Способ изготовления мощного кремниевого транзистора

 

Использование: микроэлектроника, изготовление мощного кремниевого транзистора с пониженной степенью легирования эмиттерной области. Сущность изобретения: при изготовлении мощного кремниевого транзистора. эмиттерная область которого имеет пониженную степень легирования N_sэ<<3·20ат/см³, формируют в высокоомном слое исходной n-n⁺-структуры, имеющей толщину высокоомного слоя H₁ и глубину n⁺-слоя Н₂, базовую область р-типа проводимости, проводят предварительную низкотемпературную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттер при 800-1000º С и дальнейшую совместную высокотемпературную разгонку базовой и эмиттерной примеси при 1100-1250ºС. Новым в способе является то, что перед и/или после формирования в указанном высокоомном слое эмиттерной и базовой областей при 1100-1250ºС в течение 1-6 ч проводят по крайней мере одну дополнительную операцию диффузии фосфора, обеспечивающую создание в коллекторной и/или базовой областях сильнолегированного n⁺⁺- слоя глубиной X_j, где 5 мкм<<<30 мкм, и степенью легирования больше 5·10²⁰ат/см³. Причем при Н₁>>Н₂ указанную дополнительную диффузию проводят только со стороны высокоомного слоя, а при Н₁<<Н только со стороны n⁺-слоя. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к полупроводниковому производству, а именно к способам изготовления мощного кремниевого транзистора с пониженной степенью легирования эмиттерной области. Целью предложенного способа изготовления мощного кремниевого транзистора, эмиттерная область которого имеет пониженную степень легирования N_sэ<3·10²⁰ ат/см³, является разрушение кластерных областей в объеме полупроводниковой структуры. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления мощного кремниевого транзистора, включающем предварительную диффузию примеси р-типа проводимости в базовую область кремниевой n-n⁺-структуры, предварительную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттерную область и дальнейшую совместную разгонку базовой и эмиттерной примесей, предварительную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттер проводят при температуре 800-1100^oС, совместную разгонку базовой и эмиттерной примесей проводят при температуре, выбираемой из интервала 1100-1250^oС из условия обеспечения степени легирования эмиттерной области N_sэ<3·10²⁰ат/см³, а перед и/или после формирования в высокоомном слое кремниевой n-n⁺-структуры эмиттерной и базовой областей изготавливаемого транзистора при T=1100-1250^oС в течение 1-6 часов проводят по крайней мере одну дополнительную диффузию фосфора в коллекторную и/или базовую области на глубину X_j>5 мкм до концентрации фосфора больше 5·10²⁰aт/см³. Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что предварительную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттер проводят при 800-1100^oC, совместную разгонку базовой и эмиттерной примесей при температуре, выбираемой из интервала 1100- 1250^oС из условия обеспечения степени легирования эмиттерной области N_sэ<3·10²⁰ ат/см³, а перед и/или после формирования в высокоомном слое кремниевой n-n⁺-структуры эмиттерной и базовой областей изготавливаемого транзистора при 1100-1250^o С в течение 1-6 часов проводят по крайней мере одну дополнительную диффузию фосфора в коллекторную и/или базовую области на глубину X_j>5 мкм до концентрации фосфора больше 5·10²⁰ат/см³. Следует подчеркнуть, что в полупроводниковом производстве известны причины, приводящие обычно к появлению аномального брака по усилительным свойствам изготавливаемых MT. В основном выделяют две причины: 1) известное специалистам отрицательное влияние атомов металлов и их соединений; 2) так называемые ОДУ-дефекты кристаллической решетки кремния. Известно, что отрицательное влияние атомов металлов и их соединений весьма эффективно устраняется многочисленными способами, основанными на термообработке кремниевых пластин с использованием боро-силикатного или фосфорно-силикатного стекол или предварительно нарушенного слоя, а также на создании несимметричных механических напряжений или диффузионной дислокационной сетки в кремниевой пластине, причем положительный эффект достигается уже при кратковременных (t=30-60 мин) и низкотемпературных (T=700-1100^oС) обработках. Однако применение известных способов для изготовления MT, имеющего пониженную степень легирования эмиттерной области, с предварительной низкотемпературной загонкой эмиттерной примеси и ее последующей высокотемпературной разгонкой одновременно с базовой примесью не дало существенного результата. Необходимо отметить также, что в тех случаях, когда причиной аномального брака на контроле параметров И_кэн и h_21Е MT являются примеси тяжелых металлов и их соединений, то забракованные пластины можно реставрировать, проводя одним из известных способов геттерирование после снятия металлизации эмиттера, базы и коллектора. В случае же изготовления MT по известному способу указанная реставрация не дает положительного эффекта. Известно также, что ОДУ-дефекты эффективно подавляются известными способами РОGА-1 и РОGА-11, без которых в настоящее время полупроводниковые структуры n-n⁺- типа не производятся. В результате, столкнувшись при указанном способе производства MT, имеющих пониженную степень легирования эмиттерной области, с аномальным браком по электрофизическим параметрам, причина появления указанного брака была связана в основном со степенью легирования получаемой эмиттерной области, точностью воспроизведения ее диффузионного профиля и снижением эффективности получаемого эмиттера в случае его повышенной чувствительности к току неосновных носителей, попадающих в эмиттерную область из базы MT. Авторами было установлено, что даже при дисперсии диффузионных параметров транзисторной структуры изготавливаемого MT, имеющего пониженную степень легирования эмиттерной области, указанный аномальный брак на контроле параметров И_кэн, h_21E и контроле устойчивости к вторичному пробою можно полностью устранить, если перед и/или после формирования в высокоомном слое кремниевой n-n⁺- структуры указанной транзисторной структуры изготавливаемого мощного транзистора при Т= 1100-1250^oС проводить дополнительную операцию диффузии фосфора, обеспечивающую создание в коллекторной и/или базовой областях указанной транзисторной структуры сильнолегированный n⁺⁺-слой глубиной X_j и степенью легирования Na>5·10²⁰ат/см³. Авторы установили также, что стабильный положительный эффект достигается, только начиная с глубины диффузии X_j>5 мкм, причем не имеет значения, когда проводится указанная дополнительная диффузия фосфора перед или после формирования транзисторной структуры. Авторы объясняют полученный положительный результат следующим образом. В процессе одновременной разгонки эмиттерной и базовой примесей в известном способе изготовления MT возникают условия для образования кластерных областей (скоплений точечных дефектов), являющихся мощными центрами захвата примесей, в том числе и тяжелых металлов, и в то же время самостоятельными центрами рекомбинации носителей в объеме полупроводниковой структуры. Энергетические уровни указанных областей значительно ниже энергетических уровней обычных точечных дефектов и поэтому обычные способы геттерирования не оказывают существенного влияния. Для разрушения указанных областей необходима определенная "пороговая" концентрация точечных и линейных дефектов, транслирующихся в объем полупроводникового материала во время процесса высокотемпературной диффузии фосфора, соответствующая глубине диффузии X_j>5 мкм при N_s>5·10²⁰ат/см³. Следует пояснить еще одну особенность предложенного изобретения. Если в известных способах геттерирования наиболее опасных в плане усилительных свойств MT примесей тяжелых металлов с помощью фосфорных слоев кремния максимальная эффективность "очистки" требует низкотемпературного процесса геттерирования (Т=700-1000^oС), то в нашем случае приходится проводить относительно глубокую высокотемпературную диффузию фосфора. Специалистам известно, что при проведении глубокой высокотемпературной диффузии фосфора в кремнии распространяется дислокационная сетка, примерно на 1/3 превышающая глубину фосфора, кроме того, в объеме изготавливаемой транзисторной структуры транслируется мощный поток точечных дефектов, проникающий на глубину в десятки микрон. Обращено внимание на влияние указанных точечных дефектов на устойчивость изготавливаемых MT к вторичному пробою (ВП). С учетом того, что наиболее опасными для мощного транзистора являются условия обратного вторичного пробоя (т.е. ВП при обратносмещенной базе транзистора), известно, что максимальная напряженность поля в условиях обратного ВП находится на границе n-n⁺-областей коллектора MT, то авторы предложили для повышения устойчивости к обратному ВП без ухудшения других электрофизических параметров изготавливаемого предлагаемым способом транзистора уменьшить дополнительную дефектность на границе n-n⁺-слоя указанного коллектора, для чего проводить дополнительную диффузию фосфора только в сторону, наиболее удаленную от указанной n-n⁺ границы коллектора. Так как разница между толщиной высокоомного слоя и глубиной n⁺- слоя коллектора мощного транзистора почти всегда значительна и достигает на практике 80-120 мкм и более, то указанное уменьшение дефектности позволяет существенно повысить устойчивость изготавливаемых MT к обратному ВП. Кроме того, необходимо учитывать, что при достаточно большой глубине слоя X_j, например при X_j>30 мкм, плотность точечных дефектов по объему полупроводниковой структуры становится практически однородной. Транслирующиеся диффузионные дефекты в этом случае начинают заметно сказываться на τ_ннз и других электрофизических параметрах изготавливаемого ТМ, что приводит к некоторому снижению процента выхода годных из-за увеличения брака И_кэн и брака на контроле устойчивости к вторичному пробою. Ограничение глубины диффузии X_j обуславливает минимальную и максимальную продолжительность процесса диффузии фосфора в температурном интервале 1100-1250^oС. Специалисту ясно, что указанный температурный интервал соответствует максимальной растворимости фосфора в кремнии и лимитируется необходимостью обеспечения степени легирования N_s>5·10²⁰ат/см³. Следует отметить, что до настоящего времени влияние процесса создания дополнительных n⁺⁺ слоев на устойчивость MT к вторичному пробою не принималось во внимание. Предлагаемый способ изготовления MT, имеющего эмиттерную область с пониженной степенью легирования, реализуется, например, следующим образом. Из исходной кремниевой пластины n-типа диаметром 76 мм толщиной 460 мкм с удельным сопротивление 90 Ом·см методом встречной диффузии с последующей механической обработкой формируется структуры n-n⁺-типа с толщиной высокоомного слоя H₁=190 мкм и глубиной n⁺-слоя H₂=90 мкм. В высокоомном слое кремниевой n-n⁺- структуры формируется базовая область р-типа глубиной 31 мкм и степенью легирования 3·10¹⁷ ат/см³, для чего при Т=1220^oС в течение 15 ч проводится процесс диффузии галлия по методу открытой трубы. После проведения процесса фотолитографии в базовой области методом низкотемпературной предварительной диффузии фосфора при Т=900^oС в течение 40 мин формируется эмиттерная область с поверхностным сопротивлением 15 Ом/□. Далее после снятия ФСС при Т=1220^oС в течение 3,5 ч производится одновременная разгонка фосфора в эмиттер и галлия в базу. В результате получают транзисторную структуру с глубиной эмиттера 7 мкм и глубиной базы 37 мкм, причем степень легирования эмиттера N_sэ ; 6·10¹⁹ат/см³. Во время процесса разгонки фосфора на поверхности базовой области формируют пленку термического окисла толщиной 1,2 мкм. После вскрытия в указанном термическом окисле окон в области пассивной базы транзисторной структуры проводится процесс дополнительной высокотемпературной диффузии фосфора в течение 4,5 ч при Т=1150^oС, в результате которого в указанных областях формируется дополнительный сильнолегированный n⁺⁺-слой глубиной 1 мкм и степенью легирования 8·10²⁰ат/см³. Далее после снятия ФСС известными способами проводится пассивация эмиттерного и коллекторного переходов изготавливаемого MT и металлизация его эмиттера, базы и коллектора. Положительный эффект от использования изобретения достигается независимо от того, когда проводится дополнительная операция диффузии фосфора до или после формирования транзисторной структуры изготавливаемого MT. Рассмотрим еще один пример реализации предлагаемого способа изготовления MT, имеющего, например, глубину n⁺-слоя коллектора больше толщины высокоомного слоя, причем n-п⁺-структура формируется из монокристаллического кремния методом встречной диффузии. На исходной кремниевой пластине толщиной 540 мкм n-типа с ρ==45 Ом·см методом встречной диффузии формируется структура n⁺n-n⁺-типа. Для этого при Т= 1200^oС в течение 6 ч проводится операция диффузии фосфора, в результате чего с двух сторон исходной пластины формируются сильнолегированные области глубиной 20 мкм со степенью легирования 9·10²⁰ат/см³. Следует отметить, что именно указанная операция подавляет образование известных ОДУ-дефектов. Далее после снятия ФСС при Т=1320^oС в среде кислорода в течение 100 ч проводится разгонка фосфора, в результате чего формируется глубокий сильнолегированный n⁺ слой коллектора глубиной 180 мкм и степенью легирования 8·10¹⁹ат/см³. Перед проведением механической обработки с целью формирования из полученной структуры n⁺-n-n⁺-типа структуры n-n⁺-типа проводится снятие фосфорно-силикатного стекла с поверхности пластины и дополнительная диффузия фосфора при T=1150^oС в течение 5 ч. При этом в приповерхностной n⁺ области коллектора формируется сильнолегированная n⁺⁺-область глубиной 12 мкм и степенью легирования N_s=8·10²⁰ат/см³. После проведения механической обработки получают n-n⁺-структуру с толщиной высокоомного слоя 80 мкм и глубиной n⁺- слоя 180 мкм. Далее известным способом формируют транзисторную структуру с базовой областью глубиной 28 мкм и эмиттерной областью глубиной 7 мкм со степенью легирования N_sэ ≃ 7·10¹⁹ат/см³. После создания пассивации эмиттерного и коллекторного переходов и металлизации эмиттера, базы и коллектора получают мощный кремниевый транзистор с улучшенными характеристиками. Очевидно, что предложенным способом можно изготавливать любые полупроводниковые приборы, имеющие области n-типа с пониженной степенью легирования, например диоды и т.д. Таким образом, предложенный способ изготовления мощного кремниевого транзистора позволяет не только обеспечить высокий и стабильный процент выхода годных в процессе его производства, но и повысить качество изготавливаемого транзистора за счет увеличения его конструкторско-технологических запасов по основным электрофизическим параметрам.

Формула изобретения

1. Способ изготовления мощного кремниевого транзистора, включающий предварительную диффузию примеси р-типа проводимости в базовую область кремниевой n-n⁺-структуры, предварительную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттерную область и дальнейшую совместную разгонку базовой и эмиттерной примесей, отличающийся тем, что, с целью разрушения кластерных областей в объеме полупроводниковой структуры, предварительную диффузию примеси n-типа проводимости в эмиттер проводят при 800-1100^oC, а совместную разгонку базовой и эмиттерной примесей проводят при температуре, выбираемой из интервала 1100-1250°С из условия обеспечения степени легирования эмиттерной области N_s<3·10²⁰ ат/см³, а перед и/или после формирования в высокоомном слое n-n⁺-структуры змиттерной и базовой областей изготавливаемого транзистора при 1100-1250^oС в течение 1-6 ч проводят по крайней мере одну дополнительную диффузию фосфора в коллекторную и/или базовую области на глубину X_j>5 мкм до концентрации фосфора больше 5·10²⁰ ат/см³. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при H₁>H₂ указанную дополнительную диффузию фосфора проводят только со стороны высокоомного слоя, а при H₁<H только со стороны n⁺-слоя кремниевой n-n⁺-структуры, где Н₁ толщина высокоомного слоя; Н₂ - глубина n⁺-слоя n-n⁺-структуры. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его n-n⁺-структуру изготавливают из n-структуры монокристаллического кремния путем проведения операции "встречная диффузия" с последующей механической обработкой полученной n⁺-n-n⁺-структуры, заключающейся в сошлифовке с одной из сторон n⁺-n-n⁺-структуры n⁺cлоя, а дополнительную диффузию фосфора проводят после формирования n⁺-n-n⁺-структуры перед ее механической обработкой. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что 5<X<30 мкм.