Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

ного подбора необходимых характеристик эпитаксиальных пленок. Методы получения и контроля эпитаксиальных слоев описаны в гл. 1.

Одним из наиболее существенных отличий СВЧ транзисторов от обыч­ ных ВЧ пленарных транзисторов в технологическом отношении является использование мелких диффузионных слоев для достижения высокой пре­ дельной частоты. С этой целью, как известно, стремятся уменьшить тол­ щину базовой области. В то же время такое уменьшение возможно до опре­ деленного предела, поскольку оно ведет к возрастанию распределенного соп­ ротивления базы гб. Значение поверхностной концентрации базовой примеси

напряжения эмиттерного перехода.

В качестве примера можно привести основные характеристики диффу­ зионных слоев п-р-п кремниевых СВЧ транзисторов, рассчитанных на работу в диапазоне частот 400—500 МГц, т. е. имеющих, по крайней мере, прибли­ зительно такое же значение предельной частоты fT. Коллекторный переход

рации примесей ограничивается неизбежным уменьшением пробивного нап­ ряжения перехода эмиттер—база. Так, при Rs = 50—70 Ом/квадрат про­

уменьшается до 0,2—0,15 мкм, а для диапазона частот 4—9 ГГц до 0,1 мкм. Методика осуществления диффузии для создания базовой и эмиттерной областей СВЧ транзисторов зависит от того, какие слои необходимо реали­

зовать в структуре.

*) В зависимости от специфики того или иного типа СВЧ транзистора возможна более мелкая или более глубокая диффузия бора для образования коллекторного перехода (для того же самого диапазона частот 400—500 МГц).

264

При достаточно большой глубине залегания коллекторного р-п пере­ хода, хК о ~ 1,0—1,5 мкм и более, основные технологические приемы и тем­ пературные режимы диффузионных процессов практически не отличаются от общепринятых для обычных планарных транзисторов.

Д л я выращивания первичного окисла толщиной 0,5—0,8 мкм подго­ товленные соответствующим образом эпитаксиальные пластины подвергают окислению при температуре 1200—1230° С, используя при этом комбинацию сухого и влажного кислорода. При создании базовой области первая стадия диффузии бора*) («загонка») осуществляется при температуре 950—1000° С в однозонных диффузионных печах. Могут быть использованы различные методы проведения «загонки», однако наибольшее распространение получили два.

цевой или керамической подложки и используется затем в качестве источника

Другой широко распространенный метод загонки заключается в диффу­ зии из трибромида бора ВВг 3 . Данный метод диффузии, отличающийся хо­ рошей воспроизводимостью, достаточно хорошо изучен и описан в литера­ туре [196].

Второй этап диффузии бора («разгонка») проводится при температуре 1050—1100° С с чередованием сухого и влажного кислорода.

Диффузия фосфора для создания эмиттерного перехода в большинстве практических случаев осуществляется из жидкого диффузанта РС1 3 (или РОС13 ). Температура процесса составляет 1000—1050° С.

В том случае, когда глубина залегания коллекторного перехода состав­ ляет менее одного микрона и особенно в случае очень тонких (0,3—0,4 мкм) слоев, техника проведения диффузионных процессов претерпевает сущест­ венные изменения. Д л я того чтобы обеспечить воспроизводимость двухстадий-

загонки и разгонки бора проводятся при довольно низких температурах. Так, на этапе загонки типичной становится температура 850—900° С, а на этапе разгонки 950—1000° С. Если при этом глубина диффузии бора со­ ставляет 0,3—0,4 мкм, то толщина выращенного окисла лежит обычно в пре­

Иногда с целью создания более резкого градиента концентрации приме­ сей в области коллекторного перехода второй этап диффузии бора («разгонку») осуществляют в инертной или слабо окислительной среде, после чего произ­ водят осаждение пиролитического окисла достаточной толщины и его уп­ лотнение.

слоев фосфора ход концентрационной кривой существенно отличается от ана­ логичных кривых, которые получаются при высоких температурах и дли­ тельном времени проведения процесса [20]. Наличие участка с постоянной

265

эмиттерного вытеснения. Авторами работы [197] показано, в частности, что эффект вытеснения может быть значительно ослаблен при снижении темпе­ ратуры проведения диффузии фосфора. Так, если при Т = 950° С глубина вытеснения составляла 0,25 мкм, то при снижении температуры до 925° С она не превышала 0,1 мкм. Одновременно удалось значительно снизить про­ цент структур с короткозамкнутым переходом эмиттер—коллектор. Полного отсутствия эффекта эмиттерного вытеснения можно добиться, если в качестве источника диффузии бора и фосфора использовать пленки Si0 2 , полученные путем разложения тетраэтоксисилана с одновременным легированием этих пленок соответствующим диффузантом. Температура во время процесса осаж­ дения таких пленок составляет всего 650—750° С.

Другим эффективным методом устранения вытеснения базы под эмит­ терным переходом является использование мышьяка в качестве эмиттерной примеси [198].

При создании многоэмиттерных (overlay) транзисторов или транзисторов полоскового типа, в которых предусмотрено наличие низкоомной /?+ -сетки, появляются дополнительные трудности. Если в случае достаточно глубоких диффузионных слоев возможно проведение диффузии бора с целью получе­

( < 0,2 мкм) СВЧ транзисторов все большее применение находит метод ионнолучевого легирования. Ионное внедрение позволяет получать однородное

никой из-за различной глубины проникновения примесных ионов и дисперсии энергии пучка [163].

Несомненным преимуществом ионного легирования является возмож­ ность уменьшить эффект вытеснения базовой области под эмиттером за счет использования мышьяка вместо фосфора. Однородное распределение примесей в эмиттере и очень тонкая база позволяют значительно снизить коэффициент шума.

В случае мелких переходов резко возрастают требования к качеству эпитаксиальных структур. Очень важно иметь минимальное количество дислокаций, поскольку в противном случае ускоренная диффузия эмиттер­ ной примеси по этим дислокациям приведет к появлению большого коли­ чества «трубок» между эмиттером и коллектором и резко снизит процент вы­ хода годных структур (особенно в случае мощных транзисторов с большой площадью).

Как правило, при создании мощных СВЧ транзисторов с предельной частотой fT > 1 ГГц из-за исключительно малых размеров отдельных эмиттерных областей не проводится второй этап диффузии фосфора («подокисление») и вскрытие контактных окон в эмиттере. Поскольку при этом прихо­ дится в последующем осуществлять создание омических контактов непосред­ ственно к тем областям, которые открываются в окисле перед проведением мелкой диффузии фосфора, очень существенным становится решение проблемы металлизации. Принципиальная возможность создания омических контактов к эмиттерным областям, не имеющим специального контактного окна в окис-

266

Глава десятая

ВТОРИЧНЫЙ ПРОБОЙ И ПРОБЛЕМА ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ В М О Щ Н Ы Х В Ы С О К О Ч А С Т О Т Н Ы Х ТРАНЗИСТОРАХ

10.1. Причины возникновения вторичного пробоя

Применение мощных ВЧ и СВЧ планарных транзисторов в раз­ личных радиотехнических устройствах в ряде случаев ограничивает­ ся явлением, которое носит название «вторичного пробоя».

Первоначально это явление наблюдалось только в режиме об­ ратного смещения на эмиттерном р - п переходе, когда транзистор работал в области так называемого «первичного пробоя» (условием

аналогичное явление может развиваться и при работе транзистора в активной области, однако механизм возникновения и развития вторичного пробоя в этом случае существенно отличен от преды­ дущего.

Общим для обоих случаев является то, что при работе тран­ зистора как в активном режиме, так и в режиме отсечки коллектор­ ного тока вторичный пробой непосредственно связан с перераспреде­ лением тока в транзисторной структуре и потерей термической устой­ чивости. Сам вторичный пробой характеризуется резким, скачко­ образным переходом транзистора через область с отрицательным сопротивлением в режим низкого напряжения и большого тока коллектора и, как правило, приводит к полной деградации и вы­ ходу прибора из строя.

Анализ большого количества транзисторов, вышедших из строя в результате вторичного пробоя, показал, что он возникает из-за концентрации («шнурования») тока в пределах малых обла­ стей активной площади прибора. Проблема равномерного токораспределения по структуре и отвода выделяющегося тепла в мощ­ ных высокочастотных планарных транзисторах в связи с этим при­ обретает исключительно важное значение. В самом деле, если в тран­ зисторе существуют или в какой-то момент времени реализуются условия, приводящие к значительной неоднородности в распреде­ лении тока, то возникает тепловая нестабильность из-за появления участков с более высокой температурой по сравнению с окружаю­ щими областями («горячих пятен»). Локальное повышение темпе­ ратуры горячих пятен вызывает появление дополнительных носи-

271

телей и более высоких плотностей тока, что, в свою очередь, спо­ собствует дальнейшему повышению температуры и в конечном итоге приводит к проплавлению алюминиевой металлизации в области этих горячих пятен и закорачиванию перехода эмиттер — кол­ лектор.

В настоящее время признано, что вторичный пробой представ­ ляет собой одну из самых серьезных проблем в обеспечении надеж­ ной эксплуатации мощных ВЧ транзисторов, поскольку он в зна­ чительной степени сужает область безопасной работы: даже при наличии запасов по рабочим режимам транзистор может выйти из строя при средней мощности, существенно меньшей предельно допустимой. Механизм возникновения и развития вторичного про­ боя, а также время предпробойной задержки зависят от режима

прямого, нулевого и обратного токов базы. Во всех трех случаях видно характерное внезапное уменьшение напряжения UKg при одновременном возрастании тока, указывающее на появление вто­ ричного пробоя.

При работе транзистора в активном режиме (прямое смещение на переходе эмиттер —база) возникновение вторичного пробоя в первую очередь связано с нарушением равномерного токораспределения, образованием локальных областей перегрева и потерей тер­ мической устойчивости. Пожалуй, наиболее правильным физи­ ческим объяснением возникновения вторичного пробоя в условиях прямого смещения перехода эмиттер — база является теория попе-

0 h

272