Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния и тенденции развития сверхскоростных транзисторных структур и ИС на их основе 18
1.1 Тенденции развития биполярных технологий 18
1.2 Основные приемы самоформирования. Параметры структур... 19
1.3 Боковая диэлектрическая изоляция - как способ точной локализации элементов 21
1.4 Поликристаллический и аморфный кремний - как многофункциональные материалы и элементы самоформирования 24
1.5 Сверхинтегрированные биполярные и полевые транзисторные структуры 25
1.6 Методы изменения конфигурации структур по рисунку базовых областей 27
1.7 Методы изменения конфигурации структур по рисунку меза коллекторных областей 28
1.8 Методы изменения конфигурации структур по рисунку изолирующих областей 29
1.9 Оптимизация параметров структур и перспективы их развития 30
1.10 Выводы 31
2 Методы самосовмещения и самоформирования, их применение 32
2.1 Метод создания самосовмещенной резистивной маски 33
2.1.1 Практические способы создания самосовмещенной 33 резистивной маски
2.2 Самосовмещенные локальные маски, самоформируемые на боковых стенках опорного элемента 34
2.2.1 Метод создания локальной вертикальной маски спейсерного типа с характерным скругленным краем 34
2.2.2 Метод создания локальной наклонной маски спейсерного типа с характерным скругленным краем 35
2.3 Методы создания боковой диэлектрической изоляции 36
2.3.1 Метод создания самосовмещенных мелких областей изоляции горизонтального типа (ГИО) 36
2.3.2 Методы создания областей боковой диэлектрической изоляции сверхтонких и ультратонких эмиттерных 39 переходов (БДИЭ)
2.4 Сравнение биполярных структур, формируемых относительно различных опорных контуров самосовмещения 39
2.4.1 Структуры, формируемые относительно эмиттерных областей 39
2.4.2 Структуры, формируемые относительно базовых областей 40
2.4.3 Структуры, формируемые относительно коллекторных областей 42
2.4.4 Структуры, формируемые относительно изолирующих областей 43
2.5 Методики контроля параметров трехмерных элементов. Контроль полноты вскрытия субмикронных окон 44
2.6 Конструкция и топология реализуемой структуры 45
2.7 Выводы 47
3 Математическое моделирование высокочастотного широкополосного усилителя с активными и пассивными СВЧ элементами с учетом паразитных влияний выводов 49
3.1 Выбор схемы широкополосного усилителя 49
3.2 Расчет параметров модели транзистора, приближенной к реальной 52
3.3 Результаты расчетов широкополосного усилителя 57
3.4 Фактор шума 62
3.5 Выводы 68
4 Конструктивно-технологический базис микросхемы высокочастотного широкополосного усилителя 70
4.1 Конструктивные особенности разработанного базиса 70
4.2 Технологический маршрут изготовления микросхемы 75
4.3 Рисунки к технологическому маршруту 84
4.4 Выводы 94
Экспериментальные исследования критичных мест в конструкции СВЧ транзисторных структур и технологии их изготовления 97
5.1 Исследования распределений концентраций примесей в биполярных СВЧ транзисторных структурах 97
5.2 Диффузионные коллекторные области 104
5.3 Глубокий низкоомный коллекторный контакт; нижняя обкладка конденсатора 105
5.4 Выбор технологических режимов формирования резисторов на основе пленок поликристаллического кремния 106
5.5 Формирование противоинверсионных областей под основной горизонтальной областью изоляции 108
5.6 Формирование глубоких и узких изолирующих областей щелевого типа и противоинверсионных р - слоев на донных участках этих щелей 110
5.7 Исследование критичных мест в конструкции и технологии формирования СВЧ транзисторных структур с точно локализованными элементами 113
5.7.1 Метод создания самосовмещенной резистивной маски 113
5.7.2 Псевдоэмиттерные области и области боковой диэлектрической изоляции эмиттерных переходов 115
5.7.3 Горизонтальные изолирующие области 119
5.7.4 Области контактной пассивнй базы (КПБ) на основе поликремния 122
5.8 Выводы 125
6 Конструктивно-топологический базис изготовления схемы СВЧ широкополосного усилителя 130
6.1 Конструктивно-технологические ограничения на разработку кристалла микросхемы радиочастотного диапазона широкополосного усилителя (ШУ) с малым уровнем шумов... 130
6.1.1 Общие положения 130
6.1.2 Эскизный технологический маршрут 130
6.1.3 Параметры физической структуры 134
6.1.4 Технологические ограничения на топологическое проектирование 135
6.1.4.1 Ограничения используемого фотолитографического оборудования 135
6.1.4.2 Минимальные размеры областей, зазоры и перекрытия 135
6.1.5 Состав тестового кристалла микросхемы СВЧ ШУ... 146
6.1.6 Перечень технологических слоев 150
6.2 Выводы 157
Заключение 158
Список использованных источников 162
- Боковая диэлектрическая изоляция - как способ точной локализации элементов
- Самосовмещенные локальные маски, самоформируемые на боковых стенках опорного элемента
- Расчет параметров модели транзистора, приближенной к реальной
- Технологический маршрут изготовления микросхемы
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ В последние годы наблюдается заметный рост новых технологий микроэлектроники и увеличение рынка продаж интегральных схем радиочастотного и микроволнового диапазона для создания глобальной информационной системы XXI века. На базе беспроводной техники выполняются практически все информационные сети, как коммерческие (типа'Тлобальная решетка" - Global Grade), так и военные (типа "Театр тактических действий" - Tactical Theater). Кроме того (см. Гл.1), дальнейшее развитие сверхпроизводительных и сверхбыстродействующих супер-ЭВМ, новых мини-супер-ЭВМ, бортовых вычислительных устройств, сверхбыстродействующих оптоэлектронных телекоммуникационных систем и систем спутниковой связи требует разработки нового поколения сверхскоростных ИС, БИС, СБИС и УБИС на базе транзисторных структур (ТС) с субмикронными размерами. Новая элементная база может быть реализована с применением новых методов самосовмещения (МСС) и методов самоформирования (МСФ) при минимальном числе критичных процессов литографии. Эти методы позволят изготавливать самоформируемые транзисторные структуры (СТС) с субмикронными размерами элементов. Создание ряда радиочастотных схем для навигационных систем связи с улучшенными характеристиками по линейности, потребляемой мощности и уровню шумов требует разработки дешевых биполярных СТС на кремнии с граничной частотой fT и максимальной частотой генерации fmax в диапазоне 15-50 ГГц.
В докторских диссертациях Янушониса С.С., Луканова Н.М., Саурова А.Н. рассматривались вопросы, связанные с применением различных методов самосовмещения и самоформирования к быстродействующим транзисторам. Однако, в этих работах не были рассмотрены проблемы, связанные с самоформированием СВЧ биполярных транзисторных структур полоскового типа с предельно узкой пассивной областью базы для резкого уменьшения паразитной емкости перехода коллектор-база, а также не рассмотрены вопросы, связанные со сведением к минимуму паразитных эффектов, возникающих при использовании реактивно-
ионного травления и вопросы, связанные с устранением узких (критичных) мест в конструкции и технологии изготовления таких СВЧ структур.
Таким образом, актуальной является проблема по созданию нового конструктивно-технологического базиса, основанного на комплексном применении специальных методов точной локализации субмикронных элементов и способов их самоформирования, который позволит существенно минимизировать размеры элементов СТС и улучшить их характеристические параметры. При этом разработанный базис должен в определенной степени быть пригодным в перспективе и для формирования СТС при использовании новых материалов SiGe, GaAs и InP, которые необходимы для достижения fT и fmax в диапазоне 100 - 500 ГГц.
ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является создание и исследование конструктивно-технологического базиса для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ЗАДАЧИ:
Боковая диэлектрическая изоляция - как способ точной локализации элементов
Точная локализация целого ряда конструктивных элементов СТС достигается для определенной группы структур путем проведения ряда селективных и самосогласованных технологических процессов, приводящих к реализации необходимой конфигурации элементов относительно выбираемого ОРС, исходно задаваемого начальными границами ОКС [4]. Начальная неоднородность на поверхности структуры, создаваемая в виде выступа или углубления (окна), соответствует исходному ОКС для определенно выбранной области структуры.
В таблицах 1.1, 1.2 даны основные характеристические параметры наиболее быстродействующих и серийноспособных биполярных и Би-КМОП СТС. Параметры, характеризующие добротность СТС, существенно зависят от исходно выбранной ширины h, и длины 1э эмиттерной области, глубин залегания переходов эмиттер-база хэ и коллектор-база хк, определяющих металлургическую ширину Wa6 = хк - хэ активной области базы и результирующих распределений концентрации легирующих примесей, образующих собственно физическую структуру транзистора. Существенное влияние на величины паразитных емкостей р-n переходов эмиттер-база Сэ, коллектор-база Ск и подложка-коллектор Сп оказывают ширина hi пассивных (наружных) областей базы, ширина Ьг областей боковой диэлектрической изоляции эмиттерных переходов, толщина d3n эпитаксиальной пленки и ее удельное сопротивление рюп, а также выбранный тип конструкции структуры. Для конкретной топологии и выбранной физической структуры биполярного транзистора на величины t3, потребляемой мощности логического вентиля Р и его энергетической добротности t3 Р, а также на размах логического сигнала ил оказывают коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общим эмиттером Ьгь и плотость рабочего тока эмиттера j3. Таблица 1.1 - Параметры биполярных транзисторных структур
Эпипланарная конструкция областей изоляции [1] в последние годы вновь заявила о себе, о перспективном методе. Границы пленки Si02n, используемой для создания исходных областей изоляции, задают основной ОРС, определяющий положение контактных коллекторных, самих коллекторных, а также базовых областей. Самоформирование локальных областей /0), достигается путем селективного эпитаксиального роста на участках Si, где был удален SiC n Би-КМОП структуры BEST-2 (fr=23 ГГц), реализованные по этому процессу, рис. 1.1, имеют неперекрывающиеся пассивные (наружные) эмиттерные и базовые области из Si , разделенные узкими спейсерными областями боковой диэлектрической изоляции [17].
Локальная эпитаксия служит для создания сверхинтегрированных СТС [18]. Для субмикронных СТС применяют улучшенные варианты изопланарной изоляции с дополнительными маскирующими спейсерными слоями SisN4 и буферными слоями Si. Щелевая конструкция с резким профилем приграничных областей в структурах SPOTEC (fr= 30 ГГц) [19], рис. 1.2, нашла применение и в новейших типах СТС [10]. Она включает тонкие маскирующие пленки ЗіОгти SisN4 по периметру щелей, которые заполняются нелегированным Si.
Комбинированная изоляция обеспечивает уменьшение паразитных емкостей между элементами за счет заполнения щелей и мелких канавок Si02n с малыми значениями внутренних механических напряжений, что снижает токи утечки переходов. Структура SST, рис. 1.3, имеет Гг=23ГГц и обеспечивает t3=20nc за счет оптимизации всей совокупности параметров [20].
В структурах PRET, рис. 1.4, использовалась комбинированная изоляция, но области пассивной базы ограничивались мелкими изолирующими канавками [21]. Планаризация рельефа обеспечивалась химико-механической полировкой (ХМП). Ск была доведена до очень малой величины 1фФ. На 50% уменьшена и емкость С„. Комбинированная изоляции с боро-фосфорно-силикатного стекла (БФСС) нашла широкое применение при создании биполярных СТС [15].
Поликристаллический кремний и аморфный кремний в качестве источника легирующих примесей эффективно были использованы также в структурах SST [20] при самоформировании сверхтонкой структуры путем одновременной диффузии В и As из пленки Si . Последнее позволило формировать СТС с Wa6=0,l мкм даже при слабом уровне легирования 2х1016/см3 области коллектора, что привело к существенному уменьшению Ск. Диффузия фосфора из аморфного кремния (a-Si) в структурах SMI, как указывалось вьппе в работах [10, 15], позволила получить рекордно высокие значения не только fr, но и П2ь за счет оптимизации распределений концентрации легирующих примесей и устранения матричной пленки квазиокисного слоя на границе (p-Si) - (a-Si) и эффективного управления параметрами этой границы раздела. Численное и аналитическое моделирование процессов диффузии легирующих примесей с учетом различных эффектов сильного легирования дано в работах [22-24].
Поликремний в качестве непроникающего омического контакта решает одну эту проблему, но одновременно ставит другие, более сложные, связанные с получением малого переходного сопротивления на границе Si-Si« и обеспечением высокой надежности ультратонких структур. Трудности возникают вследствие наличия упомянутого выше тонкого матричного слоя SiOx переменного состава, термически и химически не стабильного и плохо воспризводимого по толщине. Эти задачи имеют принципиальный характер и остаются в центре внимания и сегодня.
Поликремний в качестве элемента самосовмещения и самоформирования ярко продемонстрировал эту свою возможность в СТС PRET [21]. Узкие активные эмиттерные области толщиной 0,2 мкм создаются путем диффузии As из второй спейсерной локальной пленки Si, самоформируемой на торцевых участках первой пленки Si, легированной ионами As+, и изолированной от подложки пленкой SiC«2T- В этом случае границы первой пленки Si используются в качестве ОРС. Спейсерные области изоляции создаются путем конформного осаждения пленки SiC n, применяя затем РИТ для трансформации этой пленки в локальные и вертикальные области боковой диэлектрической изоляции сверхтонких переходов. Структуры имеют fr=14 ГГц при 1к=80 мкА.
Исследование процессов самоформирования структур с точно локализованными торцевыми контактами шириной 0,3-0,4 мкм на основе Si, использованного для заполнения горизонтальных щелей и создания локального источника легирующей примеси, проведено в работе [25]. Поликремний и аморфный кремний в качестве эмиттерных, базовых и коллекторных электродных областей, обкладок конденсаторов и резистивных элементов в настоящее время широко используется при создании структур различной степени сложности, особенно, ИС радиочастотного диапазона [11] и ИС с цифро-аналоговой обработкой сигналов [26]. Исследование критичных узлов при создании СТС на основе тонких пленок Si, легированных ионами В+, As+ и Р+, приведено в работе [27].
Самосовмещенные локальные маски, самоформируемые на боковых стенках опорного элемента
С целью получения точно локализованных и предельно узких областей пассивной базы, а так же для надежной изоляции поликремниевых контактных базовых наружных областей использовались горизонтальные изолирующие области (ГИО) на основе пленки пиролитического окисла Si02n толщиной 0,2 - 0,25 мкм, рис 2.7. Для достижения этой цели использовался новый способ самоформирования точно локализованных базовых узких контактных окон, описанный подробно в гл. 5.7. Для биполярных ВИТС токи утечки переходов эмиттер-база связаны с выбранным способом создания активных областей базы, эмиттера и, особенно критично, областей БДИЭ. В ряде случаев активные области базы удобнее и технологичнее формировать на начальном этапе до создания БДИЭ, например, легированием ионами бора через тонкий (30-50 нм) демпфирующий слой Si02T, который затем удаляется. Создание этих областей подробнее рассмотрено в гл. 5.7.2. контуров самосовмещения
Такие ВИТС имеют пассивные области эмиттера из поликремния (Si !) на исходном n -Si (рис.2.8). В этом варианте СТС с непристеночным эмиттером вначале создается активная область р" - базы в структурно совершенном исходном кремнии, а затем пассивная область эмиттера из поликремния, в которой достигается ионным легированием равномерное распределение примеси (Р) по ширине и длине эмиттера.
Это задает и равномерное распределение плотности тока по периметру эмиттера при независимом задании параметров р-соединительных, р -пассивных и р -активых областей базы. Последние могут создаваться как до осаждения Si ь так и после. Введение слоя Si з, легированного ионами В (доза 1000 мкКл/см ), и ГИО, созданных при ускоренном термическом окислении Si, позволило резко уменьшить паразитный ток базы при применении узких (h2=0,3-0,15 мкм) областей БДИЭ, при hi= 0,35-0,2 мкм. Наиболее критичным в этой конструкции является узел самоформирования предельно узкой псевдо-литографической маски (ПЛМ) с вертикальными стенками, для реализации которой требуется дополнительный утолщенный слой Si, изолированного от Si 2 тонким слоем Si02T (слои не показаны Щ на рис.2.8). Расчетное значение граничной частоты для таких ТС составляет 51 ГГц при ширине эмиттера 0,1 мкм, и ширине активной области базы 0,08 мкм. Это связано с тем, что при формировании ГИО с помощью термического окисления имеет место перераспределение легирующих примесей, приводящее к увеличению ширины активной области базы, что приводит к снижению граничной частоты. Для дальнейшего уменьшения ширины активной области базы в ТС этого типа ГИО необходимо формировать на основе низкотемпературного пиролитического Si02n что требует разработки новых процессов изоляции, аналогичных тем, которые применяются при создании СТС, приведенных на рис.2.10. ВИТС этого типа (рис.2.9) имеют точно локализованные и горизонтально расположенные предельно узкие (0,2 - 0,4 мкм) р+ - пассивные области базы, отно-сительно которых также точно локализуются области БДИЭ и эмиттерные предельно узкие области. Структуры создаются на исходном эпитаксиальном Si и первоначально используют пленки термического Si02T, Si3N4 и два слоя Si, причем первый из них сильно легируется бором. ОРС-Б получается при анизотропном реактивно-ионном вытравливании (РИТ) углублений в Si i и Si 2 до вскрытия слоя Si3N4- Химическое дотравливание слоя Si3N4, а затем - Si02T приводит к бездефектному формированию базовых h6 - опорных окон, относительно которых затем создаются пассивные области базы на основе Si 3(В), соединительные области р-базы, области БДИЭ, пассивные и активные эмиттерные области. В этом типе СТС Ф существуют специфические проблемы, связанные с получением вертикально или наклонно расположенных узких пассивных областей базы, а также проблемы, общие для структур 2 и 3 типов, связанные с обеспечением равномерного распределения легирующей примеси по ширине узкого эмиттера и воспроизводимым формированием активных областей базы и ультратонких эмиттерных переходов в приповерхностной зоне Si, подвергнутой воздействию ионов в процессе РИТ после формирования узких областей БДИЭ. Особенности формирования резистивных масок и областей БДИЭ с наклонными стенками для реализации таких структур приведены выше. Разработанный процесс может быть адаптирован для создания ф СВЧ СТС с пассивными контактными областями базы торцевого типа, аналогично используемых в зарубежных структурах типа SST -1 Л; 1В; 1С. " ВИТС этого типа (рис.2.10), являющиеся улучшенной модификацией СТС, приведенных на рис.2.8, имеют временные псевдо - эмиттерные области, создаваемые на исходном Si, которые задают (путем РИТ) также и коллекторные области. Такие СТС являются наиболее быстродействующими, так как имеют минимальные значения паразитных емкостей, а все области создаются при относительно низких температурах, не приводящих к перераспределению легирующих примесей. Однако при их реализации требуются новые процессы РИТ и диэлектрической изоляции. ОРС-К создается на основе системы Si02T+Si3N4+Si02n относительно границ которого производят формирование соединительных, пассивных и активных v , областей базы, а затем пассивных и активных областей эмиттера на заключительных стадиях создания СТС. Пассивные предельно низкоомные области р+-базы могут создаваться также и путем диффузии В в Si из газовой фазы, используя в качестве источника диффузанта пластины BN. Формирование узких (Ііі=0,2-0,35мкм) вертикальных окон к базе обеспечивалось путем импульсного контроля начала и конца травления (по величине тока прохождения) в электро-химической ячейке при вытравливании Si02n с меза областей. Расчетное значение граничной частоты для этих СТС может быть до 74 ГГц при пэ= 0,1 мкм, hK= 0,55 мкм, 1э= 5мкм. В ТС этого типа могут быть также использованы и ГИО (как в ТС первого типа) на основе Si02i (с дополнительной маской Si3N4). В этом случае за счет перераспределения легирующих примесей граничная частота будет существенно уменьшена.
Проблемы, связанные с получением во всех трех типах ТС необходимых профилей пассивных областей Б и Э на основе Si, могут быть решены путем создания самосовмещенных резистивных масок и специального селективного травления базовых и эмиттерных слоев Si . Равномерное распределение легирующей примеси по ширине эмиттера обеспечивалось легированием Р пленок аморфного кремния или поликремния. Для ТС 2 и 3 типов диффузия Р дает возможность создания квази-гетероэмиттерных переходов, т.к. высокотемпературные процессы при реализации таких ТС не используются. Эффективное удаление загрязнений и ф дефектов во всех трех ТС достигалось при двухкратном низкотемпературном (750С) окислении Si в 02 (3% HCI) и стравливании образовавшегося окисла. Воспроизводимые ВАХ переходов с низким R3 достигались при контролируемом (в атмосфере сухого азота) стравливании матричного окисла, загрузке и проведении
Расчет параметров модели транзистора, приближенной к реальной
С помощью расчета и компьютерного моделирования был получен вариант модели транзистора с параметрами, представленными в таблице 3.1. Конструкция и топология транзистора представлены в главе 2 (рисунки 2.17, 2.18) Эти параметры рассчитывались по известным соотношениям модели Гуммеля — Пуна применительно к конкретной конструкции и выбранным распределениям концентрации легирующих примесей, образующих СВЧ сверхтонкую (ширина активной области базы Wa6 = 100 нм) физическую структуру транзистора. Подчеркнутые значения некоторых параметров, указанных в этой таблице, соответствуют той же конструкции транзисторов, имеющих (для повышения fT и fmax до 25 ГГц) предельно узкие и сильнолегированные р - пассивные области базы и улътратонкую (Wa6 = 50 нм) низкоомную активную область базы для уменьшения величин RB, CJC и TF (см. таблицу 3.1), а также более тонкие и низкоомные области (за счет легирования фосфором) пассивного (0,15 мкм) эмиттера, активного (50 нм) эмиттера и эпитаксиального слоя (0,5 мкм) с целью уменьшения RE и RC TF (см. таблицу 3.1). На рисунках 3.5 и 3.6 приведены модель Гуммеля - Пуна биполярного транзистора и модель корпуса транзистора с учетом паразитных емкостей, индуктивностей и волновых сопротивлений выводов.
Значения паразитных емкостей, индуктивностей и волновых сопротивлений выводов были выбраны из справочных данных фирмы "Эджилент Текнолоджи" (HP/Agilent Technologies). Индуктивности составили десятки нГн , емкости составили десятки фФ, а волновые сопротивления выводов корпуса 50 Ом.
Для выявления характера влияния различных параметров транзистора на его частотные характеристики исследовались зависимости коэффициента передачи по Графики зависимостей приведены в полном объеме в отчете по НИР «Разработка конструктивно-технологического базиса и проектирование схемы высокочастотного широкополосного усилителя для исследования перспективной элементной базы сверхбыстродействующих микросхем радиочастотного диапазона»; шифр "Линейка 3", 2002г.
Из полученных зависимостей следует, что на амплитудно-частотную характеристику коэффициента передачи выбранного транзистора значительное влияние оказывают, в первую очередь, следующие параметры: BF, NF, VAF, NE, схема с номиналами элементов, приведенными на рис. 3.8. На рисунке 3.9 представлена схема включения широкополосного усилителя. Номинал индуктивности составляет 120 нГн. Данная индуктивность является индуктивностью кристалла. Емкости по входу и выходу усилителя являются разделительными и должны иметь номинал более 100 пФ.
Характеристики МШУ были получены с учетом конкретно выбранных материалов и рисунка топологии, а так же с учетом установки усилителя на тестовую плату. В качестве материалов использовались: 1) поликоровая подложка толщиной 0,5 мм с диэлектрической проницаемостью 9,8. На данной подложке крепится кристалл МШУ. 2) текстолитовая подложка толщиной 1мм, на ней крепится ШУ и разъемы для подключения ШУ к измерительным приборам.
Рассмотрим две транзисторные структуры №1 и №2, отличающиеся тем, что областей с общей длиной 84 мкм. Отношение длин эмиттеров составляет 8,4. Окончательная ширина эмиттерных областей (окон) у этих структур одинаковая и составляет 0,6 мкм. Структура №1 рассчитывалась для достижения fT = 17 ГГц, а структура №2 для достижения fT = 25 ГГц. Из условий оптимизации характеристических параметров широкополосного усилителя при его моделировании на первом этапе имеем:
При этом отношение гбі/ Гб2 = 8,49, а г3і/ гэ2 = 8,43. Значение п21Э при токе 3 мА примем равным 50, а значение h2i30 = 100. Тогда расчетные значения для Fmin (при f = 2,4 ГГц) и гш составят:
Очевидно, что структура №2 по сравнению со структурой №1 имеет явные 4р преимущества для реализации широкополосного усилителя по совокупности параметров fT, F и гш.
Для того чтобы получить для структуры №2 расчетные значения fT2, Fmm2, гш2 и (гэ2 + тбі), а также заданные параметры самого усилителя, необходимо оптимизировать биполярную транзисторную структуру как в плане (масштабирование по горизонтали), так и по вертикали (масштабирование по вертикали). При этом очень важно оптимизировать параметр, характеризующий максимальную частоту генерации fmax транзистора: щ, Скб2 - эффективная емкость перехода коллектор-база транзисторной структуры №2, определяемая площадью перехода, градиентом концентрации легирующей примеси в активной области базы и в области коллектора и уровнем легирования коллекторной области и ее толщиной.
Л Если принять, что требуемая величина для fmax2 = 25 ГГц, что с очень хорошим запасом соответствует рабочей частоте 2,4 ГГц для высококачественного широкополосного усилителя, то этому условию будет удовлетворять значение для СКб2 = 109,1 фФ. Это значение паразитной емкости для выбранной структуры с 6 базовыми выводами и 5 эмиттерными выводами при выбранных литографических проектных нормах, равных 1,2 мкм, очень мало и на практике трудно достижимо. Для получения такой емкости необходима совершенно новая структура транзистора.
Выбор конструкции структуры с предельно узкими порядка (0,3-0,5 мкм) и точно локализованными пассивными наружными и пассивными внутренними (т.е. соединительными) областями базы (вне эмиттерных областей) позволяет существенно уменьшить паразитные составляющие СКб2, непосредственно связанные с геометрическими размерами структуры в плане. Локальное легирование коллекторной ("S1C") области ионами фосфора через эмитгерное окно позволяет использовать высокоомную и утолщенную эпитаксиальную пленку для уменьшения этих паразитных составляющих емкости Скб2. Одновременно при этом существенно уменьшается как эффективное сопротивление области коллектора гк непосредственно под эмиттером, так и эффективная ширина активной области базы waG. Последние два параметра очень важны и для повышения fT2.
Однако, такой подход приводит, естественно, к значительному усложнению р конструкции структуры и технологии ее изготовления. Ключевым в этой ситуации является "оптимизированный" выбор конкретной конструктивно-топологической и структурно-технологической схемы реализации биполярной структуры с предельно высоким уровнем самосовмещения и самоформирования пассивных и активных областей при начальном использовании одной фотолитографической маски, не критичной к совмещению, с проектным размером 1,2 мкм, реализуемом на имеющемся в НПК ТЦ оборудовании. Конструктивно-технологический базис реализации таких структур подробно изложен в настоящей работе.
Для получения малого значения гэ2 = 0,178 Ом необходимо обеспечить мини Щ\ мально допустимое среднее значение объемного сопротивления рю многослойной системы эмиттерной области, включающей систему металлизации, область поликремния, границу раздела поликремний - монокремний и сверхтонкую активную область эмиттера. Легко показать, что для достижения гЭ2 = 0,178 Ом (при большой суммарной площади эмиттерных окон Sao = (0,6 х-84) мкм2 и результирующей толщине системы поликремний- SiOx- активная область эмиттера, равной 0,3 мкм) значение pv, должно быть не больше 2,99х10"3 Омхсм. На практике удельное сопротивление системы металлизации, сильнолегированного поликремния и н+ -активной области эмиттера составляет не более 10"3 Омхсм. Следовательно, основной вклад в руэ дает приграничный слой SiOx переменного состава, так называемая матричная окисная пленка, толщина которой зависит от условий освежения поверхности кремния перед осаждением пленки поликремния, условий транспортировки и хранения пластин, режимов загрузки и осаждения поликремния.
Технологический маршрут изготовления микросхемы
Для создания ИС СВЧ ШУ разработан конструктивно-технологический базис на основе комплексного использования новых методов самосовмещения (МСС) и самоформирования (МСФ), обеспечивающих реализацию субмикронных элементов и их точную локализацию при минимальном числе используемых критичных процессов фотолитографии с проектными нормами 1,2 мкм. Применен ряд усовершенствованных конструктивных и технологических решений, позволяющих создавать радиочастотные микросхемы на кремнии при использовании СВЧ биполярных СТС и высокоэффективных пассивных элементов (резисторов различного номинала сопротивлений, конденсаторов с малой площадью обкладок и тонким диэлектрическим слоем, а так же двухуровневых линий межсоединений). Конструктивно-технологические особенности базиса: 1) Использовались подложки высокоомного Si (КДБ - 12-40 Ом.см) с низкоомными (не более 25 Ом/квадрат) и утолщенными до 3,5 мкм сплошными п+ -скрытыми слоями (ССС), легированными Sb, и тонкими (0,5 - 1,5 мкм), высокоомными (1 - 1,5 Ом см) п" - эпитаксиальными пленками (ТЭП). Увеличение толщины ССС и одновременное увеличение концентрации легирующей примеси позволяет резко уменьшить поверхностное сопротивление ps этого слоя и в сочетании с ТЭП получить предельно малые значения сопротивления коллектора гк и постоянной времени гк-Ск. При этом малая величина переходной области между ССС и ТЭП и слабый уровень легирования ТЭП для уменьшения Ск могут быть достигнуты при использовании предварительного отжига ССС в атмосфере водорода перед эпитаксиальным наращиванием. Метод создания ССС путем эпитаксии позволяет получить удельное сопротивление pv ССС порядка 0,01 Ом.см. В этом случае сопротивление скрытого слоя будет (при выбранной геометрии ТС) определяться толщиной ССС; 2) Для надежной изоляции элементов использовалась комбинированная изоляция, состоящая из горизонтальных областей (LOCOS), глубоких областей щелевого типа, прорезающих сплошные скрытые слои и эпитаксиальную пленку с глубоким заходом в кремний и дополнительных горизонтальных изолирующих областей на основе пленок пиролэтического Si02n (ГИО). Такая система изоляции позволяет увеличить плотность структурных элементов, уменьшить паразитную емкость переходов коллектор-база, а так же эффективно локализовать и изолировать активные структуры и пассивные элементы схемы; 3) Использование ССС, ГИЩ и утолщенных областей основной изоляции позволяет также существенно повысить эффективность передачи СВЧ сигнала по межсоединениям за счет использования низкоомного ССС в качестве второй обкладки полосковой линии передачи, создавать высококачественный омический контакт к специально утоненной до 200 - 250 мкм подложке Si снизу по всей поверхности кристалла, что, в свою очередь, приводит к уменьшению теплового сопротивления кристалла микросхемы и создает идеальные условия для развязки входных и выходных цепей относительно сплошной Си шины общей Земли под кристаллом; 4) Углубленные сильнолегированные п+ - контактные коллекторные области и нижние обкладки конденсаторов формировались путем легирования ионами фосфора, что позволяет уменьшить гк и сопротивление нижних обкладок конденсатора. В качестве диэлектрика конденсатора использовалась тонкая пленка термического SiC»2T (50 нм); 5) Верхними обкладками конденсаторов служит слой сильнолегированного поликремния и металл. В этом же слое (Si ) формируются резисторы с низким и средним номиналом сопротивления (с поверхностным сопротивлением ps = 100 Ом/кв и 200 Ом/кв, соответственно) путем легирования ионами фосфора пленки поликремния; 6) Для формирования элемента опорного рельефа самоформирования (ОРС) (псевдо - эмиттерная область) использовалась многослойная сиситема (МС) на основе временных слоев А - Д (рис. 4.3). Введение МС позволило исключить воздействие процессов анизотропного РИТ на участки поверхности, где в дальнейшем формируются сверхтонкие переходы ТС. ОРС создается при использовании одного некритичного процесса фотолитографии и последующего РИТ слоев Л - Д до исходной поверхности и, что очень важно, обеспечивает точную локализацию самоформируемых элементов ТС (относительно исходного ОРС1 и далее модифицированногого ОРС2) без проведения процессов фотолитографии. МС окончательно удаляется перед формированием областей боковой диэлектрической изоляции сверхтонких эмиттерных переходов (БДИЭ); 7) Разработанный процесс планаризации рельефа поверхности без использования фотошаблона при однократном нанесении фоторезиста и формирования самосовмещенной резистивной маски (СРМ) путем ПХТ фоторезиста позволяет точно локализовать узкие (0,5 мкм) контактные базовые окна в слое БЮгн, который является образующим для горизонтальных изолирующих областей (ГИО). СРМ применяется и при создании областей контактной пассивной базы на основе поликремния, что, в свою очередь обеспечивает точную локализацию сверхтонких пассивных областей базы (путем селективной диффузии бора из пленки Si на конечном этапе окончательного быстрого отжига структуры); 8) Наружные маскирующие области спейсерного типа (МОСТ) на основе Si3N4 являются защитой боковой поверхности элемента ОРС от воздействий при проведении селективных травлений на различных этапах формирования структуры, а так же обеспечивают точную локализацию узких (0,5 мкм) контактных базовых окон, областей КПБ, БДИЭ и, как следствие, активных сверхтонких слоев структуры; 9) Области БДИЭ являются составными - на основе пассивирующего слоя Si02T (30-50) нм, барьерного Біз (0,08 — 0,16) мкм, конструктивного защитного Si02n (0,1 - 0,3) мкм и формируются на внутренней части МОСТ. Введение такой системы позволяет эффективно защищать области ТС от дрейфа ионов Na+, К+ и др., а так же, в зависимости от выбранной толщины пленок, получать требуемую (различную) ширину эмиттерных окон (0,2 - 0,8 мкм); 10) Отличительная особенность выбранного базиса состоит еще и в том, что он позволяет при одном и том же комплекте фотошаблонов формировать биполярные СТС по различным технологическим маршрутам, реализуя структуры как с вертикально расположенными пассивными р+ - областями базы, так и с горизонтальным их расположением. В последнем случае возможно использование тонких эпитаксиальных пленок с d,n = 0,3-0,5 мкм для достижения предельно высоких значений fr и fmax. Экспериментальные исследования критичных мест в конструкции СВЧ транзисторных структур и технологии их изготовления В данном разделе представлены суммированные результаты исследований распределений концентраций легирующих примесей (As, В, О, F, Р) в тонкослойных СТС, полученные в разные годы автором диссертационной работы совместно с Сауровым А.Н., Лукановым Н.М., Галушковым А.И., Романовым И.М. С целью выявления характерных особенностей, на рис. 5.1.1 (а - д) произведено совмещение экспериментально полученных профилей легирования образцов. Последнее позволило для тонкослойных структур определить закономерности изменения профилей в зависимости от выбранных режимов термического отжига. Учет этих закономерностей помог в итоге найти режимы и условия проведения процессов ионного легирования и кратковременного отжига с целью достижения сверхтонких профилей легирования, которые представленны на рисунке 5.1.2 с резким распределением концентраций В и As в переходах.
