Способ изготовления полевых транзисторов на арсениде галлия Советский патент 1993 года по МПК H01L21/335 

Изобретение относится к электронной технике, а именно, к способу изготовления СВЧ транзистора на арсениде галлия.

Целью предлагаемого изобретения яв.- ляется улучшение электрических характеристик транзистора за счет повышения точности выполнения затвора субмикронной длины.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления полевого транзистора на арсениде галлия, включающем последовательное нанесение диэлектрических слоев 5Юг и , формирование отверстий в маске и диэлектрических слоях и нанесение металлических слоев в вакууме, слой SiO наносят пиролитимеским разложением тетраэтоксисилана непосредствен но на поверхность GaAs ппастины. затем 51зМ4 наносят магнетронным способом в вакууме, а создание отверстий в слое SiaN/i проводится ионно-химическим травлением. а в слое SI02 - жидкостным химическим травлением, при этом суммарная толщина диэлектрических слоев составляет 0.6- 0.8 размера отверстий в маске.

Кроме того, поставленная цель достига ется тем, что ионно-химическое травление SiaNa проводят через маску электронорели ста, а жидкостное химическое травление SiOz проводят после снятия электроморечи ста и формирования маски фоторезиста л,л«

00 СА)

ы

со

CJ

получения взрывным методом затвора Т-образной формы.

Нанесение слоев 5Ю2 - пиролитиче- ским способом, а затем SiaN4 - магнетрон- ным способом с суммарной толщиной не превышающей 0,6...0,8 от размера отверстия в маске позволяет осуществить точную передачу размера отверстия от изображения в фото- или электронорезистивной маске к изображению в верхнем слое SisN. Это осуществляется ионно-химическим травлением SisN4. Уход размера не превышает 5% от исходной величины. А жидкостное химическое травление 5Юз практически не влияет на изменение размера отверстия в силу высокой селективности процесса жидкостного травления - что обеспечит повышение точности выполнения затвора субмикронной длины и, следовательно, улучшение электрических характеристик.

Проведение ионно-химического травления SI3N4 через маску электронорезиста, а жидкостного химического травления слоя SiO2 через отверстие в и в маске другого слоя фоторезиста дополнительно повышает точность передачи размера затвора, что особенно влияет на улучшение электрических параметров как мощных и средней мощности транзисторов, так и малощумя- щих транзисторов СВЧ-диапазона на GaAs. Данное изобретение существенно, т.к. оно обеспечивает значительный технический эффект, заключающийся в создании полевого транзистора на GaAs с затвором субмикронной длины. В зарубежной практике подобные задачи решены более сложными методами нанесения и обработки тройных фото- и электронорезистивных систем, предъявляющих высокие требования к качестве самих резисторов, так и к технологии их обработки.

Для подтверждения получения дополнительного эффекта рассмотрим более детализированный пример реализации в контексте полного технологического цикла изготовления полевого транзистора на ар- сениде галлия.

Исходная пластина полуизолирующего арсенида галлия со сформированной структурой контактного, активного и буферного слоев вначале проходит операции ориентации, отмывки, формирования мезы. Участки мезы, защищенные маской фоторезиста ФП383, обтравливаются перекисно-амми- ачным травителем или травителем на основе ортофосфорной кислоты на глубину 200...300 X. Выбор травителя определяется стремлением, с одной стороны, получить четкий рисунок рельефа для последующего совмещения, а с другой стороны, обеспечить достаточно плавную ступеньку мезы, чтобы не допустить впоследствии разрыва контактной металлизации. В этом плане предпочтительнее травитель на основе ортофосфорной кислоты.

Поскольку обтравливание мезы на большую глубину нецелесообразно по требованиям прецизионности формирования последующих технологических слоев и, особенно, целостности и надежности металлизации на ступеньках рельефа, то основную изоляцию активных областей осуществляют методом протонной бомбардировки на глубину до 1 мкм. Этого вполне достаточного,

5 так как суммарная толщина контактного (0,12...0,15 мкм) и активного слоя (0,12,..0,20 мкм) не превышает величины 0,35 мкм.

После снятия фоторезистивной маски с образовавшихся меза - областей следует

0 формирование омических контактов методом напыления сплава золото-германий и золота, взрыва многослойной маски из диэлектрика и фоторезиста и последующего вжигания. Для этого сначала наносят доста5 точно толстый слой двуокиси кремния комбинацией методов пиролитического и магнетронного осаждения суммарной толщины 0,5 мкм. Из фоторезиста ФП383 формируют маску с окнами для контактных

0 площадок. Через эти окна вытравливают окна в двуокиси кремния. Напыление золото- германиевого сплава толщиной до 0,05 мкм и золота общей толщиной 0,25...0,3 мкм проводится вакуумным термическим испарени5 ем из двух лодочек на холодную подложку. После взрыва маски контактную металлизацию вжигают в прямонакальной печи в атмосфере азота при температуре около 460°С в течение 2 мин.

0 Перечисленные операции являются достаточной типовыми, широко описанными в литературе и стандартными практически для всех типов полевых транзисторов на арсениде галлия с барьером Шоттки, выпу5 скаемых на нашем предприятии. Единственное, что требуется отметить, что одновременное омическими контактами создаются фигуры знаков совмещения для всех последующих операций, включая элек0 тронную литографию.

Последующий технологический маршрут разделяется на две ветви - для мощных и для мвлощумящих транзисторов. Для мощных транзисторов в промежутке разме5 ром 4 мкм между омическими контактами стока и истока методом фотомаскировки и химического травления удаляется контактный слой из канавки, ширина которой составляет 1,6. ..2.0 мкм. Толщина оставшегося слоя контролируется по величине некоторого заранее заданного тока насыщения с запасом на последующее до- травливание. Таким образом, наряду с рельефом меза - областей и омических контактов в этом технологическом маршруте появляется рельеф так называемых токовых канавок глубиной 0,12...0,15 мкм. Во втором технологическом маршруте (для малошумящих транзисторов) контактный слой будет вытравливаться через затворное окно и на данном этапе дополнительного рельефа между омическими контактами стока и истока не будет.

Следующие операции - общие для того и другого маршрутов, создание двухслойной диэлектрической маски для прецизионной затворной щели субмикронного размера.

Первым наносится слой двуокиси кремния методом пиролитического разложения тетраэтоксисилзна в атмосфере аргона при температуре 290°С с визуальным контролем толщины по цвету. Точность получения заданной толщины с номиналом 0,12 мкм и разбросом ±0,01 мкм определяется цветовым контрастом, однородность толщины обеспечивается вращением держателя подложек в камере реактора (тип установки УНДП-2). Дефектность, влияющая на стабильность скорости химического травления контролируется косвенно по числу светя-, щихся точек в темном поле микроскопа (например, типа БИОЛАМ), а также прямым способом травления контрольного образца. Типичная скорость травления в буферном травителе NH iF:HF:H2O500:100:500 должна составлять 0,1-0,15 мкм/мин.

Затем на установке типа УРМЗ.279.026 наносится слой нитрида кремния из стандартного магнетронного источника с кремниевой мишенью в атмосфере аргона и азота, парциальное давление которых задается натекателями и контролируется по показаниям вакуумметра, а выбор и поддержание стабильного режима осуществляется контролем и регулированием тока магнетронного разряда при фиксированном напряжении так, чтобы мощность разряда составляла 920±20 Вт. Температура подложки 200°С. При поддержании стабильного режима толщина пленки пропорциональна времени. Так, слой SiaN/i толщиной 0,09 мкм наносится за время 6 мин. Для обеспечения высокой селективности химического травления двуокиси кремния по отношению к нитриду кремния на контрольном образце оценивается скорость химического травления SI3N4. Поскольку в буферном травителе скорость неразличимо мала, контрольное травление проводится в плавиковой кислоте. Для хороших пленок время травления слоя толщиной 0,09 мкм лежит в пределах 2-3 мин.

5Следующая операция - электронное

экспонирование затворной маски: Используется электронной резист марки ЭЛП-9. Наносится центрифугированием при скорости вращения 4000 об/мин в течение 30 с.

0 Сушка осуществляется в термостате при температуре 170°С 30 мин. Экспонирование проводится по программе в автоматическом режиме на установке Z ВА-20 (ф. Карл Цейс, Йена). Затворная щель экспонируется

5 методом набора прямоугольных штампов размером 0,2x1,0 мкм с коэффициентом пе- рекрытия 2.

Одновременно с затворной щелью про0 водится экспонирование контактных областей истока, стока, затвора. Электронный резист ЭЛП-9 является позитивным, поэтому экспонированные участки при проявлении вымываются, образуя окна. Проявление

5 ведется в смеси метилэтилкетона (МЭК) и изопропилового спирта с соотношением 4:3. Качество проявления контролируется по времени и визуально под оптическим микроскопом с предельным разрешением

0 около 0,3 мкм. Более высокое разрешение обеспечивается электронным сканирующим микроскопом типа ZRM-20, но он используется только для выборбчного контроля, т.к. не приспособлен для экс5 пресс-анализа. Сушка полученной маски из электронного резиста проводится в термостате с подъемом температуры от комнатной до 110°С и выдержкой 30 мин. После этого наиболее критичный размер - ширина

0 затворной щели оценивается как 0,3-0,35 мкм.

Ключевая операция, определяющая предмет данной заявки, состоит в передаче полученного размера от затворного окна в маске электронного резиста к окну в буду5 щей маске из нитрида кремния. Используется метод ионно-химического травления на установке типа УВН-29 с источником типа Плазма-Радикал. Скорость травления лежит в пределах 30-40 А в минуту и контро0 лируется визуально по цветовому контрасту на спутниках с одиночным слоем SI3N4 толщиной 0,09 мкм (который надо удалить полностью) и двухслойной системой SiOs-SiaN толщиной 0.2-0,22 мкм (в которой надо ос5 тавить.слой 5Юг по возможности не тоньше 0.1 мкм).

В результате ионно-химического травления удается сформировать окно для затворной щели в слое нитрида кремния с

размером превышающим размер в электро- норезистивной маске не более, чем на 5%. С этого момента самый критичный размер, определяющий длину затвора будущего транзистора и, следовательно, его частотные, мощностные или шумовые свойства, уже жестко фиксирован для последующих операций с помощью достаточно устойчивой по своим механическим, физическим и химическим свойствам маски.

Теперь можно приступить к получению затвора. Из литературы и простых физических соображений ясно, что наилучшей фор- мой сечения затвора является так называемая Т-образная или грибовидная (последний термин чаще употребляется в зарубежных источниках). Особенно это важно для узких затворных щелей, обеспечивающих наименьшую длину пролета носителей под затвором и. следовательно, наивысшую рабочую частоту транзистора. Поскольку в узкой нижней части затворной металлизации сечение мало, а продольное сопротивление затворного пальца оказывается велико и приводит к заметному падению полезного сигнала, то необходимо увеличить сечение за счет верхней широкой части (шляпки гриба - по зарубежной терминологии). На этот счет в литературе существует много возможных методов. Но наиболее красивые из них достаточно сложны в реализации (убедительный пример а.с. СССР № 1565302 А Г И.Н. Серова и др. приоритет 14.04.88). Предлагаемый нами метод проще и практичнее. Снимается электронный резист, наносится относительно толстый слой (1,1-1,2 мкм) фоторезиста ФП- 383 на центрифуге со скоростью вращения 2500-2700 об/мин. С помощью фотолитографии формируется окно для верхней широкой части сечения затвора. Размер окна в этой маске 1,1-1,4 мкм, что позволяет, пользуясь специальными знаками совмещения вписать в него затворную щель, созданную в слое 51зМ4 размером 0,35 мкм. Причем боковые крылья будущей верхней крышки затвора смогут опираться на прочную основу.

Здесь технологические маршруты мощных и малощумящих транзисторов несколько расходятся. Для мощных рельеф активной области канала уже был сформирован, осталось только провести химическое дотравливание затворной щели в SI02 вбуферномтравителе

(NH4F:HF:H20 500:100:500) за время 40-50 с строго до поверхности GaAs без излишнего бокового растравливания. Затем проводится вторая стадия - дотравливание активной области арсенидгаллиевого кана

ла в перекисно-аммиачном травителе (NH4QH:H202:H20 20:7:1000) со скоростью 5-7 А/с до окончательного значения, толщины канала, контролируемой по величине тока насыщения сток-исток.

Для малощумящих транзисторов химическое травление SiCte проводится за время 2,5-3 мин для получения бокового подтрав- ливания (0,3-0,4 мкм на сторону), после чего

в одну стадию проводится вытравливание контактного и части активного слоя арсе- нидгаллиевой структуры до заданной толщины.

Следующая операция - напыление контактной системы титан-платина-золото, обеспечивающей затворный барьер Шоттки и металлизацию контактных областей стока, истока и затвора. Напыление осуществляется в модернизированной установке УВН71П - с безмасляной откачкой. Слои титана толщиной около 300 А и платины - 500 А наносятся из раздельных магнетронных источников, золото - 0,35-0,4 мкм термическим испарением из лодочки в одном

процессе. Метод обеспечивает достаточно надежную адгезию и хорошие качества барьера Шоттки.

Окончательное формирование рисунка металлизации происходит после взрыва фоторезистивной маски в холодном диметил- формамиде. Соотношение толщин фоторезиста (1,1-1,2 мкм) и металлизации (0,4-0,45 мкм) определяет технологичность и воспроизводимость взрывного процесса.

Завершающие операции вполне стандартны. Утоньшение пластин шлифовкой обратной стороны до 120-150 мкм, разбраковка по статическим параметрам, разделение на кристаллы, сборка в корпус, проверка и отбор по динамическим параметрам.

Подводя итоги, сформулируем кратко1, основные преимущества предполагаемого изобретения:

-по первому пункту формулы: создание на нитрид кремния затворной маски субмикронных размеров с устойчивыми мехачическими, физическими и химическими свойствами;

-по второму пункту формулы: обеспечивается простой и воспроизводимый метод получения Т-образного сечения затворной

металлизации, в результате которого боковые крылья верхней крышки имеют прочную опору из двухслойного диэлектрика, служащего к тому же и пассивирующим покрытием активной области транзисторной структуры.

Положительный эффект подтверждается конкретными параметрами полученных по предлагаемому способу транзисторов, превышающими отечественный уровень и представленными ниже.

Использование предложенного способа с двойным травлением контактного и рабочего слоев GaAs-структуры при создании класса мощных и средней мощности приборов позволило получить на частоте 12 ГГц отдаваемую мощность более 2 Вт с коэффициентом усиления более 5 дБ, на частоте 18 ГГц - более 1 Вт с усилением более 4 дБ, на частоте 26 ГГц - более 250 мВт с усилением более 3,5 дБ, на частоте 37 ГГц - около 100 мВт с усилением более 3 дБ, на частоте 45 ГГц - около 40 мВт с тем же усилением и на частоте 60 ГГц - около 15 мВт.

Ранее использовавшиеся способы на частоте 12 ГГц позволяли достигнуть уровня 1 Вт с усилением 3 дБ, а на частоте 18 ГГц - 300 мВт с усилением 3 дБ (как это видно из описания а.с. № 1347827А1).

На частотах от 26 до 60 ГГц прежние методы в принципе не позволяли получить работающие приборы, и предложенный здесь способ на сегодня является единственным в отечественной практике, обеспечивающим не только принципиальную возможность, но и серийное производство мощных и средней мощности транзисторов в диапазоне Частот до 45 ГГц.

Приборы, изготовленные по второму способу позволило получить на частоте 12 ГГц коэффициент шума менее 1,1 дБ с усилением более 9 дБ. Ближайший отечественный аналог ЗП343 имеет коэффициент шума на этой частоте менее 1,5 дБ при том же усилении.

Обеспечение точного воспроизведения размера затвора, предложенное в данном изобретении приводит к повышению выхода годных приборов в производстве.

Формула изобретения

1.Способ изготовления полевых транзисторов на арсениде галлия, включающий формирование активных областей приборов на структуре арсенида галлия с рабочим и контактным слоем, формирование омических контактов, последовательное нанесение диэлектрических слоев нитрида и диоксида кремния, формирование маски с окном под затвор, вытравливание окна в диэлектрических слоях, нанесение металлических слоев, о тличающийся тем, что, с целью, улучшения электрических характеристик за счет повышения точности изготовления затвора субмикронной длины, после формирования омических контактов наносят слой диоксида кремния пиролитическим разложением тетраэтоксисилана, затем наносят слой нитрида кремния мэгнетронным способом, окно в слое нитрида кремния формируют ионно-химическим травлением, а в слое диоксида кремния - жидкостным химическим травлением, при этом суммарная толщина диэлектрических слоев составляет 0.6-0,8 ширины окна под затвор в маске..

2.Способ по п. 1,отличающийся тем. что, с целью получения Т-образной формы сечения металлизации затвора, ионно- химическое травление окна в слое нитрида проводят через маску электронорезистэ, а жидкостное химическое травление окна в слое диоксида проводят после снятия элек- тронорезиста и формирования маски фоторезиста с отверстием для верхней широкой части сечения затворной металлизации.

Использование: микроэлектроника, технология изготовления полевых транзисторов на арсениде галлия с затвором субмикронной длины. Сущность изобретения: после формирования омических контактов на структуре арсенида галлия с рабочим и контактным слоем наносят слой диоксида кремния пиролитическим разложением тетрээтоксисилана. затем наносят слой нитрида кремния магнетронным способом, формируют окно под затвор в слое нитрида кремния ионно-химическим травлением, а в слое диоксида кремния - жидкостным химическим травлением, при этом суммарная толщина диэлектрических слоев составляет 0,6...0,8 от ширины окна под затвор в маске. Т-образная форма металлизации затвора достигается за счет использования при жидкостном химическом травлении окна в слое диоксида маски фоторезиста с отверстием для верхней широкой части сечения затворной метзллизэ ции. 1 з.п. ф-лы.