автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов

На правах рукописи 005044818 БОРОДКИН Игорь Иванович

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2012

Воронеж-2012

005044818

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Асессоров Валерий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Строганов Андрей Владимирович, Воронежский государственный технический университет

доктор физико-математических наук, профессор

Безрядин Николай Николаевич, Воронежский государственный университет инженерных технологий

Ведущая организация ОАО «Воронежский завод полупровод-

никовых приборов - сборка», г. Воронеж

Защита состоится 19 июня 2012 г. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан " // " мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди многообразных направлений современной полупроводниковой электроники важное место занимает разработка и производство кремниевых мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов (ОМОЗ и 1ЛЖ08). Область применения таких транзисторов весьма широка. Они используются в каскадах усилителей мощности систем радиосвязи и телерадиовещания, в базовых станциях сотовой связи, в РЛС различного назначения и других телекоммуникационных системах. Мощные ВЧ и СВЧ МОП транзисторы обладают рядом существенных преимуществ перед биполярными транзисторами аналогичного функционального назначения — отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей, возможность реализации более высоких значений коэффициента усиления по мощности, тепловая устойчивость во всем диапазоне рабочих температур.

Реализация на практике таких полупроводниковых приборов, а также их серийное производство стали возможны благодаря созданию современной кремниевой МОП-технологии с двойной диффузией. Использование данной технологии позволяет изготавливать мощные ВЧ и СВЧ МОП транзисторные структуры с тонким качественным подзатворным диэлектриком, субмикронными диффузионными областями, многослойной системой металлизации, что в последствии обеспечивает надежную работу мощных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов в условиях больших плотностей токов (десятки ампер) и высоких температур переходов (до 200 °С).

Известно, что уровень надежности полупроводникового изделия закладывается на этапе его разработки и обеспечивается качеством всех критичных технологических процессов при его изготовлении. Однако каждая технологическая операция, которая реализует определенные функциональные свойства формируемой структуры, в то же самое время может вносить и специфические дефекты. Поэтому перед разработчиками и производителями приборов, и сегодня, стоят актуальные задачи получения надежных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, имеющих стабильные и воспроизводимые электрические параметры - пороговое напряжение, крутизну, минимальные токи утечки, как на этапе испытаний при разработке и производстве, так и в условиях длительной эксплуатации.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госушгеерситета, а также ФГУП «НИИЭТ» в рамках реализации программных мероприятий по ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, Государственной программы вооружения до 2015 года, серийного производства полупроводниковых приборов гражданского и специального назначения.

Цель работы - разработка и усовершенствование технологических способов изготовления структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур со стабильными и воспроизводимыми статическими параметрами, а также методов, направленных на устранение негативных производственных факторов при серийном производстве современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработка усовершенствований технологического способа подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления для получения качественного подзатворного оксида кремния БЮг и устранения дрейфа

пороговых напряжений полевых транзисторных структур в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

2. Разработка усовершенствований метода автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния БЮгДЛя оптимизации и оценки технологических процессов подзатворного окисления в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Исследование влияния плазменных обработок при формировании современной многослойной системы металлизации на основе золота (PtSi-Ti-Pt-Au) на изменение значении пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.

4. Разработка эффективного способа восстановления пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации, имеющих различные конструктивно-технологические особенности.

5. Исследование влияния разброса пороговых напряжений ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности irx зарядовых свойств на значения энергетических параметров мощных балансных ВЧ и СВЧ транзисторов, а также на качество их работы.

Научная новнзна исследований.

1. Предложен усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления, применяемый в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов для получения качественного подзатворного оксида кремния Si02 и устранения дрейфа пороговых напряжений Vnon полевых приборов. Данный технологический способ представляет собой многоэтапную химическую отмывку, состоящую из стандартной отмывки в растворах (КАРО, ПАС) и отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот (HCliHFiHjO).

2. Предложен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния Si02 для оценки и оптимизации технологического процесса подзатворного окисления в производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов. Экспресс-контроль предложено проводить на автоматической установке с ртутным зондом, используя метод высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ).

3. Установлено негативное влияние плазменных обработок при формировании многослойной системы металлизации на основе золота (PtSi-Ti-Pt-Au) на изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (ДУпор порядка 1+3 В) и показана неэффективность низкотемпературного термического отжига, как способа восстановления пороговых напряжений Vnop.

4. Разработан новый способ восстановления пороговых напряжений Vnop МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения с энергией квантов 4,0+6,0 эВ (длина волны порядка 205+315 нм).

5. Показано, что разброс значений пороговых напряжений AVnop порядка 1+1,5 В ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств является фактором, влияющим на энергетические параметры мощных балансных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов (к снижению коэффициента усиления по мощности КУр порядка 10 %).

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертации использованы при разработке, создании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов в ходе выполнения ряда НИР, ОКР и в последующем их серийном производстве, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

Основные положения, выносимые па защиту.

1. Усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин пергд процессом подзатворного окисления, состоящий из стандартной химической отмывки в растворах (КАРО, ПАС) и отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот (HC1:HF:H20) для устранения дрейфа пороговых напряжений AVnop мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

2. Усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния Si02Ha автоматической установке с ртутным зондом с использованием метода высокочастотных вольт-фарадных характеристик при серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (AVnop порядка 1-4-3 В) под воздействием плазменных обработок при ионно-лучевом травлении металлических слоев на этапе формирования многослойной металлизации на основе золота.

4. Новый способ восстановления пороговых напряжений Vnop МОП транзи-торных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения с энергией квантов 4,(Кб,0 эВ (длина волны порядка 205^315 нм).

5. Разброс порогового напряжения AVr]op порядка 1-5-1,5 В ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности itx зарядовых свойств снижает коэффициент усиления по мощности Кур мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов порядка 10 %.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Восьмой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2002); VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Москва, 2008); XV, XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010).

Получен патент РФ на изобретение №2426192, 2010.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ [1,2].

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [5] - предложен усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления; [6] - предложен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния; [1, 2, 8] - установлено негативное влияние плазменных обработок при формировании многослойной системы металлизации на основе золота на значения пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур; [2, 3, 9] - разработан новый способ восстановления пороговых напряжений Vnüp МОП транзисторных структур после воздействга плазменных обработок на этапе формирования метал-

лизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения; [4, 10] - показано, что разброс значений пороговых напряжении AVnop ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур является фактором, влияющим на энергетические параметры мощных балансных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов и качество их работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 51 наименование. Объем диссертации составляет 101 страницы, включая 33 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор по вопросам особенностей конструкций и технологий мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, проведен анализ современного состояния разработок и производства отечественных и зарубежных мощных ВЧ и СВЧ DMOS и LDMOS транзисторов.

Рассмотрены современные технологические способы создания мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, а также особенности исследовании по контролю их качества. Проведен анализ влияния технологических процессов при создании основных структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, а именно тонкого качественного подзатворного оксида кремния и многослойной системы металлизации на основе золота на стабильность и воспроизводимость электрических параметров. Показана необходимость оценки надежности приборов на их основе. Отмечено отсутствие исследований влияния разброса пороговых напряжений ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств на значения энергетических параметров мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, а также качество их работы.

По результатам анализа научно-технической и патентной литературы сформулированы задачи и определены направления исследований.

Во второй главе представлены методы создания основных структурных составляющих (тонкого качественного подзатворного оксида кремния, многослойной системы металлизации на основе золота) мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, качество которых влияет на надежность приборов. Разработаны и усовершенствованы методики оценки их качества, а также способы по устранению деградации основных статических параметров после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации.

В качестве исходного материала для изготовления мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур использовались кремниевые пластины с эпитаксиальными структурами (ЭС) п- и р- типа проводимости с кристаллографической ориентацией (100): для DMOS транзисторных структур - ЭС п- типа проводимости с толщиной 12 мкм, удельным сопротивлением 1,5 Ом-см и с толщиной 20 мкм, удельным сопротивлением 3,5 Ом-см; для LDMOS транзисторных структур - ЭС р - типа проводимости с толщиной 8 мкм, удельным сопротивлением 20 Ом-см, изготовленные ЗАО «Эпиэл» г. Зеленоград.

Качество тонкого подзатворного оксида кремния мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур оценивалось по термополевой стабильности зарядовых свойств тестовых МОП-структур (дрейф пороговых напряжений ДУ,) и по величине плотности поверхностных состояний (Nss) в Si02 тестовых пластин с помощью метода высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ).

Термополевые испытания тестовых МОП-структур, представляющих собой МДП-конденсаторы, проводились на экспериментальном стенде при напряжении смещения (VCM=+10 В) и повышенной температуре (Т=+200 °С).

Для определения величины плотности поверхностных состояний подзатворного оксида кремния тестовых пластин применен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля. Измерения проводились на автоматизированном комплексе "Тест" mod 4061А (фирмы HP, USA), представляющем собой многофункциональную, автоматическую установку, предназначенную для тестирования электрофизических параметров полупроводниковых приборов и структур на пластинах. В качестве контактирующего устройства использовался ртутный зонд, что позволяет проводить оперативный контроль качества диэлектриков в условиях серийного производства без создания металлического контакта.

После создания качественного подзатворного оксида кремния при изготовлении мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур кремниевые пластины далее последовательно проходили технологический цикл операций по созданию активных и пассивных областей МОП транзисторной структуры, в частности: поликремниевого затвора, легированного фосфором; областей истока и стока; многокомпонентного межслойного диэлектрика, а также вскрытия контактов к областям затвора, истока и стока.

Далее предложена методика формирования следующей исследуемой структурной составляющей мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур - многослойной системы металлизации на основе золота (PtSi-Ti-Pt-Au). Данная металлизация состоит из силицида платины в контактах (PtSi), адгезионного слоя титана (Ti) толщиной 0,2 мкм, барьерного слоя платины (Pt) толщиной 0,2 мкм и токопроводящего слоя золота (Au) толщиной 1,0 мкм. Металлические слои напыляют методом магне-тронного распыления, рисунок металлизированной разводки формируют методом фотолитографии. Травление металлических слоев золота и платины осуществляют на установке ионно-лучевого травления (ИЛТ) УВН 71П-3 с щелевым источником при помощи плазменных обработок, слои титана травятся химически.

С целью определеши степени негативного влияния плазменных обработок при создании многослойной системы металлизации на основе золота на деградацию статических параметров была сформирована экспериментальная партия пластин с мощными ВЧ и СВЧ МОП транзисторными структурами, имеющих различные конструктивно-технологические особенности, в частности, системы многокомпонентного межслойного диэлектрика (МСД), традиционно используемых в производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов:

- МСД1 (пленка окисла Si02, полученного пиролизом тетраэтоксисилана (ТЭ-ОС), толщиной 0,3 мкм; "тонкая" пленка ФСС, полученная диффузией фосфора из газовой фазы, толщиной 0,045 мкм; пленка шприда кремния Si3N4 толщиной 0,065 мкм);

- МСД2 (пленка окисла Si02, полученного пиролизом тетраэтоксисилана (ТЭ-ОС), толщиной 0,25 мкм; пленка фосфоросиликатного стекла, полученная низко-

температурным пиролитическим осаждением (СТФСС), толщиной 0,75 мкм; пленка нитрида кремния Si3N4 толщиной 0,065 мкм).

Для этого в контактах мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур был создан силицид платины. Далее на пластины напылялся алюминий, затем химическим травлением получали топологический рисунок, производили измерения пороговых напряжений VnopAi и химически удаляли алюминиевую металлизацию (отсутствовали плазменные обработки). Затем на этих же пластинах формировалась многослойная система металлизации на основе золота с использованием плазменных обработок и измерялись пороговые напряжения VnopAu. Из сравнительного анализа Vnop\u и VnopAi, а также расчета абсолютной величины изменения порогового напряжения ДУпор, определена степень деградации.

Далее рассмотрен известный способ восстановления пороговых напряжений VnopAu мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок при формировании металлизации - термический отжиг при температуре 470 °С в диффузионной печи СДОМ 3/100 и разработан новый эффективный способ - с помощью ближнего ультрафиолетового облучения. В качестве источников данного излучения использовался УФ-излучатель типа УФ 00.0001 с люминесцентными лампами с потоком УФ (205-315) нм, мощностью 60 Вт.

В итоге работы по разработке и усовершенствованию технологических способов создания основных структурных составляющих МОП транзисторных структур проведены исследования надежности мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов на их основе. Надежность приборов оценивалась по результатам следующих видов испытаний: термополевое (при воздействии повышенной температуры и постоянного напряжения на затворе) и испытание на безотказность (при повышенной температуре корпуса и при максимально допустимой температуре перехода).

Данные испытания проведены на выборке из 10 балансных п-канальных мощных СВЧ DMOS экспериментальных транзисторов (20 транзисторных сборок) типа КП979В в корпусе КТ-44, собранных из исследуемой экспериментальной партии пластин с DMOS-транзисторными структурами. Транзисторы предназначены для работы на частотах до f=230 МГц с выходной мощностью Р=150 Вт при напряжении питания ипит=28В.

Для проведения испытаний приборов были использованы методики и оборудование ФГУП «НИИЭТ», применяемых при разработках и серийном производстве полупроводниковых приборов.

Качество исследуемых мощных СВЧ МОП транзисторов проанализировано на примере 10 балансных транзисторов типа КП979В в корпусе КТ-82, предназначенных для работы на частотах до f=230 МГц с выходной мощностью Р=300 Вт при напряжении питания UmiT=50 В.

Для построения сравнительных термограмм кристаллов исследуемых мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов использован программно-аппаратный комплекс ThermaCAM SC 3000 с ИК-тепловизором (фирмы FLIR Systems, США-Швеция). Для измерения коэффициента усиления по мощности данных приборов - стенд измерения энергетических параметров Рвых, Кур и г)с, применяемый в ФГУП «НИИЭТ».

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических факторов на основные статические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, в частности на пороговое

напряжение Упор. Исследование проведено на основе разработок и усовершенствований технологических способов создания структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (рис. 1, 2), методик оценки их качества и способов устранения негативных производственных факторов, рассмотренных во второй главе диссертации.

Исследования влияния конструктивно-технологических факторов при создании основной структурной составляющей мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур - подзатворного оксида кремния ЗЮ2 разделены на два этапа. На первом этапе проведены исследования технологического способа подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления (ПЗО) и разработаны усовершенствования по улучшению качества границы раздела 8ь8Ю>, в большей степени определяющей качество затворов МОП транзисторных структур.

затвор

Рис. 1. Схема конструкции структуры современного п-канального ВЧ и СВЧ ИМОв транзистора с многослойной металлизацией на основе золота

затвор соединительный затвор затвор

Рис. 2. Схема конструкции структуры современного n-канального ВЧ и СВЧ LDMOS транзистора с многослойной металлизацией на основе золота

В работе показана перспективность применения в серийном производстве усовершенствованной многоэтапной химической обработки перед ПЗО, состоящей из стандартной отмывки в растворах KAPO (H2SO4+H2O2) и ПАС (NH4OH + Н2О2 +Н20), позволяющей удалять с поверхности кремниевых пластин органические загрязнения, и дополнительной отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот HC1:HF:H20, позволяющей удалять с поверхности кремниевых пла-

стин адсорбированные ионы металлов с одновременным травлением "естественного" окисла. Для оценки эффективности предложенной обработки проведены термополевые тренировки тестовых МОП-структур с регистрацией вольт-фарадных характеристик: '1 - исходной (без обработок); 2 - после отжига при Т=200 С, 1=15 мин; 3 - после приложения Усм=+10 В, при Т=200 °С, 1=90 мин; 4 - после всех совокупных воздействий. Вольт-фарадные характеристики тестовых МОП-структур для 1 варианта химической обработки (стандартной - КАРО-ПАС) представлены на рис.3, для варианта II (усовершенствованной - КАРО-ПАС + НС1:НР:Н20) - на рис.4.

-8 -7-6-5-4 -3 -2 -1 0

Рис. 4. Вольт-фарадные характеристики тестовой МОП-структуры II варианта химической обработки (усовершенствованной) перед ПЗО

Результаты проведенных исследований (рис. 4) показали, что применение в технологии формирования тонкого подзатворного оксида кремния мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур многоэтапной усовершенствованной химической отмывки (КАРО-ПАС +НС1:НР:Н20) с использованием разбавленных растворов соляной и плавиковой кислот перед процессом подзатворного окисления позволило снизить дрейф порогового напряжения Упор во всем критичном диапазоне предельных значений параметров приборов.

С, пФ] 350

4— зоо

250

После проведения оценки стабильности зарядовых свойств МОП-структур на втором этапе выполнены исследования по сравнительной оценке качества подза-творного оксида кремния, полученного различными технологическими способами. Для этого был разработан усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля с использованием измерительного комплекса "Тест" mod 4061А (фирмы HP, USA) с ртутным зондом. Изначально данная установка комплектовалась программным обеспечением на базе операционной системы DOSXM, несовместимой с другими современными операционными системами, что принципиально затрудняло проведение обработки результатов измерений. В результате проведенной работы данный недостаток был устранен. Созданы необходимые средства компьютерного обеспечения (интерфейса) на платформах WINDOWS98/NT/2000/XP, которые состоят из адаптера приборного канала, драйвера адаптера и компьютерной программы, использующей метод высокочастотных вольт-фарадкых характеристик.

С помощью разработанного усовершенствованного метода автоматизированного экспресс-контроля были исследованы наиболее перспективные варианты процесса подзатворного окисления. Графический интерфейс программы в режиме просмотра информации результатов автоматического экспресс-контроля зарядовых свойств оксида кремния, полученного V вариантом ПЗО (табл. 1), представлен на рис. 5.

S = 2,61 Е-03 ст2 Dox = 750 А

Cfb = 83,65 pF Сох = 117,61 pF

Vfb =-0,125 V Vttl =-1,180 V

Nsub = 1,909E* 15 cm-3 Nss = 6,283£+10 cm-2

Рис. 5. Вид графического интерфейса программы контроля качества V варианта ПЗО (ВЧ ВФХ и расчетные параметры)

Результаты измерений зарядовых свойств подзатворного оксида кремния, полученного различными технологическими способами, тестовых пластин, приведены в табл.1 (5 - площадь контакта ртутного зонда; Сох- удельная емкость; Сд, - удельная емкость, соответствующая напряжению плоских зон; Ы5Ць - концентрация носителей в подложке; \ЛЬ - напряжение плоских зон; V,,, - пороговое напряжение; - плотность поверхностных состояний).

Таблица 1

Параметры подзатворного оксида кремния, полученные при автоматическом экспресс-контроле на измерительном комплексе "Тест"

Варианты ПЗО S.-tO'J, cm' Cox.pF Cjb.pF Nsub. 10'', cm3 Vfl, (-Ю Flh, (-У) Nss, cm''

1. Окисление 02сух 2,23 94,3 72,4 3,04 0,62 1,86 1,9210"

11. Окисление К2вл 2,27 102,4 76,9 2,86 0,44 1,62 1,5410"

111. Пирогенное окисление 2,41 108,6 79,2 2,28 0,42 1,53 1,46-10"

IV. Окисление 5% HCI-HiO 2,35 99,5 76,3 2,99 0,24 1,47 9,16-10'°

V. Окисление 5% НС1-Н20 (с предвар. продувкой HCl) 2,61 117,6 83,7 1,91 0,13 1,18 6,28-1010

Исследования вариантов процесса подзатворного окисления показали, что наименьшей плотностью поверхностных состояний обладает подзатворнын оксид кремния, полученный термическим окислением с барботажной системой 5% НС1-Н20 с предварительной продувкой кварцевого реактора парами HCl.

В ходе проведения исследований деградации электрических параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур после плазменных обработок при формировании структурной составляющей (многослойной металлизации на основе золота) сделан сравнительный анализ значений пороговых напряжений МОП транзисторных структур экспериментальной партии пластин, имевших на одних и тех же структурах различные системы металлизации. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Пороговые напряжения мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур с AI- и Ti-Pt-Au-металлизациями

Тип полевых транзисторных структур Пороговое напряжение VnooAI. В Пороговое напряжение

DMOS 3,0 0

LDMOS 3,0 2,0

Показано, что плазменная обработка при проведении процесса ионно-лучевого травления металлических слоев Аи-Р1 приводит к снижению порогового напряжения УпорАи на 3 В для О МО 8 и на 1 В для 1ЛМ08 транзисторных структур относительно УпорА| на тех же структурах с алюминиевой металлизацией (без плазменных обработок). Сдвиг пороговых напряжений УпорАи в область отрицательных потенциалов связан с тем, что при распылении металлических слоев Аи-Р1 положительными ионами с энергией до 5000 эВ в условиях сильных электрических и магнитных полей образуется пучковая плазма с потенциалом 10-И0 В относительно земли

в зависимости от мощности. Воздействие плазмы приводит к деградации зарядовых свойств БМОБ и 1.0М08 транзисторных структур.

При определении эффективности использования способов восстановления пороговых напряжений УпорАц мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур с различными конструктивно-технологическими особенностями был выявлен ряд основных недостатков низкотемпературного термического отжига, традиционно применяемого при производстве полевых приборов (рис. б).

3,5 3

2,5 2

1 1

г §1'5

ш ^

2 1 о

§■ 0,5 с 0

О 15 30 45 60

Время отжига, мин

Рис. 6. Зависимость восстановления порогового напряжения УпорАи |)М08 транзисторных структур от времени отжига 470 °С: кривая 1 - МСД1; кривая 2 - МСД2; штриховая линия соответствует УпирА|

В частности, для полного восстановления пороговых напряжений Упо„Аи ЭМ08 транзисторных структур с МСД2 требовалось увеличение длительности термического отжига, что приводило к ухудшению барьерных свойств платины и про-плавлению многослойной системы металлизации, а в конечном итоге влияло на снижение процента выхода годных мощных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов.

В результате дальнейших исследований был разработан новый эффективный способ восстановления пороговых напряжений УП0РАи мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, имеющих различные конструктивно-технологические особенности.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что после негативного воздействия плазменных обработок в процессе травления металлических слоев, приводяпи« к наведению дополнительного положительного заряда в подзатворном оксиде кремния с последующей деградацией электрических характеристик МОП-транзисторных структур и к сдвигу пороговых напряжений в область отрицательных потенциалов, восстановление порогового напряжения осуществляется облучением пластин с МОП-транзисторными структурами источником ближнего ультрафиолета с энергией квантов 4,0+6,0 эВ (длина волны порядка 205+315 нм).

Время ультрафиолетового облучения, необходимое для восстановления УпорА1, мощных ВЧ и СВЧ транзисторных структур, определено экспериментальным путем. Например, для ЭМОв-транзисторных структур с МСД2 оно составляет порядка 20 минут (рис. 7).

О 5 10 15 20

Длительность УФО, мин

Рис.7. Зависимость восстановления порогового напряжения УПОрАи DMOS транзисторных структур с МСД2 от длительности УФО; штриховая линия соответствует VnofAi

Малая эффективность стандартного способа восстановления УпорАи (термическим отжигом) связан с тем, что наведенный положительный заряд в процессе плазменной обработки при ИЛТ золота-платины имеет две составляющие. Первая -это нестабильная (отжигаемая) часть наведенного заряда подзатворного оксида кремния, обусловленного захватом дырок на напряженных Si-O и/или Si-Si связях. Вторая - это стабильная (неотжигаемая) часть наведенного заряда, которая зависит от содержания примеси фосфора в слое подзатворного оксида кремния при использовании различных технологических способов создания фосфоросиликатного стекла (диффузия из газовой фазы, пиролитическое осаждение), входящего в состав МСД. Неотжигаемая часть наведенного заряда представляет собой заряд ионизированных атомов пятивалентной примеси (фосфора), замещающих атомы кремния в кислородных тетраэдрах стеклообразной окиси кремния. Заряженные примесно-кислородные тетраэдры (Р04)+ встроены в сетку Si02 и неподвижны, что обеспечивает высокую термостабильность этого заряда.

В случае использования ультрафиолетового облучения происходит захват инжектированных фотоэмиссией электронов на стабильных положительно заряженный центрах (РО;):. что приводит к нейтрализации наведенного заряда и полному восстановлению VnopAu.

В четвертой главе представлены результаты исследований надежности мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов после применения усовершенствований технологических способов создания исследуемых структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур и способов устранения деградации статических параметров. Показано влияние разброса пороговых напряжений ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств на значения энергетических параметров мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, а также качество их работы.

Проведенные исследования показали, что деградационные эффекты в мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторах, собранных из МОП транзисторных структур, при изготовлении которых были применены технологические усовершенствования для создания качественного подзатворного оксида кремния, многослойной металлизации на основе золота, а также способ восстановления порогового напряжения -

ультрафиолетовое облучение, практически отсутствуют. Статические параметры 1сост, 13уТ, 1^,,, 8, Упор не изменяются, как в результате термополевого испытания, так и испытания на безотказность. Усредненные значения статических параметров'выборки приборов после проведения цикла испытаний представлены в табл. 3.

Таблица 3

Среднестатистические значения статических параметров п-канальных мощных СВЧ ЭМОЭ экспериментальных транзисторов до и после испытаний на надежность

Наименование испытания Длительность испытаний, ч Ток стока остаточный 'сосг' мА Ток утечки затвора К,- мкА Сопротивление открытого канала К«' Ом Крутизна Б, А/В Пороговое напряжение V , пор * в

До испытаний - 0,190 55 0,345 4,32 2,95

Термополевое 12 0,193 58 0,351 4,27 3,00

Безотказность 100 0,200 60 0,363 4,22 3,01

1000 0,210 61 0,372' 4,19 3,03

Наиболее критичным для надежности мощных СВЧ полевых транзисторов, как показателя стабильности, является относительное изменение порогового напряжения ДЧор/Чч,' которое в данном случае не превышает ~3 % (табл. 4). Такой уровень относительного изменения порогового напряжения является приемлемым и характеризует исследованные транзисторы как высоконадежные изделия.

Таблица 4

Относительное изменение значений статических параметров п-канальных мощных СВЧ ОМОЯ экспериментальных транзисторов после испытаний

на надежность

Наименование испытания ДсосЛос'0/" АЧ/Б , % ДУ /V ,% пор пор' "

Термополевое 1,58 5,45 1,74 1,16 1,69

Безотказность в течение 1000 ч 10,53 10,90 7,83 3,00 2,71

Далее исследовано влияние разброса значений пороговых напряжений мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов типа КП979В при нестабильности зарядовых свойств МОП транзисторных структур на токовое распределение при работе приборов, а также влияние ДУпор на ухудшение энергетических параметров приборов, в частности коэффициента усиления по мощности Кур.

Температурное распределение на кристаллах при работе мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов типа КП979В при ДУпор наглядно продемонстрировано с помощью ИК-тепловизора ТЪегтаСАМ БС 3000 (рис. 8). Показано, что устранение разброса пороговых напряжений в плечах мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов после УФО приводит к более равномерному распределению температуры по всей площади кристаллов. Максимальный температурный градиент

13

ДТ между кристаллами транзиторной сборки после УФО не превышает 5 °С, когда изначально до обработки градиент AT составлял порядка 150 °С.

20.0"С

Рис. 8. Фотографии кристаллов мощного балансного СВЧ МОП транзистора типа КП979В в рабочем режиме, полученные с помощью ИК-тепловизора: а) - с разбросом пороговых напряжений AV„op; б) - без AVnop (после ультрафиолетового облучения)

Установлено, что стабилизация зарядовых свойств МОП транзиторных структур при устранении ДУпор позволяет улучшать энергетические параметры мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов (разброс пороговых напряжений AVnop порядка 1-4-1,5 В приводит к снижению коэффициента усиления по мощности Кур порядка 10 %).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления, состоящий из стандартной химической отмывки в растворах KAPO (H2SO4+H2O1) и ПАС (NH4OH + Н202 +Н20) и отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот (НС1:НР:Н20), для получения качественного подзатворного оксида кремния. Применение данного способа позволяет стабилизировать зарядовые свойства МОП транзисторных структур и устранить дрейф пороговых напряжений AVnop мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, как во время испытаний, так и при длительной эксплуатации.

2. Предложен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния SiO, на автоматической установке с ртутным зондом с использованием метода высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ). Применение данного экспресс-контроля позволяет проводить оперативный контроль качества подзатворного оксида кремния, а также статистическую обработку результатов в условиях серийного производства мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Установлено негативное влияние плазменных обработок при формировании многослойной системы металлизации на основе золота (PtSi-Ti-Pt-Au) на изме-

14

нение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (ДУпор порядка 1+ЗВ) при их сдвиге в область отрицательных потенциалов.

4. Установлена неэффективность низкотемпературного термического отжига, как способа восстановления пороговых напряжений Vnop мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур, имеющих различные конструктивно-технологические особенности, на этапе формирования металлизации. Показано, что наведенный положительный заряд в подзатворном оксиде кремния в процессе плазменных обработок при формировании многослойной системы металлизации имеет две составляющие: первая нестабильная (отжигаемая) - наведенный заряд, обусловленный захватом дырок на напряженных Si-0 и/или Si-Si связях; вторая стабильная (неот-жигаемая) - заряд ионизированных атомов пятивалентной примеси (фосфора), замещающих атомы кремния в кислородных тетраэдрах стеклообразной окиси кремния (Р04)+.

5. Разработан новый эффективный способ восстановления пороговых напряжений Vnop мощных ВЧ и СВЧ МОП транзиторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения с энергией квантов 4,0+6,0 эВ (длина волны порядка 205+315 нм). Способ основан на том, что ультрафиолетовое облучение пластин с МОП транзисторными структурами приводит к фотоэмиссии электронов и захвату их на положительных центрах в подзатворном оксиде кремния.

6. Установлено влияние разброса значений пороговых напряжений ЛУпо МОП транзисторных структур при нестабильности irx зарядовых свойств на энергетические параметры мощных балансных СВЧ полевых транзисторов. Показано, что при разбросе ДУпор порядка 1+1,5 В МОП транзисторных структур значение коэффициента усиления по мощности Кур мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов снижается порядка 10 %.

7. Основные результаты диссертации использованы при разработке, создании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов в ходе выполнения ряда НИР, ОКР и в последующем их серийном производстве в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Разработаны и серийно производятся транзисторы в следующих параметрических рядах:

- f=500-860 МГц, Un„T=28-32 В, Рвых=6... 150 Вт;

- f до 1000МГц, ипиг=12,5 В, Рвых=2...80 Вт;

- f=30-230 МГц, ипит=50 В, Рвых=300.. .600 Вт;

- f=230 МГц, U„„r=28 В, Рвых=5...300 Вт;

- f=500 МГц, иш|г=28 В, Рвых=5...150 Вт.

Использование результатов диссертации подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Восстановление пороговых напряжений мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторных структур с помощью ультрафиолетового облучения и оценка надежности приборов на их основе / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2011. - Т. 7. № 4. - С. 58-61.

2. Бородкин И.И. Способ восстановления пороговых напряжений СВЧ кремниевых полевых транзисторных структур после воздействия плазменных обработок / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 2011. - № 2 (227). - С. 59-63.

Авторские свидетельства, патенты на изобретение

3. Патент РФ на изобретение №2426192, 2010. Способ восстановления порогового напряжения МДП-транзисторных структур после воздействия плазменных обработок / Бородкин И.И, Асессоров В.В., Кожевников В.А..

Статьи и материалы конференций

4. Исследование и разработка высокоэффективных структур МДП-транзисторов для генераторных усилителей мощности в диапазоне до 500 МГц / В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Гашков, И.В. Семейкин, И.И. Бородкин // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: труды восьмой Междунар. науч.-техн. конф. - Таганрог, 2002. - С. 95-97.

5. Исследования стабильности зарядовых свойств подзатворного оксида кремния, полученного различными технологическими способами / В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, И.И. Бородкин, А.Н. Гашков А.Н. // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2003. - Вып. 2. - С. 104109.

6. Разработка автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния для оптимизации и оценки технологических процессов в производстве мощных СВЧ полевых транзисторов / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров, Е.В. Невежин // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2007. - Вып. 6. - С. 99105.

7. Влияние конструктивно-технологических факторов на стабильность и воспроизводимость электропараметров мощных СВЧ полевых транзистров / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: материалы VII науч.-техн. конф. - Москва, 2008. - С. 38-39.

8. Восстановление и корректировка пороговых напряжений мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторных структур после воздействия плазменных обработок / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров // Радиолакацни, навигация, связь: труды XV Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2009. - С. 958964.

9. Оценка надежности мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторов, подвергнутых ультрафиолетовому облучению для восстановления порогового напряжения / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров // Радиолакацни, навигация, связь: труды XVI Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 2010. - С. 563-566.

10. Влияние разброса пороговых напряжений мощных балансных СВЧ МОП транзисторов на их энергетические параметры / И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров, В.А. Буслов // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2011. -Вып. 10. - С. 3 8-44. _

Подписано в печать 04.05.12. Формат 60*84 '/]6. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 475.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательско-пол игр афи чес кого центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРОВ.

1.1. Особенности конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

1.2. Электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

1.3. Развитие МОП технологии и специфические особенности ВЧ и СВЧ МОП технологии с двойной диффузией.

1.4. Влияние технологических процессов на стабильность и воспроизводимость электрических параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.:.

1.5. Надежность мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР и МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ИХ КАЧЕСТВА.

2.1. Метод создания подзатворного оксида кремния мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур и оценка его качества.

2.2. Метод формирования многослойной металлизации на основе золота мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур с помощью плазменных обработок.

2.3. Методика оценки влияния плазменных обработок при формировании многослойной металлизации на основе золота мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур и методы устранения деградации их параметров.

2.4. Методы оценки качества и надежности мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР, СПОСОБЫ ОЦЕНКИ И УСТРАНЕНИЯ ДЕГРАДАЦИИ.

3.1. ЭМ08- и ЫЭМ08-технологии создания современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.

3.2. Влияние качества границы раздела 81-8102 на стабильность зарядовых свойств мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.

3.3. Оценка качества подзатворного оксида кремния, полученного различными технологическими способами, с помощью экспресс-контроля.

3.4. Влияние плазменных обработок при формировании многослойной металлизации на основе золота на изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.

3.5. Способы устранения деградации статических параметров после плазменных обработок на этапе формирования металлизации и их корректировка.

3.6. Способ восстановления пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур с помощью ультрафиолетового облучения.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ МОЩНЫХ ВЧ И СВЧ МОП ТРАНЗИСТОРОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ РАБОТЫ.

4.1. Термополевое испытание и испытание на безотказность мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов как инструмент оценки качества МОП транзисторных структур.

4.2. Разброс пороговых напряжений МОП транзисторных структур - негативный фактор для качественной работы мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Актуальность темы. Среди многообразных направлений современной полупроводниковой электроники важное место занимает разработка и производство кремниевых мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов (БМ08 и 1ЛЭМ08). Область применения таких транзисторов весьма широка. Они используются в каскадах усилителей мощности систем радиосвязи и телерадиовещания, в базовых станциях сотовой связи, в РЛС различного назначения и других телекоммуникационных системах. Мощные ВЧ и СВЧ МОП транзисторы обладают рядом существенных преимуществ перед биполярными транзисторами аналогичного функционального назначения -отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей, возможность реализации более высоких значений коэффициента усиления по мощности, тепловая устойчивость во всем диапазоне рабочих температур.

Важно отметить тот факт, что реализация на практике таких полупроводниковых приборов, а также их серийное производство, стали возможны благодаря созданию современной кремниевой МОП-технологии с двойной диффузией. Использование данной технологии позволяет производить мощные ВЧ и СВЧ МОП транзисторные структуры с тонким качественным подзатворным диэлектриком, субмикронными диффузионными областями, многослойной системой металлизации, что в последствии обеспечивает надежную работу мощных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов в условиях больших плотностей токов (десятки ампер) и высоких температур переходов (до 200 °С).

Известно, что уровень надежности полупроводникового изделия закладывается на этапе его разработки и обеспечивается качеством всех критичных технологических процессов при его изготовлении. Однако, каждая технологическая операция, которая реализует определенные функциональные свойства формируемой структуры, в то же самое время может вносить и специфические дефекты. Поэтому перед разработчиками и производителями приборов, и сегодня, стоят актуальные задачи получения надежных мощных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов, имеющих стабильные и воспроизводимые электрические параметры - пороговое напряжение, крутизну, минимальные токи утечки, как на этапе испытаний при разработке и производстве, так и в условиях длительной эксплуатации.

В связи с тем, что в Российской Федерации кремниевые мощные СВЧ БМ08 и ЬБМ08 транзисторы серийно производятся относительно недавно, в условиях производства проявляются негативные технологические факторы, снижающие качество и надежность приборов. Поэтому разработка новых и усовершенствование существующих технологических способов, необходимых для создания основных структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ ЭМ08 и 1^М08 транзисторных структур, позволит исключить негативные производственные факторы и обеспечить требуемый уровень качества и надежности кремниевых мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета, а также ФГУП «НИИЭТ», в рамках реализации программных мероприятий по ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, Государственной программы вооружения до 2015 года, серийного производства полупроводниковых приборов гражданского и специального назначения.

Цель работы — разработка и усовершенствование технологических способов изготовления структурных составляющих мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур со стабильными и воспроизводимыми статическими параметрами, а также методов, направленных на устранение негативных производственных факторов при серийном производстве современных мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработка усовершенствований технологического способа подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления для получения качественного подзатворного оксида кремния 8Ю2 и устранения дрейфа пороговых напряжений полевых транзисторных структур в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

2. Разработка усовершенствований метода автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния 8Ю2 для оптимизации и оценки технологических процессов подзатворного окисления в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Исследование влияния плазменных обработок при формировании современной многослойной системы металлизации на основе золота ^БьТл-Р1-Аи) на изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур.

4. Разработка эффективного способа восстановления пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации, имеющих различные конструктивно-технологические особенности.

5. Исследование влияния разброса пороговых напряжений ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств на значения энергетических параметров мощных балансных ВЧ и СВЧ транзисторов, а также на их качество.

Научная новизна исследований.

1. Предложен усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления, применяемый в серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов для получения качественного подзатворного оксида кремния 8Ю2 и устранения дрейфа пороговых напряжений Упор полевых приборов. Данный технологический способ представляет собой многоэтапную химическую отмывку, состоящую из стандартной отмывки в растворах (КАРО, ПАС) и отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот (НС1:НР:Н20).

2. Предложен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния 8Ю2 для оценки и оптимизации технологического процесса подзатворного окисления в производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов. Экспресс-контроль предложено проводить на автоматической установке с ртутным зондом, используя метод высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВЧ ВФХ).

3. Установлено негативное влияние плазменных обработок при формировании многослойной системы металлизации на основе золота (Р18ь ТьР1;-Аи) на изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (АУпор порядка 1-КЗ В) и показана неэффективность низкотемпературного термического отжига, как способа восстановления пороговых напряжений Упор

4. Разработан новый способ восстановления пороговых напряжений УПОр МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения с энергией квантов 4,СМ-6,0 эВ (длина волны порядка 205^315 нм).

5. Показано, что разброс значений пороговых напряжений АУ,Юр порядка 1-^1,5 В ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств является фактором, влияющим на энергетические параметры мощных балансных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов (к снижению коэффициента усиления по мощности Кур порядка 10 %).

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертации использованы при разработке, создании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов в ходе выполнения ряда НИР, ОКР и в последующем их серийном производстве, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж).

Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления, состоящий из стандартной химической отмывки в растворах (КАРО, ПАС) и отмывки в разбавленных растворах соляной и плавиковой кислот (НС1:НР:Н20) для устранения дрейфа пороговых напряжений АУпор мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

2. Усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния ЭЮ? на автоматической установке с ртутным зондом с использованием метода высокочастотных вольт-фарадных характеристик при серийном производстве мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов.

3. Изменение значений пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур (АУпор порядка 1-^3В) под воздействием плазменных обработок при ионно-лучевом травлении металлических слоев на этапе формирования многослойной металлизации на основе золота.

4. Новый способ восстановления пороговых напряжений Упор МОП транзиторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения с энергией квантов 4,0-Мэ,0 эВ (длина волны порядка 205-^315 нм).

5. Разброс пороговых напряжений АУпор порядка 1-^1,5 В ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур при нестабильности их зарядовых свойств снижает коэффициент усиления по мощности Кур мощных балансных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов порядка 10 %.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Восьмая Международная научно-технические конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2002); VII Научно-техническая конференция «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Москва, 2008); XV, XVI Международные научно-технические конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010). Получен патент РФ на изобретение №2426192, 2010.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ [46, 48]. В совместных работах автору лично принадлежат: [41] - предложен усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления; [42] - предложен усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния; [43, 44, 46] - установлено негативное влияние плазменных обработок при создании многослойной системы металлизации на основе золота на значения пороговых напряжений мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур; [47-49] - разработан новый способ восстановления пороговых напряжений VПOp МОП транзисторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения; [50, 51] показано, что разброс значений пороговых напряжений ДVПop ВЧ и СВЧ МОП транзисторных структур является фактором, влияющим на энергетические параметры мощных балансных ВЧ и СВЧ полевых транзисторов и на их качество.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 51 наименование. Объем диссертации составляет 101 страницы, включая 33 рисунка и 7 таблиц.

8. Основные результаты диссертации, а именно: усовершенствованный технологический способ подготовки поверхности кремниевых пластин перед процессом подзатворного окисления; усовершенствованный метод автоматизированного экспресс-контроля зарядовых свойств подзатворного оксида кремния, а также способ восстановления пороговых напряжений V,lop МОП транзиторных структур после воздействия плазменных обработок на этапе формирования металлизации с помощью ближнего ультрафиолетового облучения, использованы при разработке, создании мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов в ходе выполнения ряда НИР, ОКР и в последующем их серийном производстве в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Разработаны и серийно производятся транзисторы в следующих параметрических рядах:

- f=500-860 МГц, ипит=28-32 В, Рвых=6. .150 Вт;

- f до 1000МГц, UnHT=12,5 В, Рвых=2.80 Вт;

- f=3 0-230 МГц, ипит=50 В, Рвых=300. .600 Вт;

- f=230 МГц, ипит=28 В, Рвых=5.300 Вт;

- f=500 МГц, UnHT=28 В, Рвых=5. 150 Вт.

Использование результатов диссертации подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

1. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Э.С. Окснер // М. : Радио и связь. 1985. - 288 с.

2. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов / Н.С. Спиридонов // Киев: Техника. 1975.-359 с.

3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х т. / С. Зи; перевод с англ. 2-е изд. // Москва: Мир. 1984. - 456 с.

4. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / А. Блихер; пер. с англ. // Л.: Энергоатомиздат. 1986. - 248 с.

5. Кремниевые полевые транзисторы / О.В. Сопов и др.. // Электронная промышленность. 2003. -№ 2. - С. 176-188.

6. Бачурин В.В. Новый класс полупроводниковых приборов мощные высокочастотные МДП- транзисторы / В.В. Бачурин, B.C. Либерман, О.В. Сопов // Микроэлектроника и полупроводниковые приборы: сб. ст. - М., 1976. -Вып.1. - С. 291.

7. Бачурин В.В. Исследование переходной характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором /В.В. Бачурин, О.В. Сопов, В.М. Иевлев. // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. -1971.-Вып. 6.-С. 42-54.

8. Проектирование и технология производства мощных СВЧ транзисторов / В.И. Никишин и др. // М. : Радио и связь, 1989. 145 с.

9. Мощные высокочастотные МДП-транзисторы / В.В. Бачурин и др.. // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. 1974. -Вып. 8.-С. 3-16.

10. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества № области применения / С. Дидилев // Компоненты и технологии. 2002. - №2.

11. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы / В. Майская // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2004. - №8. - С. 16-21.

12. Фармикоун Г. Технология мощных СВЧ LDMOS-транзисторов для радарных передатчиков L-диапазона и авиационных применений / Г. Фармикоун и др., перевод С. Дидилев // Компоненты и технологии. -2007.-№Ю.-С. 14-16.

13. Майская В. СВЧ-полупроводниковые технологии статус равен. Но у кого он равнее? / В. Майская // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. -2006.-№5.-С. 20-27.

14. Sun S.C. Modeling of the On-resistance of LDMOS and VMOS Power Transistors / S.C Sun, J.D. Plummer // IEEE Trans. 1980. - Vol. ED-27, N 2. -P. 356-367.

15. Завражнов Ю.В. Характеристики и параметры мощных генераторных приборов / Ю.В. Завражнов // Электронная техника. Сер.2, Полупроводниковые приборы. 1982. - № 1. - С. 17-18.

16. Завражнов Ю.В. Методика определения характеристик и параметров мощных полевых транзисторов / Ю.В. Завражнов, Г.А. Пупыкин // Электронная техника. Сер.2, Полупроводниковые приборы. 1980. - № 5.-С. 72-77.

17. ГОСТ 20398.5-91. Транзисторы полевые. Метод измерения входной, проходной и выходной емкостей. М. : Изд-во стандартов, 1991. - 5 с.

18. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах : справочник / под. ред. В.П. Дьяконова. М. : Радио и связь, 1994. - 280 с.

19. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов: в 2ч. / Г.Я. Красников.// М.: Техносфера 2004. -4.2 - 536с.

20. Исследование емкостей мощных СВЧ МОП транзисторов / П.А. Меньшиков и др. // Материалы докладов IX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 2003.-Т. 1.-С. 528-535.

21. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем/ Р. Маллер, Т. Кейминс пер. с англ.// М.: Мир 1989. - 630с.

22. Ефимов И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность / И.Е. Ефимов и др. // М.: Высш. шк. 1986. - 464с.

23. Туркевич А. Осаждение слоев легкоплавких стекол в системе ТЭОС-ДМФ'ИТ-ТЭБ / А. Турцевич и др. // Электроника БелРУ 2005. - С.60-66.

24. Асессоров В.В. Мощные ВЧ- и СВЧ-кремниевые транзисторы для систем радиосвязи и телевещания/ В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, B.C. Горохов // Электронная промышленность. Наука. Технология. Изделие. 2001. - № 5. - С. 6-14.

25. Колесников В.Г. Кремниевые планарные транзисторы / В.Г. Колесников и др. // М.: Сов. Радио 1973. - 335 с.

26. Ионно-лучевые технологии. (http://www.ftian.ru/works/work2.htm/).

27. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции / И. Шахнович // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2005. - №4. - С.12-18.

28. Горлов М. Технологические методы повышения надежности интегральных схем / М.И. Горлов и др. // Технологии в электронной промышленности. 2007. - №1. - С.68-70.

29. Красников Г .Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов: в 2ч. / Г.Я. Красников.// М.: Техносфера 2002. -Ч. 1 - 416с.

30. Грей П. Система кремний двуокись кремния / П. Грей // ТИИЭР - 1969. - №9 - С. 88-97.

31. Миттова И.Я Физико-химия термического окисления кремния в присутствии примесей / И.Я. Миттова // Воронеж: Изд-во ВГУ 1987. -200с.

32. Новосядлый С. Плазменная технология формирования субмикронных структур БИС / С. Новосядлый // Технология и конструирование в электронной аппаратуре 2002. - №6. - С.57-63.

33. Гитлин В. Рентгеновская корректировка пороговых напряжений в производстве МДП интегральных схем / В. Гитлин и др. // Вестник ВГУ- 2002. №1. - С.5-12.

34. Чернышев A.A. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем / A.A. Чернышев // М.: Радио и связь 1988. - С.256.

35. Столяров А. Повышение качества диэлектрических слоев на основе исследования дефектности изоляции и зарядовой стабильности // Перспективные материалы. 1998. - №3 - С.23-27.

36. Мустафаев Г. Свойства тонких диэлектрических пленок / Г.А. Мустафаев и др. // Зарубежная электронная техника. 2001. - №3 - С.74-104.

37. Усовершенствованные линии очистки пластин -(http://www.akrionsystems.coni/).

38. Вечер Д. Влияние процесса оплавления легкоплавких стекол на их зарядовые свойства и перераспределение примеси в ионно-легированных слоях / Д. Вечер и др. // Доклады БГУИР, 2008. №1. - С.98-102.

39. Патент РФ на изобретение №2426192, 2010. Способ восстановления порогового напряжения МДП-транзисторных структур после воздействия плазменных обработок / Бородкин И.И, Асессоров В.В., Кожевников В.А.