СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРАНЗИСТОР
MICROWAVE TRANSISTOR

III
V
Изобретение относится к технологии сверхвысокочастотной (СВЧ) наноэлектроники, а именно к технологии получения монолитных интегральных схем на основе полупроводниковых соединений AB, в частности к созданию сверхвысокочастотных 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 известного 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 7420227, МПК H01L 21/8238, 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 повышенная 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 p-типа проводимости и в металлизации межэлементных соединений.
Известна конструкция затвора полевого транзистора Шоттки (патент US 6787910, МПК H01L 21/31, опубл. 07.09.2004), в которой затворная металлизация выполнена на основе трехслойной металлизации, где барьерообразующий слой Ti располагается на поверхности полупроводниковой пластины, слой диффузионного барьера выполнен из Co или Mo и располагается на поверхности барьерообразующего слоя, а проводящий слой Cu располагается на поверхности слоя диффузионного барьера.
Недостатком данного технического решения является низкая термическая стабильность электрических параметров затворов транзисторов, обусловленная использованием меди в качестве проводника.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по наибольшему числу существенных признаков является транзистор на основе полупроводникового соединения (патент US 7368822, МПК H01L 23/48, опубл. 06.05.2008), выбранный нами за прототип. 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. 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. Затворы выполнены на основе композиции Ti/Pt/Cu. Воздушные мосты выполнены из Cu и расположены непосредственно на слое Cu омических контактов.
Недостатком известных транзисторов является недостаточно высокая надежность работы, обусловленная использованием меди в составе металлизации омических контактов истока, стока и затвора.
Основной технической задачей заявляемого устройства является повышение надежности его работы за счет использования в качестве проводника в металлизации омических контактов истока, стока и затвора тонкой пленки алюминия.
Основная техническая задача достигается тем, что в сверхвысокочастотном транзисторе, выполненном на основе полупроводниковой пластины с канальными и контактными слоями, включающем расположенные на ее поверхности и выполненные на основе тонких пленок омические контакты истока и стока, затвор, содержащий барьерообразующий, проводящий и пассивирующий слои, которые расположены последовательно, воздушные мосты, согласно предложенному решению омические контакты истока и стока выполнены на основе тонких пленок Pd, Ge и Al общей толщиной 5-500 нм, а барьерообразующий, проводящий и пассивирующий слои затвора выполнены на основе тонких пленок Ti толщиной 10-200 нм, Al толщиной 5-1000 нм, Ti толщиной 10-1000 нм соответственно.
В частном случае, на поверхности полупроводниковой пластины расположена тонкая пленка Pd омических контактов истока и стока, на поверхности которой расположена тонкая пленка Ge, на поверхности которой расположена тонкая пленка Al.
В частном случае, на поверхности полупроводниковой пластины расположена тонкая пленка Ge омических контактов истока и стока, на поверхности которой расположена тонкая пленка Pd, на поверхности которой расположена тонкая пленка Al.
В частном случае, на поверхности омических контактов истока и стока расположен пассивирующий слой, выполненный на основе тонких пленок Ti, или Mo, или Ta, или W, или TaN, или TiN, или WN толщиной 10-100 нм.
В частном случае, на поверхности затвора расположен дополнительный пассивирующий слой, выполненный на основе тонких пленок Mo, или Ta, или W, или TaN, или TiN, или WN.
В частном случае, на поверхности омических контактов истока и стока выполнена межэлементная металлизация, включающая расположенные последовательно адгезионный, проводящий и пассивирующий слои, при этом проводящий слой выполнен на основе тонких пленок Cu или Al толщиной 500-5000 нм, а адгезионный и пассивирующий слои выполнены на основе тонких пленок Ti, или Mo, или Ta, или W, или TaN, или TiN, или WN толщиной 10-200 нм.
В частном случае, на поверхности межэлементной металлизации расположены воздушные мосты, соединяющие омические контакты стоков и включающие расположенные последовательно проводящий и адгезионный слои, при этом проводящий слой выполнен на основе тонких пленок Cu или Al толщиной 500-5000 нм, а адгезионный слой - на основе тонких пленок Ti или Mo, или Ta, или W, или TaN, или TiN, или WN толщиной 10-200 нм.
В частном случае, выполнена металлизация обратной стороны полупроводниковой пластины, включающая проводящий и адгезионный слои, расположенные последовательно, и соединяющая контактные площадки омических контактов истока с обратной стороной полупроводниковой пластины при помощи выполненных в ней сквозных отверстий, при этом проводящий слой выполнен на основе тонких пленок Cu или Al толщиной 10-30000 нм, а адгезионный слой - на основе тонких пленок Ti, или Mo, или Ta, или W, или TaN, или TiN, или WN толщиной 10-200 нм.
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».
c
m
зс
си
зс
вых
вх
пр зс
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого транзистора; на фиг.2 и на фиг.3 представлен общий вид заявляемого транзистора с барьером Шоттки и гетероструктурного транзистора с высокой подвижностью электронов соответственно; на фиг.4 - микроскопическое изображение поперечного сечения заявляемого транзистора, выполненного с Pd/Ge/Al/Ti омическими контактами и Ti/Al/Ti T-образным затвором с длиной основания 150 нм; на фиг.5 - микроскопическое изображение вида сверху заявляемого транзистора после формирования воздушных мостов на основе Cu; на фиг.6, 7 - микроскопические изображения вида сверху (фиг.6) и поперечного сечения (фиг.7) заявляемого транзистора после вскрытия окон в тонких пленках бензоциклобутена (ВСВ) и нитрида кремния (SixNy) к контактным областям; на фиг.8 - микроскопическое изображение поперечного сечения сквозного отверстия заявляемого транзистора после окончания формирования металлизации обратной стороны полупроводниковой пластины; на фиг.9 представлены зависимости тока стока I и крутизны вольт-амперной характеристики транзистора g от напряжения затвор-сток U; на фиг.10 и 11 - зависимости коэффициента усиления по току и коэффициента усиления по мощности соответственно заявляемого транзистора от частоты при напряжении стока U=1,5 В и при напряжении затвор-сток U=-0,35 В; на фиг.12 представлены зависимости выходной мощности P и коэффициента усиления заявляемого транзистора от входной мощности P при согласованной нагрузке по входу и выходу. Суммарная ширина затвора транзистора составляла 600 мкм; на фиг.13 представлены зависимости напряжения пробоя затвор-сток U от времени термообработки транзистора-прототипа (кривая 1) и заявляемого транзистора (кривая 2).
Заявляемый транзистор (фиг.1) и, в частности, полевой транзистор с барьером Шоттки (фиг.2) состоит из полупроводниковой пластины 1, в которой области расположения транзистора разделены меза-изоляцией 2, активного слоя, включающего канальный n-слой 3a и расположенный над ним контактный прелой 30, в котором вскрыто окно до канального n-слоя 3a, омического контакта истока 4 и стока 5, затвора 6, межэлементной металлизации 7, воздушного моста 8, сквозных отверстий 9, металлизации 10 обратной стороны полупроводниковой пластины 1. Затвор 6 состоит из расположенного на поверхности канального слоя 3a полупроводниковой пластины 1 барьерообразующего слоя 6a, на поверхности которого расположен проводящий слой 6b, а на его поверхности - пассивирующий слой 6c. Межэлементная металлизация 7 выполнена из расположенного на поверхности омических контактов истока 4 и стока 5 адгезионного слоя 7a, расположенного на его поверхности проводящего слоя 7b, на поверхности которого расположен пассивирующий слой 7c. Воздушный мост 8 состоит из расположенного на поверхности межэлементной металлизации 7 адгезионного слоя 8a, на поверхности которого расположен проводящий слой 8b. Соединение площадок омических контактов истока 4 с обратной стороной полупроводниковой пластины 1 выполнено с помощью сквозных отверстий 9 при использовании металлизации 10 обратной стороны полупроводниковой пластины 1, включающей адгезионный слой 10a, расположенный на поверхности проводящего слоя 10b.
Гетероструктурный транзистор с высокой подвижностью электронов (фиг.3) состоит из полупроводниковой пластины 1, в которой области расположения транзисторов разделены меза-изоляцией 2, эпитаксиальной гетероструктуры 3, омического контакта истока 4 и стока 5, T-образного затвора 6, межэлементной металлизации 7, воздушного моста 8, сквозных отверстий 9, металлизации 10 обратной стороны полупроводниковой пластины 1. Эпитаксиальная гетероструктура 3 включает буферный слой 3a, канальный слой 3b, донорный слой 3c, барьерный слой 3d, контактный слой 3e. Затвор 6 состоит из расположенного на поверхности полупроводниковой пластины барьерообразующего слоя 6a, на поверхности которого расположен проводящий слой 6b, а на его поверхности - пассивирующий слой 6c. Межэлементная металлизация 7 выполнена из расположенного на поверхности омических контактов истока 4 и стока 5 адгезионного слоя 7а, расположенного на его поверхности проводящего слоя 7b, на поверхности которого расположен пассивирующий слой 7c. Воздушный мост 8 состоит из расположенного на поверхности межэлементной металлизации 7 адгезионного слоя 8a, на поверхности которого расположен проводящий слой 8b. Соединение площадок омических контактов истока 4 с обратной стороной полупроводниковой пластины 1 выполнено с помощью сквозных отверстий 9 при использовании металлизации 10 обратной стороны полупроводниковой пластины 1, включающей адгезионный слой 10a, расположенный на поверхности проводящего слоя 10b.
+
Предлагаемый полевой транзистор с барьером Шоттки (фиг.2) 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 3a и омический контакт стока 5 начинает протекать ток, величина которого увеличивается по мере увеличения разности потенциалов на омических контактах истока 4 и стока 5 до того момента, пока дрейфовая скорость электронов в электрическом поле не 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 пространственного заряда под затвором 6, уменьшает сечение канала и тем самым ток между омическими контактами истока 4 и стока 5, осуществляя модуляцию тока. При создании многозатворной структуры заявляемого транзистора и соединении омических контактов стоков 5 воздушными мостами 8 за счет сложения параллельно протекающих токов достигается многократный рост тока транзистора.
Пример
Пример демонстрирует технический результат, достигаемый при работе заявляемого транзистора.
2
4
Гетероструктурный транзистор с высокой подвижностью электронов формируют на эпитаксиальных структурах 3 GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Методом обратной литографии проводят формирование омических контактов истока 4 и стока 5 транзистора. На поверхности полупроводниковой пластины 1 формируют двухслойную резистивную маску. С целью очистки поверхности и удаления собственных оксидов мышьяка и галлия полупроводниковую пластину 1 n-GaAs обрабатывают в водном растворе HSO (1:10) в течение 3 минут, а затем промывают в деионизованной воде и сушат в потоке азота.
-6
1
Методом электронно-лучевого испарения при давлении остаточной атмосферы менее 1×10 торр на полупроводниковой пластине 1 производят осаждение металлизации омических контактов истока 4 и стока 5 на основе тонких пленок Pd/Ge/Al/Ti (15 нм/150 нм/150 нм/30 нм). После удаления резистивной маски с лишним металлом образец подвергают термообработке при температуре T=250°C в течение t=20 минут в среде очищенного азота.
TW
Далее с целью формирования T-образного затвора 6 с длиной основания 150 нм на полупроводниковой пластине 1 методом центрифугирования создают трехслойную резистивную маску PMMA/LOR/PMMA. После нанесения каждого слоя проводят сушку при температуре 180°C в течение 5 минут. Экспонирование выполняют с помощью системы электронно-лучевой литографии Raith-150. После экспонирования проводят селективное проявление слоев резистивной маски. Проявление верхнего слоя РММА осуществляют в растворе метилизобутилкетона (МИБК) с изопропиловым спиртом (ИПС) (1:1) в течение 60 с, среднего слоя LOR - в проявителе MF-319, а нижнего слоя РММА - в проявителе МИБК: ИПС (1:3) в течение 30 c. Для формирования подзатворного заглубления используют травитель на основе лимонной кислоты.
-7
Затем методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении атмосферы 5×10 торр производят осаждение металлизации затвора 6 на основе тонких пленок Ti/Al/Ti (50 нм/500 нм/20 нм).
x
y
x
y
С целью пассивации поверхности транзистора на поверхности полупроводниковой пластины 1 образца осаждают слой SiN толщиной 150-200 нм. Формирование пленки диэлектрика проводят методом осаждения из газовой фазы в индуктивно-связанной плазме. Затем методом реактивного ионного травления производят вскрытие окон в пленке SiN.
Для создания межэлементной металлизации 7 на поверхности полупроводниковой пластины 1 образца формируют двухслойную резистивную маску. После чего методом электронно-лучевого испарения производят осаждение металлизации на основе тонких пленок Mo/Cu/Mo, тонкие пленки Мо используют в качестве диффузионных барьеров для Cu.
4
2
4
Формирование воздушных мостов 8 проводят с использованием гальванического осаждения пленки меди из водного раствора CuSO+HSO. Вначале на полупроводниковой пластине 1 формируют первый слой резистивной маски. После проявления, с целью сглаживания профиля резиста, полупроводниковая пластина 1 проходит термообработку при 120°C в течение 15 мин. Затем методом электронно-лучевого испарения производят осаждение проводящего подслоя на основе двухслойной металлизации Ti/Cu. После формирования второго слоя резистивной маски проводят осаждение пленки Cu толщиной 3 мкм. Затем с поверхности полупроводниковой пластины 1 последовательно удаляют верхний слой резистивной маски, проводят селективное травление пленок Cu и Ti и удаляют нижний слой резистивной маски.
x
y
x
y
Финальную пассивацию проводят в два этапа. На первом этапе на поверхность полупроводниковой пластины 1 осаждают слой SiN, на втором - методом центрифугирования наносят слой фоточувствительного ВСВ толщиной 5 мкм. После вскрытия окон в пленке ВСВ полупроводниковую пластину 1 образца подвергают термообработке. Затем по рисунку, сформированному в пленке ВСВ, производят вскрытие окон к контактным площадкам в пленке SiN.
Далее полупроводниковую пластину 1 приклеивают на сапфировый носитель и утоняют посредством шлифовки и полировки обратной стороны до толщины 100 мкм. Травление сквозных отверстий 9 проводят методом реактивного ионного травления в индуктивно-связанной плазме. После удаления резистивной маски методом магнетронного распыления на поверхности обратной стороны полупроводниковой пластины 1 формируют слои W/Cu. Затем методом электрохимического осаждения проводят формирование пленки Cu толщиной 3 мкм.
На завершающем этапе полупроводниковую пластину 1 отклеивают от сапфирового носителя и производят очистку ее поверхности от резиста и клея.
Внешний вид и морфологию поверхности элементов транзисторов исследуют методом электронной микроскопии. Параметры изготовленного транзистора по постоянному току исследуют с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов НР4156А, а по СВЧ сигналу с помощью векторного анализатора ZVA-40. Измерение выходной мощности транзистора производят с методом Load Pull на установке Cascade Microtech.
с
си
си
зс
1db
у
си
с
с max
с max
Заявляемый GaAs транзистор имеет максимальный ток стока I=280 мА/мм, максимальную крутизну вольт-амперной характеристики gm=450 мСм/мм при напряжении сток-исток U=1,5 В. Коэффициент усиления по току транзистора с суммарной шириной затвора 600 мкм на частоте 10 ГГц составляет около 17,8 дБ, граничная частота отсечки по току составляет 80 ГГц при напряжении сток-исток U=1,5 В и при напряжении затвор-сток U=-0.35 В, граничная частота усиления по мощности составляет порядка 100 ГГц. Значение выходной мощности по сжатию на 1 дБ составляет P=26 дБм или 670 мВт/мм при КПД порядка 28% и коэффициенте усиления K=11 дБ. Измерения проведены при напряжении сток-исток U=8 В, и токе стока I=1/3* I на частоте 12 ГГц, где I - максимальный ток стока.
Следует отметить, что транзистор, выбранный нами за прототип, имеет аналогичные параметры.
Однако заявляемый транзистор характеризуется повышенной надежностью работы, что выражается в увеличении термической стабильности параметров транзистора, в частности напряжения пробоя затвор-сток (фиг.13), а также существенно меньшей себестоимостью изготовления.
Особенностью заявляемого транзистора является то, что он полностью выполнен на основе металлизации, которая не содержит медь в составе омических контактов истока 4, стока 5 и затвора 6. При этом конструкция металлизации в каждом случае ее выполнения 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 истока 4 и стока 5, а также погонного сопротивления металлизации.