автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструктивно-технологический базис для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур

На правах рукописи

ДЕМИДОВА ЮЛИЯ БРОНИСЛАВОВНА

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС ДЛЯ МИКРОСХЕМ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ САМОФОРМИРУЕМЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена в Государственном учреждении Научно-Производственный Комплекс «Технологический центр», Московского Государственного Института Электронной Техники (Технический университет)

Научный руководитель:

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

ГУ НПК «ТЦ» МИЭТ Луканов Н.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кремлев В.Я.

доктор технических наук

профессор Лаврищев В.П.

Ведущая организация: ОАО «Ангстрем» (г.Зеленоград)

Защита диссертации состоится « »_2004 года в

_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 по

присуждению ученых степеней в Московском государственном институте электронной техники по адресу: Москва, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан «¿¿Р » 2004 года

Ученый секретарь Диссертационного совета

Д.т.н., профессор д^^^£.А.Неустроев

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В последние годы наблюдается заметный рост новых технологий микроэлектроники и увеличение рынка продаж интегральных схем радиочастотного и микроволнового диапазона для создания глобальной информационной системы XXI века. На базе беспроводной техники выполняются практически все информационные сети, как коммерческие (типа'Тлобальная решетка" - Global Grade), так и военные (типа "Театр тактических действий" - Tactical Theater). Кроме того (см. Гл.1), дальнейшее развитие сверхпроизводительных и сверхбыстродействующих супер-ЭВМ, новых мини-супер-ЭВМ, бортовых вычислительных устройств, сверхбыстродействующих оптоэлектронных телекоммуникационных систем и систем спутниковой связи требует разработки нового поколения сверхскоростных ИС, БИС, СБИС и У БИС на базе транзисторных структур (ТС) с субмикронными размерами. Новая элементная база может быть реализована с применением новых методов самосовмещения (МСС) и методов самоформирования (МСФ) при минимальном числе критичных процессов литографии. Эти методы позволят изготавливать самоформируемые транзисторные структуры (СТС) с субмикронными размерами элементов. Создание ряда радиочастотных схем для навигационных систем связи с улучшенными характеристиками по линейности, потребляемой мощности и уровню шумов требует разработки дешевых биполярных СТС на кремнии с граничной частотой fT и максимальной частотой генерации fniax в диапазоне 15-50 ГГц.

В докторских диссертациях Янушониса С.С., Луканова Н.М., Саурова А.Н. рассматривались вопросы, связанные с применением различных методов самосовмещения и самоформирования к быстродействующим транзисторам. Однако, в этих работах не были рассмотрены проблемы, связанные с самоформированием СВЧ биполярных транзисторных структур полоскового типа с предельно узкой пассивной областью базы для резкого уменьшения паразитной емкости перехода коллектор-база, а также не рассмотрены вопросы, связанные со сведением к минимуму паразитных эффектов, возникающих при использовании реактивно-ионного травления и вопросы, связанные с устранением узких (критичных) мест в конструкции и технологии изготовления таких СВЧ структур.

Таким образом, актуальной является проблема по созданию нового конструктивно-технологического базиса, основанного на комплексном применении специальных методов точной локализации субмикронных элементов и способов их самоформирования, который позволит существенно минимизировать размеры элементов СТС и улучшить их характеристические параметры. При этом разработанный базис должен в определенной степени быть пригодным в перспективе и для формирования СТС при использовании новых материалов 810е, ОаАв и 1пР, которые необходимы для достижения и в диапазоне 100 - 500 ГГц.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является создание и исследование конструктивно-технологического базиса для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ЗАДАЧИ:

1) Провести анализ состояния и тенденций развития самоформируемых транзисторных структур (СТС) и ИС на их основе.

2) На основе проведенного анализа определить объект исследований - конструктивно-топологический и структурно-технологический базис для реализации СВЧ СТС и СВЧ ИС применительно к имеющемуся в ГУ НПК «ТЦ» оборудованию и материалам.

3) С целью оценки пригодности выбранного базиса для проектирования СВЧ ИС на кремнии провести анализ и моделирование характеристических параметров микросхемы конкретного типа.

4) Для экспериментальной оценки возможности воспроизведения базиса разработать детализированные конструктивные схемы и технологический маршрут изготовления СВЧ СТС и СВЧ ИС.

5) Провести анализ и экспериментальные исследования критичных узлов в конструкции СВЧ СТС и технологии их изготовления.

6) С учетом выбранных МСС и МСФ и применительно к выбранному базису разработать конструктивно-технологические ограничения (КТО) на проектирование топологии СВЧ микросхем с технологическими и тестовыми структурами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

1. Разработан новый конструктивно-технологический базис (для проектирования и изготовлния СВЧ сверхинтегрированных структур и радиочастотных микросхем), основанный на комплексном применении методов точной локализации субмикронных элементов и способов их самоформирования.

2. С помощью специализированного приборно-технологического моделирования САПР проведена оценка пригодности базиса для проектирования и изготовления СВЧ ИС на кремнии. Моделирование параметров выбранной микросхемы малошумящего широкополосного усилителя (МШУ) помогло определить основные закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры СВЧ СТС с электрическими характеристиками СВЧ ИС. Получена модель МШУ с рабочей частотой до 2,4 ГГц при коэффициенте шума 1,196 дБ (граничная частота базового проектируемого транзистора fx = (15 - 25) ГГц. Полученные параметры подтверждают пригодность использования базиса на основе кремния для изготовления радиочастотных микросхем.

3. Разработаны процессы создания составной диэлектрической изоляции элементов, включающей глубокие (7-8 мкм) и узкие (1,4 - 2 мкм) щели, разделяющие активные элементы в сплошном скрытом слое, толстые (1,9 - 2,0 мкм) области LOCOS - изоляции для уменьшенния паразитных эффектов взаимодействия СВЧ сигналов и специализированные области горизонтальной изоляции для самоформирования предельно узких (0,3 - 0,4 мкм) пассивных областей базы.

4. Экспериментально показана возможность самосовмещения и самоформирования пассивных и активных элементов СТС (горизонтальных изолирующих областей, областей пассивной базы на основе поликремния, спейсерных областей составной боковой диэлектрической изоляции тонкослойных эмиттерных переходов, областей соединительной и активной базы, пассивных и активных областей эмиттера) при использовании одного некритичного типового (1,2 мкм) литографического процесса и ряда самосовмещенных резистивных масок на основе фоторезиста без использования фотошаблонов.

5. В рамках выбранного базиса экспериментально найдены технологические решения для реализации критичных узлов в конструкции и технологии изготовления СТС.

6. Выявлены зависимости в распределениях концентраций легирующих примесей при диффузии бора и мышьяка для формирования сверхтонких слоев СТС с резкими концентрационными градиентами при вариациях различных параметров процессов отжига.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в диссертационной работе:

1. Разработаны технологические маршруты реализации базовых МСС и МСФ.

2. На основе МСС и МСФ разработана конструкция СВЧ СТС с субмикронными размерами элементов и с высоким уровнем самоформирования, имеющая горизонтально расположенные предельно узкие пассивные области базы и обеспечивающая малые значения паразитных сопротивлений эмиттера, базы и коллектора, а также малые значения паразитных емкостей перехода коллектор-база.

3. Разработаны технологические маршруты реализации самосогласованных основных узлов СВЧ СТС с применением МСС и МСФ.

4. Разработан общий технологический маршрут, который может быть использован для реализации радиочастотных микросхем.

5. На основе проведенного анализа и экспериментальных исследований критичных узлов в конструкции и технологии изготовления СВЧ СТС определены условия реализации СВЧ СТС.

6. Разработаны КТО на проектирование топологии СВЧ ИС, которые обеспечивают минимальный размер (ширину меза-области эмиттера) 1,2 мкм.

7. Выбранный базис позволяет в едином технологическом маршруте реализовать активные и пассивные элементы СВЧ ИС.

Практическая значимость работы подтверждена актом об использовании результатов диссертационной работы.

АПРОБАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ результатов диссертации. Разработанные конструкции и технология изготовления интегральных элементов микросхем использованы в ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ в рамках НИР:

1. «Создание перспективных сверхскоростных кремниевых биполярных и полевых нанотранзисторных структур на основе методов

самосовмещения и самоформирования», шифр «Лига-21», № Г.р 01990011105,2000г.

2. «Создание сверхскоростных кремниевых транзисторов и интегральных схем на их основе; Разработка кремниевых нанотранзисторов с использованием методов самоформирования», шифр «Лоск-16», № Г.р. 01990006423, 2001г.;

3. «Комплексное исследование возможностей методов самоформирования для создания перспективной элементной базы сверхбыстродействующих СБИС и микромеханических систем», шифр «Линейка-3», № Г.р. 01.200.111.838,2003г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая 6 статей и 10 тезисов докладов на конференциях.

ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ К ЗАЩИТЕ:

1. Новый конструктивно-технологический базис для микросхем радиочастотного диапазона на основе СВЧ СТС.

2. Особенности комплексного применения новых МСС и МСФ, позволяющих реализовать СВЧ СТС с учетом специфики влияния критичных узлов в конструкции и технологии их изготовления.

3. Принцип изготовления комбинированной диэлектрической изоляции элементов, включающей глубокие и узкие щели, утолщенные области LOCOS - изоляции и специализированные области горизонтальной изоляции.

4. Процесс точного позиционирования субмикронных элементов путем создания самосовмещенной резистивной маски (СРМ) без использования фотошаблонов.

5. Процесс самоформирования субмикронных областей боковой диэлектрической изоляции сверхтонких переходов эмиттер-база (БДИЭ).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 70 наименований. Содержание диссертации изложено на 168 страницах, включая 166 страниц текста, 110 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В тексте автореферата рисунки даны выборочно, их нумерация точно соответствует основному тексту диссертационной работы.

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность работы, указаны цель, объект изучения, охарактеризованы научная новизна, практическая значимость, дана структура и краткая аннотация работы по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ состояния и тенденций развития сверхбыстродействующих транзисторных структур (ТС) и ИС на их основе. Проведенный анализ позволяет сделать выводы о том, что развитие сверхбыстродействующих систем микроэлектроники и радиочастотных устройств требует новых конструкций ТС с высоким уровнем самоформирования, названных нами СТС (самоформируемые транзисторные структуры). В свою очередь, для проектирования и изготовления таких СТС требуются новые конструктивно-технологические базисы, основанные на новых принципах точной локализации субмикронных элементов, самоформируемых путем применения различных МСС и МСФ при минимальном числе критичных процессов литографии.

Поэтому целью работы является создание и исследование конструктивно-технологического базиса для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур.

' ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ исследованы СТС, создаваемые на принципах точной локализации элементов с использованием косвенных и прямых методов литографии. Проведен анализ четырех типов СТС с различным уровнем самоформирования. В качестве опорного контура самосовмещения (ОКС) для рассмотренных структур определены контуры эмиттерных или «псевдо-эмиттерных» (ОКС-Э), базовых (ОКС-Б), коллекторных (ОКС-К) и изолирующих (ОКС-И) областей.

Исследованы МСС и МСФ, используемые для реализации СТС:

-Методы формирования самосовмещенной резистивной маски;

-Методы создания самосовмещенных локальных масок на боковых стенках опорного элемента (локальная вертикальная или наклонная маска спейсерного типа с характерным скругленным краем);

-Методы создания боковой диэлектрической изоляции - БДИ (мелкие области изоляции горизонтального типа, БДИ эмиттерных переходов (БДИЭ, рис. 2.6).

В результате анализа для реализации выбрана конструкция СТС с ОКС-Э, обеспечивающая самоформирование областей с субмикронными

размерами при использовании одного некритичного процесса литографии.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ посредством приборно-технологического моделирования показано, что представленный конструктивно-технологический базис может быть использован для проектирования и изготовления на кремнии СВЧ СТС и СВЧ микросхем радиочастотного диапазона.

МС

Многослойная'структура (МС)

а)

б)

в)

;

д)

е)

а - маска, б - окно в многослойной структуре, в - пленка для спейсера, г - спейсер из нитрида кремния, д - спейсер после вытравливания многослойной структуры, е - сечение одного из вариантов биполярной структуры. Рис. 2.6 - Этапы формирования структур с наклонными областями БДИЭ

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проведен выбор конструктивно-технологического базиса, основанного на комплексном использовании новых принципов целенаправленного формирования субмикронных элементов для их точной локализации, освоенных методов МСС и МСФ при минимальном числе критичных процессов фотолитографии. Конструктивно-технологические особенности микросхемы в корпусе:

1. Использовались утоненные перед скрайбированием до 210-230 мкм пластины 81 с напыленным слоем металла для посадки на теплоотводящую шину Си пьедестала. Пластины имеют сплошной (или локальный) скрытый слой, сплошную эпитаксиальную пленку и комбинированные области изоляции элементов. Такая конструкция позволяет повысить эффективность передачи СВЧ сигнала по полосковым линиям межсоединений, уменьшает тепловое сопротивление, обеспечивает омический контакт к подложке снизу по всей поверхности кристалла.

2. Использование конструктивного варианта по п.1 дает возможность применения предельно низкоомных утолщенных до 4-6 мкм сплошных скрытых слоев и сплошных тонких эпитаксиальных слоев в сочетании с глубокими областями диэлектрической изоляции щелевого типа, разрезающими скрытые слои. Позволяет локализовать и эффективно изолировать активные структуры и конденсаторы, использовать сплошную скрытую область коллектора в качестве второй обкладки полосковой линии передачи СВЧ сигнала.

3. Применение комбинированных областй изоляции позволит эффективно изолировать резисторы от подложки, уменьшить площадь структур и свести к минимуму влияние внутренних механических напряжений, создаваемых областями щелевого типа, на ВАХ.

4. Введение сильнолегированных п+ - контактных коллекторных областей позволяет уменьшить сопротивление коллектора транзисторных структур и нижних обкладок конденсаторов, а также сопротивление внутренних диффузионных шин межсоединений (при необходимости их введения).

5. В настоящей работе использован конструктивный вариант транзисторных структур с высоким уровнем самосовмещения и самоформирования (рис.4.2), позволяющий:

- точно локализовать пассивные р+-области базы (ПБ) без применения дополнительных фотошаблонов и процессов фотолитографии,

- создавать пассивные р+- области базы диффузией бора из пленки поликремния предельно малой ширины 0,3-0,5 мкм, уменьшая, тем самым, паразитную емкость переходов база-коллектор. Пленка В!* является контактной пассивной областью базы (КПБ),

- создавать пассивные р+- области базы с предельно малым сопротивлением (высоким уровнем легирования),

- независимо от других процессов контролировать глубину перераспределения легирующей примеси под областями составной боковой диэлектрической изоляции эмиттерных переходов (БДИЭ) для целенаправленного варьирования величинами сопротивления базы, пробивного напряжения эмиттерного перехода и его тока утечки,

- самоформировать высоконадежные области БДИЭ различной ширины Ь2 = 0,1-0,5 мкм для задания требуемой ширины эмиттерного окна И,,,, используя разработанную многослойную конструкцию областей БДИЭ на основе 8Ю2Т- (7), ЬБ^ - (8), 2-813Ы4 - (9) и 8Ю2П -(10). Метод позволяет вскрывать эмиттерные окна путем химического травления нижнего тонкого слоя термического 8Ю2Т (7) без применения РИТ, вносящего загрязнения и структурные дефекты в нижележащие высокоомные р"- активные базовые области (АБ),

- создавать соединительные р- области базы (СБ), расположенные непосредственно под областями БДИЭ, с определенным, независимо задаваемым, уровнем легирования для подгонки сопротивления базы, пробивного напряжения эмиттерного перехода, а также его тока утечки и, особенно, коэффициента усиления СТС,

самоформировать сверхтонкие и ультратонкие активные эмиттерные области (АЭ) диффузией Аб или Р из пленки поликремния, являющейся пассивной областью эмиттера (ПЭ), в том числе при одновременной диффузии с В для формирования активной области базы (АБ) по альтернативному варианту формирования СТС,

- отличительная особенность базиса состоит в том, что он позволяет на одном комплекте фотошаблонов формировать биполярные СТС по различным технологическим маршрутам, реализуя структуры как с вертикально расположенными пассивными р+-областями базы, так и с горизонтально их расположеными, последнее принято в качества основного варианта в настоящей работе.

- вторая отличительная особенность базиса в том, что он позволяет на одном комплекте фотошаблонов формировать биполярные СТС с использовании гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев из сплава 81-Ое-В, сформированных при низкой температуре,

- третья отличительная особенность базиса в том, что он позволяет при одном и том же комплекте фотошаблонов формировать биполярные СТС с использованим гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев, легированных ионами бора и германия,

- четвертая отличительная особенность базиса состоит в том, что он позволяет при одном и том же комплекте фотошаблонов формировать биполярные СТС с использованим гомоэмиттерного перехода (без использования второй пленки поликремния) на основе тонких активных эмиттерных слоев, легированных ионами мышьяка,

6 Резисюры с низким и средним номиналом (с ps = 100 Ом/кв и 200 Ом/кв) формировались легированием ионами фосфора пленки Si*.

7. Конденсаторы на основе тонкого (20 - 60 нм) термического Si02r создавались над сильнолегированными п+ - контактными коллекторными областями при использовании в качестве верхней обкладки поликремния, сильнолегированною фосфором и слоя металла.

8 R выбранном конструктивном варианте области 4 изоляции могут быть созданы на основе пиролитического Si02ri, используя разработанный метод планаризации с применением СРМ.

9. На рис.4.2 показана конструкция структуры с горизонтальными узкими пассивными областями базы (ПБ). В этой конструкции области изоляции 4 создаются по LOCOS процессу, а области изоляции (ГИО) под КПБ - на основе пленки Si02n.

4 2 ГИО КПБ М1 8 АЭ ПЭ 7

Рис.4.2 - Сечение биполярной СВЧ транзисторной структуры

На рис.4.3 показано сечение структуры на этапе создания слоев для самоформирования (ОКС - опорный контур самосовмещения, ОРС - опорный рельеф самоформирования).

Слои А-Д являются временными слоями для самоформирования (А - 8Ю2п, Б - 81*, В - 8Ю2ъ Г - 813К4, Д - 8Ю2п)-

Рис.4.3 - Сечение биполярной структуры на этапе создания слоев для самоформирования

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены экспериментальные исследования критичных мест в конструкции и технологии изготовления СВЧ СТС.

1) Приведены результаты исследований распределений концентраций легирующих примесей (Аб, В, О, Б, Р) в тонкослойных СТС, полученные в разные годы автором диссертационной работы совместно с Сауровым А.Н, Лукановым Н М., Галушковым А И., Романовым И.М. С целью выявления характерных особенностей произведено совмещение профилей легирования, что позволило для тонкослойных структур определить закономерности изменения профилей в зависимости от выбранных режимов отжига Учет этих закономерностей помог найти режимы и условия проведения процессов ионного легирования и кратковременного отжига с целью достижения сверхтонких профилей легирования, с резким распределением концентраций В и А$ в переходах. Для формирования сверхтонкой

структуры с шириной активной области базы менее 100 нм был применен метод легирования ионами (BFf2) с малой энергией при использовании окончательного процесса быстрого отжига при 1030°С (загрузка 3 сек., быстрый отжиг - 20 секунд и выгрузка 3 сек.). База легировалась ионами (BF'2) с ЮкэВ и D= ЮмкКл/см2, пассивный эмиттер из Si* - ионами мышьяка (As+) с Е = 75кэВ, D = 1500 мкКл/см2

2) Для отработки критических мест в конструкции и технологии изготовления СВЧ транзисторных структур на первом этапе использовались пластины кремния с диффузионными коллекторными областями (КД п~) с поверхностной концентрацией фосфора (для уменьшения ширины активной области базы) порядка (1-2) 1017 см"3.

3) После проведения компьютерного моделирования и ряда экспериментов также выбраны режимы формирования областей:

- глубокого низкоомного п - коллекторного контакта для уменьшения сопротивления коллекторной области.

- резисторов (Rs=100 и 200 Ом/кв) на основе пленки Si*.

- противоинверсионного слоя под изоляцией типа Locos с высокой поверхностной концентрацией бора (выше 4,9*1017 см 3).

4) Для надежной изоляции элементов в работе использовалась составная изоляция, частью которой являются глубокие (6,5 - 7,0 мкм) и узкие (1,8 - 2,0 мкм) канавки в кремнии ("щели"), которые формируются путем РИТ кремния через маску, состоящую из пленок фоторезиста (1,8 - 2,0 мкм) и Si02n (1,8 - 2,0 мкм). На стенках канавок формируются слои Si02| (30-50) нм и Si1N4 (0,14 - 0,16 мкм) и проводится заполнение внутреннего пространства поликремнием (Si*).

Для эффективного подавления инверсионного канала вводятся диффузионные области, расположенные в донных частях щелей (параметры слоя Xj = 0,97 мкм, Rs = 667 Ом/кв) Для щелей с плоским дном глубина диффузионного слоя может быть уменьшена до (0,2 - 0,3) мкм, чго приведет к увеличению расстояния до скрытого слоя и к уменьшению паразитной емкости перехода коллектор - подложка

При заполнении канавок Si* важен оптимальный выбор соотношения ширины канавок и толщины заполняющего слоя. Профиль канавки на дне зависит от исходной ширины щели (при увеличении ширины канавки профиль донной части стремится к плоскому), при этом с уменьшением ширины канавки повышается качество заполнения (исчезают пустоты внутри самих канавок и провалы на поверхности). На рис. 5.6.4 приведена микрофотография щели с заполненным внутреннем пространством.

Рис. 5.6.4 -

Микрофотография узких изолирующих областей щелевого типа

5) Проведено экспериментальные исследования критичных узлов в конструкции СВЧ СТС и технологии их изготовления:

- самоформирование основных элементов СТС при использовании одного процесса литографии обеспечивалось применением самосовмещенной резистивной маски (СРМ). Удалось добиться планаризации рельефа поверхности и создания СРМ на основе однократного нанесения фоторезиста (2,0-2,2 мкм) без дополнительного фотошаблона. На рисунке 5.7.2 (а) приведена микрофотография рельефа поверхности после планаризации. Как видно из рисунка, достигается равномерное заполнение различных по ширине канавок. На рисунке 5.7.3 (а) приведены микрофотографии СРМ из которых видно, что однокраное нанесение фоторезиста обеспечивает хорошее качество СРМ для канавок различной ширины. Критичным при создании СРМ является глубина перетрава фоторезиста, приводящая к обнажению поверхности прилегающего конструктивного слоя.

Рис. 5.7.2 (а) - Микрофотография рельефа поверхности после планаризации путем однократного нанесения фоюрезиста (снимки сделаны на разных пластинах, ч го свидетельствует о воспроизводимости процесса).

Рис 5 7 3 (а) - Микрофотография рельефа после создания СРМ путем однократного нанесения фоюре*иста и последующего РИТ поверхности

На заключительном этапе формируется фоторезистивная маска и проводится РИТ МС - формирование временных локальных меза областей шириной 1,2 мкм. Рисунок 5.7.5 (а, б) демонстрирует микрофотографии СВЧ транзистора с пятью эмиттерными столбиками.

После формирования меза областей проводится конформное осаждение пленки 813Н( с малым значением внутренних механических напряжений для получения внешней части областей БДИЭ (рис. 5.7.6 а,б) и РИТ этого материала с горизонтальных участков (рис.5.7.6 в,г).

а) б)

а) - тестовая структура с меза-областями различной ширины (1,2 мкм -2,0 мкм); б) - рабочая структура с меза-областями шириной 1,2 мкм.

Рис.5.7.5 - Микрофотография пятиэмиттерной ТС после РИТ псевдо-эмиттерных меза-областей, сформированных на основе МС.

Как видно из микрофотографий, достигается хорошее конформное осаждение слоя 8131М4 на боковых стенках меза-областей (ОРС). В процессе РИТ (рис. 5.7.6 в,г) происходит незначительное подтравливание нижнего пассивирующего слоя 8Ю2Т, что не влияет на качество структуры. Из рисунка 5.7 6г видно, что в процессе термического окисления для формирования нижнего пассивирующего слоя 8Ю2Г, который создается перед осаждением 813К|, имеет место утолщение 8Ю2П- Этот критический узел может быть устранен при замене утолщенного нижнего пиролитического 8Ю2П на более тонкий термический 8Ю2Т (30-50 мм) и ужесточением требований к проведению процесса РИТ. На практике это достигнуто путем выбора оптимального соотношения реагентов (8Р6. СС14), и тем самым повышения селективности травления 81* по отношению к 8Ю2|.

Стоит особо отметить, что посредством изменения толщины пленок, составляющих области БДИЭ, можно варьировать ширину эмиттерного окна в пределах 0,2-0,8мкм.

ОРС

> Л

а)

а,б - осаждение материала, образующего области БДИЭ (в выбранной структуре 8{4>14); в,г -после удаления 814Ы4 с горизонтальных участков.

Рис. 5.7.6 - Микрофотографии, демонстрирующие процесс создания

БДИЭ

С целью получения точно локализованных предельно узких областей пассивной базы и для надежной изоляции поликремниевых контактных базовых областей использовались дополнительно горизонтальные изолирующие области (ГИО) на основе пленки пиролитического окисла БЮги толщиной 0,2 - 0,25 мкм. Для достижения этой цели использовался новый способ самоформирования точно локализованных базовых узких контактных окон, включающий:

1) Осаждение слоя 8Ю2П (0,2 - 0,25 мкм) после создания областей исходных БДИЭ (спейсеров из

2) Планаризацию поверхности фоторезистом и создание СРМ;

3) Химическое травление окисла БЮгп, что позволяет контролировать ширину базовых окон по времени трвления (рис. 5.7.9)..

Рис.5.7.9 -Микрофотография структуры после селективного вытравливания БЮгп,- Ширина горизонтальных окон 0,5 мкм

Процесс травления вертикальных и горизонтальных узких областей 8Ю2П является критичным. Структуры не подвергались термической обработке для уплотнения 8Ю2П. При этом скорость травления в вертикальном направлении существенно отличается от скорости травления в горизонтальном направлении. Проведение процесса уплотнения 8Ю2п и ужесточение контроля РИТ вскрытия горизонтальных областей 8Ю2п на начальной стадии позволило сделать этот процесс более контролируемым.

После создания ГИО начинается процесс самоформирования областей контактной пассивной базы (КПБ) на основе поликремния Поверхность освежается в растворе (НР:Н20=1:50) для удаления матричного окисла на вскрытых областях 81. Сразу после освежения осаждается пленка поликремния, проводится планаризация рельефа поверхности и посредством РИТ создается СРМ. Затем селективно (РИТ) вытравливается 81* до заданного уровня (рис. 5.7.13 а).

Рис.5.7.13а -

Микрофотография структуры пос^е селективного

вытравливания Si *

(толщиной 0,4-0,45 мкм)

Профиль вытравливаемого поликремния имеет специфический характер, соответствующий начальной стадии травления 81* и обусловленный характерным скругленным краем нижележащего слоя 813М4. При толщине пленки поликремния, равной 0,25-0,3 мкм, достаточно устойчиво реализуется структура транзистора, представленная на рис. 4.3.1 (см. диссертационную работу) с областями

изоляции Si* пиролитическим Si02n- Критичными являются процессы травления СРМ и контроля уровня СРМ относительно поверхности Si*.

Таким образом, выявлены зависимости в распределениях концентраций легирующих примесей при диффузии бора и мышьяка для формирования сверхтонких слоев СТС с резкими концентрационными градиентами при вариациях различных параметров процессов отжига.

Путем проведения моделирования и ряда экспериментов определены режимы формирования отдельных элементов СВЧ ИС (коллектора локального диффузионного (п~КД), глубокого низкоомного п+коллекторного контакта и нижней обкладки конденсатора, резисторов и верхней обкладки конденсатора на основе поликремния, противоинверсионных областей для изоляции).

Разработан процесс планаризации рельефа поверхности и создания СРМ на основе однократного нанесения фоторезиста и последующего РИТ без использования фотошаблона.

Разработан способ создания составной диэлектрической изоляции элементов, включающий глубокие (7-8 мкм) и узкие (1,4-2 мкм) щели, разделяющие активные элементы в сплошном скрытом слое, толстые (1,9-2,0 мкм) области LOCOS изоляции для уменьшенния паразитных эффектов взаимодействия СВЧ сигналов и специализированные области горизонтальной изоляции для самоформирования предельно узких (0,3 - 0,4 мкм) пассивных областей базы.

Найдены технологические решения для устранения ряда возникающих при создании СТС критичных узлов и экспериментально показана возможность на основе комплекса МСС и МСФ формировать пассивные и активные элементы СТС (псевдо-эмиттерные области на основе многослойной структуры, горизонтальные изолирующие области (ГИО), точно локализованные предельно узкие базовые окна, области пассивной базы на основе поликремния, маскирующие области спейсерного типа, области составной БДИЭ, области соединительной и активной базы, пассивные и активные области эмиттера) при использовании одного некритичного типового (с проектными нормами 1,2 мкм) литографического процесса и ряда СРМ.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ представлены конструктивно-технологические ограничения на проектирование топологии СВЧ ИС, которые обеспечивают минимальный размер (ширину меза-области эмиттера) 1,2 мкм. Топология включает кристалл схемы СВЧ МШУ и тестовый кристалл (60 элементов). Комплект фотошаблонов состоит из 16 технологических слоев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ содержит основные результаты работы:

1. Проведен анализ состояния и тенденций развития сверхбыстродействующих ТС и ИС на их основе, показавший необходимость создания и исследования нового конструктивно-технологического базиса для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур, что и принято целью работы.

2. Исследованы самоформируемые транзисторные структуры (СТС), которые создаются на принципах точной локализации элементов с использованием косвенных и прямых методов литографии и некоторые методы самосовмещения (МСС) и самоформирования (МСФ), используемые для реализации этих СТС.

В результате для реализации выбрана конструкция СТС с ОКС-Э и минимальным топологическим размером 1,2 мкм. Конструкция обеспечивает самоформирование областей СТС с субмикронными размерами при использовании одного некритичного процесса литографии.

3. Проведено исследование влияния ряда параметров СВЧ СТС на характеристики выбранной (для оценки пригодности использования базиса) схемы малошумящего широкополосного усилителя. Показано, что представленный конструктивно-технологический базис может быть использован для проектирования и изготовления на кремнии СВЧ СТС и СВЧ ИС.

4. Для создания СВЧ ИС разработан доализированный конструктивно-технологический базис на основе комплексного использования новых МСС и МСФ, обеспечивающих реализацию субмикронных элементов и их точную локализацию при минимальном числе критичных процессов фотолитографии с проектными нормами 1,2 мкм и горизонтальным расположением предельно узких (0,3 - 0,5 мкм) пассивных областей базы.

5. Исследовались особенности в распределениях концентраций бора и мышьяка с предварительным отжигом бора в областях базы и без отжига. Показано, что для получения сверхтонкой структуры с шириной активной базы менее 100 нм необходимо проводить легирование ВР+2 с малой энергией при использовании окончательного процесса быстрого (загрузка и выгрузка в течение 3 секунд с выдержкой в зоне 20 секунд) высокотемпературного (1030°С) отжига.

После проведения компьютерного моделирования и ряда экспериментов выбраны режимы формирования для основных областей (глубокий низкоомный п+ - коллекторный контакт;резисторы на основе

пленки поликремния; противоинверсионный канал под изоляцией типа Locos; противоинверсионный канал в донной части щелей).

Для выбранной конструкции СВЧ СТС и технологии изготовления проведены экспериментальные исследования критичных мест, возникающих при:

- создании самосовмещенной резистивной маски (СРМ)\

- формировании псевдо-эмиттерных областей на основе исходной многослойной структуры (MC);

- создании наружных маскирующих областей спейсерного типа на основе пленок Sí02t и Sí3N4;

получении точно локализованных и предельно узких пассивных базовых окон в слое горизонтальных изолирующих областей;

- самоформировании областей контактной пассивной базы на основе пленки поликремния.

Базис позволяет независимо от других процессов контролировать глубину перераспределения легирующей примеси и ее интегральную концентрацию под областями БДИЭ для целенаправленного варьирования величинами сопротивления базы, пробивного напряжения эмиттерных переходов, токов утечки и коэффициента усиления. Отличительная особенность базиса состоит в том, что при использовании одного и того же комплекта фотошаблонов можно формировать биполярные СТС по различным технологическим маршрутам, включая, помимо рассмотренного, СТС с вертикально расположенными пассивными р+-областями базы, СТС с использованием гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев из сплава Si-Ge-B, СТС с использованим гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев, легированных ионами бора и ионами германия, а также СТС с применением гомоэмиттерных переходов.

6. Разработаны конструктивно-технологические ограничения на проектирование топологии СВЧ ИС с минимальным топологическим размером 1,2 мкм. Получение субмикронных размеров ТС обеспечивается применением разработанных МСС и МСФ.

Основные результаты ОПУБЛИКОВАНЫ в следующих работах:

1. Голишников A.A., Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Сауров А.Н., «Критичные места в конструкции и технологии изготовления самоформируемых СВЧ транзисторных структур на кремнии» //

Сборник научных трудов, внутреннее изд. ГНЦ ГУ НПК ТЦ МИЭТ, 2004г, с.44 - 65 .

2. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Метельков П.В., Сауров А.Н., "Конструктивно-технологический базис СВЧ сверхинтегрированных структур и микросхем радиочастотного диапазона на кремнии" // "Известия ВУЗов. Электроника", №2, М., 2003г., с. 25-32.

3. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Сауров А.Н., "Методы самоформирования и методики контроля трехмерных элементов микроэлектроники" //Межвузовский сборник, под редакцией В.В.Гусева, М.Л.Минкина, "Научные основы разработки технологий и оборудования микроэлектроники", М., МИЭТ, 2000г., с. 32-43.

4. Галушков А.И., Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Путря М.Г., Рыбачек E.H., "Влияние маскирующих слоев на геометрические параметры трехмерных элементов СБИС при реактивно-ионном травлении" // "Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России", №1 , М., 2001г., с. 7-11.

5. Галушков А.И., Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Сауров А.Н., "Би-КМОП технологии, использующие методы самосовмещения и самоформирования" // "Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России", №2 , 2001г., М., с. 8-20.

6. Демидова Ю.Б., Кудрявцев А.Н., Луканов Н.М., Манжа Л.П., Сауров А.Н., «Методы самосовмещения и самоформирования для изготовления трехмерных элементов микроэлектроники» // Основные результаты исследований и разработок (1988-1998), юбилейный сборник "ГНЦ РФ НПК ТЦ МИЭТ - 10 лет", внутреннее изд. ГНЦ РФ НПК ТЦ МИЭТ, 1998г., с. 52-73.

Тезисы докладов на конференциях:

1. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Метельков П.В., Сауров А.Н., "Конструктивно-технологический базис для проектирования и изгоювления на кремнии СВЧ сверхинтегрированных структур и микросхем радиочастотного диапазона" // Четвертая Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002", М., МИЭТ, ноябрь 2002г., с. 52-53;

2. Галушков А.И., Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Романов И.М. "Особенное ги в распределениях концентраций бора и мышьяка в тонкослойных ВЧ структурах" // Труды восьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, ПЭМ-2002", Таганрог, 2002 г., с.84-86;

3. Демидова Ю.Б., Лукаиов Н.М., Сауров А.Н., "Конструктивно-технологические базисы самоформируемых биполярных и полевых СВЧ ультратонких транзисторных структур" // Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2001 (МНЭ-2001)", Звенигород, пансионат «Липки», 1-5 октября 2001г., Р1-3 (2 стр).

4. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., "Формирование транзисторных структур с наклонными элементами" // Труды третьей международной научно-технической конференции"Электроника и информатика XXI век", М., МИЭТ, ноябрь 2000г., с. 55-56.

5. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., "Сравнительный анализ конструктивно-технологических базисов изготовления биполярных транзисторных структур" // Труды седьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, ПЭМ2000", Таганрог, 2000 г., с.97-99.

6. Демидова Ю.Б., "Комплексное применение методов самосовмещения и самоформирования при изготовлении транзисторных структур" // Труды седьмой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2000", М„ МИЭТ, 2000 г., с. 15.

7. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., "Комбинированные области боковой диэлектрической изоляции" // Труды всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов "Микроэлектроника и информатика 99", М., МИЭТ, 1999г, с. 17.

8. Демидова Ю.Б., Луканов Н.М., Сауров А.Н., "Методы самосовмещения и самоформирования для изготовления трехмерных элементов микроэлектроники" // Труды шестой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 1999г., с. 12.

9. Галушков А.И., Демидова Ю.Б., Кудрявцев А.Н., Луканов Н.М., Сауров А.Н., "Высокоэффективная сверхсамосовмещенная Би-КМОП технология" // Труды всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника 1998 (МНЭ-98)", Звенигород, пансионат «Липки», 1998г., Р1-64 (2 стр.).

10. Демидова Ю.Б., Кудрявцев А.Н., Луканов Н.М., "Особенности конструкции и технологии изготовления самосовмещенных узлов эмиттер-база" // Труды всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 98", М., МИЭТ, 1998г., с. 24

Формат 60x84 1/16. Уч.-год.л.Тираж/^Оэкз. Заказ<5"^.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ. 124498, Москва, МИЭТ.

t

«

( (

i

i »

РНБ Русский фонд

2006-4 19198

Гл. Рд. Прд. НАЗВАНИЕ

Введение.

1 Анализ состояния и тенденции развития сверхскоростных транзисторных структур и ИС на их основе.

1.1 Тенденции развития биполярных технологий.

1.2 Основные приемы самоформирования. Параметры структур.

1.3 Боковая диэлектрическая изоляция - как способ точной локализации элементов.

1.4 Поликристаллический и аморфный кремний - как многофункциональные материалы и элементы самоформирования.

1.5 Сверхинтегрированные биполярные и полевые транзисторные структуры.

1.6 Методы изменения конфигурации структур по рисунку базовых областей.

1.7 Методы изменения конфигурации структур по рисунку меза коллекторных областей.

1.8 Методы изменения конфигурации структур по рисунку изолирующих областей.

1.9 Оптимизация параметров структур и перспективы их развития

1.10 Выводы.

2 Методы самосовмещения и самоформирования, их применение.

2.1 Метод создания самосовмещенной резистивной маски.

2.1.1 Практические способы создания самосовмещенной 33 резистивной маски.

2.2 Самосовмещенные локальные маски, самоформируемые на боковых стенках опорного элемента.

2.2.1 Метод создания локальной вертикальной маски спейсерного типа с характерным скругленным краем

2.2.2 Метод создания локальной наклонной маски спейсерного типа с характерным скругленным краем

2.3 Методы создания боковой диэлектрической изоляции.

Рд. Прд. НАЗВАНИЕ

2.3.1 Метод создания самосовмещенных мелких областей изоляции горизонтального типа (ГИО).

2.3.2 Методы создания областей боковой диэлектрической изоляции сверхтонких и ультратонких эмиттерных 39 переходов (БДИЭ).

2.4 Сравнение биполярных структур, формируемых относительно различных опорных контуров самосовмещения.

2.4.1 Структуры, формируемые относительно эмиттерных областей.

2.4.2 Структуры, формируемые относительно базовых областей.

2.4.3 Структуры, формируемые относительно коллекторных областей.

2.4.4 Структуры, формируемые относительно изолирующих областей.

2.5 Методики контроля параметров трехмерных элементов. Контроль полноты вскрытия субмикронных окон.

2.6 Конструкция и топология реализуемой структуры.

2.7 Выводы.

Математическое моделирование высокочастотного широкополосного усилителя с активными и пассивными СВЧ элементами с учетом паразитных влияний выводов.

3.1 Выбор схемы широкополосного усилителя.

3.2 Расчет параметров модели транзистора, приближенной к реальной.

3.3 Результаты расчетов широкополосного усилителя.

3.4 Фактор шума.

3.5 Выводы.

Конструктивно-технологический базис микросхемы высокочастотного широкополосного усилителя.

4.1 Конструктивные особенности разработанного базиса.

Гл. Рд. Прд. НАЗВАНИЕ

4.2 Технологический маршрут изготовления микросхемы.

4.3 Рисунки к технологическому маршруту.

4.4 Выводы.

5 Экспериментальные исследования критичных мест в конструкции СВЧ транзисторных структур и технологии их изготовления.

5.1 Исследования распределений концентраций примесей в биполярных СВЧ транзисторных структурах.

5.2 Диффузионные коллекторные области.

5.3 Глубокий низкоомный коллекторный контакт; нижняя обкладка конденсатора. 5.4 Выбор технологических режимов формирования резисторов ^ на основе пленок поликристаллического кремния.

5.5 Формирование противоинверсионных областей под основной горизонтальной областью изоляции.

5.6 Формирование глубоких и узких изолирующих областей щелевого типа и противоинверсионных р - слоев на донных участках этих щелей.

5.7 Исследование критичных мест в конструкции и технологии формирования СВЧ транзисторных структур с точно локализованными элементами. f 5.7.1 Метод создания самосовмещенной резистивной маски

5.7.2 Псевдоэмиттерные области и области боковой диэлектрической изоляции эмитгерных переходов.

5.7.3 Горизонтальные изолирующие области.

5.7.4 Области контактной пассивнй базы (КПБ) на основе поликремния.

5.8 Выводы.

6 Конструктивно-топологический базис изготовления схемы СВЧ широкополосного усилителя. ф 6.1 Конструктивно-технологические ограничения на разработку кристалла микросхемы радиочастотного диапазона

Гл. Рд. Прд. НАЗВАНИЕ широкополосного усилителя (ШУ) с малым уровнем шумов.

6.1.1 Общие положения.

6.1.2 Эскизный технологический маршрут.

6.1.3 Параметры физической структуры.

6.1.4 Технологические ограничения на топологическое проектирование.

6.1.4.1 Ограничения используемого фотолитографического оборудования.

6.1.4.2 Минимальные размеры областей, зазоры и перекрытия.

6.1.5 Состав тестового кристалла микросхемы СВЧ ШУ.

6.1.6 Перечень технологических слоев.

6.2 Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ В последние годы наблюдается заметный рост новых технологий микроэлектроники и увеличение рынка продаж интегральных схем радиочастотного и микроволнового диапазона для создания глобальной информационной системы XXI века. На базе беспроводной техники выполняются практически все информационные сети, как коммерческие (типа'Тлобальная решетка" - Global Grade), так и военные (типа "Театр тактических действий" - Tactical Theater). Кроме того (см. Гл.1), дальнейшее развитие сверхпроизводительных и сверхбыстродействующих супер-ЭВМ, новых мини-супер-ЭВМ, бортовых вычислительных устройств, сверхбыстродействующих оптоэлектронных телекоммуникационных систем и систем спутниковой связи требует разработки нового поколения сверхскоростных ИС, БИС, СБИС и УБИС на базе транзисторных структур (ТС) с субмикронными размерами. Новая элементная база может быть реализована с применением новых методов самосовмещения (МСС) и методов самоформирования (МСФ) при минимальном числе критичных процессов литографии. Эти методы позволят изготавливать самоформируемые транзисторные структуры (СТС) с субмикронными размерами элементов. Создание ряда радиочастотных схем для навигационных систем связи с улучшенными характеристиками по линейности, потребляемой мощности и уровню шумов требует разработки дешевых биполярных СТС на кремнии с граничной частотой fT и максимальной частотой генерации fmax в диапазоне 15-50 ГГц.

В докторских диссертациях Янушониса С.С., Луканова Н.М., Саурова А.Н. рассматривались вопросы, связанные с применением различных методов самосовмещения и самоформирования к быстродействующим транзисторам. Однако, в этих работах не были рассмотрены проблемы, связанные с самоформированием СВЧ биполярных транзисторных структур полоскового типа с предельно узкой пассивной областью базы для резкого уменьшения наразитной емкости перехода коллектор-база, а также не рассмотрены вопросы, связанные со сведением к минимуму паразитных эффектов, возникающих при использовании реактивноионного травления и вопросы, связанные с устранением узких (критичных) мест в конструкции и технологии изготовления таких СВЧ структур.

Таким образом, актуальной является проблема по созданию нового конструктивно-технологического базиса, основанного на комплексном применении специальных методов точной локализации субмикронных элементов и способов их самоформирования, который позволит существенно минимизировать размеры элементов СТС и улучшить их характеристические параметры. При этом разработанный базис должен в определенной степени быть пригодным в перспективе и для формирования СТС при использовании новых материалов SiGe, GaAs и InP, которые необходимы для достижения fT и fmax в диапазоне 100 - 500 ГГц.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является создание и исследование конструктивно-технологического базиса для микросхем радиочастотного диапазона на основе самоформируемых структур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ЗАДАЧИ:

1) Провести анализ состояния и тенденций развития самоформируемых транзисторных структур (СТС) и ИС на их основе.

2) На основе проведенного анализа определить объект исследований — конструктивно-топологический и структурно-технологический базис для реализации СВЧ СТС и СВЧ ИС применительно к имеющемуся в ГУ НПК «ТЦ» оборудованию и материалам.

3) С целью оценки пригодности выбранного базиса для проектирования СВЧ ИС на кремнии провести анализ и моделирование характеристических параметров микросхемы конкретного типа.

4) Для экспериментальной оценки возможности воспроизведения базиса разработать детализированные конструктивные схемы и технологический маршрут изготовления СВЧ СТС и СВЧ ИС.

5) Провести анализ и экспериментальные исследования критичных узлов в конструкции СВЧ СТС и технологии их изготовления.

6) С учетом выбранных МСС и МСФ и применительно к выбранному базису разработать конструктивно-технологические ограничения (КТО) на проектирование топологии СВЧ микросхем с технологическими и тестовыми структурами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

1. Разработан новый конструктивно-технологический базис (для проектирования и изготовлния СВЧ сверхинтегрированных структур и радиочастотных микросхем), основанный на комплексном применении методов точной локализации субмикронных элементов и способов их самоформирования.

2. С помощью специализированного приборно-технологического моделирования САПР проведена оценка пригодности базиса для проектирования и изготовления СВЧ ИС на кремнии. Моделирование параметров выбранной микросхемы малошумящего широкополосного усилителя (МШУ) помогло определить основные закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры СВЧ СТС с электрическими характеристиками СВЧ ИС. Получена модель МШУ с рабочей частотой до 2,4 ГГц при коэффициенте шума 1,196 дБ (граничная частота базового проектируемого транзистора fT = (15 - 25) ГТц. Полученные параметры подтверждают пригодность использования базиса на основе кремния для изготовления радиочастотных микросхем.

3. Разработаны процессы создания составной диэлектрической изоляции элементов, включающей глубокие (7-8 мкм) и узкие (1,4 - 2 мкм) щели, разделяющие активные элементы в сплошном скрытом слое, толстые (1,9 - 2,0 мкм) области LOCOS - изоляции для уменыпенния паразитных эффектов взаимодействия СВЧ сигналов и специализированные области горизонтальной изоляции для самоформирования предельно узких (0,3 — 0,4 мкм) пассивных областей базы.

4. Экспериментально показана возможность самосовмещения и самоформирования пассивных и активных элементов СТС (горизонтальных изолирующих областей, областей пассивной базы на основе поликремния, снейсерных областей составной боковой диэлектрической изоляции тонкослойных эмиттерных переходов, областей соединительной и активной базы, пассивных и активных областей эмиттера) при использовании одного некритичного типового (1,2 мкм) литографического процесса и ряда самосовмещенных резистивных масок на основе фоторезиста без использования фотошаблонов.

5. В рамках выбранного базиса экспериментально найдены технологические решения для реализации критичных узлов в конструкции и технологии изготовления СТС.

6. Выявлены зависимости в распределениях концентраций легирующих примесей при диффузии бора и мышьяка для формирования сверхтонких слоев СТС с резкими концентрационными градиентами при вариациях различных параметров процессов отжига.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в диссертационной работе:

1. Разработаны технологические маршруты реализации базовых МСС и МСФ.

2. На основе МСС и МСФ разработана конструкция СВЧ СТС с субмикронными размерами элементов и с высоким уровнем самоформирования, имеющая горизонтально расположенные предельно узкие пассивные области базы и обеспечивающая малые значения паразитных сопротивлений эмиттера, базы и коллектора, а также малые значения паразитных емкостей перехода коллектор-база.

3. Разработаны технологические маршруты реализации самосогласованных основных узлов СВЧ СТС с применением МСС и МСФ.

4. Разработан общий технологический маршрут, который может быть использован для реализации радиочастотных микросхем.

5. На основе проведенного анализа и экспериментальных исследований критичных узлов в конструкции и технологии изготовления СВЧ СТС определены условия реализации СВЧ СТС.

6. Разработаны КТО на проектирование топологии СВЧ ИС, которые обеспечивают минимальный размер (ширину меза-области эмиттера) 1,2 мкм.

7. Выбранный базис позволяет в едином технологическом маршруте реализовать активные и пассивные элементы СВЧ ИС.

Практическая значимость работы подтверждена актом об использовании результатов диссертационной работы.

АПРОБАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ результатов диссертации. Разработанные конструкции и технология изготовления интегральных элементов микросхем использованы в ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ в рамках НИР:

1. «Создание перспективных сверхскоростных кремниевых биполярных и полевых нанотранзисторных структур на основе методов самосовмещения и самоформирования», шифр «Лига-21», № Г.р 01990011105, 2000г.

2. «Создание сверхскоростных кремниевых транзисторов и интегральных схем на их основе; Разработка кремниевых нанотранзисторов с использованием методов самоформирования», шифр «Лоск-16», № Г.р. 01990006423, 2001г.;

3. «Комплексное исследование возможностей методов самоформирования для создания перспективной элементной базы сверхбыстродействующих СБИС и микромеханических систем», шифр «Линейка-3», № Г.р. 01.200.111.838,2003г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации было опубликовано 16 работ, включая 6 статей (1С-6С в списке литературы), 10 тезисов докладов на научно-технических конференциях (1Т-10Т в списке литературы).

ПРЕДСТАВЛЯЮТСЯ К ЗАЩИТЕ:

1. Новый конструктивно-технологический базис для микросхем радиочастотного диапазона на основе СВЧ СТС.

2. Особенности комплексного применения новых МСС и МСФ, позволяющих реализовать СВЧ СТС с учетом специфики влияния критичных узлов в конструкции и технологии их изготовления.

3. Принцип изготовления комбинированной диэлектрической изоляции элементов, включающей глубокие и узкие щели, утолщенные области LOCOS - изоляции и специализированные области горизонтальной изоляции.

4. Процесс точного позиционирования субмикронных элементов путем создания самосовмещенной резистивной маски (СРМ) без использования фотошаблонов.

5. Процесс самоформирования субмикронных областей боковой диэлектрической изоляции сверхтонких переходов эмитгер-база (БДИЭ).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 70 наименований. Содержание диссертации изложено на 168 страницах, включая 166 страниц текста, 110 рисунков и 14 таблиц.

Основные результаты проделанной работы:

1. Исследованы самоформируемые транзисторные структуры (СТС), которые создаются на принципах точной локализации элементов с использованием косвенных и прямых методов литографии. Проведен анализ нескольких типов СТС с различным уровнем самоформирования. Определены методы самосовмещения (МСС) и методы самоформировани (МСФ), позволяющие реализовать субмикронные СТС. В результате анализа для реализации выбрана сверхинтегрированная конструкция СТС с опорным контуром самосовмещения по эмиттерным областям и минимальным топологическим размером 1,2 мкм.

2. Проведено исследование влияния ряда параметров СВЧ СТС на характеристики выбранной (для оценки пригодности использования базиса) схемы малошумящего широкополосного усилителя (МШУ). Результаты расчетов и анализа с использованием компьютерного моделирования позволили учесть степень влияния исследуемых параметров на работу МШУ при повышении рабочей частоты:

- показано, что на амплитудно-частотную характеристику и коэффициент передачи по мощности СТС и МШУ значительное влияние оказывают параметры: AREA; BF; NF; VAF; NE; VAR; MJC; MJS; TF (см. гл. 3), а также величины индуктивностей, емкостей и волновых сопротивлений выводов корпуса, контактных площадок, резисторов из поликремния и конденсаторов, взаимосвязанных микрополосковых линий межсоединений с изолирующими областями между ними. Показано, что одним из важнейших характеристических параметров оптимизации усилителя является площадь эмиттера Аэ, значение которой для данной конструкции составило 72 мкм2;

- смоделирована схема МШУ, разработана топология кристалла и определены номиналы элементов схемы. В результате анализа и комплексного моделирования полной конструкции МШУ на кремнии получены основные характеристики усилителя: потребляемый ток в полосе рабочих частот (100 МГц - 2,5 ГГц) составил 9,49 мА при напряжении питания 3 В, коэффициент шума не более ЗдБ, минимальный коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) по входу 1,5, максимальный КСВН входа 1,6 , КСВН выхода не хуже 2, развязка выхода.с.входом, нахуже 20 дБ. Максимальный коэффициент усиления 13,2 дБ в частотных точках 250 МГц и 1,65 ГГц, минимальный коэффициент усиления 8,5 дБ на частоте 3 ГГц, неравномерность коэффициента усиления в полосе частот 100 МГц - 2 ГГц составила 0,4 дБ.

Таким образом, представленный конструктивно-технологический базис может быть использован для проектирования и изготовления на кремнии СВЧ сверхинтегрированных транзисторов и СВЧ микросхем радиочастотного диапазона.

3. Для создания СВЧ ИС разработан детализированный конструктивно-технологический базис на основе комплексного использования новых МСС и МСФ, обеспечивающих реализацию субмикронных элементов и их точную локализацию при минимальном числе используемых критичных процессов фотолитографии с проектными нормами 1,2 мкм и горизонтальным расположением предельно узких (0,3 - 0,5 мкм) пассивных областей базы. Особенностями базиса являются: использование комбинированной изоляции (щелевая изоляция; изоляция типа Locos; горизонтальные изолирующие области на основе пиролитического диоксида кремния); применение углубленных сильнолегированных п+ - контактных коллекторных областей и нижних обкладок конденсаторов; введение многослойной сиситемы на основе временных слоев для формирования элемента опорного рельефа самоформирования (ОРС); применение самосовмещенной резистивной маски (СРМ) без использования фотошаблонов при самоформировании некоторых элементов СТС; введение для защиты боковой поверхности ОРС от воздействия селективных травителей (применяемых на различных этапах формирования структуры) наружных тонких маскирующих областей спейсерного типа на основе Si3N4; применение составных областей боковой диэлектрической изоляции (БДИЭ), самоформируемых на внутренней поверхности маскирующих областей спейсерного типа (МОСТ).

Использование сплошных скрытых слоев (ССС), глубокой щелевой изоляции и утолщенных- областей- основной- изоляции позволяет существенно повысить эффективность передачи СВЧ сигнала по межсоединениям за счет использования низкоомного ССС в качестве второй обкладки полосковой линии передачи, создавать высококачественный омический контакт к специально утоненной подложке Si, что приводит к уменьшению теплового сопротивления кристалла микросхемы и создает хорошие условия для развязки входных и выходных цепей относительно сплошной Си шины общей Земли под кристаллом.

4. Исследовались особенности в распределениях концентраций бора и мышьяка с предварительным отжигом бора в областях базы и без отжига. Показано, что для получения сверхтонкой структуры с шириной активной базы менее 100 нм необходимо проводить легирование BF+2 с малой энергией при использовании окончательного процесса быстрого (загрузка и выгрузка в течение 3 секунд с выдержкой в зоне 20 секунд) высокотемпературного (1030°С) отжига.

После проведения компьютерного моделирования и ряда экспериментов выбраны режимы формирования для основных областей: глубокий низкоомный п+ - коллекторный контакт; резисторы на основе пленки поликремния (0,45 ± 0,05 мкм) с типовым значением Rs = 100 Ом/кв и Rs = 200 Ом/кв; противоинверсионный канал под изоляцией типа Locos; противоинверсионный канал в донной части щелей.

5. Для выбранной конструкции СВЧ СТС и технологии изготовления проведены экспериментальные исследования критичных мест, возникающих при: создание самосовмещенной резистивной маски (СРМ) путем однократного заполнения канавок фоторезистом с последующим удалением материала заполнителя с горизонтальных участков меза-областей; формировании псевдо-эмиттерных областей на основе исходной многослойной структуры (МС); создании наружных маскирующих областей спейсерного типа на основе пленок Si02T и Si3N4\ получении точно локализованных и предельно узких пассивных базовых окон а слое, горизонтальных изолирующих. областей; самоформировании областей контактной пассивной базы на основе пленки поликремния.

Разработанный базис позволяет независимо от других процессов контролировать глубину перераспределения легирующей примеси и ее интегральную концентрацию под областями боковой диэлектрической изоляции эмиттерных переходов (БДИЭ) для целенаправленного варьирования величинами сопротивления базы, пробивного напряжения эмиттерных переходов, токов утечки и коэффициента усиления. Отличительная особенность базиса состоит в том, что при использовании одного и того же комплекта фотошаблонов можно формировать биполярные СТС по различным технологическим маршрутам, включая, помимо рассмотренного, СТС с вертикально расположенными пассивными р+-областями базы, СТС с использованием гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев из сплава Si-Ge-B, СТС с использованим гетеробазового перехода на основе сверхтонких базовых слоев, легированных ионами бора и ионами германия, а также СТС с применением гомоэмиттерных переходов.

6. Разработаны конструктивно-технологические ограничения на проектирование топологии, которые обеспечивают минимальный топологический размер - ширину меза-области эмиттера 1,2 мкм. При этом получение субмикронных размеров ТС обеспечивается путем проведения ряда селективных и самосогласованных процессов и применения разработанных МСС и МСФ.

Заключение

1. А.С. СССР. N439863, М. Кл. НО 1L19/00. Способ изготовления активных элементов интегральных схем. Луканов Н.М., Лебедев В.В., Любушкин Е.Н., Шварц К.-Г.М., Щербинин А.А. Заявл.13.07.70. Опубл. 19.04.1974.

2. Янушонис С.С., Янушонене В.Ю. Самоформирование в полупроводниковой технологии // Вильнюс: Мокслас. 1985. 192 с.

3. Луканов Н.М. Состояние и перспективы разработки конструктивно-технологической базы для сверхбыстродействующих БИС и СБИС // Итоги науки и техники. Сер. ЭЛЕКТРОНИКА. ВИНИТИ. Т.27. М.: 1990. С. 3-32.

4. Naramura Т. and Nishizawa Н. Recent progress in bipolar transistor technology // IEEE Trans. Electron Devices. 1995. V.42. №3. p. 390-398.

5. Warnock J.D. Silicon bipolar device structures for digital applications: technology trends and future directions // IEEE Trans. Electron Devices. 1995. V.42. №3. P. 377-389.

6. Красников Г.Я., Дорофеев А.П., Савенков B.H., Дайнеко А.В. БИКМОП ИС -новая перспективная элементная база хмикроэлектроники // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. Выпуск 1(151). М.: 1997. С. 60-63.

7. Сауров А.Н. Методы самоформирования в микроэлектронике // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. М.: 1997. №5. С. 41-47.

8. Nakamura М. Challenges in semiconductor technology for multy-megabit network services. 1998 IEEE International Solid-State Circuits Conference. (ISSCC98) .P.16-20.

9. Washio K. et al. Self-aligned metal/IDP Si bipolar technology with 12-ps ECL and 45- GHz dynamic frequency divider // IEEE Trans, on Electron Devices. 1997. V.44. №11. P. 2078-2082.

10. Matsuzava A. Potential of RF Si-MOS LSI technology // Proc. of SPIE.- Austin, Texas. 1-2 October 1997. V. 3212. P. 88-96. (SPIE—The International Society for Optical Engineering, Microelectronic Device Technology).

11. Harame D. High performance BiCMOS process integration: trends, issues, and future, directions.// Proceeding-o£.the-1997 Bipolar/BiCMQS.Circuits.ancLTechnology Meeting -U.S., September 28-30 (IEEE BCTM. 1997). P. 36-43.

12. Сауров Л.Н. Графическая модель самоформирования интегральных структур // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. М.: 1998. №1. С. 61-70.

13. Sasaki Н. Multimedia : Future and impact for semiconductor technology // International Electron Devices Meeting (IEDM).1997. Washington, DC. December 7-10. 1997. P. 3-8.

14. Washio K., Ohue E., Oda K. et all A selective-epitaxial SiGe HBT with SMI electrodes featuring 9.3-ps ECL-gate delay // IEDM. 1997. P. 795-798.

15. Oda K., Ohue E., Tanabe M. et al. 130-GHz fT SiGe HBT technology // IEDM. 1997. P.791-794.

16. Sung J.M., Chiu T.-Y. et al. A high performance super self-aligned 3V/5V BiCMOS technology with extremely low parasitics for low-power mixed-signal1 applications // IEEE Trans. Electron Devices.1995. V.42. №3. P. 513-521.

17. Shishiguchi S., Yasunaga Т., Aoyama T. et al. Si selective epitaxial growth' technology using UHV-CVD*and its-application to-LSI® fabrication'// Proc. of SPIE.- Austin, Texas. 1-2 October 1997. V.3212. P. 106-117.

18. Onai Т., Ohue E., Idei Y. et al. Self-aligned complementary bipolar technology for low- power dissipation and ultra-high-speed LSI's // IEEE Trans. Electron Devices. 1995. V.42. №3. P. 413-417.

19. Iinuma Т., Itoh N., Nakajima H. et al. Sub-20 ps high-speed ECL bipolar transistor with low parasitic architecture // IEEE Trans. Electron Devices. 1995. V.42. №3. P. 399-405.

20. Wei W., Koster R., Jansen S. et al. Low-power, ultra-low capacitance bipolar transistor compa-tible with mainstream CMOS // ESSDERC'95. 1995. P. 425-428.

21. Yoshino H.Nii. et al. 0.3 цт BiCMOS technology for mixed analog/digital' application systems // IEEE BCTM. 1997. P. 68-79.

22. Галушков А.И., Сауров A.H., Шабратов t Д.В. Методы самосовмещения и самоформиро-вания в технологии изготовления СБИС // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94". Звенигород, 28 ноября -3 декабря 1994. С. 341-342.

23. Nanvber L.K. et al. Optimization-of fully implanted-NPN's for high-frequency operation // IEEE Trans, on Electron Devices. 1996. V.43. №6. P. 1038-1040.

24. Schreiber H.-U. Novel oxide planarization for integrated high-speed Si/SiGe heterojunction bipolar transistors // IEEE Trans, on Electron Devices. 1996. V.43. №6. P. 10361037.

25. De Pontcharra J. et al. A 30-GHz fT quasi-self-aligned single-poly bipolar technology // IEEE Trans, on Electron Devices. 1997. V.44. №11. P. 2091-2097.

26. Niel S., Rozeau O., Ailloud L. et al. A 54 GHz fmax implanted base 0.35цт single-polysilicon bipolar technology// IEDM. 1997. P. 807-810.

27. Emons C.H.H. et al. A new high-performance CMOS-compatible reduced-area bipolar transistor // IEEE BCTM. 1997. P. 44-47.

28. Ishii K., Ichino H., Kobayashi Y., Yamaguchi C. High-bit-rate, high-input-sensitivity decision circuit using Si bipolar technology // IEEE J. of Solid-State Circuts. 1994. V.29. №5. P. 546-550.

29. Konaka S., Ugajin M., Matsuda T. Deep submicrometer super self-aligned Si bipolar technology with 25.4 ps ECL // IEEE Trans. Electron Devices. 1994. V.41. №1. P. 44-49.

30. Sato F., Hashimoto T. et al. Sub-20 ps ECL circuits with high-performance super self-aligned, selectively grown-SiGe. base. (SSSB). bipolar, transistors.// lEEE-.Trans.Electron Devices. 1995. V.42. №3. P. 483-488.

31. Uchino Т., Shiba T. et al. Very-high-speed silicon bipolar transistors with in-situ doped polisi-licon emitter and rapid vapor-phase doping base // IEEE Trans. Electron* Devices. 1995. V.42. №3. P. 406-411.

32. Onai T. et ai. 12-ps ECL using low-base-resistance Si bipolar transistor by self-aligned metal/IDP technology // IEEE Trans. Electron Devices. 1997. V.44. №12. P. 2207-2212.

33. Onai Т., Nakazato K. et al. Fully radiative current path structure (FRACS) for sub -0,1 |im, emitter transistor// IEEE Trans. Electron Devices. 1995. V.42. №1. P. 23-30.

34. Rhee H-S., Yu H-K., and Lee J-H. A new bipolar transistor technology for GHz level VLSI and RF ICs application // 5 th Internationale Conference on VLSI and CAD. 1997. October 13-15. Seoul.-Korea. P. 281-283.

35. Lukanov N.M. et al. Bipolar VLSI based on self-aligned transistor structures // Electronic Engineering. Series Microelectronics. 1991. №1(1). P. 54-55 ( in Russia ).

36. Rinaldi N.F. On the modeling of polysilicon emitter bipolar transistors // IEEE Trans, on Electron Devices. 1997. V.44. №3. P. 395-403.

37. Ng K.K., Frei M.R., King C.A. Reevaluation of the ft x BVCC0 limit on Si bipolar transistors // IEEE Trans, on Electron Devices. 1998. V.45. №8. P. 1854-1855.

38. Wu H-C., Kuo J.B. A compact velocity- overshoot model for deep-submicron bipolar devices considering energy transport // IEEE Trans, on Electron Devices. 1998. V.45. №2. P. 417- 422.

39. Hafizi M. New submicron HBT 1С technology demonstrates ultra-fast, low-power integrated circuits // IEEE Trans, on Electron Devices. 1998. V.45. №9. P. 1862-1868.

40. Filder A. et al. 46 Gb/s DEMUX, 50Gb/s MUX, and 30 GHz static frequency divider. in.silicoikbi-pola£ technology // IEEEJ.Solid-Stat&Circuits^i996.-Y.31.№4. P. 481-486.

41. Rein H.-M and Moller M. Design consideration for very-high-speed Si-bipolar IC's operating up to 50 Gb/s // IEEE J. Solid-State Circuits. 1996. V.31. №8. P. 1076-1090.

42. Washio K., , Ohue E.Oda K. et al. 95 GHz fT self-aligned selective epitaxial SiGe HBT with SMI electrodes // IEEE ISSCC. 1998. P. 312-313.

43. Masuda N., Ohhata K., Ohue E.Oda K. et al. 40 Gb/s analog 1С chipset for optical receiver using SiGe HBTs. IEEE ISSCC. 1998. P. 314-315.

44. Suzuki H., et al. InP/InGaAs HBT ICs for 40-Gb/s optical transmission systems. // GaAs Symposium Tech. Digest., Oct. 1997. (см. 11.).

45. Галушков А.И., Кривошеина Т.Г., Кудрявцев А.Н., Луканов Н.М., Романов

46. И.М. Оптимизация распределений концентрации легирующих примесей в тонкослойных иfсверхтонкослойных транзисторных структурах // Микроэлектроника и информатика-97. Межвузовская4научно-техническая конференция, Ч.1.-М.: МГИЭТ, Зеленоград, март 1997. С.27.

47. УТВЕРЖДАЮ Заместитель директорарюлогическийДентр» МИЭТ1. Шелепин Н.А.2004г.w^-т—1. АКТ

48. Об использовании результатов диссертационной работы Демидовой Юлии Брониславовны «Конструктивно-технологический базис для микросхем радиочастотного диапазонана основе самоформируемых структур»