Способ изготовления высокочастотных транзисторных структур Советский патент 1993 года по МПК H01L21/331 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления транзисторов, и может быть использовано в производстве мощных высокочастотных транзисторов и биполярных

интегральных микросхем

I

Известен способ изготовления мощных высокочастотных транзисторных структур, включающий локальное легирование подложки до получения поверхностно концентрации примеси противоположного подложке типа (не менее 1-1 о ) с последующим формированием внешней базы разгонкой примеси из легированных областей в подложку.

Активная база, так же как внешняя, создается совмещенной разгонкой примеси вглубь подложки из легированных областей.

сл

с

Далее следует создание эмиттера и металлизированных контактов к эмиттерным и базовым областям транзисторной структуры.

Недостатком указанного способа является неравномерное токораспределение по ширине эмиттерной области и не ю высокий уровень усиления. При возрастании плотности эмиттерного тока 100-300 А/см2 из-за возрастающей

го плотности поперечной составляющей базового тока в активной базовой области происходит оттеснение эмиттерного тока к периферии эмиттерного р-п-перехода В результате нагружается периферийная часть области перехода эмиттера на незначительном расстоянии от металлургической границы р-п-переходао

Оставшаяся часть области эмиттера остается пассивной и испытывает незначительную токовую нагрузку. Объяс няется это тем, что данный способ .изготовления мощных ВЧ-транзисторных структур обеспечивает получение активной базовой области с примесным градиентом (максимальной концентрацией у дна эмиттерной области и мини мальной Е}близи коллекторного р-п-перехода)5 направленным вглубь подложки, в поперечном направлении - перпендикулярно долевому распределению примеси равномерно и постоянно (как и удельное сопротивление)о Однако при возрастающей плотности эмиттерного и соответственно рекомбинационного базового тока в направлении от середины к периферии эмиттера возрастает падение напряжения в попереч ном направлении активной базовой области с максимальным его значением вблизи боковой границы эмиттерной области с Это обстоятельство вызывает неравномерное смещение эмиттерного р-п-перехода, максимальное у его периферии и минимальное в центре, что в результате приводит к неравномерному токораспределению и ухудшению усилительных свойств по току h 21 е, по мощности - Кур Кроме того, для повышения усиления в транзисторной структуре способ не предусматривает получения различного соотношения легирующей примеси в активной и внешней (вблизи эмиттерного р-п-перехода) частях базовой области Наиболее близким техническим реше нием является способ изготовления мощных высокочастотных транзисторных структур, включающий локальное легирование подложки до получения поверхностной концентрации примеси про тивоположного подложке типа проводимости не менее 1-10 смЗ с последующим формированием внешней базы разгонкой примеси из легированных областей в под ложку, создание активной базы и эмит теров, а такх{е контактов к областям структуре Контакт к эмиттерной области осуществляют через окно под диффузионно легирование эмиттера, а контакт к внешней базе осуществляют через отдельное окно. Причем сначала в маскирующем слое создают базовое контактное окно, а затем область того же типа проводимости, что и базовая область, которая устанавливает соединение с активной базовой областью Базовое контактное окно оставляют открытым во время базовой и эмиттерной диффузии, при этом поверхностная концентрация примеси в базовом контактном окне после диффузии.так высока, что при последующем легировании эмиттерной примесью не становится ниже величины, необходимой для соединения активной и внешней базы. Раздельное формирование активной и внешней базовых областей позволяет в отличие от аналога самостоятельно подбирать степень легирования каждой из областей для получения более равномерного токораспределения по ширине эмиттерной области и улучшения усилительных свойств Однако приемлемого выравнивания токораспределения достигнуть невозможно, поскольку при бЪльших величинах плотности эмиттерного тока происходит оттеснение тока эмиттера к периферии перехода эмиттера-база вследствие протекания поперечной составляющей базового тока и омическому падению напряжения на центральном участке равномерно легированной в поперечном направлении активной базовой области Неравномерное токовое распределение по ширине эмиттера приводит к ухудшению усилительных свойств транзистора: по току (h 21 е), по мощности (), снижает даитический ток коллектора () и т.До В способе, хотя и предусмотрено раздельное от внешней формирование активной базовой области, однако, невозможным является получение активной области со значительно меньшей степенью легирования, поскольку эти две области соприкасаются в боковых диффузионных фронтах и находятся во взаимной зависимости одна от другой в их степени легирования Кроме того, определенную сложность представляет отдельная операция формирования загонкой примеси активной базовой области,, Создание мелких диффузионных слоев для получения высокого уровня усиления так же не представляется возможным, поскольку промежуток перекрытия диффузионных фронтов, получаемый фотогравировкой окна активной и внешней базовых областей, не может быть доведен до контролируемого микронного уровня. Целью изобретения является улучшение электрических параметров тран5

зисторных структур и упрощение способа

Поставленнал цель достигается тем что в способе изготовления мощных высокочастотных транзисторных структур, включающем локальное легирование подложки до получения поверхностной концентрации примеси противоположного подложке типа проводимости не менее с, последующин формированием внешней базы разгонкой примеси из легированных областей в подложку, создание активной базы и эмиттера, а также контактов к областям структур, локально легированные области формируют с зазором, составляющим 0,2-1,0 от максимальной толщины внешней базы, а активную базу создают разгонкой примеси из легированных областей до их смыкания

Последовательность технологических операций показана на фиг.1-5, где: на фиг,1 показаны кремниевая полупроводниковая подлох ка n-типа проводимости с высокоомным эпитаксиальным п-слоем и маскирующим поверхност покрытием - тонким слоем двуокиси кремния и непрокисляющимся маскирующим слоем нитрида кремния; на фиГс2 показаны полупроводниковая подложка, высокормный п-слой, маскирующее поверхность покрытие, образующее выступ между высоколегированными областями противоположного подложке типа проводимости, составляющей 0,2-1,0 от максимальной толщины разогнанной внешней базы; на Оиг„3 показаны подложка, высокоомный слой, маскирующее покрьпие, разогнанные внешние базовы области с маскирующим диэлектрическим покрытием и активная база, созданная разгонкой примеси из легированных областей до их смыкания; на фиГо1 - показаны подложка, высокоомный слой, внешняя база, активная баз и эмиттерная область; на фиг„5 - показана завершенная высокочастотная транзисторная структура, включающая высоколегированную полупроводниковую подложку п -проводимости, высокоомный эпитаксиальный п-слой, внешнюю базовую р -область с маскирующим диэлектрическим покрытием, активную базовую р-область, высоколешрованную эмиттерную n-область и металлизированные контакты к внешней базово и эмиттерной областям.

26

Принятые обозначения: крег,няев.я полупроводниковая подложка 1, эпитаксиальный слой 2, слой двуокиси кремния 3, слой нитрида кремния , высоколегированные области 5, маскирующее диэлектрическое покрытие 6, активная база 7, эмиттерная область 8, металлизированные контакты к базе 9, металлизированные контакты к эмиттеру 1.а. ,

Пример oc щecтвлeнил способа,

На высоколегированной кремниевой пол ложке n-тмпа проводимости, легирозанной сурьмой до удельного сопротизленмя 0, 01 Омсм, с высокоомным эпитаксиально наращенным п-слоем 2, легированным фосфором до удельного сопротивления t,5 Ом-см, формируют

термическим окислением кремния слой двуокиси кремния SiO 3 толщиной 0,1 мкм и наносят на него слой нитрида кремния толщиной 0,75 мкм за счет реакции дихлорсилана с аммиаком

при Т 710°С. Затем через фоторезистивную маску путем плазмохимического травления на установке ПлазмабООТ локальным стравливанием оставляют выступ маскирующего диэлектрического покрытия между сильнолегированными областямио Локальное легирование по.аложки ,по получения поверхности концентрации примеси противоположного подложке р-типа не менее

1 -Ю см осугнествляют ионным легированием бора на установке ионнолучевсго ускорителя Везувий П с энергиQf, с чпп км-Кул

ей - ЬО кэВ и дозой 100 5

СМ

в результате ионного внедрения примеси получают поверхностную концентрацию легирующей примеси 2 . Степень поверхностного легировйния с нижним пределом 1

X обуслочлена необходимостью пос)1едую|дей термической разгонки примеси для формирования внешней и активной базь1, так как меньшая степени легирования не обеспечивает

необходимой глубины термической разгонки примеси ,

Разгонку примеси из аысоколегироламиых областей р -типа осущестgg вляют термически в кислородной среде при 1200 С до глубины залегания внешней базовой области 11 мкм„ В процессе разгонки вырастает маскирующее диэлектрическое покрытие двуокиси кремния 6. При ширине зазора между сильн легированными областями р -типа составляющим 2,2 мкм, т.е. 0,2 от макси мальной толщины базы (11 мкм), чем обеспечивается смыкание боковых диффузионных фронтов внешней базовой областио Способ, описанный в данном примере, целесообразен для транзисторов со значительной глубиной залегания и толщиной активной базовой области. При ширине зазора 11 мкм, равной мак симальной толщине внешней базы, область взаимного перекрытия боковых диффузионных фронтов устанавливают минимально допустимой на уровне 3 мкм что целесообразно для более высокочастотных транзисторов, поскольку уменьшение области перекрытия соответственно уменьшает глубину залегания активной базовой области в средней части. При этом степень поверхностного легирования в части перекрытия не должна быть менее 5 X исключения прокола объемными зарядами эмиттерного и кол лекторного перехода базовой области В противном случае осуществляют дополнительное подлегирование через эмиттерное окно активной базовой области. Лалее маскирующее диэлектрическое покрытие нитрида кремния и тонкого слоя двуокиси кремния 3 Удаляют вначале селективным травлением, а затем на основе фтористоводородной кислоты HF, фтористого аммония и воды,, Следует отметить, что ширина эмиттерной области может и превосходить полную ширину взаимного перекрытия диффузионных слоев, так же как и быть меньше ее, в зависимости от определенного уровня выходной мощ ности, частного диапазона транзистора и сопротивления высокоомного коллекторного слоя с Так, для более высоковольтных мощных транзисторов целесообразным является большая ширина эмиттерной области, превосходящая ширину области перекрытия, а для низковольтных мощных Б.Ч. транзисторов ширина эмиттера того же уровня, что и область перекрытия. Далее во вскрытое окно диффузией фосфора из хлорокиси фосфора РОС формируют эмиттерную область 8. ЛифФузию фосфора в первом примере проводят при Т на глубину 6,5 мкм, а во втором при Т 960°С до 0,2 мкм. Затем следует вскрытие фотогравировкой контактных окон соответственно к внешней базовой области 5 и эмиттерной 8, нанесение металлизированного покрытия алюминия и вновь фотогравировкой локализации травлением металлизированных базовых 9 и эмиттерных 10 контактов Основной отличительной особенностью активной базовой области является то, что она плавно увеличивает свою ширину и глубину от середины к периферийной ее части и далее к внешней базовой области. Соответственно возрастает и степень примесного легирования с максимальным градиенdNтом направленным не нормально к поверхности вглубь подложки, как в способе-аналоге и прототипе, а в направлении разгонки бокового диффузионного фронта внешней базовой области, из которой и формируется активная базовая область. Величина зазора между локально легированными областями, равная 0,2-1,0 от максимальной толщины внешней базы, объясняется следующим. При зазоре менее 0,2 мл градиент dN„ ,:- примеси в активной базе, а глубины диффузии примеси в активной и внешней базе почти равны друг другу. При зазоре более 1,0 концентрация легирующей примеси в активной базе составит менее 5-10 , что приведет к проколу базовой области объемными зарядами эмиттерного и коллекторного переходов. Таким образом, при работе транзистора с большими плотностями тока (300 А/см2) оттеснение эмиттерного тока уменьшается вследствие перераспределенного омического сопротивления базы для поперечных сопротивляющих базового тока в монотонно расширяющейся активной базовой области. Основным фактором выравнивания токораспределения по ширине эмиттерной области является постепенное уменьшение сопротивления активной базовой области от середины к периферии. При переменной толщине базы, увеличивающейся к периферии, ее поперечное сечение увеличивается, а сопротивление слоя базы уменьшается, но не только благо аря геометрическому расширению, но и в результате гралиентного распределения примеси в поперечном направлении. Это способствует сдвигу линий эмиттерного тока к центральной части базы Кроме того, данный способ проще способа-прототипа, поскольку в нем исключена операция более низколегированной, чем для внешней базы, дозированной загонки примеси активной базовой области, замененная совмещенной с ней операцией формирования внешней базовой области.

Меньшая степень легирования средней масти активной базовой области повышает эффективность эмиттера и увеличивает усилительные свойства транзистора hj|g.

Применение данного способа для изготовления транзистора, аналогичного

КТ-805, в результате выравнивания токораспределения по ширине эмиттерной области позволяет увеличить уровень выходной мощности на 20, повысить область безопасной работы транзистора и улучшить усилительные свойства по токуо

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР, включающих локальное легирование подложки до получения поверхностной концентрации примеси противоположного подложке типа проводимости не менее IlO CM с последующим формированием внешней базы разгонкой примеси из легированных областей в подложку, создание активной базы и эмиттера, а также контактов в области структур, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрических параметров транзисторных структур и упрощение способа, локально легированные области формируют с зазором, составляющим 0,2-1,0 от максимальной толщины внешней базы, а активную базу создают разгонкой примеси из легированных областей до их смыкания о

-.

iX

Фиг.7

фиг. г

фиг.5