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.