СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Советский патент 1995 года по МПК H01L21/335 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при изготовлении полевых транзисторов.

Целью настоящего изобретения является увеличение выхода годных приборов за счет улучшения качества контактов и удешевления способа за счет экономии драгметаллов.

На фиг. 1 показа пластина с фоторезистивной маской; на фиг.2 - кассета для электрохимической обработки пластины; на фиг.3 - пластина с контактами, осажденными по маске анодного окисла; на фиг.4 - то же, с затворной металлизацией; на фиг. 5 - то же, с островками SlO₂ под краем затворной металлизации; на фиг. 6 - то же, с омическими контактами, осажденными в область канала.

В качестве источников напряжения применяют потенциостаты П-5827М, ПИ-50-1, программатор ПР-8. Используют пластины GaAs диметром 60±0,5 мм с активным слоем -n⁺-n- n δ-1 типа толщиной: d_n⁺ = 0,11 мкм, d_n = 0,3 мкм, d_n^- δ= 0,5 мкм, концентрацией: n⁺ = 1˙10¹⁸ ат/см³, n = 1˙10¹⁷ат/см³.

П р и м е р. На поверхности пластины 1 с активным слоем создают фоторезистивную маску 2, защищающую активные области полевого транзистора (см. фиг. 1). Используют фоторезист ФП-51Т. Режим термообработки фоторезистивной маски после проявления: сушка в термошкафу 120^оС 20 мин, дубление 140-145^оС 30 мин. Пластину устанавливают в кассету горизонтально, n⁺ слоем вниз. Прижим пластины к корпусу кассеты осуществляют с помощью резиновой изолирующей прокладки 3 и резьбового кольца 4. Для удаления воздушного пузыря, возникающего при погружении кассеты в электролит служит отверстие 5 в корпусе кассеты. Для удобства работы с кассетой ее крепят к ручке винтами 6 (см. фиг. 2). Кассету устанавливают в ванну с электролитом. В верхней части кассеты устанавливают электрод 7, выполненный в виде трубки из нержавеющей стали. В ванне находится электрод 8 в виде пластины. В качестве ванны используют кварцевый кристаллизатор 9 с прозрачным дном. Создают электрический контакт к верхней полуизолирующей стороне пластины при освещении в электролите 10 состава: KOH 3 г, NH₄H₂PO₄ 0,33 г, Н₂О 100 мл.

Формируют меза-структуры анодным окислением на свету при постоянном напряжении 130 В в электролите II состава: 0,8 мл NH₄H₂PO₄ 0,3 г, Н₂О 100 мл. Используют Н₃РО₄ концентрированную (85%) ГОСТ 6552-80 ХЧ. Верхнюю сторону пластины освещают лампой ПЖ-500 Вт, нижнюю сторону лампой К-3 - 400 Вт. Освещенность пластины ≈100000 люкс. При подаче напряжения на поверхности пластины формируется окисел. Одновременно с ростом окисла происходит его растворение. По достижении определенной толщины окисла, зависящей от приложенного напряжения, скорости роста и растворения окисла становятся равны. В процессе роста окисел приподнимает край фоторезистивной маски на границе фоторезист-полупроводник и открывшийся участок пластины начинает окисляться. По достижении заданного времени окисления t = 6 мин анодное напряжение выключают. Глубина полученной мезы составляет ≈0,7 мкм, угол наклона меза грани ≈ 10^о. В процессе травления на поверхности мезы возникают плохо растворимые пленки, остающиеся под краем фоторезистивной маски после окончания травления. На остатках этих пленок происходит осаждение металла при формировании омических контактов. Для удаления пленок пластины после формирования меза-структур обрабатывают в водном растворе NH₄OH:H₂O (10 мл : 100 мл) в течение 4 мин. При этом анодный окисел на мезе и остатки пленок удаляются. Пластину вновь окисляют. При этом в качестве электролита используют раствор: NH₄H₂PO₄ 0,3 г, Н₂О 100 мл. В отсутствии растворяющего компонента Н₃РО₄ окисел формируется одной толщины на всей мезаповерхности. Окисление проводят до толщины окисла ≈ 0,15 мкм (U_яч = =100 В). Пpи большей толщине окисла наблюдается неконтролируемое подокисление полупроводника под фоторезистивной маской, геометрия рисунка не сохраняется. Затем фоторезист стравливают в высокочастотной кислородной плазме на установке: 08ПХО-100Т-001, Р ≈ 65 Па, W = 1 кВт. Процесс травления проводят 2 раза по 6 мин. В диметилформамиде удаление фоторезиста происходит очень медленно, что обусловлено высокой температурой дубления маски 140-145^оС. При более низких температурах дубления возникает неконтролируемый растрав под фоторезистивной маской при формировании меза-структур. Анодный окисел на меза-поверхности используется далее в качестве маски при осаждении омических контактов. Наносят слой SlO₂ толщиной 0,3 мкм. С помощью фотолитографии формируют рисунок затворной металлизации. Совмещение шаблона с пластиной осуществляют по рисунку меза-структур; Используют фоторезист ФП-383. В буферном травителе NH₄F:HF:H₂O (200 мл : 80 мл : 300 мл) проводят удаление SlO₂ в окнах фоторезистивной маски за t = 4 мин. Растрав SlO₂ под маску составляет ≈1 мкм на сторону. Растрав необходим для последующего вписывания затворного слоя. Вытравленная SlO₂ область на активном слое мезаостровка будет определять область канала транзистора. Использование растрава SlO₂ под маской фоторезиста для расширения размеров рисунка позволяет минимизировать расстояние исток-сток с учетом рассовмещения при последующем вписывании затвора. Удаляют фоторезист в диметилформамиде. Пластину устанавливают в кассету рабочей стороной вниз, проводят анодное окисление по маске SlO₂ в электролите NH₄H₂PO₄ : H₂O (0,3 г : 100 мл) на глубину, большую, чем толщина n⁺ слоя. При толщине слоя d_n⁺ = = 0,11 мкм толщина анодного слоя ≈0,22 мкм. Напряжение на ячейке U_яч = 150 В. Частично окисляют и n-слой для уменьшения глубины химического дотравливания при формировании под затворной области, так как это позволяет минимизировать длину электрохимически осажденного затвора. Для формирования канала анодным окислением без химического дотравлевания подзатворных областей необходимо точно знать распределение примеси по глубине активного слоя, в переходных областях n - I и n⁺ - n для каждой пластины, что сопряжено с большими трудностями профилирования активных структур. В случае, если формирование меза-структр производится после операции анодного окисления канала, наблюдается просачивание электролита под действием электрического поля по границам анодный окисел в канале - полупроводник (из-за недостаточной адгезии фоторезиста на границе) и последующее окисление областей полупроводника, предназначенных под омические контакты. Согласно предложенному способу анодное окисление по рисунку затворной металлизации с растравом SlO₂ под маску фоторезиста позволяет минимизировать расстояние исток-сток, так как анодный окисел в канале служит маской при электрохимическом осаждении контактов. Удаляют SiO₂плазмохимическим травлением (изотропно) на установке 08ПХО-100Т-001 в режиме: рабочая смесь CF₄: O₂(3:1), P ≈ 65 Па, W = 1 кВт, t = 8 мин. Травление SiO₂ происходит селективно по отношению к арсениду галлия и анодному окислу. Пластину обрабатывают в водном растворе HN₄OH:H₂O₂:H₂O (15 мл:7,5 мл : 600 мл) за t = 0,5 с для удаления плазменного окисла с поверхности полупроводника. Анодный окисел в канале и на мезе утоняется при этом незначительно ~ 100. Устанавливают пластину в кассету осаждаемой стороной вверх. Электрический контакт к нижней полуизолирующей стороне пластины создают раствором электролита: КОН 3 г NH₄H₂PO₄ 0,3 г H₂О 100 мл
при освещении.

Для освещения пластины используют лампу К-30-400 Вт. Величина освещенности составляет ≈ 100000 люкс. В отсутствии освещения сквозной ток через пластину не протекает и осаждение Au-Ge на верхней стороне пластины не происходит. Формируемый электрический контакт обеспечивает равномерное осаждение на рабочей стороне пластины. В качестве электролита для осаждения Au-Ge омических контактов используют раствор:
Калия дициано-(1)
аурат ЧДА ГОСТ 20473-75 2 г
Двуокись германия ОСТ 48-"21-72 3 г
Калия натрий вин-
нокислый ГОСТ 5845-79 6 г
Винная кислота ОСЧ ТУ 6-09-3985-75 1,5 г Вода деионизо- ванная 100 мл рН электролита 7,2-7,1
Электролитом для осаждения заполняют верхнюю часть кассеты с пластиной.

Осаждение проводят при естественной освещенности поверхности ≈ 100 люкс. При освещенности ≈ 100000 люкс величина катодного тока ≈ в 10 раз однако резко увеличивается скорость растворения анодного окисла (зависящая от толщины окисла) в 2-3 раза и составляет ~ 600/мин, что связано с увеличением проводимости анодного окисла. Быстрое растворение анодного окисла требует увеличения его начальной толщины, что ограничено толщиной n⁺ слоя. Освещение поверхности пластины затрудняет визуальный контроль над растворением окисной пленки. При осаждении без подсветки скорость растворения защитной маски ~ 200/мин. Осаждение по маске анодного окисла обеспечивает получение ровного края омического контакта без искажения геометрии и смыкания исток-стоковых областей при расстоянии исток-сток 1-2 мкм, что недостижимо с использованием фоторезистивных масок. Предельное расстояние исток-стока согласно предложенному способу определяется возможностями фото- или электронно-лучевой литографии при формировании рисунка затвора. Практически достижимая величина 0,3-0,4 мкм. В данном примере осаждение омических контактов проводят при напряжении на ячейке U_яч = 3 В, I = 4 мА (плотность тока ≈ 0,5 мА/см²), t = 3 мин. После осаждения в канале остается окисел толщиной ~ 1000, на мезе ~ 300. Далее проводят удаление анодного окисла в канале, что необходимо для минимизации длины затвора, осаждаемого на последующих операциях. Чем толще окисел в канале, тем больше величина бокового растрава под маску при химическом дотравливании подзатворных областей. Удаление анодного окисла проводят в растворе NH₄OH:H₂O (2 мл : 100 мл) в течение t = 1 мин. Подтрав под омические контакты при этом отсутствует, так как до вплавления осажденный металл образует с полупроводником выпрямляющий контакт. Вплавляют омические контакты на установке лампового отжига "Импульс-5". Вплавление осуществляют за 3 импульса, продолжительностью 1,6 с, максимальная температура на поверхности пластины 450^оС. Контроль вплавления проводят на тестовых структурах. Пластину покрывают слоем SiO₂ толщиной 0,4 мкм, Проводят плазмохимическую обработку на установке 08ПХО-100Т-001 в кислороде при Р = 65 Па, W = 1 кВт за 3 мин для улучшения адгезии фоторезиста к SiO₂. После нанесения и сушки фоторезиста ФП-383 проводят экспонирование пластины по шаблону с рисунком затворного слоя (при этом описывают затворный рисунок на шаблоне в затворный рисунок на пластине, расширенный посредством растрава SiO₂ по ф/р маску). После экспонирования устанавливают шаблон с рисунком окон над омическими контактами, совмещают его с рисунком на пластине, но экспонирование проводят только в нескольких областях, где после проявления будет сформирован как рисунок затворного слоя, так и рисунок окон над омическими контактами, что позволяет после удаления SiO₂ в окнах проводить контролируемое дотравливание подзатворных областей. На остальной части пластины омические контакты будут закрыты слоем SiO₂, что исключает шунтирование электрической цепи при электрохимическом осаждении затвора Re-W-Au, при наличии вскрытых областей омических контактов, с малым контактным сопротивлением, осаждение барьерной металлизации Re-W в канале происходит со значительно меньшей скоростью, чем на омических контактах, а Au практически не осаждается. Для того, чтобы были вскрыты омические контакты только тестовых структур, после совмещения шаблон с рисунком окон над омическими контактами закрывают непрозрачным экраном с несколькими отверстиями. После проявления и сушки фоторезиста Т = 95^оС t = 20 мин проводят плазмохимическое травление (направленно) SiO₂ на установке 08ПХО-100Т-005 в режиме: рабочая смесь C₃F₈:O₂ (9:1), P = 3-5 Па, W = 500 Вт, t = 15 мин. Травление SiO₂ прекращают по достижении границы с полупроводником в канале. Благодаря большой пологости меза-грани ( ≈ 10^о) стравливание SiO₂ в области канала, над контактными площадками тестовых структур и на гранях мезы (в области затворной дорожки) происходит одновременно.

При формировании меза-структр изотропным химическим травлением в растворе Н₂РO₄:H₂O:H₂O грани меза-структуры имеют крутой наклон и после удаления SiO₂ в области канала, на гранях мезы SiO₂ сохраняется, так как на гранях эффективная толщина окисла выше. При электрохимическом осаждении затвора на этих участках происходит разрыв затворной дорожки, что недопустимо. Для удаления SiO₂ с граней мезы необходимо увеличивать время травления. В результате, происходит плазмохимическое стравливание Au-Ge контактов на тестовых структурах (фториды германия - летучие соединения).

В предлагаемом способе перетрав SiO₂ отсутствует и вскрывшиеся участки полупроводника в канале и Au-Ge омические контакты на тестовых структурах травятся незначительно (скорость плазмохимического травления полупроводника составляет ~ 40/мин). Растрав SiO₂ под фоторезистивную маску составляет ≈ 0,06 мкм. Стенки травления близки к вертикальным и рисунок в фоторезисте переносится в SiO₂ без изменения размеров. Фоторезист удаляют последовательно в диметилформамиде, затем в кислородной плазме на установке 08ПХО-100Т-001 в режиме: P = 65 Па, W = 1 кВт, t = 3 мин. Обработка в кислородной плазме необходима для удаления тонких пленок, образующихся в результате взаимодействия фоторезиста с химически активными компонентами фтористой плазмы. Проводят изотропное химическое травление подзатворных областей в растворе Н₃РО₄:H₂O₂:H₂O (3 мл : 1 мл : 200 мл) на глубину ~ 300 за t = 90 с для получения заданных токов насыщения. Контроль травления осуществления на тестовых структурах. Далее пластину устанавливают в кассету осаждаемой стороной вверх. Электрический контакт к нижней полуизолирующей стороне пластины создают в растворе электролита: КОН 3 г NH₄H₂PO₄ 0,3 г Н₂О 100 мл
при освещении
Для освещения используют лампу К-30-400 Вт, величина освещенности составляет 100000 люкс. В качестве электролита для осаждения барьерного слоя Re-W используют раствор:
Лимонная кислота
I-водная ОСЧ ТУ6-09-804-75 15 г (NH₄)₂SO₄ ХЧ ГОСТ 3769-73 15 г Na₂WO₂˙2H₂O 1,2 г
KReO₄ МРТУ 6-09-5288-68 3 г
Вода деионизо- ванная 100 мл
Температуру электролита 70-80^оС поддерживают в процессе осаждения, нагревая контактный электролит в нижней части кассеты. Для этого используют нагревательную спираль в кварцевой трубке, изогнутой в кольцо по периметру дна кварцевого кристаллизатора. При этом обеспечивается свободное прохождение света от нижней лампы к поверхности пластины. Через контактный электролит тепло передается к пластине и от пластины нагревается электролит для осаждения Re-W. Осаждение проводят в режиме импульсного пилообразного напряжения. Максимальная величина напряжения 80 В. Крутизна нарастания и спада напряжения S = 200 В/с. Напряжение подается с потенциостата П-5827 М управляемым внешним задатчиком напряжения ПР-8. Импульсный режим осаждения обеспечивает получение более равномерной толщины слоя Rе-W по поверхности пластины в сравнении с режимом постоянного напряжения. Максимальный ток через пластины I = 150 мА, длительность осаждения t = 2 мин. Толщина сформированного слоя Re-W составляет ~ 800. Затем пластину промывают в деионизованной воде, вновь устанавливают в кассету и проводят осаждение Au при постоянном напряжении U_яч = 5 В, I = 4 мА, в течение t = 8 мин. В качестве электролита для осаждения Au используют раствор:
Калия дициано-(1) аурат ЧДА ГОСТ 20473-75 1 г
Лимонная кислота
1-водная ОСЧ ТУ-6-09-584-75 1 г
Вода неионизо- ванная 100 мл
рН электролита ≈ 7
При гальваническом наращивании Au отсутствует эффект утонения металлизации на меза-ступеньке, характерный для метода термического напыления металлов. В результате снижаются СВЧ потери транзистора, связанные с утонением затворной дорожки. Электрохимически осаждаемый металл полностью заполняют затворную щель в SiO₂ и растет в стороны на внешней поверхности SiO₂. В результате формируется затвор грибообразной формы, верхняя часть которого нависает над прилегающими участками SiO₂(см.фиг.4). После формирования затвора проводят плазмохимическое травление SiO₂ по маске затворной металлизации, при этом верхняя широкая часть затвора защищает прилегающие участки SiO₂. Травление проводят на установке 08ПХО-100Т-005 в режиме: рабочая смесь С₃F₈: O₂ (9:1), Р = 3-5 Па, W = 500 Вт, t = 15 мин. Боковой растрав SiO₂ под маской затворной металлизации составляет небольшую величину ≈0,06 мкм. В результате, островки SiO₂ сохраняются в прилегающих к затвору областях (см. фиг. 5). С помощью фотолитографии создают фоторезистивную маску с окном над областью канала транзистора (см.фиг.6). Используют фоторезист ФП-383, Проводят термообработку пластин при температуре 95^о С t = 20 мин. Удаляют естественный окисел на поверхности полупроводника в растворе NH₄OH: H₂O (2 мл : :100 мл) за 5 с. Пластину устанавливают в кассету. Проводят электрохимическое осаждение Au-Ge на открытую поверхность канала, разделяющую уже сформированные омические контакты и островки SiO₂ под краем затворной металлизации. При толщине слоя SiO₂ 0,4 мкм осаждение контактной металлизации проводят до толщины 0,12-0,15 мкм. Электрическое разделение затворной и контактной металлизации осуществляется островками SiO₂ прилегающими к затвору. Наличие контактной разности потенциалов барьерного слоя Re-W с полупроводником уменьшает скорость осаждения Au-Ge на поверхности затвора. Для выравнивания скоростей осаждения Au-Ge на поверхности канала и на уже сформированных омических контактах поверхность пластины освещают. Используют лампу ПЖ-500 Вт. Для того, чтобы не происходила засветка фоторезиста устанавливают красный фильтр. Освещенность пластины ≈ 60000 люкс. В областях с уже сформированными контактами свет поглощается металлической пленкой и эффективная освещенность поверхности полупроводника под контактами меньше чем в открытых областях канала транзистора. После возникновения проводящей пленки металла скорости осаждения в областях над омическими контактами и над областью канала одинаковы. Режим осаждения: U_яч = =3 В, при освещении (величина освещенности ≈60000 люкс) I = 5 мА, t = 20 с, в темноте (величина освещенности ≈100 люкс) I = 2 мА, t = 1 мин. Фоторезистивную маску удаляют в диметилформамиде. Проводят вплавление омических контактов на установке лампового отжига "Импульс-5". Вплавление осуществляют за 3 импульса продолжительностью 1,6 с каждый. Максимальная температура на поверхности пластины 450^оС. Барьерный контакт Re-W является термостабильным и вплавление омических контактов не ухудшает выпрямляющих свойств затвора. Наносят защитный слой SiO₂≈0,7 мкм с помощью фотолитографии и плазмохимического травления SiO₂ на установке 08ПХО-100Т-005 формируют островки SiO₂, защищающие область канала транзистора. Затем формируют разводку с помощью гальванического осаждения металла.

Использование: при изготовлении полевых транзисторов. Сущность: способ заключается в том, что на пластину арсенида галлия с активным слоем после создания фоторезистивной маски, формирования меза-структур анодным окислением, проведения анодного окисления меза-структур, удаления фоторезиста наносят слой SiO₂, создают фоторезистивную маску с рисунком затворного слоя металлизации, из окон которого удаляют SiO₂, удаляют фоторезист, проводят анодное окисление канала по маске SiO₂, удаляют SiO₂ плазмохимическим травлением, проводят электрохимическое осаждение Au-Ge омических контактов по маске анодного окисла, удаляют анодный окисел. После вплавления омических контактов наносят слой SiO₂, создают фоторезистивную маску с рисунком затворного слоя металлизации, удаляют SiO₂ в окнах маски плазмохимическим травлением, удаляют фоторезист, создают затвор электрохимическим осаждением последовательно Re-W и Au, затем проводят электрохимическое осаждение Au-Ge омических контактов в области канала. 6 ил.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ на пластинах арсенида галлия с активным слоем, включающий создание фоторезистивной маски, формирование меза-структур анодным окислением при постоянном напряжении, удаление анодного окисла, проведение анодного окисления меза - структур, удаление фоторезиста, формирование Au - Ge омических контактов электрохимическим осаждением, вплавление омических контактов, формирование химическим травлением подзатворной области, создание затвора, нанесение защитного слоя SiO₂, формирование разводки, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годных приборов за счет улучшения качества контактов и удешевления способа за счет экономии драгметаллов, после удаления фоторезиста наносят SiO₂, создают фоторезистивную маску с рисунком затворного слоя, из окон которой удаляют SiO₂, удаляют фоторезист, проводят анодное окисление канала по маске SiO₂, удаляют SiO₂ плазмохимическим травлением, а электрохимическое осаждение Au - Ge омических контактов проводят по маске анодного окисла, затем удаляют анодный окисел, после вплавления омических контактов наносят слои SiO₂, создают фоторезистивную маску с рисунком затворного слоя металлизации, удаляют SiO₂ в окнах маски плазмохимическим травлением, удаляют фоторезист, после химического травления подзатворной области создают затвор электрохимическим осаждением последовательно Re - W и Au, удаляют SiO₂ плазмохимическим травлением по маске затворной металлизации, создают фоторезистивную маску с открытой областью канала, проводят электрохимическое осаждение Au - Ge омических контактов в области канала, удаляют фоторезист, вплавляют омические контакты в области канала.