Способ изготовления биполярных транзисторов Советский патент 1993 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии изготовления полупроводниковых приборов.

Цель изобретения - повышение радиационной стойкости кремниевых биполярных транзисторов, в процессе изготовления которых использованы операции радиаци- онно-термической обработки (РТО).

Для этого после изготовления активных -областей транзистора и создания контактов проводят РТО путем облучения различными видами радиации и отжига: облучают элект- оонами флюэнсами 1,1015-5,10 см2, отжи-. гают при 280-320°С, затем облучают ионами( водорода с пленарной стороны флюэнсами . 5,10 -1.1014 см2 с энергией 100-200 кэВ, отжигают при 340-400°С в течение 3-6 ч. В результате электронной обработки и пассивации водородом технологических структурных и радиационных дефектов в кремний и SlOz повышается радиационная стойкость, улучшаются электрические свойства

транзисторов и достигается минимальный их разброс по пластине.

Цель изобретения - повышение радиационной стойкости за счет релаксации механических напряжений на границах раздела и пассивации технологических и радиационных дефектов в кремнии и ЗЮг водородом.

Пример 1. Эпитаксиальные (р «4,5 Ом.см) кремниевые структуры п-типа, выращенные на сильно легированной (р 0,01 Ом.см) подложке, окисляют при 1150°С до получения на поверхности слоя маскирующего оксида кремния толщиной аО,7 мкм. Затем операциями фотолитографии и травления вскрывают окна в слое ЗЮ2, в которые проводят диффузию примесей бора и фосфора, формирующих вертикальный п- p-n-тиранзистор с глубиной залегания эмит- терного р-п-перехода « 1,0 мкм и толщиной активной ,7-0,8 мкм. Применяя стандартные фотолитографические процессы,

00

о

R

ел

о

удаляют защитные слои с непланарной поверхности пластин, проводят вскрытие контактных окон к базовой и змиттерной областям транзистора, наносят двухслойную металлизацию Ti-AI (толщиной 0,1 и 0,8 мкм соответственно), которую вжигают при 480°С в течение 20 мин в атмосфере аргона.

На следующей операции пластины с транзисторами подвергают радиационной обработке электронами флюэнсом -1016 с энергией 8 МэВ. Затем кассету с пластинами помещают в печь и выдерживают при Ti 300°С в течение 60 мин в атмосфере аргона. Долее пластины с пла- нарной стороны обрабатывают ионами водорода на установке ионно-лучевого легирования, устанавливая энергию пучка 150 кэВ, флюэнс легирования 1,10 см-. после операции ионного легирования пластины термообрабатываются при 380°С в течение 180 мин в атмосфере Ar+5% H2. На заключительных операциях производят разделение пластин на кристаллы, монтаж кристаллов в корпус и разварку выводов.

П р и м е р 2. То же, что в примере 1, за исключением того, что флюэнс ионов водорода устанавливают равным 5,10 см.

П р и м е р 3. То же, что в примере 1, за исключением того, что флюэнс ионов водорода устанавливают равным 1,10 см .

Пример 4. То же, что в примере 1, за исключением того, что температуру Тч устанавливают равной 28°С. .

Пример 5. То же, что в примере 1, за исключением того, что температуру Ti устанавливают равной 320°С.

Пример 6. То же, что в примере 1, за исключением того, что температуру Т2 устанавливают равной 340°С.

П р и м е р 7. То же, что в примере 1, за исключением того, что температуру Та устанавливают равной 400°С.

При проведении технологических операций изготовления транзисторов в активные области вводят неконтролируемые рекомбинационные центры и возникают ме- .ханичёские напряжения на границах раздела (Si-Si02 или SI02 - металл). Это является причиной разброса и плохой воспроизводимости параметров транзисторов по пластине. Кроме того, для таких приборов характерна низкая стойкость к ионизируемому облучению из-за образования рёком- бинационных центров на границе раздела Si-Si02. Путем радиационной обработки электронами и стабилизирующего отжига достигают повышения радиационной стойкости. Однако такая обработка сопровождается уменьшением коэффициента усиления по току на 40-60% от исходного значения и

увеличения напряжения насыщения икэ. Для транзисторов, обработанных электронами, характерны повышенные уровни ге- нерационно-рекомбинационных шумов. В предлагаемом способе повышение радиационной стойкости и улучшение электрических параметров кремниевых биполярных транзисторов достигается чередованием операции получения различными видами радиации и отжига. Облучение . электронами обеспечивает введение равномерно по объему транзисторной структуры рекомбинационных центров и релаксацию механических напряжений на границах

5 раздела. Флюэнсы облучения электронами (1,1015-5,101S ) выбирают с одной стороны из условия введения необходимой концентрации точечных радиационных дефектов (РД), повышающей концентрацию

0 неконтролируемых рекомбинационных центров, с другой стороны - ограничивают флю- энсы, при котором (с учетом отжига) концентрация РД в области-высокоомного коллектора меньше концентрации основной

5 легирующей смеси. После операции обработки структур быстрыми электронами проводят термообработку при 280-320°С в течение 0,5-1 ч. Интервал температур отжига определен экспериментально и соответ0 ствует стадии отрицательного отжига РД в Si, на которой происходит дополнительный переход РД в электрически активную форму.

После облучения ионами водорода на

5 операции термообработки ионы водорода диффундируют к РД, созданным электронным облучением и пзссивируют их. Так как при облучении электронами в превалирующих концентрациях выводятся дефекты ак0 цепторного типа (А,Е-центры, комплексы Cs-Cj, дивакансии), в процессе пассивации происходит электрическое взаимодействие между отрицательно заряжёнными РД и положительно заряженными атомами во5 дорода. В результате процесса комплексо- образования отрицательно заряженные центры теряют рекомбинационную активность. Атомы водорода пассивируют также разорванные радиацией связи в решетке на

0 границе Si-S/02, уменьшая плотность поверхностных состояний. Следствием этого является уменьшение механических напряжений на границе Si-Si02 и улучшение электрических параметров транзисторов. При

5 эксплуатации приборов е полях ионозирую- щих излучений атомы водорода в решетке S( снижают вероятность устойчивых радиационных дефектов за счет взаимодействия с первичными вакансиями, т.е. обеспечивается повышение радиационной стойкости.

Одновременно происходит пассивация водородом технологических и остаточных структурных дефектов, с которыми связан разброс параметров транзисторов по пластине.

Величину флюэнсов (5,1012-1,1014 ) ионов водорода выбирают исходя из концентрации РД после электронного облучения, которые необходимо пассировать. Так как в процессе последующей термообработ- ки(при 340-400°С)происходят потеря атомов водорода на образование нейтральных молекул (На), взаимодействие атомов и технологическими дефектами, диффузия водорода через границу раздела SI-SI02, необходимо обеспечивать концентрацию атомов водорода при ионной имплантации, в 10-100 раз превышающую концентрацию РД поле электронного облучения. Энергию ионов выбирают такой, чтобы проецирован- ный пробег превышал толщину пассивиру- ющего покрытия на поверхности кремния. Отжиг п осле имплантации обеспечивает разгонку атомов водорода, образование фиксированного заряда в оксиде кремния и релаксацию атомов на границе раздела SI- SiOa. В результате стабилизируются электрические параметры приборов.

Интервал температур отжига 340-380РС после ионной имплантации обеспечивает повышение радиационной стойкости транзисторов по параметру haia по сравнению с контрольными приборами. Так как при ионной имплантации в Si образуется РД такие же, как от тяжелых частиц (а - частиц, ней- тронов), повышается также стойкостью транзисторов к комбинированию облучения (ионизирующей радиации и тяжелым частицам). После отжига при 380-400°С обнаружено возрастание параметра Ьатэ выше исходных значений контрольных транзисторов и снижение 1эво и 1кво более чём на порядок.

Обнаружено, что дополнительным эффектом от разработанной операции РТО яв- ляется минимальный разброс параметра

П21Э по пластине, т.е. по предлагаемому способу возможно получать транзисторы с идентичными параметрами для дифференциальных каскадов усилителей.

Исследование долговременной стабильности электрических параметров (хранения в течение 500 при 125°С) изготовленных по предлагаемому способу образцов показало, что деградации электрических параметров и повышенного процента отказа по сравнению с транзисторами без РТО не обнаружено.

Предлагаемый способ изготовления биполярных транзисторов по сравнению с известными способами обеспечивает следующие преимущества: улучшение электрических характеристик приборов, подвергнутых РТО для повышения стойкости к ионизирующему излучению: повышение воспроизводимости параметров и минимальный разброс в значениях параметра П21Э по пластине.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ изготовления биполярных транзисторов, включающий направление эпитак- сиального слоя кремния на монокристаллическую подложку, создание на поверхности маскирующего слоя, фотолитографию и вскрытие окон в маскирующем слое, формирование базовой и эмиттерной области путем диффузии акцепторных и донорных примесей, создание контактов, радиацион- но-термическую обработку путем облучения электронами и стабилизирующего отжига, отличающийся тем, что, с целью повышения радиационной стойкости за счет пассивации дефектов, облучение проводят флюэнсами 1015-5-1016 см2, а отжиг проводят при температуре 280-320°С в течение (0,5-1) ч, после этого проводят имплантацию в пленарную сторону структуры ионов водорода флюэнсами (5-10 -101 с энергией (100-200) кэВ и постимплантаци- онный отжиг при температуре (340-400)°С в течение (З-б) ч.

Изобретение относится к микроэлектро нике и может быть использовано при изготовлении транзисторов в изделиях, эксплуатируемых в условиях воздействия радиации. Сущность: готовые структуры биполярных транзисторов облучают электронами флю- энсом (10 5-5,1016)см.2, затем проводят отжиг при 280-320°С в течение 0,5-1 ч, после этого проводят в Планерную сторону структуры имплантацию ионов водорода флюэнсами (5,1012-1014) с энергией 100-200 кэВ и постимплантационный обжиг при 300- 400°С в течение 3-6 ч.