ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
TRANSISTOR BASED ON SEMICONDUCTOR COMPOUND AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

III
V
Изобретения относятся к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения монолитных интегральных схем (МИС) на основе полупроводниковых соединений AB, в частности к созданию транзистора на основе полупроводникового соединения, не содержащего драгоценных металлов и способу его изготовления.
x
Известен гетеробиполярный транзистор (Патент US 7420227, МПК H01L 29/45, опубл. 02.09.2008 г.), в котором омический контакт к области полупроводника n-типа проводимости выполнен на основе тонких пленок Pd/Ge/WN/Cu или Pd/Ge/Cu, где слой Pd расположен на поверхности полупроводниковой пластины, омический контакт к области полупроводника р-типа проводимости выполнен на основе тонких пленок Pt/Ti/Pt/Cu, где слой Pt расположен на поверхности полупроводниковой пластины, межэлементные соединения выполнены на основе тонких пленок Ti/Pt/Cu, где слой Ti расположен на поверхности слоя Cu.
Недостатком данного транзистора является недостаточно низкая себестоимость его изготовления, обусловленная использованием тонких пленок Pd в составе омического контакта к полупроводнику n-типа проводимости, а также тонких пленок Pt в составе омического контакта к полупроводнику р-типа, проводимости и в межэлементных соединениях, а также низкая термостабильность параметров транзистора.
Известен транзистор на основе полупроводникового соединения (Патент US 7368822, МПК H01L 23/48, опубл. 06.05.2008 г.). Устройство представляет собой полевой транзистор с барьером Шоттки, либо гетероструктурный полевой транзистор с высокой подвижностью электронов, либо гетеробиполярный транзистор, состоящий из омических контактов и воздушных мостов, в которых омические контакты выполнены на основе тонких пленок Pd/Ge/Cu, где тонкая пленка Pd расположена на поверхности полупроводниковой пластины и имеет толщину 5-100 нм, тонкая пленка Ge расположена на поверхности тонкой пленки Pd и имеет толщину 50-1000 нм, а тонкая пленка Сu расположена на поверхности тонкой пленки Ge и имеет толщину 50-1000 нм.
Недостатком известных транзисторов является недостаточно низкая себестоимость изготовления, обусловленная использованием тонких пленок Pd в составе омического контакта, а также низкая термостабильность параметров приборов.
Наиболее близким к заявляемым устройству и способу его изготовления по наибольшему числу существенных признаков являются транзистор на основе полупроводникового соединения и способ его изготовления, выбранные нами за прототип (Е.В.Ерофеев, В.А.Кагадей, С.В.Ишуткин, К.С.Носаева, Е.В.Анищенко, B.C.Арыков/ Разработка бездрагметального GaAs pHEMT транзистора с субмикронным Т-образным затвором // Доклады ТУСУРа, №2 (22), часть 1, с.183-186, декабрь 2010). Устройство представляет собой гетероструктурный полевой транзистор с высокой подвижностью электронов, состоящий из омических контактов истока и стока, а также затвора, в котором омические контакты истока и стока выполнены на основе тонкопленочного соединения Ge и Cu, где тонкая пленка Ge расположена на поверхности полупроводниковой пластины и имеет толщину 78 нм, а тонкая пленка Cu расположена на поверхности пленки Ge и имеет толщину 122 нм, а затвор выполнен на основе тонких пленок Ti/Mo/Cu (20 нм/20 нм/400 нм). В способе изготовления транзистора на поверхности полупроводниковой пластины последовательно формируют двухслойную резистивную маску, затем осаждают тонкие пленки Ge и Cu, удаляют двухслойную резистивную маску и производят вакуумную термообработку при температуре Т=400°С с целью формирования омических контактов истока и стока. После чего на поверхности полупроводниковой пластины последовательно формируют трехслойную резистивную маску и производят осаждение тонких пленок Ti/Mo/Cu (20 нм/20 нм/400 нм), после чего трехслойную резистивную маску удаляют с целью формирования затвора.
Основным недостатком известной группы технических решений является низкая термостабильность параметров затвора транзистора, обусловленная высокой диффузионной способностью меди, которая, выступая в роли акцепторной примеси, приводит к компенсации проводимости в материале, а также высокое значение приведенного контактного сопротивления омических контактов истока и стока. Кроме того, медь легко окисляется на воздухе, что в итоге усложняет технологию производства МИС и предъявляет особые требования к разработке диффузионных барьеров и пассивирующих покрытий для меди.
Основная задача, решаемая группой изобретений, состоит в создании транзистора на основе полупроводникового соединения и способа его изготовления, позволяющих повысить термостабильность параметров затвора транзистора и снизить значения приведенного контактного сопротивления омических контактов истока и стока.
Поставленная задача решается тем, что в транзисторе на основе полупроводникового соединения, содержащем полупроводниковую пластину, канальный и контактный слои, омические контакты истока и стока, выполненные на основе тонкопленочного соединения Ge и Cu, и затвор, включающий послойно расположенные на полупроводниковой пластине тонкие пленки барьерообразующего металла, диффузионного барьера и проводника, согласно предложенному решению, в качестве материала проводника затвора используют тонкопленочное соединение Ge и Cu толщиной 10-1000 нм, с массовым содержанием Ge в диапазоне 20-45%.
В частном случае, на поверхности полупроводниковой пластины расположен буферный слой, а на поверхности канального слоя - донорный и барьерный слои, причем буферный, канальный, донорный, барьерный и контактный слои представляют собой эпитаксиальную гетероструктуру.
В частном случае, в тонкопленочном соединении количество чередующихся тонких пленок Ge и Cu не менее двух и кратно двум.
В частном случае, в состав тонкопленочного соединения Ge и Cu дополнительно введены Au и/или Ga с массовым содержанием в диапазоне 1-15%.
13
16
-2
-1
Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления транзистора, включающем последовательное формирование двухслойной резистивной маски на поверхности полупроводниковой пластины, осаждение тонких пленок Ge и Cu, удаление двухслойной резистивной маски, термообработку, формирование многослойной резистивной маски на поверхности полупроводниковой пластины, осаждение тонких пленок барьерообразующего металла, диффузионного барьера и проводника на поверхность полупроводниковой пластины и удаление многослойной резистивной маски, согласно предложенному решению, после осаждения тонких пленок Ge и Cu производят обработку полупроводниковой пластины в атмосфере атомарного водорода в течение времени t≥1 мин, при температуре Т=20-120°С и плотности потока атомов водорода на поверхность полупроводниковой пластины, равной 10-10 ат. см с.
В частном случае, обработку в атмосфере атомарного водорода производят в едином вакуумном цикле с процессом последовательного осаждения тонких пленок Ge и Cu.
Тонкопленочные соединения, выполненные по пунктам формулы изобретения, обеспечивают хорошую межслоевую адгезию, минимизацию диффузионного проникновения материалов тонких пленок в полупроводниковую пластину, минимизацию приведенного контактного сопротивления омических контактов истока и стока и слоевого сопротивления проводника затвора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемых устройства и способа, отсутствуют.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов заявляемых изобретений, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретений преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, изобретения соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретения.
Изобретения поясняются рисунками, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг.2 - общий вид гетероструктурного полевого транзистора на основе полупроводникового соединения с высокой подвижностью электронов. На фиг.3 и 4 представлены графики зависимостей электрических параметров гетероструктурных полевых транзисторов на основе полупроводникового соединения с высокой подвижностью электронов, выполненных согласно способу-прототипу (кривая 1) и предлагаемому способу (кривая 2), на постоянном токе и на СВЧ сигнале, соответственно, на фиг.5 и 6 - результаты исследований термостабильности параметров гетероструктурных полевых транзисторов на основе полупроводникового соединения, полученных по предлагаемому способу (кривые 1 и 3) и по способу-прототипу (кривые 2 и 4).
Устройство (фиг.1) содержит полупроводниковую пластину 1, канальные 2 и контактные 3 слои, омические контакты истока 4 и стока 5, и затвор 6, который выполнен на основе послойно расположенных на полупроводниковой пластине 1 тонких пленок барьерообразующего металла 7, диффузионного барьера 8 и проводника 9. В гетероструктурном полевом транзисторе на основе полупроводникового соединения (фиг.2) с высокой подвижностью электронов на поверхности полупроводниковой пластины 1 расположен буферный слой 10, а на поверхности канального слоя 2 расположен донорный 11 и барьерный 12 слои.
Устройство (фиг.1) работает следующим образом. При подаче напряжения на омические контакты истока 4 и стока 5, через омический контакт истока 4, контактный слой 3, канальный слой 2 и омический контакт стока 5 начинает протекать ток, величина которого увеличивается по мере увеличения разности потенциалов на омических контактах истока 4 и стока 5, вплоть до того момента, когда дрейфовая скорость электронов в электрическом поле достигнет своего максимального значения. Дальнейший рост напряжения на омических контактах истока 4 и стока 5 практически не приводит к росту тока и его величина достигает насыщения. Одновременно с подачей напряжения на омические контакты истока 4 и стока 5, к затвору 6 прикладывается переменное отрицательное напряжение, которое по мере своего роста увеличивает сечение области обеднения под затвором 6 и тем самым уменьшает ток между омическими контактами истока 4 и стока 5, осуществляя модуляцию тока потенциалом, приложенным к затвору 6.
Высокую термостабильность параметров затвора 6 предлагаемого устройства обеспечивают за счет того, что тонкопленочное соединение Ge и Cu проводника 9, по сравнению с тонкой пленкой чистой меди, использованной в прототипе, имеет пониженные диффузионную способность и химическую активность, а также высокую стойкость к электромиграции и удельное сопротивление, сравнимое с сопротивлением тонкой пленки меди.
Снижение значения приведенного контактного сопротивления омических контактов истока 4 и стока 5 заявляемого устройства обеспечивают за счет того, что тонкопленочное соединение Ge и Cu, сформированное во время обработки полупроводниковой пластины 1 в атмосфере атомарного водорода, подвергают термообработке.
Пример
Пример демонстрирует технический результат, достигаемый при создании предлагаемого устройства относительно устройства, выбранного за прототип.
2
4
-4
15
-2
-1
TWO
-7
-4
15
-2
-1
Гетероструктурный полевой транзистор на основе полупроводникового соединения с высокой подвижностью электронов был сформирован на псевдоморфных структурах GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. После формирования изоляции устройства с помощью травления меза-структур, на поверхности полупроводниковой пластины 1 формировали двухслойную резистивную маску, в которой вскрывали окна с отрицательным углом наклона стенок. Перед осаждением тонких пленок с целью очистки поверхности полупроводниковой пластины 1 и удаления собственных оксидов мышьяка и галлия полупроводниковую пластину n-GaAs 1 обрабатывали в водном растворе HSO(1:10) в течение 3 минут, а затем промывали в деионизованной воде и сушили в потоке азота. Далее полупроводниковую пластину 1 загружали в вакуумную камеру установки электронно-лучевого испарения металлов и производили осаждение тонких пленок Ge и Cu с толщинами 78 и 122 нм, соответственно. Затем полупроводниковую пластину 1 извлекали из вакуумной камеры и делили на две части (образец №1 и образец №2), вторую часть которой (далее - образец №2) в соответствии с предлагаемым способом подвергали обработке в атмосфере атомарного водорода при давлении молекулярного водорода р=10 торр и плотности потока атомов водорода 10 ат. см с в течение t=5 мин, при температуре Т=22°С. Затем с обоих образцов удаляли резистивную маску, что приводило к формированию топологии омических контактов истока 4 и стока 5. Далее образцы для формирования омических контактов истока 4 и стока 5 подвергали вакуумной термообработке при температуре T=400°С, в течение t=30 минут. После чего на полупроводниковых пластинах 1 образцов №1 и №2 методом центрифугирования формировали трехслойную резистивную маску на основе резистов 950 PMMA/LOR 5B/495 PMMA. Каждый слой резиста наносили методом центрифугирования, с последующей сушкой при температуре Т=180°С в течение t=5 минут. Экспонирование производили с помощью системы электронно-лучевой литографии Raith-150 с энергией электронов 30 кэВ. Для травления подзатворной области использовали химический раствор на основе лимонной кислоты. Затем методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении атмосферы 5×10 торр производили осаждение тонких пленок для формирования затвора 6 для образца №1 на основе Ti/Mo/Cu (20 нм/20 нм/200 нм), а для образца №2 на основе Ti/Mo/Ge/Cu (20 нм/20 нм/78 нм/122 нм). После чего образец №2 дополнительно подвергали обработке в атмосфере атомарного водорода при давлении молекулярного водорода p=10 торр и плотности потока атомов водорода 10 ат. см с, в течение t=5 мин, при температуре T=22°С. Затем с образцов №1 и №2 удаляли резистивную маску, что приводило к формированию Т-образного затвора 6.
Значения приведенного контактного сопротивления омических контактов истока 4 и стока 5 устройств, полученных по способу-прототипу и предлагаемому способу, измеряли методом линий передач.
Параметры полученных устройств по постоянному току измеряли с помощью прибора Hewlett Packard 4256A, а исследование 8-параметров производили на приборе Rohde & Shwartz ZVA-40.
-5
2
-6
2
Омические контакты истока 4 и стока 5 устройства, полученного по способу-прототипу, обладали величиной приведенного контактного сопротивления 2×10 Ом·см, в то время как омические контакты истока и стока устройства, полученного заявляемым способом, имели значение контактного сопротивления 7×10 Ом·см.
В таблице приведены измеренные электрические параметры заявляемого устройства и прототипа.
Максимальный ток стока
Напряжение пробоя затвор-сток
Максимальная крутизна при напряжении исток-сток V<sub>си</sub>=3 B
Коэффициент усиления по току на частоте 10 ГГц
Максимальная частота усиления по току при напряжении исток-сток V<sub>си</sub>=3 В
мА/мм
В
мСм/мм
дБ
ГГц
660,0
7,0
380,0
16,8
80,0
Заявляемое устройство
620,0
7,0
320,0
14,2
60,0
Прототип
Из данных таблицы видно, что измеренные электрические параметры гетероструктурного полевого транзистора на основе GaAs, полученного предлагаемым способом, выше параметров аналогичного устройства, полученного согласно способу-прототипу. Проведенные исследования термостабильности параметров устройств по постоянному току (фиг.5, 6) показали, что у транзистора, полученного по способу-прототипу, наблюдается деградация барьерных характеристик затвора 6 в процессе проведения термоиспытаний, что обусловлено активной диффузией меди из затвора на основе Ti/Mo/Cu к поверхности полупроводниковой пластины 1 под воздействием термической латеральной диффузии. В предложенном решении - более высокие значения термостабильности параметров устройства, которые практически не деградировали после проведения термоиспытаний.
Кроме того, тонкопленочные соединения омических контактов истока 4 и стока 5 и затвора 6 заявляемого устройства не содержат драгоценных металлов, в результате чего снижается себестоимость изготовления заявляемого устройства.