СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2014 года по МПК H01L29/00 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых структур, а именно к способам формирования структуры полевых СВЧ транзисторов на основе полупроводниковых соединений группы A₃B₅.

Известен способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки, включающий напыление металла в области затвора под углом к лицевой поверхности полупроводниковой n⁺-n-i-типа эпитаксиальной структуры в сторону истока и под углом - в сторону стока /1/. Недостатком способа является то, что из-за получения сравнительно большого затвора рабочая частота этого транзистора ограничивается см-диапазоном, а его выходная мощность невелика, как и коэффициент полезного действия.

Другим аналогом является способ изготовления полевого транзистора с барьером Шоттки, согласно которому на i-типа пластине арсенида галлия формируются активная область с проводящим n-типа слоем (для канала транзистора) и высоколегированными n⁺-типа локальными областями (для истока и стока транзистора). На n-слое формируют окно под затвор, заращивают окно многослойной диэлектрической пленкой, травят ее до полного удаления с первого диэлектрического слоя, травят первый диэлектрический слой в окне до арсенида галлия, травят канавки в n⁺-слое и формируют Т-образный затвор /2/. Недостатки этого способа те же, что и в первом аналоге.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ изготовления полевого транзистора с самосовмещенным субмикронным затвором, включающий формирование заглубленного T-затвора большой высоты, согласно которому создают канал транзистора n-типа проводимости ионным легированием полуизолирующей подложки арсенида галлия однозарядными ионами кремния, осаждают четыре слоя оксида кремния, формируют многослойный макет затвора, проводят сильное ионное легирование подконтактных областей истока и стока с использованием макета затвора, заменяют макет затвора на металлический затвор. Недостатки способа заключаются в трудоемкости изготовления затвора из-за большого количества технологических операций.

Задача изобретения - создание СВЧ полевого транзистора на мм-диапазон длин волн с повышенной выходной мощностью, увеличенным коэффициентом усиления по мощности и высоким коэффициентом полезного действия. Эта задача решается за счет планарного размещения топологических элементов транзистора на полупроводниковой пластине, сокращения длины канала и одновременного увеличения размера и уровня легирования приконтактных областей истока и стока транзистора, а также эффективной пассивации рабочей поверхности пластины со сформированными на ней элементами транзистора.

Суть изобретения заключается в формировании на высокоомной пластине полупроводникового соединения A₃B₅ базовой n⁺-n-i-структуры полевого транзистора Шоттки с уменьшенной протяженностью n-области (канала транзистора) и расширенными контактными n⁺-областями истока и стока посредством низкодозового и двукратного высокодозового ионного легирования полупроводниковой пластины донорными ионами и использования сформированного на n-слое затвора транзистора в качестве маски на втором этапе высокодозовой имплантации донорных ионов.

Фундаментальным основанием достижения такого практического результата является проявление эффекта бокового рассеяния внедряемых ионов кристаллической решеткой полупроводника, при котором проекция пространственного проникновения ионов по оси X составляет не менее 1/3 глубины проникновения ионов в направлении оси У. В результате после второй высокодозовой имплантации донорных ионов, проводимой после формирования Т-затвора, длина n-канала транзистора может быть уменьшена примерно на 2/3 его толщины. При таком ощутимом сокращении длины канала транзистора резко уменьшается время пролета носителей заряда (электронов) через канал и, как следствие, значительно увеличивается быстродействие транзистора и становится достижимым мм-диапазон его рабочих частот, а также значительно возрастает крутизна ВАХ транзистора, что положительно сказывается на увеличении его коэффициента передачи по мощности. На этот же результат работает и дополнительная низкоэнергетическая компенсационная имплантация акцепторных ионов, способствующая подавлению утечек по затвору и увеличению пробивного напряжения затвор-сток.

Кроме того, появляется возможность реализации топологических элементов транзистора посредством традиционной фотолитографии, не прибегая к использованию дорогостоящей и низкопроизводительной электронно-лучевой литографии, как это принято при изготовлении транзисторов с субмикронным затвором на мм-диапазон длин волн. За счет этого можно резко сократить затраты на производство этих транзисторов.

На Фиг.1 представлена схема формирования полупроводниковой n⁺-n-i-структуры СВЧ полевого транзистора с укороченным n-каналом на полуизолирующей подложке арсенида галлия.

Пример конкретного выполнения

Изготовление СВЧ полевого транзистора осуществляется в следующей последовательности.

1. Исходную пластину полуизолирующего арсенида галлия марки АГЧП-9 (предварительно подвергнутую химико-динамической полировке для удаления нарушенного слоя толщиной 5-7 мкм) с обеих сторон покрывают слоем нитрида кремния толщиной (0,5-0,8) мкм и со стороны ее рабочей поверхности проводится низкодозовая (≈5·10¹² см^-3) имплантация ионов кремния: (⁺Si²⁸) при энергии ускоряющего напряжения 120 кэВ.

2. После этого выполняются 1-ая высокодозовая (≈8·10¹³ см^-3) локальная имплантация ионов кремния (⁺Si²⁸) при энергии ускорения ионов 100 кэВ и затем для активации внедренных ионов кремния проводится кратковременный импульсно-лучевой отжиг пластин (длительностью 4-5 с) при температуре 980°C, вследствие чего формируются проводящий n-канал транзистора и сильнолегированные контактные n⁺-области истока и стока транзистора (см. Фиг.1, а).

3. Пленка нитрида кремния удаляется и традиционным способом (используя фотолитографию, напыление и термообработку) формируются контактные площадки истока и стока транзистора из металлизации Au-GeNi/Au и Т-затвор с длиной основания ≤0,3 мкм - из металлизации V-Au/Au (см. Фиг.1, б).

4. После этого пластина с обеих сторон повторно защищается пленкой нитрида кремния и по технологической схеме, обозначенной в п.2, проводится 2-я высокодозовая имплантация ионов кремния и их активация, в результате чего расширяются и дополнительно легируются приконтактные области истока и стока и сокращается длина канала транзистора (см. Фиг.1, в).

5. Затем пленка нитрида кремния удаляется и проводится низкоэнергетическая имплантация ионов бора (⁺B¹¹) при энергии ускорения 40 кэВ и дозе ≈2·10¹² см^-3, после которой на поверхности n⁺-типа и n-типа областей образуется пассивирующий n^--слой (см. Фиг.1, г).

В результате выполненных в такой последовательности технологических переходов и технологических операций при обозначенных режимах получается СВЧ полевой транзистор с барьером Шоттки на мм-диапазон длин волн, который имеет крутизну ВАХ более 650 мСм/мм и выходную мощность более 1 Вт в диапазоне рабочих частот до 100 ГГц. Он обладает рядом отличительных признаков и свойств, а именно:

- значительно увеличенными по площади и уровню легирования приконтактными n⁺-областями истока и стока транзистора, обеспечивающими низкое переходное сопротивление омических контактов истока и стока и, как следствие, низкие потери СВЧ мощности;

- смещенной в сторону затвора границей раздела между сильнолегированными приконтактными n⁺-областями истока и стока и слаболегированной n-областью канала, что обеспечивает получение канала транзистора с высокой подвижностью электронов; высокую крутизну ВАХ и высокий коэффициент передачи транзистора по мощности;

- наличием пассивного слабопроводящего n^--слоя на поверхности сильнолегированных приконтактных n⁺-областей истока и стока, снижающего токи утечки по затвору и повышающего пробивное напряжение затвор-сток, что обеспечивает более высокий коэффициент передачи по мощности, увеличение выходной мощности и КПД транзистора в целом.

Источники информации

1. Патент РФ №2361319.

2. Патент РФ №2349987.

3. Патент РФ №2436186 - прототип.

Использование: для изготовления СВЧ полевого транзистора. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют создание n⁺-n-i-типа полупроводниковой структуры путем ионного легирования полуизолирующих пластин арсенида галлия ионами кремния, при этом после формирования n⁺-n-i-типа структуры и топологических элементов транзистора на этой структуре проводится дополнительное легирование пластины ионами кремния и имплантация в пластину ионов бора, вследствие чего значительно сокращается канал транзистора, а на открытой поверхности n⁺-n-i-структуры формируется пассивный слабопроводящий слой. Технический результат: обеспечение возможности создания СВЧ полевого транзистора на мм-диапазон длин волн с повышенной выходной мощностью и увеличенным коэффициентом усиления по мощности. 1 ил.

Способ изготовления СВЧ полевого транзистора, включающий создание n⁺-n-i-типа полупроводниковой структуры путем ионного легирования полуизолирующих пластин арсенида галлия ионами кремния, отличающийся тем, что после формирования n⁺-n-i-типа структуры и топологических элементов транзистора на этой структуре проводится дополнительное легирование пластины ионами кремния и имплантация в пластину ионов бора, вследствие чего значительно сокращается канал транзистора, а на открытой поверхности n⁺-n-i-структуры формируется пассивный слабопроводящий слой.