего в себе вертикальные npn- и
pnp-транзисторы, позволяет реализовать эти требования для целого ряда ИМС.
Например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), использующие
комплементарные биполярные транзисторы (КБТ), способны сочетать в себе высокую динамическую точность (низкое время преобразования, высокая частота дискретизации), низкий ток потребления и т.д. Расширение базиса КБТП за счёт введения в его состав быстродействующих диодов Шоттки (ДШ), малошумящих полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (JFET) позволяет создавать ИМС с расширенными функциональными возможностями.
Основной проблемой любого технологического процесса, сочетающего в
себе большой набор активных и пассивных элементов, является невозможность
получения максимальных значений параметров непосредственно для каждого
из элементов. Для биполярных транзисторов, зачастую, максимальные
параметры имеют только npn-транзисторы, pnp-транзисторы выступают в роли
вспомогательных элементов. В данной работе решается задача по
исследованию технологических процессов, обеспечивающих высокую
симметрию динамических параметров КБТ при выполнении требований по граничной частоте (fT > 10 ГГц) и пробивному напряжению коллектор-эмиттер (UКЭ0 > 12 В).
За рубежом в направлении разработки СВЧ КБТП работает целый ряд компаний: Analog Devices, Texas Instruments, National Semiconductor, Harris, STMicroelectronics, Hitachi Ltd., Plessey Semiconductor и др. Для создания подобных процессов производители все чаще ориентируются на применение гетероструктур кремний-германий. Тем не менее, для традиционного кремния существует большое количество преимуществ, например, низкая стоимость изготовления за счёт отсутствия прецизионных процессов формирования и контроля; отработанные технологические процессы и большой набор моделей для их описания. Указанные причины обуславливают необходимость разработки подобной технологии исключительно на основе кремния.
В Российской Федерации современные технологические операции (субмикронная фотолитография, быстрый термический отжиг (БТО),
низкоэнергетическая имплантация и др.) применяются только при производстве КМОП ИМС всего на нескольких предприятиях отрасли. Это привело к тому, что на сегодня КБТП с указанными параметрами в РФ не существует. Существующая потребность в изделиях, изготовленных с применением подобной технологии, делает задачу по разработке технологического процесса крайне актуальной. Внедрение технологического процесса способно снизить затраты в сравнении с лицензированием зарубежных процессов. Использование проектных норм не менее 1 мкм и режимов критических технологических операций, обеспечиваемых отечественными установками, позволит расширить возможности реализации технологии на отечественных предприятиях отрасли.
Цель работы
Разработка конструктивно-технологических методов для создания
кремниевого сверхвысокочастотного (fT > 10 ГГц) комплементарного
биполярного технологического процесса с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов (разбаланс граничной частоты не более 20 %), включающего интегральные быстродействующие диоды Шоттки, малошумящие полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, предназначенного для изготовления быстродействующих радиационно-стойких аналого-цифровых ИМС на отечественных предприятиях.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач:
-
Рассмотреть основные элементы конструкции СВЧ КБТ, интегральных диодов Шоттки и полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, оказывающих существенное влияние на оптимизируемые параметры.
-
Выработать основные методологические подходы к проектированию СВЧ КБТП с учетом точности моделей технологических процессов и экономии вычислительных мощностей.
-
Определить режимы проведения технологических операций, необходимые для создания оптимальной конструкции и профиля распределения примеси КБТ с учетом ограничений, накладываемых возможностями технологического оборудования и точностью моделирования, и обеспечивающих высокую степень симметрии динамических параметров КБТ (разбаланс граничной частоты не более 20 %).
-
Определить основные конструктивно-технологические особенности диодов Шоттки, полевых транзисторов с управляющим p-n переходом для интеграции в исследуемый СВЧ КБТП.
-
Провести сопоставление результатов расчётов с характеристиками современных КБТП.
6. Сформулировать перечень основных конструктивно-технологических
решений, обеспечивающих создание СВЧ КБТП с параметрами на уровне
современных зарубежных аналогов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Определены параметры моделей ионной имплантации, диффузии и окисления для режимов формирования областей кремниевых КБТ, для
формирования активной базы без применения низкоэнергетической
имплантации (E > 10 кэВ) и быстрого термического отжига (скорость выхода на режим >10 oC/мин). Корректность выбора подтверждена теоретическими, численными методами, а также экспериментальными исследованиями интегральных элементов комплементарных биполярных технологических процессов, БиКМОП процессов, а также мощных СВЧ биполярных транзисторов.
2. Показана возможность повышения симметрии динамических
параметров КБТ (разбаланс граничной частоты не более 20 %) за счёт
градиентного профиля распределения примеси в коллекторе pnp-транзистора,
сформированного двойной имплантацией в эпитаксиально-планарном
технологическом процессе с толщиной пленки 2 мкм и комбинированной
изоляцией элементов ИМС.
3. Разработана последовательность технологических операций СВЧ
КБТП для которой определены режимы формирования областей пассивной и
активной базы, обеспечивающие повышение симметрии динамических
параметров КБТ с fT > 10 ГГц, UКЭ0 > 12 В, UБЭ0 > 2,5 В.
4. Предложена конструкция диода Шоттки с охранными кольцами p-типа
проводимости, интегрированная в исследуемый СВЧ КБТП, и обеспечивающая
значение частоты среза fC > 260 ГГц при UПРОБ > 15 В.
5. Предложен метод дополнительного «тормозящего» легирования,
позволяющий управлять процессом обратной диффузии из скрытых слоев
коллектора, а в рамках исследуемого СВЧ КБТП способный обеспечить
симметрию значений не только динамических, но и статических параметров n-
и p-канальных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.
Практическая значимость полученных результатов диссертационной
работы заключается в том, что проводимые теоретические и
экспериментальные исследования использовались при оптимизации элементов
ИМС, применяемых при разработке быстродействующих ИМС в
ОКР «Двинянин», «Лисица-Ку», «Липтон-Ку», исследованиях конструктивно-
технологических базисов ИМС, разрабатываемых в НИР «Пеликан-Б»,
ОКР «Изотопия», «Цифра-5», «Цифра-8», «Цифра-16», «Высотка-13»,
СЧ ОКР «Победа-П». «Вихрь». Результаты работы являются внедренными в процесс разработки и производства ИМС (1324УВ6, 1348ЕТ2, 1324МП2, 1324ПС5 (А4505)), которые освоены в серийном производстве с приёмкой категории качества «ВП».
Научные положения, выдвигаемые для защиты:
1. Для кремниевого КБТП двойная имплантация бора, используемая при
формировании градиентного профиля распределения примеси в коллекторе
вертикального pnp-транзистора, позволяет достигнуть значения произведения
fT UКЭ0 не менее 150 ГГцВ при fT > 10 ГГц для КБТ.
2. Для выбранной последовательности технологических операций
максимальная степень симметрии параметров пассивной базы КБТ получена
при имплантации As (E = 120 кэВ, Q = 1500 мкКл/см2) и BF2 (E = 20 кэВ, Q = 250 мкКл/см2) для отжига t = 10 мин., T = 1000 oC, атмосфера – сухой кислород, что обеспечивает пробивное напряжение UБЭ0 > 2,5 В (IЭ = 10–6 А/мкм) для КБТ.
-
Максимальная степень симметрии значений граничной частоты КБТ fT ~ 11 ГГц при UКЭ0 > 13 В обеспечивается применением ионной имплантации BF2 и Sb с энергией > 10 кэВ для формирования областей активной базы, при отжиге активной базы/эмиттера t = 10 мин. ± 20 %, T = 900 oC и скорости выхода на режим не менее 10 oC/мин.
-
В рамках исследуемого КБТП максимальное значение частоты среза fC > 260 ГГц интегрального диода Шоттки с пробивным напряжением UПРОБ > 15 В обеспечивается для конструкции без спейсеров при ширине анода W 3 мкм и охранных кольцах, выполненных с применением поликремния.
5. Применение операции дополнительного «тормозящего» легирования
для самосовмещенных структур комплементарных полевых транзисторов с
управляющим p-n переходом в рамках исследуемого КБТП обеспечивает
симметричные значения напряжения отсечки ~ 1,0 В.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
обсуждались и получили одобрение на следующих российских и
международных научно-технических конференциях: «Проблемы разработки
перспективных микроэлектронных систем» (г. Москва, Институт проблем
проектирования в микроэлектронике РАН, 2010, 2014 гг.); «Твердотельная
электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (г. Москва, АО «НПП
«Пульсар», 2008–2014 гг.); «Электроника, микро- и наноэлектроника» 2011,
2012 гг. (НИЯУ МИФИ), «Микроэлектроника и информатика–2011» (г.
Москва, Зеленоград, 2011 г.); «Обмен опытом в области создания
сверхширокополосных РЭС» (Омск, ЦКБА, 2010); «Фундаментальные
проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC) (г.
Москва, МГТУ МИРЭА, 2007, 2013, 2014 гг.); Международная научно-
техническая школа-конференция «Молодые учёные – 2008» (г. Москва,
МГТУ МИРЭА, 2008 г.); International Conference «Micro- and
nanoelectronics» (г. Звенигород, 2007, 2012 г.).
По теме диссертации опубликовано 5 работ в изданиях рецензируемых ВАК, 23 работы в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, получено 4 свидетельства о государственной регистрации топологии ИМС.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 165 страницах текста, иллюстрированного таблицами, графиками и рисунками, библиографического списка и приложения.
Радиационная стойкость аналого-цифровых ИМС на основе комплементарных биполярных транзисторов
Из таблицы 1.1 видно, что в области кремниевых КБТП с симметричными параметрами наибольшего прогресса достигли компании Plessey Semiconductors, Maxim Integrated, National Semiconductor. Специалистами компании Fairchild Korea Semiconductor опубликован ряд работ [69 – 71], посвященных разработке технологических процессов с симметричными параметрами на КНИ-подложках.
Из представленного списка особо стоит отметить линейку технологических процессов HJ компании Plessey Semiconductors. Компания использует модульный подход [72] для создания ряда технологических процессов, отвечающих требованиям разработчиков различных изделий. В основе подхода лежит замена лишь небольшого набора технологических операций, остальные операции едины для всей линейки HJ.
В Российской Федерации, а также в Республике Беларусь, на сегодня, не существует КБТП с граничными частотами более 5 ГГц [64]. Проработка вариантов ИМС на основе технологического процесса HJV [50], показала, что подобный процесс может быть успешно применен как для создания быстродействующих аналого-цифровых ИМС (операционные, логарифмические усилители) [73], [74], так и для создания СВЧ МИС L- и S- диапазонов частот (усилители; смесители, умножители, делители частоты [75 – 78]).
Подводя итоги анализа технологических процессов стоит подчеркнуть, что для решения задач по разработке КБТ с симметричными значениями параметров (fT 10 В; UКЭ0 10 В) целесообразно использовать кремниевый технологический процесс. Отсутствие подобных процессов на территории Российской Федерации делает данную задачу актуальной.
Существенным ограничением, определившим отсутствие СВЧ КБТП на территории РФ, является уровень технологических возможностей отечественных предприятий-изготовителей ИМС. Для построения СВЧ КБТП существует ряд критических технологических операций. Это, прежде всего, субмикронная фотолитография, имплантация с малыми энергиями для формирования сверхтонкой активной базы, операции отжига для активации примеси, операции осаждения и травления тонких пленок. Рассмотрим технологические возможности отечественных предприятий для ряда критических операций более подробно.
Формирование мелкозалегающих p-n переходов с помощью имплантации с низкими значениями энергии на отечественных предприятиях используется только при создании КМОП ИМС. Среди таких предприятий стоит выделить: ПАО «Микрон», АО «Ангстрем», НИИСИ РАН, строящееся кристальное производство в АО «Ангстрем-Т» [79 – 81]. На указанных предприятиях используются иностранные установки имплантации, например, установки PRECISION IMPLANT xR120 (Applied Materials), обеспечивающие минимальное значение энергии до 2 кэВ [82]. Остальные отечественные производители кристаллов ИМС, в основном, оборудованы либо отечественными установками [83 – 90], либо установками, обеспечивающими энергии не менее 10 кэВ [91]. Технические характеристики отечественных установок ионной имплантации сведены в таблице 1.2 [92 – 94]. Стоит также отметить, что в РФ, на данный момент, отсутствуют производители установок ионной имплантации [95].
Лада-20 20-200 до 900 - - Лада-30М 10-180 до 4000 1 - В части оборудования процессов отжига ситуация аналогичная. В распоряжении производителей КМОП ИМС установки, обеспечивающие очень высокую скорость нагрева и, соответственно, низкие времена отжига. Это, к примеру, установки НТ POLY Centura, Modular RTP600S [96]. Однако, наибольшее распространение на уже отмеченных отечественных предприятиях имеют печи групповой обработки типа СДОМ, СДО (таблица 1.3) [92], [94]. Невысокая скорость нагрева в таких установках затрудняет их использование в современных технологических процессах.
Модель установки Количествотехнологическихтруб, шт. Диапазонрабочихтемператур, оС Скорость нагрева, оС/мин. Нестабильностьподдержаниятемпературного уровня, оС СДОМ-3/100 3 400 - 1220 от 7 до 10 ± 0,25 СДО-125/4А 4 600 - 1350 0,1 - 10 ± 1 СДО-125/3-12 3 700 - 1250 от 7 до 10 ± 0,25
Процессы эпитаксиального роста пленок кремния на территории РФ проводятся, в основном, в АО «ЭПИЭЛ». Согласно справочной информации, минимальная толщина эпитаксиальных пленок составляет 2 – 3 мкм [97]. Минимальные топологические размеры, используемые на большинстве отечественных предприятий (за исключением производителей субмикронных КМОП ИМС) составляют от 1 до 3 мкм [83 – 90].
Таким образом, анализ данных об используемом технологическом оборудовании на отечественных предприятиях показал: в РФ современное оборудование иностранного производства применяется, в основном, для создания цифровых КМОП ИМС с субмикронными проектными нормами. Создание КБТП с ограничениями, накладываемыми использованием отечественных установок, при проектных нормах не менее 1 мкм позволит: - снизить стоимость технологического процесса; - уменьшить зависимость от поставщиков иностранного оборудования, что является актуальным в условиях наличия экспортного контроля Государственного департамента США, существенно ужесточившегося после введения санкций в отношении РФ; - обеспечить перераспределение производственных мощностей с целью рационального использования существующего высокотехнологичного оборудования для создания перспективных изделий микро- и наноэлектроники.
Особенностью применения КБТ в аналоговых блоках ИМС является симметрия (согласованность) их параметров. Степень симметрии параметров наиболее критична для таких устройств как операционные усилители с токовой обратной связью, двухтактные драйверы и т.д. [98]. Данный критерий может существенно влиять на архитектуру построения устройств, например, за счёт применения схемотехнических методов, обеспечивающих снижение зависимости от несимметричности параметров КБТ.
Для современных аналого-цифровых схем помимо симметрии статических параметров [99], важным является симметрия динамических параметров КБТ [100]. Быстродействие схем, использующих в своем составе высокочастотные npn- и pnp-транзисторы, ограничено наименее быстродействующим типом транзистора, которым, в силу своей природы, является pnp-транзистор. Увеличение граничных частот КБТ во всем диапазоне плотностей токов коллектора, уменьшение сопротивлений баз и паразитных емкостей позволяет расширить полосу пропускания (например, 2500 МГц против 1000 МГц в сравнении с процессом с несимметричными максимальными значениями граничной частоты КБТ [42]), упростить схемотехническую реализацию устройств с очень низкими искажениями, устройств с малым током потребления.
Анализ литературы по существующим технологическим процессам, обеспечивающим симметрию динамических параметров КБТ (BiCom3 [42], VIP-10 [45], CB2 [49], HJV [50] и ряд других) показал, что отношение fTmax (разбаланс граничной частоты) КБТ не превышает 20 %. Для остальных рассмотренных КБТП разбаланс граничной частоты составляет более 50 %. Результаты сопоставления процессов позволяют определить: высокая степень симметрии динамических параметров КБТ характеризуется разбалансом граничной частоты не более 20 %. Стоит отметить, что значение fT учитывает влияние емкостей и сопротивлений, связанных с элементами конструкции БТ, и наилучшим образом подходит в качестве обобщенного параметра динамических свойств КБТ. Соответственно, представленные преимущества КБТП с транзисторами с симметричными параметрами подтверждают актуальность задачи по обеспечению высокой степени симметрии динамических параметров КБТ с одновременным увеличением значений fTmax.
Критерии выбора оптимальной модели технологического процесса
Из рисунка видно, что площадь npn-транзистора значительно меньше площади pnp, даже без учета области изоляции от подложки. Такой подход не обеспечивает симметрию значений граничной частоты для npn-транзистора fT = 20 ГГц, pnp-транзистора fT = 5 ГГц. Для повышения симметрии при использовании самосовмещения только для одного из КБТ возможно применять метод, описанный в работе [178]. Применимость указанного метода для решения задач данной работы будет рассмотрена в главе 3.
Тем не менее, для обеспечения максимальной симметрии параметров в качестве основного варианта для решения задач данной работы выбрано самосовмещение для КБТ.
Для КБТП методы реализации активных областей могут быть разделены на следующие: - каждая конкретная область формируется с помощью отдельной технологической операции; - ряд технологических операций используется для формирования нескольких элементов конструкции КБТ. Метод, в котором формирование областей КБТ осуществляется за счёт последовательного легирования осаждаемых областей поликремния, применяется целым рядом компаний, выпускающих ИМС [43], [49], [50]. При таком методе исключается возможность легирования поликремния во время осаждения, увеличивается число технологических операций. Стоит отметить, что современные КБТП активно применяют технологии селективного эпитаксиального роста [59]. Однако, высокая стоимость изготовления исключает подобные методы из рассмотрение в данной работе.
Для методов с совмещением технологических операций [58], [60] при сокращении их общего числа снижается вариативность процесса и, в частности, уменьшается число возможных конструкций дополнительных элементов. Для подобных процессов не удается обеспечить максимальную степень симметрии параметров КБТ. Подводя итоги сопоставления методов, стоит отметить, что для решения задач данной работы наилучшим образом подходит первый метод, который и будет являться основным.
Формирование сверхтонкой активной базы за счёт процесса ионной имплантации или эпитаксиального роста – одно из основных преимуществ вертикальной конструкции транзистора. Как видно из формул (1), (3), (5) толщина базы играет определяющую роль в значениях граничной частоты, коэффициента усиления по току, пробивного напряжения коллектор-эмиттер. Согласно публикациям, отмеченным ранее, толщина области активной базы как для npn-, так и для pnp-транзисторов для частот 10 ГГц и более не превышает 100 нм. Для формирования активной базы подобной толщины применяются следующие методы: – имплантация с малыми значениями энергии и быстрый термический отжиг [179]; – имплантация через специальный материал определенной толщины [180]; – дополнительная имплантация фтором или углеродом для подавления диффузии [140], [141], [181]; – эпитаксиальный рост кремния [182]. Кроме того, зачастую, используются сочетания представленных методов. Указанные методы требуют применения современного технологического оборудования, не всегда доступного на предприятиях Российской Федерации. По этой причине в рамках данной работы будут проведены исследования по определению минимальных требований к режимам формирования сверхтонкой активной базы, необходимой для построения КБТ с необходимыми параметрами.
Формирование области активной базы, нельзя рассматривать отдельно от области эмиттера. Сравнение вариантов возможных конструкций эмиттера [183] показывает, что поликремниевый эмиттер полностью удовлетворяет основным требованиям к данной области [184]: малая глубина эмиттерного перехода, низкое сопротивление, отсутствие проплавления алюминия металлического контакта в мелкозалегающих слоях и др. По этой причине другие варианты конструкций эмиттеров в данной работе рассматриваться не будут.
Для построения ИМС, обладающих широкими функциональными возможностями и высокими техническими характеристиками, необходимо расширять конструктивно технологический базис КБТП. Для этого могут быть использованы МОП-транзисторы, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, диоды Шоттки, диоды Зенера и т.д. В рамках данной работы для интеграции в исследуемый КБТП будут рассматриваться диоды Шоттки и
полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Создание указанных элементов может быть выполнено в рамках используемого базиса технологических операций, что не приведет к увеличению стоимости КБТП.
Конструкция современного интегрального ДШ, представленная на рис. 1.21, включает в себя следующие элементы: контакт Шоттки с нелегированным полупроводником; контакт к легированному полупроводнику (катод); области для снижения последовательного сопротивления; боковую изоляцию.
Для формирования интегральных ДШ используют области полупроводника n-типа, что обусловлено их лучшими транспортными свойствами. В качестве металла традиционно применяется алюминий [185], однако требования к низкому последовательному сопротивлению приводят к необходимости применения силицидов платины, титана и других металлов [186 -188].
Помимо материалов на параметры ДШ существенно влияет конструкция. Стоит выделить основные конструктивные особенности диодов Шоттки. На рис. 1.22 представлена конструкция ДШ, сформированного в КМОП технологическом процессе в кармане п-типа [189].
Конструкция ДШ, описанная в работе [185] Снижение проектных норм, а также развитие методов изоляции привело к тому, что современные ДШ, интегрированные в КМОП технологический процесс, имеют следующую конструкцию (рис. 1.23) [189 – 192].
Конструкция ДШ компании IBM [186] Конструкция ДШ, изготавливаемого в рамках КБТП HJ компании Plessey Semiconductor [50], представлена на рис. 1.24. В отличие от рассмотренных ранее конструкций ДШ имеют топологию с одним катодом. Применимость подобной топологии ДШ для исследуемого КБТП будет рассмотрена в главе 4.
Конструкция диода Шоттки компании Plessey Semiconductor [50] Особенностью конструкций ДШ, представленных на рис. 1.23 и 1.24, является наличие охранных колец p-типа. Охранные кольца [192] снижают влияние краевых эффектов на пробивное напряжение, снижают токи утечки, однако приводят к увеличению емкости ДШ, и, соответственно, снижению частоты среза. Исследования конструкций ДШ с учетом охранных колец в рамках исследуемого КБТП будет также представлено в главе 4. Помимо охранных колец в интегральных ДШ могут быть использованы спейсеры, по аналогии с биполярными транзисторами. Отмеченная конструкция описана в работе [193].
Особенности системы слаболегированный слой/скрытый слой
Для определения параметров скрытого слоя n– и выполнения требований, представленных в главе 1, была разработана методика моделирования, описанная в работе [311]. С помощью неё были определены необходимые значения концентрации примеси и глубины залегания слоя n– для КБТ с пробивным напряжением коллектор-база 25 В. На рис. 3.1 представлены результаты расчёта обратной ветви ВАХ перехода p+/n– в зависимости от дозы имплантации слоя n–. Видно, что только для дозы Q = 6e13 см–2 происходит пробой p–n перехода. В остальных случаях происходит прокол области изоляции.
Обратная ветвь ВАХ перехода p+/n– при энергии E = 100 кэВ и различных дозах имплантации области n– Были рассмотрены варианты увеличения глубины области n–: имплантация с энергиями вплоть до значений E = 350 кэВ, длительный отжиг. В результате сделаны следующие выводы: – имплантация со значениями дозы менее 1e13 см–2 не приводит к формированию области изоляции, поскольку концентрация вводимой примеси оказывается меньше, чем концентрация в подложке; – энергия имплантации слабо влияет на увеличение глубины p-n перехода, основной вклад вносит длительный температурный отжиг.
Таким образом, повышение пробивного напряжения перехода p+/n– возможно только с увеличением глубины изолирующего p-n перехода за счёт длительного отжига, что, в свою очередь, приводит к увеличению паразитной емкости. В результате оптимизации показано, что обеспечить значение напряжения пробоя p+/n– более 30 В возможно при толщине изолирующего слоя не менее 2,7 мкм при имплантации с дозой 6e13 см–2, энергией 175 кэВ и отжигом не менее 5 часов с применением инертной и окисляющей атмосфер.
Вторым элементом, использующимся при комбинированной изоляции, являются области щелей. Как уже было упомянуто в главе 2, процесс травления в рамках используемой САПР рассчитывается без связи с физическими свойствами травящих реагентов и обрабатываемой подложки. Поэтому в работе рассматриваются только особенности формирования элементов щелевой изоляции, в которых применяются операции окисления и имплантации.
Результаты расчётов, выполненных для режима окисления T = 950 oC, t = 15 мин., атмосфера – пары воды, толщина SiO2 не более 0,15 мкм (рис. 3.2), показывают, что максимальные механические напряжения в угловых областях глубоких щелей порядка 104 атм. Эти результаты согласуются с исследованиями механических напряжений, описываемыми в работах [312], [313]. Соответственно, указанный режим формирования слоя SiO2 обеспечивает приемлемые значения механических напряжений, не приводящих к возникновению дефектов, существенно влияющих на электрические характеристики транзисторов [129]. а) б) С учетом отмеченных в главе 1 особенностей, глубина травления щели зависит от глубины области изоляции n–, толщины эпитаксиальной пленки, а также возможностей установки травления. Как было показано выше, уменьшение глубины области n– возможно только с одновременным сокращением глубины области p+ с целью обеспечения высокого напряжения прокола. Вопросы выбора режимов формирования слоя p+, также как и эпитаксиальной пленки будут рассмотрены далее. В данном разделе представлены результаты исследования глубины травления, необходимой для обеспечения полной изоляции.
Моделирование протекания тока между двумя различными областями (как n+, так и n–) показало: ток утечки слабо зависит от глубины травления области щелевой изоляции. Моделирование проводилось как при плавающем, так и при нулевом потенциале на подложке. В качестве примера на рис. 3.3 представлено распределение плотности тока, протекающего между областями изоляции и эпитаксиальной пленкой n-типа, разделенными щелью при нулевом потенциале не подложке. В случае использования противоинверсной области p+, снижение тока происходит даже в случае, если расстояние между дном щели и краем перехода n+/p-подложка не превышает 0,5 мкм.
Двумерное распределение плотности тока по структуре с щелевой изоляцией без имплантации противоинверсной области На рис. 3.4 представлены результаты расчёта утечки между двумя соседними областями, разделенными щелью, в зависимости от режимов формирования противоинверсной области. Указанное напряжение – пороговое напряжение на поликремнии изоляции, при котором наблюдается возрастание тока утечки [314]. Данный метод сравнения режимов формирования противоинверсной области показал: увеличение энергии имплантации приводит к незначительному снижению порогового напряжения повышения утечки, тогда как увеличение дозы существенно повышает пороговое напряжение. Рис. 3.4 Зависимость напряжения на области изоляции при плотности тока утечки I = 10–10 А/мкм2 для различных режимов формирования противоинверсной области
Стоит отметить, что результаты, представленные на рис. 3.4 получены для пленки SiO2. В технологическом процессе, применяемом в АО "НИИМЭ" для заполнения щели используется двойная пленка: SiO2 (50 нм)/ Si3N4 (120 нм). Для представленной комбинации материалов моделирование показывает, что аналогичные значения напряжения достигаются при использовании меньших значений дозы имплантации противоинверсной области (например, Q = 9,375e13 см–2, E= 30 кэВ – U 50 В).
Однако, использование противоинверсной области, приводит к снижению UПРОБ перехода n–/p-подложка. Результаты исследования UПРОБ в зависимости от режимов имплантации бора (E = 30 кэВ) представлены на рис. 3.5. Зависимость представлена для толщины эпитаксиальной пленки 2 мкм. При этом для глубины d = 4,5 мкм расстояние между дном щели и краем области n– составляет 1,25 мкм. Таким образом, в случае использования глубины травления = 8 мкм (глубина, применяемая в высоковольтных КБТП НПП "Пульсар"), UПРОБ n–/p-подложка составит не менее 100 В, что существенно больше напряжения n–/p+.
В данном разделе представлены результаты моделирования конструкций области коллектора КБТ с учетом специфики исследуемого технологического процесса. Для расчёта сопротивлений отдельных конструктивных элементов БТ применялся метод моделирования электрического сопротивления между двумя контактами к конкретной области, полученной с помощью удаления остальных элементов конструкции транзистора.
Низкое сопротивление скрытого слоя может быть обеспечено как диффузией из газовой фазы, так и ионной имплантацией. Моделирование показывает, что применение указанных методов позволяет добиться одинаковых значений поверхностного сопротивления скрытых слоев, при незначительной разнице по глубине. Тем не менее, для создания скрытого слоя p+ в работе будет рассматриваться только метод ионной имплантации, что связано с возможностью более точного контроля глубины слоя p+ и, соответственно, значения напряжения пробоя/прокола области изоляции.
Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
Сопоставление ВФХ ДШ различной конструкции Результаты измерений не полностью отражают значений емкости непосредственно ДШ. Паразитная емкость металлизации для сравниваемых конструкций различается, однако экстракция паразитных емкостей металлизации показывает, что разница в значениях не может быть полностью связана с данным фактором. Емкости, возникающие при монтаже в корпус, стоит считать одинаковыми, поскольку использовался один тип корпуса (5140.8-АН3) и идентичная схема сборки (рис. 4.15). Таким образом, в сравниваемых условиях ДШ с кольцевой структурой обладают меньшим значением емкости, что показывает их преимущества для применения в технологических процессах с большими проектными нормами. Стоит также отметить, что, как и по результатам моделирования, для топологий диодов 1 и 2, лучшие результаты показывает диод, состоящий из большого числа диодов SА = 310 мкм2.
Сопоставление показывает, что ДШ исследуемого КБТП обладают меньшим значением сопротивления. Емкости ДШ при нулевом смещении имеют одинаковые значения, тогда как при U = –15 В для ДШ процесса HJV значение емкости ниже. Кроме того, представленные результаты подтверждают выбор оптимальной конструкции ДШ с шириной анода W = 3 мкм.
Таким образом, экспериментальные исследования ДШ для КБТП показали: - использование кольцевой структуры обеспечивает наилучшие значения параметров при больших проектных нормах технологического процесса; - использование наборной структуры в сравнении с простой полосковой улучшает параметры, при этом увеличивается площадь, занимаемая на кристалле.
Наличие в составе исследуемого КБТП большого количества слоев с различным типом проводимости и параметрами позволяет формировать полевые транзисторы с управляющим p-n переходом с каналами n- и p-типа. Для решения задачи построения комплементарных JFET с максимальной степенью симметрии параметров в рамках базиса слоев исследуемого КБТП были проведены исследования как технологических, так и конструктивных особенностей их формирования.
Как было показано в главе 1, на сегодня основной конструктивный вариант JFET строится на основе областей коллекторов КБТ. На рис. 4.17 и 4.18 представлены конструкции интегральных JFET с различными типами проводимости каналов. Как и в случае с диодом Шоттки выбраны конструкции транзисторов, контакты (сток и исток) которых приближены к затвору за счет использования поликристаллических областей пассивных баз npn- и pnp-транзисторов. Введение p+ поликремния для p-JFET позволило при изменении на 0,2 % напряжения отсечки повысить ток стока более чем на 25 %. Для n-канального JFET были получены схожие результаты: при изменении на 0,5 % напряжения отсечки ток стока увеличился более чем на 35 %.
Верхний затвор формируется также на основе областей пассивной базы и имеет минимальную длину LЗ = 1 мкм, определяемую минимальным расстоянием между областями ЛОКОС-изоляции.
Конструкция интегрального n-канального JFET Вначале будет рассмотрен p-канальный JFET. Использование коллектора pnp-транзистора, сформированного с помощью двух операций имплантации, приводит к высоким значениям напряжения отсечки 7 В. В этом случае, параметры практически не зависят от режимов формирования верхней области имплантации.
Зависимость напряжения отсечки (а) и начального тока стока (б) p-канального JFET p-канального JFET от режимов имплантации области p– (UСИ = 3 В) При этом, выбранный ранее режим имплантации коллектора pnp-транзистора для верхней области (энергия E = 40 кэВ при дозе Q = 4е12 см–2) использовался для повышения произведения fTUКЭ0. Использование только верхней имплантации не приводит к получению удовлетворительных параметров p-канальных JFET. На рис. 4.19 представлены зависимости напряжения отсечки и начального тока стока в зависимости от режима имплантации верхней области p–. Видно, что удовлетворительные значения параметров получены только при существенном увеличении энергии имплантации. Поскольку данный режим напрямую связан с напряжением пробоя pnp-транзистора, то увеличение дозы более 5e12 не возможно (рис. 3.23). Соответственно, энергия имплантации должна составлять не менее 70 кэВ. Зависимость тока стока от напряжения на затворе представлена на рис. 4.20. а) б) 133 Рис. 4.20 Зависимость тока стока от напряжения на затворе p-канального JFET при различных энергиях имплантации слоя p– Поскольку профиль распределения примеси в области коллектора современных сверхвысокочастотных транзисторов может иметь различный вид, то необходимо отметить его влияние на параметры JFET. На рис. 4.21 представлен график, демонстрирующий зависимость напряжения отсечки и начального тока стока от толщины области с равномерной концентрацией примеси.
Как видно из графика толщина области с равномерным распределением примеси до определенного значения не влияет на параметры JFET. Однако при стремлении к ретроградному распределению примеси на нижней границе канала его толщина будет снижаться и, соответственно, сопротивление канала будет возрастать. Таким образом, применение специализированного профиля распределения примеси не позволяет изменить зависимость основных параметров JFET от концентрации примеси.
Определившись с режимом формирования p-JFET, стоит рассмотреть n-канальный транзистор. Расчёты показывают, что диффузия из скрытого слоя p+, применяемого в качестве нижнего затвора, приводит к слишком тонкой области канала, что не обеспечивает достаточный начальный ток стока. Как было показано в главе 3, для снижения обратной диффузии могут применять различные методы, наиболее эффективным из которых является тормозящее легирование. На рис. 4.22 представлена зависимость тока стока от напряжения на затворе при различных дозах «тормозящего» легирования.