СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ LDMOS ТРАНЗИСТОРОВ
MANUFACTURING METHOD OF SHF LDMOS TRANSISTORS

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности к методам изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS (Lateral Diffused Metal Oxide Semiconductor) транзисторов и может быть использовано для создания на их основе радиоэлектронной аппаратуры нового поколения.
-
-
+
-
-
-
+
Известен способ изготовления LDMOS транзисторных структур (Патент США №6020611 «Semiconductor component and method of manufacture», опубликован 1.02.2000 г.), выбранный в качестве 1-го аналога, включающий выращивание подзатворного диэлектрика и формирование поликремниевых электродов затвора элементарных транзисторных ячеек на поверхности высокоомного эпитаксиального p-слоя исходной кремниевой pp-подложки, создание в высокоомном p-слое подложки p-карманов, слаболегированных n-областей стока в виде двух последовательно соединенных n-ступеней одинаковой глубины с более высокой степенью легирования 2-ой ступени по сравнению с 1-ой, а также высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек посредством внедрения в подложку соответственно ионов бора и мышьяка при использовании поликремниевых электродов затвора и слоев фоторезиста в качестве защитной маски и последующего диффузионного перераспределения внедренной примеси в каждом из перечисленных выше компонентов транзисторной структуры.
-
+
Основным недостатком данного аналога является крайне неоднородное распределение электрического поля в транзисторной LDMOS структуре с существенно повышенной величиной его напряженности (до 4,0…4,2 В/см) на краях n-ступеней, непосредственно примыкающих к высоколегированной n-области стока и p-карману элементарных ячеек, что приводит к резкому снижению пробивных напряжений стокового p-n перехода (≤60 В) и усиленной инжекции горячих носителей на ловушки в подзатворном диэлектрике со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями (см. статью «Hot hole degradation effects in lateral nDMOS transistors» - IEEE Transactions on Electron Devices, October 2004, vol.51, N10, p.1704-1710).
-
+
+
-
-
В другом известном способе изготовления СВЧ LDMOS транзисторов, выбранном в качестве второго аналога (Патент США №US6686627B2 «Multiple conductive plug structure for lateral RF MOS devices», опубликован 3.02.2004 г.) достигнуто более однородное распределение электрического поля в транзисторной структуре за счет формирования слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек уже из 4-х ступеней, причем не идентичных по глубине, а с последовательно возрастающей глубиной и степенью легирования в направлении от поликремниевого электрода затвора к высоколегированной n-области стока, с использованием в качестве легирующей примеси ионов фосфора вместо мышьяка и размещением высоколегированных n-областей стока элементарных ячеек внутри объема последней слаболегированной n-ступени стока. Однако основной аспект 2-го способа-аналога, направленный на организацию взаимосвязи между электродами истока элементарных ячеек с общим электродом истока транзисторной структуры через вытравленные в высокоомном эпитаксиальном p-слое подложки сквозные канавки с точки зрения рентабельного промышленного выпуска изделий представляется весьма проблематичным, что можно отнести к серьезному недостатку данного аналога.
+
+
-
+
-
-
-
-
+
-
-
В качестве прототипа выбран способ изготовления LDMOS транзисторов (Патент США №7315062 В2 «Semiconductor device, mask for impurity implantation, and method of fabricating the semiconductor device», опубликован 1.01.2008 г.), включающий: создание сквозных диффузионных истоковых p-перемычек элементарных ячеек в высокоомном p-слое исходной кремниевой pp-подложки (вместо сквозных канавок во 2-ом способе-аналоге); выращивание подзатворного диэлектрика и формирование поликремниевых электродов затвора элементарных ячеек на поверхности высокоомного p-слоя подложки; создание в высокоомном p-слое подложки p-карманов, многоступенчатых слаболегированных n-областей стока с плавным градиентом изменения легирующей примеси между n-ступенями и высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек посредством внедрения в подложку соответственно ионов бора, фосфора и мышьяка при использовании в качестве защитной маски поликремниевых электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренной примеси в каждом из перечисленных выше элементов транзисторной структуры; формирование дополнительных заземленных металлических экранирующих электродов на поверхности межслойного диэлектрика в промежутке между электродами стока и затвора элементарных ячеек. Такой подход к изготовлению транзисторной LDMOS структуры в способе-прототипе обеспечивает достаточно однородное распределение электрического поля с пониженной до 2,0…2,8 В/см величиной его напряженности в слаболегированных n-областях стока элементарных ячеек и позволяет таким образом реализовать пробивные напряжения стокового p-n перехода на уровне 70…75 В и минимизировать вероятность инжекции горячих носителей в подзатворный диэлектрик. Однако в данном случае это достигается за счет серьезного усложнения топологического рисунка используемых фотошаблонов, увеличения протяженности и количества ступеней в слаболегированных n-областях стока элементарных ячеек, что естественно приводит к увеличению шага транзисторной ячейки, ухудшению частотных и энергетических параметров прибора, повышению трудоемкости и снижению процента выхода годных кристаллов на пластине. Снижению процента выхода годных кристаллов в способе-прототипе способствует также и то обстоятельство, что в нем ионы фосфора и мышьяка внедряются непосредственно в кремниевую подложку, не покрытую тонким слоем диэлектрика.
Технический результат настоящего изобретения - создание способа изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с уменьшенным шагом транзисторной ячейки, улучшенными частотными и энергетическими параметрами, с пониженной трудоемкостью и повышенным процентом выхода годных кристаллов на пластине.
+
-
-
+
-
-
-
+
-
+
-
+
2
2
-
Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления СВЧ LDMOS транзисторов, включающем создание сквозных диффузионных истоковых p-перемычек элементарных транзисторных ячеек в высокоомном эпитаксиальном p-слое исходной кремниевой pp-подложки, выращивание подзатворного диэлектрика и формирование поликремниевых электродов затвора элементарных ячеек на поверхности высокоомного p-слоя подложки, создание р-карманов элементарных ячеек в высокоомном p-слое подложки посредством внедрения ионов бора в подложку с использованием в качестве защитной маски поликремниевых электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренной примеси, формирование многоступенчатых слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек с последовательно возрастающей глубиной и степенью легирования ступеней в направлении от поликремниевого электрода затвора к высоколегированной n-области стока посредством внедрения ионов фосфора в высокоомный p-слой подложки при использовании в качестве защитной маски поликремниевых электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренной примеси в каждой ступени, создание высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек в высокоомном p-слое подложки посредством внедрения в подложку ионов мышьяка при использовании в качестве защитной маски поликремниевых электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренной примеси, формирование металлических экранов, электродов стока и затвора элементарных ячеек на лицевой стороне подложки и общего металлического электрода истока транзисторной структуры на ее тыльной стороне, после создания p-карманов подзатворный диэлектрик между поликремниевыми электродами затвора элементарных ячеек утоняют до толщины 100…300 Å, на лицевую сторону подложки наносят первый защитный слой фоторезиста, методом фотолитографии вскрывают одновременно два окна в первом защитном слое фоторезиста соответственно в месте дислокации высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек и внедряют через них в подложку ионы фосфора с дозой 0,2…0,6 мкКл/см и энергией 80…140 КэВ и ионы мышьяка с дозой 400…500 мкКл/см и энергией 40…80 кэВ, затем методом фотолитографии вскрывают второе стоковое окно во втором защитном слое фоторезиста, окаймляющее по периферии первое стоковое окно и через второе стоковое окно имплантируют в подложку ионы фосфора с той же дозой и энергией, что и в первое стоковое окно, далее методом фотолитографии вскрывают третье стоковое окно в третьем защитном слое фоторезиста, окаймляющее по периферии второе стоковое окно и через третье стоковое окно внедряют в подложку ионы фосфора с меньшей дозой и энергией, чем во второе стоковое окно, затем аналогичным образом формируют последующие ступени слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек, причем в каждую следующую ступень ионы фосфора имплантируют с меньшей дозой и энергией по сравнению с предыдущей, после этого удаляют остатки защитного слоя фоторезиста с лицевой стороны подложки и проводят одновременную диффузионную разгонку внедренных в подложку примесей фосфора и мышьяка.
-
+
-
-
+
+
-
+
-
+
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новой совокупности и последовательности выполнения технологических операций: создание многоступенчатых слаболегированных стоковых n-областей после формирования высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек, а не в обратной последовательности; формирование в высокоомном эпитаксиальном p-слое подложки многоступенчатых слаболегированных стоковых n-областей с последовательно убывающей глубиной и степенью легирования ступеней в направлении от высоколегированной n-области стока к поликремниевому электроду затвора элементарных ячеек; первоначальное вскрытие окон в защитном слое фоторезиста в районе дислокации высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек и последовательное внедрение через них в подложку ионов фосфора и мышьяка с определенной дозой и энергией; формирование второй ступени слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек вокруг высоколегированных n-областей стока посредством внедрения ионов фосфора во второе стоковое окно с той же энергией и дозой, что и в первое стоковое окно; одновременная диффузионная разгонка внедренных в подложку примесей фосфора и мышьяка при формировании многоступенчатых слаболегированных стоковых n-областей и высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек; утонение подзатворного диэлектрика между поликремниевыми электродами затвора элементарных ячеек до определенной толщины на определенном этапе изготовления транзисторной структуры. Таким образом, заявляемый способ отвечает критерию изобретения «новизна».
Вскрытие в заявляемом способе в первом защитном слое фоторезиста первого стокового окна одновременно с истоковым и внедрение через них в подложку ионов фосфора и мышьяка с оговоренными формулой изобретения дозами и энергиями, позволяет:
+
-
- сформировать высоколегированные n-области стока и истока до создания слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек;
+
-
- разместить высоколегированные n-области стока внутри объема наиболее глубокой первой ступени слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек и реализовать таким образом максимальные для конкретной транзисторной структуры пробивные напряжения стокового p-n перехода;
+
-
- полностью исключить допуск на погрешность совмещения высоколегированных n-областей стока с первой ступенью слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек и тем самым уменьшить шаг транзисторной ячейки, а следовательно улучшить частотные и энергетические параметры прибора и увеличить количество кристаллов на пластине.
-
+
Вскрытие в заявляемом способе во втором защитном слое фоторезиста второго стокового окна, окаймляющего по периферии первое стоковое окно и внедрение через него в подложку ионов фосфора с той же энергией и дозой, что и в первое стоковое окно, позволяет с помощью более простого по конфигурации топологического рисунка комплекта фотошаблонов по сравнению с прототипом, обеспечить более плавный градиент изменения легирующей примеси на торцах слаболегированных n-областей стока, непосредственно примыкающих к высоколегированным n-областям стока элементарных ячеек и повысить таким образом пробивные напряжения стокового p-n перехода, а за счет использования более дешевого комплекта фотошаблонов снизить себестоимость и трудоемкость изготовления кристаллов.
-
-
Формирование в заявляемом способе слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек посредством внедрения ионов фосфора в каждую последующую ступень с меньшей дозой и энергией по сравнению с предыдущей обеспечивает полное и более равномерное по сравнению с прототипом и аналогами распределение легирующей примеси в каждой ступени, и позволяет таким образом повысить электропроводность слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек, а следовательно и мощностные возможности прибора.
-
-
-
+
Проведение в заявляемом способе одновременной диффузионной разгонки внедренных в подложку примесей фосфора и мышьяка, вместо многократной раздельной в прототипе и аналогах, позволяет сократить количество и совокупную продолжительность выполняемых высокотемпературных технологических операций и, в результате этого, уменьшить глубину слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек, оптимизировать толщину высокоомного эпитаксиального p-слоя исходной кремниевой pp-подложки, снизить трудоемкость и увеличить процент выхода годных кристаллов на пластине.
Утонение в заявляемом способе подзатворного диэлектрика между поликремниевыми электродами затвора элементарных ячеек до толщины 100…300 Å после создания p-карманов позволяет:
- обеспечить свободное проникновение через более тонкий по сравнению с подзатворным диэлектриком окисел в подложку ионов фосфора и мышьяка с малыми энергиями (20…30 кэВ);
-
- исключить или существенно ослабить эффект каналирования внедренных в подложку ионов фосфора и мышьяка и реализовать таким образом более однородный фронт распределения легирующей примеси в высокоомном p-слое подложки без появления второго максимума на большей глубине;
-
- уменьшить количество структурных дефектов в высокоомном эпитаксиальном p-слое подложки при внедрении в него ионов фосфора и мышьяка с высокой дозой и энергией и увеличить таким образом электропроводность сформированных приповерхностных областей стока и истока элементарных транзисторных ячеек;
- вырастить в каждом конкретном случае оптимальный по толщине подзатворный диэлектрик.
c.проб
c.пит
В предлагаемом изобретении новая совокупность и последовательность выполнения технологических операций позволяет в отличие от способа-прототипа уменьшить шаг транзисторной ячейки и при прочих равных условиях создать мощные кремниевые СВЧ LDMOS транзисторы с пробивными напряжениями стокового p-n перехода U=75…90 В, работающие в диапазоне частот до 3,0…3,5 ГГц при напряжениях питания по стоку U=32…40 В с улучшенными частотными и энергетическими параметрами, то-есть проявляет новое техническое свойство. Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фигурах 1…7 изображены основные этапы изготовления СВЧ LDMOS транзисторных структур согласно заявляемому способу.
Пример.
-
-
++
-
++
к
к
с.пит
p-
р-
р++
На основе заявляемого способа были изготовлены образцы кремниевых n-канальных LDMOS структур (кристаллов) размером 4,2 мм×1,0 мм с пятиступенчатой слаболегированной n-областью стока элементарных ячеек протяженностью 3,2 мкм (основные параметры технологического процесса их формирования представлены в таблице 1), длиной и суммарной шириной индуцированного n-канала элементарных ячеек соответственно L=0,6 мкм и W=78 мм, рассчитанных на работу в диапазоне частот до 3,0…3,5 ГГц при напряжении питания по стоку U=32…40 В. Исходным материалом для изготовления транзисторных структур служили кремниевые pp-подложки (1), ориентированные по плоскости (100), с верхним высокоомным эпитаксиальным p-слоем толщиной h=7,0…7,5 мкм и удельным сопротивлением ρ=10…12 Ом·см и нижним высоколегированным p-слоем с ρ=0,005 Ом·см.
Способ осуществляют следующим образом:
2
+
-
1. Внедрением ионов бора в подложку с энергией 80 кэВ и дозой 500 мкКл/см и последующим диффузионным перераспределением внедренной примеси при температуре Т=1100°C в среде азота формируют сквозные истоковые p-перемычки (2) элементарных ячеек в высокоомном p-слое подложки (1) - фиг.1.
-
2
окн
2. Пирогенным окислением кремния при Т=850°C выращивают на поверхности высокоомного эпитаксиального p-слоя подложки подзатворный диэлектрик (3) толщиной 800 Å, покрывают подзатворный диэлектрик слоем поликремния, легированного фосфором, толщиной 0,5 мкм, формируют из слоя поликремния методом фотолитографии прямоугольные продольные зубцы (4) элементарных ячеек шириной 0,7…0,75 мкм и протяженностью 340 мкм с расстоянием между смежными затворными зубцами L=6,4 мкм, создают p-карманы (5) транзисторных ячеек посредством внедрения в подложку ионов бора с энергией 40 кэВ и дозой 3,0…5,0 мкКл/см при использовании в качестве защитной маски электродов затвора (4) и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренной в подложку примеси бора при Т=1000°C в среде азота - фиг.1, таблица 1.
1
1
окн
1
+
-
2
2
3. Утоняют подзатворный диэлектрик между поликремниевыми электродами затвора (4) элементарных транзисторных ячеек до толщины 100…300 Å, наносят на лицевую сторону подложки (1) первый защитный слой позитивного фоторезиста (6) толщиной 0.4…0,45 мкм, вскрывают в защитном слое фоторезиста (6) методом фотолитографии окна (7) шириной L=2,0 мкм и (8) соответственно в месте дислокации высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек и внедряют через них в высокоомный p-слой подложки ионы фосфора (9) с энергией 100 кэВ и дозой 0,2 мкКл/см и мышьяка (10) и (10) с энергией 80 кэВ и дозой 500 мкКл/см - фиг.1, таблица 1.
2
окн
2
4. Методом фотолитографии вскрывают во втором защитном слое фоторезиста (6) второе стоковое окно (11) шириной L=3,4 мкм, окаймляющее по периферии первое стоковое окно (7) на расстоянии 0,7 мкм, и внедряют через окна (11) в подложку ионы фосфора (12) с той же дозой 0,2 мкКл/см и энергией 100 кэВ, что и в 1-стоковое окно (7) - фиг.2, таблица 1.
3
окн
2
5. Методом фотолитографии вскрывают в третьем защитном слое фоторезиста (6) третье стоковое окно (13) шириной L=4,6 мкм, окаймляющее по периферии второе стоковое окно (11) на расстоянии 0,6 мкм, и внедряют через окна (13) в подложку ионы фосфора (14) с энергией 80 кэВ и дозой 0,15 мкКл/см - фиг.3, таблица 1.
4
кон
2
6. Методом фотолитографии вскрывают в четвертом защитном слое фоторезиста (6) четвертое стоковое окно (15) шириной L=5,6 мкм, окаймляющее по периферии третье стоковое окно (13) на расстоянии 0,5 мкм, и внедряют через окна (15) в подложку ионы фосфора (16) с энергией 60 кэВ и дозой 0,1 мкКл/см - фиг.4, таблица 1.
5
кон
2
7. Методом фотолитографии вскрывают в пятом защитном слое фоторезиста (6) пятое стоковое окно (17) шириной L=6,4 мкм, окаймляющее по периферии четвертое стоковое окно (15) на расстоянии 0,4 мкм, и внедряют через окна (17) в подложку ионы фосфора (18) с энергией 40 кэВ и дозой 0,05 мкКл/см - фиг.5, таблица 1.
-
+
-
1
2
1
1
1
1
1
макс
диф
8. Удаляют остатки защитного слоя фоторезиста (65) с лицевой поверхности подложки, проводят одновременную диффузионную разгонку внедренных в подложку примесей фосфора и мышьяка при температуре, необходимой для их максимальной активации и в итоге формируют в высокоомном эпитаксиальном p-слое подложки (1) высоколегированные n-области стока (10) и истока (10) и соответственно первую (9), вторую (12), третью (14), четвертую (16) и пятую (18) ступени слаболегированных n-областей стока элементарных ячеек - фиг.6, 7. В таблице 1 представлены суммарные накопленные дозы ионов фосфора D, максимальные концентрации примеси N, средние проецированные пробеги ионов фосфора
и конечные глубины
каждой из пяти ступеней после диффузионной (d) разгонки примеси фосфора соответственно при температуре Т=900°C в течении 30 минут и при Т=1000°C в течении 20 минут.
+
1
2
9. Формируют межслойный диэлектрик (19) из предварительно нанесенного на лицевую сторону подложки слоя борофосфорносиликатного стекла, в котором методом фотолитографии вскрывают контактные окна над поликремниевыми электродами затвора (4), высоколегированными n-областями стока(10) и истока (10) элементарных ячеек, наносят на межслойный диэлектрик слой алюминия с добавками меди и кремния толщиной 2,5…3,0 мкм и создают из него методом фотолитографии металлические электроды истока (20), стока (21), шунтирующие металлические прослойки поликремниевых электродов затвора (22) и металлические экранирующие электроды (23), соединенные с электродами истока (20) элементарных ячеек (соединительные проводники на рисунке 6 не показаны). Общий металлический электрод истока транзисторной структуры (24) на тыльной стороне подложки создавался при напайке кристалла на теплоотводящую поверхность корпуса с помощью золотой прокладки, а индуцированный n-канал (25) образовывался на торцах p-карманов (5), прилегающих к подзатворному диэлектрику (3) при приложении положительного напряжения к электроду затвора транзисторной структуры - фиг.6, 7.
с.проб
с.пит
р
вых
ур
c
Выход годных кристаллов на пластине, изготовленных по заявляемому способу составил около 49%. Годные кристаллы, смонтированные в модифицированном металлокерамическом корпусе типа КТ-25 без бериллиевой керамики имели пробивное напряжение стокового p-n перехода U=80…85 В и при напряжении питания по стоку U=40 B в режиме класса АВ, длительности импульса τ=300 мкс, скважности Q=10, на частоте 3,1 ГГц отдавали в нагрузку мощность Р=38…40 Вт при коэффициенте усиления по мощности K=10…12 дБ и коэффициенте полезного действия стоковой цепи η=42…45%.
2
Изготовленные аналогичным образом образцы LDMOS транзисторных структур, у которых через первое стоковое окно в защитном слое фоторезиста внедрялись в подложку ионы мышьяка с дозой превышающей 500 мкКл/см, имели точно такие же параметры, однако при этом возникали нежелательные проблемы, связанные с последующим удалением защитного слоя фоторезиста с лицевой поверхности подложки.
Сопоставляя приведенные параметры с аналогичными параметрами прототипа и известных зарубежных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов, рассчитанных на диапазон рабочих частот до 3,0…3,5 ГГц, можно сделать следующие выводы:
1. Заявляемый способ позволяет реализовать идентичные с прототипом пробивные напряжения стокового p-n перехода создаваемых LDMOS структур при существенно меньшем (на 15…30%) шаге элементарной транзисторной ячейки, с использованием более простого по конфигурации топологического рисунка комплекта фотошаблонов, с уменьшенным количеством и уменьшенной совокупной продолжительностью выполняемых высокотемпературных технологических операций и, как результат, улучшить частотные и энергетические параметры прибора, повысить количество кристаллов на пластине, снизить трудоемкость и себестоимость изготовления кристаллов, повысить процент выхода годных кристаллов.
с.пит
с.пит
2. Заявляемый способ позволяет создавать мощные кремниевые СВЧ LDMOS транзисторы, сопоставимые с современными зарубежными аналогами по основным электрическим параметрам, но способными работать по сравнению с ними при более высоких напряжениях питания по стоку (U≤40 В вместо U=32 В у транзисторов BLS2933-100 фирмы Philips, BLS6G3135-120, BLS7G2729-350P фирмы NXP, MRF7S35120HSR3, MRF8P29300HR6 фирмы Freescale Semiconductor и других).
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа состоит в возможности изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с улучшенными частотными и энергетическими параметрами, организации их рентабельного промышленного выпуска и создания на основе данных приборов радиоэлектронной аппаратуры нового поколения с более высокими технико-экономическими характеристиками.
Источники информации:
1. Патент США №6020611 «Semiconductor component and method of manufacture», опубликован 1.02.2000 г. (аналог).
2. Патент США №US 6686627 B2 «Multiple conductive plug structure for lateral RF MOS devices», опубликован 3.02.2004 г. (аналог).
3. Патент США №US 7315062 В2 «Semiconductor device, mask for impurity implantation, and method of fabricating the semiconductor device», опубликован 1.01.2008 г. (прототип).