СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ СВЧ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ Российский патент 2004 года по МПК H01L21/338 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения дискретных приборов и интегральных схем (ИС) на основе полупроводниковых соединений А^IIIВ^V, и, в частности, к созданию мощных транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) с высоким напряжением стока из ионно-легированных структур GaAs и ИС на их основе.

Мощные ПТШ и ИС на GaAs одни из наиболее важных СВЧ приборов. Их с успехом используют как в аналоговых, так и в цифровых системах радиосвязи в качестве активных приборов в мощных усилителях спутниковой связи и во многих других областях СВЧ электроники [1].

Для получения мощного ПТШ или мощной ИС используется несколько подходов, которые позволяют получить высокие пробивные напряжения стока и большие токи насыщения стока транзисторов. Большинство известных методов направлено на оптимизацию геометрии истоковых и особенно стоковых областей, оптимизацию геометрии канала и подзатворной области транзистора, а также на выбор концентрации носителей (степени легирования) во всех этих областях.

Кроме того, для получения мощных приборов большое значение имеют электрофизические свойства полуизолирующего материала, на основе которого формируется легированная структура GaAs. Активную область ПТШ формируют либо с помощью эпитаксиального наращивания необходимых слоев, либо с помощью имплантации ионов примеси в приповерхностный слой полупроводника. Способ формирования активных слоев во многом определяет электрофизические свойства как самих активных слоев, так и свойства границы раздела активный слой - полуизолирующая подложка.

Эпитаксиальное наращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) позволяет получить многослойную высококачественную структуру с хорошими характеристиками границы раздела канал - подложка и с буферным слоем, который позволяет минимизировать влияние подложки на характеристики ПТШ и ИС. Жесткие требования к качеству процесса эпитаксиального наращивания и ряд особенностей самого метода приводят к высокой стоимости готовых структур. Кроме того, их выпуск в промышленных масштабах затруднен в связи с низкой производительностью установок МЛЭ.

Применение метода ионной имплантации позволяет получить легированные структуры, имеющие электрофизические свойства несколько худшие, чем структуры, созданные методом МЛЭ. Такое качество ионно-легированных структур обусловлено нерезкостью границы раздела канал - подложка, наличием в приповерхностном слое электрически активных дефектов и центров, отсутствием качественной гальванической развязки между полуизолирующей подложкой и активными слоями. Последнее обстоятельство приводит к отрицательному влиянию эффекта паразитного обратного управления по подложке на работу ИС. Однако простота и высокая производительность процесса ионного легирования позволяет получать структуры с низкой стоимостью, в результате чего именно из ионно-легированного материала создают большинство СВЧ приборов с ПТШ.

Предлагаемый способ направлен на улучшение электрофизических свойств ионно-легированных слоев, что достигается гидрогенизацией приповерхностной области полупроводниковой структуры в атомарном водороде. Одно из важных достоинств предлагаемого способа заключается в том, что он позволяет использовать все известные приемы, связанные с оптимизацией геометрии элементов ПТШ и с правильным выбором степени легирования областей истока, стока и затвора, но тем не менее добиться дальнейшего увеличения напряжения пробоя стока за счет улучшения качества материала.

Известен способ [2], в котором для получения мощного ПТШ формируют структуру “плоского” типа, где контакты истока, стока и затвора размещают в одной плоскости на поверхности активного n-слоя. Приборы такого типа обладают слишком низким напряжением пробоя стока и не обеспечивают стабильную работу ПТШ.

Известны способы, в которых при создании областей истока и стока формируют контактные n⁺-области с помощью либо селективной эпитаксии [3], либо селективной ионной имплантации [4]. Введение в конструкцию ПТШ n⁺-областей истока и стока приводит к существенному улучшению рабочих характеристик ПТШ. Недостатком данного способа является высокая сложность операции селективного легирования, приводящая к низкой воспроизводимости технологического процесса создания транзисторов.

Известен способ изготовления мощного ПТШ [5], по своей сущности наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами за прототип, в котором используют двухслойную n⁺-n структуру, сформированную сразу по всей площади подложки, а металлизацию барьера Шоттки наносят на активный n-слой после вытравливания подзатворной канавки в n⁺-слое и заглубления ее в n-слой. Использование углубленного затвора приводит к увеличению напряжение пробоя стока, а отказ от селективного легирования областей истока и стока увеличивает процент выхода годных приборов. Недостатком данного способа является невысокое пробивное напряжение стока, величина которого в случае использования ионно-легированных n⁺-n структур на основе полуизолирующего GaAs составляет 7-10 В и не позволяет получить мощность ПТШ более 2,5 Вт при ширине затвора 5-10 мм.

В настоящем изобретении предлагается способ получения мощных ПТШ и ИС с высоким пробивным напряжением стока на основе ионно-легированных n⁺-n структур GaAs. Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе, заключается в том, что повышается рабочая мощность ПТШ и ИС с ~ 2,5 Вт (способ-прототип) до ~ 5 Вт (предлагаемый способ). Двукратный рост мощности ПТШ и ИС обусловлен увеличением напряжения пробоя стока с ~ 8,5 В (способ прототип) до ~ 17-18 В (предлагаемый способ). Заявляемый технический результат достигается тем, что в маршрут изготовления ПТШ или ИС вводят дополнительную операцию гидрогенизации приповерхностных слоев ионно-легированной структуры. В частности, после операции ионного легирования и высокотемпературного отжига на поверхность структуры наносят диэлектрическую пленку (например, SiO₂) прозрачную для проникновения водорода, а затем обрабатывают структуру в атмосфере атомарного водорода. Температура и время обработки составляют T=100-200°С и t=10-120 мин, соответственно. После этого диэлектрическую пленку удаляют и проводят низкотемпературный отжиг при температуре 400-475°С в течение 5-20 мин. Дальнейшие операции изготовления ПТШ или ИС выполняются по способу-прототипу.

Предлагаемый способ основан на следующих известных и экспериментально установленных авторами фактах. Введение атомарного водорода из газовой фазы в приповерхностные слои полупроводниковых материалов приводит к образованию комплексов атомарного водорода с целым рядом электрически активных мелких и/или глубоких центров [6, 7, 8]. В результате этого центры становятся электрически неактивными (пассивируются) и реализуется эффективная “очистка” материала от дефектов. Глубина проникновения атомарного водорода в GaAs в зависимости от режима гидрогенизации составляет от долей микрона до нескольких микрон и значительно превышает толщину n⁺-n структуры, равную ~0,15 мкм. Таким образом, пассивация центров реализуется как в ионно-легированном слое, так на границе раздела канал - подложка и в нижележащих слоях полуизолирующего GaAs. Авторами экспериментально установлено, что гидрогенизация приводит также к существенному изменению химических и структурных свойств приповерхностного слоя GaAs. Толщина этого модифицированного слоя меньше, чем глубина проникновения атомарного водорода и по порядку величины сравнима с толщиной ионно-легированного слоя. Также экспериментально установлено, что гидрогенизация ионно-легированных структур GaAs приводит к подавлению эффекта паразитного обратного управления по подложке и к уменьшению времени релаксации фотовозбужденных носителей [9, 10]. Все эти факты позволяют сделать вывод, что гидрогенизация приводит к существенному изменению (улучшению) электрофизических свойств ионно-легированных структур, что позволяет добиться увеличения напряжения пробоя стока ПТШ.

Диэлектрическая пленка служит для защиты поверхности GaAs от травления поверхности атомарным водородом. Ее минимальная толщина выбирается из условия полной сплошности пленки. Максимальная толщина пленки определяется условием достаточной ее проницаемости для диффузии атомов водорода. Экспериментально авторами установлено, что в случае диоксида кремния толщина пленки должна находиться в пределах 3 - 15 нм.

Температурные и временные режимы обработки в атомарном водороде, а также низкотемпературного отжига выбирались экспериментально по критерию получения максимального эффекта.

Низкотемпературный отжиг используется для того, чтобы восстановить концентрацию носителей заряда в ионно-легированном слое после гидрогенизации. Экспериментально показано, что низкотемпературный отжиг при 400-475°С в течение 5-20 мин приводит к полному восстановлению концентрации носителей.

Влияние гидрогенизации на электрические характеристики ПТШ и ИС, изготовленных из ионно-легированных структур GaAs, продемонстрировано в описании примеров к заявке на изобретение.

ПРИМЕР 1.

Данный пример демонстрирует достижение технического результата с помощью предлагаемого способа относительно способа-прототипа.

Для создания n⁺-n структур четыре подложки полуизолирующего GaAs [100] имплантировались ионами Si⁺. После этого для удаления имплантационных дефектов и активации примеси подложки подвергали высокотемпературному отжигу в атмосфере мышьяка. Концентрация носителей в контактном n⁺-слое, измеренная C-V методом, составила (1,5-2)·10¹⁸ см^-3, а в активном n-слое 3·10¹⁷ см^-3.

На две полученные структуры методом плазмохимического осаждения наносили пленку SiO₂ толщиной 5 нм. Затем структуры загружали в вакуумную камеру для обработки в потоке атомарного водорода. Поток атомарного водорода (~ 10¹⁵ см^-2 с^-1) формировался источником на основе дугового отражательного разряда с полым катодом и самокалящимся элементом [11]. Обработку проводили в следующем режиме: давление водорода в вакуумной камере Р=10^-2 Па, температура подложки T=150°С, время обработки t=40 мин. После этого в буферном травителе удаляли пленку SiO₂. Измерения, выполненные C-V методом, показали, что в результате гидрогенизации концентрация носителей в приповерхностном слое существенно уменьшилась. Измерения начинались на глубине ~0,07 мкм, а концентрация носителей составляла n~(2-6)·10 см^-3. Для восстановления исходной концентрации носителей структуры подвергали низкотемпературному отжигу в атмосфере азота при температуре 475°С в течение 10 мин. Концентрация носителей после отжига повышалась до величины, характерной для негидрогенизированной структуры, C-V измерения начинались с глубины 0,025 мкм, а концентрация носителей составляла n=(1,5-2)·10¹⁸ см^-3. Измерения величины паразитного обратного управления по подложке и кинетики релаксации фотопроводимости методом, описанным в [9, 10], показали, что структуры до гидрогенизации характеризуются исходно низкой величиной паразитного обратного управления и быстрой релаксацией фотопроводимости. Гидрогенизация практически не изменяет эти характеристики, однако приводит к незначительному уменьшению величины управления и времени релаксации фотопроводимости.

После этого две гидрогенизированные структуры (№3 и №4) и две структуры, не подвергавшиеся обработке в атомарном водороде (№1 и №2), проходили полный технологический цикл изготовления ИС на основе ПТШ. В своей основе маршрут изготовления ИС соответствовал способу-прототипу. После изготовления ИС измеряли электрические характеристики тестовых транзисторов с шириной затвора 100 мкм, а также характеристики ИС.

Данные измерений для тестовых ПТШ и ИС, изготовленных по способу-прототипу и предлагаемому способу, сведены в таблице 1. Видно, что ПТШ, изготовленные по предлагаемому способу, имеют повышенное в ~2 раза напряжение пробоя стока и, соответственно, более высокую рабочую мощность. Остальные электрические характеристики приборов практически не отличаются, что свидетельствует о том, что гидрогенизация не приводит к ухудшению каких-либо других параметров ПТШ и ИС.

ПРИМЕР 2.

Данный пример демонстрирует влияние длительности гидрогенизации на технический результат, достигаемый по предлагаемому способу.

Для создания n⁺-n структур четыре подложки полуизолирующего GaAs [100] имплантировались ионами Si⁺. После этого для удаления имплантационных дефектов и активации примеси подложки подвергали высокотемпературному отжигу в атмосфере мышьяка. Концентрация носителей в контактном n⁺-слое, измеренная C-V методом, составила (1,5-2)·10¹⁸ см^-3, а в активном n-слое 3×10¹⁷ см^-3.

Измерения величины паразитного обратного управления по подложке и кинетики релаксации фотопроводимости показали, что структуры до гидрогенизации характеризуются исходно низкой величиной паразитного обратного управления и быстрой релаксацией фотопроводимости. Гидрогенизация при t=5-120 мин, как и в предыдущем примере, практически не изменяет характеристики и лишь приводит к незначительному уменьшению величины управления и времени релаксации фотопроводимости. Гидрогенизация при t=200 мин привела к существенному увеличению влияния прикладываемого к структуре смещения на фотопроводимость, что вообще не наблюдалось на остальных структурах.

В таблице 2 приведены характеристики тестовых транзисторов и ИС полученных на n⁺-n структурах, подвергнутых гидрогенизации в течение различного времени, в результате чего изменяется количество атомарного водорода, введенного в GaAs. Видно, что при малых и больших длительностях гидрогенизации (малом и большом количестве введенного водорода) характеристики ПТШ и ИС на гидрогенизированных структурах (структуры №5, №6) и негидрогенизированной структуре (структура №1) отличаются мало. Только в диапазоне длительностей обработки 20-120 мин (при определенном количестве введенного водорода) происходит увеличение напряжения пробоя стока и достигается технический результат изобретения (структура №3).

Литература

1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. / Под ред. Д.В.Ди Лоренцо, Д.Д.Канделуола. - М.: Радио и связь, 1988, с.495.

2. Fukuta M., Mimura I., Tajiumura I. and Furumoto A. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf, Dig. Tech. Papers, p. 84, 1973.

3. Fukuta M., et al., IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., Dig. Tech. Papers, p.166, 1976.

4. Stoneham E., Tan Т. S. and Gladstone J. IEEE Int. Electron Devices Meeting Dig. Tech. Papers, p.330, 1977.

5. Hasegawa F. et al. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., Dig. Tech. Papers, p.118, 1978.

6. Corbett J.W., Pearton S.J., Stavola M. Hydrogen in semiconductors // Defect control in semiconductors, eds. Sumino K. Elsevier Science Publishers B.V. (North - Holland), 1990, p.53-63.

7. Myers S.M., Baskes M.I., Birnbaum H.K., et al. Reviews of Modern Physics, v.64, No.2, 1992, p.559-617.

8. Божков В.Г., Кагадей В.А., Торхов Н. А. Влияние гидрогенизации на свойства контактов металл - GaAs с барьером Шоттки. / Физика и техника полупроводников, 1998, т.32, №11, с.1343-1348.

9. Кагадей В.А, Лиленко Ю.В., Проскуровский Д.И., Широкова Л.С. Подавление эффекта обратного паразитного управления по подложке при гидрогенизации ионно-легированных структур арсенида галлия. / Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.13, с.37-41.

10. Кагадей В.А, Лиленко Ю.В., Проскуровский Д.И., Широкова Л.С. Влияние гидрогенизации на фотопроводимость ионно-легированных структур арсенида галлия. / Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.7, с.1-7.

11. Kagadei V.A. and Proskurovsky. D.I. / Use of new type of atomic hydrogen source for cleaning and hydrogenation of compound semiconductive materials // J. Vac. Sci. Technol. A. 1998. v.I 6(4), p.2556-2561.

Использование: в технологии микроэлектроники при получении дискретных приборов и интегральных схем. В способе изготовления мощных СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки формируют n⁺-n структуру GaAs путем ионного легирования полуизолирующей подложки с последующим высокотемпературным отжигом. После высокотемпературного отжига на поверхность структуры наносят диэлектрическую пленку, прозрачную для проникновения водорода, проводят обработку структуры в атомарном водороде при температуре 100-200°С в течение 20-120 мин, удаляют диэлектрическую пленку и выполняют низкотемпературный отжиг при температуре 400-475°С в течение 5-20 мин. Диэлектрическую пленку выполняют из SiO₂ толщиной d=3-15 нм. Техническим результатом изобретения является повышение рабочей мощности и увеличение напряжения пробоя стока. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления мощных СВЧ-полевых транзисторов с барьером Шоттки, предусматривающий формирование n⁺-n структуры GaAs путем ионного легирования полуизолирующей подложки с последующим высокотемпературным отжигом и элементов транзистора, отличающийся тем, что после высокотемпературного отжига на поверхность структуры наносят диэлектрическую пленку, прозрачную для проникновения водорода, проводят обработку структуры в атомарном водороде при температуре 100-200°С в течение 20-120 мин, удаляют диэлектрическую пленку и выполняют низкотемпературный отжиг при температуре 400-475°С в течение 5-20 мин.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическую пленку выполняют из SiO₂ толщиной d=3-15 нм.