СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО ТРАНЗИСТОРА СВЧ Российский патент 2013 года по МПК H01L21/335 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления мощных транзисторов СВЧ на основе полупроводниковых материалов группы A^IIIB^V и гетероструктур на их основе, и монолитных интегральных схем (МИС).

При изготовлении данных полупроводниковых приборов одной из основных задач является обеспечение высокой выходной мощности и одновременно долговременной стабильности электрических характеристик.

Одним из залогов долговременной стабильности электрических характеристик полупроводниковых приборов является обеспечение высоких напряжений пробоя. При обеспечении последних немаловажную роль играет защита поверхности элементов полупроводниковых структур в процессе их изготовления, и это, как правило, посредством диэлектрических материалов (далее диэлектрических пленок либо диэлектрических слоев).

При этом последние должны отличаться, прежде всего:

- высокими напряжениями пробоя,

- малыми диэлектрическими потерями (тангенса угла диэлектрических потерь),

- высокой химической и термической стабильностью.

Указанные характеристики диэлектрических пленок определяются как материалом диэлектрических пленок, так их структурой и способом изготовления.

При этом качество - свойства границы раздела металл-диэлектрик-полупроводник наряду с другими граничными условиями полупроводниковых структур определяют электрические характеристики полупроводниковых приборов СВЧ, в том числе напряжения пробоя и токи утечки.

Известен способ получения диэлектрических пленок нитрида бора на подложках полупроводникового материала типа A^IIIB^V (далее полупроводникового материала), в результате взаимодействия боразола и гелия в условиях ВЧ-разряда при температуре полупроводниковой подложки 160-200°C [1].

Диэлектрические пленки нитрида бора отличаются высокой химической и термической стабильностью.

Недостатком способа является загрязнение диэлектрической пленки углеродом и как следствие - ухудшение электрических характеристик полупроводниковых приборов и соответственно уменьшение выходной мощности и коэффициента усиления, и снижение их долговременной стабильности.

Известен способ изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем (варианты), предусматривающий формирование, по меньшей мере, одного тонкого слоя диэлектрического материала пленки посредством плазмохимического осаждения [2].

При этом упомянутое осуществляют с применением сверхвысокочастотного плазменного стимулирования в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) с радиочастотным смещением (далее напряжение автосмещения) полупроводниковой подложки в плазменном источнике с нерезонансным объемом реактора на частоте 2,45 и 1,23 ГГц с магнитной системой. При этом последняя создает магнитное поле на внутреннем срезе четвертьволнового окна ввода СВЧ излучения на продольной оси источника с магнитной индукцией 910-940 Гс, а на продольной оси источника в центральной его части на длине не менее 3 см - 875 Гс. При этом обеспечивается однородность моды плазменного разряда с неоднородностью плотности плазмы по поперечному сечению источника менее 3 процентов.

Диэлектрическая пленка может быть сформирована из диэлектрического материала полиимида, и/или нитрида кремния, и/или оксинитрида кремния.

Полупроводниковая структура может представлять собой неохлаждаемую балометрическую матрицу или транзистор СВЧ, или интегральную схему СВЧ.

Указано, что применение электронного циклотронного резонанса при формировании защитной диэлектрической пленки нитрида кремния в процессе изготовления полупроводниковой структуры - транзистора СВЧ, выполненного на арсениде галлия, позволяет повысить выходную мощность на частоте 10 ГГц с 10 до 16 дБ, коэффициент полезного действия с 20 до 42 процентов.

При этом сами диэлектрические пленки отличаются как высокими механическими - низкие внутренние механические напряжения, низкая пористость, так и высокими электрическими характеристиками - высокие напряжения пробоя, низкие токи утечки.

Однако экспериментально установлено, что непосредственное воздействие режима плазмохимического осаждения и тем более сверхвысокочастотного при формировании защитной диэлектрической пленки на поверхность полупроводниковых структур, например, таких как упомянутый транзистор СВЧ, приводит к нарушению полупроводниковой структуры и результатом чего является:

во-первых, резкое падение тока стока (рабочего тока) до 40-100 процентов и соответственно рассеиваемой мощности,

во-вторых, падение напряжения пробоя в зависимости от величины напряжения автосмещения, возникающего на электродах рабочей камеры плазмохимического осаждения.

Это говорит о резком ухудшении и возможно полной деградации электрических характеристик полупроводниковых структур.

Следует особо отметить, что указанное выше воздействие высокочастотной и тем более сверхвысокочастотной плазмы особенно сильно проявляется при формировании защитной диэлектрической пленки на полупроводниковых материалах типа A^IIIB^V.

При этом четко выделяются три области появления нарушений - в полупроводниковой структуре монолитной интегральной схемы на арсениде галлия (GaAs):

- область напряжений автосмещения менее 40 B, соответствующая минимальным нарушениям;

- переходная область напряжений автосмещения, равных 40-80 B, соответствующая резкому нарастанию напряжений пробоя;

- и область напряжений автосмещения более 80 B, соответствующая большим напряжениям пробоя.

Изменения напряжения пробоя полупроводникового материала арсенида галлия возникают уже в первую минуту плазмохимического осаждения и затем стабилизируются для каждого напряжения автосмещения. Причем они возникают даже при малых напряжениях автосмещения, менее 10 B.

Имеем, что с одной стороны сама по себе диэлектрическая пленка, изготовленная плазмохимическим осаждением, отличается высокими как механическими, так и электрическими свойствами, а с другой стороны приводит к нарушению полупроводниковых структур вплоть до полной их деградации.

Более того данный способ - технологически сложен.

Известен способ изготовления мощного транзистора СВЧ, включающий формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки топологии, по меньшей мере, одного кристалла транзистора посредством процессов литографии, формирование электродов транзистора посредством напыления системы металлов, образующих омические контакты в области электродов истока и стока и потенциальный барьер в области электрода затвора, формирование, по меньшей мере, одного защитного диэлектрического слоя по всей топологии кристалла транзистора посредством плазмохимического нанесения, общей толщиной 0,15-0,25 мкм, формирование размера кристалла транзистора посредством процессов литографии и химического травления защитного диэлектрического слоя.

В котором, с целью повышения выходной мощности, на лицевой и обратной стороне полупроводниковой пластины напротив друг друга формируют канавки с заданными размерами. Это позволило повысить воспроизводимость размеров кристаллов и тем самым снизить допуски при их монтаже и тем самым уменьшить потери СВЧ в подводящих цепях и как следствие - повысить выходную мощность.

Более того защитный диэлектрический слой толщиной 0,15-0,25 мкм, который является достаточно толстым, и используемый в данном изобретении обеспечивает достаточную долговременную стабильность выходной мощности и коэффициента усиления (далее выходных параметров СВЧ) мощных транзисторов.

Однако, с другой стороны, как показал эксперимент, указанный толстый защитный диэлектрический слой вносит существенные потери СВЧ, что ограничивает дальнейшие возможности с точки зрения дальнейшего повышения выходной мощности и коэффициента усиления.

Техническим результатом изобретения является повышение выходной мощности и коэффициента усиления мощных транзисторов СВЧ путем снижения потерь СВЧ и токов утечки, и повышения напряжения пробоя, при сохранении долговременной стабильности указанных выходных параметров СВЧ.

Указанный технический результат достигается способом изготовления мощного транзистора СВЧ, включающим формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки топологии, по меньшей мере, одного кристалла транзистора посредством процессов литографии, формирование электродов транзистора посредством напыления системы металлов, образующих омические контакты в области электродов истока и стока и потенциальный барьер в области электрода затвора, формирование, по меньшей мере, одного защитного диэлектрического слоя по всей топологии кристалла транзистора посредством плазмохимического нанесения, общей толщиной 0,15-0,25 мкм, формирование размера кристалла транзистора посредством процессов литографии и химического травления.

В котором

перед формированием размера кристалла транзистора в области электрода затвора дополнительно проводят локальное плазмохимическое травление защитного диэлектрического слоя на глубину, равную его толщине,

и непосредственно далее проводят формирование защитно-пассивирующих диэлектрических слоев посредством плазмохимического нанесения прямой последовательности системы диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния толщиной, равной каждый 0,045-0,050 мкм,

причем плазмохимическое нанесение последних и защитного диэлектрического слоя осуществляют при одинаковых технологических режимах - при мощности плазмы 300-350 Вт, в течение 30-35 с, при температуре 150-250°C,

а при формировании размера кристалла транзистора осуществляют химическое травление защитно-пассивирующих диэлектрических слоев и защитного диэлектрического слоя и в едином технологическом цикле.

В качестве полупроводниковой подложки используют арсенид галлия либо гетероструктуры на его основе.

При формировании размера кристалла транзистора используют химическое либо плазмохимическое травление.

Защитно-пассивирующие диэлектрические слои наносят по всей топологии транзистора либо в области электрода затвора.

Раскрытие сущности изобретения.

Существенные признаки заявленного способа изготовления мощного транзистора СВЧ и их совокупность обеспечат:

Проведение перед формированием размера кристалла транзистора дополнительно локального плазмохимического травления в области электрода затвора защитного диэлектрического слоя на глубину, равную его толщине (0,15-0,25 мкм), которая, как сказано выше, является достаточно толстой, обеспечит полное удаление этого толстого защитного диэлектрического слоя в области электрода затвора и тем самым обеспечивается значительное снижение потерь СВЧ и, как следствие, - повышение выходной мощности и коэффициента усиления.

Формирование по всей топологии кристалла транзистора либо в области электрода затвора защитно-пассивирующих диэлектрических слоев в виде прямой последовательности системы диэлектрических слоев нитрида кремния и диоксида кремния в совокупности с указанной тонкой их толщиной (равной каждый 0,045-0,050 мкм) обеспечит:

Во-первых, оптимальные:

а) необходимую и достаточную защиту элементов полупроводниковой структуры - электродов затвора, но при этом по сравнению с прототипом посредством диэлектрического слоя (системы упомянутых диэлектрических слоев), как сказано выше, значительно меньшей толщины,

б) потери СВЧ.

И, как следствие того и другого, - повышение выходной мощности и коэффициента усиления, при сохранении их долговременной стабильности.

Во-вторых, благодаря совокупности именно этой прямой последовательности системы тонких диэлектрических слоев нитрида и доксида кремния, а именно вследствие их граничных свойств на границе диэлектрик-полупроводник обеспечивается создание ими ровно противоположных по знаку упругих напряжений (нитрид кремния - растягивающих, а диоксид кремния - сжимающих) и тем самым обеспечивается практически полное исключение (взаимное гашение) упругих напряжений в полупроводниковой подложке - структуре, привносимых в нее диэлектрическим слоем нитрида кремния и, как следствие, - повышение выходной мощности и коэффициента усиления, при сохранении их долговременной стабильности.

В-третьих, благодаря свойствам диэлектрического слоя диоксида кремния, а именно

а) последний обладает малыми диэлектрическими потерями,

б) практически полностью «убирает» сквозные вертикальные дефекты роста в защитно-пассивирующих диэлектрических слоях (прямой последовательности системы диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния).

И, как следствие того и другого, - дополнительно повышение выходной мощности и коэффициента усиления, при сохранении их долговременной стабильности.

Использование при формировании защитно-пассивирующих диэлектрических слоев плазмохимического нанесения, в совокупности с указанными технологическими его режимами, равно как и использование данных технологических режимов при нанесении защитного диэлектрического слоя, обеспечат снижение температуры нанесения как системы тонких диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния, так и защитного диэлектрического слоя и тем самым обеспечат:

во-первых, оптимальную защиту элементов полупроводниковой структуры при сохранении их целостности,

во-вторых, снижение пористости самих диэлектрических слоев, и, соответственно, повышение их качества,

в-третьих, получение диэлектрических слоев, близких к стехиометрическому составу и соответственно имеющих минимальное количество паразитных примесей.

И то и другое обеспечат изготовление диэлектрических слоев с высокими как механическими, так и электрическими характеристиками (высокими значениями напряжения пробоя и низкими токами утечки) и, как следствие, - дополнительно повышение выходной мощности и коэффициента усиления, при сохранении их долговременной стабильности.

Итак, совокупность существенных признаков в полной мере обеспечит технический результат, а именно повышение выходной мощности и коэффициента усиления мощных транзисторов СВЧ при сохранении их долговременной стабильности.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дана топология заявленного мощного транзистора СВЧ, где:

- полупроводниковая подложка - 1,

- топология, по меньшей мере, одного кристалла транзистора - 2,

- электроды транзистора, омические контакты в области электродов истока и стока - 3 и 4 соответственно и потенциальный барьер в области электрода затвора - 5,

- защитный диэлектрический слой - 6,

- защитно-пассивирующие диэлектрические слои в виде прямой последовательности системы тонких диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния - 7 и 8 соответственно.

Конкретное выполнение заявленного мощного транзистора СВЧ.

Пример 1.

На лицевой стороне полупроводниковой подложки 1, например, арсенида галлия толщиной 520 мкм формируют:

- топологию, по меньшей мере, одного кристалла транзистора 2 посредством известных процессов литографии,

- электроды кристалла транзистора посредством вакуумного нанесения (промышленная установка УВП-042) системы металлов (эвтектический сплав AuGe-Ni-Au толщиной, равной 0,3, 0,1, 0,3 мкм соответственно), образующих омические контакты в области электродов истока 3 и стока 4 и (Ti-Al-Ti, толщиной, равной 0,05, 0,5, 0,1 соответственно) - потенциальный барьер Шотки в области электрода затвора 5,

- защитный диэлектрический слой 6 посредством плазмохимического нанесения (промышленная установка ND200R) при мощности плазмы 325 Вт в течение 35 с, при температуре 200°C нитрида кремния по всей топологии кристалла транзистора толщиной, равной 0,20 мкм,

- далее проводят в области электрода затвора 5 дополнительное локальное плазмохимическое травление защитного диэлектрического слоя 6 в буферном травящем растворе состава HF:NH₄F:H₂O (1:10:68, об.ч. соответственно) на глубину, равную его толщине (0,20 мкм),

- далее проводят формирование защитно-пассивирующих диэлектрических слоев посредством нанесения прямой последовательности системы слоев нитрида и диоксида кремния толщиной, равной каждый 0,047 мкм, посредством плазмохимического нанесения (промышленная установка ND200R) при мощности плазмы 325 Вт в течение 35 с, при температуре 200°C,

- формируют размер кристалла транзистора посредством метода литографии и последовательного химического травления защитно-пассивирующих диэлектрических слоев и защитного диэлектрического слоя в буферном травящем растворе состава HF:NH₄F:H₂O (1:10:68 об.ч. соответственно) в едином технологическом цикле.

Примеры 2-12.

Аналогично примеру 1 изготовлены образцы мощного транзистора СВЧ, но при других технологических параметрах (примеры 2-3), и на другой полупроводниковой подложке, гетероструктурах типа:

GaAs-Al_xGa_1-xAs-In_yGa_1-yAs-GaAs (РНЕМТ) (примеры 5-7)

GaAs-Al_xGa_1-xAs-In_yGa_1-yAs-Al_xGa_1-xAs-GaAs (DPHEMT) (примеры 9-11)

и образцы, изготовленные согласно способу-прототипу (пример 4, 8, 12 соответственно).

На изготовленных образцах мощных транзисторов СВЧ были измерены:

- выходная мощность СВЧ (Р_вых.) и определен коэффициент усиления (К_у),

- и проведен анализ на предмет стабильности этих выходных параметров СВЧ.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, образцы транзисторов СВЧ, изготовленные по предлагаемому способу (примеры 1-3, 5-7, 9-11), имеют выходную мощность порядка 150, 850 и 1290 мВт соответственно, коэффициент усиления порядка 5,5, 8,7 и 9,5 дБ соответственно в отличие от образцов прототипа (примеры 4, 8, 12), которые имеют выходную мощность 100, 730 и 1123 мВт соответственно, коэффициент усиления порядка примерно 3,0, 8,0 и 8,5 дБ.

При сохранении долговременной стабильности этих выходных параметров СВЧ.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления мощных транзисторов СВЧ позволит по сравнению с прототипом повысить:

выходную мощность и коэффициент усиления примерно на 50 процентов в случае использования подложки арсенида галлия и на 12-15 процентов - гетероструктур на его основе.

При сохранении долговременной стабильности указанных выходных параметров СВЧ.

Источники информации

1. Патент РФ №2012092 МПК H01L 21/318, приоритет 04.03.1992, опубликовано 30.04.1994.

2. Патент РФ №2216818 МПК H01L 21/3065, приоритет 28.01.2003, опубликовано 20.11.2003.

3. Патент РФ №2285976 МПК H01L 21/335, приоритет 06.05.2005, опубликовано 20.10.2006 - прототип.

Таблица № п/п Технологические параметры Результаты измерений Тип структуры Толщина защитного диэлект.
слоя (мкм) Защитно-пассивирующие слои Режимы ПХ нанесения Напряж. пробоя (B) Ток утечки при Uc=16B (мА) Выход
ная мощность (Вт) Коэффици
ент усиления (ДБ) Долговр. стабильность при 100°C окружающей среды (ч) Si₃N₄ (мкм) SiO₂ (мкм) мощ
ность (Вт) тем-ра (°C) Время (с) 1   0,2 0,0475 0,0475 325 200 32,5 15 1 150 5,5 750 2 GaAs 0,15 0,045 0,045 300 150 30 15 1 150 5,5 750 3   0,25 0,05 0,05 350 250 35 15 1 140 5,4 750 4 прото
тип 0,2 отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует 12 1 100 ~3 750 5   0,2 0,0475 0,0475 325 200 32,5 25 ≤1,5 845 8,7 750 6 рНЕМТ 0,15 0,045 0,045 300 150 30 25 ≤1,5 850 8,7 750 7   0,25 0,05 0,05 350 250 35 25 ≤1,5 850 8,7 750 8 прото
тип 0,2 отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует 20 ≤5 730 7,8 750 9   0,2 0,0475 0,0475 325 200 32,5 35 <1 1290 9,5 750 10 DpHEMT 0,15 0,045 0,045 300 150 30 35 <1 1299 9,5 750 11   0,25 0,05 0,05 350 250 35 35 <1 1281 9,4 750 12 прото
тип 0,2 отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует отсуст
вует 32,5 ≤6 1123 8,5 750

Изобретение относится к электронной технике. Способ изготовления мощного транзистора СВЧ включает формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки топологии, по меньшей мере, одного кристалла транзистора, формирование электродов транзистора, формирование, по меньшей мере, одного защитного диэлектрического слоя по всей топологии кристалла транзистора посредством плазмохимического нанесения, общей толщиной 0,15-0,25 мкм, формирование размера кристалла транзистора посредством процессов литографии и химического травления. Перед формированием размера кристалла транзистора в области электрода затвора дополнительно проводят локальное плазмохимическое травление защитного диэлектрического слоя на глубину, равную его толщине и непосредственно далее проводят формирование защитно-пассивирующих диэлектрических слоев посредством плазмохимического нанесения прямой последовательности системы диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния толщиной, равной каждый 0,045-0,050 мкм, причем плазмохимическое нанесение последних и защитного диэлектрического слоя осуществляют при одинаковых технологических режимах - при мощности плазмы 300-350 Вт, в течение 30-35 с, при температуре 150-250°С, а при формировании размера кристалла транзистора осуществляют химическое травление защитно-пассивирующих диэлектрических слоев и защитного диэлектрического слоя и в едином технологическом цикле. Технический результат - повышение выходной мощности и коэффициента усиления мощных транзисторов СВЧ, при сохранении их долговременной стабильности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления мощного транзистора СВЧ, включающий формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки топологии, по меньшей мере, одного кристалла транзистора посредством процессов литографии, формирование электродов транзистора посредством напыления системы металлов, образующих омические контакты в области электродов истока и стока и потенциальный барьер в области электрода затвора, формирование, по меньшей мере, одного защитного диэлектрического слоя по всей топологии кристалла транзистора посредством плазмохимического нанесения, общей толщиной 0,15-0,25 мкм, формирование размера кристалла транзистора посредством процессов литографии и химического травления, отличающийся тем, что перед формированием размера кристалла транзистора в области электрода затвора дополнительно проводят локальное плазмохимическое травление защитного диэлектрического слоя на глубину, равную его толщине, и непосредственно далее проводят формирование защитно-пассивирующих диэлектрических слоев посредством плазмохимического нанесения прямой последовательности системы диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния толщиной, равной каждый 0,045-0,050 мкм, причем плазмохимическое нанесение последних и защитного диэлектрического слоя осуществляют при одинаковых технологических режимах - при мощности плазмы 300-350 Вт, в течение 30-35 с, при температуре 150-250°С, а при формировании размера кристалла транзистора осуществляют химическое травление защитно-пассивирующих диэлектрических слоев и защитного диэлектрического слоя и в едином технологическом цикле.

2. Способ изготовления мощных транзисторов СВЧ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой подложки используют арсенид галлия либо гетероструктуры на его основе.

3. Способ изготовления мощных транзисторов СВЧ по п.1, отличающийся тем, что при формировании размера кристалла транзистора используют химическое либо плазмохимическое травление.

4. Способ изготовления мощных транзисторов СВЧ по п.1, отличающийся тем, что защитно-пассивирующие диэлектрические слои наносят по всей топологии транзистора либо в области электрода затвора.