Способ изготовления полевых транзисторов на арсениде галлия

(51) 5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) ПАТЕНТ). ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ(54) СПОСОБ ИЗГОТО ТРАНЗИСТОРОВ НА А (57) Использование; ми нология изготовления ров на арсениде га ЛЕНИЯ ПОРСЕНИДЕ ГАроэлектрониполевых тра ллия с за ЕВЪХЛИЯ техзисто- вором Кроме того, поставле ется тем, что ионна-хим Яз(ч 4 проводят через мас ста. а жидкостное хими 3102 проводят после снят ста и формирования маеклная цель достига ическое травление ку электронпрезическое травление ия электроноречи и фоторези(та ЛЛР(ч. 1347827, кл. Н 01 1 21/335, 1986. Изобретение относится к электронной технике, а именно, к способу изготовления СВЧ транзистора на арсениде галлия. Целью предлагаемого изобретения яв ляется улучшение электрических характери стик транзистора эа счет повышения точности выполнения затвора субмикрон ной длины. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления полевоготранзистора на арсениде галлия, включаю щем последовательное нанесение диэлект рических слоев 502 и 51 зМ 4, формирование отверстий в маске и диэлектрических слоях и нанесение металлических слоев в вакууме слой %02 наносят пиролитическим разлосубмикронной длины. Сущность изобретения: после формирования омических контактов на структуре арсенида галлия с рабочим и контактным слоем наносят слой диоксида кремния пиролитическим разложением тетраэтоксисилана, затем наносят слой нитрида кремния магнетронным способом, формируют окно под затвор в слое нитрида кремния ионно-химическим травлением, а в слое диоксида кремния - жидкостным химическим травлением. при этом суммарная толщина диэлектрических глоев составляет 0,60,8 от ширины окна под затвор в маске. Т-образная форма металлизации затвора достигается за счет использования при жидкостном химическом травлении окна в слое диоксида маски фоторезиста с отверстием для верхней широкой части сечения затворной металлизации. 1 З.п, ф-лы. жением тетраэтоксисилана непосредственно на поверхность ОаАз пластины, затем 51 з 1 ч 4 наносят магнетронным способом в вакууме. а создание отверстий в слое 81 зйл проводится ионно-химическим травлением, а в слое 3102 - жидкостным химическим травлением, при этом суммарная толщина диэлектрических слоев составляет О,б- О,В размера отверстий в маске.получения взрывным методом затвора Т-образной формы,Нанесение слоев 3102 - пиролитическим способом, а затем 3 зла - магнетронным способом с суммарной толщиной не превышающей 0,60,8 от размера отверстия в маске позволяет осуществить точную передачу размера отверстия от изображения в фото- или электронорезистивной маске к изображению в верхнем слое 9 зйа. Это осуществляется ионно-химическим травлением 9 зйа. Уход размера не превышает 5 от исходной величины. А жидкостное химическое травление 510 г практически не влияет на изменение размера отверстия в силу высокой селективности процесса жидкостного травления - что обеспечит повышение точности выполнения затвора субмикронной длины и, следовательно, улучшение электрических характеристик. 5.10 15 20 Проведение ионно-химического травления Язйа через маску электронорезиста, ажидкостного химического травления слоя5102 через отверстие в Язйа и в маске другого слоя фоторезиста дополнительно повышает точность передачи размера затвора,что особенно влияет на улучшение электрических параметров как мощных и среднеймощности транзисторов, так и малощумящих транзисторов СВЧ-диапазона на баАз. 30Данное изобретение существенно, т.к.оно обеспечивает значительный технический эффект, заключающийся в созданииполевого транзистора на баАз с затворомсубмикронной длины. В зарубежной практике подобные задачи решены более сложными методами нанесения и обработкитройных фото- и электронорезистивных систем, предъявляющих высокие требованияк качестве самих резисторов, так и к технологии их обработки.Для подтверждения получения дополнительного эффекта рассмотрим более детализированный пример реализации вконтексте полного технологического цикла 45изготовления полевого транзистора на арсениде галлия,Исходная пластина полуизолирующегоарсенида галлия со сформированной структурой контактного, активного и буферного 50слоев вначале проходит операции ориентации, отмывки, формирования мезы. Участкимезы, защищенные маской фоторезистаФП 383, обтравливаются перекисно-аммиачным травитепем или травителем на основе ортофосфорной кислоты на глубину200300 А. Выбор травителя определяетсястремлением, с одной стороны, получитьчеткий рисунок рельефа для последующегосовмещения, а с другой стороны, обеспечить достаточно плавную ступеньку мезы, чтобы не допустить впоследствии разрыва контактной металлизации. В этом плане предпочтительнее травитель на основе ортофосфорной кислоты,Поскольку обтравливание мезы на большую глубину нецелесообразно по требованиям прецизионности формирования последующих технологических слоев и, особенно, целостности и надежности металлиэации на ступеньках рельефа, то основную изоляцию активных областей осуществляют методом протонной бомбардировки на глубину до 1 мкм. Этого вполне достаточного, так как суммарная толщина контактного (0,120,15 мкм) и активного слоя (0,120,20 мкм) не превышает величины 0,35 мкм,После снятия фоторезистивной маски с образовавшихся "меза" - областей следует формирование омических контактов методом напыления сплава золото-германий и золота, взрыва многослойной маски из диэлектрика и фоторезиста и последующего вжигания. Для этого сначала наносят достаточно толстый слой двуокиси кремния комбинацией методов пиролитического и магнетронного осаждения суммарной толщины 0,5 мкм. Из фоторезиста ФП 383 формируют маску с окнами для контактных площадок. Через эти окна вытравливают окна в двуокиси кремния. Напыление золотогерманиевого сплава толщиной до 0,05 мкм и золота общей толщиной 0,250,3 мкм проводится вакуумным термическим испарением из двух лодочек на холодную подложку, После взрыва маски контактную металлизацию вжигают в прямонакальной печи в атмосфере азота при температуре около 460 С в течение 2 мин,Перечисленные операции являются достаточной типовыми, широко описанными в литературе и стандартными практически для всех типов полевых транзисторов на арсениде галлия с барьером Шоттки, выпускаемых на нашем предприятии. Единственное, что требуется отметить, что одновременно с омическими контактами создаются фигуры знаков совмещения дпя всех последующих операций, включая электронную литографию.Последующий технологический маршрут разделяется на две ветви - для мощных и для мелощумящих транзисторов, Для мощных транзисторов в промежутке размером 4 мкм между омическими контактами стока и истока методом фотомаскировки и химического травления удаляется контактный слой из канавки, ширина которой составляет 1,62.0 мкм. Толщина оставшегося слоя контролируется по вели1831731 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 чине некоторого заранее заданного тока насыщения с запасом на последующее дотравливание, Таким образом. наряду с рельефом "меза" - областей и омических контактов в этом технологическом маршруте появляется рельеф так называемых "токовых" канавок глубиной 0,120,15 мкм, Во втором технологическом маршруте (для малошумящих транзисторов) контактный слой будет вытравливаться через затворное окно. и на данном этапе дополнительного рельефа между омическими контактами стока и истока не будет.Следующие операции - общие для того и другого маршрутов, создание двухслойной диэлектрической маски для прецизионной затворной щели субмикронного размера.Первым наносится слой двуокиси кремния методом пиролитического разложения тетраэтоксисилгна в атмосфере аргона при температуре 290"С с визуальным контролем толщины по цвету, Точность получения заданной толщины с номиналом 0,12 мкм и разбросом +0,01 мкм определяется цветовым контрастом, однородность толщины обеспечивается вращением держателя подложек в камере реактора (тип установки УНДП). Дефектность, влияющая на стабильность скорости химического травления контролируется косвенно по числу светя-, щихся точек в темном лоле микроскопа (например, типа"БИОЛАМ"), а также прямым способом травления контрольного образца. Типичная скорость травления в буферномтравителе КН 4 Е:НГ:Н 20=500:100:500 должна составлять 0,1-0,15 мкм/мин,Затем на установке типа УРМЗ,279.026 наносится слой нитрида кремния из стандартного магнетронного источника с кремниевой мишенью в атмосфере аргона и азота, парциальное давление которых задается натекателями и контролируется по показаниям вакуумметра, а выбор и поддержание стабильного режима осуществляется контролем и регулированием тока магнетронного разряда при фиксированном напряжении так, чтобы мощность разряда составляла 920":20 Вт. Температура подложки 200 С. При поддержании стабильного режима толщина пленки пропорциональна времени, Так, слой 3 зй 4 толщиной 0,09 мкм наносится за время 6 мин. Для обеспечения высокой селективности химического травления двуокиси кремния по отношению к нитриду кремния на контрольном образце оценивается скорость химического травления Язй 4. Поскольку в буферном травителе скорость неразличимо мала, контрольное травление проводится в плавиковой кислоте. Для хороших пленок время травления слоя толщиной 0,09 мкм лежит в пределах 2-3 мин.Следующая операция - электронное экспонирование затворной маски: Используется электронной резист марки ЭЛП. Наносится центрифугированием при скорости вращения 4000 об/мин в течение 30 с, Сушка осуществляется в термостате при температуре 170"С 30 мин, Экспонирование проводится по программе в автоматическом режиме на установке 7 ВА(ф. Карл Цейс, Йена), Затворная щель экспонируется методом набора прямоугольных штампов размером 0,2 х 1,0 мкм с коэффициентом пе рекрытия 2. Одновременно с затворной щелью проводится экспонирование контактных областей истока, стока, затвора, Электронный резист ЭЛПявляется позитивным, поэтому экспонированные участки при проявлении вымываются, образуя окна, Проявление ведется в смеси метилэтилкетона (МЭК) и изопропилового спирта с соотношением 4:3. Качество проявления контролируется по времени и визуально под оптическим микроскопом с предельным разрешением около 0,3 мкм, Более высокое разрешение обеспечивается электронным сканирующим микроскопом типа ЕЯМ, но он используется только для выборочного контроля, т,к. не приспособлен для экспресс-анализа, Сушка полученной маски иэ электронного резиста проводится в термостате с подьемом температуры от комнатной до 110 С и выдержкой 30 мин. После этогонаиболее критичный размер - ширина затворной щели оценивается как 0,3-0,35 мкм.Ключевая операция, определяющаяпредмет данной заявки, состоит в передаче полученного размера от затворного окна в маске электронного резиста к окну в будущей маске из нитрида кремния, Используется метод ионно-химического травления на установке типа УВНс источником типа "Плазма-Радикал", Скорость травления лежит в пределах 30-40 А в минуту и контролируется визуально по цветовому контрасту на спутниках с одиночным слоем ЯзМ 4 толщиной 0,09 мкм (который надо удалить полностью) и двухслойной системой Я 02-5 зй 4 толщиной 0,2-0,22 мкм (в которой надо оставить слой ВО 2 по воэможности не тоньше 0,1 мкм).В результате ионно-химического травления удается сформировать окно для затворной щели в слое нитрида кремния с5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 размером превышающим размер в электронорезистивной маске не более, чем на 5;. С этого момента самый критичный размер, определяющий длину затвора будущего транзистора и, следовательно, его частотные, мощностные или шумовые свойства, уже жестко фиксирован для последующих операций с помощью достаточно устойчивой по своим механическим, физическим и химическим свойствам маски,Теперь можно приступить к получению затвора. Из литературы и простых физических соображений ясно, что наилучшей формой сеченИя затвора является так называемая Т-образная или грибовидная (последний термин чаще употребляется в зарубежных источниках). Особенно это важно дляузких затворных щелей, обеспечивающих наименьшую длину пролета носителей под затвором и, следовательно,наивысшую рабочую частоту транзистора. Поскольку в узкой нижней части затворной металлизации сечение мало, а продольное сопротивление затворного пальца оказывается велико и приводит к заметному падению полезного сигнала, то необходимо увеличить сечение за счет верхней широкой части (шляпки гриба - по зарубежной терминологии). На этот счет в литературе существует много возможных методов, Но наиболее красивые из них достаточно сложны в реализации (убедительный пример а,с. СССР й. 15 б 5302 А 1 И.Н. Серова и др. приоритет 14,04,88). Предлагаемый нами метод проще и практичнее, Снимается электронный реэист, наносится относительно толстый слой (1,1-1,2 мкм) фоторезиста ФП на центрифуге со скоростью вращения 2500 - 2700 об/мин. С помощью фотолитографии формируется окно для верхней широкой части сечения затвора, Размер окна в этой маске 1,1 - 1,4 мкм, что позволяет, пользуясь специальными знаками совмещения вписать в него затворную щель, созданную в слое РзМ 4 размером 0,35 мкм. Причем боковые крылья будущей верхней крышки затвора смогут опираться на прочную основу;Здесь технологические маршруты мощных и малощумящих транзисторов несколько расходятся, Для мощных рельеф активной области канала уже был сформирован, осталось только провести химическое дотравливание затворной щели в %02 в буферном травителе(МН 4 Р:НР:Н 20=500:100:500) за время 40-50 с строго до поверхности ОаАэ беэ излишнего бокового растравливания, Затем проводится вторая стадия - дотравливание активной области арсенидгаллиевого канала в перекисно-аммиачном травителе (ИНОН;Н 20;Н 20=20:7:1000) со скоростью 5 - 7 А/с до окончательного значения, толщины канала, контролируемой по величине тока насыщения сток-исток.Для малощумящих транзисторов химическое травление 902 проводится за время 2,5-3 мин для получения бокового подтравливания (0,3 - 0,4 мкм на сторону), после чего в одну стадию проводится вытравливание контактного и части активного слоя арсенидгаллиевой структуры до заданной толщины.Следующая операция - напыление контактной системы титан-платина-золото, обеспечивающей затворный барьер Шоттки и металлиэацию контактных областей стока, истока и затвора. Напыление осуществляется в модернизированной установке УВН 71 П - с безмасляной откачкой. Слои титана толщиной около 300 А и платины - 500 Д наносятся из раздельных магнетронных источников, золото - 0,35 - 0,4 мкм термическим испарением из лодочки в одном процессе, Метод обеспечивает достаточно надежнуЮ адгезию и хорошие качества барьера Шоттки.Окончательное формирование рисунка металлизации происходйт после взрыва фоторезистивной маски в холодном диметилформамиде, Соотношение толщин фотореэиста (1,1-1,2 мкм) и металлизации (0,4 - 0,45 мкм) определяет технологичность и воспроизводимость "взрывного" процесса,Завершающие операции вполне стандартны, Утоньшение пластин шлифовкой обратной стороны до 120 - 150 мкм, разбраковка по статическим параметрам, разделение на кристаллы, сборка в корпус, проверка и отбор по динамическим параметрам. Подводя итоги, сформулируем кратко основные преимущества предполагаемого. изобретения:- по первому пункту формулы: созданиена нитрид кремния затворной маски субмикронных размеров с устойчивыми механическими, физическими и химическими свойствами;- по второму пункту формулы: обеспечивается простой и воспроизводимый метод получения Т-образного сечения затворной металлизации, в результате оторого боковые крылья верхней крышки имеют прочную опору из двухслойного диэлектрика, служащего к тому же и пассивирующим покрытием активной области транзисторной структуры,1831731 10 Составитель Г,ИноземцевТехред М,Моргентал Корректор С.Юско Редактор Заказ 2553 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Положительный эффект подтверждается конкретными параметрами полученных по.предлагаемому способу транзисторов, превышающими отечественный уровень и представленными ниже.Использование предложенного способа с двойным травлением контактного и рабочего слоев ОаАз-структуры при создании класса мощных и средней мощности приборов позволило получить на частоте 12 ГГц отдаваемую мощность более 2 Вт с коэффициентом усиления более 5 дБ, на частоте 18 ГГц - более 1 Вт с усилением более 4 дБ, на частоте 26 ГГц - более 250 мВт с усилением более 3,5 дБ, на частоте 37 ГГц - около 100 мВт с усилением более 3 дБ. на частоте 45 ГГц - около 40 мВт с тем же усилением и на частоте 60 ГГц - около 15 мВт,Ранее использовавшиеся способы на частоте 12 ГГц позволяли достигнуть уровня 1 Вт с усилением 3 дБ, а на частоте 18 ГГц - 300 мВт с усилением 3 дБ (как это видно из описания а,с. М 1347827 А 1),На частотах от 26 до 60 ГГц прежние методы в принципе не позволяли получить работающие приборы, и предложенный здесь способ на сегодня является единственным в отечественной практике, обеспечивающим не только принципиальную возможность, но и серийное производство. мощных и средней мощности транзисторов в диапазоне Частот до 45 ГГц,Приборы, изготовленные по второму способу позволило получить на частоте 12 ГГц коэффициент шума менее 1,1 дБ с усилением более 9 дБ, Ближайший отечественный аналог ЗП 343 имеет коэффициент шума на этой частоте менее 1,5 дБ при том же усилении. Обеспечение точного воспроизведенияразмера затвора, предложенное в данном изобретении приводит к повышению выхода годных приборов в производстве.5 Формула изобретения1. Способ изготовления полевых транзисторов на арсениде галлия, включающий формирование активных областей приборов на структуре арсенида галлия с рабочим 10 и контактным слоем, формирование омиче. ских контактов, последовательное нанесение диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния, формирование маски с окном под затвор, вытравливание окна в 15 диэлектрических слоях, нанесение металлических слоев, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью. улучшения электрических характеристик за счет повышения точности изготовления затвора субмикронной длины, после 20 формирования омических контактов наносят слой диоксида кремния пиролитическим разложением тетраэтоксисилана, затем наносят слой нитрида кремния магнетронным способом, окно в слое нитрида кремния 25 формируют ионна-химическим травлением,а в слое диоксида кремния - жидкостным химическим травлением, при этом суммарная толщина диэлектрических слоев составляет 0.6-0,8 ширины окна под затвор в 30 маске.2, Способ по и, 1. о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью получения Т-образной формы сечения металлиэации затвора, ионнохимическое травление окна в слое нитрида 35 проводят через маску электронорезиста, ажидкостное химическое травление окна в слое диоксида проводят после снятия электронорезиста и формирования маски фоторезиста с отверстием для верхней широкой 40 части сечения затворной металлизации.