Способ формирования субмикронного Т-образного затвора Российский патент 2020 года по МПК H01L21/28 H01L21/338 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения СВЧ монолитных интегральных схем на основе полупроводниковых соединений типа A^IIIB^V, в частности, к созданию гетероструктурных СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Блок формирования затвора является одним из ключевых этапов технологического процесса производства полупроводниковых приборов, в том числе СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов. Для приборов, работающих в СВЧ диапазоне, изготавливают затворы Т-образной формы с субмикронной длиной основания, обладающие меньшим сопротивлением и емкостью. Для создания Т-образных затворов используются многослойные системы резистов, топологический рисунок в которых формируется известными литографическими методами.

Известен способ формирования субмикронного Т-образного затвора (Е.V. Erofeev, V.A. Kagadei, Е.V. Anishchenko, K.S. Nosaeva, S.V. Ishutkin / T-gate fabrication // International Conference of Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Proceedings, pp. 146-149, 2011), по своей сущности наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами за прототип. В данном способе на поверхности полупроводниковой структуры методами высокоразрешающей электронно-лучевой литографии производится формирование многослойной резистивной маски. Далее методом электронно-лучевого испарения в вакууме производится напыление тонких пленок затворной металлизации на основе Ti/Mo/Cu, где Ti является барьеробразующим слоем, Мо - слой диффузионного барьера, а Cu - проводящий слой.

Основным недостатком данного способа является то, что его разрешающая способность обусловлена главным образом энергией электронов в пучке, которая для получения затворов с субмикронной длиной основания должна находиться в диапазоне 50-100 кэВ. Сложность достижения таких энергий при формировании электронных пучков минимального сечения (порядка 2 нм) приводит к высокой стоимости литографического оборудования, а также низкой производительности технологических процессов высокоразрешающей электронно-лучевой литографии.

Основной технической задачей предложенного способа является одновременное повышение разрешающей способности и производительности технологических процессов формирования субмикронного Т-образного затвора.

Основная техническая задача достигается тем, что в способе формирования субмикронного Т-образного затвора, включающего очистку поверхности полупроводниковой пластины с эпитаксиальной гетероструктурой, формирование многослойной резистивной маски методами низкоразрешающей оптической литографии, напыление тонких пленок затворной металлизации в вакууме, удаление резистивной маски, отличающийся тем, что формирование многослойной резистивной маски производится литографическими методами низкого разрешения с последующим созданием вторичной маски высокого разрешения в результате последовательного напыления тонких пленок оксида алюминия толщиной 5-1000 нм под углами Ф₁ и Ф₂ относительно нормали к поверхности пластины методами электронно-лучевого испарения в вакууме.

В частном случае формирование первичной маски низкого разрешения производят методами лазерной литографии.

В частном случае в качестве материала вторичной маски высокого разрешения могут использоваться пленки нитрида кремния (SiN_x), оксида кремния (SiO₂), оксида гафния (HfO).

В частном случае напыление пленок вторичной маски высокого разрешения производится методами термического испарения в вакууме и/или магнетронного распыления.

В частном случае после напыления пленок затворной металлизации производят жидкостное и/или плазмохимическое травление материала вторичной маски высокого разрешения.

Предлагаемый способ заключается в следующем. На поверхность полупроводниковой пластины с эпитаксиальной гетероструктрурой (поз. 1, фиг. 1) методами центрифугирования производится последовательное нанесение нижнего (поз. 2а, фиг. 1) и верхнего (поз. 2b, фиг. 1) слоев резистов. Далее производится экспонирование сформированной фоторезистивной маски лазерным излучением с длиной волны λ=405 нм с последующим проявлением в селективном проявителе. В результате чего на поверхности полупроводниковой пластины формируется двухслойная фоторезистивная маска низкого разрешения (фиг. 1).

Для формирования вторичной маски высокого разрешения полупроводниковая пластина с сформированной фоторезистивной маской низкого разрешения ориентируется под углом Ф₁ относительно нормали к поверхности пластины (фиг. 2) после чего загружается в установку напыления тонких пленок в вакууме, где методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении менее р=5×10^-6 торр производится осаждение первой пленки вторичной маски высокого разрешения на основе оксида алюминия толщиной 1-500 нм (поз. 3а, фиг. 2). Далее пластина с сформированной фоторезистивной маской низкого разрешения ориентируется под углом Ф₂ относительно нормали к поверхности пластины (фиг. 3), после чего загружается в установку напыления тонких пленок в вакууме, где методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении менее р=5×10^-6 торр производится осаждение второй пленки вторичной маски высокого разрешения на основе оксида алюминия толщиной 1-500 нм (поз. 3b, фиг. 3). Затем пластина с сформированной твердой маской высокого разрешения ориентируется под углом 0 град, относительно нормали к поверхности пластины после чего загружается в установку напыления тонких пленок в вакууме, где производится последовательное осаждение тонких пленок затворной металлизации на основе Ti, Pt (поз. 4а, фиг. 4) и Au (поз. 4b, фиг. 4) с толщинами 10-500 нм (фиг. 4). Далее с поверхности полупроводниковой пластины производится удаление первичной фоторезистивной маски низкого разрешения.

В частном случае формирование первичной маски низкого разрешения производят методами лазерной литографии.

В частном случае в качестве материала вторичной маски высокого разрешения могут использоваться пленки нитрида кремния (SiN_x), оксида кремния (SiO₂), оксида гафния (HfO).

В частном случае напыление пленок вторичной маски высокого разрешения производится методами термического испарения в вакууме и/или магнетронного распыления.

В частном случае после напыления пленок затворной металлизации производят жидкостное и/или плазмохимическое травление материала вторичной маски высокого разрешения.

Пример.

Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа.

Транзистор на основе полупроводникового соединения и, в частности, гетероструктурный транзистор с высокой подвижностью электронов был сформирован на псевдоморфных структурах GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. После формирования изоляции транзистора с помощью травления меза-структур, на поверхности пластины формировалась двухслойная резистивная маска, в которой вскрывались окна с отрицательным углом наклона стенок. Перед осаждением металлизации с целью очистки поверхности и удаления собственных оксидов мышьяка и галлия полупроводниковые пластины обрабатывалась в водном растворе соляной кислоты в течение t=60 секунд, а затем промывалась в деионизованной воде и сушилась в потоке азота. Далее на поверхности пластин литографическими методами формировалась резистивная маска в окна которой производилось напыление металлизации омического контакта на основе металлизации Ni/Ge/Au/Ni/Au методом электронно-лучевого исправления и вакууме. После извлечения пластин из вакуумной камеры производилось удаление резистивной маски с последующей термической обработкой металлизации омического контакта в среде очищенного азота при температуре T₂=410°С в течение t=60 секунд.

Далее на первой пластине, изготавливаемой по способу-прототипу, методом центрифугирования формировалась трехслойная маска на основе резистов 950PMMA/LOR 5В/495 РММА. Каждый слой резиста наносился на подложку методом центрифугирования, с последующей сушкой при температуре Т=180°С в течение t=5 минут. Экспонирование производилось с помощью системы электронно-лучевой нанолитографии Raith-150^TWO с энергией электронов 30 кэВ. Проявление верхнего слоя резиста типа 495РММА осуществлялось в растворе метилизобутилкетона (МИБК) с изопропиловым спиртом (ИПС) (1:1) в течение t=60 с, нижнего слоя LOR5B с последующей промывкой в изопропиловом спирте и сушкой в потоке азота. Проявление нижнего слоя резиста типа 950РММА осуществлялось в растворе метилизобутилкетона (МИБК) с изопропиловым спиртом (ИПС) (1:3) в течение t=120 с. Далее производилось напыление тонких пленок металлизации Т-образного затвора на основе Ti/Pt/Au (30/25/400 нм) методом электронно-лучевого исправления в вакууме при остаточном давлении менее р=5×10^-6 торр. После извлечения пластины из вакуумной камеры производилось удаление резистивной маски, что приводило к формированию на поверхности полупроводниковой пластины субмикронного Т-образного затвора транзистора.

На вторую пластину, изготавливаемую по предлагаемому способу, для формирования первичной маски низкого разрешения методом центрифугирования последовательно наносились фоторезисты LOR5B и AZ1505 общей толщиной h_m=1.1 мкм, с последующей сушкой каждого слоя при температуре Т=180°С в течение t=5 мин и Т=100°С в течение t=1 мин. Экспонирование фоторезистивной маски осуществлялось лазерным лучом с длиной волны λ=405 нм с последующим жидкостным проявлением резистов. Далее полупроводниковая пластина ориентировалась под углом Ф₁=23 град, относительно нормали к поверхности пластины с последующим напылением тонкой пленки на основе Al₂O₃ толщиной 100 нм методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Затем полупроводниковая пластина ориентировалась под углом Ф₂=25 град, относительно нормали к поверхности пластины с последующим напылением тонкой пленки на основе А1₂О₃ толщиной 100 нм методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Затем пластина с сформированной твердой маской высокого разрешения ориентировалась под углом 0 град. относительно нормали к поверхности пластины с последующим напылением металлизации Т-образного затвора на основе пленок Ti/Pt/Au (30/25/400 нм) методом электронно-лучевого исправления и вакууме при остаточном давлении менее р=5×10^-6 торр. После извлечения пластины из вакуумной камеры установки напыления производилось удаление резистивной маски низкого разрешения, что приводило к формированию на поверхности полупроводниковой пластины субмикронного Т-образного затвора транзистора.

Электрические параметры транзисторов по постоянному току исследовались с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов НР4156А, а исследование S-параметров производилось на приборе ZVA-40.

На фиг. 5 показана расчетная зависимость разрешающей способности предлагаемого способа формирования субмикронного Т-образного затвора от угла поворота пластины (Ф₁) относительно нормали к ее поверхности. Видно, что изменение угла поворота пластины относительно нормали к ее поверхности в узком диапазоне позволяет в широком диапазоне управлять размером окна в сформированной вторичной маске высокого разрешения на поверхности полупроводниковой пластины т.е. длиной основания (L_g) Т-образного затвора транзистора.

На фиг. 6 и 7 представлены результаты измерения электрических параметров транзисторов по постоянному току и СВЧ сигналу, полученных по способу-прототипу и предлагаемому способу.

Из результатов видно, транзисторы с Т-образными затворами, сформированными как по способу-прототипу, так и предлагаемому методу имеют сходные электрические характеристики, как по постоянному току, так и СВЧ сигналу. При этом в предлагаемом методе формирования субмикронного Т-образного затвора не используются технологические операции низкопроизводительной дорогостоящей электронно-лучевой литографии, что свидетельствует о высокой практической ценности данного метода.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения СВЧ монолитных интегральных схем на основе полупроводниковых соединений типа AIIIBV, в частности к созданию гетероструктурных СВЧ-транзисторов с высокой подвижностью электронов. Способ формирования затвора является одним из ключевых этапов технологического процесса производства полупроводниковых приборов, в том числе СВЧ-транзисторов с высокой подвижностью электронов. Для приборов, работающих в СВЧ-диапазоне, изготавливают затворы Т-образной формы с субмикронной длиной основания, обладающие меньшим сопротивлением и емкостью. Для создания Т-образных затворов используются многослойные системы резистов, топологический рисунок в которых формируется известными литографическими методами. Изобретение обеспечивает одновременное повышение разрешающей способности и производительности технологических процессов формирования субмикронного Т-образного затвора. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ формирования субмикронного Т-образного затвора, включающего очистку поверхности полупроводниковой пластины с эпитаксиальной гетероструктурой, формирование многослойной резистивной маски методами низкоразрешающей оптической литографии, напыление тонких пленок затворной металлизации в вакууме, удаление резистивной маски, отличающийся тем, что формирование многослойной резистивной маски производится литографическими методами низкого разрешения с последующим созданием вторичной маски высокого разрешения в результате последовательного напыления тонких пленок оксида алюминия толщиной 5-1000 нм под углами Ф₁ и Ф₂ относительно нормали к поверхности пластины методами электронно-лучевого испарения в вакууме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование первичной маски низкого разрешения производят методами лазерной литографии.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала вторичной маски высокого разрешения могут использоваться пленки нитрида кремния (SiN_x), оксида кремния (SiO₂), оксида гафния (HfO).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление пленок вторичной маски высокого разрешения производится методами термического испарения в вакууме и/или магнетронного распыления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после напыления пленок затворной металлизации производят жидкостное и/или плазмохимическое травление материала вторичной маски высокого разрешения.