高可靠性应用的微波双极晶体管的设计和质量保证

现代空间活动和一些关键性的工业及科学应用都要求有绝对的把握性。即要求所有需要的系统功能都能成功地完成。在这些应用中,由于设备难于接近,所以更换失效器件往往是困难的,甚至是不可能的。因此,只有那些确实具有高可靠性的器件,才被指定来用于这些关键性的应用中去。使用不具有最大限度可靠性保证的器件。则冒险性是太大了。由于认识到这一事实,日本电气公司(NEC)已经研究出一种高可靠性应用的微波双极晶体管的低成本的质量保证方案。对根据这个方案制作的目前水平的 C 波段晶体管所作的长期寿命试验的结果表明,在正常工作条件下,其平均寿命大于10~9小时(100000年)。这超过了使用这种器件的空间应用所要求的器件可靠性水平。事实上,NEC 正在给空间应用(例如向木星和火星发射的宇宙飞船及其他科学卫星)提供大量的高可靠性微皮晶体管。     

2GHz下噪声系数达1.5dB 左右的硅双极等平面结构晶体管

本文叙述了 npn 等平面结构的微波晶体管的制造过程和性能。制造过程包括用高压水汽选择氧化实现等平面结构、亚微米光刻、杂质分布的恰当控制等。并对一些有关问题作了讨论。在2GHz 下,已作出了噪声系数≤1.5dB,相应功率增益为≥9dB 的晶体管。     

硅中浅结高浓度砷扩散

一、引言近几年来,硅双极晶体管有很大发展,在 L、S 波段达到了实用阶段,并正向 C 和X 波段进展。这些进展的取得,主要是工艺上的改进。如光刻能刻出1微米左右的条宽,用离子注入代替热扩散,用多层金属化来作浅结的电极欧姆接触。还有,就是发射区的形成用砷扩散代替了磷扩散。本文介绍硅中浅结高浓度的砷发射极扩散问题。     

硅中由离子注入和化学源预淀积的同时扩散期间砷和硼之间的互作用

砷和硼从预淀积层(化学源或离子注入)作同时扩散,已被用来分别制作微波晶体管的发射区和基区。这类晶体管掺杂分布的数学模拟表明:在预淀积——扩散结构中,砷-硼(化学源)的相继扩散中所发生的扩散互作用效应是不显著的。其结果是,由这样的工艺制造的晶体管没有基区迟滞现象,而且其有源基区掺杂浓度要比由以前确立的扩散方程所预计的高些。为了确定互作用效应重要到何种程度,测量了晶体管的掺杂分布,并与计算的分布作了比较。把电场的相互作用、[V_(si)As_2]络合物形成而引起的空位欠饱和的状况以及离子配偶都包括在内,估计出每一种作用对于硼扩散的重要性是可能的。业已表明,在预淀积——扩散结构中,其电场互作用要比在恒定表面浓度扩散(非耗尽源)中的小2到3倍。更重要的是,在从预淀积层同时扩散砷-硼期间,发生的空位欠饱和是可忽略的。在化学源砷预淀积的情况中,这是由于在预淀积期间(在与硼同时扩散之前)就达到了一个[V_(si)As_2]络合物的准平衡浓度。在离子注入预淀积砷的情况中,对于剂量≤3×10~(15)厘米~(-2)时,络合物好像是或者在注入期间形成的,或者在退火期间非常迅速地形成的。给出的数据表明,在砷注入——退火结构中,没有非电活性的砷络合物形成,在这个结构中,已接近As~ 离子的最大溶解度了(在1000℃下或剂量为5～8×10~(15)厘米~(-2)时为3.8×10~(20)厘米~(-3))。这个结果适合于本研究中所用的砷剂量。由于这个结果在由化学源作扩散的砷掺杂层中没有观察到,为了解释这个异常现象,尚需进一步作研究工作。     

用电子束曝光机制作的微波低噪声晶体管

业已用自动化电子束曝光机大批量制作微波晶体管(ML-220),在6千兆赫下最小增益为8分贝,最大噪声系数为5.5分贝。本报告讨论了电子束曝光机制作的高性能的 ML-220晶体管及其工艺过程和成品率。采用大视场电子光学系统和完全自动化图形对准系统,使电子束光刻的实用性增加了。其它的机器性能已有说明,例如(1)校准图形位置、大小、旋转和在±2500埃以内的正交性的计算机控制的图形对准系统;(2)计算机控制的 x—y 工作台能够在7.5×7.5厘米范围内准确地作步进重复;(3)适合于制作微波晶体管的电子抗蚀剂工艺;(4)能刻出0.5微米宽的晶体管发射极条的计算机控制的电子束记录仪。一般说来,在本合同期间研制的电子束技术,能用于需要较高频率性能和较高封装密度的各种固体器件。电子束技术可用于磁泡存储器、电荷耦合器件、表面波器件和场效应晶体管。     

多孔硅的形成和性质及其应用

研究了多孔硅膜的制备、性质和应用。在低于临界电流密度的电流下,在浓氢氟酸中进行阳极处理使硅单晶转变成多孔硅膜。当 N 型硅作阳极处理时,用光照射硅表面以产生阳极反应所必需的空穴。在本实验条件下,从 N 型硅上生成薄膜的速率要比从 P 型硅上生成的快些。其晶体结构与硅单晶相同。利用多孔硅能作成几个微米厚。并且容易氧化形成绝缘体这一特性,对于双极型集成电路提出了一个新的隔离技术。该技术的主要特点是提供了一个形成嵌入穿透 N 型外延层的厚绝缘膜的方法,并且不需要过长的热处理.为试验这一技术的实际应用,已进行了初步的实验。     

在硅中络合物形成对砷扩散的影响

当砷扩散入硅中时,仅有一部分砷保留电活性。因为砷作为发射极掺杂剂是重要的,所以了解不活泼的砷的性质和它如何影响 As~ 离子的溶解度和扩散是很必要的。提出了一个模型,在该模型中,当与〔VsiAs_2〕络合物形成准平衡时,As~ 的扩散是通过一个简单的空位机构,游动的单质 As~ 的通量根据〔VsiAs_2〕络合物形成的程度而作修正。讨论了缺陷的结构和它的形成能(≈1.8电子伏)。采用这一模型推导出一个有效扩散系数:D_As=2DiC_A/(1 8 K′_2C~3_A)式中 C_A 是 As~ 浓度,K′_2是一个依赖于 As~ 表面浓度和扩散温度的集合参数。给出了该方程的准确性的实验检验。这一定量分析的重要结果表明了 D_(AS)随砷浓度的增加而达到一个极大值,然后又单调地下降。出现 Dmax 的砷的浓度是依赖于总的砷表面掺杂和扩散温度。总的砷与电活性 As~ 之比值在1300℃下下降到1。在1250℃下表明了As~ 溶解度达到一极大值,在 P—Si 中是1.5×10~(21)原子/厘米~3,在n—Si 中是1.2×10~(21)原子/厘米~3。     

用旋涂砷硅膜作源的高表面浓度浅结砷扩散

采用液态的砷硅玻璃膜作掺杂源进行高浓度、结深小于1微米的砷向硅中的扩散。报导了源浓度、源厚度和扩散气氛对扩散结果的影响。在1000℃下得到的电活性砷表面浓度为1.7×10~(20)/厘米~3。这大约相当于总砷浓度的60%。扩散的砷层处于准平衡状态,因此,其电活性砷的总量可用热处理来改变。当掺杂剂浓度从5×10~(19)/厘米~3上升到其最大值(约为2×20~(20)/厘米~3)时,则砷的扩散系数增加50倍。D 随电子浓度约成线性地增加。报导的结果与最近描述的模型是一致的,即在低温处理下,砷是通过带负电的空位和砷丛聚而扩散的。     

硅的高压氧化

本文简要地介绍了硅的高压氧化概况。着重叙述我们目前采用的一种高压水汽氧化方法及其一些实验结果。实验表明本方法对于制备厚膜二氧化硅(>2微米)是简易可行的。同时,介绍了一些用氮化硅掩蔽进行硅的局部氧化试验情况。     

在高压水蒸汽中硅的氧化

在高压水蒸汽中硅的氧化是很有意义的,因为高压氧化能缩短在各种集成电路中氧化物隔离的氧化时间。有关高压氧化的一些报导记述了硅在非常高的压力下(从25到500个大气压)的氧化。在另一篇报导中介绍了一种更适合于半导体器件制造的氧化装置。硅的氧化是在高达1200℃的温度和压强达10个大气压的条件下进行的,但是未作详细的报导。