Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления СВЧ полевого мощного псевдоморфного транзистора

Область техники

Изобретение относится к технологии изготовления полевых СВЧ транзисторов Шоттки, а именно к способам формирования мощных полевых транзисторов мм-диапазона длин волн на эпитаксиальных структурах полупроводниковых соединений группы А₃ В₅.

Уровень техники

Известен способ изготовления мощного СВЧ полевого транзистора с затвором Шоттки на гомоэпитаксиальной структуре арсенида галлия, согласно которому на поверхностном контактном n⁺-слое формируются электроды истока и стока транзистора, а между ними на нижележащем активном n-слое, посредством напыления и травления металлической пленки под углом к лицевой поверхности эпитаксиальной структуры в сторону истока и под углом - в сторону стока, формируется затвор транзистора /1/. Недостатком этого способа является то, что из-за невозможности получить длину затвора менее 1 мкм, быстродействие этого транзистора ограничивается см-диапазоном длин волн, а его выходная мощность - низкими значениями проводимости n-канала и пробивного напряжения затвор-сток.

Известен способ изготовления мощного СВЧ полевого транзистора на псевдоморфной эпитаксиальной гетероструктуре /2/. Недостатки этого способа - такие же, как и в первом случае, за исключением повышенной мощности транзистора, обеспечиваемой свойствами исходного материала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления на эпитаксиальной структуре арсенида галлия полевого СВЧ транзистора с субмикронным Т-образным затвором /3/. Такая конструкция затвора позволяет значительно увеличить быстродействие транзистора (вплоть до 100 ГГц и более) за счет сокращения длины затвора до минимальных (≤0,3 мкм) размеров, но не решает проблему повышения его мощности до уровня мощного транзистора (более 1 Вт).

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание технологии изготовления мощного и быстродействующего СВЧ транзистора на мм-диапазон длин волн, как базового активного элемента бескорпусных малогабаритных СВЧ модулей усилителей мощности.

Техническим результатом является существенное повышение мощности СВЧ транзистора до уровня мощного при одновременном увеличении его быстродействия.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления СВЧ мощного полевого псевдоморфного транзистора на гетероэпитаксиальной структуре AlGaAs/InGaAs/GaAs, заключающемся в том, что формируют субмикронный Т-затвор с применением оптической литографии, при формировании основания субмикронного Т-затвора используют двухслойную маску из диэлектрика и фоторезиста, контролируемо оплавляют вышележащий слой маски из фоторезиста и сужают окно в нижележащем слое из диэлектрика, определяющем размер основания субмикронного Т-затвора, далее уменьшают его до размеров, сопоставимых разрешению электронно-лучевой литографии.

Производится выбор и определение параметров исходной псевдоморфной гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs, а также разработка и реализация ряда конструктивно-технологических решений по созданию на этом материале полевого транзистора Шоттки с длиной затвора менее 1 мкм.

Фундаментальным основанием для успешного решения этой задачи является формирование канала транзистора с высокой подвижностью электронов вблизи границы раздела слоев InGaAs/AlGaAs, значительно отличающихся шириной запрещенной зоны. За счет этого различия в области канала транзистора формируется узкая «квантовая яма», в пределах которой благодаря квантово-механическому эффекту переноса носителей заряда без их теплового рассеяния на узлах и дефектах кристаллической решетки полупроводника, резко увеличивается дрейфовая скорость электронов и плотность тока, что благоприятно сказывается на увеличении быстродействия и мощности транзистора.

Критически важным фактором, определяющим быстродействие транзистора, является длина проводящего канала под затвором. При реализации мощного транзистора на мм-диапазон длин волн, необходимость получить минимальную субмикронную длину затвора вступает в противоречие с необходимостью иметь достаточно большую его ширину для пропускания больших токов. Поэтому затворы транзисторов с высокой выходной мощностью зачастую имеют многозвенную (гребенчатую) структуру, что негативно сказывается на рабочих характеристиках транзистора из-за значительного роста токов утечки по затвору. Однако задача по реализации мощного СВЧ транзистора с субмикронным затвором облегчается при Т-образной конструкции последнего.

Для изготовления полевых СВЧ транзисторов на высокий частотный диапазон (до 100 ГГц и выше) обычно применяется трудоемкая электроннолучевая литография, которая к тому же требует значительных расходов на приобретение материалов и оборудования, что в конечном итоге негативно отражается на объемах производства и цене конечной продукции. Но ее применение обусловлено высоким линейным разрешением до 0,2 мкм, что не достижимо для традиционной фотолитографии с предельным разрешением более 0,3-0,5 мкм.

Суть предлагаемого изобретения заключается в способе изготовления на пластине псевдоморфной гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs мощного СВЧ полевого транзистора Шоттки с субмикронным Т-затвором посредством исключительно оптической литографии. Процесс формирования Т-затвора базируется на двух технологических приемах: плазмохимическом травлении диэлектрика по фоторезистивной маске и формировании затворной металлизации методом обратной фотолитографии.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема строения и профиль легирования пластины эпитаксиальной гетероструктуры AlaAs/InGaAs/GaAs для изготовления р-НЕМТ, где:

1 - Эпитаксиальная гетероструктура AlaAs/InGaAs/GaAs.

2 - n⁺ - слой AlGaAs, где N_d=(6-8)⋅10¹⁸ см^-3, толщина слоя d=(0,6-0,8) мкм.

3 - n - слой InGaAs, где N_d=(1-5)⋅10¹⁸ см^-3, толщина слоя d=(0,1-0,2)мкм.

4 - спейсер - слой InAlAs, где толщина слоя d=(0,5-0,8) мкм.

5 - буферный слой InGaAsSb, где N_d=(1-5)⋅10¹⁴ см^-3, толщина слоя d=(1-2) мкм.

6 - Полуизолирующая подложка i-GaAs.

На фиг. 2 представлена топологическая модель ячейки р-НЕМТ в разрезе с ограничительными размерами, где:

7 - h_oc - толщина металлизации ~(0,1-0,2) мкм.

8 - L_ис - расстояние исток-сток ~(1,8-2,2) мкм.

9 - L_з - длина затвора транзистора ~(0,2-0,4) мкм.

10 - h_з - толщина затворной металлизации ~(0,4-0,5) мкм.

11 - Исток.

12 - Сток.

13 - Затвор.

14 - SiO₂ - Защитная диэлектрическая пленка.

На фиг. 3 (а, б, в, г) представлена последовательность формирования субмикронного Т-образного затвора р-НЕМТ с применением фотолитографии, где:

15 - Si₃N₄ - диэлектрик.

16 - ФП-4 - резистивная маска.

17 - ФП-051Т - двухслойная резистивная маска.

18 - Ti-Au-V - затвор из многослойной металлизации.

На фиг. 4 представлено изображение сечения затвора опытного образца р-НЕМТ, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).

Осуществление изобретения

Для изготовления мощных СВЧ псевдоморфных транзисторов (р-НЕМТ) используются пластины эпитаксиальных структур AlGaAs/InGaAs/GaAs, предъявляемые требования к свойствам которых можно увидеть на Фиг. 1.

Топологическая модель р-НЕМТ с указанием конструктивно-технологических ограничений по реализации этой модели на стадии формирования металлизации затвора, на примере одного звена (ячейки) гребенчатого затвора представлена на Фиг. 2. Реальная конструкция транзистора может содержать несколько таких ячеек, в зависимости от требований к величине выходной мощности.

Процесс изготовления р-НЕМТ состоит из двух технологических блоков. Вначале формируются электроды истока и стока, а затем между ними - затвор. Исток (И) и сток (С) изготавливаются из многослойной металлической пленки AuGe-Ni-Au, а Т-затвор - из многослойной металлизации Ti-Au-V.

Последовательность формирования Т-затвора с помощью обратной фотолитографии представлена на Фиг. 3. На пластину гетероструктуры наносится диэлектрик Si₃N₄ толщиной 0,2 мкм, после чего формируется резистивная маска (ФП-4) с размером окна в резисте 0,3 мкм (см. Фиг. 3 а, б). Далее проводится импульсно-лучевая термообработка резиста, при которой он оплавляется и происходит сужение затворной щели до 0,2 мкм, и затем - плазмохимическое травление Si₃N₄ в атмосфере SF₆/O₂. Размер полученной щели определяет длину основания Т-затвора р-НЕМТ.

Для получения Т-образной формы затвора формируется двухслойная резистивная маска (ФП-051Т/ФП-4), определяющая размер и положение «шляпки» затвора. После этого посредством напыления затворной металлизации и удаления резистивной маски (см. фиг. 3 в, г) формируется непосредственно сам Т-затвор.

Подтверждение факта получения Т-затвора с длиной основания менее 0,2 мкм можно найти на фиг. 4, где представлено изображение сечения затвора опытного образца р-НЕМТ, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Полученная длина основания затвора (0,15 мкм) лишь незначительно уступает этому параметру (0,13 мкм) зарубежного аналога, полученного фирмой TriQuint (США) с применением электроннолучевой литографии.

После формирования топологических элементов р-НЕМТ транзистор покрывается защитной диэлектрической пленкой (SiO₂) и проводится низкоэнергетическая имплантация ионов бора (⁺В¹¹) при энергии ускорения 40 кэВ и дозе ≈2⋅10¹² см^-3, вследствие чего в приповерхностных слоях промежутков исток-затвор и сток-затвор возникают ловушки неконтролируемых примесей. Таким образом, компенсационная имплантация акцепторных ионов бора способствует подавлению утечек по затвору и увеличению пробивного напряжения затвор-сток транзистора.

В результате с применением исключительно оптической литографии получен мощный СВЧ полевой транзистор с субмикронным (до 0,2 мкм) затвором на мм-диапазон длин волн (с максимальной рабочей частотой до 100 ГГц с выходной мощностью более 1 Вт).

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2361319.

2. Заявка США на изобретение US 2011031530.

3. Патент Российской Федерации №2436186.