СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СВЧ LDMOS ТРАНЗИСТОРОВ С МОДЕРНИЗИРОВАННЫМ ЗАТВОРНЫМ УЗЛОМ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЯЧЕЕК

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике и направлено на создание рентабельного базового процесса изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с диапазоном рабочих частот до 3,0…3,6 ГГц на более доступном и менее дорогостоящем технологическом оборудовании. Это достигается тем, что в известном способе изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с модернизированным затворным узлом элементарных ячеек, включающем создание сквозных истоковых р-перемычек элементарных транзисторных ячеек в высокоомном эпитаксиальном р-слое исходной кремниевой рр-подложки, выращивание подзатворного диэлектрика на лицевой поверхности подложки, нанесение на подзатворный диэлектрик слоя поликремния и легирование его фосфором, нанесение на поликремний тугоплавкого металла, формирование полицида тугоплавкого металла, создание из полицида тугоплавкого металла и расположенного под ним слоя поликремния методом фотолитографии полицидных электродов затвора элементарных ячеек в виде узких протяженных продольных зубцов прямоугольного сечения, создание в высокоомном р-слое подложки р-карманов, многоступенчатых слаболегироваиных n-областей стока 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 полицидных электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренных в подложку примесей, поэтапное осаждение многоуровневого межслойного диэлектрика на лицевую поверхность подложки и поэтапное вскрытие в нем контактных окон над высоколегированными р-перемычками, высоколегированными n-областями стока и истока и точечно над полицидными электродами затвора элементарных ячеек, формирование многоуровневых металлических электродов стока и шунтирующих шин затвора, а также заземленных на исток экранирующих электродов элементарных ячеек на лицевой поверхности подложки и общего металлического электрода истока транзисторной структуры на ее тыльной стороне, сначала создают узкие полицидные продольные зубцы затворного узла элементарных ячеек и используют их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка при формировании соответственно р-карманов, многоступенчатых слаболегированных n-областей стока и высоколегированных n-областей стока и истока элементарных ячеек, а металлические проводники, точечно шунтирующие продольные полицидные затворные зубцы элементарных ячеек формируют одновременно с 1-ым уровнем шунтирующих шин затвора транзисторной структуры над сквозными истоковыми р-перемычками в высокоомном эпитаксиальном р-слое подложки и из того же материала. 7 ил.

Способ изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с модернизированным затворным узлом элементарных ячеек, включающий создание сквозных истоковых р⁺-перемычек элементарных транзисторных ячеек в высокоомном эпитаксиальном р^--слое исходной кремниевой р^-р⁺-подложки, выращивание подзатворного диэлектрика на лицевой поверхности подложки, нанесение на подзатворный диэлектрик слоя поликремния и легирование его фосфором, нанесение на поликремний тугоплавкого металла, формирование полицида тугоплавкого металла на поверхности поликремния высокотемпературным отжигом подложки, создание из полицида тугоплавкого металла и расположенного под ним слоя поликремния методом фотолитографии полицидных электродов затвора элементарных ячеек в виде узких протяженных продольных зубцов прямоугольного сечения, создание в высокоомном р^--слое подложки р-карманов, многоступенчатых слаболегированных n^--областей стока 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 полицидных электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренных в подложку примесей, поэтапное осаждение многоуровневого межслойного диэлектрика на лицевую поверхность подложки и поэтапное вскрытие в нем методом фотолитографии контактных окон над высоколегированными р⁺-перемычками, высоколегированными n⁺-областями стока и истока и точечно над полицидными электродами затвора элементарных ячеек, формирование многоуровневых металлических электродов стока и шунтирующих шин затвора, а также заземленных на исток экранирующих электродов элементарных ячеек на лицевой поверхности подложки и общего металлического электрода истока транзисторной структуры на ее тыльной стороне, отличающийся тем, что сначала создают узкие полицидные продольные зубцы затворного узла элементарных ячеек и используют их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка при формировании соответственно р-карманов, многоступенчатых слаболегированных n^--областей стока и высоколегированных n⁺-областей стока и истока элементарных ячеек, а металлические проводники, точечно шунтирующие продольные полицидные затворные зубцы элементарных ячеек формируют одновременно с 1-ым уровнем шунтирующих шин затвора транзисторной структуры над сквозными истоковыми р⁺-перемычками в высокоомном эпитаксиальном р^--слое подложки и из того же материала.

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности к методам изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS (LateralDiffusedMetalOxideSemiconductor) транзисторов, и может быть использовано для создания на их основе радиоэлектронной аппаратуры нового поколения.

Известен способ изготовления фирмой «PhilipsSemiconductors» мощного кремниевого СВЧ LDMOS транзистора 4-го поколения типа BLF 2022-90 с диапазоном рабочих частот до 2,0…2,2 ГГц и уровнем отдаваемых в нагрузку мощностей до 90 Вт [1], выбранный в качестве 1-го аналога, включающий: создание сквозных истоковых р⁺-перемычек в высокоомном эпитаксиальном р^--слое исходной кремниевой р^-р⁺-подложки; выращивание подзатворного диэлектрика толщиной 480 на лицевой поверхности р^--слоя подложки, нанесение на подзатворный диэлектрик слоя поликремния и легирование его фосфором; формирование из слоя поликремния методом фотолитографии электродов затвора элементарных ячеек в виде узких (0,82 мкм) продольных зубцов прямоугольного сечения протяженностью 330 мкм; создание в высокоомном р^--слое подложки р-карманов, трехступенчатых слаболегированных n^--областей стока 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 внедренных в подложку примесей; осаждение толстого (0,8…1,0 мкм) межслойного диэлектрика на лицевую поверхность подложки и вскрытие в нем методом фотолитографии контактных окон над поликремниевыми затворными зубцами, истоковыми p⁺-перемычками и высоколегированными n⁺-областями стока и истока элементарных ячеек; формирование металлических экранов, электродов стока, истока и шунтирующих прослоек поликремниевых затворных зубцов элементарных ячеек методом фотолитографии из трехслойного покрытия Ti (0,08 мкм) / TiW (0,14 мкм) / Au (1,24 мкм) на лицевой поверхности подложки и общего металлического электрода истока транзисторной структуры на ее тыльной стороне.

Основной недостаток 1-го способа-аналога состоит в том, что его реализация в промышленном производстве из-за необходимости вскрытия узких (0,25…0,3 мкм) протяженных (330 мкм) контактных окон в толстом межслойном диэлектрике над поликремниевыми затворными зубцами элементарных ячеек и их последующего шунтирования золотым покрытием требует наличия дорогостоящего прецизионного оборудования и «эксклюзивных» технологических процессов с субмикронными проектными нормами, которые отсутствуют у большинства возможных потенциальных производителей приборов данного класса.

В качестве 2-го аналога выбран более доступный и менее дорогостоящий способ изготовления отечественных мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с рабочей частотой f_макс=2,0 ГГц, отдаваемой в нагрузку импульсной (t_p=100 мкс, Q=10) мощностью Р_вых=40…45 Вт, коэффициентом усиления по мощности К_ур=11,5…12 дБ, коэффициентом полезного действия стоковой цепи η_с=42…45%, пробивными напряжениями стокового р-n перехода U_C.проб=80…85 В, процентом выхода годных структур на пластине 42…45%, в котором [2]: электроды затвора элементарных ячеек в виде узких (0,7…0,72 мкм) протяженных (340 мкм) продольных зубцов прямоугольного сечения с рядом (N_{кон⋅отв}=13 шт.) прилегающих к ним со стороны истока ответвленных контактных площадок при оптимальном расстоянии между ними W_отв=25 мкм в привязке к f_макс=3,0 ГГц создавались методом фотолитографии из нанесенного на подзатворный диэлектрик слоя поликремния, легированного фосфором, с удельным поверхностным сопротивлением затворных зубцов ρ_з.пов=20 Ом/□; в высокоомном эпитаксиальном р^--слое исходной кремниевой р^-р⁺-подложки до выращивания подзатворного диэлектрика и формирования р-карманов, под ответвленными контактными площадками затворных зубцов предварительно образовывались дополнительные локальные n⁺-области с более высокой степенью легирования по сравнению с формируемыми позже р-карманами; р-карманы, слаболегированные трехступенчатые n^--области стока и высоколегированные n⁺-области стока и истока формировались посредством внедрения в высокоомный р^--слой подложки ионов бора, фосфора и мышьяка при использовании поликремниевых электродов затвора элементарных ячеек и слоев фоторезиста в качестве защитной маски и последующей высокотемпературной диффузионной разгонки, внедренных в подложку примесей; электроды стока, истока, экранирующие электроды элементарных ячеек и шины, шунтирующие поликремниевые затворные зубцы ячеек через примыкающие к ним ответвленные контактные площадки формировались из слоя алюминия с добавками меди и кремния (AlCuSi) толщиной 2,0…2,2 мкм; общий металлический электрод транзисторной структуры создавался из Ti (0,2 мкм) / NiV (0,3 мкм) / Ag (0,5 мкм) после утонения исходной кремниевой подложки до толщины 120…150 мкм на ее тыльной стороне.

Основной недостаток 2-го аналога состоит в том, что в нем поликремниевые электроды затвора элементарных ячеек и примыкающие к ним ответвленные контактные площадки для снижения ρ_з.пов легируются только фосфором, но не шунтируются дополнительно силицидами тугоплавких металлов, имеющих на порядок более низкие удельные поверхностные сопротивления (1,0…2,5 Ом/□). В частности, при ρ_з.пов=1,0 Ом/□, толщине подзатворного диэлектрика d=0,025 мкм, W_яч=340 мкм, f_макс=3,0 ГГц оптимальное расстояние между ответвленными контактными площадками затвора можно увеличить до 110 мкм, а количество ответвленных контактных площадок в каждом затворном зубце уменьшить до 3-х и в результате поднять диапазон рабочих частот транзисторной структуры до 3,6…3,8 ГГц и реализовать при этом К_ур=8,0…10 дБ.

В качестве 3-го аналога выбран усовершенствованный фирмой NXP способ изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов шестого и последующих поколений [3], которые в диапазоне рабочих частот до 3,6 ГГц при напряжении питания по стоку U_с.пит=28 В способны отдать в нагрузку мощность до 150 Вт при коэффициенте усиления по мощности К_ур=10…14 дБ и коэффициенте полезного действия стоковой цепи η_с=48…55%. Такие результаты достигнуты за счет: снижения минимального топологического размера транзисторной структуры по сравнению с 1-м аналогом с 0,35 мкм до 0,14 мкм; уменьшения шага элементарной транзисторной ячейки с 32,6 до 25 мкм; уменьшения величины выходной емкости, приходящейся на единицу протяженности затвора в 1,6…2,0 раза; уменьшения ширины поликремниевых затворных зубцов ячеек с 0,82 мкм до 0,3…0,4 мкм; образования локальных диэлектрических прослоек («спейсеров») на боковых вертикальных гранях поликремниевых затворных зубцов транзисторных ячеек и вскрытия контактных окон в конформном диэлектрическом покрытии на лицевой поверхности затворных зубцов; шунтирования поликремниевых затворных зубцов ячеек силицидом кобальта (CoSi₂) вместо золотого покрытия Ti/TiW/Au; создания экранирующих электродов транзисторных ячеек из вольфрама, а не из золотого покрытия Ti/TiW/Au; замены остродефицитной и дорогостоящей двухуровневой золотой металлизации на более доступную и менее дорогостоящую пятиуровневую металлизацию алюминий-медь при формировании электродов стока и истока транзисторных ячеек и общих шин стока и затвора транзисторной структуры; формирования вместо одноуровневого более толстого четырех-пятиуровневого межслойного диэлектрика на лицевой поверхности подложки.

Выполнение перечисленных выше нововведений предъявляет еще более жесткие требования по сравнению с первым аналогом к прецизионности используемого технологического оборудования и минимальным топологическим размерам транзисторной структуры, что делает возможность реализации 3-го аналога с приемлемым для организации рентабельного выпуска изделий процентом выхода годных структур на пластине для многих потенциальных производителей приборов данного класса крайне проблематичной. Это один из основных недостатков 3-го аналога.

В качестве прототипа выбран способ создания отечественных мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов [4], с пробивными напряжениями стокового перехода U_с.проб=75…80 В, процентом выхода годных кристаллов на пластине 50…52%, изготовленных на стандартном фотолитографическом оборудовании с минимальными проектными топологическими размерами 0,3…0,4 мкм, которые на частоте f=3,1 ГГц при напряжении питания по стоку U_с.пит=36 В отдавали в нагрузку импульсную (t_p=300 мкс, Q=10) мощность Р_вых=42…45 Вт при коэффициенте усиления по мощности К_ур=11…14 дБ и коэффициенте полезного действия стоковой цепи η_с=42…46%. Такие результаты по сравнению с идентичным по своей сути 2-м способом-аналогом достигнуты за счет следующих усовершенствований: дополнительного шунтирования легированных фосфором поликремниевых затворных зубцов элементарных ячеек с примыкающими к ним со стороны истока ответвленными контактными площадками полицидом тугоплавкого металла; формированием более узких (0,4…0,45 мкм) полицидных затворных зубцов элементарных ячеек протяженностью W_яч=340 мкм с меньшим (3 шт. ) количеством примыкающих к затворным зубцам со стороны истока ответвленных контактных площадок и соответственно с большим оптимальным расстоянием (W_от=110 мкм) между ними в каждом затворном зубце; внедрением в подложку через подзатворный диэлектрик ионов фосфора с энергией Е=60…80 кэВ и дозой D=50…60 мкКл/см² и ионов бора с Е=40…60 кэВ и дозой D=3,0…5,0 мкКл/см² и последующей диффузионной разгонкой внедренных в подложку примесей формируют в высокоомном р^--слое подложки высоколегированные локальные n⁺-области под ответвленными контактными площадками затворных зубцов и одновременно р-карманы элементарных ячеек; формирования вместо одноуровневых во 2-м способе-аналоге более толстого многоуровнего межслойного диэлектрика и многоуровневых металлических электродов стока и металлических шунтирующих шинзатвора над сквозными истоковыми р⁺-перемычками элементарных ячеек в высокоомном р^--слое подложки.

Основным недостатком способа-прототипа является необходимость формирования в нем полицидных затворных зубцов элементарных ячеек с примыкающими к ним ответвленными контактными площадками и дополнительных локальных n⁺-областей под ответвленными контактными площадками, что серьезно усложняет технологический процесс изготовления транзисторных структур и приводит к снижению выхода годных структур на пластине и ухудшению частотных и энергетических параметров прибора.

Технический результат настоящего изобретения - создание высокорентабельного базового процесса изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOST транзисторов с диапазоном рабочих частот до 3,0…3,6 ГГц на доступном отечественном фотолитографическом оборудовании.

Технический результат достигается тем, что:

1. В известном способе изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с модернизированным затворным узлом элементарных ячеек, включающем создание сквозных истоковых р⁺-перемычек элементарных транзисторных ячеек в высокоомном эпитаксиальном р^--слое исходной кремниевой р^-р⁺-подложки, выращивание подзатворного диэлектрика на лицевой поверхности подложки, нанесение на подзатворный диэлектрик слоя поликремния и легирование его фосфором, нанесение на поликремний тугоплавкого металла, формирование полицида тугоплавкого металла на поверхности поликремния высокотемпературным отжигом подложки, создание из полицида тугоплавкого металла и расположенного под ним слоя поликремния методом фотолитографии полицидных электродов затвора элементарных ячеек в виде узких протяженных продольных зубцов прямоугольного сечения, создание в высокоомном р^--слое подложки р-карманов, многоступенчатых слаболегированных n^--областей стока 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 полицидных электродов затвора и слоев фоторезиста и последующего диффузионного перераспределения внедренных в подложку примесей, поэтапное осаждение многоуровневого межслойного диэлектрика на лицевую поверхность подложки и поэтапное вскрытие в нем методом фотолитографии контактных окон над высоколегированными p⁺-перемычками, высоколегированными n⁺-областями стока и истока и точечно над полицидными электродами затвора элементарных ячеек, формирование многоуровневых металлических электродов стока и шунтирующих шин затвора, а также заземленных на исток экранирующих электродов элементарных ячеек на лицевой поверхности подложки и общего металлического электрода истока транзисторной структуры на ее тыльной стороне, сначала создают узкие полицидные продольные зубцы затворного узла элементарных ячеек и используют их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка при формировании соответственно р-карманов, многоступенчатых слаболегированных n^--областей стока и высоколегированных n⁺-областей стока и истока элементарных ячеек, а металлические проводники, точечно шунтирующие продольные полицидные затворные зубцы элементарных ячеек формируют одновременно с 1-м уровнем шунтирующих шин затвора транзисторной структуры над сквозными истоковыми р⁺-перемычками в высокоомном эпитаксиальном р^--слое подложки и из того же материала.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается формированием узких продольных полицидных зубцов элементарных ячеек без прилегающих к затворным зубцам со стороны истока ответвленных контактных площадок и использованием их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка; в альтернативном способе изготовления СВЧ LDMOS транзисторов в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения, узкие продольные зубцы элементарных ячеек без примыкающих к затворным зубцам ответвленных контактных площадок создают методом фотолитографии из последовательно нанесенных на подзатворный диэлектрик слоев поликремния и тугоплавкого металла, используют их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка, а полицид тугоплавкого металла формируют на поверхности поликремния на этапе диффузионной разгонки внедренных в подложку примесей при повышенной температуре и в определенной среде; металлические проводники, точечно шунтирующие продольные зубцы элементарных ячеек формируют одновременно с 1-м уровнем шунтирующих шин затвора над сквозными истоковыми р⁺-перемычками в высокоомном р^--слое подложки и из того же материала. Таким образом, заявляемый способ изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов отвечает критерию изобретения «новизна».

Предложенный в заявляемом способе процесс формирования модернизированного затворного узла элементарных транзисторных ячеек исключает необходимость создания дополнительных локальных, более высоколегированных по сравнению с р-карманами n⁺-областей и реализовать упрощенный технологический маршрут изготовления транзисторной LDMOS структуры с топологическими проектными нормами, сопоставимыми с шириной полицидных электродов затвора элементарных ячеек.

В предлагаемом изобретении новая совокупность, предназначенность и последовательность выполнения технологических операций позволяет в отличие от способа-прототипа создать на более доступном и менее дорогостоящем технологическом оборудовании более экономичный способ изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с диапазоном рабочих частот до 3,0…3,6 ГГц, работающих при напряжениях питания по стоку свыше 32 В с улучшенными энергетическими параметрами, повышенным процентом выхода годных кристаллов на пластине, 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 с модернизированным затворным узлом элементарных ячеек согласно заявляемому способу, где введены следующие обозначения:

1 - исходная кремниевая р^-р⁺⁺-подложка с высокоомным эпитаксиальным и высоколегированным слоями р-типа проводимости;

2 - сквозные истоковые р⁺-перемычки элементарных ячеек, выполненные из нескольких автономных блоков (2₁, 2₂, 2₃) в высокоомном эпитаксиальном р^--слое подложки;

3 - подзатворный диэлектрик;

4 - осажденный на подзатворный диэлектрик слой поликремния, легированный фосфором;

5 - тугоплавкий металл, нанесенный на поликремний, легированный фосфором;

5₁ - полицид тугоплавкого металла, сформированный на поверхности поликремния;

6 - продольные полицидные затворные зубцы элементарных ячеек, изготовленные методом фотолитографии из полицида тугоплавкого металла и расположенного под ним слоя поликремния;

7 - защитный слой фоторезиста;

8 - ионы бора, внедренные в подложку для создания р-карманов элементарных ячеек;

8₁ - р-карманы элементарных ячеек, сформированные диффузионной разгонкой внедренной в подложку примеси бора;

9 - защитный слой фоторезиста;

10, 11 - высоколегированные n⁺-области стока и истока элементарных ячеек;

12_1,2,3,4 - многоступенчатые слаболегированные n^--области стока элементарных ячеек;

13 - первый уровень межслойного диэлектрика;

14, 15 - первый уровень многослойных металлических электродов стока и истока элементарных ячеек;

16 - металлические проводники, шунтирующие продольные затворные зубцы элементарных ячеек;

17 - второй уровень межслойного диэлектрика;

18 - второй уровень металлических электродов стока элементарных ячеек;

19 - металлические экранирующие электроды элементарных ячеек;

20 - металлические проводники, соединяющие экранирующие электроды с электродами истока элементарных ячеек;

21 - общий металлический электрод истока транзисторной структуры на тыльной стороне подложки;

22 - индуцированный n-канал, формируемый на прилегающих к подзатворному диэлектрику торцах р-карманов (8₁) при приложении положительного потенциала к электроду затвора транзисторной структуры.

Пример

На основе заявляемого способа были изготовлены образцы мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторных структур (кристаллов) размером 4,2 мм × 1,0 мм с длиной и суммарной протяженностью индуцированного n-канала элементарных ячеек соответственно L_к=0.38…0,4 мкм и W_к=95 мм, с четырехступенчатой слаболегированной n^--областью стока транзисторных ячеек и шагом структуры 26 мкм, рассчитанных на работу в диапазоне частот до 3,0…3,6 ГГц при напряжениях питания по стоку U_с.пит=28…36 В. Исходным материалом для изготовления кристаллов как и в способе-прототипе служили кремниевые р^-р⁺⁺-подложки, ориентированные по плоскости (100), с верхним высокомным эпитаксиальным р^--слоем толщиной 7,0…7,5 мкм и удельным сопротивлением ρ_р-=10…12 Ом⋅см и нижним высоколегированным р⁺⁺-слоем с ρ_р++=0,005 Ом⋅см. Для изготовления кристаллов за исключением нескольких стекол использовался тот же комплект фотошаблонов, что и в способе-прототипе.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Внедрением в подложку ионов бора с энергией 80 кэВ и дозой 500 мкКл/см² и последующим диффузионным перераспределением внедренной примеси при температуре Т=1100°С в среде азота формируют сквозные истоковые р⁺-перемычки (2) элементарных ячеек в виде ряда автономных блоков (2₁, 2₂, 2₃) в высокоомном р^--слое подложки с оптимальным расстоянием между ними W_от=110 мкм - рис. 1, 3.

2. Пирогенным окислением кремния при Т=850°С выращивают на поверхности высокоомного эпитаксиального р^--слоя подложки подзатворный диэлектрик (3) толщиной 500 , наносят на подзатворный диэлектрик слой поликремния (4) толщиной 0,35…0,4 мкм, легируют поликремний фосфором, последовательно осаждают на поликремний слой титана и нитрида титана (5) толщиной 0.25…0,3 мкм каждый, высокотемпературным (Т=900°С) отжигом кремниевой подложки в среде азота и водорода формируют полицид титана (5₁) на поверхности поликремния (4) - фиг. 1.

3. Из полицида титана (5₁) и расположенного под ним слоя поликремния (4) методом фотолитографии создают полицидные электроды затвора элементарных ячеек (6) в виде узких (0,4…0,45 мкм) продольных зубцов прямоугольного сечения протяженностью без примыкающих к затворным зубцам со стороны истока ответвленных контактных площадок, покрывают стоковую часть транзисторных ячеек защитным слоем фоторезиста (7), внедряют в подложку ионы бора (8) с энергией Е=40…60 кэВ и дозой D=3,0…5,0 мкКл/см², удаляют фоторезист с лицевой поверхности подложки и последующей диффузионной разгонкой внедренной в подложку примеси бора формируют в высокоомном р^--слое подложки р-карманы (8₁) элементарных транзисторных ячеек - фиг. 2, 3, 4.

4. Последовательным нанесением на лицевую сторону подложки нескольких защитных слоев фоторезиста, вскрытием методом фотолитографии в каждом из них стоковых и истоковых окон, внедрением в подложку через вскрытые окна ионов мышьяка и фосфора с определенными энергиями и дозами с использованием полицидных электродов затвора (6) и слоев фоторезиста (10) в качестве защитной маски и последующей совместной диффузионной разгонкой внедренных в подложку примесей при повышенной (900…1000°С) температуре в среде азота создают в высокоомном р^--слое подложки высоколегированные n⁺-области стока (10) и истока (11) и 4-ступенчатые слаболегированные n^--области стока (12_1,2,3,4) элементарных транзисторных ячеек - фиг. 4.

5. Из предварительно нанесенного на лицевую сторону подложки слоя борофосфорносиликатного стекла формируют 1-й уровень межслойного диэлектрика (13), в котором методом фотолитографии вскрывают контактные окна над высоколегированными n⁺-областями стока (10) и истока (11), истоковыми р⁺-перемычками (2, 2₁, 2₂, 2₃), наносят на межслойный диэлектрик (13) металлическое покрытие AlCuSi толщиной 1,5…2,5 мкм и создают из него методом фотолитографии 1-й уровень металлических электродов стока (14), истока (15, 15₁, 15₂) и шунтирующих шин (16) полицидных затворных зубцов (6) элементарных транзисторных ячеек - фиг. 5, 6.

6. Осаждают на лицевую сторону подложки 2-й слой борофосфорносиликатного стекла (17), в котором методом фотолитографии вскрывают контактные окна над 1-м уровнем металлических электродов стока (14), истока (15) и шин (16), шунтирующих полицидные затворные зубцы элементарных ячеек, наносят на лицевую сторону подложки 2-й слой металлического покрытия AlCuSi толщиной 1,0…3,0 мкм и формируют из него методом фотолитографии второй уровень металлических электродов стока (18) и шунтирующих шин полицидных затворных зубцов ячеек (на рисунках не показаны), а также экранирующие электроды транзисторных ячеек (19), соединенные с электродами истока (15) металлическими шинами (20). Общий металлический электрод истока транзисторной структуры (21) на тыльной стороне подложки создавался при напайке кристалла на теплоотводящую поверхность корпуса с помощью золотой прокладки, а индуцированный n-канал (22) образовывался на торцах р-карманов (8₁), прилегающих к подзатворному диэлектрику (3) при приложении положительного напряжения к электроду затвора транзисторной структуры - фиг. 7.

Кристаллы СВЧ LDMOS транзисторов в соответствии с вышеописанным технологическим маршрутом изготавливались на стандартном фотолитографическом оборудовании с минимальными проектными топологическими размерами 0,3…0,4 мкм, точно так же, как в прототипе. Выход годных кристаллов на пластине составил 56…58% (в прототипе 50…52%). Годные кристаллы, смонтированные в металлокерамическом корпусе КТ-25 без бериллиевой керамики имели пробивное напряжение стокового перехода U_с.проб=75…80 В и при напряжении питания по стоку U_с.пит=36 В в режиме класса АВ, длительности импульса t_p=300 мкс, скважности Q=10, на частоте f=3,1 ГГц отдавали в нагрузку мощность Р_вых=46…48 Вт (в прототипе 42…45 Вт) при коэффициенте усиления по мощности К_ур=14…16 дБ (в прототипе 11…14 дБ) и коэффициенте полезного действия стоковой цепи

η_с=47…49% (в прототипе 42…46%).

Приблизительно такие же результаты были достигнуты при изготовлении мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов по пункту 2 формулы изобретения. В этом случае после выращивания подзатворного диэлектрика на лицевой поверхности подложки, нанесения на подзатворный диэлектрик слоя поликремния и легирования его фосфором, последовательного осаждения на поликремний слоя титана и нитрида титана (5) толщиной 0,25…0,3 мкм каждый, создают методом фотолитографии из титана и нитрида титана и расположенного под ними слоя поликремния электроды затвора элементарных ячеек (6) в виде узких (0,4…0,45 мкм) продольных зубцов прямоугольного сечения протяженностью без примыкающих к затворным зубцам со стороны истока ответвленных контактных площадок и используют их в качестве защитной маски при внедрении в подложку ионов бора, фосфора и мышьяка, а полицид титана на поверхности поликремния затворных зубцов элементарных ячеек формируют на этапе диффузионной разгонки внедренных в подложку примесей при повышенной (900…1000°С) температуре в среде азота и водорода.

Сопоставляя приведенные параметры с аналогичными параметрами прототипа и других известных зарубежных мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов, имеющих приблизительно такие же конструктивные и электрофизические параметры базового кристалла и рассчитанных на тот же диапазон рабочих частот (3,0…3,6 ГГц) и отдаваемых в нагрузку импульсных мощностей (10…120 Вт), можно сделать следующие выводы:

1. Заявляемый способ позволяет создавать мощные кремниевые СВЧ LDMOS транзисторы с идентичными пробивными напряжениями стокового перехода (U_с.проб=75…80 В), напряжением питания по стоку (U_с.пит=36 В), но превосходящие его: на 6,0% по выходу годных кристаллов на пластине; на 3,0…4,0 Вт по уровню отдаваемой в нагрузку импульсной (t_p=300 мкс, Q=10) мощности; на 2,0…3,0 дБ по коэффициенту усиления по мощности; на 3,0…5,0% по коэффициенту полезного действия стоковой цепи и сопоставимые с современными зарубежными аналогами (BLF6G38-10, BLF6G3135-20, BLF6G38-25, BLS6G3135-120 фирмы NXP, MRF7S35015HSR3, MRF7S35120HSR3 фирмы Freescale Semiconductors, ILD3135M30, ILD3135EL20 фирмы Integra Technologies) по основным электрическим параметрам (Р_вых, К_ур, η_с).

2. Заявляемый способ позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов и на более доступном и менее дорогостоящем технологическом оборудовании обеспечить высокий процент выхода годных структур на пластине, увеличить номенклатуру выпускаемых изделий и снизить себестоимость их изготовления.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа состоит в возможности создания и организации устойчивого рентабельного промышленного выпуска мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов с повышенным напряжением питания по стоку, сопоставимых с современными зарубежными аналогами по энергетическим параметрам и конструирования на их основе радиоэлектронной аппаратуры, отвечающей современным и перспективным требованиям по тактико-техническим характеристикам, энергопотреблению, массогабаритным показателям, надежности и сроку службы.

Источники информации

1. «Philips BLF2022-90 power MOSFET structural analysis». 3685 Richmond Road, Suite 500, Ottawa, ONK2H587, Canada, 17.06.2004 г. (аналог).

2. Патент РФ на изобретение №2473150 «Мощный СВЧ LDMOS транзистор и способ его изготовления», приоритет изобретения 17 августа 2011 г. (аналог).

3. S.J.C.H. Theeuwen, H. Mollee «LDMOSTransistorsinPowerMicrowaveApplications», NXPSemiconductors, Gerstweg, 2,6534АЕ, Nijmegen, TheNetherlandssteven, theeuwen@nxp.com, hans.mollee@nxp.com (аналог).

4. Патент РФ на изобретение №2535283 «Способ изготовления мощных кремниевых СВЧ LDMOS транзисторов», приоритет изобретения 26 июня 2013 г. (прототип).