Мощные высокочастотные транзисторы

При большом числе очень узких элементов рабочий ток мал (рис. 1.6,я). При оптимальной ширине эмиттерных полосок и оптимальном числе элементов рабочий ток максимален (рис. 1.6,6). На рис. 1.6,# показан один очень широкий эмиттер, рабочий ток в этом случае мал. На рис. 1.6,а -- в заштрихованы те части эмиттеров, которые работают достаточно эффективно. При одном очень широком эмиттере он почти весь не заштрихован, так как практически не работает.

Рис. 1.7. Структура с кольцевыми эмиттерами и стабилизирующими эмиттерными резисторами. 1 -- эмиттер; 2 -- база; 3 -- коллектор; 4 -- стабилизирующий эмитгерчий резистор; 5 -- металлизация эмиттера; 6 -- защитный окисел; 7 -- металлизация базы; 8 -- металлизация коллектора; Р -- контактное эмиттерное окно; 10 -- контактное базовое окно

В транзисторных структурах с сильно развитым периметром эмиттера распределение тока между частями эмиттера сложной (гребенчатой или сетчатой) формы, а также между отдельными эмиттерами в overlay-структуре или многоэмиттерной полосковой структуре чрезвычайно неравномерно. Дело в том, что в биполярных транзисторах существует явление положительной тепловой обратной связи. Если, например, какой-либо из большого числа отдельных эмиттеров по какой-то причине начал инжектировать несколько больший ток, чем остальные, то область структуры вблизи от этого эмиттера разогреется чуть сильнее остальной части структуры. По этой причине уменьшится входное сопротивление для этого эмиттера, и ток через него возрастет еще больше. В результате через этот эмиттер может пойти достаточно большой ток (иногда значительная часть всего тока, протекающего через прибор), и в транзисторе может наступить так называемый вторичный пробой [8, 9]. Даже если пробоя не произойдет, наличие резко неравномерного распределения тока между отдельными эмиттерами весьма отрицательно скажется на характеристиках транзистора. Чтобы избежать этого, необходимо ввести в транзисторную структуру элементы, которые обеспечивали бы отрицательную обратную связь, компенсирующую положительную тепловую обратную связь.

Такими элементами могут быть стабилизирующие или выравнивающие резисторы, включаемые последовательно с каждым из эмиттеров в многоэмиттерной транзисторной структуре. Если при этом ток через какой-либо эмиттер возрастает, то увеличивается падение напряжения на включенном последовательно с ним резисторе и вследствие этого, уменьшается открывающее напряжение и ограничивается ток через этот эмиттер.

Для практической реализации стабилизирующих резисторов в транзисторных структурах существует много конструктивно-технологических решений. В гребенчатых структурах, например, можно в качестве таких резисторов использовать участки самих эмиттерных зубцов, примыкающих к общей части эмиттера [10]. В структурах типа overlay таким резистором может служить внутренняя часть эмиттерной области. Так,. в [11] описана структура с эмиттером в виде кольца (рис. 1.7). Во внутреннюю часть кольца осуществляется диффузия тех же примесей, но на меньшую глубину и с более высоким поверхностным сопротивлением. Эта часть выполняет функции стабилизирующего резистора. Благодаря более высокому поверхностному сопротивлению удается увеличить сопротивление стабилизирующего резистора и повысить его действие, а благодаря меньшей глубине диффузии в этой области удается добиться того, чтобы она не работала как эмиттер (т. е. не инжектировала ток в расположенную под ней базовую область).

В многоэмиттерной полосковой структуре для создания эмиттерных резисторов может использоваться специально суженная часть полосок эмиттерной металлизации. Можно также использовать в качестве резисторов пленку из какого-либо сравнительно высокоомного сплава (например, нихрома), включаемую в специально созданные разрывы эмиттерной металлизации [12] или специальные диффузионные области, создаваемые вне транзисторной структуры [13].

Безусловное преимущество полосковых структур по сравнению с гребенчатыми заключается в том, что в полосковых структурах стабилизирующие резисторы создать проще и стабилизация в этих структурах может быть осуществлена эффективнее, чем в гребенчатых структурах.

Говоря о различных формах эмиттеров в многоэмиттерных приборах, надо упомянуть о том, что, стремясь увеличить отношение периметра к площади, разработчики мощных ВЧ транзисторов иногда заменяют полосковые эмиттеры эмиттерными областями более сложной формы: эмиттерным областям придается форма полосок с волнистыми краями или двухсторонних гребенок с короткими зубцами.

Остановимся на форме и размерах базовых областей. У рассмотренных вариантов структур с различными очертаниями и размерами эмиттеров базовые области имеют прямоугольную форму со скругленными углами. Причины такого скругления мы рассмотрим немного дальше. Размеры базовых областей в мощных ВЧ транзисторах -- это одна из характеристик, которая может быть выбрана только в результате тщательной оптимизации. С точки зрения улучшения высокочастотных усилительных свойств площадь базовой области должна быть минимальной, так как она определяет коллекторную емкость прибора. Поэтому добиваются увеличения отношения периметра эмиттера к его площади (так как площадь эмиттера составляет значительный процент площади базовой области), доводят до минимума расстояние между отдельными эмиттерами в многоэмиттерной структуре, располагают контактные площадки эмиттера и базы вне базовой области (над телом коллектора) и увеличивают толщину диэлектрического слоя под этими площадками. Перечисленные мероприятия, позволяющие уменьшить размеры базовых областей, -- одно из основных направлений конструирования мощных ВЧ транзисторов. В то же время при слишком большом увеличении площади базовой области начинают сказываться тепловые ограничения: с уменьшением площади структуры уменьшается и площадь выделения тепла, что приводит к росту теплового сопротивления транзистора. Возникает противоречие, пути решения которого рассмотрены далее.

Помимо размеров и формы, описывающих очертания эмиттерных и базовых областей в плоскости, параллельной поверхности полупроводникового кристалла, эти области характеризуются размерами в направлении, перпендикулярном поверхности, т. е. глубиной.

Основным фактором, определяющим глубину залегания эмиттерного и коллекторного переходов, являются требования к их частотным свойствам: граничная частота транзисторной структуры зависит в первую очередь от толщины активного базового слоя, т. е. от расстояния между эмиттерным и коллекторным переходами. Для класса мощных ВЧ транзисторов с верхней границей рабочих частот от 30 до 80 -- 100 МГц это расстояние составляет от 1,4 -- 1,6 до 0,9 -- 1,1 мкм. Получить такую толщину базовой области в принципе можно создавая структуры с различной глубиной залегания эмиттерного и коллекторного переходов. Однако с технологической точки зрения получать тонкий базовый слой как разность сравнительно глубоко залегающих переходов неправильно, так как подобная структура будет «технологически неустойчивой» (небольшие относительные колебания глубины коллектора или эмиттера будут приводить к резким изменениям толщины базовой области). Кроме того, при таком соотношении размеров (глубокие коллектор и эмиттер и тонкая база) не очень удачным будет распределение примесей в структуре: не будет достаточно крутым градиент распределения примесей у эмиттерного перехода и трудно будет добиться высокого содержания примесей в активной базовой области (рис. 1.8). Поэтому у современных мощных ВЧ транзисторах глубина эмиттерного перехода близка к толщине активной базовой области, т. е. глубина эмиттерного перехода составляет 1,4 -- 1,8 мкм, а глубина коллекторного перехода под эмиттером -- от 2,5 до 3,5 мкм.

В то же время существуют причины, по которым глубина переходов (по крайней мере, коллекторного) должна быть как можно больше. Так, пробивное напряжение электронно-дырочного перехода зависит от его формы. Для плоских переходов оно определяется концентрацией и распределением примесей по обе стороны от перехода, а для переходов, ограниченных искривле-ной поверхностью, оно снижается по сравнению с тем, что было бы при плоском переходе (с таким же распределением примесей, как и в неплоском переходе в направлении нормали к его поверхности). Для переходов с цилиндрической формой границы в интервале концентраций легирующих примесей в исходном кремнии 1 -- 5-10¹⁵ ат/см³ пробивное напряжение при радиусе кривизны 2,5 -- 3,5 мкм может снижаться в 2 -- 3 раза. Еще резче снижение пробивного напряжения для переходов со сферической формой границы.

На рис. 1.9 приведены данные о влиянии радиуса кривизны цилиндрических и сферических переходов на пробивное напряжение в кремнии [14]. При планарных р-п переходах их граница определяется формой диффузионного фронта для примесей, легирующих кремний через окно в маскирующем слое двуокиси кремния.

Рис. 1.10. Кремниевый планарный транзистор с охранным кольцом: 1 -- охранное кольцо; 2 -- базовый контакт; 3 -- эмиттер; 4 -- активная база; 5 -- эмиттерный контакт; 6 -- окисел; 7 -- коллектор; 8 -- коллекторный контакт

Если окно имеет прямоугольную форму, то вдоль сторон прямоугольника диффузионный фронт имеет в первом приближении очертания цилиндра с радиусом, равным глубине перехода, а в углах фронт приближенно совпадает со сферой того же радиуса. Так как в сферических переходах пробивное напряжение падает особенно сильно, базовым областям в структурах мощных ВЧ транзисторов придается не прямоугольная форма, а форма со скругленными углами так, чтобы вдоль всего периметра этих областей граница перехода приближенно могла бы считаться цилиндрической (об этом уже упоминалось ранее). Для эмиттерного перехода эта мера не является обязательной: из рис. 1.9 видно, что для концентраций примесей 10¹⁸ ат/см³ кривизна переходов даже при радиусе 0,1 мкм слабо влияет на пробивное напряжение.

Устранение в коллекторном переходе участков границ, имеющих форму, близкую к сферической путем скругления углов, является недостаточным. При той глубине коллекторного перехода, которая необходима для уверенного получения требуемой толщины активного базового слоя, т. е. при Xк = 2,5 -- 3,5 мкм, снижение пробивного напряжения на краях перехода, имеющих Цилиндрическую форму, будет слишком большим. Поэтому следует увеличивать глубину залегания коллектора. Чтобы разрешить это противоречие, было предложено несколько решений. Остановимся на двух из них.

Во-первых, было предложено создавать по периферии базовой области участок р-п перехода с более глубоким залеганием границы (см. рис. 1.10). Этот участок получил название охранного кольца. Если под эмиттерным переходом коллектор залегает на глубине около 3 мкм, а глубина кольца составляет 10 мкм, то для кремния типа п с исходной концентрацией примесей 2 10¹⁵ ат/см³ пробивное напряжение планарного перехода может быть увеличено от 100 до 150 В (плоский переход для этого материала будет иметь пробивное напряжение около 200 В). Такое решение не всегда целесообразно, так как иногда есть причины, препятствующие использованию более глубоко залегающих переходов.

Во-вторых, была предложена структура, позволяющая получать глубокие планарные переходы с очень высоким (до 3200 В) пробивным напряжением [15]. Важно было преодолеть основное ограничение планар-ных высоковольтных переходов -- снижение пробивного напряжения вблизи от поверхности из-за локального изменения концентрации носителей, связанного с загрязнениями (на поверхности кремния или в защитном окисле). Суть этого предложения заключалась в создании вокруг основного планарного перехода на небольшом расстоянии от него одного или нескольких кольцевых переходов. При подаче напряжения на основной переход область пространственного заряда у поверхности расширяется до тех пор, пока она не дойдет до первого кольца. С этого момента поле на поверхности; в зазоре между основным переходом и кольцом перестает расти, а начинает расширяться пространственный заряд с внешней стороны первого кольца. Расширение идет, пока пространственный заряд не достигнет второго кольца, и т. д. Если зазоры между кольцами подобные раны так, чтобы поле на поверхности оставалось безусловно меньше критического, то при достаточном числе колец можно добиться того, что пробой начнется не на поверхности, т. е. что пробивное напряжение планарного перехода будет увеличено до объемного пробивного напряжения плоского перехода (рис. 1.11).

Подобные структуры могут быть использованы и для устранения эффекта снижения пробивного напряжения в расположенных неглубоко планарных переходах [16]. Таким образом, делительные кольца могут быть использованы при создании сравнительно низковольтных мощных ВЧ транзисторов для того, чтобы залегающие мелко планарные коллекторные переходы могли иметь напряжение пробоя, близкое к пробивному напряжению плоского перехода.

Рис. 1.11. Структура планарного перехода с делительными кольцами: 1 -- диффузионная область типа р; 2 -- делительные кольца (получены диффузией примесей типа р); 3 -- область пространственного заряда; 4 -- исходный материал типа я

Рассмотрим вопросы, связанные с выбором формы и размеров коллекторной области. Этот выбор приходится делать так, чтобы удовлетворить целому ряду противоречивых требований. Во-первых, удельное сопротивление коллектора (по крайней мере, области, прилегающей к переходу коллектор -- база) выбирается так, чтобы пробивное напряжение перехода (точнее, его плоской части) было равно заданному значению. Выбирать более высокое удельное сопротивление нельзя, потому что это приведет к нежелательному росту сопротивления насыщения прибора. (На практике некоторый запас по удельному сопротивлению исходного материала должен быть, так как имеющиеся в нем дефекты могут снижать пробивное напряжение.) Если удельное сопротивление выбрано, то можно определить необходимую толщину коллектора. Чтобы не уменьшилось пробивное напряжение, толщина коллектора не должна быть меньше, чем ширина пространственного заряда при напряжении, равном расчетному значению пробивного напряжения. В то же время эта толщина не должна быть больше указанного значения, чтобы не увеличилось сопротивление насыщения прибора.

Даже при некотором запасе по толщине (при колебании ширины области пространственного заряда из-за возможной неоднородности или разброса удельного сопротивления) толщина коллектора будет достаточно малой. Для удельных сопротивлений 1 -- 5 Ом-см оптимальная толщина коллектора будет составлять 10 -- 20 мкм.

Пластины кремния толщиной 20 мкм не обладают механической прочностью. Кроме того, столь тонкие пластины практически нельзя подвергать термообработкам, которые неизбежны при изготовлении планарных транзисторов. Уверенно, не опасаясь коробления или поломки, можно обрабатывать пластины, толщина которых составляет 150 мкм при диаметре 40 мм, 300 мкм при диаметре 60 мм и 450 мкм при диаметре 76 мм. Но даже при толщине 150 мкм сопротивление насыщения транзисторной структуры будет иметь недопустимо большое значение. Выходом из создавшегося положения является использование структур со встречной диффузией или эпитаксиальных структур.

В структуре со встречной диффузией исходную пластину кремния типа п толщиной в несколько сотен микрометров с обеих сторон легируют с помощью диффузии фосфора на глубину 130 -- 180 мкм. Затем с одной стороны механически (путем шлифовки и последующей полировки) удаляют легированный слой и часть высокоомного слоя так, чтобы оставшийся высокоомный слой имел заданную толщину. Затем в этом высокоомном слое создают планарную транзисторную структуру. Достоинство структур со встречной диффузией в том, что они позволяют увеличить толщину исходных пластин кремния и обеспечить требуемую механическую прочность, сохранив приемлемое значение сопротивления насыщения. Недостаток их связан с тем, что естественный разброс при механических обработках и диффузионном легировании не позволяет точно обеспечить требуемую толщину высокоомного слоя. Поэтому вместо толщины 20 мкм ее приходится делать равной, например, 30±10 мкм. В результате или сопротивление насыщения будет слишком большим, или пробивное напряжение слишком низким.

От этого недостатка свободны эпитаксиальные структуры, представляющие собой тонкие высокоомные слои кремния, выращенные с помощью специальных процессов на низкоомных монокристаллических подложках так, что кристаллическая структура высокоомного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Технология выращивания эпитаксиальных (т. е. сохраняющих структуру подложки) слоев позволяет с высокой точностью (до ±10%) задавать их толщину и с приемлемой точностью (±15 -- 20%) обеспечивать их заданное удельное сопротивление. Недостаток эпитаксиального выращивания заключается в том, что в процессе роста на границе подложка -- высокоомный слой и в самом слое могут возникать структурные дефекты, ухудшающие параметры приборов или приводящие к полной непригодности структур. Тем не менее с этим недостатком приходится мириться и идти на определенное, иногда значительное снижение выхода годных, так как без использования эпитаксиальных структур параметры изготавливаемых транзисторов были бы намного хуже.

Ранее отмечалось, что для улучшения ВЧ характеристик площадь перехода коллектор -- база следует уменьшать, а для обеспечения требуемых тепловых параметров ее следует увеличивать. Чтобы разрешить эта противоречие, были созданы кремниевые мощные многоструктурные транзисторы, представляющие собой по существу набор отдельных миниатюрных соединенных параллельно планарных транзисторов, изготовленных на общем кристалле. Если представить себе, что много-эмиттерный транзистор разделен на несколько частей» в каждой из которых сохранены имевшиеся на ней эмиттерные элементы, и что все эти части раздвинуты на сравнительно большое расстояние, то мы получим транзистор с несколькими структурами, в котором суммарная площадь коллекторных переходов и отношение периметра эмиттера к этой площади не будут сильно отличаться от исходного многоэмиттерного транзистора. Тепловое сопротивление в многоструктурном транзисторе может быть сделано намного ниже, чем в многоэмиттерном с тем же числом эмиттеров, расположенных не в нескольких, а в одной базовой области. Выигрыш в тепловом сопротивлении, получаемый при переходе от одноструктурного к многоструктурному транзистору, создается в основном за счет той части R_T, которая относится собственно к кремниевому кристаллу.

Рис. 1.12. Тепловой поток в многоэмиттерном (а) и многоструктурном (б) транзисторах

Некоторый выигрыш будет иметь место и в самом корпусе за счет того, что из кристалла в корпус придет тепловой поток большего сечения, но этот выигрыш будет составлять сравнительно небольшую долю от того, что можно выиграть по R_T в кристалле. Расчеты показывают, что за счет создания на кристалле вместо одной структуры ряда раздвинутых мелких структур разность температур между коллекторным переходом и нижней поверхностью кристалла может быть уменьшена в несколько раз. На рис. 1.12 можно увидеть качественно, как уменьшается тепловое сопротивление кристалла при переходе к многоструктурным транзисторам. В конструкциях наиболее современных мощных ВЧ транзисторов уменьшение R_T, связанное с переходом к большому числу структур, не всегда оказывается достаточным. Тогда в качестве дополнительной меры приходится прибегать к уменьшению толщины кристалла после завершения изготовления транзисторных структур. Действительно, если транзисторы изготавливать на эпитаксиальных пластинах с толщиной высокоомного слоя около 20 мкм и толщиной подложки 400 мкм и если готовую пластину с транзисторными структурами со-шлифовать со стороны подложки на 300 мкм, то можно в несколько раз уменьшить падение температуры в кристалле кремния.

Рассмотрим некоторые требования к металлизированным токоведущим дорожкам, через которые отдельные эмиттеры в многоэмиттерном приборе соединяются с внутренними эмиттерными проволочными выводами.

Какую бы конфигурацию мы не рассматривали (типа overlay, с сетчатым эмиттером или полосковую), металлизация для каждой отдельной структуры будет иметь вид гребенок, зубцы которых подходят к контактным окнам над каждым эмиттером, а также к расположенным между ними базовым контактным окнам. При этом зубцы эмиттерной металлизации будут чередоваться с зубцами базовой металлизации. Проходя от эмиттерного вывода прибора к эмиттерным областям, ток протекает сначала по общей части металлизации, а затем по металлизированным дорожкам -- зубцам, идущим вдоль полосковых эмиттеров и контактирующих с эмиттером по всей длине полоски.

Ток, идущий вдоль зубца, создает на нем падение напряжения. В результате открывающее напряжение будет меняться вдоль каждого эмиттера, убывая от начала дорожки к ее концу. Плотность эмиттерного тока также будет падать от начала эмиттера к его концу, причем это падение может быть весьма значительным. В неправильно сконструированном с этой точки зрения приборе может оказаться, что в каждом эмиттере практически работает только незначительная его часть, расположенная со стороны общей шины эмиттерной металлизации. Некоторая компенсация этого отрицательного явления происходит за счет падения напряжения на зубцах базовой металлизации, оказывающего обратное действие, но, так как базовый ток гораздо меньше, чем эмиттерный, роль этого компенсирующего эффекта сравнительно невелика.

В ряде работ приводится расчет изменения плотности тока вдоль эмиттерного зубца и даются формулы, связывающие плотность тока с расстоянием до начала зубца. Здесь мы сформулируем лишь качественные требования к размерам металлизированных дорожек, например, когда они лежат над полосковыми эмиттерами. Необходимо эти размеры выбирать так, чтобы плотность тока на конце полоски не сильно падала по сравнению с плотностью тока в начале. Для этого надо, чтобы сопротивление металлизированной полоски R=pl/s (р -- удельное сопротивление материала полоски, l -- длина, a s -- площадь поперечного сечения) было минимальным. Удельное сопротивление материала полоски -- заданная величина. Площадь поперечного сечения полоски -- также величина ограниченная (ширина металлизированной полоски определяется шириной эмиттера, а толщина -- технологическими возможностями, но, как правило, она не превышает в мощных ВЧ транзисторах 1 -- 2 мкм). Поэтому если допустить определенный спад плотности тока к концу полоскового эмиттера, то это практически наложит ограничение на длину металлизированной полоски и, следовательно, на длину самого эмиттера. Как правило, в структурах мощных ВЧ транзисторов длина эмиттерных полосок составляет 100 -- 200 мкм, более длинные эмиттеры работают неэффективно.

Заканчивая рассмотрение вопросов, связанных с выбором формы и размеров различных областей в структурах мощных ВЧ транзисторов, приведем описание кристалла одного из современных мощных транзисторов [17]. Размеры кристалла 4,5X6,65 мм. На кристалле размещаются 24 базовые области (структуры) размером 1,25X0,24 мм каждая. В одной такой структуре расположено 40 эмиттеров шириной по 12 мкм и длиной 220 мкм. Расстояние между соседними эмиттерами составляет 18 мкм. Таким образом, площадь кристалла (около 30 мм²) более чем в 4 раза превосходит суммарную площадь всех коллекторных переходов (7,2 мм²). Это дает возможность получить тепловое сопротивление кристалла намного меньше, чем оно было бы в одноструктурном транзисторе с той же площадью коллектора. Общее число эмиттеров 960, а их суммарный периметр составляет 445 мм, т. е. почти полметра (на структурах площадью всего лишь 7,2 мм²). Впечатляют также и электрические параметры транзистора, собранного из этого кристалла: прибор имеет допустимое коллекторное напряжение свыше 100 В, ток коллектора свыше 50 А и в диапазоне 1,5 -- 30 МГц может отдавать в нагрузку мощность 175 -- 200 Вт.

Чтобы создать мощные ВЧ транзисторы, отвечающие требованиям сегодняшнего дня, недостаточно спроектировать правильным образом кристалл с транзисторной структурой. Необходимо разработать соответствующие технологические методы и средства, позволяющие реализовать эту структуру, создать конструкций корпуса, а также правильным образом и с выполнением необходимых технологических требований собрать кристалл в этот корпус.

Далее рассмотрим вопросы, связанные с особенностями технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов, особенности конструкции их корпусов и некоторые вопросы, связанные с их сборкой.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

2.1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Все современные мощные ВЧ транзисторы имеют планарную структуру. Такие структуры изготавливают с помощью комплекса специальных технологических методов, получившего название планарной технологии [18, 19]. Рассмотрим особенности технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов.

Рис. 2.1. Основные операции планарной технологии: а -окисление; б - фотолитография базовых окон; в -диффузия бора (первая стадия); г -диффузия бора (вторая стадия) д-фотолитография эмиттерных окон; е -диффузия фосфора (первая стадия); ж - диффузия фосфора (вторая стадия); з - фотолито графин контактных окон; и -напыление алюминия; к - фотолитография контактов

Последовательность основных операций планарной технологии приведена на рис. 2.1. Изготовление транзисторной структуры начинается с выращивания на поверхности исходной эпитаксиальной n^-n⁺-структуры слоя двуокиси кремния в потоке сухого кислорода, в парах воды или с помощью какого-либо другого метода. Этот слой двуокиси кремния служит для маскировки при последующем осуществлении диффузии. Затем с помощью фотолитографической обработки в маскирующем слое вытравливаются окна, через которые проводится диффузия бора для создания базовых областей. Диффузия бора осуществляется в две стадии. Во время первой в кремнии создается очень тонкий, толщиной в несколько десятых долей микрометра, слой типа р с поверхностной концентрацией, близкой к предельной, с заданным поверхностным сопротивлением и тем самым с заданным количеством атомов примесей на единицу площади легируемого кремния. Толщина слоя окиси должна быть такой, чтобы во время первой стадии сквозь нее не успевали продиффундировать атомы бора. Диффузия осуществляется из потока газа-носителя, или из параллельного поверхности пластины источника, или из источника, нанесенного на поверхности самой пластины. В последнем случае перед второй стадией диффузии источник, содержащий атомы бора, удаляется с поверхности. Вторая стадия диффузии заключается в термообработке, во время которой примеси, введенные во время первой стадии, проникают в кремний на большую глубину, формируя при этом базовую область прибора. Такой метод проведения диффузии в две стадии дает возможность независимо задавать глубину базовой области и количество вводимых в нее примесей. Он также позволяет более точно регулировать поверхностную концентрацию бора. Обычно вторую стадию диффузии совмещают с повторным окислением. Это позволяет уменьшить вероятность проникновения в базовую область нежелательных загрязнений.

После диффузии бора проводится фотолитографическая обработка и в окисной пленке вытравливаются окна, в которых создаются эмиттерные области. Затем в эти окна осуществляется диффузия фосфора, которая также проводится в две стадии. За время первой стадии, проводимой, как правило, в потоке газа-носителя, на поверхности окисла и в эмиттерных окнах образуется пленка фосфорно-силикатного стекла (P₂O₅*SiO₂). Перед проведением второй стадии диффузии эта пленка, как правило, не удаляется. В результате на поверхности эмиттера будет обеспечена концентрация фосфора, близкая к предельной. Кроме того, наличие на поверхности структуры пленки фосфорно-силикатного стекла способствует стабилизации ее параметров. Возможен вариант, когда перед второй стадией диффузии фосфора фосфорно-силикатное стекло удаляется частично -- оно стравливается с поверхности окон, но остается на пленке SiO₂. Тогда вторая стадия диффузии фосфора совмещается с окислением: в эмиттерных окнах выращивается пленка окисла, в которой затем создаются контактные эмиттерные окна.

Следующая после диффузии фосфора операция -- фотолитография для создания контактных эмиттерных и базовых окон. Вслед за этим на поверхность напыляется металл, чаще всего алюминий, служащий для создания токоведущих дорожек, эмиттерных и базовых контактов и контактных площадок, служащих для присоединения внутренних базовых и эмиттерных проволочных выводов. Последняя операция -- фотолитография для создания требуемого рисунка металлизации. Затем структуры, изготовленные на пластине, проверяют, бракуют. Пластину методом скрайбирования или с помощью резки алмазной дисковой пилой разделяют на отдельные кристаллы.

Чтобы обеспечить необходимые значения электрических параметров транзисторной структуры, требуется с высокой точностью получать заданные размеры и глубины базовых, эмиттерных и коллекторных областей, а также заданные поверхностные концентрации и количества примесей в этих областях. Возможность получения заданных геометрических и электрофизических параметров структуры с жесткими допусками зависит от точности используемого оборудования и применяемых методов. Современные печи для окисления и диффузии обеспечивают во время технологических процессов точность задания и поддержания температуры около ±1 °С. Такой допуск на температуру обеспечивает разброс (коэффициента диффузии в пределах ±3%. Разброс поверхностного сопротивления вводимых при диффузии примесей зависит от разброса температуры, но в большей степени он определяется постоянством скорости потока газа-носителя, а также равномерностью подходящего к поверхности кремния потока легирующей примеси. Различные методы диффузии, применяемые на практике, направлены как раз на то, чтобы повысить равномерность этого потока. Уровень современных методов диффузии позволяет обеспечить разброс поверхностного сопротивления легированного слоя, создаваемого в процессе диффузии, от ±5 до ±10%. (Эти цифры справедливы, когда речь идет о рассматриваемом классе ВЧ транзисторов. Если говорить об СВЧ транзисторах, для которых надо получать более высокие поверхностные сопротивления, то этот разброс может составлять 10 -- 20%.) Такой разброс для ВЧ транзисторов вместе с указанным ранее разбросом коэффициента диффузии позволяет получать заданную глубину легированного слоя с точностью 5 -- 10%. Это означает, что необходимая в мощных ВЧ транзисторах j толщина активной базовой области, составляющая от 1 1 до 1,5 мкм, может быть обеспечена с точностью ±(0,1 -- 0,2) мкм. Для структур с толщиной базовой области 1±0,2 мкм граничные частоты могут иметь значения от 200 до 500 МГц, т. е. различаться в 2,5 раза. Если этот разброс можно уменьшить и получить толщину 1±0,1 мкм, то диапазон граничных частот будет составлять примерно 280 -- 420 МГц.

Для статического коэффициента передачи тока разброс получаемых значений будет еще более высоким, поскольку он сильно зависит от содержания примесей в активной базовой области. Содержание этих примесей при создании транзисторных структур задается как разность имеющих близкие значения концентраций доноров и акцепторов (по крайней мере, вблизи от эмиттерного перехода). Та точность достижения глубин переходов и концентраций примесей, которую позволяют получить современные технологические методы, не дает возможности обеспечить малый разброс содержания примесей в активной базовой области. В результате статический коэффициент передачи тока мощных ВЧ транзисторов может составлять в типичных случаях от 15 до 80.

Большое влияние на разброс параметров транзисторных структур оказывают характеристики коллекторной высокоомной области. От разброса толщины и удельного сопротивления этой области зависят разбросы таких параметров, как пробивное напряжение и сопротивление насыщения. Если (см. § 1.3) точность задания удельного сопротивления высокоомного эпитасиального слоя составляет ±20%, а точность задания толщины ±10%, то разброс сопротивления насыщения будет не менее ±30% (за счет разброса времени жизни неосновных носителей в коллекторе диапазон получаемых сопротивлений насыщения может быть еще больше). Таким образом, в лучшем случае сопротивления насыщения будут различаться не менее чем в 2 раза. Разброс пробивных напряжений коллектора, на первый взгляд, должен быть близок к разбросу значений удельного сопротивления, т. е. к ±20%. Однако из-за того, что толщина коллекторного высокоомного слоя выбирается близкой к толщине области пространственного заряда при пробое, разброс значений пробивных напряжений будет более значительным и для основной массы структур будет составлять ±25%. При этом надо учитывать, что наличие в коллекторном слое микронеоднородностей может приводить к дополнительному уменьшению нижней границы диапазона пробивных напряжений коллектора.

Толщина маскирующего окисного слоя, вообще говоря, должна быть достаточно большой для того, чтобы защитить расположенный под окислом кремний от диффузии бора или фосфора. Но слишком толстый окисел затруднит точное выполнение фотолитографических операций (см. далее). Однако для ВЧ транзисторов с не слишком высокой рабочей частотой (до 100 МГц) не требуется особо точная фотолитография, поэтому ограничения, налагаемые на толщину окисла, можно было бы считать достаточно слабыми. Необходимо, однако, отметить то обстоятельство, что во время второго окисления, проводимого вместе со второй стадией диффузии бора, значительная часть бора, введенного в кремний во время первой стадии диффузии, может попасть в окисел и при этом поверхностное сопротивление базовой области сильно изменится. В связи с этим необходимо очень точно воспроизводить условия окисления кремния при второй стадии диффузии, так как уже небольшое изменение этих условий будет приводить к очень большим изменениям поверхностного сопротивления базовой области.

Итак, при весьма высокой точности проведения технологических процессов разброс параметров транзисторных структур может быть очень велик. Разработчики транзисторов пытаются осуществить дальнейшее повышение точности и воспроизводимости процессов. Например, на первых стадиях легирования областей базы и эмиттера можно использовать прецизионный метод ионного легирования. Однако специалисты, использующие в своей аппаратуре мощные ВЧ транзисторы, должны себе представлять, что те разбросы параметров транзисторов, с которыми им приходится сталкиваться, получаются при реализации методов и оборудования, обладающих почти предельно достижимой в наше время точностью.

Обсудим теперь технологические вопросы, связанные с обеспечением формы и размеров областей транзисторной структуры в плоскости, параллельной поверхности пластин. В основном получение заданных размеров областей связано с точностью, которой обладает фотолитография, используемая при травлении окон в пленке двуокиси кремния и рисунков металлизации. Типовая последовательность операций при фотолитографической обработке состоит в нанесении на поверхность обрабатываемой пластины слоя светочувствительного вещества -- фоторезиста, сушке этого слоя, экспонировании поверхности пластины потоком света (обычно ультрафиолетового) через фотошаблон, представляющий собой стеклянную или кварцевую пластину с изображением вытравливаемого рисунка. После экспонирования проводится проявление -- удаление фоторезиста в тех местах, где должно проводиться травление окисла или металла. После проявления фоторезист сушат и травят те области поверхности пластины, которые не закрыты фоторезистом. После травления фоторезист удаляют со всей пластины, пластину моют, сушат и передают на дальнейшие операции.

Источниками неточностей при создании на кремнии требуемого рисунка могут быть разброс размеров изображения на фотошаблоне, уход размеров при перенесении рисунка с фотошаблона на фоторезист, уход размеров при травлении рисунка в окисле или на металле и ошибки при совмещении фотошаблона с рисунком, ранее созданным на поверхности кремниевой пластины. Возможности современной фотолитографии позволяют в условиях производства обеспечивать точность воспроизведения рисунка и точность совмещения ± (0,3 -- 0,5) мкм. Такая точность необходима при изготовлении СВЧ транзисторов, минимальные размеры элементов которых составляют 1 мкм и менее. В мощных ВЧ кремниевых транзисторах минимальные размеры элементов могут составлять 3 -- 4 мкм. Для создания рисунков и -совмещения последовательных слоев с такими размерами элементов не требуется столь высокая точность, достижение которой связано с серьезными затруднениями. Для создания и совмещения рисунков с минимальными размерами элементов 3 -- 4 мкм достаточно иметь точность ±(1 -- 1,5) мкм, что на современном уровне фотолитографии не связано с особыми трудностями, если только толщина обрабатываемых слоев не превосходит 1 мкм.

Говоря о требованиях к толщине маскирующих окисных слоев и металлических пленок на кремнии мы отмечали, что толщину окисла надо увеличивать для улучшения качества маскировки при диффузии, а металлизацию следует делать толще для уменьшения падения напряжения вдоль эмиттерных токопроводящих зубцов. В то же время увеличение толщины окисла и металлизации затрудняет проведение фотолитографических операций. Например, пусть ширина эмиттерной металлизированной дорожки равна 6 мкм. Для уменьшения ее сопротивления желательно увеличивать толщину напыляемого металла. Однако с увеличением толщины металла будет расти глубина травления в боковом направлении при осуществлении фотолитографической обработки. Из рис. 2.2 видно, что после того, как толщина достигает 2 мкм, поперечное сечение практически перестанет увеличиваться. Если учесть, что с ростом глубины травления растет еще неравномерность края, то при толщине металлического слоя свыше 2 мкм появится вероятность локального уменьшения поперечного сечения дорожек или даже их полного стравливания.

Рис. 2.2. Связь площади поперечного сечения металлизированной дорожки с ее толщиной: а -- толщина много меньше ширины; б -- толщина приближается к полуширине; в -- толщина больше полуширины

В последние годы получило широкое развитие направление работ, позволяющее и при значительной толщине обрабатываемых слоев сохранять их размеры. Речь идет о замене обычного жидкостного травления слоев плазмохимическим травлением. При этом практически исключается подтравливание в боковом направлении и точность сохранения размеров может достигать ±0,1 -- 0,2 мкм.

Особенностью технологии изготовления структур мощных ВЧ транзисторов является необходимость предотвращения возникновения технологических дефектов. Источников возникновения дефектов очень много. Это прежде всего структурные дефекты и неоднородности в исходных эпитаксиальных пленках. Серьезными дефектами, возникающими в процессе окисления, являются точечные отверстия в окисле (так называемые проколы), посторонние твердые частицы и вырастающие вблизи более мелких дефектов монокристаллики кварца с острыми гранями, прокалывающие пленку резиста при проведении фотолитографии. Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе диффузии, связаны с попаданием на пластины посторонних частиц, в особенности из фосфоросодержащих веществ (если речь идет о диффузии бора), с проникновением в кремний быстродиф-фундирующих примесей и с пластической деформацией пластин в процессе высокотемпературной (1200 °С) диффузии. Основным источником дефектов в фотолитографии являются посторонние частицы, попадающие на пластину или шаблон при литографии. К таким частицам следует отнести и кремниевую пыль. Вредная роль твердых частиц при фотолитографических операциях усугубляется еще тем, что, попадая между пластиной я шаблоном, они царапают слой резиста, окисел, металлизацию или сам шаблон. В последнем случае они становятся причиной возникновения дефектов и на создаваемых впоследствии структурах. Более подробно о всех этих дефектах сказано в-специальной технологической литературе [19, 20].

Дефекты, возникающие при создании планарных структур, являются причиной брака. Брак может быть двух видов. Он может приводить к появлению негодных структур в процессе их изготовления, а может проявиться впоследствии, приводя или к катастрофическим, или к деградационным отказам приборов. Для борьбы с браком и источниками его возникновения проводятся разнообразные мероприятия. Большинство из них носит общий характер, например, улучшение методов и повышение качества очистки полупроводниковых пластин, различных используемых в производстве материалов, воды, растворителей, газов, оснастки. Ряд мер носит специальный характер. Например, совмещение второй стадии диффузии бора с окислением позволяет резко снизить вредное влияние фосфоросодержащих частичек, растворяющихся в растущем окисле. Для борьбы с точечными дефектами типа проколов в процессе проведения фотолитографических операций можно проводить фотолитографию в два этапа, нанося резист и осуществляя обработку последовательно два раза. Очень большой эффект дает переход к проекционной фотолитографии, когда не приходится приводить пластину и фотошаблон в соприкосновение. Кроме того, при использовании проекционной литографии гораздо меньше изнашиваются шаблоны и срок их службы продлевается во много раз.

Вероятность возникновения очень многих типов дефектов зависит от площади кристалла. Очевидно, что и число появляющихся бракованных структур также увеличивается с увеличением площади структуры. При этом в ряде случаев можно говорить, что какой-то тип дефектов, приводящий, скажем, к полному браку, появляется с определенной вероятностью, соответствующей какому-то конкретному числу дефектов на единицу площади. С увеличением площади структуры наступит момент, когда вероятность попадания дефекта на каждую структуру приближается к единице. Тогда выход годных структур будет практически равен нулю. Иначе говоря, с увеличением площади транзисторной структуры процент выхода годных структур может падать очень резко. Относительно низкий процент выхода годных структур -- это серьезнейшее препятствие на пути разработки и производства мощных ВЧ транзисторов, представляющих собой сложнейшие полупроводниковые приборы, не уступающие по числу элементов (достигающему нескольких тысяч) большим интегральным схемам, а по требованиям к идентичности и к свойствам этих элементов превосходящие их.

Итак, к технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов предъявляются очень высокие требования. В то же время уровень технологии является во многих случаях определяющим и для достижения требуемых значений параметров изготовляемых структур, и приемлемого выхода годных. Уровень технологии -- очень существенный фактор обеспечения достаточно высокой надежности мощных ВЧ транзисторов.

2.2 ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСАМ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Перечислим основные требования к корпусам мощных ВЧ транзисторов. Корпуса должны:

1. Обладать малыми паразитной индуктивностью выводов и межэлектродной емкостью. Это необходимо для обеспечения высокой рабочей частоты, достаточно высокого коэффициента усиления ВЧ мощности, необходимой широкополосности и малого коэффициента подавления комбинационных частот (последние два требования относятся к транзисторам, предназначенным для линейных широкополосных усилителей).

2. Иметь выводы, изолированные от теплоотводящего основания корпуса. Без выполнения этого требования значительно затрудняется создание ВЧ усилителей.

3. Обладать малым тепловым сопротивлением, так как от современных мощных ВЧ транзисторов приходится отводить десятки и даже сотни ватт выделяющейся в них мощности. Это требование особенно трудно выполнить в связи с тем, что площадь источника выделения тепла, т. е. разогретого кристалла, несмотря на принятые меры (создание на кристалле большого числа разнесенных структур), намного меньше, чем у НЧ мощных транзисторов с такой же рассеиваемой мощностью, а также в связи с тем, что транзисторная структура в этих приборах электрически изолируется от монтажной части корпуса, через которую идет отвод тепла во внешнюю среду,

4. Обеспечивать в том месте, куда монтируется кристалл, близость коэффициентов теплового расширения кристалла и кремния. Без этого нельзя обеспечить механическую прочность прибора, а также устойчивость его к циклическим температурным и термоэлектрическим нагрузкам.

5. Обеспечивать герметичность того объема, в котором размещается кристалл. Это связано с тем, что прибор должен длительно выдерживать воздействие окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур, в том числе и в условиях высокой влажности.

Среди этих требований для мощных ВЧ транзисторов специфичны первые три. Разрешить их удалось благодаря уникальному сочетанию свойств окиси бериллия, обладающей высокой теплопроводностью, близкой к теплопроводности металлов, и в то же время являющейся диэлектриком. Керамика, созданная на основе окиси бериллия, имеет очень малый коэффициент теплового расширения, довольно близкий к коэффициенту расширения кремния.

В последнее время появляются сведения о том, что ведутся работы по использованию еще одного вещества, обладающего подобными свойствами, а именно нитрида алюминия. Кроме того, есть сведения об использовании в качестве диэлектрических теплопроводящих подложек материалов на основе алмаза.

Рассмотрим теперь конструкции некоторых типов корпусов, используемых для сборки мощных ВЧ транзисторов. Один из первых корпусов, в которые начали собирать мощные ВЧ транзисторы, -- корпус типа КТ4. Основа корпуса -- монтажное основание (диск из керамики на основе окиси бериллия), на которое должен напаиваться кристалл с транзисторной структурой. Керамическое основание напаивается высокотемпературным припоем на медный фланец с монтажным винтом. Чтобы можно было осуществить эту напайку, на керамическом диске предварительно создается металлизация. Для этого на нижнюю сторону керамики наносится молибдено-марганцевая паста, которая вжигается при высокой температуре, а затем никелируется. На верхнюю сторону через трафарет также наносится рисунок из молибдено-марганцевой пасты. К различным областям этого рисунка одновременно с напайкой диска на фланец припаиваются штыревые выводы эмиттера, базы и коллектора. Металлизированные области на керамике служат для монтажа кристалла (с этой областью связан коллекторный штыревой вывод) и для приварки внутренних проволочных выводов эмиттера и базы, идущих от кристалла (с этими областями связаны эмиттерный и базовый штыревые выводы). Фланец с керамическим основанием и собранным на нем кристаллом герметизируют баллоном, представляющим собой металлический цилиндр с керамической крышкой, в сквозные отверстия которой впаяны металлические трубки, закрытые с верхнего конца. При одевании баллона на фланец штыревые выводы эмиттера, базы и коллектора входят в эти трубки. После герметизации трубки обжимаются вокруг выводов для надежного электрического контакта между внешними и внутренними выводами.

Корпус К.Т4 показан на рис. 2.3. В него собирают приборы с мощностью рассеяния до 20 Вт. Для сборки более мощных приборов, например, с мощностью рассеяния до 100 Вт, используется корпус КТ7, имеющий ту же конструкцию, но большие габариты. В корпусах КТ4 и К.Т7 обеспечиваются изоляция всех выводов от монтажного фланца, механическая прочность места соединения кристалла с керамическим основанием, высокая герметичность и сравнительно невысокое тепловое сопротивление. При создании этих корпусов возникла проблема обеспечения прочности соединения керамики с монтажным фланцем. Дело в том, что монтажный фланец изготовляется из меди, коэффициент термического расширения которой во много раз больше, чем коэффициент расширения керамики на основе окиси бериллия. Уже при охлаждении от точки затвердевания припоя, которым керамика напаивается на фланец, до комнатной температуры в керамике и меди, а также в соединяющем их припое возникают значительные механические напряжения. Прочность припоя и меди достаточно высоки для того, чтобы выдержать эти напряжения. Что же касается керамики, то возникающие в ней напряжения могут оказаться близкими к пределу прочности и она может разрушаться или сразу после пайки, или при последующей резкой циклической смене температур. Чтобы предотвратить разрушение керамики, приходится припаивать ее к фланцу не по всей площади, а делать на фланце в центре специальное возвышение, диаметр которого намного меньше диаметра керамики, но превосходит размеры монтируемого в корпусе кристалла. В результате тепловое сопротивление такой конструкции возрастает незначительно, а механическая прочность возрастает существенным образом, так как площадь, по которой соединены керамика и фланец, уменьшается в несколько раз.

Мощные ВЧ транзисторы с корпусами К.Т4 и КТ7 используются в резонансных усилителях. В мощных же ВЧ широкополосных усилителях их эффективно использовать нельзя, поскольку индуктивность выводов в этих корпусах слишком велика. В широкополосных устройствах пришлось перейти к другим конструкциям корпусов, выводы которых обладали бы меньшей индуктивностью, а именно к конструкциям, используемым для сборки мощных СВЧ транзисторов. Эти конструкции, рассчитанные для работы на частотах 0,2 -- 1 ГГц, характеризуются малой индуктивностью выводов и безусловно пригодны для создания ВЧ широкополосных устройств, работающих на частотах до 100 МГц. Это корпуса типов КТ17 -- КТ19, КТЗО и К.Т31. Основа корпусов -- диск из керамики на основе окиси бериллия, похожий на аналогичные диски в корпусах КТ4 и КТ7. Снизу к такому диску припаивается медный фланец с монтажным винтом (в корпусах КТ17 -- К.Т19) или плоский медный фланец с двумя отверстиями для крепления (в корпусах КТЗО и КТ31).

Корпуса КТ17 и КТЗО предназначены для приборов, рассеивающих мощность до 40 Вт, корпуса КТ18 -- до 140 Вт, корпуса КТ31 -- до 200 Вт и корпуса КТ19 -- до 300 Вт.

На рис. 2.4 показан наиболее мощный корпус из этой серии -- КТ19 (рисунок металлизации на керамическом основании показан множеством точек). С краев к металлизированным областям прилаяны четыре малоиндуктивных ленточных вывода, расположенных сод прямыми углами. Одна пара выводов, расположенных с противоположных сторон основания, -- это выводы коллектора и базы, а другая пара -- эмиттерные выводы. Корпус имеет два эмиттерных вывода, чтобы их индуктивность была минимальна. Герметизируются все корпуса этой серии с помощью крышечки из алюмооксидной керамики, приклеиваемой к основанию. По сравнению с корпусами КТ4 и КТ7 корпуса с малоиндуктивными ленточными выводами обладают лучшими электрическими характеристиками и примерно одинаковыми тепловыми и механическими.