Автореферат (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов)

На правах рукописиДроздов Дмитрий ГеннадьевичСВЧ КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССС ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ СИММЕТРИИДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВСпециальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронныекомпоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукг. Москва2017Работа выполнена в Акционерном обществе «Научно-производственноепредприятие «Пульсар».Научный руководитель:кандидат технических наук,Савченко Евгений МатвеевичОфициальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,Петросянц Константин Орестович,департамент электронной инженерии, МИЭМ,НИУ ВШЭкандидат технических наук,Ключников Алексей Сергеевич,начальниклабораторииприборнотехнологического моделирования АО «НИИМЭ»Ведущая организация:Федеральноегосударственноеучреждение«ФедеральныйнаучныйцентрНаучноисследовательскийинститутсистемныхисследований Российской академии наук»Защита состоится «___» __________ 2017 г.

в _____ч. _____ мин. на заседаниидиссертационного совета Д212.131.02 при Московском технологическомуниверситете по адресу: 119454, г. Москва, Проспект Вернадского, д. 78.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМИРЭА. Автореферат размещен на сайте: www.mirea.ruАвтореферат разослан «___»___________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.131.02кандидат физико-математических наукЛ. Ю. Фетисов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыБыстродействующие радиационно-стойкие интегральные микросхемы(ИМС) находят широкое применение в аппаратуре различного назначения.

Ониприменяются в измерительных приборах, приемных и передающих устройствахсвязи, системах управления и обработки сигналов.На современном этапе развития микроэлектроники происходитнепрерывное ужесточение требований к ИМС (расширение частотного идинамического диапазонов, снижение потребляемой мощности, повышениеуровня стойкости к внешним воздействующим факторам (ВВФ), расширениефункциональных возможностей).

Применение комплементарного биполярноготехнологического процесса (КБТП), сочетающего в себе вертикальные npn- иpnp-транзисторы, позволяет реализовать эти требования для целого ряда ИМС.Например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), использующиекомплементарные биполярные транзисторы (КБТ), способны сочетать в себевысокую динамическую точность (низкое время преобразования, высокаячастота дискретизации), низкий ток потребления и т.д. Расширение базисаКБТП за счёт введения в его состав быстродействующих диодов Шоттки (ДШ),малошумящих полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (JFET)позволяет создавать ИМС с расширенными функциональными возможностями.Основной проблемой любого технологического процесса, сочетающего всебе большой набор активных и пассивных элементов, является невозможностьполучения максимальных значений параметров непосредственно для каждогоиз элементов.

Для биполярных транзисторов, зачастую, максимальныепараметры имеют только npn-транзисторы, pnp-транзисторы выступают в роливспомогательных элементов. В данной работе решается задача поисследованию технологических процессов, обеспечивающих высокуюсимметрию динамических параметров КБТ при выполнении требований пограничной частоте (fT > 10 ГГц) и пробивному напряжению коллектор-эмиттер(UКЭ0 > 12 В).За рубежом в направлении разработки СВЧ КБТП работает целый рядкомпаний: Analog Devices, Texas Instruments, National Semiconductor, Harris,STMicroelectronics, Hitachi Ltd., Plessey Semiconductor и др.

Для созданияподобных процессов производители все чаще ориентируются на применениегетероструктур кремний-германий. Тем не менее, для традиционного кремниясуществует большое количество преимуществ, например, низкая стоимостьизготовления за счёт отсутствия прецизионных процессов формирования иконтроля; отработанные технологические процессы и большой набор моделейдля их описания. Указанные причины обуславливают необходимостьразработки подобной технологии исключительно на основе кремния.В Российской Федерации современные технологические операции(субмикронная фотолитография, быстрый термический отжиг (БТО),3низкоэнергетическая имплантация и др.) применяются только при производствеКМОП ИМС всего на нескольких предприятиях отрасли.

Это привело к тому,что на сегодня КБТП с указанными параметрами в РФ не существует.Существующая потребность в изделиях, изготовленных с применениемподобной технологии, делает задачу по разработке технологического процессакрайне актуальной. Внедрение технологического процесса способно снизитьзатраты в сравнении с лицензированием зарубежных процессов. Использованиепроектных норм не менее 1 мкм и режимов критических технологическихопераций, обеспечиваемых отечественными установками, позволит расширитьвозможности реализации технологии на отечественных предприятиях отрасли.Цель работыРазработка конструктивно-технологических методов для созданиякремниевогосверхвысокочастотного(fT > 10 ГГц)комплементарногобиполярного технологического процесса с высокой степенью симметриидинамических параметров транзисторов (разбаланс граничной частоты не более20 %), включающего интегральные быстродействующие диоды Шоттки,малошумящие полевые транзисторы с управляющим p-n переходом,предназначенного для изготовления быстродействующих радиационно-стойкиханалого-цифровых ИМС на отечественных предприятиях.Достижение указанной цели требует решения следующих задач:1.

Рассмотреть основные элементы конструкции СВЧ КБТ, интегральныхдиодов Шоттки и полевых транзисторов с управляющим p-n переходом,оказывающих существенное влияние на оптимизируемые параметры.2. Выработать основные методологические подходы к проектированиюСВЧ КБТП с учетом точности моделей технологических процессов и экономиивычислительных мощностей.3. Определить режимы проведения технологических операций,необходимые для создания оптимальной конструкции и профиляраспределения примеси КБТ с учетом ограничений, накладываемыхвозможностями технологического оборудования и точностью моделирования, иобеспечивающих высокую степень симметрии динамических параметров КБТ(разбаланс граничной частоты не более 20 %).4.

Определить основные конструктивно-технологические особенностидиодов Шоттки, полевых транзисторов с управляющим p-n переходом дляинтеграции в исследуемый СВЧ КБТП.5. Провести сопоставление результатов расчётов с характеристикамисовременных КБТП.6. Сформулировать перечень основных конструктивно-технологическихрешений, обеспечивающих создание СВЧ КБТП с параметрами на уровнесовременных зарубежных аналогов.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Определены параметры моделей ионной имплантации, диффузии иокисления для режимов формирования областей кремниевых КБТ, для4формирования активной базы без применения низкоэнергетическойимплантации (E > 10 кэВ) и быстрого термического отжига (скорость выхода нарежим >10 oC/мин).

Корректность выбора подтверждена теоретическими,численными методами, а также экспериментальными исследованиямиинтегральных элементов комплементарных биполярных технологическихпроцессов, БиКМОП процессов, а также мощных СВЧ биполярныхтранзисторов.2. Показана возможность повышения симметрии динамическихпараметров КБТ (разбаланс граничной частоты не более 20 %) за счётградиентного профиля распределения примеси в коллекторе pnp-транзистора,сформированного двойной имплантацией в эпитаксиально-планарномтехнологическом процессе с толщиной пленки 2 мкм и комбинированнойизоляцией элементов ИМС.3.

Разработана последовательность технологических операций СВЧКБТП для которой определены режимы формирования областей пассивной иактивной базы, обеспечивающие повышение симметрии динамическихпараметров КБТ с fT > 10 ГГц, UКЭ0 > 12 В, UБЭ0 > 2,5 В.4. Предложена конструкция диода Шоттки с охранными кольцами p-типапроводимости, интегрированная в исследуемый СВЧ КБТП, и обеспечивающаязначение частоты среза fC > 260 ГГц при UПРОБ > 15 В.5. Предложен метод дополнительного «тормозящего» легирования,позволяющий управлять процессом обратной диффузии из скрытых слоевколлектора, а в рамках исследуемого СВЧ КБТП способный обеспечитьсимметрию значений не только динамических, но и статических параметров nи p-канальных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.Практическая значимость полученных результатов диссертационнойработы заключается в том, что проводимые теоретические иэкспериментальные исследования использовались при оптимизации элементовИМС, применяемых при разработке быстродействующих ИМС вОКР «Двинянин», «Лисица-Ку», «Липтон-Ку», исследованиях конструктивнотехнологических базисов ИМС, разрабатываемых в НИР «Пеликан-Б»,ОКР «Изотопия», «Цифра-5», «Цифра-8», «Цифра-16», «Высотка-13»,СЧ ОКР «Победа-П».

«Вихрь». Результаты работы являются внедренными впроцесс разработки и производства ИМС (1324УВ6, 1348ЕТ2, 1324МП2,1324ПС5 (А4505)), которые освоены в серийном производстве с приёмкойкатегории качества «ВП».Научные положения, выдвигаемые для защиты:1. Для кремниевого КБТП двойная имплантация бора, используемая приформировании градиентного профиля распределения примеси в коллекторевертикального pnp-транзистора, позволяет достигнуть значения произведенияfT ×UКЭ0 не менее 150 ГГц·В при fT > 10 ГГц для КБТ.2. Для выбранной последовательности технологических операциймаксимальная степень симметрии параметров пассивной базы КБТ получена5при имплантации As (E = 120 кэВ, Q = 1500 мкКл/см2) и BF2 (E = 20 кэВ,Q = 250 мкКл/см2) для отжига t = 10 мин., T = 1000 oC, атмосфера – сухойкислород, что обеспечивает пробивное напряжение UБЭ0 > 2,5 В(IЭ = 10–6 А/мкм) для КБТ.3.

Максимальная степень симметрии значений граничной частоты КБТfT ~ 11 ГГц при UКЭ0 > 13 В обеспечивается применением ионной имплантацииBF2 и Sb с энергией > 10 кэВ для формирования областей активной базы, приотжиге активной базы/эмиттера t = 10 мин. ± 20 %, T = 900 oC и скоростивыхода на режим не менее 10 oC/мин.4. В рамках исследуемого КБТП максимальное значение частоты срезаfC > 260ГГцинтегральногодиодаШотткиспробивнымнапряжением UПРОБ > 15 В обеспечивается для конструкции без спейсеров приширине анода W ≈ 3 мкм и охранных кольцах, выполненных с применениемполикремния.5. Применение операции дополнительного «тормозящего» легированиядля самосовмещенных структур комплементарных полевых транзисторов суправляющим p-n переходом в рамках исследуемого КБТП обеспечиваетсимметричные значения напряжения отсечки ~ 1,0 В.Апробация работы. Основные положения диссертационной работыобсуждались и получили одобрение на следующих российских имеждународных научно-технических конференциях: «Проблемы разработкиперспективных микроэлектронных систем» (г.