Высокочастотные биполярные транзисторы

В высокочастотных микросхемах используются только быстродействующие n–p–n - транзисторы.

На рис. 13.1 показано сечение структуры n–p–n - транзистора, изготовленного по SST - технологии (Super Self-aligned Technology).

Рассмотрим основные этапы этой технологии:

1. Легирование скрытого слоя имплантацией мышьяка с энергией   300÷500 кэВ и дозой не менее 5×10¹⁵ см^-2. Высокая энергия нужна для снижения эффекта испарения мышьяка с поверхности при эпитаксии.

2. Отжиг структуры, диффузия примеси на глубину 1,5 ¸ 2 мкм.

3. Эпитаксия коллекторного слоя n - типа с сопротивлением около  1 Ом×см и толщиной 1,2 ¸ 1,5 мкм. Скрытый слой расширяется в область эпитаксии на 0,3 ¸ 0,4 мкм.

4. Плазмохимическое травление глубоких изолирующих канавок. Глубина канавок больше суммарной толщины эпитаксиального и скрытого слоев, около 4 мкм.

5. Окисление канавок – 0,1 мкм.

6. Легирование дна канавок бором для создания охранного слоя          p - типа, предотвращающего утечки по подложке.

7. Заполнение канавок диэлектриком (окислом кремния) путем осаждения из газовой фазы. Планаризация поверхности структуры.

8. Плазмохимическое травление мелких изолирующих канавок. Глубина канавок – около 0,25 мкм.

9. Локальное низкотемпературное окисление мелких канавок до достижения планарной поверхности пластины. Толщина изолирующего окисла – 0,45¸0,5 мкм.

10. Ионное легирование глубокого коллекторного контакта фосфором с дозой не менее 5×10¹⁵ см^-2.

11. Легирование активного слоя базы имплантацией бора. Энергия имплантации выбирается таким образом, чтобы максимум концентрации примеси был немного глубже металлургической границы перехода эмиттер - база. Такой профиль создает в базе встроенное ускоряющее поле для электронов. Доза легирования – порядка 10¹³ см^-2.

12. Нанесение первого слоя поликремния (0,2¸0,3 мкм) на всю структуру. Области базы и коллекторного контакта очищены от диэлектриков.

13. Легирование первого слоя поликремния имплантацией бора энергией 20¸40 кэВ и дозой около 10¹⁴ см^-2.

14. Нанесение диэлектрика (Si₃N₄ – 0,12¸0,15 мкм).

15. Локальное травление диэлектрика и поликремния до исходной поверхности окисла кремния. В этом процессе вскрываются до кремния области эмиттера и коллекторного контакта. Одновременно создается рисунок области пассивной базы и резисторов, использующих первый уровень поликремния.

16. Формирование диэлектрического спейсера по периметру области полностью изолированного первого слоя поликремния.

17. Легирование эмиттера имплантацией мышьяка энергией 40¸60 кэВ и дозой 10¹⁶ см^-2. Одновременно легируется коллекторный контакт.

18. Нанесение второго слоя поликремния (0,2¸0,3 мкм). Поликремний контактирует с эмиттером и коллектором.

19. Легирование второго слоя поликремния имплантацией мышьяка энергией 40¸60 кэВ и дозой 10¹⁶ см^-2.

20. Общий высокотемпературный отжиг структуры, активация и диффузия примесей. Металлургическая граница эмиттерного перехода формируется на глубине 0,2¸0,25 мкм, коллекторного - 0,4¸0,45 мкм. Область электронейтральной базы – не более 0,1 мкм. В области пассивной базы дополнительное легирование происходит из первого слоя поликремния. Области легирования глубокого коллекторного контакта и скрытого n ⁺- слоя смыкаются.

21. Вскрытие контактных окон к пассивной базе и резистором путем последовательного селективного травления второго слоя поликремния и слоя нитрида кремния.

22. Формирование контактного слоя силицида платины на втором слое поликремния и в контактах к пассивной базе.

23. Нанесение первого слоя металлизации (нитрид титана – алюминий – нитрид титана).

24. Формирование межсоединений первого слоя металлизции путем селективного травления и второго слоя поликремния.

25. Последовательное формирование второго и третьего слоев межсоединений.

Использование боковой диэлектрической изоляции позволяет уменьшить размеры БТ и паразитные емкости изолирующего и коллекторного p – n - переходов. Использование первого слоя поликремния позволяет перенести контакты к базе БТ на изолирующий диэлектрик. Второй слой поликремния предотвращает рекомбинацию неосновных носителей (дырок) на омическом контакте к эмиттеру. Поликремний увеличивает эффективную толщину слоя эмиттера и суммарную дозу легирования. Без применения поликремния создать аналогичный профиль легирования структуры диффузионными методами невозможно.

При суммарной толщине всей структуры 4 мкм размер минимального транзистора 2,5´4,0 = 10 мкм². Самые высокочастотные кремниевые БТ имеют граничную частоту усиления по току – 60 ГГц, коэффициент усиления тока – до 50, напряжение коллектор - эмиттер – не более 2,5 В, напряжение Эрли – около 10 В.