Способ изготовления электрически изолированных резисторов микросхем

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способу изготовления электрически изолированных резисторов микросхем на арсениде галлия с высокой термостабильностью.

Известен способ изготовления резистивных слоев микросхем облучением протонами [Патент США №4196228, H01L 21/425, 1980] с энергией до 100 кэВ и дозой потока протонов 3-6 мкКл/см², причем тонкий имплантированный поверхностный слой формируется при низких температурах.

Недостатком этого способа является низкая термическая стабильность изготавливаемых резистивных слоев.

Известен способ модифицирования полупроводников пучками протонов для создания омических контактов к материалам A^IIIB^V (Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // Физика и техника полупроводников, 2000. - Т. 34. - Вып. 10. - с. 22-28).

Разработанная радиационная технология обеспечивает возможность с высокой точностью и воспроизводимостью управлять процессом формирования в кристаллах скрытых высокоомных слоев.

Недостатком разработанного способа является низкое пробивное напряжение и необходимость проведения дополнительного постимплантационного отжига изолирующих слоев.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления электрически изолированных резистивных элементов микросхем [Козейкин Б.В., Перинский В.В. и др. Ионно-лучевая технология пассивных интегральных схем СВЧ на арсениде галлия: обзоры по электронной технике, серия 7 «Технология, организация производства и оборудование» / Б.В. Козейкин, В.В. Перинский и др. Москва: ЦНИИ «Электроника», 1990. Вып. 12(1548). С. 30-40], заключающийся в том, что после формирования контактных площадок на эпитаксиальных структурах арсенида галлия проводят внедрение ионов аргона, кислорода, водорода с энергией от 60 до 120 кэВ и в интервале доз 0-3000 мкКл/см².

Недостатком данного изобретения является низкая термостабильность резисторов и низкое пробивное напряжение изолирующих слоев.

Задача изобретения заключается в расширении технологических возможностей при проектировании микросхем.

Технический результат заключается в увеличении термостабильности и повышении пробивного напряжения изолирующих слоев микросхем на арсениде галлия.

Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа изготовления электрически изолированных резисторов микросхем с высокой термостабильностью, заключающегося в изготовлении контактных площадок на эпитаксиальных структурах арсенида галлия, нанесении маски фоторезиста, новым является то, что после изготовления контактных площадок на поверхности эпитаксиальных структур арсенида галлия проводят внедрение ионов гелия с энергией 30-150 кэВ и дозой 1,2-1,4 мкКл/см² для формирования областей изоляции; после нанесения маски фоторезиста формируют окна в фоторезистивной маске и осуществляют повторное внедрение ионов гелия с энергией 30-150 кэВ и дозой 6-12 мкКл/см².

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 10), где на фиг. 1 представлена эпитаксиальная структура арсенида галлия до и после внедрения ионов гелия (He⁺), образующих области изоляции; на фиг. 2 представлена эпитаксиальная структура арсенида галлия после формирования окон в фоторезистивной маске и повторного внедрения ионов гелия (He⁺), образующих собственно резисторы; на фиг. 3 - эпитаксиальная структура арсенида галлия с резистором между контактными площадками, лежащим в слое изоляции; на фиг. 4 приведена зависимость электрического сопротивления эпитаксиального слоя арсенида галлия от дозы внедренных ионов гелия с энергией: Δ-E=30 кэВ; •-150 кэВ; на фиг. 5 - зависимость сопротивления от энергии ионов гелия: о - область изоляции (Ф=1,2 мкКл/см²); Δ - собственно сопротивление (Ф=6 мкКл/см²); на фиг. 6 - зависимость толщины нарушенного слоя от дозы ионов гелия: Δ-Е=150 кэВ; •-Е=30 кэВ; на фиг. 7 показана зависимость пробивного напряжения (V_пр) изолирующего слоя от дозы (Ф) ионов гелия (о-Е=30 кэВ, ток утечки I_ут=10 мкА, без дополнительной термообработки; Δ-Е=30 кэВ, ток утечки I_ут=10 мкА, термообработка +300°C); на фиг. 8 показана зависимость пробивного напряжения (V_пр) резисторов от температуры отжига (время отжига 60 мин) (Δ-Е=30 кэВ, Ф=8 мкКл/см²; •-Е=30 кэВ, Ф=12 мкКл/см²; о-Е=150 кэВ, Ф=8 мкКл/см²; □-Е=150 кэВ, Ф=12 мкКл/см²); на фиг. 9 показана зависимость пробивного напряжения (V_пр) изолирующего слоя от дозы: • - протонов (H⁺); Е=50 кэВ; ток утечки I_ут=10 мкА; Δ - ионов гелия (He⁺); Е=30 кэВ; ток утечки I_ут=10 мкА; □ - ионов гелия (He⁺); Е=150 кэВ; ток утечки I_ут=10 мкА; на фиг. 10 показана зависимость пробивного напряжения (V_пр) резисторов, изготовленных: • - протонным облучением; Е=50 кэВ; Ф=12 мкКл/см²; Δ - облучением ионами гелия; Е=30 кэВ; Ф=12 мкКл/см² от температуры отжига (время отжига 60 мин); □ - облучением ионами гелия; Е=150 кэВ; Ф=12 мкКл/см² от температуры отжига (время отжига 60 мин). Позициями на чертежах 1-3 обозначены: 1 - полуизолирующая подложка; 2 - эпитаксиальный слой арсенида галлия; 3 - контактные площадки; 4 - области изоляции после внедрения ионов гелия; 5 - фоторезистивная маска; 6 - резистор, образованный после повторного внедрения ионов гелия.

Способ осуществляют следующим образом.

В качестве исходного материала используют эпитаксиальные структуры арсенида галлия с толщиной эпитаксиального слоя 0,3÷0,4 мкм и концентрацией электронов 2⋅10¹⁶ см^-3. Контактные площадки 3 изготавливают методом вакуумного напыления алюминия толщиной 0,3 мкм с последующей фотолитографией (фиг. 1a) по стандартной технологии. Изолирующие области 4 между контактными площадками 3 создают внедрением ионов гелия на установке ионного легирования типа «Везувий» с энергией 30-150 кэВ и дозой 1,2-1,4 мкКл/см² (фиг. 1б).

Области резисторов 6 выделяют формированием окон в фоторезистивной маске 5 из ФП-383 толщиной 1 мкм и повторно внедряют ионы гелия с энергией 30 кэВ (150 кэВ) и дозой 8 мкКл/см² (12 мкКл/см²) (фиг. 2). В результате получают резисторы 6 с сопротивлением R=320 Ом (380 Ом) электрически изолированные от других резисторов 6 в плоскости эпитаксиальной структуры 2 слоем с удельным сопротивлением 10⁶ Ом⋅см (фиг. 3, 4).

Экспериментально полученными оптимальными дозами ионов гелия, необходимыми для получения электрически изолированных резисторов 6 являются 8-12 мкКл/см² с энергией 30-150 кэВ, так как при дозах ионов гелия 8-12 мкКл/см² электронное торможение является преобладающим процессом для ионов гелия, энергия которых в пределах 30-150 кэВ в арсениде галлия (фиг. 5).

*среднее значение номинала сопротивления; усреднение проведено для каждого режима группе из 50 резисторов; разброс номинала по каждой группе не превышает ±3%.

Зная (Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // Физика и техника полупроводников, 2000. - Т. 34. - Вып. 10. - с. 22-28) характер распределения вводимых облучением дефектов, а также зависимость толщины нарушенного слоя от дозы ионов гелия (фиг. 6), определяем условия, при которых в ограниченной по горизонтали области кристалла арсенида галлия образуется слой с высокой плотностью радиационных дефектов.

Методом измерения вольт-фарадных характеристик и емкостной переходной спектроскопии имплантированных ионами гелия слоев найдены четыре ловушки электронов с энергией активации 0,79; 0,65; 0,32; 0,27 эВ (Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // Физика и техника полупроводников, 2000. - Т. 34. - Вып. 10. - с. 22-28), причем два наиболее глубоких центра доминируют при высоких дозах облучения 8-12 мкКл/см², а при протонном облучении этого не наблюдается.

Результаты экспериментов по влиянию дозы ионов на параметры изолирующих областей и термообработки на параметры резисторов представлены на фиг. 7, 8.

Заметное возрастание пробивного напряжения арсенида галлия, подвергнутого имплантации ионов гелия, наблюдается при дозе ионов гелия выше 0,4 мкКл/см². В интервале 0,2-0,8 мкКл/см² происходит монотонное увеличение V_пр от исходного значения до 300 В (в зависимости от исходных параметров эпитаксиального слоя). Как и следовало ожидать, в области Ф≥1,2-1,4 мкКл/см² наклон дозовой зависимости уменьшается, зависимость стремится к насыщению с абсолютным значением сопротивления изолирующих областей 5⋅10⁵-10⁶ Ом (фиг. 4).

Как следует из этих данных, параметры полученных имплантацией ионов гелия изолирующих слоев термостабильны до температуры ~500°C и практически не изменяются после часового отжига. При температуре 300°C термообработка увеличивает пробивное напряжение изолирующих областей арсенида галлия в 1,5 раза. Уместно предположить, что низкотемпературный отжиг приводит к распаду нестабильных радиационных нарушений, отжигу и миграции быстро диффундирующих дефектов на стоки.

Таким образом, разработан способ изготовления электрически изолированных резисторов при температурной обработке до 500°C, причем зависимость сопротивления и пробивного напряжения от дозы ионов гелия свидетельствует об отжиге некоторых центров в запрещенной зоне арсенида галлия либо их комплексообразовании; после отжига стабилизировались дефекты с энергией активации проводимости 0,08 и 0,66 эВ, по-видимому, образующие донорно-акцепторную связь с химическими примесями кристалла, что обеспечивает увеличение термостабильности и повышение пробивного напряжения изолирующих слоев арсенида галлия и, следовательно, расширяет возможности при проектировании микросхем (фиг. 9, 10).

Предлагаемое техническое решение позволяет получать электрически изолированные резисторы микросхем на арсениде галлия необходимого номинала термостабильностью до 500°C, изолированные имплантированными ионами гелия слоями изоляции с пробивным напряжением до 450 В.