Способ изготовления мощных свч транзисторных структур со стабилизирующими эмиттерными резисторами

 

Использование: микроэлектроника, технология изготовления мощных СВЧ-транзисторных структур со стабилизирующими эмиттерными резисторами. Сущность изобретения: при изготовлении СВЧ-транзисторных структур со стабилизирующими эмиттерными резисторами в кремниевой подложке последовательно формируют области базы и эмиттера, область эмиттера осуществляют в две стадии, при этом после проведения первой стадии наносят резистивный слой системы ванадий-кремний с содержанием ванадия 15 - 25 атомных процентов до толщины 0,05 - 0,1 мкм, а одновременно с проведением второй стадии создают защитное покрытие резистивного слоя, в потоке газообразного кислорода толщиной 0,02 - 0,022 мкм, формируют топологический рисунок резисторов, удаляют защитное покрытие, наносят многослойную металлизацию, создают контакты к областям базы, эмиттера и эмиттерным резисторам.

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов, может быть использовано при производстве мощных СВЧ-транзисторных структур со стабилизирующими эмиттерными резисторами.

Известен способ изготовления мощных СВЧ-транзисторных структур со стабилизирующими резисторами, включающий создание на поверхности полупроводниковой пластины в едином технологическом цикле эмиттерной и базовой областей транзистора и диффузионных стабилизирующих резисторов, фотолитографическое формирование окон под контакты, создание многослойной металлизации и ее конфигурации (1).

Из известных наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления кремниевых многоэмиттерных транзисторов, включающий последовательное создание в кремниевой пластине областей базы и эмиттера методом локального введения легирующих примесей, вакуумное нанесение резистивного слоя и защитной пленки алюминия, формирование топологического рисунка резисторов, нанесение многослойной металлизации, создание омических контактов к областям базы и эмиттера и эмиттерным резисторам, снятие защитной пленки алюминия с участков, не покрытых многослойной металлизацией (2).

Недостатком известного способа является разброс величин тонкопленочных резисторов, вызванный: во-первых, взаимодействием слоев резистивной пленки (в данном случае NiGr) с защитным покрытием (в данном случае AI), вследствие температурных воздействий при вакуумном напылении алюминия (Т = 200-200^оС), вакуумном нанесении многослойной металлизации (Т= 200-300^оС); во-вторых, формирование омического контакта многослойной золотосодержащей металлизации с резисторами осуществляется без удаления в контактах алюминиевой пленки методом температурного вжигания (Т = 470^оС), что приводит к разбросу величины контактного сопротивления.

Таким образом, несмотря на применение многослойной золотосодержащей металлизации, известный способ не приводит к улучшению энергетических параметров транзисторов.

Целью изобретения является улучшение энергетических параметров транзисторов за счет снижения разброса величин сопротивления резисторов.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе изготовления кремниевых многоэмиттерных транзисторов, включающем последовательное создание в кремниевой пластине областей базы и эмиттера методом локального введения легирующих примесей, вакуумное нанесение резистивного слоя, защитной пленки резистивного слоя, формирование топологического рисунка резисторов, нанесение многослойной золотосодержащей металлизации, создание омических контактов к областям базы и эмиттера и эмиттерным резисторам, снятие защитного покрытия, согласно заявляемому изобретению создание областей эмиттера осуществляют в две стадии, при этом нанесение резистивного слоя проводят после проведения первой стадии создания эмиттера, создание защитного покрытия резистивного слоя осуществляют в среде газообразного кислорода в процессе проведения второй стадии создания эмиттера, а удаление защитного слоя проводят перед нанесением первого слоя многослойной золотосодержащей металлизации. При этом в качестве резистивного слоя применяют тонкие пленки системы ванадий-кремний с содержанием ванадия в резистивном слое 15-25 атомных процентов.

Тонкие слои (толщиной 0,05-0,1 мкм) системы кремний-ванадий с исходным содержанием ванадия 15-25 атомных процентов, в отличие от дисилицида ванадия (VSi₂) известного состава с содержанием ванадия 33 атомных процента имеют избыток кремния, что значительно повышает удельное сопротивление слоя. Так удельное сопротивление дисилицида ванадия составляет (10-50) х 10^-6 Ом˙ см. В предлагаемом техническом решении удельное сопротивление достигает (100-300) х 10^-6 Ом˙ см, что позволяет использовать их в качестве резистивных слоев.

Кроме того, несмотря на избыток кремния в слое V-Si, наличие фазы дисилицида ванадия VSi₂, образующийся в результате термообработки при 900^оС, позволит достичь достаточно высоких значений температурного коэффициента сопротивления (ТКС), сравнимого с ТКС дисилицида ванадия VSi₂ в объемных образцах. Так, в предлагаемом техническом решении величина ТКС тонких пленок V-Si составляет (2,5-3) х х10^-3 1/град, в то время как в объемных образцах VSi₂ величина ТКС равна 3,51 х х10^-31/град.

Применение эмиттерных стабилизирующих резисторов с высоким положительным значением ТКС позволяет компенсировать увеличение эмиттерного тока СВЧ транзистора, вызванного разогревом транзисторной структуры в процессе работы.

Нанесение резистивного слоя согласно предлагаемому способу позволяет не только совместить операцию нанесения защитного покрытия на резистивный слой и второй стадии формирования эмиттера, что снижает трудоемкость изготовления транзисторной структуры и сокращает производственный цикл. Предложенная последовательность операций позволяет без изменения существующего маршрута изготовления транзисторных структур стабилизировать электрофизические параметры резистивного слоя ванадий-кремний, так как, во-первых, при температуре второй стадии создания эмиттера СВЧ-транзисторных структур (900 ± 50)^оС фазовый состав резистивного слоя стабилизируется и структурные изменения в слое приобретают необратимый характер, во-вторых, все последующие технологические операции изготовления транзисторных структур проводят при температуре, не превышающей +700^оС.

Проведенная авторами работа показала, что 20-минутная обработка при температуре +900^оС в среде газообразного кислорода резистивного слоя ванадий-кремний с исходным содержанием ванадия 15-25 атомных процента приводит к образованию на его поверхности слоя двуокиси кремния (SiO₂) толщиной 0,02 мкм, что при толщине резистивного слоя (0,05-0,1) мкм гарантирует стабильность его электрофизических параметров. Защитные свойства термически выращенных пленок SiO₂ имеют значительные преимущества. Кроме того, рост пленки SiO₂ на поверхности резистивного слоя сопровождается оттеснением ванадия с поверхности и концентрацией его на верхней границе V-Si - SiO₂. Удаление защитной пленки SiO₂ перед нанесением многослойной золотосодержащей металлизации позволяет получить хорошо воспроизводимый омический контакт между металлизацией и резисторами за счет присутствия обогащенного ванадием поверхностного слоя без использования дополнительных промежуточных металлосилицидных соединений, например PtSi. Интерметаллических соединений (например, Ti-Al по прототипу), ведущих к росту переходного контактного сопротивления, при этом не образуется. Измерения, проводимые авторами на тестовых структурах, показали снижение величины контактного сопротивления по сравнению с прототипом на 20%.

Предложенный способ реализуется при изготовлении СВЧ транзисторных структур следующим образом.

На отмытых кремниевых пластинах термически выращивают слой толщиной 0,8 ± 0,05 мкм. Методом фотолитографии вскрывают окна в SiO₂, в которые проводят ионное легирование кремния бором в режиме: энергия (Е) = 30кеV, доза (Д) = 40 мкКул/см². Разгонку бора проводят при 1025^оС с одновременным окислением кремния. При этом формируются области базы глубиной 0,63 ± 0,05 мкм и Rs= = 350 ± 70 Ом/□ и слой SiO₂ толщиной 0,12 ±0,02 мкм. Фотолитографически вскрывают окна в слое под эмиттер и проводят ионную имплантацию фосфора в режиме Е = 90 кеV, Д = 1000 мкКул/см². На поверхность пластин наносят покрытие из Si₃N₄ толщиной 0,1 мкм. Магнетронным методом на установке типа "Оратория-5" распылением составной мишени кремний-ванадий проводят осаждение слоя (20 ат.% V) толщиной 500 ± 30 и Rs = 160 ± 10 Ом/□ . Режим нанесения резистивного сплава: ток магнетрона 0,5 ± 0,05 А, напряжение 500 ± 5 В, давление аргона 3-4 х 10^-3 мм рт.ст., температура подложки 250 ± 20^оС.

Фотолитографическими методами создают топологический рисунок резистивных элементов.

В печи СДО 125/5 проводят термообработку пластин при температуре 900 ± 0,5^оС в течение 20-25 мин в потоке газообразного кислорода с расходом 220 ± 60 л/ч при атмосферном давлении. Глубина залегания эмиттерного p-n-перехода при этом составляет 0,45 ± 0,05 мкм, толщина базы - 0,32 ± 0,63 мкм. Сопротивление резистивного слоя, измеренное на контрольной пластине, уменьшается после термообработки до (50-2,5) Ом/□ . Фотолитографическим методом и реактивно ионным травлением создают в слое диэлектрика контактные окна к областям базы и эмиттера. Проводят напыление платины толщиной 500 ± 10 магнетронным методом на установке "Магна 2М" с предварительной очисткой в той же установке поверхности пластин ионным пучком. Вжигание пластины осуществляют при 700^оС с образованием в контактных окнах силицида платины. Платина не вступает при этом в реакцию с резистивным слоем Si-V из-за наличия защитного слоя SiO₂ на его поверхности. Стравливают платину с поверхности пластин в смеси соляной и азотной кислот (3 :1) при 70^оС. Удаляют защитный слой SiO₂ с поверхности резистивных элементов Si-V в смеси HF : H₂O = 1 : 20 за 10-15 с. Формирование многослойного покрытия золотосодержащей осуществляют путем нанесения адгезионного слоя Ti толщиной 0,2 ± 0,05 мкм и барьерного слоя платины толщиной 0,15 ± 0,05 мкм магнетронным методом на установке "Оратория-5" и электроосаждением слоя золота толщиной 1,1 ± 0,1 мкм. Формирование топологического рисунка металлизации осуществляют методами фотолитографии и ионно-плазменным травлением слоев Au и Pt, химическим травлением слоя Ti в травителе состава Н₂О : водный 25%-ный раствор NH₃ = 7 : 1 с последующим вжиганием металлизации при 475^оС, 8-10 мин в среде газообразного азота. После контроля электрофизических параметров транзисторов и тестовых резисторов осуществляют разделение пластин на кристаллы, монтаж кристаллов в корпусе, измерение электрофизических и энергетических параметров.

Таким образом, представленная совокупность отличительных признаков заявленного технического решения позволяет не только достичь необходимого для резистивных слоев удельного сопротивления (100-300) х 10^-6 Ом˙ см и застабилизировать его величину, но и получить величину ТКС (2,5-3) х 10^-3 1/град. Этот факт, а также снижение и стабилизация переходного контактного сопротивления "резистивный слой - многослойная золотосодержащая металлизация" на 30% по сравнению с прототипом, снижает разброс величин сопротивлений эмиттерных транзисторов, что в конечном итоге приводит к улучшению энергетических параметров СВЧ-транзисторов.

Испытания предлагаемого способа на опытных партиях линейного мощного СВЧ-транзистора показало, что за счет снижения разброса величин стабилизирующих резисторов до ± 3,5% снижен разброс энергетических параметров: коэффициент усиления по мощности с 38,5% до 14,3%, КПД с 9,6% до 6,2%.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ СВЧ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ ЭМИТТЕРНЫМИ РЕЗИСТОРАМИ, включающий последовательное формирование в кремниевой подложке областей базы и эмиттера путем локального введения легирующих примесей, вакуумное нанесение резистивного слоя, создание защитного покрытия резистивного слоя, формирование топологического рисунка резисторов, нанесение многослойной металлизации, создание контактов к областям базы, эмиттера и эмиттерным резисторам и удаление защитного покрытия, отличающийся тем, что формирование области эмиттера осуществляют в две стадии, при этом после проведения первой стадии наносят резистивный слой системы ванадий - кремний с содержанием ванадия 15 - 25 ат.% до толщины 0,05 - 0,1 мкм, а одновременно с проведением второй стадии формирования области эмиттера создают защитное покрытие резистивного слоя в потоке газообразного кислорода толщиной 0,02 - 0,022 мкм, а удаление защитного покрытия проводят перед нанесением первого слоя многослойной металлизации.