CC BY
76
УДК 539.12:621.3.049
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОРОГОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МОЩНЫХ СВЧ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ И.И. Бородкин, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, Б.К. Петров
Исследовано влияние плазменных обработок при создании многослойной системы металлизации на основе золота на значения пороговых напряжений мощных СВЧ полевых транзисторных структур. Разработан и исследован эффективный способ восстановления пороговых напряжений БМОВ-транзисторных структур с помощью ультрафиолетового облучения. Проведена оценка надежности транзисторов, изготовленных с использованием данного способа, в режимах термополевых испытаний и безотказности
Ключевые слова: БМОБ-транзисторная структура, наведенный заряд, ультрафиолетовое облучение, мощный СВЧ полевой транзистор, надежность
В последние годы в зарубежной и отечественной электронных промышленностях существенно обозначилась тенденция развития разработок мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторов.
Современные кремниевые СВЧ полевые транзисторы, так называемые БМ0Б- и ЬБМОБ-транзисторы, все прочнее занимают нишу электронной компонентной базы для построения модулей усилителей мощности в частотном диапазоне до 3ГГц. Данные приборы широко используются для комплектования средств радиосвязи, радиолокации, телевещания и другой аппаратуры [1].
Такая тенденция сложилась благодаря созданию современной кремниевой МОП-технологии с боковой диффузией, позволяющей создавать мощные СВЧ полевые транзисторы с наилучшими характеристиками, такими как линейность, усиление, термостабильность, устойчивость к рассогласованию, высокий КПД, надежность.
В тоже самое время при массовом производстве могут возникать негативные процессы, снижающие эффективность и качество приборов. Поэтому перед разработчиками и производителями приборов по-прежнему стоят актуальные задачи получения надежных мощных СВЧ полевых транзисторов, имеющих стабильные электрофизические параметры, как на этапе испытаний при производстве, так и в условиях длительной эксплуатации.
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.
Бородкин Игорь Иванович - ФГУП «НИИЭТ», аспирант ВГУ, e-mail: dif@niiet.ru
Асессоров Валерий Викторович - ФГУП «НИИЭТ», д-р техн. наук, профессор, e-mail: dvi@niiet.ru Кожевников Владимир Андреевич - ФГУП «НИИЭТ», канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, e-mail: dvi@niiet.ru Петров Борис Константинович - ВГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: collapsar@mail.ru
С этой целью в технологии должны быть предусмотрены меры, направленные на устранение, либо на подавление возникающих негативных факторов, то есть необходимо предусмотреть такие методы и способы, которые позволят обеспечить требуемый уровень качества и надежности [2].
Ранее [3] нами были проведены работы по усовершенствованию МОП-технологии с боковой диффузией на этапе формирования диэлектрических и диффузионных областей при создании мощных СВЧ полевых транзисторных структур, имеющих стабильные зарядовые свойства. Однако при проведении дальнейших исследований была обнаружена проблема деградации электрических параметров мощных СВЧ полевых транзисторных структур на этапе формирования системы металлизации.
Данная работа посвящена рассмотрению вопросов решения данной проблемы при формировании мощных СВЧ БМ0Б'-транзисторных структур п-канального транзистора типа 2П979В. Фрагмент поперечного сечения ячейки транзистора представлен на рис.1
М1Д / л. \
\ _____ Г» _ _
^ \- 11 Л. (
.. -
Рис. 1 Фрагмент поперечного сечения структуры п-канального СВЧ БМОБ транзистора типа 2П979В
Для достижения необходимых тепловых характеристик (температуры кристалла до 2000С) и обеспечения надежной работы транзисторов типа 2П979В использована многослойная система металлизации на основе золота (РіБі- Ті-Рі-Ли), которая состоит из силицида платины в контактах, адгези-
онного слоя титана, барьерного слоя платины и токопроводящего слоя золота. При формировании многослойной системы металлизации используются плазменные обработки (плазменная обработка поверхности контактов перед напылением платины для создания силицида платины, ионно-лучевое травление металлических слоев золота-платины и т.д.), в последствии приводящие к деградации электрических параметров полевых транзисторных структур.
Первоначально была проведена оценка степени влияния плазменной обработки при ионно-лучевом травлении золота и платины при создании многослойной системы металлизации Р1Б1-Т1-Р1-Аи, приводящей к изменению пороговых напряжений Упор полевых транзисторных структур. С этой целью была сформирована экспериментальная партия пластин с мощными СВЧ БМ0 Б-транзисторными структурами, имеющих различные системы многокомпонентного межслойного диэлектрика (МСД). Выбор оптимальных составляющих систем многокомпонентного МСД был осуществлен в предыдущих работах [3,4]. В контактах транзисторных структур был создан силицид платины. Далее на пластины напылялся алюминий, затем химическим травлением получали топологический рисунок, производили измерения пороговых напряжений УпорА1 и химически удаляли алюминиевую металлизацию. Затем на этих же пластинах формировалась многослойная система металлизации на основе золота с использованием ионно-лучевого травления (ИЛТ) золота и платины на модифицированной установке УВН 71П-3 с щелевым источником ИИ1 и измерялись пороговые напряжения УпорАи.
Результаты измерений пороговых напряжений УпорА1 и УпорАи мощных СВЧ БМ0 Б-транзисторных структур показали, что плазменная обработка при проведении процесса ионно-лучевого травления металлических слоев Аи-Р! приводит к снижению порогового напряжения УпорАи примерно на 3В относительно УпорА1 на тех же структурах с алюминиевой металлизацией, где отсутствовала плазменная обработка.
Снижение пороговых напряжений УпорАи связано с тем, что при распылении металлических слоев Аи-Р! положительными ионами с энергией до 5000 эВ в условиях сильных электрических полей образуется пучковая плазма с потенциалом (10-40)В относительно земли. Воздействие плазмы приводит к захвату наведенного положительного заряда в подза-творном оксиде кремния с последующей деградацией пороговых напряжений полевых транзисторных структур.
Следующим этапом работы был выбор оптимального эффективного способа восстановления
пороговых напряжений УпорАи мощных СВЧ БМ0Б-транзисторных структур с различными системами многокомпонентного МСД.
Используя результаты исследований по влиянию термических обработок на изменение зарядовых свойств полевых транзисторных структур, первым вариантом восстановление УпорАи был термический отжиг при температуре 4700С в течении 15 минут. Однако применение данного стандартного способа оказалось эффективно только для 25-30% транзисторных структур, имеющих конкретный состав многокомпонентного МСД. Для большинства же полевых транзисторных структур, для восстановления пороговых напряжений УпорАи, соответствующим УпорА1, приходилось применять дополнительные технологические способы, в частности увеличивать температуру и длительность термического отжига. Все это приводило к ухудшению барьерных свойств платины и проплавлению многослойной системы металлизации, а в конечном итоге влияло на снижение процента выхода годных СВЧ полевых транзисторов [4].
При проведении дальнейших исследований было замечено, что сдвиг пороговых напряжений УпорАи в сторону отрицательных потенциалов после воздействия плазменной обработки при ИЛТ Аи-Р! носит подобный характер, как и при корректировке пороговых напряжений мягким рентгеновским излучением, применяемым в производстве МДП интегральных схем [5].
В связи с этим, в качестве второго технологического варианта восстановления пороговых напряжений УпорАи мощных СВЧ БМ0 Б-транзисторных структур, приводящему к сдвигу УпорАи в сторону положительных потенциалов, был предложен способ облучения пластин источником ближнего ультрафиолетового излучения. В качестве источников данного излучения использовался УФ-излучатель типа УФ 00.0001 с люминесцентными лампами с потоком УФ (205-315) нм, мощностью 60Вт.
Данный способ восстановления пороговых напряжений УпорАи оказался эффективным для всех разновидностей мощных СВЧ БМ0Б-транзисторных структур, имеющих различные системы многокомпонентного межслойного диэлектрика. Более того, ультрафиолетовое облучение (УФО) транзисторных структур, имевших после отжига при 4700С в течении 15 минут пороговые напряжения УпорАи меньше УпорА1, привело к полному их восстановлению.
Длительность УФО, необходимая для восстановления УпорАи мощных СВЧ БМ0Б-транзисторных структур при создании многослойной системы металлизации на основе золота, определена экспериментальным путем (рис.2).
Длительность УФО, мин
Рис.2. Зависимость порогового напряжения УпорАи СВЧ БМ0Б-транзисторных структур от длительности УФО
Малая эффективность стандартного способа восстановления УпорАи (термическим отжигом) связан с тем, что наведенный положительный заряд в процессе плазменной обработки при ИЛТ золота-платины имеет две составляющие. Первая - это отжигаемая часть наведенного заряда подзатворного оксида кремния, обусловленного захватом дырок на напряженных Б1-0 и/или Б1-Б1 связях. Вторая - это неотжигаемая часть наведенного заряда, которая зависит от содержания примеси фосфора в слое подза-творного оксида кремния при использовании различных технологических способов создания фосфоросиликатного стекла (диффузия из газовой фазы, пиролитическое осаждение), входящего в состав МСД. Можно предположить что, неотжигаемая часть наведенного заряда представляет собой заряд ионизированных атомов пятивалентной примеси (фосфора), замещающих атомы кремния в кислородных тетраэдрах стеклообразной окиси кремния. Заряженные примесно-кислородные тетраэдры
(Р04)+ встроены в сетку БЮ2 и неподвижны, что обеспечивает высокую термостабильность этого заряда.
В случае использования ультрафиолетового облучения происходит захват инжектированных фотоэмиссией электронов на стабильных положительно заряженный центрах (Р04)+, что приводит к нейтрализации наведенного заряда и полному восстановлению УпорАи.
Оценка надежности приборов, пороговые напряжения Упор транзисторных структур которых восстанавливались с помощью облучения ближним ультрафиолетом, проведена при следующих видах испытаний [6]:
1) термополевое испытание (при воздействии повышенной температуры и постоянного напряжения на затворе), направленное на оценку стабильности зарядовых свойств прибора;
2) испытание на безотказность (при повышенной температуре корпуса и при максимально допустимой температуре перехода), направленное на выявление скрытых дефектов и определение интенсивности отказов приборов.
Исследования проведены на выборке из 10 балансных п-канальных мощных СВЧ БМОБ экспериментальных транзисторов (20 транзисторных сборок) типа 2П979В, собранных из исследуемой экспериментальной партии пластин с БМОБ-транзисторными структурами, пороговые напряжения УпорЛи которых восстанавливались с помощью облучения ближним ультрафиолетом.
Перед испытаниями приборов были проведены измерения исходных значений статических параметров исследуемых образцов экспериментальных транзисторов. Затем на одних и тех же образцах последовательно были проведены термополевые испытания и испытания на безотказность. До и после каждого из испытаний проводились измерения параметров приборов. Усредненные значения статических параметров по результатам измерений 20 транзисторных сборок представлены в табл. 1.
В начале оценка надежности приборов была проведена по результатам термополевого испытания, которое заключалось в выдержке приборов в течение 12 часов при температуре 2000С и заданном постоянном напряжении на затворе Цзи=+10В.
Далее проводились испытания на безотказность длительностью кратковременного испытания
- 100ч, продолжительного - 1000ч в следующем режиме: напряжение питания Цп=16В, ток стока 1с=4,0х2А, температура плиты 1пл=700С, температура перехода 2000С.
Таблица1
Среднестатистические значения статических параметров п-канальных мощных СВЧ БМОБ экспериментальных транзисторов до и после испытаний на надежность
Наименование испытания Дли- тель- ность ис- пыта- ний, ч Ток стока оста- точ- ный ІС ост ? мА Ток утечки затво- ра ІЗ ут 5 мкА Сопро- тивле- ние откры- того канала ^си , Ом Кру- тизна А/В Поро- говое напря- жение V , пор 7 В
До испытаний - 0,190 55 0,345 4,32 2,95
Термополевое 12 0,193 58 0,351 4,27 3,00
Безотказность 100 0,200 60 0,363 4,22 3,01
1000 0,210 61 0,372 4,19 3,03
Из анализа представленных данных видно, что деградационные эффекты в мощных СВЧ БМ0Б-транзисторных структурах, обработанных ультрафиолетовым облучением практически отсутствуют. Статические параметры 1сост, 1зут, И^, Б, Упор не изменяются, как в результате термополевого испытания, так и испытания на безотказность.
В табл. 2 представлена обработанная статистика относительного изменения статических парамет-
ров балансных п-канальных СВЧ БМОБ экспериментальных транзисторов в результате проведения термополевого испытания и испытания на безотказность длительностью 1000ч. Наиболее критичным для надежности мощных СВЧ полевых транзисторов, как показателя стабильности, является относительное изменение порогового напряжения дупор / Упор, которое не превышает ~3%. Такой уровень относительного изменения порогового напряжения является приемлемым и характеризует исследованные транзисторы, как высоконадежные изделия.
Таблица 2 Относительное изменение значений статических параметров п-канальных мощных СВЧ БМОБ экспериментальных транзисторов после испытаний на надежность
Наимено- вание испытания А /I Сост Сост % АТЗут /ТЗут % АКси/Кси % AS/ S % AVnqj/УПОр %
термополе- вое 1,58 5,45 1,74 1,16 1,69
безотказность в течение 1000 часов 10,53 10,90 7,83 3,00 2,71
Таким образом, в результате проведенной работы был разработан эффективный способ восстановления пороговых напряжений мощных СВЧ БМОБ-транзисторных структур облучением ближним ультрафиолетом.
Испытания на надежность мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторов, пороговые напряжения транзисторных структур которых восстанавливались при помощи ультрафиолетового облучения, показали стабильность сформированных зарядовых свойств полевых структур и эффективность предложенного технологического способа.
Использование УФО в качестве способа восстановления пороговых напряжений при производстве мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторов, технология изготовления которых предусматривает использование плазменных обработок на этапе формировании металлизации, позволит обеспечить требуемый уровень качества и надежности.
Литература
1. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции / И. Шахнович // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2005. - №4. - С.12-18.
2. Горлов М. Технологические методы повышения надежности интегральных схем / М.И. Горлов [и др.] // Технологии в электронной промышленности. - 2007.
- №1. - С.68-70.
3. Бородкин И.И. Влияние конструктивно-
технологических факторов на стабильность и воспроизводимость электрофизических параметров мощных СВЧ полевых транзисторов / И.И. Бородкин [и др.] // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы научнотехнической конференции - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова. - 2008. - С.38-39.
4. Бородкин И. И. Восстановление и корректировка пороговых напряжений мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторных структур после воздействия плазменных обработок / И.И. Бородкин [и др.] // Радиолокация, навигация, связь. Материалы международной научно-технической конференции - В.: НПФ “САКВОЕЕ”. - 2009. - Том 2 - С.958-964.
5. Гитлин В. Рентгеновская корректировка пороговых напряжений в производстве МДП интегральных схем / В. Гитлин [и др.] // Вестник ВГУ- 2002. - №1. - С.5-12.
6. Бородкин И.И. Оценка надежности мощных СВЧ кремниевых полевых транзисторов, подвергнутых ультрафиолетовому облучению для восстановления порогового напряжения / И.И. Бородкин [и др.] // Материалы международной научно-технической конференции - В.: НПФ “САКВОЕЕ”, 2010. - Том 1 С. -563-566.
ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж Воронежский государственный университет
RECONDITIONING OF THE THRESHOLD VOLTAGE OF RF POWER SILICON MOS TRANSISTOR STRUCTURES USING ULTRAVIOLET IRRADIATION AND RELIABILITY ESTIMATION OF DEVICES WITH THESE TRANSISTOR STRUCTURES I.I. Borodkin, V.V. Asessorov, V.A. Kozhevnikov, B.K. Petrov
The influence of plasmic treatment within process of multilayers aurum metallization forming on the threshold voltage of RF power silicon MOS transistor structures was carried out. The effective method of reconditioning of the threshold voltage of DMOS transistor structures was designed and investigated. The estimation of reliability devices with transistor structures produces by this way was realized on the base of faultness tests as well as thermo-field tests
Key words: DMOS transistor structure, induced charge, ultraviolet irradiation, RF power MOS transistor, reliability
