Способ изготовления интегральных схем Советский патент 1993 года по МПК H01L21/265 H01L21/02 

с&

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть.использовано при изготовлении аналоговых интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью к стационарному ионизирующему излучению. Цель изобретекия - уменьшение деградации электрических параметров анап гормх ИС при воздействии непрерывного ионизирующего излучения путем последовательного облучения радиационно-чувгтпнтельньгх элементов схемы (У -частицами и Г-квантами с последующим отжигом. Транзисторы раднационно-чупгтвитель- ных каскадов схемы выполняют составными, после формирования активных н пассивных элементов в изолированных монокристаллическчх карманах кремниевой подложки проводлт подгонку коэффициентов усиления составных транзисторов путем введения радиационных дефектов в область перехода эмиттер - база облучением оЈ -части10 (О цами флгоенсами 1 затем все )f-квантами флюенсами 5-10 и . „17 - 5-10 см ;-2 хЮ17смэлементы схемы облучают в.. 5 и отжигают при 180-220 С SS (Л в течение 60 мин. 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении аналоговых интегральных схем (ИС) ЧРСТНО- го применения с повышенной радиационной стойкостью к стационарному ионизирующему излучению.

Цель изобретения - увеличение радиационной стойкости интегральных схем за счет уменыпения деградаций электрических параметров.

На чертеже показана зависимость (| от температуры стабилизирующего отчига.

В предлагаемом способе транзисторы радиационно-чувствитетьных каскадов схемы выполняют составными, подгонку коэффициентов усиления составных транзисторов проводят путем введения радиационных дефектов в область пере-1 хода эмиттер-база облучением флюен,н

сами 1-10 ° - 5-10 частиц/гм , затем все элементы схемы облучают У-квантами флюенсами 5-Ю16- 5х дЮ|7кв/см2 и отжигают при .

О

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При эксплуатации аналоговых микросхем в полях радиации происходит не-| обратимое изменение их параметровj среди которых наиболее радиационно- чувствительными являются коэффициент усиления Кя и входной ток 1в)(. Кроме уменьшения К и возрастания lw в результате воздействия облучения происходит изменение смещения нуля, увеличивается .разность(входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам.

Радиационная стойкость операционных усилителей в первую очередь .определяется чувствительностью к облучения транзисторов, которые в схеме работают 0 активном режиме я обеспечивают высокий коэффициент усиления. Деградация коэффициента усиления транзисторов связана с образованием радиационных рекоибияацяоняых цент- рое в объеме кремния в приповерхностной области.

В предлагаемом способе повышение радиационной стойкости схемм к воз- действмо «оюимрушцге излучения достигается м счет введения в технологический провесе, опередив радиациоя- ао щрмцческой обработки Для этот го исеольвуется последовательное облучение транзисторов р&-частицами я

квантами, обеслечяваюадмн введение в структурн таквх радиационных дефектов, которые понижают чувствитель- ность яараметров к последующему воздействию овйученял при использовании в аппаратуре. Облучением f -квантами достигаете устранение быстрой компоненты деградация ), оврабрт ка Ы частицами вводят структуру объемные радяацновяые дефекты. Кроме того, использование Об--облучений необходимо для точной подгонки коэффициентов усиления транзисторов, используемых в дифференциальных каскадах схемы. В предлагаемом способе ОС-частицами облучались только тран- эисторы, обеспечивающие достижение заданного коэффициента усиления схемы, так как нет необходимости обрабатывать Ы -частицами пассивные элементы (диффузионные резисторы) или транзисторы, используемые в генераторе стабильного тока дифференциального

каскада.

Так как введение радиационных дефектов в активные области транзисторов приводит к уменьшению коэффициен

o

$

0

5

0

5

0

5

та уситения, необходимая величина усиления каскада достигается за счет использования составных транзисторов, , дйя которых коэффициент усиления дается выражением

ьв-ь«. ,(,)

где h j, и h g, - коэффициенты усиления первого и второго транзисторов соответственно.

Из выражения (1) видно, что h2t г100-400 каскада могут быть получены на транзисторах со значениями

ОА) h i,9 x 10-20.

В данном способе предлагается все транзисторы схемы после операций изготовлений контактов и межэлементных соединений и облучения 04 -частицами, обработать У -излучением финансами 5«10W- 5 10 т кв/см . Величина фгаоенсов выбрана экспериментально и соответствует насыщению . ионизационного изменения h л транзистора от флюенса облучения, при флюеисах выше 5-10 кл/см1 ухудшаются такие характеристики транзистора, как обратные токи р-п-перехода, шумовые характеристики, появляется более сильная зависимость параметров от температуры; Соответственно не обеспечиваются и эксплуатационные характеристики интегральной схемы, например, по входным токам.

Основные усилительные каскады операционного усилители выполнены по дифференциальной схеме. Транзисторы в дифференциальном каскаде должны иметь идентичные характеристики. После обработки У-квантами может появляться напряжение разбаланса, так как радиационные свойства оксидного покрытия могут несколько различаться и транзисторы могут иметь различные величины п« .

Подгонку параметров транзисторов в предлагаемом способе осуществляют путем облучение Ot -частицами от изотопного источника. Обнаружено, что после облучения частицами параметры транзисторов выравниваются. Это связано с тем, что фЈ-облучение вводит радиационные дефекты в объем базы более эффективно, чем в приповерхностную область, и изменение коэффициента усиления транзисторов определяется рекомбинационными процессами в области объемного заряда р-п-перехода эмиттер - база. После -облучения и стабилизирующей термо -| обработки величины h,.обоих транзисторов выравниваются, так как определяются заданной концентрацией радиационных дефектов, а не тех- нологическими разбросами концентра- Q ции неконтролируемых центров реком - бинации. Для точной подгонки используют флюенсы облучения 1-10 - 5-Ю частиц/см. При потоках выше 5-10 частиц/смг величина п2)дотдель-15 но ваятого транзистора уменьшается ниже 10 и ухудшаются такие параметры, как обратные токи р-п-перехода. При флюенсах ниже 1 10 частиц/см1 изменение величины Ьг( составляет менее 10%, что не позволяет достигнуть идентичности характеристик подгоняемых транзисторов. Кроме того, схема,в которой транзисторы имеют очень большие коэффициенты усиления, склонна к самовозбуждению из-за паразитных положительных обратных связей.

Для того, чтобы после 6«6-обработки не возрастали обратные токи коллекторного р-п-перехода, управление

taortLtuuiirku h . о ппситпд гяомпм пгтпоп 20

25

30

величиной h

2 Э

в предлагаемом способе осуществляют за счет изменения эффективности эмиттера и скорости ре jr комбинации неосновных носителей в базе транзистора. Для этого пробег -частиц и Si устанавливают равным глубине залегания эмиттерного р-п-перехода вертикального транзистора. 40 Введение радиационных дефектов в область объемного заряда эмиттерного перехода увеличивает рекомбинацион- ные потери носителей, следствием

чего является снижение hz, , кол

лекторный переход,р-п-переход и область коллектора практически не повреждается. Следствием этого является также повышение критического потока повреждения транзистора при ис- пользовании У-обработки, так как одной из причин выхода транзистора из строя является появление последовательного сопротивления из-за компенсации кремния радиационными дефектами в коллекторной области.

В предлагаемом способе стабилизирующий отжиг предлагается проводить при 180-220°С. Температура (220°С)

Q 15

20

25

30

jr 40

45

50

5

на верхнем пределе оппедспгня экспериментально и соответетяуст нячалУ стадии радиационных дефектов, которые ответственны за быегрую компоненту изменения Ьг, при ионизирующем излучении, температуры Ниже 180° С не обеспечивают стабилизации параметров схемы. Так как п ряде ёлу- чаев после изготовления кристаллов ИС их необходимо нагревать до 300- 350°С (например, при посадке кристаллов в корпус на эвтектику Au-Si или Приклейку полнимиднын л я кон) , в спо- собе возможна и такая последовательность операций: вначале быть проведена операция подгонки коэффициентов усиления облучением об-частица- ми, затем скранбировяние и посадка кристаллов в корпус, & после этого - радиационная обработка А1 -квантами и стабилизирующий параметры термический отжит. Времена стабилизирующего отжига совпадают с временами отжига по прототипу.

Способ, испытывался при изготовлении аналоговых биполярных интегральных схем (операционных усилителей). Промышленным аналогом этой схемы является операционный усилитель типа 140 УД 1. По сравнению с известной в предлагаемой схеме на составных транзисторах выполнен второй каскад усиления (который обеспечивает коэффициент усиления с 280-300 и выходной каскад. Первый каскад усиления (коэффициент усиления - 4-5j не является определяющим в деградации коэффициента усиления операционного усилителя. В то же время обнаружено, что радиационно-термическая обработка ti-частицами транзисторов входного ка- каскада существенно ухудшает входные токи усилителя.

Пример 1. В -матричном кристалле, в качестве которого использовался кремний с диэлектрической изоляцией

(марки КСДИ карманах из монокристаллического кремния стандартными методами окисления (на поверхности создают слой толщиной ,6 мкм), диффузии и разгонки примесей, Металлизации и вжигания контактов формируют биполярные транзисторы и диффузионные резисторы. Коэффициенты усиления транзистороп h ЈЈ обеспечиваются формирование ем фа-зоной области толлшпои 0,70,8 мкм и концентрацией легирующей примеси «2 -10 . Элементы соединяют проводящими дорожками согласно принципиальной схеме (см.чертеж),в которой радиационно-чувствительные транзисторы выполнены составными. Перед операцией селективной радиа- цнонно-термической обработки pt-частицами с Планерной стороны на пластины наносят слой фоторезиста толщиной Si 3 мкм, и методом фотолитографии вскрывают окна над эмиттерными областями составленных транзисторов. Затем пластины помещают в облучатель- ную установку с источниками вЈ -частиц на основе изотопа , уменьшают энергию оЈ-частиц путем использования лавсановой пленки и регулированием расстояния между поверхностью пластины и источника таким образом, чтобы максимум в распределении оЈ -частиц приходился на глубину залегания эмиттерного р-п-пере- хода ( 1,2 мкм от поверхности кремния), и проводят облучение флюенсом 1-10 бЈ-частиц/см . Затем пластины помечают в камеру изотопной установки MPX-JH25 И, где обрабатывают -квантами флюенсами 1 tO кв/см2. Далее стабилизируют параметры отжигом пластин при 200 С в течение 60 мин. После разделения пластин на кристаллы монтаж кристаллов в корпус производят путем приклеивания компаундом на основе эпоксидной смолы (ЭД-6).

Пр и м е р 2. Аналогично примеру 1, за исключением того, что флю енс облучения J-квантами устанавливают равным 5 -101 кв/см2.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1, за исключением того, что флюенс облучения у -квантами устанавливают равнин 5 10|Гкв/смг.

П р и м е р 4. Аналогично примеру 1, за исключением того, что облучени У -квантами проводят флюенсом 1 101° частиц/см5 .

П р и м е р 5. Аналогично примеру 1, за исключением того, что температуру стабилизирующего отжига уг га- навливают 220°С.

П р и м е р 6. Аналогично примеру 1, за исключением того, что iемпе- ратуру стабилизирующего отжига устанавливают 180°0.

671070Н

Пример 7. Аналогично примеру 1, за исключением того, что облучение С -частицами проводят флюенсом 5 частицУсм .

Изготовленные по предлагаемому способу схемы обладали такими же эксплуатационными параметрамиj как серийные (140 УД 1). Схемы, изготовЮ ленные с применением РТО, имели время установления выходного напряжения с 0, мкм и частоту единичного 1 усиления 1,1-1,2 МГц. Испытания на радиационную стойкость ИС прово15 лились на изотопной установке АРХ- Jf-25 М при интенсивности флюенса облучения 590 Р/с и температуре облучения 43°С. Контролировались следующие параметры ИС: коэффициент усиле20 ния по напряжению Кп; входной ток

25

30

35

смещения I.- разность входных токов входное напряжение смещения нуля 1fU(i потребляемый схемой ток 1 при номинальном напряжении питания.л

В качестве показателей, характеризующих стойкость изделий к непрерывному У -излучению, выбраны следующие: показатель допустимой стойкости - значение флюенса облучения («)« при котором значения параметров ИС не выходят зА допустимые по ТУ пределы (по К - за 30% изменение)) начальная скорость деградации коэффициента усиления

и „Кд (Л

К

1ИСХ . (Z)

0)

(Ф- Ф1)

где и К

фи) К

5

ИС

0

5

значения коэффициентов усиления схемы при флю- енсах Ф(0 и ф«(Ф|г

7ф(0);

значение коэффициента усиления схемы до облучения .

Из полученных, данных следует, что поставленная цель достигается при вариации параметров радиационно-терми ческой обработки внутри заявленных интервалов, приведенных в отличител ной части Аормулы изобретения. При этом обеспечивается повышение радиационной стойкости схем без ухудшения исходных параметров, связанных с про

чедением операции РТО. Наиболее оптимальными режимами РТО являлись: облучение оЈ -частицами флюенсами 5

to

10W 5-10м часгиц/см2 и -квантов 5-10й - 5-10 7кв/сы2 , ПРИ которых Ф превышало З Ю кв/смг (величину, которая достигнута на схемах, изготовленных на структурах КСДИ, по способу-прототипу).

При выходе возможных комбинаций параметров режимов РТО за пределы заявленного интервала (температуры стабилизирующей термообработки выше

Формула изобретения Способ изготовления интегральных

220 С) радиационная стойкость заявля- 15 схем, включающий формирование в нзоемой схемы не превышала стойкости схеМ| изготовленных по способу-прототипу с использованием только flЈ -РТО, но была значительно выше стойкости серийной схемы (140 УД 1) с такими 20 же исходными эксплуатационными харак-. теристнками. При температурах стабилизирующего отжига ниже 180°С обеспечивалась радиационная стойкость ИС однако при исследовании долгояремеи- 25 ной стабильности электрических параметров (100 ч при 125вС при приложении напряжения питания + 12,6 В) обнаружена деградация К h и 1 , что недопустимо по ТУ (см.чертеж,на 30 котором видно, что стадия отжига, определяющая стабильность характеристик при 125°С, находится при 150- 170°С).

лнровэнных монокрнсталлических карманах кремния транзисторов, диодов и пассивных элементов, соединение элементов проводящими дорожками в необходимой последовательности, подгонку электрических параметров транзисторов путем обнуления 06 -частицами выбранных участков схемы и тер мический отжиг, отличающнй- с я тем, что, С целью увеличения радиационной стойкости интегральных схем за счет уменьшения деградация электрических параметров, транзисторы каскадов схемы с большим коэффициентом усиления выполняют составными, подгонку параметров проводят путем введения радиационных дефектов в область перехода эмиттер-база облучением ОС -частицами Алюенсами (1 1010- 5 -10й ) см-, затем все элеПри использовании в технологическом процессе флюенсов облучения - -квантами выше 5-10 кв/см схемыf

гимели низкую ра/шацн нную ггойкпсгь по параметру I& .

Предлагаемый способ изготовления аналоговых ИС по сраинению г извест ными способами имеет следующие преимущества: рбеспечнвает повышение радиационной стойкости для заданных по ТУ значений исходных параметров; обеспечивает улучшение воспроизводимости параметров схем в партии.

Формула изобретения Способ изготовления интегральных

схем, включающий формирование в нзо

лнровэнных монокрнсталлических карманах кремния транзисторов, диодов и пассивных элементов, соединение элементов проводящими дорожками в необходимой последовательности, подгонку электрических параметров транзисторов путем обнуления 06 -частицами выбранных участков схемы и тер мический отжиг, отличающнй- с я тем, что, С целью увеличения радиационной стойкости интегральных схем за счет уменьшения деградация электрических параметров, транзисторы каскадов схемы с большим коэффициентом усиления выполняют составными, подгонку параметров проводят путем введения радиационных дефектов в область перехода эмиттер-база облучением ОС -частицами Алюенсами (1 1010- 5 -10й ) см-, затем все элементы схемы облучают у-квантами фпю- енсами (5 ) см 2, а отжиг проводят при 180-220°С.

от fff/f

(f - Uf --(fffff № -к,

С

1

1

JL

100 150 200 250 300 350 400 T°C

1

JL