СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ-БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Советский патент 1997 года по МПК H01L21/225 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании СВЧ-транзисторов и интегральных схем на их основе.

Известен способ создания n-p-nСВЧ мощного транзистора в котором сильнолегированные области пассивной базы формируют путем диффузии бора через окна в слое SiO₂, при температуре Т 1100^oC на глубину 1,5 мкм, что в шесть раз превышает глубину коллекторного p-n-перехода под эмиттером (0,25 0,27 мкм).

В известном способе величина бокового ухода примеси примерно равна глубине диффузии примеси. За счет этого велика площадь структуры транзистора, занимаемая областями "пассивной" базы, а плотность размещения активных элементов транзисторной структуры мала, что увеличивает емкость коллекторного p-n-перехода транзистора и уменьшает коэффициент усилия по мощности.

Глубокие части пассивной базы (глубже коллекторного p-n-перехода под эмиттером) образуют электрические поля в активном режиме работы транзистора, сужающие область протекания подвижных носителей, инжектированных эмиттером, через коллектор, что ухудшает такие параметры транзистора, как отдаваемая мощность, коэффициент полезного действия коллекторной цепи и его тепловое сопротивление, а также устойчивость к вторичному пробою.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления СВЧ-биполярных транзисторов, включающий создание на полупроводниковой подложке коллекторного и эмиттерного переходов и сильнолегированных областей пассивной базы путем селективности диффузии базовой примеси в подложку.

В известном способе сильнолегированные области пассивной базы формируют путем диффузии бора при температуре Т 1050^oC на глубину, в 1,5 2,0 раза превышающую глубину коллекторного p-n-перехода под эмиттером, равную 0,35 мкм.

В известном способе боковая диффузия базовой примеси увеличивает площадь транзисторной структуры, занимаемую областями пассивной базы, и ограничивает возможность более плотной компоновки элементов транзисторной структуры (областей эмиттера и пассивной базы) и ведет к увеличению емкости коллекторного p-n-перехода транзистора. Глубокие части областей пассивной базы образуют электрические поля, сужающие область протекания носителей тока, инжектированных эмиттером, через коллектор, а также создают неравномерность распределения носителей тока в области объемного заряда (003) коллекторного p-n-перехода, что способствует локальную повышению концентрации носителей тока в 003 коллектора и снижает такие параметры транзистора, как критический ток, отдаваемую мощность, коэффициент полезного действия коллекторной цепи, повышает тепловое сопротивление и емкость коллекторного p-n-перехода, а также снижает устойчивость транзистора к вторичному пробою.

Целью изобретения является уменьшение емкости коллекторного p-n-перехода и коэффициента полезного действия коллекторной цепи путем уменьшения горизонтальных размеров областей пассивной базы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления СВЧ-биполярных транзисторов, включающем создание на полупроводниковой подложке коллекторного и эмиттерного переходов и сильнолегированных областей пассивной базы путем селективной диффузии базовой примеси в подложку, диффузию примеси проводят в интервале температур 900 950^oC в течение 7 20 мин.

Выбранный интервал температур (900 950^oC) при диффузии бора в процессе создания областей сильнолегированной пассивной базы является оптимальным с точки зрения обеспечения одновременно:
минимального ухода глубины диффузионного слоя активной базы. С увеличением температуры диффузии глубина диффузионного слоя как областей пассивной, так и активной базы резко возрастает;
поверхностной концентрации примеси, близкой к максимально возможной. При этом изменение температуры диффузии от 900 до 950^oC приводит к изменению поверхностной концентрации примерно от 1,1 • 10²⁰ см^-3 до 1,5 • 10²⁰ см^-3, что не сказывается сколько-нибудь заметно на величине контактного сопротивления между металлизационной системой и областью пассивной базы. Этот факт подтверждается измерением сопротивлений эмиттера и базы транзисторов, пассивная база которых была сформирована путем диффузии бора при температурах 900 950^oC.

Нижний предел временного интервала обусловлен длительностью установления температуры в рабочей зоне термической диффузионной печи, занимает время от 3 до 5 мин и дальнейшее снижение времени диффузии является нецелесообразным.

Верхний предел временного интервала обусловлен тем, что дальнейшее его увеличение приводит к ухудшению таких параметров транзистора, как тепловое сопротивление, отдаваемая мощность, коэффициент полезного действия коллекторной цепи.

Плоский коллекторный p-n-переход позволяет получить минимальные значения емкости коллектор-база транзистора, обеспечивает наилучшую равномерность распределения носителей заряда и выделяемого в области объемного заряда коллектора тепла, что повышает критический ток транзистора, снижает его тепловое сопротивление и, в конечном итоге, способствует увеличению отдаваемой мощности и коэффициента полезного действия, а также повышает устойчивость транзистора к вторичному пробою. Помимо этого малая глубина сильнолегированных областей "пассивной" базы позволяет уменьшить их горизонтальные размеры за счет снижения боковой диффузии примеси и открывает возможность более плотной компоновки элементов транзисторной структуры (областей эмиттера и пассивной базы), что улучшает качество прибора.

На чертеже изображен разрез n-p-n-СВЧ-транзистора, изготовленного согласно изобретению. На кремниевой подложке 1 проводимости n⁺ -типа с удельным сопротивлением 0,01 Ом•см и ориентацией (III), толщиной порядка 250 мкм эпитаксиально выращивают слой кремния 2 проводимости n-типа с удельным сопротивлением 1 2 Ом•см толщиной 5 10 мкм с ориентацией (III). Формируют на подложке слой SiO₂ и окна в нем с применением фотолитографии и проводят диффузию бора в окна на глубину порядка 0,25 мкм с образованием области базы 3 и коллекторного p-n-перехода. Диффузию можно проводить в две стадии: "загонка" бора при температуре порядка 900^oC и "разгонка" бора при температуре 950^oC с одновременным окислением поверхности кремния. Поверхностная концентрация примеси составляет обычно 10¹⁸ 10¹⁹ см^-3, а толщина образовавшегося слоя SiO₂ 0,15 0,3 мкм. После этого на поверхность подложки осаждают с применением пиролиза слой SiO₂ толщиной 0,1 0,2 мкм, вытравливают в нем окна и проводят диффузию бора в окна в одну стадию с образованием сильнолегированных областей пассивной базы 4. Температура диффузии бора 900 - 950^oC, глубина диффузии 0,15 0,2 мкм и концентрация бора на поверхности порядка 10²⁰ 2•10²⁰ см^-3, что соответствует предельной растворимости бора в кремнии. После формирования областей пассивной базы осаждают на подложку слой SiO₂ методом пиролиза и вытравливают с помощью фотолитографии окна, в которые проводят диффузию или ионное внедрение эмиттерной примеси (например, мышьяка) с образованием области эмиттера 5. Вытравливают в слое SiO₂ окна над областями пассивной базы и формируют металлизационную систему транзистора 6. Исследование параметров транзисторов, сформированных согласно изобретению (с мелкими областями пассивной базы глубиной 0,22 мкм и глубиной залегания коллекторного p-n-перехода под эмиттером 0,27 мкм) и согласно способу-прототипу (с глубиной областей пассивной базы 1,5 мкм и глубиной залегания коллекторного p-n-перехода под эмиттером 0,3 мкм), проводились на транзисторных структурах с встречно-штыревой топологией, шагом структуры (расстоянием между осевыми линиями ближайших эмиттерных областей) 8,6 мкм. Металлические контактные проводники, выполненные с применением металлизационной системы Ti Pt Au, расположены над каждой областью эмиттера и пассивной базы транзистора. Площадь коллекторного p-n-перехода транзистора составляла 3,4776 • 10^-4 см² и удельное эпитаксиальной пленки 1,0 Ом•см.

В таблице приведены результаты измерений параметров транзисторов, изготовленных по технологии согласно изобретению и согласно способу-прототипу, отнесенные к минимальным величинам параметров, емкость p-n-перехода коллектор-база C_кб/C_кбmin отдаваемая мощность P_вых/P_выхmin; коэффициент полезного действия коллекторной цепи η_к/η_кmin; тепловое сопротивление R_т/R_тmin.

Из таблицы видно, что выходная мощность (P_вых, коэффициент полезного действия коллекторной цепи η_к и тепловое сопротивление (R_t) транзисторов с глубиной областей пассивной базы, не превышающей глубину коллекторного p-n-перехода под эмиттером, лучше параметров транзисторов с глубокими областями пассивной базы. Использование данного способа создания СВЧ-биполярных транзисторов обеспечивает по сравнению со способом-прототипом, следующие преимущества:
коллекторный p-n-переход транзистора плоский. Это обеспечивает уменьшение емкости коллекторного p-n-перехода, улучшает равномерность расположения подвижных носителей заряда, инжектированных эмиттером, в области объемного заряда коллектора, что увеличивает отдаваемую транзисторам мощность и коэффициент полезного действия коллекторной цепи, уменьшает тепловое сопротивление коллектора и повышает устойчивость транзистора к вторичному пробою;
уменьшение размеров областей пассивной базы в горизонтальной плоскости позволяет создавать транзисторы с повышенной плотностью размещения элементов структуры (области пассивной базы и эмиттера), что обеспечивает увеличение отдаваемой мощности в пересчете на единицу площади и способствует повышению качества прибора.

Способ изготовления СВЧ-биполярных транзисторов, включающий создание на полупроводниковой подложке коллекторного и эмиттерного переходов и сильнолегированных областей пассивной базы путем селективной диффузии базовой примеси в подложку, отличающийся тем, что, с целью уменьшения емкости коллекторного p - n-перехода и КПД коллекторной цепи путем уменьшения горизонтальных размеров областей пассивной базы, диффузию примеси проводят в интервале температур 900 - 950^oС в течение 7 - 20 мин.

Способ изготовления СВЧ-биполярных транзисторов, включающий создание на полупроводниковой подложке коллекторного и эмиттерного переходов и сильнолегированных областей пассивной базы путем селективной диффузии базовой примеси в подложку, отличающийся тем, что, с целью уменьшения емкости коллекторного p n-перехода и КПД коллекторной цепи путем уменьшения горизонтальных размеров областей пассивной базы, диффузию примеси проводят в интервале температур 900 950^oС в течение 7 20 мин.