Способ изготовления биполярного вч n-p-n-транзистора

 

Использование: технология микроэлектронных устройств. Сущность: в процессе изготовления биполярных ВЧ n-p-n-транзисторов после создания активных областей и формирования омических контактов проводят имплантацию ионов фосфора с энергией 100 ± 20 кэВ постимлантационный обжиг и пассивацию структур. 1 ил.

Изобретение относится к технологии микроэлектронных устройств. В [1] показано, что при бомбардировке протонами с энергией 3,1 МэВ создается узкая область с малыми временами жизни носителей заряда. Но при этом с уменьшением времени переключения происходит увеличение прямого падения напряжения, ухудшение напряжения насыщения и обратных токов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ изготовления ВЧ р-n-р-транзисторов [2]. Способ включает изготовление ВЧ-транзисторов по следующей схеме: окисление эпитаксиальной кремниевой структуры, фотолитография, формирование базовых областей, формирование эмиттерных областей, вскрытие контактных окон, металлизация алюминия (или Al с добавкой Ca, Si), фотолитография металлизированной пленки, вжигание алюминия, ионное легирование, отжиг (стабилизирующий), пассивация и т.д.

Для ионов В⁺ характерна большая глубина проникновения в кремний. Но эта примесь пригодна для использования в приборах с нежесткими нормами на величину времени переключения. К тому же торможение легких ионов бора происходит по кулоновскому механизму и для их внедрения необходимы большие дозы.

Целью изобретения является увеличение частоты отсечки, уменьшение токов утечки и времени переключения.

Работа по использованию имплантации ионами Р⁺ показала высокую эффективность геттерирования точечных дефектов нарушенным слоем, образующимся при отжигах ионноимплантированных слоев. Эффективность геттерирования определяется типом и массой внедряемых ионов и, как следствие, обеспечивает существенное уменьшение времен включения и выключения.

Для имплантации ионов Р⁺ используются обычные установки ионной имплантации. Исследование сравнительной эффективности влияния ионной имплантации на уменьшение времени переключения в кремниевых транзисторах путем прямого сравнения геттерирования золота при диффузии и имплантации различных ионов показало, что при прочих равных условиях предлагаемые ионы примесей могут быть расположены в ряд: H⁺, Si⁺, As⁺ в соответствии с величиной остаточных нарушений структуры.

Предлагаемый способ улучшения динамических параметров реализуется в транзисторах, включающих окисление эпитаксиального слоя кремния, фотолитографию, формирование базовых и эмиттерных областей, вскрытие контактных окон, формирование металлизированной пленки (Al или сплава), фотолитография металлизированной пленки, вжигание алюминия (или сплавов), имплантация предлагаемыми ионами, отжиг, пассивация и т.д.

П р и м е р реализации предлагаемого способа.

Высоколегированную эпитаксиально- планарную структуру термически окисляют при Т= 1150^оС в течение 20 мин (сухой О₂) + 60 мин (влажный О₂3)+ 20 мин (сухой О₂) комбинированной среды. При этом вырастает слой двуокиси кремния толщиной 0,72 мкм, достаточной для маскирования поверхности кремния от внедрения легирующих примесей и достаточной для пассивации р-n-перехода коллектор-база. В слое двуокиси кремния с помощью фотолитографии вскрывают окно, через которое в две стадии формируют базовую область.

1 стадия. Диффузия бора из твердых планарных источников (ТПИ), устанавливаемых в кварцевой кассете параллельно друг другу. В качестве ТПИ использовался BN пиролитический. Технологический процесс проведен в режиме Т= 950^оС, время 30 мин.

2 стадия. Разгонка бора в режиме Т=1100^оС, время 10 мин (сухой О₂) + 50 мин (влажный О₂).

При этом образуется область толщиной 2 ± 0,25 мкм с поверхностным сопротивлением (R_s) 150-300 Ом/□. В процессе диффузии бора в окислительной среде вырастает маскирующий слой толщиной 0,6 мкм. Далее с помощью фотолитографии в этом маскирующем окисле вскрывают окно, через которое формируют эмиттерную область. Диффузию осуществляют из треххлористого фосфора РCl₃ в две стадии.

1 стадия. Загонка фосфора при Т=950^оС в течение 28-30 мин в инертной среде.

2 стадия. Разгонка фосфора при Т=900^оС в течение 8-10 мин в комбинированной среде сухого и влажного кислорода с параметрами: толщина SiO₂ ≈ 0,25 мкм, поверхностное сопротивление R_s = =6-9 Ом/□, толщина эмиттерной области 0,8-1,1 мкм. В созданном маскирующем слое с помощью фотолитографии вскрывают контактные окна соответственно к базовой и эмиттерной областям для обеспечения контакта с металлизацией, которая создается посредством распыления в вакууме и имеет толщину 1,2-1,6 мкм.

Далее проводят вжигание металлизации при Т=460^оС в течение 10 мин в среде азота с целью обеспечения переходного сопротивления контактов.

С целью снижения времени включения и выключения импульса тока в коллекторе транзистора пластины кремния со сформированными транзисторными структурами подвергают обработке потоком ионов фосфора на установке ионного легирования. Режим имплантации: энергия Е= 100 ± 20 кэВ, доза 100 ± 20 мкК/см². Энергия вводимых ионов фосфора определяет проникающую способность через суммарное маскирующее покрытие в базовую и эмиттерную области, а их доза определяет количество вводимых ионов и степень разупорядочения решетки кремния. В результате разупорядочения решетки кремния происходит уменьшение времени рассасывания с 200 до 20-30 нс с соответствующим уменьшением коэффициента усиления по току с 100-150 до 15-25, который восстанавливается при последующем отжиге. Отжиг образовавшихся дефектов имеет место при температуре 400^оС в среде Н₂. Благодаря этому достигается положительный эффект с применением имплантированного фосфора. Ни в процессе сборочных операций, ни в условиях эксплуатации кристаллы транзисторных структур не подвергаются большему воздействию температур, чем Т=400^оС.

На чертеже приведена временная диаграмма тока в транзисторе при переключении коллекторного тока. На эпюре переходного процесса I_к=I_к(t), определяемого накоплением и рассасыванием (избыточных) неравновесных носителей в различных областях транзистора, видно, что коллекторный ток всегда запаздывает относительно импульса базового тока на t_з - задержку включения, т.е. на промежуток времени между моментом подачи входного отпирающего импульса базового тока I_б1 и моментом, когда выходной ток I_кдостигает 0,1 своего максимального установившегося значения; t_ф - время нарастания или время установления переднего фронта импульса тока коллектора.

Время включения t_вкл =t_з + t_ф.

Для насыщенного ключа вводится t_р - задержка выключения или время рассасывания, в течение которого ток коллектора спадает от установившегося значения до 0,9 I_к. В ненасыщенных ключах время t_рдолжно быть малым, в насыщенных t_р ≥ 10-100 нс. Время включения и выключения в транзисторах, изготовленных по предлагаемому способу, снижается только в локальных областях на поверхности полупроводниковой структуры, что позволяет с одновременным их улучшением получать неизменными величины напряжений насыщения U_кэ.нас, U_бэ.нас и обратные токи переходов транзисторов благодаря неизменности свойств полупроводникового материала в объеме.

В сравнении с известным техническим решением в предлагаемом способе не требуется специальная дополнительная фотогравировка слоя, подвергаемого облучению потоком ионов. Так, например, в сравнении с прототипом эффективности имплантации кремния ионами фосфора выше, что определяется по степени разупорядочения (для Р⁺ в 8 раз больше, чем для В⁺) и отношению концентрации золота в нарушенном слое и в диффузионном n⁺=слое (для Р⁺ в 4 раза больше, чем для В⁺).

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ВЧ n-p-n ТРАНЗИСТОРА, включающий окисление полупроводниковой подложки с эпитаксиальным слоем, фотолитографию первого окисла, формирование базовых и эмиттерных областей, вскрытие контактных окон, формирование металлических контактов, ионную имплантацию с последующим отжигом и пассивацию структур, отличающийся тем, что, с целью увеличения частоты отсечки, уменьшения токов утечки переходов и времени переключения, имплантацию проводят ионами фосфора с энергией 100 ± 20 кэВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1