научная статья по теме НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО БИПОЛЯРНОГО СВЧ ТРАНЗИСТОРА. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО БИПОЛЯРНОГО СВЧ ТРАНЗИСТОРА. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 6, с. 465-471

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИС

УДК 621.382

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО БИПОЛЯРНОГО СВЧ ТРАНЗИСТОРА. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

© 2007 г. Ю. П. Снитовский, В. В. Нелаев, В. А. Ефремов

Белорусский государственный университет Поступила в редакцию 13.03.2007 г.

Приведены результаты двухмерного физического моделирования новой технологии изготовления мощного прп кремниевого биполярного СВЧ транзистора, позволяющей увеличить эффективную площадь эмиттера и тем самым улучшить энергетические и частотные параметры, радиационную стойкость, а также выходные вольт-амперные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером. Сравнительный анализ результатов моделирования показал преимущества новой технологии по сравнению со стандартной. Моделирование проводилось с использованием программы 88иРКБМ4 программного комплекса компании 8Пуасо.

1. ВВЕДЕНИЕ

Поиск компромиссных решений, обеспечивающих оптимальное сочетание энергетических и частотных характеристик биполярных кремниевых транзисторов привел к тому, что сложился определенный подход к их конструированию [1, 2]. Однако дальнейшее улучшение параметров и качества этого класса приборов на основе сложившегося подхода практически невозможно. Это связано, с одной стороны, с тем, что к настоящему времени в определенной степени реализованы предельные возможности современной технологии. С другой стороны, существуют причины фундаментального характера, включая ограничение допустимых значений рабочих температур полупроводниковых материалов и напряженности электрического поля в них [3], вероятность теплового (выделяемая джоулева 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 [4]. При этом для транзисторов спад выходной мощности с ростом частоты подчиняется зависимости ~1//2 [3-5].

В сложившейся ситуации необходим поиск дополнительных возможностей для улучшения качества и выходных параметров транзисторов, в частности, с использованием метода самосовмещения [6, 7] без изменения горизонтальных размеров и формы коллекторной, базовой и эмит-терной областей.

Известно, что с повышением уровня инжекции боковые участки перехода эмиттер-база оказывают отрицательное влияние на выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмитте-

ром. При этом понижается как коэффициент усиления, так и граничная частота транзистора, что подтверждается результатами расчетов и экспериментов [1].

Одним из авторов настоящей работы предложена новая концепция биполярного транзистора [7, 8], согласно которой коэффициент инжекции можно увеличить за счет боковой (латеральной) инжекции. Это увеличивает количество носителей, инжектируемых в базовую область через боковые участки и, следовательно, повышает коэффициент инжекции эмиттера в целом, что улучшает электрические параметры и выходные вольт-амперные характеристики в схеме с общим эмиттером [6, 7], а также радиационную стойкость прибора [7, 9, 10].

Следует отметить, что с целью повышения мощности, КПД, коэффициента усиления по мощности и граничной частоты биполярного транзистора эмиттерные р-п-переходы должны быть равноудалены от коллекторного р-п-перехода на расстоянии, равном толщине активного участка базы, а градиент концентрации в эмиттерных р-п-переходах должен быть постоянен в пределах каждой эмиттерной области [6]. При этом минимальная глубина пассивного участка базы должна быть соизмерима с толщиной активного участка базы. Выполнение указанных условий приводит к повышению эффективности эмиттера за счет формирования плоского фронта областей пространственного заряда коллекторного р-п-перехода.

Основные преимущества новой технологии изготовления биполярного транзистора, воплощающей предложенную концепцию, по сравнении со стандартной заключаются в следующем:

- в новой технологии исключается критический этап совмещения фотошаблонов эмиттерных и базовых областей;

(а)

(б)

(в)

(г)

(Д)

(е)

Рис. 1. Основные этапы формирования транзисторной структуры по стандартной технологии.

- имплантационное легирование как пассивной, так и активной частей базы осуществляется в одном процессе посредством одновременного введения примеси как через тонкий термический слой диоксида кремния, так и в эмиттерные окна в диоксиде (процесс самоформирования);

- имплантационное легирование эмиттерной области осуществляется в те же самые эмиттерные окна, что и при легировании базы, чем достигается эффект самосовмещения и отсутствия продавливания базы под эмиттером;

- диффузионный отжиг областей базы производится в среде аргона, что повышает процент электрически активного бора и позволяет снизить дозу имплантации;

- уменьшается размытие профиля распределения примеси в базе за счет снижения температуры отжига.

Таким образом, цель работы состояла в физическом моделировании формирования вертикальной структуры мощного биполярного СВЧ транзистора по новой и стандартной технологиям и в анализе полученных результатов с точки зрения обеспечения указанных преимуществ новой технологии.

Компьютерные расчеты новой и стандартной технологий формирования структуры мощного кремниевого СВЧ-биполярного транзистора проводились на основе современных физических моделей с использованием двухмерной программы 88иРИЕМ4 [11] (лицензия № 10728), входящей в состав программного комплекса компании 8Пуасо -мирового лидера среди разработчиков инструментальных средств для проектирования и моделирования в микроэлектронике.

2. НОВАЯ И СТАНДАРТНАЯ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МОЩНОГО БИПОЛЯРНОГО СВЧ-ТРАНЗИСТОРА

Основные операции, входящие в состав технологического маршрута формирования структуры мощного биполярного СВЧ транзистора, представлены на рис. 1 (стандартная технология) и рис. 2 (новая технология).

В стандартной технологии после пирогенного выращивания толстого (~0.65 мкм) слоя диоксида кремния на исходной однослойной эпитаксиаль-ной структуре 10КЭФ1.8/350ЭКЭС0.01 при температуре 1150°С и длительности 1 ч (рис. 1а) формируется р+ пассивная база в процессах фотолитографии и травления окон в диоксиде кремния с последующей имплантацией бора через окна в 8Ю2 дозой 8.7 х 1015 см-2 и энергией 40 кэВ (рис. 16). После диффузионного отжига в среде сухого кислорода при температуре 1150°С и длительности 15 мин (х,- ~ 1.9 мкм, = 40 Ом/кв) проводится формирование области базы путем вскрытия окон в диоксиде кремния методом жидкостного травления с использованием фотошаблона "база" (рис. 1в), имплантации бора с дозой 1.4 х 1014 см-2 и энергией 40 кэВ (рис. 1г) и последующим пиро-литическим осаждением пленки диоксида кремния толщиной ~0.3 мкм. Отжиг радиационных де-

% % % У. % % % 8102

п - ер1

п+ - 81

В В В

8102

п - ер1

п+- 81

8102

р+ Р+ р+

п - ер1

п+- 81

В 1 1 1 В В В 1 в

8102

р+ р+

п - ер1

п+ - 81

1 1 8102

р+ р+ р + п - ер1

п+ - 81

п+ - 81

фектов и окончательное формирование области базы осуществляется в две стадии: при температуре 940°С и длительности 7 мин во влажном кислороде и при температуре 940°С и длительности 7 мин в сухой атмосфере. Характеристики сформированной области базы: глубина залегания /»-«-перехода ху ~ 0.3 мкм, поверхностное сопротивление Я, = 520 Ом/кв. Здесь и далее приведенные значения глубин залегания /-«-переходов и поверхностных сопротивлений получены в экспериментальных измерениях.

Формирование области эмиттера проводится посредством ионной имплантации фосфора (доза 3.5 х 1015 см-2, энергия 35 кэВ) в эмиттерные окна в диоксиде кремния (рис. 1д) и последующего отжига в среде аргона (температура 900°С, длительность 16 мин). Характеристики сформированной эмиттерной области: глубина залегания /-«-перехода х у ~ 0.18 мкм, поверхностное сопротивление Я, = 35 Ом/кв. Финальной стадией изготовления активной транзисторной структуры является формирование многослойных контактов к кремнию на основе алюминия с барьерным слоем молибдена (рис. 1е).

В новой технологии слой диоксида кремния на исходной однослойной эпитаксиальной структуре формируется в два этапа: вначале проводится пи-рогенное окисление кремниевой подложки при температуре 1150°С (как и в стандартной технологии) до получения толщины диоксида кремния ~0.4 мкм, а затем осаждается пиролитический диоксид кремния при температуре 850°С толщиной ~0.5 мкм с последующим его уплотнением. Формирование окна в полученном таким образом комбинированном слое диоксида кремния для последующего введения примеси в область базы осуществляется посредством фотолитографии и травления с использованием фотошаблона "база" (рис. 2а). Затем в среде сухого кислорода в области вскрытого окна выращивается слой 8Ю2 толщиной 0.200.25 мкм. После нанесения фоторезиста с использованием фотошаблона "р+-пассивная база" формируется окно, через которое проводится легирование подложки посредством ионной имплантации (доза 2.5 х 1015 см-2, энергия 100 кэВ) (рис. 26). После снятия фоторезиста проводится высокотемпературный отжиг в среде аргона при температуре 1150°С и длительности 30 мин. Характеристики области р+-пассивной базы: Ху ~ 1.9 мкм, поверхностное сопротивление Я, ~ 40 Ом/кв. Далее через выращенный тонкий диоксид кремния и окна в нем (рис. 2в), полученные фотолитографией и травлением с использованием фотошаблона "эмиттер", проводится имплантационное легирование бором области

базы (рис. 2г) (доза 1.3 х 1014 см-2, энергия 55 кэВ)*.

* Отметим, что доза имплантации бора при легировании области базы в новой технологии ниже, чем в стандартной.

(а)

(б)

(в)

(г)

(Д)

(е)

Рис. 2. Основные этапы формирования транзисторной структуры по новой технологии.

Диффузионный отжиг радиационных дефектов и окончательное формирование активной и пассивной областей базы проводится при температуре 900°С и длительности 30 мин в среде аргона. Характеристики активной части базы: Ху ~ 0.36 мкм, Я, = 600 Ом/кв. Характеристики пассивной части базы: Ху ~ 0.20 м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком