СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО Y-ОБРАЗНОГО ЗАТВОРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2020 года по МПК H01L21/28 B82Y30/00 

Способ относится к технологии создания монолитных интегральных схем А_IIIВ_V, в частности затворов транзисторов с критическим размером менее 500 нм, используемым в сверхвысокочастотных (СВЧ) полупроводниковых устройствах.

В современной твердотельной электронике одним из наиболее ключевых элементов является полевой транзистор с металлическим затвором Шоттки на основе гетероструктур. Быстродействующие СВЧ устройства получают по технологии НЕМТ (англ. - high electron mobility transistor) гетероструктур. В то же время, граничные частоты усиления по току и по мощности для НЕМТ транзисторов и СВЧ монолитных интегральных схем с использованием транзисторов в качестве основного усилительного элемента, в значительной степени определяются параметрами затвора [1]. Так, меньшая длина затвора обеспечивает возрастание граничных частот усиления, снижение коэффициента шума, увеличение крутизны транзистора. Для малошумящих приложений граничная частота усиления должна значительно превышать частоты рабочей полосы устройства. Уменьшение длины затвора снижает емкость затвор-канал и приводит к увеличению быстродействия транзистора.

С другой стороны, необходимо обеспечить малое сопротивление затворной линии для снижения времени перезарядки затвора и равномерного распределения потенциала затвора. Компромисс между этими требованиями обеспечивает особая трехмерная форма затвора, при которой основание (т.н. ножка) затвора исполняется с минимальным размером, а верхняя часть (т.н. "шляпа") затвора имеет значительно большую ширину и высоту, обеспечивая низкое сопротивление металлизации затвора. Например, для малошумящих приложений Х-диапазона частот (~10 ГГц) характерными являются длина основания затвора ~150 нм и ширина верхней части от 400 нм до 800 нм. Форма металлизации затвора по вертикали может иметь вид: Г-образный, Т-образный, Y-образный и другие варианты. Тем не менее, выбор формы влияет как на технологичность изготовления транзистора, так и на электрические параметры схемы. Ввиду близкого расположения электродов истока и стока к затвору, близкого залегания проводящего канала от поверхности, форма затвора влияет на паразитные значения емкостей, индуктивностей и переходных сопротивлений [2]. Точный подбор и воспроизводимость формы затвора обеспечивает необходимые выходные параметры СВЧ устройства.

Для создания затворов СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем применяют технологии электронной литографии и проекционной литографии с использованием многослойной резистивной маски из полимерных резистов. В других вариантах используется также слой диэлектрика Si₃N₄ или SiON_x в качестве образующего слоя для основания затвора. В любом варианте реализации ширины основания и навершия затвора задаются топологией, экспонируемой методами электронной или проекционной оптической литографии в соответствующем слое резиста. При использовании подслоя диэлектрика сначала формируется щель в диэлектрике путем плазмохимиче-ского вытравливания диэлектрика через маску полимерного резиста, содержащего проявленные щели, соответствующие размеру формируемой щели. Затем на сформированную структуру с щелью в диэлектрике наносится обычно двухслойная система резистов, которая экспонируется для создания резистивной маски с шириной, соответствующей ширине навершия затвора. Затем полученная трехмерная полость как в диэлектрике, так и в резистивной маске металлизируется путем вакуумного испарения металлов, составляющих затворную металлизацию и содержащих, обычно, последовательно слои титана, платины и золота. При этом толщина диэлектрика задает как длину основания затвора, так и высоту основания. В процессе напыления металлизации важны ограничения, вызываемые зарастанием осаждаемым металлом устья, сформированного в диэлектрике полости для формирования основания затвора. Для успешного формирования, высота основания затвора не должна превышать обычно удвоенной длины затвора. В противном случае, может возникать обрыв затвора из-за того, что профиль основания в сечении представляет собою трапецию, сужающуюся кверху. Для преодоления данной проблемы выгодно использовать профиль маски для формирования затвора путем напыления металлизации, имеющий наклонные боковые стенки, расширяющиеся кверху (Y-профиль). В этом случае обрыва металлизации между основанием и навершием затвора не происходит, можно обеспечить низкое сопротивление затворной линии и высокую микромеханическую устойчивость [3].

Известен способ получения Y-образного металлического затвора транзистора, основанный на комбинированном подходе по формированию диэлектрических вертикальных слоев-пристенков и их последующего травления [4], в котором профиль затвора формируется путем экспонирования полимерного резиста, при использовании заранее подобранного профиля дозы экспонирования. При этом требуется усложнение процесса экспонирования и расчет профиля дозы. Полученная маска в электронном резисте является термически не стойкой и может изменить размеры в процессе формирования затворной металлизации.

Кроме того, данный способ формирования Y-образного затвора с использованием полимерных резистов является сложным с точки зрения технологического контроля сформированной маски для суб-500 нм Y-образного затвора, поскольку при растровой электронной микроскопии наноразмерная пленка, образующая профиль резиста, испытывает нагрев, изменяя свою геометрию и структуру.

Также известен способ, в котором направленное изменение высоты профиля резистивной маски производится путем вариации распределения дозы экспонирования при применении метода полутоновой (например, электронно-лучевой) литографии. Данный способ позволяет получить плавные или плавно-ступенчатые поверхности за счет выбора дозы экспонирования, менее или равной величине чувствительности электронного резиста. Технология может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с оплавлением ступенчатой резистивной маски [5].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования металлического затвора с длиной основания менее 500 нм, включающий в себя нанесение на подложку с гетероструктурой двух слоев электронно-чувствительных резистов, представляющих собой резистивную маску, электронно-лучевое экспонирование нанесенных электронно-чувствительных резистов и последовательное проявление каждого из слоев резистов, термическое оплавление системы электронно-чувствительных резистов, вакуумное напыление металлов и удаление электронно-чувствительных резистов до полного растворения остатков резистивной маски. Способ основан на изменении профиля стенок нижнего слоя резиста путем его оплавления при температурной обработке (thermal resist reflow) [6]. Процесс обусловлен вязким течением резиста и капиллярных эффектах, чувствителен к остаточному содержанию растворителей, а также к исходному нанорельефу поверхности пластины и др. факторам. Тем не менее, процесс применяется в заводских условиях для уменьшения длины затвора (обычно ограниченного 30÷50% от исходной ширины линии в проявленном резисте) и увеличения угла наклона профиля в резисте.

К недостаткам способа относится низкая воспроизводимость и нестабильность получаемой длины затвора, вследствие того, что при проведении процесса оплавления резиста на итоговую длину затвора влияет как выбор температурного режима, так и продолжительность термообработки. Процесс является трудновоспроизводимым и приводит к снижению ширины профиля маски, формирующего затвор, при этом резист имеет неоднородности вдоль затворной линии, вплоть до полного обрыва контакта с поверхностью пластины, что приводит к значительному уменьшению выхода годных транзисторов с полупроводниковой пластины.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на повышение стабильности и воспроизводимости процесса создания Y-затвора, а также на увеличение процента выхода годных СВЧ транзисторов с полупроводниковой пластины, за счет использования жесткой маски диэлектрика.

Технический результат достигается тем, что формирование металлического Y-образного затвора сверхвысокочастотного транзистора на подложке с гетероструктурой, включает в себя нанесение на подложку двух слоев электронно-чувствительных резистов, представляющих собой резистивную маску, электронно-лучевое экспонирование нанесенных электронно-чувствительных резистов и последовательное проявление каждого из слоев резистов, вакуумное напыление металлов и удаление электронно-чувствительных резистов до полного растворения остатков резистивной маски, плазмохимическое осаждение слоя диэлектрика Si_xO_yN_z толщиной 320÷550 нм проводят до нанесения электронно-чувствительных резистов на подложку, после чего на полученный слой диэлектрика наносят электронно-чувствительный резист толщиной 350÷450 нм, затем производят электроннолучевое экспонирование резиста с распределенной энергией электронов в поперечном сечении электронного пучка в диапазоне 85÷120 мкКл/см², с последующим проявлением резиста, а затем проводят плазмохимическое травление слоя диэлектрика до полного вскрытия щели в диэлектрике, после чего удаляют остатки электронно-чувствительного резиста.

Плазмохимическое осаждение слоя диэлектрика Si_xO_yN_z толщиной 320÷550 нм производится с целью получения оптимального расстояния от основания затвора до навершия, при этом уменьшение толщины слоя диэлектрика приводит к возрастанию емкости затвора и снижению крутизны транзистора, снижению коэффициента усиления и граничных частот усиления по мощности, а увеличение приводит к возрастанию сопротивления затворной шины и увеличению коэффициента шума, также снижается микромеханическая устойчивость навершия затвора относительно основания. Нанесение однослойного электрон-чувствительного резиста толщиной 350÷450 нм позволяет создать маску травления для залегающего под ним слоя диэлектрика. Толщина слоя резиста обусловлена селективностью скорости травления резиста в плазме. Увеличение толщины резиста приводит к его неполному проявлению при указанных дозах, необходимых для формирования Y-профиля затвора, уменьшение толщины - к перетраву диэлектрика и снижению расстояния от основания затвора до навершия. Электронно-лучевое экспонирование и проявление электрон-чувствительного резиста (с совмещением по топологическим меткам) с использованием поперечного распределения дозы методом полутоновой литографии, с дозой в диапазоне 85÷120 мкКл/см², менее чувствительности резиста, позволяет задавать необходимый профиль Y-затвора. Превышение дозы приведет к перепроявлению профиля линии в резисте и увеличению длины основания затвора более чем на 20 нм, снижение дозы - к неполному проявлению основания затвора, в этом случае Y-форма затвора не сформируется. Плазмохимическое реактивно-ионное травление слоя диэлектрика Si_xO_yN_z на полную глубину осажденного слоя (320÷550 нм) необходимо для формирования плавного угла наклона стенок и ширины вскрытой на пластине линии в диэлектрике, образующей жесткую маску для напыления металлизации основания затвора, используя плазмохимическое травление слоя резиста до полного удаления и полного вскрытия щели в диэлектрике. Операция травления резистивной маски позволяет удалить остатки резистов с полупроводниковой пластины. Уменьшение времени травления может приводить к локальному сохранению участков резиста на пластине и затруднить проведение дальнейших технологических операций. Превышение времени не критично, однако увеличивает общую продолжительность процесса.

Ниже приведен пример конкретной реализации способа:

на подложку с гетероструктурой плазмохимически осаждали слой диэлектрика Si₃N₄ толщиной 500 нм, далее наносили слоя электрон-чувствительного резиста РММА 950К толщиной 400 нм, после чего проводили электронно-лучевое экспонирование электрон-чувствительного резиста с дозой 100 мкКл/см², и последующим проявлением резиста, затем плазмохимически травили слой диэлектрика Si₃N₄ на полную глубину 400 нм, после чего удаляли остатки электронно-чувствительного резиста в горячем ацетоне при температуре 60°С в течение 10 минут, до полного растворения остатков резистивной маски, затем последовательно наносили два слоя электрон-чувствительных резистов: PMGI SF6 толщиной 600 нм и РММА 950К толщиной 150 нм и проводили их термическую обработку при температуре 150°С, экспонировали резисты методом электронно-лучевой литографии, после чего последовательно проявляли резисты, сначала в проявителе МИБК:ИПС, в соотношении 1:3, в течение 40 с, затем в 50% ТМАН в течение 80 с, далее последовательно напыляли металлизацию затворов Ti толщиной 20 нм и Аи толщиной 500 нм, после чего удаляли систему полимерных электрон-чувствительных резистов, последовательно, в горячем ацетоне и н-метилпирролидоне при температуре 60°С в течение 60 минут, до полного растворения остатков резистивной маски. Изображения, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2, демонстрируют полученные при помощи растрового электронного микроскопа сканы, иллюстрирующие реализацию настоящего изобретения: сформированный Y-профиль затвора в диэлектрике, а также металлический Y-затвор, соответственно.

Таким образом, применение настоящего способа позволяет повысить стабильность и воспроизводимость процесса создания Y-затвора, а также увеличить процента выхода годных СВЧ транзисторов, за счет использования жесткой маски диэлектрика.

Список используемых источников.

1. P. Roblin and Н. Rohdin, High-Speed Heterostructure Devices // Cambridge Univ. Press, 726p.(2002).

2. Hiroyuki Ichikawa, Isao Makabe, Yasunori Tateno, Ken Nakata and Kazutaka Inoue. An Optical 150-nm Y-Gate Process for InAlN/GaN HEMTs // CS MAN-TECH Conference, May 19th - 22nd, Denver, Colorado, USA, proceedings, p. 185 (2014).

3. Y. Nakasha, Y. Kawano, M. Sato, T. Takahashi, K. Hamaguchi. Ultra-high speed and ultra-low noise InP HEMTs // FUJITSU Sci. Tech. J. 43 (4), pp. 486 (2007).

4. J. Shao, S. Zhang, J. Liu, B. Lu, N. Taksatorn, W. Lu, Yi. Chen. Y shape gate formation in single layer of ZEP520A using 3D electron beam lithography // Mi-croelectron. Eng. 143 (Supplement C) pp. 37-40 (2015).

5. A. Schleunitz, V.A. Guzenko, A. Schander, M. Vogler, H. Schift, J. Vac. Selective profile transformation of electron-beam exposed multilevel resist structures based on a molecular weight dependent thermal reflow // Sci. Technol. В 29, 06F302 (2011).

6. Y.C. Lien, E.Y. Chang, H.C. Chang, L.H. Chu, G.W. Huang, H.M. Lee, C.Y. Chang. Low-noise metamorphic HEMTs with reflowed 0.1-μm T-gate // IEEE Electron Device Letters, 25(6), pp. 348-350 (2004).

Изобретение относится к технологии создания монолитных интегральных схем А_IIIВ_V, в частности затворов транзисторов с критическим размером менее 500 нм, используемым в сверхвысокочастотных (СВЧ) устройствах. Технический результат изобретения направлен на повышение стабильности и воспроизводимости процесса создания Y-затвора, а также увеличивает процент выхода годных СВЧ транзисторов с полупроводниковой пластины. Это достигается благодаря тому, что формирование затворной металлизации происходит с использованием профиля, сформированного в диэлектрике Si_xO_yN_z, а не в полимерном резисте, при этом не требуется использование термической обработки полимерной резистивной маски для изменения профиля затвора. Как следствие, профиль в диэлектрике Si_xO_yN_z не подвержен деградации из-за термического воздействия в процессе вакуумного напыления металлов, является механически жестким и хорошо контролируется методом растровой электронной микроскопии. Таким образом, применение настоящего способа позволяет сформировать механически устойчивый Y-затвор СВЧ транзистора, не подверженный температурному влиянию на его профиль. 2 ил.

Способ формирования металлического Y-образного затвора сверхвысокочастотного транзистора на подложке с гетероструктурой, включающий в себя нанесение на подложку двух слоев электронно-чувствительных резистов, представляющих собой резистивную маску, электронно-лучевое экспонирование нанесенных электронно-чувствительных резистов и последовательное проявление каждого из слоев резистов, вакуумное напыление металлов и удаление электронно-чувствительных резистов до полного растворения остатков резистивной маски, отличающийся тем, что до нанесения электронно-чувствительных резистов на подложку дополнительно проводят плазмохимическое осаждение слоя диэлектрика Si_xO_yN_z толщиной 320÷550 нм, после чего на полученный слой диэлектрика наносят электронно-чувствительный резист толщиной 350÷450 нм, затем производят электронно-лучевое экспонирование резиста с распределенной энергией электронов в поперечном сечении электронного пучка в диапазоне 85÷120 мкКл/см², с последующим проявлением резиста, а затем проводят плазмохимическое травление слоя диэлектрика до полного вскрытия щели в диэлектрике, после чего удаляют остатки электронно-чувствительного резиста.