Диссертация (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов), страница 7

[121]компанией IBM был запатентован метод по созданию щелевой изоляции с помощью травленияв плазме Cl2/Ar. После этого количество разработанных процессов с применением щелевойизоляции резко увеличилось. Стандартный технологический процесс формирования глубокихU-образных щелей подробно описан в статьях [122], [123] и включает в себя: формированиемаски, анизотропное травление, формирование противоинверсной области, заполнениедиэлектриком и поликремнием, планаризацию поверхности.

Данная конструкция щелевойизоляции на данный момент является наиболее распространенной.На конструкцию области щелевой изоляции в КБТП оказывает влияние метод изоляциитранзисторов от подложки. В случае использования КНИ-подложек не требуется созданияпротивоинверсных областей [124]. Для комбинированной изоляции КБТП, наличие глубокогослоя n– требует травления щели на большую глубину, в сравнении с биполярной технологией(рис.

1.8, а).27а)б)Рис. 1.8 Конструкция области глубокой щелевой изоляции pnp-транзистора:а) стандартная, б) планаризация поверхности объединена с формированием ЛОКОС-изоляцииНедостаточная глубина травления (менее суммарной толщины эпитаксиальной пленки ислоя изоляции n–) приводит к отсутствию разделения области n– и обеспечивает толькоуменьшение влияния боковых областей скрытого слоя p+ (рис. 1.9).Рис. 1.9 Конструкция высоковольтного pnp-транзисторас недостаточной глубиной щелевой изоляциейВ работе [125] была показана конструкция вертикального pnp-транзистора с двумяобластями щелевой изоляции, обеспечивающими как максимальное снижение влияния боковойобласти коллектора, так и изоляцию от соседних элементов.

При этом две области изоляцииформировались с одной глубиной. Использование одной глубины травления приводит кследующим возможным ситуациям: малая глубина щели приводит к росту площади переходаизоляция/подложка за счёт увеличения боковых областей; большая глубина может привести квозникновению области изоляции с плавающим потенциалом, в случае, если будет полностьюпротравлен слой n–. Использование двух различных по глубине областей щелевой изоляциипозволяет устранить указанную проблему, однако усложняет технологический процесс.Вариантом снижения побочных эффектов для полосковой топологии БТ является метод, прикотором только с одной из четырех сторон коллектора pnp-транзистора формируется контакт к28слою n–. Щелевая изоляция ограничивает 3 из 4 боковых областей коллектора и не меняетзначение напряжения пробоя, определяемого со стороны контакта n+ к области изоляции.Режимы формирования отдельных элементов конструкции глубокой щелевой изоляциимогут меняться в зависимости от требований конкретного технологического процесса, а такжеимеющегося технологического оборудования.

Например, стоит отметить более чем двукратнуюразницу в оптимальных значениях дозы имплантации противоинверсной области, полученных вработах [126] и [127]. Режим окисления боковых стенок вытравленной щели зависит от уровнямеханических напряжений, возникающих в данный момент в структуре.Помимо глубины травления и других особенностей формирования боковой изоляцииважным является вопрос планаризации поверхности и закрытия щели пленкой диэлектрика. Влитературе описаны различные технологии планаризации поверхности [126 – 130],позволяющие упростить процесс формирования и снизить механические напряжения.Например, указанный процесс может быть оптимизирован за счёт объединения с методомЛОКОС-изоляции [126], что сокращает общее число технологических операций, посколькупроцесс покрытия щели происходит на этапе формирование ЛОКОС-изоляции.

На рис. 1.8, бпредставлен пример подобной конструкции области боковой изоляции. Указанный метод будетиспользоваться для исследуемого КБТП.При оптимизации процесса формирования щелевой изоляции для современныхтехнологических процессов разработчики также уделяют внимание следующим вопросам:– обеспечение оптимальных геометрических характеристик транзисторов с учетомщелевой изоляции [130 – 132];– снижение механических напряжений [133 – 135];– исследование влияния конструкции и режимов формирования щелевой изоляции надополнительные элементы технологического процесса [136];– рассеянию тепла [117].Подробно рассматриваются особенности построения глубокой щелевой изоляции прииспользовании КНИ-подложек.

Важным вопросом для оптимизации процесса формированияБТ является воздействие температурных обработок, используемых при формировании боковойизоляции, что для субмикронного высоковольтного биполярного технологического процессабыло рассмотрено в работе [130]. Для КБТП данный вопрос становится ещё более актуальным.В результате анализа методов межэлементной изоляции стоит сделать ряд выводов:– создание СВЧ БТ со значениями граничной частоты вплоть до 40 ГГц возможно слюбым из перечисленных методов; однако, повышение быстродействия ИМС, а такжеповышение симметрии параметров КБТ требует снижения паразитных емкостей, чтообеспечивается, прежде всего, применением комбинированной или полной диэлектрической29изоляцией.

Наличие у зарубежных производителей ряда технологических процессов сразличными методами изоляции требует проработки подобных вариантов;– исследование процесса с диэлектрической изоляцией на КНИ-подложках требуетизучения режимов формирования скрытых слоев и их влияния на другие активные области КБТ;– для процесса с комбинированной изоляцией также необходимы исследования режимовформирования области изоляции от подложки и их влияние на напряжение прокола/пробоя.– для использования глубокой щелевой изоляции в исследуемом КБТП (с учетомограниченных возможностей технологического оборудования отечественных предприятий)необходимо оценить влияние на основные параметры КБТ глубины щелей, параметровпротивоинверсной области p+, температурного режима формирования изоляции, методовпланаризации поверхности.1.8.2 Область коллектораНа рис.

1.10 представлена стандартная конструкция КБТ, для которой отмеченысопротивления основных составных частей области коллектора: глубокий коллектор (R1),скрытый (R2) и слаболегированный (R3) слои. В зависимости от типа транзистора в качествеслаболегированнойобластивпланарно-эпитаксиальнойтехнологиивыступаютлибоэпитаксиальная пленка, либо перекомпенсированная область.Рис. 1.10 Структура npn-транзистора с выделением составных частей коллектораСильнолегированный скрытый слой является обязательным элементом конструкции БТи формируется операциями диффузии или имплантации примеси. Однако, в каждомконкретном случае разработки технологического процесса, особенно комплементарного,возникают следующие вопросы:– влияние обратной диффузии примеси в слаболегированный коллектор на параметры (fT,UКЭ0) транзисторов [69 – 71];– влияние на напряжение прокола/пробоя области изоляции.Приформированиислаболегированногоколлекторавпланарно-эпитаксиальнойтехнологии используют два варианта: рост слаболегированной эпитаксиальной областиколлектора n- или p-типа.30Наиболее распространенный метод формирования коллекторов КБТ следующий: наподложке p-типа проводимости с помощью эпитаксии выращивается слой n-типа, являющийсяколлекторомnpn-транзистора,коллекторpnp-транзистораформируетсяспомощьюперекомпенсации n-области примесью p-типа.

Стоит отметить, что для большинства КБТПпараметры эпитаксиальной пленки производители ИМС зачастую или держат в секрете [52],или представляют неполные сведения, из которых невозможно точно определить используемыезначения толщины и сопротивления, обеспечивающие необходимые значения fT и UКЭ0 [137].Второйметод,прикоторомнаподложкуn-типапроводимостиосаждаетсяэпитаксиальная пленка p-типа, используется компанией Analog Devices [138].

Основноепреимущество метода – возможность получения равномерного профиля распределения примеси,существенноупрощающегоопределение оптимальныхпараметров слаболегированногоколлектора pnp-транзистора. Однако, низкие коэффициенты диффузии донорной примеси (всравнении с бором) [139] приводят к возрастанию времени, необходимого для формированияобласти перекомпенсации n-типа, что, в свою очередь, увеличит обратную диффузию из слояp+ и может нивелировать преимущества эпитаксии p-типа.Существенным недостатком метода эпитаксии p-типа является также следующее:высокая подвижность электронов обуславливает применение областей n-типа проводимостипри построении дополнительных интегральных элементовКБТП.

В частности, всеинтегральные диоды Шоттки формируются с применением области n-типа. Построениеградиентного профиля для данных приборов не имеет преимуществ, поскольку приводит ксущественному снижению напряжения пробоя. Таким образом, метод эпитаксиального ростапленки p-типа не позволит формировать СВЧ ДШ с высоким значением напряжения пробоя.Преимуществами эпитаксиального роста пленок n-типа проводимости также являетсявысокая технологичность и широкое распространение на территории РФ. Соответственно, вданной работе при исследованиях КБТП будет рассматриваться только эпитаксия n-типа.Стоит отметить, что формирование эпитаксиальной пленки – операция, приводящая кмаксимальной обратной диффузии из скрытого слоя, поскольку проводится при высокойтемпературе и большой длительности.

Данный факт особенно важен в случае использованиятонких эпитаксиальных пленок, необходимых для построения СВЧ БТ [137].На процесс формирования профиля распределения примеси в результате эпитаксиивлияют два эффекта: автолегирование и обратная диффузия. Процесс автолегированияопределяется различными факторами: установкой эпитаксии, газовой смесью, расположениемпластины в реакторе и т.д. Процесс обратной диффузии, в первую очередь, определяетсярежимом, при котором проводится эпитаксия.

В таблице 1.6 представлено сравнениетемпературы процесса и скорости эпитаксиального роста для стандартных прекурсоров,31используемых при формировании кремниевых пленок [139]. Из таблицы следует, что скоростьэпитаксиального роста и температура могут существенно варьироваться, что приводит кизменению величины обратной диффузии и режимов формирования оптимального профиля.Источник кремнияSiH4SiHCl3SiH2Cl2SiCl4Таблица 1.6 – Параметры эпитаксиального роста кремниевых пленокДиапазонДиапазон скоростиТребуемый уровеньтемпературыроста, мкм/мин.концентрацииoроста, Сокислителя, 10-4 %950–10500,2–0,3<21100–12000,4–2,05–101050–11500,4–3,0<51150–12500,4–1,55–10На величину обратной диффузии существенное влияние оказывает сопротивлениескрытых слоев.

Уменьшить обратную диффузию наиболее просто с помощью сниженияконцентрации в скрытом слое, что, однако, повысит сопротивление коллектора и окажетвлияние на значения fT и другие параметры КБТ. В литературе представлен ряд других методовпо снижению обратной диффузии. Так в работе [29] описано использование отжига скрытогослоя p+ pnp-транзистора в окисляющей атмосфере, позволяющего увеличить точность контроляобратной диффузии за счёт сегрегации примеси в растущий окисел. Недостаток данного методанаблюдается при использовании в транзисторах с комбинированной изоляцией (рис. 1.11).Видно, что с применением окисления существенно снижается толщина области изоляции.Рис. 1.11 Сопоставление профилей распределения примеси для системы скрытых слоевpnp-транзистора при использовании дополнительного окисления и безК методам подавления диффузии также можно отнести введение фтора [140] илиуглерода [141]. Указанные методы применяются, в основном, для СВЧ SiGe БТ, и в даннойработе рассматриваться не будут.