Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Бородкин, Игорь Иванович

• Бородкин, Игорь Иванович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бородкин, Игорь Иванович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов»

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.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Бородкин, Игорь Иванович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бородкин, Игорь Иванович, 2012 год

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.