ТЕСТОВЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к полупроводниковой технике, а именно может быть использована для контроля процесса изготовления кремниевых планарных транзисторов с «островковой» базой.
Известен тестовый планарный транзистор, состоящий из слоя базы, повторяющего его слоя эмиттера, как и в рабочем транзисторе, контактов к базе (см. патент США 3774088, класс H01L 19/00 от 20.11.1973 г.).
В данном аналоге тестовый планарный транзистор одинаков по структуре с рабочим транзистором, но для удобства контроля параметров зондами контактные площадки к областям тестового транзистора выполнены в несколько раз больше, чем контактные площадки к рабочим транзисторам.
Однако контроль параметров планарных транзисторов с помощью данного тестового транзистора, возможно производить только после операции «Вскрытие контактных окон», вследствие чего корректировать режимы диффузии для получения необходимых параметров планарных транзисторов (коэффициент усиления, пробивное напряжение) достаточно трудоемко и с существенной задержкой по времени. Поэтому существенным недостатком данного аналога является низкая оперативность контроля процесса изготовления планарных транзисторов и существенная погрешность измерений из-за наличия дополнительных контактных площадок большой площади.
Известен тестовый планарный транзистор, содержащий рабочий транзистор с базовым переходом, эмиттерным переходом, слоем изолирующего окисла на рабочей поверхности (см. патент США 3666573, класс H01L 21/00 от 30.05.1972 г.).
Контроль параметров транзисторов проводят, подключая измерительную систему через зонды к контактным окнам базы, эмиттера и коллектора транзистора.
Однако оперативность контроля с помощью такого тестового транзистора, особенно при изготовлении планарных p-n-р транзисторов, также достаточна низкая, так как p-n-р транзисторы кроме базового перехода, эмиттерного перехода, слоя изолирующего окисла, на рабочей поверхности содержат окно в окисле для дополнительного легирования базы, область дополнительного легирования базы при формировании омического контакта. Область по дополнительному легированию базового контакта формируют после формирования эмиттера. Контроль параметров транзистора проводят через контактные окна к области дополнительного легирования базы и эмиттеру. Наличие добавочных операций по формированию дополнительного легирования базы снижает оперативность контроля и затрудняет корректировку процесса диффузии в эмиттер для получения нужных значений коэффициента усиления и пробивных напряжений.
Особенно сложно проводить контроль на транзисторах, конструкция которых содержит «островковую» базу. В биполярном кремниевом планарном транзисторе, состоящем из области коллектора, в которой сформирована область базы, сплошной области эмиттера, вписанной в базу, с системой отверстий под контакт к базе, защитного окисла, покрывающего области коллектора, базы и эмиттера, контактных окон в защитном окисле к эмиттеру и к базе в местах отверстий в эмиттере под контакт к базе (см., например, каталог фирмы Sanyo «For Displays and Projectors. Ultra-high Quality Output Devices», июнь 1997 г., стр. 9).
В такой структуре биполярного кремниевого планарного транзистора линейные размеры эмиттера на две ошибки совмещения меньше базы, что резко уменьшает пассивную площадь базы и увеличивает быстродействие.
Транзистор представляет собой совокупность базовых контактов, равномерно распределенных по всей площади эмиттера, что увеличивает общую площадь и длину периферии эмиттера. Это способствует равномерному распределению плотности тока базы, а также позволяет работать при больших токах.
Однако, из-за малых размеров «островков» (∅≈5-20 мкм), где размещены контакты к базе, технически осуществлять контроль коэффициента усиления практически невозможно, т.к. сложно обеспечить надежный контакт транзистора к базе. Для надежного контакта необходимо, чтобы размеры контакта к базе были не менее 60×60 мкм, либо имели ∅70 мкм. Для обеспечения надежного контроля коэффициента усиления часто в линии разделения пластины с рабочими транзисторами на кристаллы формируют небольшой тестовый транзистор с контактами к базе, эмиттеру и коллектору размером не менее 60×60 мкм, либо ∅70 мкм. Однако величина коэффициента усиления на этом тестовом транзисторе будет отличаться от коэффициента усиления на рабочем транзисторе. Причем, коэффициент усиления на тестовом транзисторе будет меньше, чем на рабочих транзисторах из-за большой площади пассивной базы, что затрудняет управление величиной коэффициента усиления рабочих транзисторов.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение точности измерения коэффициента усиления при изготовлении транзисторов с помощью предлагаемого тестового планарного транзистора.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных тестовых планарных транзисторов, состоящих из слоя базы, повторяющего его слоя эмиттера, как и в рабочем транзисторе, контактов к базе, в предлагаемом контакте к базе выполнен в слое эмиттера таким образом, что его площадь равна сумме площадей базовых контактов в рабочем транзисторе.
В предлагаемом тестовом транзисторе площадь контакта к базе равна сумме площадей базовых контактов в рабочем транзисторе.
Таким образом, отношение площади эмиттера к площади базы в рабочем транзисторе равно отношению площади эмиттера к площади базы в тестовом транзисторе. Поэтому снижение коэффициента усиления в области малых токов у тестового и рабочего транзисторов из-за соотношения площади эмиттера и площади базы будет одинаково.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид сверху рабочего транзистора с «островковой» базой, на фиг. 2 приведен вид сверху тестового транзистора с «островковой» базой, на фиг. 3 приведен график зависимости коэффициента усиления рабочего транзистора от тока коллектора со сформированной металлизацией на коллекторе, эмиттере и базе, на фиг. 4 приведен вид сверху тестового транзистора с улучшенным контактом к базе, на фиг. 5 приведена эквивалентная схема транзистора с улучшенным контактом к базе.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - граница области базы;
2 - граница области эмиттера;
3 - контактные окна к базе в слое эмиттера;
4 - дополнительная область эмиттера, которая обеспечивает контакт с базой при измерении коэффициента усиления;
5 - диод в цепи базы, образованный областью 4 и базой;
Imax - максимальный ток коллектора, при котором коэффициент усиления остается максимальным;
(0,001-0,1) Imax - ток, при котором коэффициент усиления на рабочем и тестовом транзисторах будет одинаков (при измерении без металлизации). Соотношение подбирают экспериментально.
Ниже описана конструкция предлагаемого тестового планарного р-n-р транзистора и основные этапы его изготовления.
2
2
На кремниевой подложке р-типа проводимости и ориентации 111 сформирована эпитаксиальная пленка р-типа проводимости толщиной 12 мкм и сопротивлением 9 Ом⋅см. Через маску из изолирующего окисла методом ионной имплантации формируется область базы n-типа с границей 1 в тестовых и рабочих транзисторах - доза фосфора 25 мкКл/см, энергия 60 кэВ; разгонка фосфора происходит при температуре 1150°С в течение 85 минут до глубины 3,0-3,2 мкм и поверхностного сопротивления 100-120  Далее методом диффузии формируется область эмиттера с границей 2 тестовых и рабочих транзисторов - доза бора 1200 мкКл/см, энергия 40 кэВ; разгонка бора происходит при температуре 1100°С до глубины 1,5-2,0 мкм и поверхностного сопротивления 10-15
Как видно из фиг. 1 и фиг. 2 площадь контактных окон к базе в слое эмиттера 3 в рабочем и тестовом транзисторах одинакова.
Для измерения коэффициента усиления после диффузии эмиттера зондами подводят контакт к подложке р-типа проводимости, области эмиттера с границей 2 и контактному окну 3 на тестовом транзисторе (см. фиг. 2). При этом зондами прокалывают образовавший на поверхности эмиттера и базе слой оксида кремния. Измерения проводят на токе (0,001-0,1) Imax (см. фиг. 3), т.к. металлизация отсутствует и не вся площадь эмиттера является рабочей.
Предлагаемый тестовый планарный транзистор позволяет проводить контроль коэффициента усиления транзисторов не в конце процесса изготовления, а непосредственно после формирования области эмиттера, что позволяет повысить оперативность контроля процесса изготовления планарных транзисторов.
После изготовления пластины с транзисторами, на рабочем транзисторе замеряют коэффициент усиления. Если коэффициент усиления получился больше, чем необходимо, то его корректируют известными методами (например, обработкой электронами с энергией 1-2 МэВ).
Таким образом, тестовый транзистор позволяет оперативно корректировать коэффициент усиления при пониженных его значениях (после диффузии эмиттера), а рабочий транзистор позволяет корректировать коэффициент усиления при его повышенных значениях, уже после изготовления транзисторов.
При зондовом контроле на тестовом транзисторе может возникнуть проблема, что слой оксида кремния в контактном окне над базой не прокалывается зондом, так как он имеет повышенную толщину по сравнению с эмиттерным окислом. Поэтому на фиг. 4 приведена модификация предлагаемого тестового транзистора с дополнительной областью эмиттера 4, которая обеспечивает контакт с базой при измерении коэффициента усиления.
Как видно из электрической схемы на фиг. 5, диод 5, образованный областью 4 и базой, не мешает измерению коэффициента усиления, так как к базе подключается генератор тока базы.
2
Предлагаемый тестовый планарный транзистор служит только для контроля качества диффузии при формировании эмиттера и не пригоден в качестве рабочего транзистора, т.к. область эмиттера содержит слой дополнительного легирования базы. Потери рабочих транзисторов от применения тестового транзистора невелики и составляют 0,06% при использовании пластин диаметром 100 мм, рабочих транзисторов площадью 1 мм и 5 тестовых транзисторов.
Предлагаемый тестовый транзистор был изготовлен на пластине совместно с рабочими транзисторами с Iк=100 мА. Измерения коэффициента усиления на тестовом транзисторе проводились на токе Iк=5 мА. Коэффициент усиления был равен 115. После нанесения металлизации на рабочие транзисторы коэффициент усиления на рабочих транзисторах с Iк=100 мА оказался равен 115-120.