СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОЛЕВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ Российский патент 2018 года по МПК H01L29/778 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для создания дискретных приборов и сверхвысокочастотных (СВЧ) интегральных схем с использованием полевых транзисторов с субмикронными и нанометровыми затворами с дополнительным полевым ("Field plate") электродом (ПЭ). Дополнительные ПЭ эффективно используются в мощных СВЧ транзисторах на основе нитридных гетероэпитаксиальных структур для увеличения пробивных напряжений U_пр[1], предотвращения "коллапса" тока [2] и снижения рабочей температуры канала [3, 4].

Известны способы создания гетероструктурных полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ - High Electron Mobility Transistor) с Z-образным или Г-образным полевым затвором Шоттки (далее Z- или Г-затвор) [4, 5]. В способе [5] после выделения активной области транзистора и формирования омических контактов стока и истока с использованием методов литографии на поверхности капсулирующего (защитного) слоя, расположенного поверх барьерного слоя между контактами стока и истока - канала, формируют щель длиной l_g, расположение которой совпадает с местоположением затворов Шоттки, в которой проводят селективное травление капсулирующего слоя. После этого посредством литографии создают окна в резисте, асимметрично окружающем щель, таким образом, что расположенный ближе к стоку край окна смещен к стоку на расстояние проводят финишную обработку поверхности барьерного слоя в щели и методами взрывной литографии формируют затворы Шоттки. В результате получается Г-затвор Шоттки с асимметрично расположенной шляпкой, наиболее длинный выступ которой смещен к стоку на расстояние l_h. Далее активная область транзистора между омическими контактами стока и истока со сформированным Z- или Г-затвором покрывается слоем диэлектрика. В такой конструкции формируемое между длинным краем шляпки Z- или Г-затвора и стоком электрическое поле отжимает от поверхности в объем гетероэпитаксиальных слоев электроны, что предотвращает "коллапс" тока и увеличивает пробивное напряжение сток-исток U_пр полевого транзистора. Недостатком данного способа изготовления транзистора является то, что в данной конструкции положительный полевой эффект, проявляющийся в увеличении пробивных напряжений, незначителен.

Усиление полевых эффектов в наиболее близком аналоге - прототипе [6] достигается благодаря использованию отдельных изолированных от затвора и соединенных с истоком, имеющих клинообразный край полевых электродов (ПЭ), смещенных к стоку относительно затворов Шоттки на 0.5-1.5 мкм. Такие полевые электроды, имеющие электрический контакт с истоком, в отличие от не имеющих электрического контакта, будем называть активными. В этом случае разность потенциалов между активным полевым "Field-plate" электродом и стоком над каналом определяется напряжением сток-исток U_d в рабочей точке и значительно усиливается в области между затвором и стоком, а клиновидный край полевого электрода способствует более эффективному перераспределению электрического поля, что приводит к усилению полевых эффектов и большему увеличению пробивных напряжений.

Способ изготовления прототипа включает в себя следующий набор технологических операций [6]:

Формирование омических контактов истока и стока к контактному слою и ленточного или Т-образного затвора к барьерному слою гетероэпитаксиальной НЕМТ-структры в окнах диэлектрика. Нанесение защитного слоя диэлектрика поверх затвора между контактами стока и истока. Формирование на защитном слое диэлектрика окон в фоторезисте таким образом, что один расположенный ближе к стоку край окна, за счет использования полупрозрачного для засвечивающего излучения края маски фотошаблона имеет клин, форма которого передается расположенному ниже защитному диэлектрику при его травлении. Второй край окна открывает контакт истока для обеспечения электрического контакта к формируемому осаждением в окнах фоторезиста полевому электроду. Затем в окнах фоторезиста на защитном слое диэлектрика гальваническим утолщением формируется полевой электрод и удаляется фоторезист.

Первым недостатком известного способа - аналога, является то, что для обеспечения требуемой формы клина на ориентированном к стоку краю полевого электрода необходимо проведение достаточно сложных литографических процессов с использованием полупрозрачных ("серых") масок, что может являться причиной снижения выхода годных кристаллов. Кроме этого, для формирования Т-образных затворов также применяются сложные (например, трехслойные) резистивные маски.

Вторым недостатком известного способа - аналога, является то, что для обеспечения клина на ориентированном к стоку краю полевого электрода необходимо использование значительно более толстых металлизаций ПЭ, что требует применения более толстых и дорогих резистивных масок. Все это приводит к заметному удорожанию технологических процессов и повышению себестоимости изделий.

Третьим недостатком известного способа - аналога, является то, что он, как и большинство других известных способов [1-6], применяется в основном только для увеличения пробивных напряжений НЕМТ. В тоже время, есть все основания полагать, что вызванные дополнительным ПЭ эффекты могут приводить к улучшению и других приборных характеристик НЕМТ, например, таких, как у транзисторов с двойными сформированными на барьерном слое затворами, из которых первый - затвор Шоттки, а второй - "полевой", соединенный с истоком, располагается между первым затвором Шоттки и стоком [7]. У таких транзисторов, кроме увеличения пробивных напряжений U_пр, наблюдается заметное увеличение коэффициента усиления по мощности G_max [7]. Недостатком этого способа является усложнение технологии, связанной с формированием в канале второго затвора, а также то, что он не может быть использован для улучшения приборных характеристик более высокочастотных полевых транзисторов, так как очевидно, что для размещения второго затвора необходимо дополнительное место.

Четвертым недостатком известного способа - аналога, является то, что между поверхностью полупроводника и опирающимися на диэлектрик выступами "полями" шляпки Т-затвора из-за больших значений диэлектрических постоянных используемых диэлектриков (ε>4) образуются паразитные емкости, которые, несмотря на малую длину затвора, заметно ограничивают рабочую частоту СВЧ-транзисторов. Особенно сильно это проявляется на частотах выше 10 ГГц.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель осуществляется за счет того, что в известном способе - аналоге, вместо ленточного, или Т-образного затворов используется Z-образный или Г-образный затвор Шоттки, формирование Z-образной или Г-образной шляпки которого происходит на краю диэлектрической пленки или на краю металлической пленки с возможным последующим их удалением из-под края шляпки Z- или Г-затвора, нанесение защитного диэлектрика с образованием воздушных, или иных полостей под краем шляпки Z- или Г-затвора для снижения паразитной емкости между шляпкой Z- или Г-затвора и поверхностью контактного слоя. Изолированный электрически от затвора ПЭ формируется на диэлектрике между омическими контактами затвора и стока. Его электрическое соединение с истоком осуществляется либо лежащими на диэлектрике узкими перемычками, либо узкими или сплошными вдоль всей ширины затвора воздушными мостами.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем выделение активной области (химическим или реактивно-ионным травлением, или ионной имплантацией), создание омических контактов стока и истока на контактном слое, или углублением в контактный слой полупроводниковой структуры, нанесения металлических, диэлектрических или комбинированных (металлических и диэлектрических) масок на поверхность контактного слоя полупроводниковой структуры между истоком и стоком. После нанесения диэлектрической маски или металлической маски, или их комбинации (многослойной металлической и диэлектрической маски) - далее маска, проводят литографию для вскрытия окон, у которых один из краев резиста совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, после чего удаляют материал маски в окнах резиста и затем сам резист. Затем посредством новой литографии создают окна в новом резисте, окружающем формирующий край окна маски (далее - формирующий край) таким образом, что формируется щель длиной W между формирующим краем окна маски и краем окна фоторезиста. При этом один край окна резиста лежит на полупроводниковом контактном слое, а второй, противоположный ему - на формирующем крае окна маски. На следующем этапе проводят селективное травление контактного слоя в щели, после чего напыляют пленки металлов для формирования Z-затворов (или Г-затворов). Размер шляпки Z-затвора l_h и его длина l_g определяются положением формирующего края в окне резиста. При расположении формирующего края в центре окна резиста получается симметричный Z-затвор, когда длина Z-затвора l_g и длина его шляпки 4 совпадают. Если формирующий край маски смещен к краю окна резиста, лежащего на маске, то длина затвора l_g будет больше на величину смещения эффективного края, а длина шляпки l_h, соотвтетственно, меньше на эту же величину и наоборот. Когда размер затворной щели l_g не превышает толщину h_g затворной металлизации (l_g=h_g) можно получить Г-образную форму поперечного сечения затвора Шоттки, которая, таким образом, является одной из возможных вариантов реализации Z-образной формы поперечного сечения затвора. Это следует из применяемого конструктивного решения, в котором сумма длин затвора и шляпки равна длине окна в фоторезисте W: l_g+l_h=W=Const. В результате край шляпки Z- или Г-затворов опирается на диэлектрическую, металлическую, или комбинированную маску. Затем после проведения операции взрыва и удаления резиста маска при необходимости может быть удалена селективным травлением из-под шляпки Z-затворов. После этого область канала транзистора, содержащая контакты стока, истока и затворы Шоттки, повторно покрывается защитным (пассивирующим) слоем диэлектрика таким образом, что под шляпкой Z- или Г-затвора образуется заполненная вакуумом или газовой средой (например воздухом) полость с диэлектрической постоянной ε близкой к единице, что значительно снижает характерные для Т-образных затворов паразитные емкости и способствует увеличению значений рабочих частот транзисторов.

На следующем этапе на поверхности защитного диэлектрика в области канала затвор-сток обычным способом взрывной литографии формируются изолированные от Z-или Г-затвора активные полевые электроды напылением однослойной или многослойной металлизации толщиной 0.3-0.7 мкм. С целью снижения паразитной емкости электрическое соединение полевого электрода с истоком осуществляется либо лежащими на диэлектрике узкими перемычками, либо узкими или сплошными вдоль всей ширины затвора воздушными мостами. Это минимизирует влияние паразитных параметров полевых электродов на СВЧ-характеристки транзистора.

На фиг. 1 показаны ключевые моменты одного из возможных вариантов предлагаемого способа изготовления транзистора.

На фиг. 1 а) показана схема поперечного сечения гетероструктуры, содержащая полуизолирующую подложку карбида кремния 1, на которой выращены гетероэпитаксиальные полупроводниковые слои 2, необходимые для создания НЕМТ-транзистора.

На фиг. 1 б) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после выделения активной области транзистора 3 химическим, или физическим травлением, создания омических контактов истока 4 и стока 5 и нанесения диэлектрической, или металлической маски 6.

На фиг. 1 в) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после нанесения резиста 7 и проведения фотолитографии для вскрытия окон, у которых, один из краев 8 совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, после чего удаляют материал маски в окнах резиста и затем сам резист.

На фиг. 1 г) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после проведения новой литографии и создания окон 9 длиной W в резисте 10, окружающих диэлектрический или металлический, или комбинированный формирующий край 11.

На фиг. 1 д) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после формирования полевых затворов 12 и удаления диэлектрической, или металлической, или комбинированной маски из-под шляпки Z- или Г-затвора.

На фиг. 1 е) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после повторного нанесения защитного слоя диэлектрика 13 таким образом, что под шляпкой Z-затвора (или Г-затвора) образуются полость 14.

На фиг. 1 ж) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после вскрытия окон в диэлектрике 13 в области контактов истока 4 и стока 5 и формирования полевого электрода 15. Для обеспечения электрического контакта полевого электрода 15 с истоком 4 используются узкие перемычки 16, гальваническое утолщение 17 контактов истока 4 и стока 5 в окна защитного диэлектрика 18.

На фиг. 1 з) показана схема поперечного сечения гетероструктуры после вскрытия окон в диэлектрике 13 в области контактов истока 4 и стока 5, формирования полевого электрода 15, воздушных мостов 19, гальваническое утолщение 17 контактов истока 4 и стока 5.

Пример: Изготавливали полевой транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) на основе полупроводниковой гетероэпитаксиальной AlGaN/GaN структуры (далее -структура), основные технологические этапы изготовления которого показаны на фигуре 1. Для изготовления НЕМТ использовалась структура, представляющая собой подложку карбида кремния (4H-SiC{0001}) 1 с выращенными на ней поверх буферных слоев методом МОС-гидридной эпитаксии гетероэпитаксиальными Al_xCaGa_1-xN/GaN (x=30%) слоями 2 с двумерным электронным газом (DEG), концентрация электронов в котором составляла 1.5×10¹³ см^-2, а подвижность при комнатной температуре (T_K=25°C)>2000 см²/(В×c).

Сначала со стороны гетероэпитаксиальных слоев проводили выделение активной области транзистора 3 (химическим или реактивно-ионным травлением, или ионной имплантацией), после чего углублением в контактный слой активной области создавались омические контакты истока 4 и истока 5. Затем активная область транзистора покрывалась диэлектрическим слоем SiO₂ 6 (маской) толщиной h_c1=200 нм. После этого проводили литографию для вскрытия окон, у которых, один из краев 8 совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, а другой край располагался на омическом контакте истока 4, после чего удаляли материал маски SiO₂ в окнах резиста, а потом и сам резист. Затем посредством новой литографии создавали окна 9 длиной W в новом резисте 10, окружающие формирующий край 11 диэлектрической пленки. При этом расположенный ближе к истоку 4 край окна резиста лежал на контактном полупроводниковом слое, а второй, противоположный ему - на маске диэлектрика 6, формируя таким образом длину затвора l_g. На следующем этапе проводят реактивное ионное травление контактного слоя на глубину 5 - 10 нм, после чего напыляют пленки металлов Ni + Au для формирования Z-затвора или Г-затвора 12. Размер шляпки Z-затвора (или Г-затвора) и его длина l_g определяются положением формирующего края 11 диэлектрической маски в окне резиста 9. Для получения симметричного Z-затвора, когда длина затвора и длина шляпки равны между собой l_g=l_h, формирующий край маски располагали в центре окна резиста. В случае, если размер затворной щели l_g не превышает толщину h_g затворной металлизации (l_g=h_g) можно получить, как указывалось выше, Г-образный затвор. В такой конструкции после проведения операции взрыва и удаления резиста края шляпок Z-затворов (или Г-затворов) будут опираться на края диэлектрической маски 6, которая удалялась селективным травлением из-под шляпок Z-затворов или Г-затворов. После этого область канала транзистора, содержащая контакты стока, истока и Z-затворы (или Г-затворы) Шоттки, повторно покрывалась защитным (пассивирующим) слоем диэлектрика SiO₂ 13 толщиной h_c2=0.3-0.5 мкм таким образом, что под шляпками Z-затворов (или Г-затворов) 12 образовывались заполненные вакуумом или газовой средой (например воздухом) полости 14 с диэлектрической постоянной ε близкой к единице, что значительно снижает характерные для Т-образных затворов паразитные емкости и способствует увеличению значений рабочих частот транзисторов.

На следующем этапе на поверхности защитного диэлектрика 13 между контактами затвора 12 и стока 5 способом взрывной литографии напылением многослойной V + Au металлизации общей толщиной 0.35 мкм формируются полевые электроды 15 длиной С целью снижения паразитной емкости электрическое соединение полевого электрода с истоком 4 осуществляется лежащими на диэлектрике узкими перемычками 16. Затем вся структура покрывается вторым слоем диэлектрика SiO₂ 18 толщиной h_c3=0.3 мкм, после чего в его окнах происходит гальваническое утолщение золотом 17 омических контактов стока 5 и истока 4 и формирования металлизации второго уровня. В результате получался AlGaN/GaN НЕМТ с длиной Z-затвора (или Г-затвора) l_g=0.5 мкм и полевым электродом, электронно-микроскопическое изображение которого представлено на фигуре 2. Изменяя конструктивные параметры и (фиг. 1) можно увеличивать или уменьшать влияние полевого электрода на приборные характеристики полевого транзистора.

Возможен вариант, когда вместо лежащих на диэлектрике перемычек 16 соединение полевого электрода с истоком 4 осуществляется узкими или сплошными вдоль всей ширины затвора воздушными мостами 19. Это минимизирует влияние паразитных параметров соединения 19 и в некоторых случаях [8] может также приводить к улучшению СВЧ-характеристки полевых транзисторов.

Таким образом, была достигнута поставленная цель и в результате был получен НЕМТ AlGaN/GaN транзистор с изолированным от затвора Шоттки активным полевым электродом не только с увеличенным значением пробивного напряжения U_ds, но и большей крутизной g_m и меньшим напряжением отсечки U_отс.

Преимущество предлагаемого способа изготовления полевого транзистора перед аналогом заключается в том, что использование более простой технологии формирования Z- или Г-образных затворов вместо Т-образных или ленточных затворов Шоттки позволяет при наличии активного полевого электрода не только увеличить пробивные напряжения U_пр и снизить рабочую температуру в канале, но и уменьшить напряжение отсечки U_отс и увеличить максимальное значение крутизны g_m (фиг.3). Это ведет к увеличению коэффициента усиления по мощности G_max, что обычно достигается только при использовании более сложных двухзатворных полевых транзитсторов [7]. При этом предлагаемый способ изготовления полевых транзисторов имеет определенные преимущества по сравнению с технологией двухзатворных НЕМТ. Во-первых, конструкция активных полевых электродов с Z- или Г-образными затворами имеет меньшую совокупную длину и поэтому может быть использована в более коротких каналах, применяемых в более высокочастотных транзисторах. Во-вторых, технология формирования Z- или Г-образных затворов не требует использования сложных трехслойных резистивных масок и менее требовательна к проектным нормам электронной литографии.

Источники информации

[1]. Kuzuhara М., Miyamoto Н., Ando Y. et al. High voltage RF operation of AlGaN/GaN heterostructure FETs. Phys. Stat. Sol. (a) 2003, v. 200, N1, p. 161-167.

[2]. Alexei Koudymov, V. Adivarahan, Jinwei Yang, Grigory Simin, Asif Khan. Mechanism of Current Collapse Removal in Field-Plated Nitride HFETs. Published in IEEE Electron Device Letters, Volume 26, 2005, pages 704-706. http://ieeexplore.ieee.org/xp1/RecentIssue.jsp?punumber=55

[3]. Ali Haghshenasa, Morteza Fathipour. Investigation of self-heating effects in included field plates structures in AlGaN/GaN HEMT devices. Proceedings of the 4th International Conference on Nanostructures (ICNS4) 12-14 March, 2012, Kish Island, I.R. Iran

[4]. Alessandro Chini (2010). Field Plate Devices for RF Power Applications, Advanced Microwave Circuits and Systems, Vitaliy Zhurbenko (Ed.), ISBN: 978-953-307-087-2, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/advanced-microwave-circuits-and-systems/field-plate-devices-for-rf-powerapplications.

[5]. US 7.812.369 B2, МПК H01L (2006.01). Fabrication of single or multiple gate field plates. Date of publication: Oct. 12.2010.

[6]. US 8,530,978 B1, МПК H01L 29/66 (2006.0l).High current high voltage GaN field effect transistors and method of fabricating same. Date of Patent: Sep.10.2013.

[7]. Михайлович С.В., Галиев P.P., Федоров Ю.В., Щербакова М.Ю. Разработка технологии изготовления двухзатворных НЕМТ миллиметрового диапазона на нитридных гетероструктурах. Тезисы докладов 10-й Всероссийской конференции Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы. Санкт-Перербург, 2015 г., 23-25 марта, 143-144.

[8]. R. A. Sporea, М. J. Trainor, N. D. Young, J. М. Shannon, S. R. P. Silva. Field plate optimization in low-power high-gain source-gated transistors.

http://epubs.surrey.ac.uk/721638/l/TED%20Field%20Plate%20Sporea%20-%20Revised.pdf.

Использование: для создания дискретных приборов и сверхвысокочастотных (СВЧ) интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления полевого транзистора с дополнительным полевым электродом включает в себя выделение активной области химическим, физическим травлением или имплантацией, создание омических контактов стока и истока на поверхности контактного слоя, или углублением в контактный слой полупроводниковой структуры, селективное травление контактного слоя, формирование затвора Шоттки на барьерном слое, или углублением в барьерный слой дополнительного изолированного от затвора полевого электрода, с целью уменьшения паразитных емкостей, образуемых краями шляпки Г-образного затвора, повышения частотного диапазона, одновременного увеличения пробивных напряжений, снижения рабочей температуры канала сток-исток, уменьшения напряжения отсечки, увеличения максимального значения крутизны g_m и увеличения коэффициента усиления по мощности, а также повышения выхода годных транзисторов вместо ленточного или Т-образного затворов используется Г-образный затвор Шоттки, формирование Г-образной шляпки которого происходит на краю диэлектрической пленки или на краю металлической пленки, или на краю комбинированной пленки с возможным последующим их удалением из-под края шляпки Г-затвора, нанесение защитного диэлектрика с образованием воздушных или иных полостей под краем шляпки Г-затвора, что приводит к снижению паразитной емкости между шляпкой Г-затвора и поверхностью контактного слоя, изолированный электрически от затвора полевой электрод формируется в канале сток-исток; электрическое соединение полевого электрода с истоком осуществляется либо лежащими на диэлектрике узкими перемычками, либо, с целью снижения паразитной емкости, узкими или сплошными вдоль всей ширины затвора воздушными мостами. Технический результат - обеспечение возможности уменьшения паразитных емкостей, повышения частотного диапазона, увеличения пробивных напряжений, снижения рабочей температуры канала сток-исток, уменьшения напряжения отсечки, увеличения максимального значения крутизны и увеличения коэффициента усиления по мощности, а также повышения выхода годных транзисторов. 3 ил.

Способ изготовления полевого транзистора с дополнительным полевым электродом, включающий в себя выделение активной области химическим, физическим травлением или имплантацией, создание омических контактов стока и истока на поверхности контактного слоя, или углублением в контактный слой полупроводниковой структуры, селективное травление контактного слоя, формирование затвора Шоттки на барьерном слое, или углублением в барьерный слой дополнительного изолированного от затвора полевого электрода, отличающийся тем, что с целью уменьшения паразитных емкостей, образуемых краями шляпки Г-образного затвора, повышения частотного диапазона, одновременного увеличения пробивных напряжений, снижения рабочей температуры канала сток-исток, уменьшения напряжения отсечки, увеличения максимального значения крутизны g_m и увеличения коэффициента усиления по мощности, а также повышения выхода годных транзисторов вместо ленточного или Т-образного затворов используется Г-образный затвор Шоттки, формирование Г-образной шляпки которого происходит на краю диэлектрической пленки, или на краю металлической пленки, или на краю комбинированной пленки с возможным последующим их удалением из-под края шляпки Г-затвора, нанесение защитного диэлектрика с образованием воздушных или иных полостей под краем шляпки Г-затвора, что приводит к снижению паразитной емкости между шляпкой Г-затвора и поверхностью контактного слоя, изолированный электрически от затвора полевой электрод формируется в канале сток-исток; электрическое соединение полевого электрода с истоком осуществляется либо лежащими на диэлектрике узкими перемычками, либо, с целью снижения паразитной емкости, узкими или сплошными вдоль всей ширины затвора воздушными мостами.