СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С БАРЬЕРОМ ШОТКИ
METHOD TO MANUFACTURE MICROWAVE FIELD TRANSISTOR WITH SCHOTTKY BARRIER

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ устройств различного назначения.
Выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (далее коэффициент усиления) - одни из основных выходных электрических характеристик СВЧ полевых транзисторов.
Снижение паразитного электрического сопротивления, увеличение ширины электрода затвора, снижение паразитной емкости - возможные пути повышения этих характеристик.
Известен способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки (далее ПТШ), в котором с целью снижения паразитного электрического сопротивления общего электрода затвора и, как следствие, увеличения коэффициента усиления по мощности и снижения коэффициента шума, а также обеспечения компактности ПТШ выполнен в виде чередующейся структуры, так называемой гребенки электродов истока, затвора, стока. При этом единичные электроды затвора выполнены в канавках каналов между электродами исток и сток [1].
Способ включает следующую последовательность операций изготовления ПТШ на лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия с активным слоем:
- электродов стока и истока с помощью процессов литографии и вакуумного напыления системы металлов золото - германий - никель - золото в соответствующие области их расположения,
- мезаструктур с помощью процессов литографии и мелкого травления активного слоя полуизолирующей подложки арсенида галлия с последующей бомбардировкой ионами бора,
- канавок под электроды затворов посредством формирования рисунка электродов затворов в резистивном слое электронной литографией с последующим подтравливанием каналов,
- электродов затворов вакуумным напылением системы металлов, образующих барьер Шотки, например, титан - алюминий - титан в соответствующие области их расположения,
- рисунка из слоя пассивирующего диэлектрика с использованием процессов литографии и плазмохимического осаждения нитрида кремния или двуокиси кремния,
- «воздушных мостов» и контактных площадок посредством процессов литографии и локального осаждения металлизационного покрытия, в том числе с использованием осаждения слоя золота электролитическим методом,
- шлифовку и полировку обратной стороны полуизолирующей подложки арсенида галлия,
- сквозных отверстий на обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия,
- металлизацию обратной поверхности полуизолирующей подложки и сквозных отверстий.
Данный способ отличается неидентичностью каналов из-за неточности совмещения единичных электродов затвора в них, что обусловлено несовершенством как способа изготовления, так и используемого при этом технологического оборудования.
Неидентичность каналов в свою очередь приводит к снижению эффективности сложения мощности каналов и, следовательно, снижению выходной мощности и коэффициента усиления.
Известен способ изготовления мощного СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки на полуизолирующей подложке арсенида галлия с активным слоем, выполненного также в виде чередующейся структуры более одной последовательности единичных электродов истока, затвора, стока и согласно той же последовательности операций, что и в предыдущем аналоге [2],
в котором с целью устранения неидентичности каналов
- между парами электродов исток-сток формируют области полуизолирующего арсенида галлия,
- а в парах электродов исток-сток формируют каналы с канавками, в последних формируют электроды затвора с ограниченной длиной, не более 0,7 мкм,
- а металл или систему металлов, образующих барьер Шотки в области единичных электродов затвора, напыляют под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону электрода истока.
Последнее обеспечивает смещение единичных электродов затвора в одну сторону, а именно ассиметрично в сторону электрода истока, и тем самым обеспечивается повышение пробивного напряжения между единичными электродами сток-затвор, что в свою очередь позволяет повысить напряжение питания единичного электрода стока и, как следствие, увеличить выходную мощность и коэффициент полезного действия ПТШ.
Однако, с другой стороны, этот способ отличается невоспроизводимостью расположения единичных электродов затвора в канавках каналов и, соответственно, невоспроизводимостью пробивного напряжения и паразитного электрического сопротивления между единичными электродами исток-затвор и, как следствие - снижение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия.
Достигнутые преимущества второго аналога относительно первого несколько нивелируются, но уже вследствие иных недостатков.
Известен способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, в котором металл или систему металлов, образующих барьер Шотки в области единичного электрода затвора, также напыляют под углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону единичного электрода истока [3 - прототип],
в котором с целью обеспечения воспроизводимости расположения единичных электродов затвора в канавках каналов и, как следствие, высокого и воспроизводимого пробивного напряжения и низкого паразитного сопротивления между единичными электродами исток-затвор, при той же последовательности операций, что и в предыдущем аналоге,
- напыление металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области электрода затвора, осуществляют под упомянутым углом, равным 102-112°, при этом упомянутую величину угла обеспечивают посредством соответствующего взаимного расположения лицевой поверхности полуизолирующей подложки и источника напыляемого металла или системы металлов, а именно
- в каждой паре единичных электродов исток-сток упомянутый угол в области единичного электрода затвора, примыкающий к единичному электроду истока, превышает на 24-44° аналогичный угол, примыкающий к единичному электроду стока, и одновременно перпендикулярен ширине канала,
- расстояние между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и источником напыляемого металла или системы металлов берут равным 400-700 мм.
Данный способ, благодаря оптимизации ширины области полуизолируещего арсенида галлия, ширины и глубины канавок, равно как и расположения единичных электродов затвора в канавках, обеспечивает воспроизводимость расположения единичных электродов затвора в канавках каналов и тем самым высокое и воспроизводимое пробивное напряжение и низкое паразитное электрическое сопротивление между единичными электродами исток-затвор,
И, как следствие, дальнейшее повышение выходной мощности, коэффициента усиления и коэффициента полезного действия ПТШ.
Выходная мощность ПТШ, изготовленного данным способом, - порядка 750 мВт, коэффициент усиления - порядка 10 дБ на частоте 10 ГГц.
Однако эти достаточно высокие выходные электрические параметры являются не достаточными для применения данного ПТШ в качестве активного элемента в ряде устройств СВЧ, например усилителей мощности для активных фазированных антенных решеток (АФАР), где требуются значительно более высокие удельная мощность и коэффициент полезного действия.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, коэффициента полезного действия СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки при сохранении его надежности и расширении функциональных возможностей.
Технический результат достигается заявленным способом изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, включающим изготовление на лицевой поверхности полуизолирующей подложки с активным слоем:
- по меньшей мере, одной пары электродов истока и стока с каналом между ними,
- канавки в канале под электрод затвора,
- электрода затвора типа барьер Шотки, асимметрично расположенного в сторону электрода истока,
- при этом упомянутое изготавливают посредством процессов литографии и напыления металла или системы металлов, образующих омические контакты в области истока и стока, и барьер Шотки в области затвора,
металл или систему металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, напыляют под заданным углом к лицевой поверхности полуизолирующей подложки в сторону электрода истока и
последующим удалением технологических слоев,
в котором
- перед изготовлением канавки под электрод затвора на активный слой полуизолирующей подложки наносят дополнительный диэлектрический слой, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость толщиной, равной 0,1-0,5 мкм, при температуре полуизолирующей подложки 150-320°С,
- локализуют дополнительный диэлектрический слой в виде ступеньки посредством процессов электронно- либо фотолитографии и последующего плазмохимического травления при мощности 12-18 Вт, давлении системы газов 180-200 мТорр, в течение 50-90 секунд,
- а при изготовлении электрода затвора типа барьер Шотки электронно- либо фоторезистивную маску формируют с длиной окна 0,5-0,9 мкм, толщиной 0,7-1,2 мкм и со сдвигом 0,3-0,6 мкм по горизонтальной поверхности дополнительного диэлектрического слоя относительно торца его ступеньки, обеспечивающим зазор между упомянутым торцом и верхним краем электронно- либо фоторезистивной маски со стороны электрода стока,
- а упомянутый заданный угол при напылении металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, представляет собой угол между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и вектором потока напыляемого металла или системы металлов величиной, равной (70-90)°,
- при этом длину электрода затвора задают исходя из выражения:
l=w-s-h×ctg α,
где l - длина электрода затвора,
w - длина окна в электронно- либо фоторезистивной маске,
s - сдвиг электронно- либо фоторезистивной маски по
горизонтальной поверхности дополнительного диэлектрического слоя относительно торца его ступеньки,
h - толщина электронно- либо фоторезистивной маски,
α - угол между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и вектором потока напыляемого металла или системы металлов.
III
V
Полуизолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала группы АВ, а активный слой - например, в виде слоя n-типа проводимости арсенида галлия либо гетероструктуры с двумерным электронным газом.
В каждой паре электродов исток-сток упомянутый заданный угол в области единичного электрода затвора обеспечивают, например, взаимным расположением лицевой поверхности полуизолирующей подложки и источника напыляемого металла или системы металлов на расстоянии, равном 400-700 мм.
Удаление технологических слоев осуществляют методом «взрыва».
Дополнительный диэлектрический слой наносят, например, из нитрида кремния либо двуокиси кремния посредством плазмохимического напыления.
Система газов при плазмохимическом травлении диэлектрического слоя представляет собой смесь из кислорода, элегаза, гелия, фреона.
Раскрытие сущности изобретения
Совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки, а именно:
нанесение перед изготовлением электрода затвора на активный слой полуизолирующей подложки при указанной ее температуре дополнительного диэлектрического слоя, имеющего низкую диэлектрическую проницаемость, указанной толщиной
в совокупности с последующей его локализацией в виде ступеньки и посредством предлагаемой последовательности операций и их режимов,
в совокупности с указанным формированием электронно- либо фоторезистивной маски при изготовлении электрода затвора обеспечивает:
во-первых, формирование электрода затвора относительно его боковой поверхности со стороны электрода стока по высоте с разным размером поперечного сечения в сторону электрода истока, верхним - длинным и нижним - коротким, при этом обеспечивается расположение превышающей верхней - длинной части электрода затвора на поверхности этого дополнительного диэлектрического слоя и тем самым обеспечивается:
а) снижение паразитного электрического сопротивлении единичного электрода затвора и соответственно - паразитного электрического сопротивления общего электрода затвора,
б) снижение паразитной емкости между электродами затвор-сток;
во-вторых, снижение паразитной емкости между электродами затвор-сток и соответственно уменьшение возможности возникновения ее как элемента нежелательной положительной обратной связи, приводящей к паразитной генерации;
в-третьих, обеспечивает оптимизацию расстояния от единичного электрода затвора до края канавки канала со стороны электрода истока и тем самым - снижение паразитного электрического сопротивления между электродами затвор-исток и одновременно - увеличение пробивного напряжения между электродами затвор-исток и затвор-сток;
в-четвертых, обеспечивает жесткость конструкции электрода затвора, его механическую прочность и как следствие - сохранение у надежности ПТШ.
И как следствие всего этого - повышение коэффициента усиления, выходной мощности и, соответственно, коэффициента полезного действия, при сохранении надежности и расширении функциональных возможностей ПТШ.
Наличие зазора между торцом ступеньки дополнительного диэлектрического слоя и верхним краем электронно- либо фоторезистивной маски со стороны электрода стока и в совокупности с напылением металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора с заданным углом между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и вектором потока напыляемого металла или системы металлов, обеспечивает:
во-первых, дальнейшую оптимизацию заданного угла напыления металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, и тем самым дальнейшее повышение воспроизводимости расположения электрода затвора в канавке канала и, как следствие, дальнейшее повышение пробивного напряжения электродов сток-затвор и дальнейшее снижение паразитного электрического сопротивления электродов исток-затвор,
во-вторых, возможность реализации ПТШ с оптимально-минимальной и более того с заданной, рассчитано-требуемой длиной затвора,
и, как следствие, дальнейшее повышение коэффициента усиления, выходной мощности и, соответственно, коэффициента полезного действия.
Выполнение дополнительного диэлектрического слоя толщиной менее 0,1 мкм и более 0,5 мкм нежелательно, так как приводит:
в первом случае к нежелательному увеличению паразитной емкости между электродами затвор-исток,
а во втором:
а) к возможному разрыву между нижней - короткой частью и верхней - длинной частью электрода затвора и тем самым к нарушению механической прочности и, соответственно, надежности ПТШ в целом,
б) к возможным затруднениям при проведении процесса «взрыва».
Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления ПТШ обеспечивает в полной мере указанный технический результат - повышение выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, коэффициента полезного действия при сохранении надежности и расширении функциональных возможностей.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 дан фрагмент структуры полевого транзистора с барьером Шотки, изготовленный заявленным способом, содержащий одну пару электродов истока и стока.
На фиг.2 (а-в) дана последовательность операций его изготовления.
На чертежах:
- полуизолирующая подложка арсенида галлия 1 с активным слоем 2,
- пара электродов истока и стока 3 и 4 соответственно с каналом 5 между ними,
- канавка 6 в канале 5, под электрод затвора 7,
- заданный угол 8 напыления металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора, к лицевой поверхности полуизолирующей подложки,
- технологические слои 9,
- дополнительный диэлектрический слой 10 в виде ступеньки,
- электронно- либо фоторезистивная маска 11,
- сдвиг электронно- либо фоторезистивной маски 12 по горизонтальной поверхности ступеньки дополнительного диэлектрического слоя,
- зазор 13 между торцом ступеньки дополнительного диэлектрического слоя и верхним краем фоторезистивной маски со стороны электрода стока,
- вектор потока 14 металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области электрода затвора, к лицевой поверхности полуизолирующей подложки от источника 15.
Примеры конкретного выполнения СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки согласно заявленному способу его изготовления (мощного ПТШ)
Пример 1
17
3
ПТШ выполнен на лицевой поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия 1 с активным слоем 2, например, n-типа проводимости, толщиной 0,3 мкм и концентрацией легирующей примеси не более 4×10 см, из одной пары электродов истока 3 и стока 4, канала 5 с канавкой 6 под электрод затвора 7.
Ширина канавок 6 равна 1,1 мкм, глубина 0,1 мкм.
Задаем:
w - длину окна в фоторезистивной маске равной 0,7 мкм,
s - сдвиг фоторезистивной маски по горизонтальной поверхности дополнительного диэлектрического слоя относительно торца его ступеньки равным 0,40 мкм,
h - толщину фоторезистивной маски равной 0,9 мкм,
α - угол между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и вектором потока напыляемого металла или системы металлов величиной, равной 80°.
Рассчитываем длину электрода затвора 7 согласно указанному выражению:
l=0,7-0,4-0,9×0,18=0,14 мкм.
При этом электрод затвора 7 смещен в сторону электрода истока 3.
Заявленный способ включает следующую последовательность операций:
- на лицевой поверхности полуизолирующей подложки 1 с активным слое 2 формируют топологию омических контактов посредством процесса фотолитографии,
- далее изготавливают электроды истока 3 и стока 4 с одновременным формированием канала 5 между ними посредством процессов фотолитографии и вакуумного напыления системы металлов сплав золото - германий (88 и 12% соответственно) - никель - золото толщиной, равной 0,05, 0, 015, 0,2 соответственно и последующим удалением технологических слоев методом «взрыва» (фиг.2а),
- наносят на активный слой 2 полуизолирующей подложки 1 дополнительный диэлектрический слой 10, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость, из двуокиси кремния толщиной, равной 0,3 мкм, при температуре полупроводниковой подложки 235°С,
- локализуют дополнительный диэлектрический слой 10 в виде ступеньки посредством процессов фотолитографии и последующего плазмохимического травления при мощности 15 Вт, давлении системы газов 190 мТорр, в течение 70 секунд (фиг.2б),
- изготавливают электрод затвора 7 в канавках 6 каналов 5, асимметрично расположенных в сторону единичных электродов истока 3, для чего:
- формируют фоторезистивную маску 11 с указанными выше длиной и толщиной окна (0,7 и 0,9 мкм соответственно) и сдвигом 12, равным 0,4 мкм, по горизонтальной поверхности ступеньки дополнительного диэлектрического слоя 10, относительно торца его ступеньки, обеспечивающим зазор 13 между упомянутым торцом и верхним краем фоторезистивной маски со стороны электрода стока,
- располагают лицевую поверхность полуизолирующей подложки арсенида галлия 1 относительно источника 15 напыляемого металла или системы металлов на расстоянии, равном 550, и указанным выше углом 8, равным 80°, между лицевой поверхностью полуизолирующей подложки и вектором потока 14 металла или системы металлов, образующих барьер Шотки в области затвора,
- далее в область электрода затвора напыляют систему металлов, образующих барьер Шотки, например, титан - алюминий - титан толщиной, равной 0,1, 0,5, 0,1 соответственно (фиг.2в),
- далее удаляют технологические слои методом «взрыва» и получают структуру ПТШ (фиг.1).
Далее осуществляют методами классической технологии другие необходимые операции для реализации работы ПТШ, а именно изготавливают рисунок пассивирующего диэлектрика, «воздушные мосты», шлифовку и полировку обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия, сквозные отверстия на обратной поверхности полуизолирующей подложки арсенида галлия, металлизируют обратную поверхность диэлектрической подложки арсенида галлия и сквозные отверстия в ней.
Примеры 2-9
Аналогично примеру 1 изготовлены ПТШ, но при других значениях толщины дополнительного диэлектрического слоя, температуры полупроводниковой подложки и режимах плазмохимического травления дополнительного диэлектрического слоя, а также с иным материалом дополнительного диэлектрического слоя и иным процессом литографии (электронной) (примеры 2-6), а также с указанными технологическими параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения (примеры 7-8), а также по способу-прототипу (пример 9).
На изготовленных образцах ПТШ были измерены выходная мощность, коэффициент усиления и определен коэффициент полезного действия.
Образцы мощного ПТШ, изготовленные согласно заявленному способу, имеют по сравнению с прототипом более высокую выходную мощность примерно 1000 мВт, более высокий коэффициент усиления по мощности примерно 12 дБ на частоте 10 ГГц и соответственно более высокий коэффициент полезного действия.
Образцы ПТШ, изготовленные с параметрами, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения, равно как образец прототипа (пример 9), имеют более низкую выходную мощность примерно 750 мВт, более низкий коэффициент усиления по мощности примерно 10 дБ на частоте 10 ГГЦ и соответственно более низкий коэффициент полезного действия.
Таким образом, заявленный способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шотки обеспечит по сравнению с прототипом повышение
- выходной мощности примерно на 25-30 процентов,
- коэффициента усиления примерно на 2 дБ на частоте 10 ГГц,
- и соответственно коэффициента полезного действия на 5-10 процентов.
Данные достаточно высокие электрические параметры полевого транзистора с барьером Шотки, изготовленного заявленным способом, позволят значительно расширить его функциональные возможности в качестве активного элемента в ряде устройств СВЧ-диапазона, например усилителей мощности для активных фазированных антенных решеток, где, как сказано выше, требуется более высокая удельная мощность и более высокий коэффициент полезного действия.
Более того следует особо отметить, что заявленный способ позволяет формировать электрод затвора с минимальной длиной, при этом меньшей, чем позволяет современное технологическое оборудование при использовании других известных на сегодня способов изготовления полевого транзистора с барьером Шотки.
Источники информации
1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. Под ред. Д.В.Ди Лоренцо, Д.Д.Канделуола, Перевод с английского под ред. Г.В.Петрова, М., «Радио и связь», 1988 г., стр.118.
2. «Мощные GaAs полевые СВЧ транзисторы со смещенным затвором», авторы Лапин В.Г., Красник В.А., Петров К.И., Темнов A.M. Одиннадцатая Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Сборник материалов конференции 10-14 сентября 2001 г., Севастополь, Крым, Украина, стр.135.
3. Патент РФ №2361319 МПК H01L 29/812, приоритет 09.01.08, опубл. 10.07.09 - прототип.