ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ
THE TRANSISTOR ON THE BASIS OF THE SEMICONDUCTING COMPOUND

III
V
Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии получения монолитных интегральных схем на основе полупроводниковых соединений AB, в частности к созданию полупроводниковых транзисторов, в которых минимизировано содержание драгоценных металлов.
Известен полевой транзистор (Cheng-Guan Yuan, S.M.Joseph Liu, Der-Wei Tu, Rex Wu, Jeff Huang Frank Chen, Yu-Chi Wang /0.15 Micron Gate 6-inch pHEMT Technology by Using I-Line Stepper // CS Mantech Conference, 2009, Florida, USA), в котором омические контакты выполнены на основе многослойной композиции Au/Ge/Ni/Au, Т-образные затворы длиной 0,15 мкм - на основе трехслойной композиции Ti/Pt/Au, а металлизация воздушных мостов - на основе Ti/Au. Толщина слоев золота находится в диапазоне от 20 до 4000 нм, толщина слоев Pt - в диапазоне от 20 до 50 нм.
Недостатком данного транзистора является высокая стоимость металлизации омических контактов и межэлементных соединений, связанная с применением толстых слоев Au, а также тонких слоев Pt.
x
Известен гетеробиполярный транзистор (патент US 74202272, МПК H01L 29/45, опубл. 02.09.2008), в котором омический контакт к области полупроводника n-типа проводимости выполнен на основе многослойной металлизации Pd/Ge/WN/Cu или Pd/Ge/Cu, где слой Pd располагается на поверхности полупроводниковой пластины, омический контакт к области полупроводника p-типа проводимости выполнен на основе многослойной металлизации Pt/Ti/Pt/Cu, где слой Pt располагается на поверхности полупроводниковой пластины, межэлементные соединения выполнены на основе трехслойной металлизации Ti/Pt/Cu, где слой Ti располагается на поверхности слоя Cu, которым заканчивается металлизация омических контактов.
Недостатком данного транзистора является недостаточно низкая себестоимость изготовления металлизации, обусловленная использованием тонких слоев Pd в металлизации омического контакта к полупроводнику n-типа проводимости, а также тонких слоев Pt в металлизации омического контакта к полупроводнику р-типа проводимости и в металлизации межэлементных соединений.
Известны гетеробиполярный и полевой транзисторы (заявка US 20090194846, МПК H01L 29/66, опубл. 06.08.2009), в которых омический контакт к области полупроводника n-типа проводимости выполнен на основе трехслойной металлизации Pd/Ge/Cu, где слой Pd располагается на поверхности полупроводниковой пластины, межэлементные соединения выполнены на основе многослойной композиции Pt/Ti/Pt/Cu, где слой Pt располагается на поверхности слоя Cu, которым заканчивается металлизация омических контактов.
Недостатком данных транзисторов является недостаточно низкая себестоимость изготовления металлизации, обусловленная использованием тонких слоев Pd в металлизации омического контакта к полупроводнику n-типа проводимости и тонких слоев Pt в металлизации межэлементных соединений.
Известна конструкция затвора полевого транзистора Шоттки (патент US 6787910, МПК H01L 27/06, опубл. 07.09.2004), в котором затворная металлизация выполнена на основе полностью бездрагметалльной трехслойной металлизации, где барьерообразующий слой Ti располагается на поверхности полупроводниковой пластины, слой диффузионного барьера выполнен из металлов группы Со или Мо и располагается на поверхности барьерообразующего слоя, а проводящий слой Cu располагается на поверхности слоя диффузионного барьера.
Недостатком данного технического решения является то, что оно не предполагает создание омических контактов и, как следствие, не позволяет изготовить транзистор, в составе металлизации которого полностью отсутствуют драгоценные металлы.
Наиболее близким к заявляемому объекту по наибольшему числу существенных признаков является выбранный за прототип транзистор на основе полупроводникового соединения (патент US 7368822, МПК H01L 23/48, опубл. 06.05 2008). 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 трехслойной металлизации Pd/Ge/Cu, где слой Pd располагается на поверхности полупроводниковой пластины и имеет толщину 5-100 нм, слой Ge расположен на поверхности слоя Pd и имеет толщину 50-1000 нм, а слой Cu расположен на поверхности слоя Ge и имеет толщину 50-1000 нм. Воздушные мосты выполнены из Cu и расположены непосредственно на слое Cu омических контактов.
Недостатком данных транзисторов является недостаточно низкая себестоимость изготовления металлизации, обусловленная использованием тонких слоев Pd в металлизации омического контакта.
Основной технической задачей предложенного устройства является снижение себестоимости изготовления транзистора на основе полупроводникового соединения за счет перехода на металлизацию, не содержащую драгоценных металлов.
Основная техническая задача достигается тем, что в транзисторе на основе полупроводникового соединения, выполненном из полупроводниковой пластины с канальным и контактным слоями, включающем в свой состав затвор, омические контакты истока и стока, а также воздушные мосты, согласно предложенному решению омический контакт выполнен на основе тонкопленочной композиции Ge и Cu, расположенной на поверхности полупроводниковой пластины, с общей толщиной от 50 до 500 нм и с массовым содержание Ge в композиции, равным 20-45%.
В частном случае омический контакт выполняется на основе тонкопленочной композиции Ge и Cu, где слой Ge расположен на поверхности полупроводниковой пластины, а слой Cu расположен на поверхности слоя Ge.
В частном случае омический контакт выполняется на основе тонкопленочной композиции Ge и Cu, где слой Cu расположен на поверхности полупроводниковой пластины, а слой Ge расположен на поверхности слоя Cu.
В частном случае омический контакт выполняется на основе тонкопленочной композиции Ge и Cu, где Ge и Cu расположены на поверхности полупроводниковой пластины, в виде сплава с массовым содержанием Ge 20-45%.
В частном случае в омический контакт дополнительно введены слой диффузионного барьера толщиной 10-100 нм, расположенный на поверхности омического контакта, и второй слой Cu толщиной 50-1000 нм, расположенный на поверхности слоя диффузионного барьера.
В частном случае в качестве материала слоя диффузионного барьера используют тугоплавкий металл или его соединение.
В частном случае затвор выполнен на основе трехслойной композиции, включающей барьерообразующий слой толщиной 10-200 нм, расположенный на поверхности полупроводниковой пластины, слой диффузионного барьера толщиной 5-200 нм, расположенный на поверхности барьерообразующего слоя, и слой Cu толщиной 10-1000 нм, расположенный на поверхности слоя диффузионного барьера.
В частном случае в качестве материала барьерообразующего слоя и слоя диффузионного барьера используют тугоплавкий металл или его соединение.
В частном случае соединение площадок омических контактов стока выполнено с помощью воздушных мостов, состоящих из двухслойной композиции, содержащей адгезионный слой толщиной 10-200 нм, расположенный на поверхности слоя Cu омического контакта, и проводящий слой Cu толщиной 500-5000 нм, расположенный на поверхности адгезионного слоя.
В частном случае в качестве материала адгезионного слоя используют тугоплавкие металлы или их соединения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлен общий вид полевого транзистора на основе полупроводникового соединения с барьером Шоттки и гетероструктурного транзистора с высокой подвижностью электронов соответственно. На фиг.3 и 4 представлены электрические параметры GaAs транзисторов с высокой подвижностью электронов, выполненных согласно способу-прототипу и предлагаемому способу на постоянном токе и на СВЧ сигнале соответственно.
+
Транзистор и, в частности, полевой транзистор с барьером Шоттки (фиг.1) состоит из полупроводниковой пластины 1, в которой области расположения транзисторов разделены меза-изоляцией 2, активного слоя 3, включающего канальный n-слой 3а и, расположенный над ним, контактный n-слой 3b, в котором вскрыто окно в контактном слое 3b до канального n-слоя 3а, омического контакта истока 4 и стока 5, выполненных на основе тонкопленочной композиции Cu/Ge с общей толщиной от 50 до 500 нм и с массовым содержание Ge в композиции, равным 20-45%, затвора 6, выполненного на основе трехслойной композиции и состоящего из барьерообразующего слоя 6а толщиной 10-200 нм, расположенного на поверхности полупроводниковой пластины, слоя диффузионного барьера 6b толщиной 5-200 нм, расположенного на поверхности барьерообразующего слоя 6а, слоя Cu 6 с толщиной 10-1000 нм, расположенного на поверхности слоя диффузионного барьера 6b, и воздушного моста 7, выполненного на основе двухслойной композиции Ti/Cu, где адгезионный слой 7а толщиной 10-200 нм расположен на поверхности омического контакта стока 5, а проводящий слой Cu 7b толщиной 500-5000 нм расположен на поверхности адгезионного слоя 7а.
Транзистор и, в частности, гетероструктурный транзистор с высокой подвижностью электронов (фиг.2) состоит из подложки 1, в которой области расположения транзисторов разделены меза-изоляцией 2, эпитаксиальной гетероструктуры 3, включающей буферный слой 3с, канальный слой 3а, донорный слой 3d, барьерный слой 3е, контактный слой 3b, омического контакта истока 4 и стока 5, выполненных на основе тонкопленочной композиции Cu/Ge с общей толщиной от 50 до 500 нм и с массовым содержанием Ge в композиции, равным 20-45%, Т-образного затвора 6, выполненного на основе трехслойной композиции и состоящего из барьерообразующего слоя Ti 6а толщиной 10-200 нм, расположенного на поверхности полупроводниковой пластины, слоя диффузионного барьера из тугоплавкого металла или его соединения 6b толщиной 5-200 нм, расположенного на поверхности барьерообразующего слоя, слоя Cu 6с толщиной 10-1000 нм, расположенного на поверхности слоя диффузионного барьера, и воздушного моста 7, выполненного на основе двухслойной композиции Ti/Cu, где адгезионный слой Ti 7a толщиной 10-200 нм расположен на поверхности омического контакта стока 5, а проводящий слой Cu 7b толщиной 500-5000 нм расположен на поверхности адгезионного слоя Ti.
Особенностью предлагаемого транзистора является то, что он полностью выполнен на основе металлизации, которая не содержит никаких драгоценных металлов. Это относится как к металлизации омических контактов, так к металлизации затвора и к металлизации воздушных мостов. При этом конструкция металлизации в каждом случае ее применения оптимизирована с точки зрения обеспечения хорошей межслоевой адгезии, минимизации диффузионного проникновения слоев металла друг в друга, а также в полупроводник, минимизации приведенного контактного сопротивления омических контактов и погонного сопротивления металлизации. Предлагаемая конструкция транзистора и его металлизации обеспечивает электрические параметры транзистора не хуже, чем у транзисторов, выполненных на основе металлизации, содержащей драгоценные металлы (Au, Pt, Pd), большую стойкость к электромиграции и лучший отвод тепла, а также существенно меньшую себестоимость изготовления транзистора.
+
Предлагаемый транзистор и, в частности, полевой транзистор с барьером Шоттки (фиг.1) работает следующим образом. При подаче напряжения на омические контакты истока 4 и стока 5, через омический контакт истока 4, контактный n-слой 3b, канальный n-слой 3а и омический контакт стока 5 начинает протекать ток, величина которого увеличивается по мере увеличения разности потенциалов на контактах 4 и 5, вплоть до того момента, когда дрейфовая скорость электронов в электрическом поле достигнет своего максимального значения. Дальнейший рост напряжения на контактах 4 и 5 практически не приводит к росту тока, и его величина достигает насыщения. Одновременно с подачей напряжения на контакты 4 и 5 к затвору 6 прикладывается переменное отрицательное напряжение, которое по мере своего роста увеличивает сечение области пространственного заряда под затвором, уменьшает сечение канала и, тем самым, ток между контактами 4 и 5, осуществляя модуляцию тока потенциалом, приложенным к затвору 6. При создании многопальцевой структуры транзистора и соединения стоков транзистора воздушными мостами 7 за счет сложения параллельно протекающих токов достигается многократный рост тока транзистора.
Cu
-6
-6
Высокие параметры предлагаемого транзистора обеспечиваются за счет того, что Cu имеет удельное сопротивление, меньшее, чем Au (ρ=1.55×10Ом см, ρAu=2.06×10 Ом см), большую стойкость к электромиграции, а также большую теплопроводность (0.94 кал/см сек °С для Cu и 0.7 кал/см сек °С для Au). Снижение себестоимости достигается за счет чрезвычайно низкой стоимости Cu по отношению к Au и Pd (Cu примерно 5500 раз дешевле Au), a также пониженной стоимости тугоплавких металлов, например Ti и Мо, по отношению к Pt.
Пример
Пример демонстрирует технический результат, достигаемый по предлагаемому устройству относительно транзистора, выбранного за прототип.
2
4
1
2
4
2
2
2
2
TWO
Транзистор на основе полупроводникового соединения и, в частности, гетероструктурный транзистор с высокой подвижностью электронов был сформирован на псевдоморфных структурах GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. После формирования изоляции транзистора с помощью травления меза-структур, на поверхности пластины формировалась двухслойная резистивная маска, в которой вскрывались окна с отрицательным углом наклона стенок. Перед осаждением металлизации с целью очистки поверхности и удаления собственных оксидов мышьяка и галлия пластина n-GaAs обрабатывалась в водном растворе HSO (1:10) в течение 3 минут, а затем промывалась в деионизованной воде и сушилась в потоке азота. Далее пластина делились на две части и загружалась в вакуумную камеру установки. На одной части пластины (образец №1) с помощью последовательного осаждения тонких пленок Ge и Си была сформирована двухслойная композиция Ge/Cu (78 нм/122 нм), а на другой части (образец №2) - Pd/Ge/Cu (15 нм/150 нм/150 нм). Затем половинки пластины извлекались из вакуумной камеры, удалялась маска, что приводило к формированию топологии омических контактов. Затем обе части пластины подвергались термообработке: образец №1 при температуре T=400°С в течение t=180 секунд, а образец №2 при температуре T=250°С в течение t=180 секунд в вакууме. Далее на пластинах методом центрифугирования формировалась трехслойная маска на основе резистов 950 PMMA/LOR 5B/495 РММА. Каждый слой резиста наносился на подложку методом центрифугирования, с последующей сушкой при температуре 180°С в течение 5 минут. Экспонирование производилась с помощью системы электронно-лучевой нанолитографии Raith-150 с энергией электронов 30 кэВ. Проявление верхнего слоя резиста типа 495 РММА осуществлялось в растворе метилизобутилкетона (МИБК) с изопропиловым спиртом (ИПС) (1:1) в течение 60 с, среднего слоя LOR 5В - в проявителе MF-319, а нижнего слоя - в проявителе МИБК:ИПС (1:3) в течение 30 с с последующей промывкой в изопропиловом спирте и сушкой в потоке азота. Для травления подзатворной области использовался травитель на основе лимонной кислоты. Лимонная кислота (1,5 г) растворялась в 100 мл деионизованной воды, рН раствора подбирался добавлением NHOH (30%) до значения 6,2. Затем к раствору добавлялась перекись водорода HO(2 мл HO:100 мл раствора лимонной кислоты). После приготовления раствор выдерживался в течение 2 часов для установления равновесия в растворе.
-7
Затем методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении атмосферы 5×10 Торр производилось осаждение затворной металлизации для образца №1 на основе Ti/Mo/Cu (20 нм/20 нм/400 нм), а для образца №2 на основе Ti/Pt/Cu (20 нм/20 нм/400 нм).
Параметры полученных транзисторов по постоянному току измерялись с помощью прибора Tektronix 370A, а исследование S-параметров производилось на приборе ZVA-40.
си
Разработанный транзистор имел максимальный ток стока 360 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В и максимальную крутизну 320 мСм/мм при напряжении исток-сток V=3 В. Транзистор, полученный по способу-прототипу, имел аналогичные параметры.
cи
си
Коэффициент усиления по току заявляемого транзистора составил 13 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 50 ГГц при V=3 В, а максимальная частота генерации была свыше 100 ГГц. Транзистор, полученный по способу-прототипу, имел коэффициент усиления по току 14 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 55 ГГц при V=3 В, а максимальная частота генерации была свыше 100 ГГц. Таким образом, измеренные электрические параметры транзистора без использования драгоценных металлов практически не отличаются от параметров аналогичных транзисторов, полученных согласно способу-прототипу.