Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 9 )

Большое влияние на разброс параметров транзи­сторных структур оказывают характеристики коллек­торной высокоомной области. От разброса толщины и удельного сопротивления этой области зависят разбро­сы таких параметров, как пробивное напряжение и со­противление насыщения. Если (см. § 1.3) точность за­дания удельного сопротивления высокоомного эпитак-сиального слоя составляет ±20%, а точность задания толщины ±10%, то разброс сопротивления насыщения будет не менее ±30% (за счет разброса времени жиз­ни неосновных носителей в коллекторе диапазон полу­чаемых сопротивлений насыщения может быть еще больше). Таким образом, в лучшем случае сопротивле­ния насыщения будут различаться не менее чем в 2 ра­за. Разброс пробивных напряжений коллектора, на пер­вый взгляд, должен быть близок к разбросу значений удельного сопротивления, т. е. к ±20%. Однако из-за того, что толщина коллекторного высокоомного слоя выбирается близкой к толщине области пространствен­ного заряда при пробое, разброс значений пробивных напряжений будет более значительным и для основной массы структур будет составлять ±25%. При этом надо учитывать, что наличие в коллекторном слое микронеоднородностей может приводить к дополнительному уменьшению нижней границы диапазона пробивных на­пряжений коллектора.

Толщина маскирующего окисного слоя, вообще го­воря, должна быть достаточно большой для того, что­бы защитить расположенный под окислом кремний от диффузии бора или фосфора. Но слишком толстый оки­сел затруднит точное выполнение фотолитографических операций (см. далее). Однако для ВЧ транзисторов с не слишком высокой рабочей частотой (до 100 МГц) не требуется особо точная фотолитография, поэтому ограничения, налагаемые на толщину окисла, можно было бы считать достаточно слабыми. Необходимо, од­нако, отметить то обстоятельство, что во время второ­го окисления, проводимого вместе со второй стадией диффузии бора, значительная часть бора, введенного в кремний во время первой стадии диффузии, может попасть в окисел и при этом поверхностное сопротив­ление базовой области сильно изменится. В связи с этим необходимо очень точно воспроизводить условия окисления кремния при второй стадии диффузии, так как уже небольшое изменение этих условий будет при­водить к очень большим изменениям поверхностного со­противления базовой области.

Итак, при весьма высокой точности проведения тех­нологических процессов разброс параметров транзи­сторных структур может быть очень велик. Разработ­чики транзисторов пытаются осуществить дальнейшее повышение точности и воспроизводимости процессов. Например, на первых стадиях легирования областей базы и эмиттера можно использовать прецизионный ме­тод ионного легирования. Однако специалисты, исполь­зующие в своей аппаратуре мощные ВЧ транзисторы, должны себе представлять, что те разбросы парамет­ров транзисторов, с которыми им приходится сталки­ваться, получаются при реализации методов и обору­дования, обладающих почти предельно достижимой в наше время точностью.

Обсудим теперь технологические вопросы, связанные с обеспечением формы и размеров областей транзистор­ной структуры в плоскости, параллельной поверхности пластин. В основном получение заданных размеров об­ластей связано с точностью, которой обладает фотоли­тография, используемая при травлении окон в пленке двуокиси кремния и рисунков металлизации. Типовая последовательность операций при фотолитографической обработке состоит в нанесении на поверхность обраба­тываемой пластины слоя светочувствительного вещест­ва — фоторезиста, сушке этого слоя, экспонировании поверхности пластины потоком света (обычно ультра­фиолетового) через фотошаблон, представляющий со­бой стеклянную или кварцевую пластину с изображе­нием вытравливаемого рисунка. После экспонирования проводится проявление — удаление фоторезиста в тех местах, где должно проводиться травление окисла или металла. После проявления фоторезист сушат и травят те области поверхности пластины, которые не закрыты фоторезистом. После травления фоторезист удаляют со всей пластины, пластину моют, сушат и передают на дальнейшие операции.

Источниками неточностей при создании на кремнии требуемого рисунка могут быть разброс размеров изо­бражения на фотошаблоне, уход размеров при перене­сении рисунка с фотошаблона на фоторезист, уход раз­меров при травлении рисунка в окисле или на металле и ошибки при совмещении фотошаблона с рисунком, ранее созданным на поверхности кремниевой пластины. Возможности современной фотолитографии позволяют в условиях производства обеспечивать точность воспро­изведения рисунка и точность совмещения ± (0,3 — 0,5) мкм. Такая точность необходима при изготовлении СВЧ транзисторов, минимальные размеры элементов ко­торых составляют 1 мкм и менее. В мощных ВЧ крем­ниевых транзисторах минимальные размеры элементов могут составлять 3 — 4 мкм. Для создания рисунков и - совмещения последовательных слоев с такими размера­ми элементов не требуется столь высокая точность, до­стижение которой связано с серьезными затруднения­ми. Для создания и совмещения рисунков с минималь­ными размерами элементов 3 — 4 мкм достаточно иметь точность ±(1 — 1,5) мкм, что на современном уровне фотолитографии не связано с особыми трудностями, если только толщина обрабатываемых слоев не превос­ходит 1 мкм.

Говоря о требованиях к толщине маскирующих окис-ных слоев и металлических пленок на кремнии мы от­мечали, что толщину окисла надо увеличивать для улучшения качества маскировки при диффузии, а метал-

лизацию следует делать толще для уменьшения паде­ния напряжения вдоль эмиттерных токопроводящих зубцов. В то же время увеличение толщины окисла и металлизации затрудняет проведение фотолитографиче - ских операций. Например, пусть ширина эмиттерной металлизированной дорожки равна 6 мкм. Для умень - шения ее сопротивления желательно увеличивать тол-щину напыляемого металла. Однако с увеличением тол - щины металла будет расти глубина травления в боковом направлении при осуществлении фотолитографиче­ской обработки. Из рис. 2.2 видно, что после того, как толщина достигает 2 мкм, поперечное сечение практи­чески перестанет увеличиваться. Если учесть, что с ро­стом глубины травления растет еще неравномерность края, то при толщине металлического слоя свыше 2 мкм появится вероятность локального уменьшения попереч­ного сечения дорожек или даже их полного стравли­вания.

Рис. 2.2. Связь площади поперечного сечения металлизированной дорожки с ее толщиной:

а — толщина много меньше ширины; б — толщина приближается к полуширине; в — толщина больше полуширины

В последние годы получило широкое развитие на­правление работ, позволяющее и при значительной тол­щине обрабатываемых слоев сохранять их размеры. Речь идет о замене обычного жидкостного травления слоев плазмохимическим травлением. При этом прак­тически исключается подтравливание в боковом направ­лении и точность сохранения размеров может достигать ±0,1 — 0,2 мкм.

Особенностью технологии изготовления структур мощных ВЧ транзисторов является необходимость пре­дотвращения возникновения технологических дефектов. Источников возникновения дефектов очень много. Это прежде всего структурные дефекты и неоднородности в исходных эпитаксиальных пленках. Серьезными дефек­тами, возникающими в процессе окисления, являются точечные отверстия в окисле (так называемые проко­лы), посторонние твердые частицы и вырастающие вбли­зи более мелких дефектов монокристаллики кварца с острыми гранями, прокалывающие пленку резиста при проведении фотолитографии. Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе диффузии, связаны с попада­нием на пластины посторонних частиц, в особенности из фосфоросодержащих веществ (если речь идет о диф­фузии бора), с проникновением в кремний быстродиф-фундирующих примесей и с пластической деформа­цией пластин в процессе высокотемпературной (1200 °С) диффузии. Основным источником дефектов в фотолитографии являются посторонние частицы, попа­дающие на пластину или шаблон при литографии. К таким частицам следует отнести и кремниевую пыль. Вредная роль твердых частиц при фотолитографиче­ских операциях усугубляется еще тем, что, попадая между пластиной я шаблоном, они царапают слой ре­зиста, окисел, металлизацию или сам шаблон. В по­следнем случае они становятся причиной возникнове­ния дефектов и на создаваемых впоследствии структу­рах. Более подробно о всех этих дефектах сказано в-специальной технологической литературе [19, 20].

Дефекты, возникающие при создании планарных структур, являются причиной брака. Брак может быть двух видов. Он может приводить к появлению негод­ных структур в процессе их изготовления, а может про­явиться впоследствии, приводя или к катастрофическим, нли к деградационным отказам приборов. Для борьбы с браком и источниками его возникновения проводятся разнообразные мероприятия. Большинство из них но­сит общий характер, например улучшение методов и повышение качества очистки полупроводниковых пла­стин, различных используемых в производстве мате­риалов, воды, растворителей, газов, оснастки. Ряд мер носит специальный характер. Например, совмещение второй стадии диффузии бора с окислением позволяет резко снизить вредное влияние фосфоросодержащих ча­стичек, растворяющихся в растущем окисле. Для борь­бы с точечными дефектами типа проколов в процессе проведения фотолитографических операций можно про­водить фотолитографию в два этапа, нанося резист и осуществляя обработку последовательно два раза. Очень большой эффект дает переход к проекционной фотолитографии, когда не приходится приводить пластину и фотошаблон в соприкосновение. Кроме того, при ис­пользовании проекционной литографии гораздо меньше изнашиваются шаблоны и срок их службы продле­вается во много раз.