Способ изготовления интегральных схем

СОЮЗ СОВЕТСКИ КСОЦИА ЛИСТ ИЧЕСН И КРЕСПУБЛИК ЯО 16(71) Научно-произвнение "Ротор" и Наукий институт приклпроблем им,А.Н.Сев(72) Н.Ф.Голубев,В,М.Ломако, Ю,М.Прнок, Г.И.Огурцов и 1 Г 19 одственное обачно- исследоваадных физическиченко дч еельс х.В,Латьпдев,хоцкий, Е.Д.СавеО.В.Тарасова отжиг ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР Р 987711,. кл. Н 01 Ь 21/283, 1983,Авторское свидетельство СССР Р 1340477, кл. Н О 1 Ь 21/26, 1987. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ(57) Изобретение относится к микроэлектронике и может быть,использовано при изготовлении аналоговых интегральных схем с повышенной радиационной стойкостью к стационарному ионизирующему излучению. Цель изобИзобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении аналоговых интегральных схем (ИС) частного применения с повышенной радиа - ционной стойкостью к стационарному ионпэирующему излучению.Цель изобретения - увеличение ради ационной стойкости интегральных схем за счет уменыпения деградаций электрических параметров.На чертеже показана зависимость ф от температуры стабилизирующего ретения - уменып .ние деградации элс ьтрических параметров анал 1 говых ИС при воздействии непрерывного ионизирующего излучения путем последовательного облучения радиационно-чувств тельных элементов схемы 0 с, -частицами и -квантами с последующим отжигом.Транзисторы радиационно-чувствительных каскадов схемы выполняют составными, после формирования активных . и пассивных элементов в изолированных монокристаллических карманах кремниевой подложки проводят подгонку коэффициентов усиления составных транзисторов путем введения радиационных дефектов в область перехода эмиттер - база облучением ос -частицами Флюенсами 1 10 - 5 1 О смсо Ф 1затем все элементы схемы облучают -квантами Флюенсами 5 10 - 5 "6х 10 см- и отжигдют при 180-220 С17 о в течение 60 мпн. 1 ил. В предлагаемом способе транзисторы радиационно-чувствительных каскадов хемы выполняют составными, подгонку оэффициентов усиления составных ранзпсторов проводят путем введения адиационных дефектов в область пере ода эмиттер-база облучением Флюенами 1 10 - 5" 10 частиц/см, заь, Нем все элементы схемы облучают-квантами флюенсами 5 10 - 5" 10 квсм и отжгают при 180-220 С.о Сущность предлагаемого способзаключается в следуютем.При эксплуатации аналоговых микросхем в полях радиации происходит не- обратимое иэменение их пвраметров среди которых наиболее рвдивционно 5 чувствительными являются коэффициент усиления К и входной ток 1. Кроит333 е умень 33 ения К) и возрастания 1в результате воздействия облучения происходит изменение смещения нуля, увеличивается,разность входных токов по инвертиру 3 в(ему и иейнвертируищему входаиеРадющиоииа 3 стойкость опервциои" вых усилителей в 3 арвув очередь,опреит 15 . деляется чувствтельостье к облуче" 33 и 3 е транзисторов, (соторв 3 е в схеме работает в аствО реа 3 е и обеспечив 3 ввт высое 3 соэ 493 щ 3 ит усиления. Деградация кО 344 щезта усиления . у 0 тра 3 зистщюв еа 3 вава с Образованием радив 30 нв 33 рв 3 ксв 3 бВ 33 юнвпс 3 ввтров и обьеме 33 резииа 3 рипоВефхяостОЙ 066 аст 3 ав ираадгаев е 3 оеОЕе иовваеиие 25рад 3 а 3 ио 3 аай ет 3 йеет 3 егсе 3 м х воз ттаттт тки ат. тю.еетеи 3 а Фет вэ 33 в 33 в те 303 Офгическ 3 В 3390 ее. 03 зв 93 щ 33 Й рм 3 ио 3Ю 3 Обрабета. Д 3 это го ис 33 э 3 уфиз 30 е 333 Мтельиое Об луче 3333 Ф МразиюстОЗюв фу частм 39913 ивата 3, 36 Еееч 3 еа 33 Е 3 Е 3 Вваае 3 е в стоуа 3 Е ра 3 аЕОвввс дефе 3 ее, 3 Отовве 3 е 3 вв 3 вт 3 увствитвль. тттт .ииит воздействие О 63 учеиив ире спользовании в анараМЭе. Облазив 3 емкван"таы 3 двстгаете ус;рце фбв 3 стройффкоыис 3 веизм дегэааи Ьуьфф) 3 ьбрабст-акаа;ч 4 стщаыи вв 333 т в структурут тттти и ,того, использование 66 обпуЧения неОбкод 33 ЕО дпя тОЧИОй ПодГОНКИ Кеэффнии33 е 3 ггов усилеии 3 транзисторовФ 5иснользуеепс в днфференциалМых каскадах схе 3 е, В дредлагаемом способе Ж-частицами облучалнсь только трапэисторы, обеспечивающие достиаеннезаданного коэффициента усиления схевы, так как нет необходимости обраба"тывать К-частицами пассивные элементы (диффузионные резисторы) илн транзисторы, используемые в генераторестабильного тока дифФеренциальногокаскада.Так как введение радкационых дефектов в активные области транзисторов приводит к уменьвению коэффнциента усиления, необходимая величина усиления каскада достигается эа счет ис"пользования составных транзисторов,для которых коэффициент усиления дается вырааением Ь Ь г + Ьг + ЬгЬ 3 (1)Ь) (г) о) (г)Ээ аз гз гэ23 у(ф) (г)гДе Ьг, н Ьг 3 - коэффиЦИенты УсиЭления первого и второго транзисторовсоответственно.Иэ вырваения (1) видно, что Ь 1 ел 106-400 каскада могут быть получены на транзисторах со значениями(1 Л)Ь ц е 10-20,В данном способе предлагаетсявсе трвязисторы схемы .после операцийизготовлений контактов и деэлементввцс соединений и облучения М -чвс"тицани, обработать-излучением43 весами 5 10 ф" 510 кв/си 3 .Величмиа фавенсов выбрана экспери- .ментально и соответствует фнвсыщеннюфдо 3 эациовного изменения Ь 3 тран 9эистора От флвеиса ублучення, приф 3 ввевса 3 вы 3 е 5 10 кп/см 3 ухудвютии8ся тапсе характеристики трвнз 3 стора,как обратвв 3 в текд.р"л"Перехода, шумовые характеристики, появляется болееСИЛЬа ЭаВИСЗЕЗОСтЬ ПтаРВМЕтРОа Отте 333 вратуры; Соответственно неОбеспечйвв 3 зтся и эксплуатационныехарастерист 3 ки 3 тегральной схемы,например, ло входным токам.ОсОВые усилительные каскады опе"рациОа 33 Ого усилителй выполнены по дифференциальной схеме. Транзисторы вдиффвренциальном каскаде долины33 еть идентичые характеристики, После обработки -кввятвмн мопет появляться нвпряавние рвзбаланса, твк какрадиациониые свойства оксидногопокрытия могут несколько различаться и транзисторы могут иметь различные величины Ь, .1Подгонку параметров транзисторовв предлагаемом способе осуществляютпутем облучение 66 частицами от изотопного источника. Обнаруаено, чтопосле облучения ф,-частицами параметры транзисторов выравниваются. Этосвязано с тем, что 0 Б -облучениевводит радиационные дефекты в объембазы более эффективно, чем в приповерхностпую область, и изменение коэффициента усиления транзистороя оп516 ределнется рекомбинационными процессами в области объемного заряда р-и-перехода эмиттер - база. После -облучения и стабилизирующей термо - обработки величины Ь 1 обоих транг 1 ээисторов выравниваются, так как определяются заданной концентрацией радиационных дефектов, а не технологическими разбросами концентрации неконтролируемых центров реком - бинации. ДлЯ точной подгонки Ь 1 эЭ 1 О используют флюенсы облучения 110 5 О частиц/смф. При потоках выше115 1 О частиц/см величкна Ьг 1 отдель"19 но взятого транзистора уменьшается ниже 1 О и ухудшаются такие параметры, как обратные токи р-п-перехода. При флюенсах ниже 11 О частиц/смф10изменение величины Ьг 1 составляет меЭнее 103, что не позволяет достигнуть идентичности характеристик "подгоняемых" транзисторов. Кроме того, схема, в которой транзисторы имеют очень большие коэффициенты усиления, склонна к самовоэбужде 11 ию из-эа паразитных положительных обратных связей. Для того, чтобы поСле ос,-обработки не возрастали обратные токи коллекторного р-п-перехода, управление(ьг 1величиной Ь , в предлагаемом способе осуществляют за счет измененияэффективности эмиттера н скорости рекомбинации иеосновньос носителей в базе транзистора. Для этого пробег 1)1-чаСтиц В В устанавливают равным глубине залегания эмиттеряого р-и-перехода вертикального транзистора, Введение радиационных дефектов вобласть объемного заряда эмиттерного перехода увеличивает рекомбинационные потери носителей, следствием чего является снижение Ьг 1, колг 1 э лекторный переход,р-п-переход и область коллектора практически не повреждается. Следствием этого является также повышение критического потока повреждения транзистора при использовании -обработки, так как одной из причин выхода транзистора из строя является появление последова" тельного сопротивления из-за компен сации кремния радиационными дефектами в коллекторной области.В предлагаемом способе стабилизирующий отжиг преДлагается проводить при 180-220 С. Температура (220 С) 11 ОУОна верхнем пределе опведепф на экспериментально и соответств,ет началустадии отжита радиационных дефектов,5которые ответственны за бысгруюкомпонентуизменения Ьг 1 прп попивг,зирующем излучении, те 1 пн ературы ниже180 С не обЕспечивают стабилиэацййпараметров схемы, Так как и ряде случаев после изготовления кристалловИС их необходимо нагревать лс ЗОО 350 С (например, при посадке крнсталлов в корпус на эвтектику Ац-Б илйприклейку полиимидным лаком), в спо"собе возможна и такая последовательность операций: вначале может бытьпроведена операция подгонки коэффициентов усиления облучением О -частицами, затем скрайбирование и посадка20 кристаллов в корпус, а после этогорадиационная обработка-квантамии стабилизирующий параметры термический отжиг, Времена стабилизирую-.щего отжига совпадают с временами25 отжига по прототипу.Способ испытывался при изготовлении аналоговых биполярных интегрялЬ"ных схем (операционных усилителей).Промышленным аналогом этой схемы яв 30 ляется операционный усилитель типа140 УД 1, По сравнению с известной рпредлагаемой схеме на составныхтранзисторах выполнен второй каскадусиления (который обеспечивает коэффициент усиления -" 280-300 и выходной каскад. Первый каскад усиления(коэффициент усиления - 4-5) не является определяющим в деградации коэффи"циента усиления операционного усилите 4 О ля. В то же время обнаружено, чторадиационно-термическая обработкаМ-частицами транзисторов входного какаскада существенно ухудшает входныетоки усилителя.П р и и е р 1. В матричном кристалле, в качестве которого использовалсякремний с диэлектрической изоляцией2 КЗФ0(марки КСДИ 60 -- . - д-. -- -) э кар 380 81, 80 г 1,850 манах из монокристаллического кремниястандартными методами окисления (наповерхности создают слой толщиной0,6 мкм), диффузии и раэгонки примесей, мсталлизации и вжигания контактов формируют биполярные транзисторы и диффузионные резисторы. Коэффициенты усиления транзистсров Ь г 1Э200-250 обеспечиваются форлнцовани;ем фазовой области толщиной 0,7 1671070О,В мкм и концентрацией легирующей примеси к 2 10 см . Элементы соедиЛияют проводящими дорожками согласно принципиальной схеме (см.чертеж),в 5 которой радиационно-чувствительные транзисторы выполнены составными. Перед операцией селективной радиационно-термической обработки 0 с-частицами с планарной стороны на пластины 1 О наносят слой фоторезиста толщиной Ф 3 мкм, и методом фотолитографии3 вскрывают окна над эмиттерными облас тями составленных транзисторов. Затем гщастины помещают в облучатель ную устмовку с источниками вс -частиц на основе изотопа 9 Рв, уменьшают энергию К -частиц путем использования лавсановой пленки и регулированием расстояния между поверх ностью пластины и источника таким образом, чтобы максимум в паспределейии ф, -частиц приходился на глубину залегания эмиттерного р-и-перехода ( = 1,2,мкм от поверхности кремния) и проводят облучение флюенсом 1 1 О и М-частиц/смф . Затем пластины помещают в камеру изотопной установки ИРХ25 М, где обрабатывают -квантами флюенсами 110 кв/см 2 . 30 алее стабилизируют параметры от" хгигом пластин при 200 С в течение 60 мин. После разделения пластин на кристаллы монтаа кристаллов в корпус производят путем приклеивания компаундом на основе эпоксидной смолы (ЭД).П р и и е р 2. Аналогично примеру 1, эа исключением того, что флюенс облучения )-квантами устанйвли вают равным 5 10 кв/смг,П р н м е р 3. Аналогично примеру 1, эа исключением того, что флюеис облучения-квантами устанавливают равяии 5 ф 10 кв/см .У45П р и и е р 4. Аналогично примеру 1, за исключением того, что облучение"квантами проводят фпюенсом 1 хг 101 о частиц/см .50П р и м е р 5. Аналогично примеру 1, эа исключением того, что температуру стабилизирующего от)кига ус свнавливают 220 С. П р и и е р 6. Аналогично примеру55 1, эа исключением того, что )вмпературу стабилиэирук)щего от)кигв уста-. навливают 1800,П р и м е р 7. Аналогично примеру 1, за исключением того, что облу" чение М "частицами проводят флюенсом 51 Од частиц/см .Изготовленные.по предлагаемому способу схемы обладали такими )ке эксплуатационными параметрами как серийные (140 УД ). Схемы, изготовленные с применением РТО, имели время установления выходного иапря)кения с 0,5-017 мкм и частоту единичного усиления ф 1,1-1,2 МГц, Испытания иа радиационную стойкость ИС прово" дились на иэотопной установке АРХ)-25 М при интенсивности флюенса облучения 590 Р/с и температуре облучения 43 С. Контролировались следующие параметры ИС: коэффициент усиления по напря)кению Кп, входной ток )смещения 1разность входнь 1 х токоввх 1.х 1 х, входное напряжение смещения нуля И; потребляемый схемой ток 1 при номинальном напря)кении питаяния.4В качестве показателей, характеризующих стойкость изделий к непрерывно" му ) -излучению, выбраны следующие: показатель допустимой стойкости - значение флюенса облучения (Фк), при котором значений параметров ИС не выходят за допустимые по ТУ пределы (по К " за 303 изменение)1 начальная скорость деградации коэффициента усиленияк(ф )-кд(ф )Й иК) исх (ф 1 с ФО )(где К (Фи К (Ф) - значения коэффициентовъусиления схемы при флюенсах Фц и Ф 1(Ф 11)О1 Исг 7 ф );Кь значение коэффициентаусиления схемы до облу"чения.Из полученных данных следует 1 чтопоставленная цель достигается при вариации параметров радиационно"терни веской обработки внутри заявленных интервалов, приведенных в отлицител) иой части формулы изобретения. При этом обеспечивается повышение радиационной стойкости схем без ухудшения исхолиьм параметров, связанных с прочедением операции РТО. Наиболее оптимальными режимами РТО являлись: облучение Ж -частицами флюенсами 510 - 5 10 частиц/смф икванО 11Ч 7 5 тов 5 1 О "ф - 5 10 кв/см, пвк которых Ф, превышало 5 10 кв/см (величину, которая достигнута на схемах, изготовленных на структурах КСДИ, по способу-прототипу), 10При выходе возможных комбинаций параметров режимов РТО за пределы заявленного интервала (температуры стабилизирующей териообработки выше 220 С) радиационная стойкость заявля емой схемы ве превышала стойкостй схем изготовленных по способу-прототипу с использованиеи только 66 -РТО, но была значительно выше стойкости серийной схемы (140 УД 1) с такими 20 же исходными эксплуатационными характеристиками. При температурах стабилизирующего отжига ниже 180 С обесдечивалась радиационная стойкость ИС однако при исследовании долговреиев ной стабильности электрических параметров (100 ч при 125 оС при приложении напряжения питания + 12,6 В) обнаружена деГрадация К и и 1 что недопустимо по ТУ (см.чертеж,ва 30 котором видно, что стадия отжига, ап" ределяющая стабильность характерисотик при 25 С, находится при 150- 170 оС).35При использовании в технологическом процессе флюенсов облучения -квантаии выше 5 1 О кв/смф схемы17"имели нцэхую ра,иацно яную стойкостьпо параметру 1 ь)Предлагаемый способ иэготовлевняаналоговых ИС по сравнению с иэяестными способамн имеет следующие преимущества: рбеспецивает повышение радиационной стойкости для заданнык поТУ значений исходных параметров;обеспечивает улучшение воспроизводимости параметров схем в партии,Формула изобретенияСпособ изготовления интегральных схем, включающий формироваиие в изолированных монокристаллических карманах кремния транзисторов, диодов й пассивных элементов, соединение элементов проводящими дорожками в необходимой последовательности, подгонку электрических параметров транзисторов путем обнуления р 6 -частицами выбранных участков схемы н тер мическяй отаиг, о т л и ч а ю щ н йс я тем,.что, с целью увеличения радиационной стойкости интегральных схем за счет уменьшения деградации электрических параметров, транзистор каскадов схемы с большим коэффициентом усиления выполняют составными, подгонку параметров проводят путем введения радиационных дефектов в область перехода эмиттер-база облучением ОС -частицами фюпоевсамн (110 - 5 ф 10 ) см ф, затеи все элементы схемы облучают -квантаии фпюевсаии (510- 5 ф 10 ) см-, а от,- тжиг проводят при 180-220 оС.1Гоставитедь Д.КарповТехре С,1(игунова Редактор С.Рекова Корректор Л,Патай Заказ 1979 ПодпигноеВВП 111( Г, гу гпр т, г( гд пд избретенидл н открнтиям при 11(1(Т (Т(;Р 111(1, 11 ,нп, л(-15, Рпу(нская наб.и. 4/5 ТиражПр и зоцгттз.ии- пптиц кГб 1 нат 11 атеит,. Ул,грод уи. Гагарин, 101