книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

Глава первая

ОС Н О В Ы П Л А Н А Р Н О Й ТЕХНОЛОГИИ

1.1.Особенности пленарных приборов

Современные кремниевые планарные транзисторы составляют широкий класс приборов с различными параметрами и областями применения.

Наиболее широко распространены транзисторы общего приме­ нения. Они характеризуются невысокими рабочими напряжениями, предельными частотами порядка сотен мегагерц и рассчитаны на токи от единиц до десятков миллиампер. Мощность таких транзис­ торов лежит в пределах от 50 мВт до 1—3 Вт. В пределах своего клас­ са транзисторы общего применения имеют некоторые отличия, свя­ занные в основном с диапазонами рабочих токов и предельных ча­ стот, что приводит к непринципиальным различиям в геометрии активных областей и параметрах материала подложки.

Мощные планарные транзисторы — это, как правило, приборы специального применения, отличающиеся большими рабочими тока­ ми — от единиц до десятков ампер. Рабочие напряжения их и пре­ дельные частоты того же порядка, что и у транзисторов общего при­ менения. Мощные транзисторы, рассчитанные на рабочие напряже­ ния порядка нескольких сотен вольт, выделяют обычно в отдельный класс высоковольтных планарных транзисторов, а мощные транзис­ торы с предельными частотами от 300 МГц и выше составляют класс мощных СВЧ транзисторов.

Мощные СВЧ транзисторы появились несколько позднее планарной технологии, однако, несмотря на это, к настоящему времени они образуют обширный класс приборов, работающих в диапазоне частот до нескольких гигагерц и отдающих мощность десятки, а на частотах до 1 ГГц — сотни ватт.

Отдельно можно выделить высоковольтные планарные транзис­ торы, для которых рабочие напряжения составляют сотни вольт. Большинство транзисторов этого класса рассчитано на малые токи и являются приборами малой и средней мощности. Существуют так­ же мощные высоковольтные транзисторы с рабочими токами до не­ скольких ампер. Рассмотренные классы приборов сложились исто­ рически по мере разработки технологических приемов, конструкций приборов, а также совершенствования технологии произодства планарных транзисторов.

Полезно сравнить кремниевые планарные транзисторы по основ­ ным параметрам с их предшественниками, начиная от первых образ-

10

цов точечных германиевых приборов, далее со сплавными и мезадиффузионными на основе германия и кремния. В табл. 1.1 представ­ лены диапазоны рабочих напряжений, токов и предельных частот для всех четырех типов транзисторов. В ней показано, что кремни­ евые планарные транзисторы превосходят по основным параметрам все имеющиеся типы приборов. Исключение представляют лишь высоковольтные приборы, в которых меза-диффузионные транзисто­ ры имеют более широкий диапазон рабочих напряжений. Следует отметить также, что изготовление мощных планарных транзисторов связано с заметными трудностями по сравнению с производством их по меза-диффузионной технологии, однако планарные приборы име­ ют значительные преимущества с точки зрения надежности и тех­ нологичности, что привело к их широкому распространению.

Планарные приборы обладают специфическими свойствами. Планарный транзистор (рис. 1.1) характеризуется прежде всего тем, что р-п переходы база — коллектор и эмиттер •— база выходят на поверхность кристалла в одной плоскости («плане»), откуда и произошло название «планарный».

Области базы и эмиттера получают диффузией соответствующих примесей (обычно бора и фосфора) в подложку (кремний п-типа). Диффузия этих примесей проводится не по всей поверхности под- *

образом, используется так называемая локальная диффузия с при­ менением масок, обеспечивающих избирательное введение примесей.

В кремниевых планарных транзисторах наиболее распростра­ нена окисная маскировка при локальной диффузии, сущность ко­ торой заключается в создании сплошной маскирующей пленки оки-

Рис. 1.1. Структура планарного п-р-п тран­ зистора:

11

си кремния по всей поверхности будущей планарной структуры с по­ следующим вытравливанием участков этой пленки, в которые затем проводится диффузия. Окись кремния является маской для бора, фосфора и некоторых других элементов благодаря большой разнице в коэффициентах диффузии этих примесей для окисла и кремния. Поэтому, вырастив окисную пленку нужной толщины, можно для каждого режима обеспечить локализацию диффузии, т. е. в от­ крытые участки кремниевой подложки диффузия пройдет на нужную глубину при заданной концентрации, в то время как в маскирующую пленку атомы примеси внедрятся лишь на небольшое расстояние от поверхности.

Такой способ локализации диффузии ведет к появлению искрив­ ленных участков р-п перехода по периферии. На границе окисной маски диффузия идет не только в глубь материала, но и вдоль поверхности под маску. В первом приближении проникновение при­ меси параллельно поверхности («боковая диффузия») можно считать равным глубине диффузии на незамаскированном участке поверх­ ности. Таким образом, при локальной диффузии в планарных при­ борах р-п переходы имеют искривленные участки с радиусом кри­ визны, приблизительно равным глубине их залегания, и выходящие на поверхность под окисной маской.

Эта особенность планарных приборов имеет свои положитель­ ные стороны, заключающиеся прежде всего в том, что р-п переходы не загрязняются в процессе последующих технологических опера­ ций. Кроме того, заключительные стадии изготовления планарной структуры обычно имеют целью создание на базе окисной маски пас­ сивирующего слоя, что обеспечивает высокую надежность и стабиль­ ность параметров планарных транзисторов.

Имеются, однако, и отрицательные последствия «боковой диф­ фузии», вызывающей искривление р-п перехода, которое приводит к снижению пробивных напряжений планарных р-п переходов.

Маскировка поверхности при диффузии проводится не только при создании базовой области, но и при диффузии в эмиттер. В свя­ зи с этим для планарной технологии характерна диффузия в две ста­ дии. Во время первой стадии вводятся примеси, а во время второй — не только перераспределяются примеси, но и создается4 окисная мас­ ка под следующую диффузию. Вторая стадия диффузии в планарной технологии осуществляется поэтому в окислительной среде; пере­ распределение примеси идет с одновременным окислением поверх­ ности кремния, что не только во многом определяет режимы диффу­ зии, но и в значительной степени изменяет процесс перераспределе­ ния примеси.

Спецификой планарной технологии является также создание рельефа по окисной пленке с помощью фотолитографии. Поэтому в планарной технологии важны не только методы получения окисных масок, но и вопросы фотолитографии.

Пассивация р-п переходов кремниевых планарных транзисто­ ров также имеет свои особенности. В отличие от транзисторов дру-

12

пассивируется индивидуально, то в планарной технологии первая же

трудоемкость изготовления приборов. Кроме того, появляется воз­ можность отбраковки структур на пластине по основным пара­ метрам, что позволяет иметь высокий выход годных приборов на наиболее трудоемких сборочных операциях.

1.2. Технологический цикл изготовления типового планарного транзистора

Чтобы составить представление о производственном цикле изготовления планарного транзистора, рассмотрим типовой про­ цесс изготовления п-р-п транзистора общего применения (рис. 1.2). В левой части рис. 1.2 показана последовательность фотолитогра­ фических операций, в средней части — термические процессы и спра­ ва — для наглядности — сечение одиночной структуры после каж­ дой операции.

Исходным материалом для изготовления планарного транзис­ тора служит пластина п-кремния (либо п-п+ структура — при изготовлении транзистора с низкоомным коллектором). В зависи­

X см. Толщина высокоомного слоя в планарно-эпитаксиальном транзисторе составляет обычно 10—20 мкм при толщине всей плас­ тины 150—200 мкм.

Поскольку планарно-эпитаксиальные транзисторы получили наибольшее распространение, остановимся несколько подробнее на основных вопросах получения эпитаксиальных пленок.

Для получения эпитаксиальных пленок используются различ­ ные технологические методы. Наибольшее распространение, одна­ ко, получили методы выращивания из газовой фазы — водородное восстановление тетрахлорида кремния, а также водородное восста­ новление трихлорсилана и термическое разложение моносилана. Относительно низкие скорости роста, обеспечивающие совершен­ ство структуры и возможность точного контроля толщины эпитаксиального слоя, простота управления такими параметрами, как тем-

13

пература кристаллизации и концентрация реагирующих агентов, ••— таковы основные достоинства этих методов.

Наиболее технологичным и распространенным методом эпитаксиального выращивания является метод восстановления тетрахлорида кремния водородом при температуре 1150—1250° С.

Основными преимуществами данного метода являются:

— достаточно изученные термодинамика и кинетика процессов замещения;

—хорошая воспроизводимость электрофизических характе­ ристик получаемых эпитаксиальных структур;

—технологичность производства исходных реактивов высо­ кой чистоты;

—сравнительно низкая себестоимость пленок.

Чтобы получить эпитаксиальные структуры с заданным удель­ ным сопротивлением (или определенным характером распределе-

Рис. 1.2. Схема изготовления маломощного п-р-п транзистора.

14

ния примесей), их легируют во время процесса эпитаксиального выращивания с помощью трехбромистого бора (ВВг3 ) — для созда­ ния слоев р-типа и треххлористого фосфора (РС13) — для создания слоев /г-типа. Данные соединения обладают близкой к тетрахлори^ ду упругостью паров, что облегчает расчет и контроль концентра­ ции примесей в газовой фазе и пленке,

В общем случае лучшее качество эпитаксиальных пленок до­ стигается при высоких температурах и малых скоростях осаждения. Значительную роль при этом играет подготовка поверхности под-1 ложки, на которую происходит наращивание эпитаксиального слоя, поскольку именно она определяет совершенство кристаллообразова­ ния во время роста. Разного рода нарушения структуры поверхности (дислокации, механические повреждения, примеси, адсорбирован­ ные или хемосорбированные поверхностью, остатки окисной пленки) вызывают образование центров кристаллизации и, как следствие, — дефектов.

Во избежание этого поверхность кремниевой подложки после технической полировки на тонких алмазных порошках или пастах с размером зерна 0,5—1 мкм и тщательной химической отмывки под­ вергается газовому травлению в потоке хлористого водорода. Газо­ вое травление проводят в реакторе эпитаксиального наращивания.

Готовые пластины поступают на термическое окисление. Перед этим процессом поверхность пластин тщательно обрабатывают. Ти­ повой обработкой является полировка алмазным порошком с разме­ ром зерна до 0,5 мкм или шлифовка окисью алюминия с последую­ щим травлением в кислотных полирующих травителях. В приборах специального назначения может быть проведена электрохимическая полировка, дающая высококачественную поверхность. В случае использования эпитаксиальных пленок проводится лишь тщатель­ ное удаление всевозможных загрязнений, заключающееся в обез­ жиривании поверхности (в органических растворителях), окисле­ нии остатков органических загрязнений (в азотной или серной кис­ лоте и пергидроли) и тщательной промывке в высокочистой воде.

лексообразующих веществ, способных связывать ионные загрязне­ ния в легко удаляемые комплексы. Очищенные пластины либо высу­ шивают на центрифуге, либо погружают в чистый, легко испаря­ ющийся растворитель, удаляемый затем потоком горячего газа не­ посредственно в момент загрузки пластин в реакционную камеру для термического окисления.

Термическое окисление проводят при температуре около 1200° С

втечение двух-трех часов: вначале в сухом кислороде, затем в атмо­ сфере увлажненного кислорода и на заключительном этапе — вновь

всухом кислороде. В процессе окисления на поверхности пластин образуется окисная пленка толщиной 0,5—1 мкм.

Первая фотолитография, вскрывающая в окисле «окна» опре­ деленной для данной конструкции конфигурации под последующую

15

диффузию бора для создания базовой области, осуществляется в ти­ повых режимах. Травление окисла производят в растворе плавико­ вой кислоты, содержащем фторид аммония. Рельеф (структура) пос­ ле фотолитографии под базовую область приводится на рис. 1.3, а.

ной в несколько десятых микрона с поверхностной концентрацией, равной предельной растворимости бора в кремнии при температуре диффузии. После загонки бора пленку боросиликатного стекла сни­ мают в растворе плавиковой кислоты, пластины промывают в деионизованной воде и загружают в печь для проведения второй стадии диффузии — перераспределения примесей одновременно с окисле­ нием.

Режим второй стадии: 1050—1250° С в течение нескольких часов. Как и при первом окислении, используется кислородная атмосфера с увлажнением и без увлажнения. По окончании второй стадии про­ водят контроль диффузии.

Вторая фотолитографическая обработка (рис. 1.3, б) локализу­

16

циальных фильтров. В скафандре создают ламинарный поток чисто­ го воздуха, препятствующий попаданию загрязнений из окружаю­ щей среды. Реактивы, применяемые в производстве, там, где это возможно, поступают на рабочие места после дополнительной фи­ нишной тонкой фильтрации. Это прежде всего относится к реакти­ вам, используемым при химической обработке пластин и фотолито­ графии, деионизованной воде и газам, используемым в термических процессах. Передача пластин после химической обработки на тер­ мические операции, а также после диффузионных процессов на фото­ литографию осуществляется в герметизированных контейнерах, за­ грузка в контейнеры и разгрузка — обязательно в обеспыленной среде.

Длительное хранение пластин после химической обработки обычно не допускается. Процессы химической обработки, как пра­ вило, разрабатывают с таким расчетом, чтобы в течение нескольких часов рабочие пластины были обязательно переданы на следующую операцию. В случае непредвиденной задержки пластины проходят дополнительную (обычно менее сложную) обработку и лишь после этого продолжают технологический цикл.

Современный подход к производству планарных приборов тре­ бует жесткого графика движения рабочих партий по основным опе­ рациям. Обусловлено это тем, что адгезия фоторезистов максимальна со свежеотожженной окисной пленкой, и только в этом случае можно добиться высоких результатов фотолитографии. Большое значение имеет также сокращение разрыва между первой и второй стадией диффузии, поскольку операцияа введения примесей иногда сопровождается осаждением излишнего количества диффузанта на маскирующую окисную пленку и, как следствие этого, ухудшением ее качества.

Для уменьшения неконтролируемых загрязнений загрузку пластин в диффузионные печи осуществляют через специальные обес­ пыленные боксы, либо загружают предварительно пластины в рабо­ чие лодочки, которые затем транспортируются в герметичном контей­ нере к диффузионной печи, а контейнер стыкуют в момент загрузки с реакционной трубой печи. Уменьшению дефектообразования в зна­ чительной степени способствует соблюдение жесткого графика обра­ ботки рабочих камер (труб) печей, в которых проводится диффузия, отжиг держателей пластин непосредственно перед проведением диф­ фузионных процессов, чистота приспособлений для контроля темпе­ ратуры, загрузки лодочки и т. д.

Соблюдение рассмотренных выше условий практически пол­ ностью определяет выход годных изделий при выбранной методике проведения диффузионных и фотолитографических операций.

Перейдем к более подробному описанию основных процессов планарной технологии.

18

1.3. Методы получения и свойства окисных пленок кремния

Планарная технология располагает несколькими методами получения окисных пленок кремния, используемых при диффузии

вкачестве масок. К важнейшим из них можно отнести:

—термическое окисление кремния;

—осаждение окисла кремния с помощью пиролиза силанов;

—анодное окисление в растворах электролита;

—окисление в тлеющем разряде;

—осаждение окисла при помощи химических реакций пере­

носа;

— реактивное распыление кремния.

Перечисленные методы, безусловно, имеют определенные досто­ инства и недостатки при использовании их в производстве полупро­ водниковых приборов.

Так, например, пиролиз силанов, реактивное распыление и ре­ акции переноса позволяют получать окисные пленки не только на кремнии, но и на других материалах, что может быть использовано в планарных германиевых приборах, а также в приборах на основе интерметаллических соединений Аш By. Методы низкотемпера­ турного окисления и реакции переноса используются для создания пассивирующих слоев на структурах с рельефом. Анодное окисле­ ние может быть успешно применено для создания пленок легиро­ ванного окисла, что позволяет вести диффузию из таких пленок. Для пассивации структур различной геометрии может быть также использовано реактивное напыление.

Пиролиз силанов используется в планарной технологии на кремнии для получения толстых слоев окисла при низких температу­ рах, когда термическое окисление неприемлемо из-за существенного изменения параметров диффузионных слоев при температурах окис­ ления. Применение таких пленок необходимо в специальных типах

Рассматривая кратко технологию пиролитического окисления следует отметить, что наиболее часто применяется два метода: пиро­ лиз в потоке газа-носителя и вакуумный пиролиз.

В первом методе газ-носитель, проходя через барботер, захва­ тывает пары силана и поступает в реакционную камеру, представля­ ющую собой обычно кварцевую трубу, помещенную в печь с тем­ пературой, достаточной для разложения силана. Наиболее часто используют тетраэтоксисилан, разлагающийся при температурах порядка 700° С. При разложении образуется двуокись кремния, которая осаждается на помещенные в рабочую зону печи кремниевые пластины. Этот метод дает наиболее совершенные по структуре

19-