Диссертация (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов), страница 5

В основе подхода лежит замена лишь небольшого набора технологических операций,остальные операции едины для всей линейки HJ.В Российской Федерации, а также в Республике Беларусь, на сегодня, не существуетКБТП с граничными частотами более 5 ГГц [64]. Проработка вариантов ИМС на основетехнологического процесса HJV [50], показала, что подобный процесс может быть успешноприменен как для создания быстродействующих аналого-цифровых ИМС (операционные,логарифмические усилители) [73], [74], так и для создания СВЧ МИС L- и S- диапазонов частот(усилители; смесители, умножители, делители частоты [75 – 78]).Подводя итоги анализа технологических процессов стоит подчеркнуть, что для решениязадач по разработке КБТ с симметричными значениями параметров (fT > 10 В; UКЭ0 > 10 В)целесообразно использовать кремниевый технологический процесс.

Отсутствие подобныхпроцессов на территории Российской Федерации делает данную задачу актуальной.1.4 Технологические особенности производства ИМС в Российской ФедерацииСущественным ограничением, определившим отсутствие СВЧ КБТП на территории РФ,является уровень технологических возможностей отечественных предприятий-изготовителей18ИМС. Для построения СВЧ КБТП существует ряд критических технологических операций. Это,прежде всего, субмикронная фотолитография, имплантация с малыми энергиями дляформирования сверхтонкой активной базы, операции отжига для активации примеси, операцииосажденияитравлениятонкихпленок.Рассмотримтехнологическиевозможностиотечественных предприятий для ряда критических операций более подробно.Формирование мелкозалегающих p-n переходов с помощью имплантации с низкимизначениями энергии на отечественных предприятиях используется только при создании КМОПИМС.

Среди таких предприятий стоит выделить:ПАО «Микрон», АО «Ангстрем»,НИИСИ РАН, строящееся кристальное производство в АО «Ангстрем-Т» [79 – 81]. Науказанных предприятиях используются иностранные установки имплантации, например,установки PRECISION IMPLANT xR120 (Applied Materials), обеспечивающие минимальноезначение энергии до 2 кэВ [82].

Остальные отечественные производители кристаллов ИМС, восновном, оборудованы либо отечественными установками [83 – 90], либо установками,обеспечивающими энергии не менее 10 кэВ [91]. Технические характеристики отечественныхустановок ионной имплантации сведены в таблице 1.2 [92 – 94]. Стоит также отметить, что вРФ, на данный момент, отсутствуют производители установок ионной имплантации [95].МодельустановкиВезувий-1Везувий-2Везувий-ЗМВезувий-4Везувий-5Везувий-7МВезувий-9МВитаДнепр-МДозаДекретМУЛУ-3Иолла-2Лада-20Лада-30МТаблица 1.2 – Характеристики отечественных установок ионной имплантацииДиапазонСила тока Неоднородность Занимаемая Потребляемаяэнергий, кэВ ионов, мкА легирования, % площадь, м2 мощность, кВт20–20020–2002375520–200150–6004241520–15010–1000217815–100300–7004241510–100до 2000481520–100–1––до 500––––10 – 40до 20000–162520–2000,03–8002––20–200до 15001––10–180до 80001––20–80300–6003504550–8010025620–200до 900–––10–180до 40001––В части оборудования процессов отжига ситуация аналогичная.

В распоряжениипроизводителей КМОП ИМС установки, обеспечивающие очень высокую скорость нагрева и,соответственно, низкие времена отжига. Это, к примеру, установки НТ POLY Centura, ModularRTP600S [96]. Однако, наибольшее распространение на уже отмеченных отечественныхпредприятиях имеют печи групповой обработки типа СДОМ, СДО (таблица 1.3) [92], [94].19Невысокая скорость нагрева в таких установках затрудняет их использование в современныхтехнологических процессах.Таблица 1.3 – Характеристики отечественных установок высокотемпературной обработкиКоличествоДиапазонСкоростьНестабильностьМодельтехнологическихрабочихнагрева,поддержанияустановкиотруб, шт.температур, оСС/мин.температурного уровня, оССДОМ-3/1003400 – 1220от 7 до 10± 0,25СДО-125/4А4600 – 13500,1 – 10±1СДО-125/3-123700 – 1250от 7 до 10± 0,25Процессы эпитаксиального роста пленок кремния на территории РФ проводятся, восновном, в АО «ЭПИЭЛ». Согласно справочной информации, минимальная толщинаэпитаксиальных пленок составляет 2 – 3 мкм [97].

Минимальные топологические размеры,используемые на большинстве отечественных предприятий (за исключением производителейсубмикронных КМОП ИМС) составляют от 1 до 3 мкм [83 – 90].Таким образом, анализ данных об используемом технологическом оборудовании наотечественных предприятиях показал: в РФ современное оборудование иностранногопроизводства применяется, в основном, для создания цифровых КМОП ИМС с субмикроннымипроектными нормами. Создание КБТП с ограничениями, накладываемыми использованиемотечественных установок, при проектных нормах не менее 1 мкм позволит:- снизить стоимость технологического процесса;- уменьшить зависимость от поставщиков иностранного оборудования, что являетсяактуальным в условиях наличия экспортного контроля Государственного департамента США,существенно ужесточившегося после введения санкций в отношении РФ;- обеспечить перераспределение производственных мощностей с целью рациональногоиспользованиясуществующеговысокотехнологичногооборудованиядлясозданияперспективных изделий микро- и наноэлектроники.1.5 Симметрия параметров комплементарных биполярных транзисторовОсобенностью применения КБТ в аналоговых блоках ИМС является симметрия(согласованность) их параметров.

Степень симметрии параметров наиболее критична для такихустройств как операционные усилители с токовой обратной связью, двухтактные драйверы ит.д. [98]. Данный критерий может существенно влиять на архитектуру построения устройств,например, за счёт применения схемотехнических методов, обеспечивающих снижениезависимости от несимметричности параметров КБТ.Для современных аналого-цифровых схем помимо симметрии статических параметров[99], важным является симметрия динамических параметров КБТ [100].

Быстродействие схем,использующих в своем составе высокочастотные npn- и pnp-транзисторы, ограничено наименее20быстродействующим типом транзистора, которым, в силу своей природы, является pnpтранзистор. Увеличение граничных частот КБТ во всем диапазоне плотностей токов коллектора,уменьшение сопротивлений баз и паразитных емкостей позволяет расширить полосупропускания (например, 2500 МГц против 1000 МГц в сравнении с процессом снесимметричными максимальными значениями граничной частоты КБТ [42]), упроститьсхемотехническую реализацию устройств с очень низкими искажениями, устройств с малымтоком потребления.Анализ литературы по существующим технологическим процессам, обеспечивающимсимметрию динамических параметров КБТ (BiCom3 [42], VIP-10 [45], CB2 [49], HJV [50] и ряддругих) показал, что отношение fTmax (разбаланс граничной частоты) КБТ не превышает 20 %.Для остальных рассмотренных КБТП разбаланс граничной частоты составляет более 50 %.Результаты сопоставления процессов позволяют определить: высокая степень симметриидинамических параметров КБТ характеризуется разбалансом граничной частоты не более 20 %.Стоит отметить, что значение fT учитывает влияние емкостей и сопротивлений, связанных сэлементами конструкции БТ, и наилучшим образом подходит в качестве обобщенногопараметра динамических свойств КБТ.Соответственно,представленныепреимуществаКБТПстранзисторамиссимметричными параметрами подтверждают актуальность задачи по обеспечению высокойстепени симметрии динамических параметров КБТ с одновременным увеличением значенийfTmax.1.6 Радиационная стойкость аналого-цифровых ИМС на основе комплементарныхбиполярных транзисторовОдним из основных требований к современной электронной компонентной базе (ЭКБ)является высокий уровень стойкости при воздействии различных видов ионизирующихизлучений.Среди существующих технологических процессов для изготовления аналого-цифровыхИМС, а также СВЧ МИС, биполярные технологические процессы демонстрируют высокиеуровни стойкости при воздействии протонов, нейтронов, гамма-излучения, тяжёлыхзаряженных частиц.

Сравнительные исследования [101] показывают, что биполярные аналогоцифровые ИМС имеют наибольшую стойкость по дозовому виду излучения (рис. 1.6, а). Крометого, снижение влияния дозовых эффектов на параметры транзисторов возможно за счётувеличения тока коллектора.Хотя по импульсным видам воздействия биполярные ИМС уступают КМОП КНИ/КНСИМС (рис. 1.6, б), они также имеют высокие показатели стойкости, что подтверждается21активным применением биполярных ИМС в установках физики высоких энергий [102, 103].Таким образом, сочетание особенностей биполярных транзисторов вместе с высокимиуровнями стойкости делают данный технологический процесс востребованным для созданиясовременной ЭКБ.а)б)Рис.

1.6 Сравнительные показатели радиационной стойкости СВЧ МИС, изготовленных поразным технологиям к дозовому (а) и импульсному (б) видам воздействия1.7 Параметры биполярных транзисторовДля определения значений граничной частоты усиления по току (fT) и максимальнойчастоты генерации (fMAX) в зависимости от параметров конструкции могут быть использованыследующие выражения [104]: =121 2= 2 [ ( + + ) + + = √8 2+ ]−1(1)(2) здесь IE – ток эмиттера; CE – емкость эмиттера; CС – емкость коллектора; CP – другиепаразитные емкости, связанные с выводом базы; WB – толщина базы; DB – коэффициентдиффузии носителей в базе; n – коэффициент, характеризующий распределение примеси в базе;vS – предельная скорость носителей в коллекторе; WCB – ширина области пространственногозаряда перехода коллектор-база; rC – сопротивление коллектора; rB – сопротивление базы.Значения пробивного напряжения коллектор-эмиттер (UКЭ0):КЭ0 = КБ0 (1 − )1/(3)зависит как от пробивного напряжения коллектор-база (UКБ0):КБ0 =2 пр211( + )(4)εS – диэлектрическая проницаемость кремния; Eпр – напряженность электрического поляпробоя; NB – концентрация примеси в базе; NC – концентрация примеси в коллекторе;так и от коэффициента усиления по току (α):22=1 1+ 2(1 − ) (5)DE – коэффициент диффузии носителей в эмиттере; NЕ – концентрация примеси вэмиттере; τn – время жизни в базе.Приведенные выражения показывают, что практически все параметры конструкциитранзисторов (сопротивления областей, емкости переходов, глубины переходов и т.д.) влияютна оптимизируемые параметры.

В связи с этим, стоит рассмотреть современный уровеньразработок в области конструкций СВЧ КБТ, в частности:‒ межэлементную изоляцию (изоляция от подложки, боковая изоляция);‒ изоляцию активных областей транзисторов;‒ конструкции областей коллектора и пассивной базы;‒ профиль распределения примеси в области активной базы и эмиттера.1.8 Элементы конструкции биполярных транзисторов1.8.1 Межэлементная изоляцияДля нормальной работы биполярной ИМС интегральные элементы должны бытьэлектрически изолированы друг от друга [9].