Способ изготовления ВЧ транзисторных структур Советский патент 1993 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов, в частности при изготовлении дискретных и интегральных транзисторов.

В последние годы все большее распространение получает использование радиационных процессов, таких как протонное, электронное, нейтронное и т.д.

В известном способе изготовления полупроводниковых приборов снижения времени жизни неосновных носителей заряда и улучшение характеристик прибора в импульсном режиме достигается их обработкой нейтронами высокой энергии, 1-1ейтроны, внедряясь в решетку, сдвигают атомы кремния из положения равновесия, в результате чего образуется область с разупорядоченной структурой. В запрещенной зоне полупроводника появляется ряд глубоких энергетических уровней, являюа1ихся центрами захвата носителей.

Эффект снижения времени жизни неосновных носителей заряда сопровождается изменением электрических характеристик приборов.

Недостатком способа является то, что при облучении нейтронами происходит разупорядочение структуры решетки на очень большую глубину и из-за их высокой проникающей способности.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления ВЧ транзисторных структур, включающий операции формирования в полупроводниковой подложке базовой области с маскирующим ее покрытием, вскрытие окон и формирование в них эмиттеров и металлизации вскрытых контактных областей.

Способ включает следующие операции создания транзисторной структуры: термическое окисление полупроводниковой подложки-пластины кремния, вскрытие фотолитографией окон для создания базовых областей, диффузию базовой примеси и одновременное подкисление кремния, вскрытие фотолитографией окон и формирование в них эмиттеров, вновь вскрытие фотолитографией контактных окон и осуществление их металлизации и металлизированной разводки. Сформированные транзисторные структуры, также как и другие элементы схемы, расгюложенные на одной полупроводниковой пластине подвергают облучению электродами с оптимальной энергией 0,7-1 МэВ с последующим стабилизирующим отжигом при .

Heдocтatкoм способа, во-первых, является усложненность технологического оборудования облучения - линейного ускорителя электронов, ограниченность температурного интервала отжига - 300°С, выходя за пределы которого изменяются основные параметры транзисторных структур, А поскольку сборочные операции полупроводникового прибора: напайка кристалла,

термокомпрессия контактов и т.д, осуществляются при температурах более 300°С, то эффективность способа оказывается незначительной. Во-вторых, воздействие электронов

сказывается и на глубоких слоях полупроводниковых структур, т.е. на базовых областях, теле коллектора и т.д. В результате способ не может решить поставленной задачи, связанной с повышением пробивного

напряжения коллектор-эмиттерного перехода при тонких базовых областях.

Целью изобретения является увеличение пробивного напряжения коллекторэмиттерного перехода.

Цель достигается тем, что в область сформированных эмиттеров осуществляют имплантацию ионов противоположного типа проводимости по отношению к примеси эмиттера. В качестве эмиттерной примеси

используют фосфор, а примеси, имплантированной в область эмиттера - бор.

На фиг. 1 показана полупроводниковая подложка 1 с маскирующим ее покрытием 2, вскрытым фотолитографией окном 3, через

которое сформирована диффузионная базовая область 4, покрытая в свою очередь маскирующим ее слоем 5; на фиг. 2 показано вскрытое фотолитографией в маскирующем слое 5 окно б, через которое в базовой области 4 сформирована эмиттерная область 7, покрытая также маскирующим слоем 8; на фиг. 3 - вскрытые фотолитографией контактные окна 9 и 10 соответственно к эмиттерной 7 и базовой 4 областям с металлизацией

11 и 12.

Поток 13 ионов бора в промежутке между эмиттерной металлизацией 11 и маскирующим слоем 5, проникает через более тонкий маскирующий слой 8, формирует область 14 с разупорядоченной ионами бора кристаллической решеткой 8 эмиттерной области 7.

Ниже приводится пример конкретного применения способа. Полупроводниковую

подложку эпитаксиального кремния п-типа проводимости сопротивлением 4,0 Ом -см осажденную на высоколегированную основу того же типа проводимости сопротивлением 0,001 Ом;см, подвергают

термическому окислению при 1200°С в течение 3 ч ведения процесса в комбинированной среде сухого и увлажненного кислорода, выращивают маскирующий слой 2 двуокиси кремния - SlOz. В результате получают пленку толщиной 0,6 мк достаточной для маскирования подложки 1 от всех последующих диффузий. Одновременно пленка является пассивирующим покрытием для коллекторно-базового р-пперехода.

В покрытии 2 фотолитографией вытравливают окно 3, через которое в две стадии формируют базовую область 4. Ионным легированием или общепринятой термичеОКОЙ диффузией из ВаОз при 940°С в течение 35 мин в нейтральной среде аргона создается источник диффузионного легирования. Поверхностное сопротивление

диффузионного слоя составляет 50-70 - .

Во время второй стадии диффузии при 1150°С втечение 120 мин ведения процесса в комбинированной среде сухого и увлажненного кислорода диффузионную базовую область 4 разгоняют до глубины 3 мк с поверхностным сопротивлением 150 -pj- .В

процессе диффузии в окислительной среде вырастает маскирующий слой 5.

Толщина пленки должна быть достаточной для маскирования полупроводниковой подложки 1 от всех последующих воздействий имплантацией ионами бора или термической эмиттерной диффузии. Полученная величина 0,5 мк (и не менее) отвечает необходимым требованиям. Далее фотолитографией в маскирующем слое 5 вскрывают окно 6, через которое формируют эмиттерную область 7,

Диффузию эмиттерной примеси фосфор.а осуществляют из хлорокиси фосфора РОС) илитреххлористого фосфора PCI. Диффузию ведут в две стадии. На первой стадии осуществляют загонку примеси методом открытой трубы при 1050°С в атмосфере аргона с добавлением кислорода в течение 15 мин с подачей диффузанта и пятиминутным его вытеснением. В результате получают диффузионный слой глубиной 1Л мк с

поверхностным сопротивлением 3 .

Вторую стадию диффузии проводят для окончательного формирования змиттерной области с тем, что б.азовая область составляет 0,6-0,8 мк. Диффузию ведут при в кислородной среде. Вырастающий слой фосфорносиликатного стекла 8 толщиной 0,2 мк не должен в отличие от предыдущих покрытий превышать величины 0.4 мк. достаточной для маскирования при имплантации ионов бора в змиттерную область.

К сформированным эмиттерной 7 и базовой 4 областям фотолитографией вскрывают контактные окна 9 и 10 и осуществляют их металлизацию, например вакуумно напыленным алюминием толщиной 1-1,5 мк. Фотогравировку по алюминию осуществляют таким образом, что металлизированный контакт 11 эмиттерной области 7 не доходит до контура перехода эмиттер-база, т.е. остается промежуток фосфорносиликатного стекла 8, не покрытый металлом. Металлизация 12 базовой контактной площадки также не должна распространяться на эмиттерную область.

С целью снижения переходного сопротивления контакта металлополупроводник алюминий вжигают при 500 550°С в течение 15 мин в среде азота.

Замеры электрических параметров транзисторных структур на пластине, в частности коэффициента усиления haiE и пробивного напряжения коллектор-эмиттерного переходов UcEo при общих требованиях к высокой предельной частоте усиления транзистора Мгц показывают трудно достижимый компромисс. Тонкая базовая область 0,6 мк обеспечивает частотные свойства, но при этом трудно сохранить высокий уровень /в/ при кОм.

Этому же соответствует и сверх необходимого высокий коэффициент усиления в режимах ,0./в/ /та/. Более тонкие базовые области (0,20,5) мк для транзисторов СВЧ диапазона, еще более усложняют решение вопроса.

С целью повышения пробивного напря.жения коллектор-эмиттерного перехода пластины кремния с заложенными в них транзисторными структурами подвергают воздействию потоком 13 ионов бора - В на типовой уста-новке ионно1о легирования типа Везувий. Режим обработки: энергия Е 80-150 кЭв и доза см . Энергия ионов определяет их проникающую способность через маскирующее покрытие 8 в эмиттерную область 7, а доза количество внедренных ионов, их концентрацию. В результате в промежутке между эмиттерной металлизацией 11 и маскирующим слоем - 5 В.

В области эмиттера 7 получают участок 14 с внедремными ионами бора и разупорядоченней кристаллической решеткой.

Измерения электрических параметров UCE и haiG транзисторных структур до и поеле ионнного воздействия показывают их изменения. Так, haiE уменьшается с 200 до 70, UcEo возрастает с 40 В до 80 В. С тем, чтобы последующие температурные воздействия не изменили необходимого соотношения указанных параметров, проводят стабилизирующий отжиг при температуре (в течение 15 мин) 550°С, который определяет окончательное их соответствие. Дальнейший нагрев на кристаллы транзисторной структуры при сборочных операциях или в условиях эксплуатации не должен превышать значения температуры отжига. Это обстоятельство гарантирует стабильные конечные значения параметров. Достижение аналогичного результата возможно проведением операции ионного легирования бора в отдельно вскрытое контактное окно к эмиттеру. В этом случае нет необходимости ограничивать расширенное формирование эмиттерной металлизации. При этом допускается пересечение металлизацией выходящего к поверхности эмиттер-базового перехода. Это дает возможность использовать способ в интегральных микросхемах с пересекающей элементы транзисторной структуры Металлизацией. Определяющим фактором положительного эффекта является то, что ионы бора, сталкиваясь с атомами фосфора в кристаллической решетке эмиттерной об ласти, выбивают их из узлов, снижая их электрическую активность. Выбитые атомы в свою очередь смещают другие атомы, в результате чего образуется разупорядочен ная область. Помимо этого, ввиду того, что бор является примесью противоположной проводимости по отношению к фосфору, в кремнии присутствует частичная компенсирующая нейтрализация этой примеси. Формул а и 3об ретения 1, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЧ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР, включаю щий операции формирования в полупро водниковой подложке базовой области с маскирующим ее покрытием, вскрытие окон и формирование в них эмиттеров, с последующей металлизацией вскрытых контактных областей, отличающийся тем Отжиг же используемых дефектов и размещение ионов бора в узлах кристаллической решетки наблюдается при температурах более 600°С. При таких температурах воздействий ни в процессе сборочных операций, ни тем более в условиях эксплуатации кристаллы транзисторных структур не испытывают. Коэффициент усиления такого транзистора в режиме прямого включения уменьшается из-за снижения коэффициента Инжекции эмиттерного п-р перехода, ослабленного менее эффективной, работой эмиттарной области. Однако, при этом соответственно увеличивается необходимое пробивное напряжение коллекторэмиттерного переходов без увеличения рекомбинационной составляющей базового тока формируемого в базе и без возрастания параметров насыщения UCE sat и UIBE sat. Возрастания указанной составляющей IE, UCE sat. UBE sat связано в основном с процессами рекомбинации и повышенного сопротивления протекающим токам в базовой и коллекторной областях. Разупорядоченная область в эмиттере не ведет к возрастанию сопротивления приконтактной области, степень легирования этого участка предельная и составляет 1-10 ат/см. Таким образом, транзисторные структуры полученные указанным способом, обеспечивают более высокий уровень пробивного напряжения коллектор-эмиттерного переходов с тонкой базовой областью, оставив при этом неизменными характеристики UCE sat, UBE sat. (56) 1. Дж. Мейер. Ионное легирование полупроводников. М.: Мир, 1973, с. 138-142, 2; Греськов И,М. и др. Влияние облучения электронами на характеристики интегральных схем. Ж. Электронная промышленность, № 9.1978, с. 49-50. что, с целью увеличения пробивного напряжения коллектор-эмИттерного перехода, в область сформированных эмиттеров осуществляют имплантацию ионов противоположного типа проводимости по отношению к примеси эмиттера. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве змиттерной примеси испольэуют фосфор, а в качестве примеси, Имплантированной в область эмиттера, бор.

J/

.//

/

J

/

Л

./

1 J

W

7 f

I ; /r

/

10