Диссертация (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов), страница 3

Определены параметры моделей ионной имплантации, диффузии и окисления длярежимов формирования областей кремниевых КБТ, для формирования активной базы безприменения низкоэнергетической имплантации (E > 10 кэВ) и быстрого термического отжига(скорость выхода на режим >10 oC/мин). Корректность выбора подтверждена теоретическими,численными методами, а также экспериментальными исследованиями интегральных элементоввысоковольтныхкомплементарныхбиполярныхтехнологическихпроцессов,БиКМОПпроцессов, а также мощных СВЧ биполярных транзисторов.2.

Показана возможность повышения симметрии динамических параметров КБТ(разбаланс граничной частоты не более 20 %) за счёт градиентного профиля распределенияпримесивколлектореэпитаксиально-планарномpnp-транзистора,технологическомсформированногопроцессесдвойнойтолщинойимплантациейпленки2мкмвикомбинированной изоляцией элементов ИМС.3. Разработана последовательность технологических операций СВЧ КБТП для которойопределены режимы формирования областей пассивной и активной базы, обеспечивающиеповышение симметрии динамических параметров КБТ с fT > 10 ГГц, UКЭ0 > 12 В, UБЭ0 > 2,5 В.4. Предложена конструкция диода Шоттки с охранными кольцами p-типа проводимости,интегрированная в исследуемый СВЧ КБТП, и обеспечивающая значение частоты срезаfC > 260 ГГц при UПРОБ > 15 В.5.

Предложен метод дополнительного «тормозящего» легирования, позволяющийуправлять процессом обратной диффузией из скрытых слоев коллектора, а в рамкахисследуемого СВЧ КБТП способный обеспечить симметрию значений не только динамических,но и статических параметров n- и p-канальных полевых транзисторов с управляющим p-nпереходом.9Практическаязначимостьполученныхрезультатовдиссертационнойработызаключается в том, что проводимые теоретические и экспериментальные исследованияиспользовалисьприоптимизацииэлементовИМС,применяемыхприразработкебыстродействующих ИМС в ОКР «Двинянин», «Лисица-Ку», «Липтон-Ку», исследованияхконструктивно-технологических 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 в процесс разработки и производства ИМС(1324УВ6, 1348ЕТ2, 1324МП2, 1324ПС5 (А4505)), которые освоены в серийном производстве сприёмкой категории качества «ВП».Научные положения, выдвигаемые для защиты:1.

Для кремниевого КБТП двойная имплантация бора, используемая при формированииградиентного профиля распределения примеси в коллекторе вертикального pnp-транзистора,позволяет достигнуть значения произведения fT ×UКЭ0 не менее 150 ГГц·В при fT > 10 ГГц дляКБТ.2. Для выбранной последовательности технологических операций максимальная степеньсимметрии параметров пассивной базы КБТ получена при 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 – сухой кислород, что обеспечивает пробивное напряжение UБЭ0 > 2,5 В(IЭ = 10–6 А/мкм) для КБТ.3. Максимальная степень симметрии значений граничной частоты КБТ fT ~ 11 ГГц приUКЭ0 > 13 В обеспечивается применением ионной имплантации BF2 и Sb с энергией > 10 кэВдляформированияобластейактивнойбазы,приотжигеактивнойбазы/эмиттераt = 10 мин.

± 20 %, T = 900 oC и скорости выхода на режим не менее 10 oC/мин.4. В рамках исследуемого КБТП максимальное значение частоты среза fC > 260 ГГцинтегрального диода Шоттки с пробивным напряжением UПРОБ > 15 В обеспечивается дляконструкции без спейсеров при ширине анода W ≈ 3 мкм и охранных кольцах, выполненных сприменением поликремния.5.Применениеоперациидополнительного«тормозящего»легированиядлясамосовмещенных структур комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-nпереходом в рамках исследуемого КБТП обеспечивает симметричные значения напряженияотсечки ~ 1,0 В.Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы обсуждались иполучили одобрение на следующих российских и международных научно-техническихконференциях: «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем» (г.Москва, Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2010, 2014 гг.);10«Твердотельная электроника.

Сложные функциональные блоки РЭА» (г. Москва,АО «НПП «Пульсар», 2008–2014 гг.); «Электроника, микро- и наноэлектроника» 2011,2012 гг. (НИЯУ МИФИ), «Микроэлектроника и информатика–2011» (г. Москва, Зеленоград,2011 г.); «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных РЭС» (Омск, ЦКБА,2010);«Фундаментальныепроблемырадиоэлектронногоприборостроения»(INTERMATIC) (г.

Москва, МГТУ МИРЭА, 2007, 2013, 2014 гг.); Международной научнотехнической школы-конференции «Молодые учёные – 2008» (г. Москва, МГТУ МИРЭА,2008 г.); International Conference «Micro- and nanoelectronics» (г. Звенигород, 2007, 2012 г.).По теме диссертации опубликовано 5 работ в изданиях рецензируемых ВАК, 23 работы вматериалах международных и всероссийских научно-технических конференций, получено 4свидетельства о государственной регистрации топологии ИМС.Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав изаключения, изложенных на 165 страницах текста, иллюстрированного таблицами, графиками ирисунками, библиографического списка и приложения.11ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯКОМПЛЕМЕНТАРНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВВ главе представлены результаты анализа сверхвысокочастотных комплементарныхбиполярныхтехнологическихпроцессов,элементовконструкциисовременныхкомплементарных биполярных транзисторов.

Также в главе представлен современный уровеньразвития дополнительных интегральных элементов КБТП: диодов Шоттки и полевыхтранзисторов с управляющим p-n переходом.1.1 Начало развития КБТППроблема создания комплементарных биполярных транзисторов появилась в начале 60-хгодов XX века, когда были показаны преимущества использования схем на основе даннойтехнологии [1]. Необходимость формирования КБТ в монолитном исполнении, позволяющаяполучать pnp- и npn-транзисторы с близкими параметрами, была описана в работах [2] – [5].Первым сообщением о создании КБТ в монолитном исполнении является работа 1964 года [5],в которой pnp-транзистор имел горизонтальную структуру.

Такой подход имел ряд достоинств,однако не обеспечивал достаточной симметрии параметров pnp- и npn-транзисторов, чтоснижало преимущества схем, построенных на основе КБТ. Повысить уровень симметриипараметровтранзисторовисследователипыталисьразличнымиспособами,например,изготовлением npn- и pnp-транзисторов на двух различных подложках, с последующимспаиванием подложек стеклянным припоем [6].

Первой работой, посвященной формированиювертикальных npn- и pnp-транзисторов, изготавливаемых в едином технологическом цикле,является работа 1966 года [7]. Это дало новый импульс в развитии интегральных схем наоснове КБТ.1.2 Конструкции интегральных pnp-транзисторовКак уже отмечалось, основной проблемой при создании интегральных КБТ являетсяодновременное получение высоких значений параметров для npn- и pnp-транзисторов. Этосвязано с физическими свойствами основных носителей заряда в pnp-транзисторах, а такжеограничениями в использовании оптимальных для конкретного типа транзисторов режимовпроведения технологических операций.Развитие планарно-эпитаксиальных технологических процессов изготовления ИМСопределило в качестве основной наиболее технологичную вертикальную конструкцию npnтранзистора [8].

Современные технологические процессы, в зависимости от назначения, имеютв своем составе различные конструктивные варианты pnp-транзисторов, представленные нарис. 1.1 [9], [10].12а)б)в)Рис. 1.1 Конструкции интегральных pnp-транзисторов:а) подложечная, б) горизонтальная, в) вертикальная [9], [10]В подложечном транзисторе (рис. 1.1, а) в качестве коллектора выступает подложка pтипа, базы – эпитаксиальный слой n-типа, эмиттера – легированный слой p-типа, используемыйв npn-транзисторе в качестве пассивной базы.

Помимо простоты изготовления преимуществомтаких транзисторов является устойчивость (наибольшая из всех существующих вариантов pnpтранзисторов) к загрязнению поверхности кристалла, качеству пассивирующего диэлектрика,радиационному излучению, что связано с наибольшей глубиной p-n переходов в сравнении сдругими типами транзисторов. Однако для использования в быстродействующих ипрецизионных ИМС такой транзистор не подходит из-за высокого сопротивления коллектора иэмиттера, высокой стоимости формирования сверхтонких эпитаксиальных слоев, а такжеотсутствию изоляции pnp-транзисторов (подложка p-типа является общей для всехтранзисторов), что приводит к обязательному использованию схемы включения с общимколлектором. В современных ИМС подобные транзисторы используются, например, в качестведатчиков температуры на входе микропроцессоров [11].Горизонтальныйpnp-транзистор(рис.1.1,б),являетсяпервыммонолитнымкомплементарным pnp-транзистором и был предложен Лином с соавторами в 1964 году [5](запатентован в 1965 году [12]).

Ширина базы таких транзисторов определяется минимальнымитопологическими размерами, что, соответственно, не позволяет существенно повыситькоэффициент усиления и граничную частоту. Кроме того, низкая концентрация примеси в базеприводит к увеличению шумов, снижению напряжения Эрли. Большая площадь коллектора,приводит к значительным величинам паразитных емкостей.Развитие технологии, в целом, позволило улучшить параметры горизонтальных pnpтранзисторов [13] – [15] (пример современной конструкции представлен на рис. 1.2), вчастности, повысить граничную частоту до значения ~ 4 ГГц [15].13Рис.