eng
Выпуск #7/2020
А. Камышева
РАЗРАБОТКА МАРШРУТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МОП ТРАНЗИСТОРОВ
РАЗРАБОТКА МАРШРУТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ КРЕМНИЕВЫХ МОП ТРАНЗИСТОРОВ
Просмотры: 1015
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.198.7.150.151
Разработка маршрутной технологии изготовления ионоселективных кремниевых МОП‑транзисторов
А. Камышева
Анализ вольт-амперных характеристик ионоселективных полевых транзисторов с мембранами на основе оксидов металлов [1], проведенный в рамках исследования по созданию прототипа чувствительного элемента для датчиков загрязнения воды, показал их одинаковую чувствительность к маркеру загрязнения – ионам водорода. В настоящей статье автором предложена маршрутная технология изготовления транзисторов с мембранами на основе оксидов алюминия, ниобия и тантала, включающая использование фосфорсодержащих анодных оксидных пленок в качестве источника диффузии и подзатворного диэлектрика.
На этапе выбора технологии для изготовления ионоселективных полевых транзисторов (далее – ИСПТ) было принято решение о применении фотолитографии для создания областей истока и стока транзистора, вакуумное напыление алюминия – для создания подзатворного диэлектрика (мембраны), в случае применения в качестве мембран оксидов тантала или ниобия – ионно-лучевое распыление.
В работах [2, 3] приведена маршрутная технология изготовления кремниевых МОП‑транзисторов с применением фосфорсодержащих легированных анодных оксидных пленок (далее – ФАОП) в качестве источника диффузии и подзатворного диэлектрика.
Технологический процесс изготовления кремниевого МОП‑транзистора с индуцированным каналом с использованием одностадийной диффузии фосфора (P) в кремний (Si) из ФАОП с различным уровнем легирования включает следующие основные этапы:
Ниже изложено описание предлагаемого автором технологического маршрута изготовления транзисторов с мембранами на основе оксидов Al, Ni, Ta.
Формирование сильнолегированной ФАОП (рис. 1а) на кремниевых подложках марки КДБ‑1 диаметром 35 мм проводили на установке с вакуумной присоской в этиленгликолевом электролите (далее – ЭГ) с массовой долей Н3РО4 (плотность 1,68 г / см3), равной 11,58% при Тэл = 295 °К, jг = 50 А / м2, Uф = 190 В, jк = 10 А / м2 (Тэл – температура электролита, Uф – формирующее напряжение, jг – первоначальная плотность тока анодирования, jк – конечная плотность тока анодирования).
После фотолитографии, в результате которой сильнолегированная ФАОП оставалась только над областями истока и стока размерами 200 × 400 мкм2 (рис. 1б), выращивали маскирующую анодную оксидную пленку (далее – АОП) в электролите с массовой долей НNO3 (плотность 1,41 г / cм3) 0,19% при тех же значениях jг, jк, но до Uф = 230 В (рис. 1в).
Затем вскрывали области над каналом шириной 15 мкм (рис. 1г) и формировали в них слаболегированную ФАОП при режимах анодирования, аналогичных этапу формирования сильнолегированной ФАОП, но в ЭГ с добавлением 0,19% НNO3 и 0,0015% Н3РО4.
В результате диффузии фосфора при температуре 1 423 °К в течение 2 400 с в потоке азота были получены легированные слои областей стока, истока и канала с поверхностными сопротивлениями и глубинами залегания р-n-переходов, равными соответственно 8,7; 620 Ом / кв и 2,3; 0,9 мкм (рис. 1д).
Старый подзатворный диэлектрик стравливали и выращивали новый толщиной 0,2 мкм, также при условиях, аналогичных этапу формирования сильнолегированной ФАОП.
Перед вакуумным напылением пленки алюминия толщиной 0,2 мкм (рис. 1е) осуществляли термообработку при 773 °К в течение 3 600 с в потоке азота. После напыления алюминия его анодировали в лимонной кислоте (концентрация Слк = 0,5–1 г / л) при Тэл = 363 °К, Uф = 400–500 В в течение 20–30 мин и получали пленку толщиной 0,2 мкм.
Формирование пленок Ta или Nb толщиной 0,3 мкм осуществляли ионно-лучевым распылением, которое проводили на модернизированной установке УРМ 3.279.045.
Подложка размещалась на водоохлаждаемом держателе на расстоянии 120 мм от источника ионов, между источником ионов и держателем находилась подвижная заслонка. Перед напылением металлической пленки заслонку закрывали и проводили очистку поверхности мишени ионами аргона (напряжение разряда 5,5 кВ, плотность ионного тока на мишени 2,0–2,5 мА / см2, давление в камере (7,9–8,1) · 10–2 Па, время обработки 3–5 мин). После очистки заслонку открывали и в том же режиме проводили напыление Nb и Ta, при этом температура поверхности подложки не превышала 330–350 °K. В качестве электролита использовали децимолярный раствор оксиэтилендифосфоновой кислоты CH3COH(PO3H2)2 в этиленгликоле с содержанием 6,1М H2O. Анодирование проводилось при комнатной температуре в гальваностатическом режиме при плотности тока 1 мА / см2.
Результаты измерений электрических параметров, проведенных на трех опытных образцах транзисторов с мембранами на основе оксида алюминия (начальный ток стока, ток утечки затвора, напряжение отсечки, крутизна вольт-амперной характеристики) показали работоспособность описанной технологии изготовления транзисторов. Поскольку технология реализуется на обычном для микроэлектронной промышленности оборудовании, она легко может быть масштабирована для серийного производства.
ЛИТЕРАТУРА
Камышева А. Сравнительный анализ вольт-амперных характеристик ионоселективных полевых транзисторов с мембранами на основе оксидов тантала, ниобия и титана // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 6. С. 106–108.
Бредихин И. С., Волкова Т. А., Милешко Л. П., Палиенко А. Н., Чистяков Ю. Д. Применение анодных окисных пленок, легированных фосфором, для изготовления МОП‑транзисторов // В кн.: «Активируемые процессы технологии микроэлектроники». – Таганрог: Изд-во ТРТИ, 1976. Вып. 2. С. 206–209.
Милешко Л. П., Варзарев Ю. Н., Махаринец А. В. Модель МОП транзистора с фосфатной анодной оксидной пленкой кремния в качестве подзатворного диэлектрика // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 8 (169). С. 213–220.
А. Камышева
Анализ вольт-амперных характеристик ионоселективных полевых транзисторов с мембранами на основе оксидов металлов [1], проведенный в рамках исследования по созданию прототипа чувствительного элемента для датчиков загрязнения воды, показал их одинаковую чувствительность к маркеру загрязнения – ионам водорода. В настоящей статье автором предложена маршрутная технология изготовления транзисторов с мембранами на основе оксидов алюминия, ниобия и тантала, включающая использование фосфорсодержащих анодных оксидных пленок в качестве источника диффузии и подзатворного диэлектрика.
На этапе выбора технологии для изготовления ионоселективных полевых транзисторов (далее – ИСПТ) было принято решение о применении фотолитографии для создания областей истока и стока транзистора, вакуумное напыление алюминия – для создания подзатворного диэлектрика (мембраны), в случае применения в качестве мембран оксидов тантала или ниобия – ионно-лучевое распыление.
В работах [2, 3] приведена маршрутная технология изготовления кремниевых МОП‑транзисторов с применением фосфорсодержащих легированных анодных оксидных пленок (далее – ФАОП) в качестве источника диффузии и подзатворного диэлектрика.
Технологический процесс изготовления кремниевого МОП‑транзистора с индуцированным каналом с использованием одностадийной диффузии фосфора (P) в кремний (Si) из ФАОП с различным уровнем легирования включает следующие основные этапы:
- Формирование сильнолегированной ФАОП.
- Фотолитография под области стока и истока с применением фоторезиста ФП‑383.
- Формирование нелегированной анодной оксидной пленки.
- Создание областей истока, стока диффузией P из ФАОП.
- Вскрытие контактных окон.
- Нанесение алюминиевой металлизации.
- Анодирование алюминия.
Ниже изложено описание предлагаемого автором технологического маршрута изготовления транзисторов с мембранами на основе оксидов Al, Ni, Ta.
Формирование сильнолегированной ФАОП (рис. 1а) на кремниевых подложках марки КДБ‑1 диаметром 35 мм проводили на установке с вакуумной присоской в этиленгликолевом электролите (далее – ЭГ) с массовой долей Н3РО4 (плотность 1,68 г / см3), равной 11,58% при Тэл = 295 °К, jг = 50 А / м2, Uф = 190 В, jк = 10 А / м2 (Тэл – температура электролита, Uф – формирующее напряжение, jг – первоначальная плотность тока анодирования, jк – конечная плотность тока анодирования).
После фотолитографии, в результате которой сильнолегированная ФАОП оставалась только над областями истока и стока размерами 200 × 400 мкм2 (рис. 1б), выращивали маскирующую анодную оксидную пленку (далее – АОП) в электролите с массовой долей НNO3 (плотность 1,41 г / cм3) 0,19% при тех же значениях jг, jк, но до Uф = 230 В (рис. 1в).
Затем вскрывали области над каналом шириной 15 мкм (рис. 1г) и формировали в них слаболегированную ФАОП при режимах анодирования, аналогичных этапу формирования сильнолегированной ФАОП, но в ЭГ с добавлением 0,19% НNO3 и 0,0015% Н3РО4.
В результате диффузии фосфора при температуре 1 423 °К в течение 2 400 с в потоке азота были получены легированные слои областей стока, истока и канала с поверхностными сопротивлениями и глубинами залегания р-n-переходов, равными соответственно 8,7; 620 Ом / кв и 2,3; 0,9 мкм (рис. 1д).
Старый подзатворный диэлектрик стравливали и выращивали новый толщиной 0,2 мкм, также при условиях, аналогичных этапу формирования сильнолегированной ФАОП.
Перед вакуумным напылением пленки алюминия толщиной 0,2 мкм (рис. 1е) осуществляли термообработку при 773 °К в течение 3 600 с в потоке азота. После напыления алюминия его анодировали в лимонной кислоте (концентрация Слк = 0,5–1 г / л) при Тэл = 363 °К, Uф = 400–500 В в течение 20–30 мин и получали пленку толщиной 0,2 мкм.
Формирование пленок Ta или Nb толщиной 0,3 мкм осуществляли ионно-лучевым распылением, которое проводили на модернизированной установке УРМ 3.279.045.
Подложка размещалась на водоохлаждаемом держателе на расстоянии 120 мм от источника ионов, между источником ионов и держателем находилась подвижная заслонка. Перед напылением металлической пленки заслонку закрывали и проводили очистку поверхности мишени ионами аргона (напряжение разряда 5,5 кВ, плотность ионного тока на мишени 2,0–2,5 мА / см2, давление в камере (7,9–8,1) · 10–2 Па, время обработки 3–5 мин). После очистки заслонку открывали и в том же режиме проводили напыление Nb и Ta, при этом температура поверхности подложки не превышала 330–350 °K. В качестве электролита использовали децимолярный раствор оксиэтилендифосфоновой кислоты CH3COH(PO3H2)2 в этиленгликоле с содержанием 6,1М H2O. Анодирование проводилось при комнатной температуре в гальваностатическом режиме при плотности тока 1 мА / см2.
Результаты измерений электрических параметров, проведенных на трех опытных образцах транзисторов с мембранами на основе оксида алюминия (начальный ток стока, ток утечки затвора, напряжение отсечки, крутизна вольт-амперной характеристики) показали работоспособность описанной технологии изготовления транзисторов. Поскольку технология реализуется на обычном для микроэлектронной промышленности оборудовании, она легко может быть масштабирована для серийного производства.
ЛИТЕРАТУРА
Камышева А. Сравнительный анализ вольт-амперных характеристик ионоселективных полевых транзисторов с мембранами на основе оксидов тантала, ниобия и титана // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 6. С. 106–108.
Бредихин И. С., Волкова Т. А., Милешко Л. П., Палиенко А. Н., Чистяков Ю. Д. Применение анодных окисных пленок, легированных фосфором, для изготовления МОП‑транзисторов // В кн.: «Активируемые процессы технологии микроэлектроники». – Таганрог: Изд-во ТРТИ, 1976. Вып. 2. С. 206–209.
Милешко Л. П., Варзарев Ю. Н., Махаринец А. В. Модель МОП транзистора с фосфатной анодной оксидной пленкой кремния в качестве подзатворного диэлектрика // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 8 (169). С. 213–220.
Отзывы читателей
