приходится прибегать к уменьшению толщины кристалла после завершения изготовления транзисторных структур. Действительно, если транзисторы изготавливать на эпитакси-альных 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 эмиттер-ного 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, as - 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 крис-талл 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 -диффузиябора

(первая стадия); г -диффузиябора

(вторая стадия) д-фо-толитография 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 п-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 совре-. менных 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 эмит-терного 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