Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА СВЧ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

Изобретение относится к электронной технике, а именно способу изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки и может быть использовано в качестве активных элементов устройств СВЧ различного назначения.

Выходная мощность и коэффициент усиления – одни из основных выходных электрических параметров полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки (ПТШ).

Снижение паразитного электрического сопротивления, снижение длинны и увеличение ширины электрода затвора, снижение паразитной емкости – возможные пути повышения указанных параметров полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки.

Известен способ изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки, включающий формирование на лицевой стороне полуизолирующей подложки из полупроводникового материала группы А^IIIB^V, с активным слоем, по меньшей мере, одной пары электродов истока и стока, канала между ними с канавкой под электрод затвора, формирование электрода затвора типа барьер Шоттки, при этом упомянутое формируют посредством технологических операций технологического процесса – метода литографии и нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих омические контакты в области электродов истока и стока и барьер Шоттки в области электрода затвора, при этом последние наносят под углом между лицевой стороной полуизолирующей подложки и вектором потока наносимого металлического слоя или системы металлических слоев, при этом в сторону электрода истока (далее упомянутый и/или заданный угол).

В котором, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления, и снижения коэффициента шума, нанесение металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки в области электрода затвора, осуществляют под упомянутым углом с заданными его параметрами. [Патент № 2361319 РФ. Способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки / Лапин В.Г. и др. //Бюл. – 2009 – № 19/].

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 соответственно – повышение выходной мощности и коэффициента усиления порядка 750 мВт и 10 дБ на частоте 10 ГГц соответственно.

Однако, эти достаточно высокие выходные электрические параметры не достаточны при использовании данного ПТШ в ряде устройств СВЧ, например, усилителей мощности для активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Известен способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки, включающий формирование на лицевой стороне полуизолирующей подложки с активным слоем, по меньшей мере, одной пары электродов истока и стока с каналом между ними, канавки под электрод затвора в канале, электрода затвора типа барьер Шоттки, асимметрично в сторону электрода истока, при этом упомянутое формируют посредством методов литографии и нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих омические контакты в области электродов истока и стока и барьер Шоттки в области электрода затвора, при этом упомянутые металлические слои в области электрода затвора наносят под упомянутым, заданным углом к лицевой стороне полуизолирующей подложки с активным слоем, при этом в сторону электрода истока.

В котором, с целью повышения выходной мощности и коэффициента усиления,

перед формированием канавки под электрод затвора на активный слой полуизолирующей подложки дополнительно наносят диэлектрический слой, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость, толщиной 0,1-0,5 мкм, при температуре полуизолирующей подложки 150-320°С,

формируют топологию электрода затвора на диэлектрическом слое, посредством методов литографии и последующего плазмохимического травления при мощности 12-18 Вт, давлении системы газов 2,4×10^-4-2,6×10^-4 Па, в течение 50-90 секунд,

а при формировании электрода затвора типа барьер Шоттки 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 диэлектрического слоя относительно торца его ступеньки, обеспечивающим зазор между упомянутым торцом и верхним краем электронно- либо фоторезистной маски со стороны электрода стока,

а упомянутые металлические слои в области электрода затвора наносят под упомянутым углом равным (70-90)°,

при этом длину электрода затвора задают исходя из выражения:

l=w-s-h×ctgα, где

l - длина электрода затвора;

w - длина окна в электронно либо фоторезистной маске;

1s - сдвиг электронно- либо фоторезистной маски по горизонтальной лицевой стороне дополнительного диэлектрического слоя относительно торца его ступеньки;

h - толщина электронно- либо фоторезистной маски;

α - упомянутый, заданный угол между лицевой стороной полуизолирующей подложки и вектором потока наносимого металлического слоя или системы металлических слоев, при этом в сторону электрода истока. [Патент № 2465682 РФ. Способ изготовления СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки / Лапин В.Г. и др. //Бюл. – 2012 – № 30/] – прототип.

Данный способ изготовления ПТШ обеспечивает по сравнению с предыдущим аналогом повышение, примерно:

- выходной мощности на 25-30 процентов, порядка 1000 Вт,

- коэффициента усиления на 2 дБ, порядка 12 дБ на частоте 10 ГГц.

Однако данный способ из-за несовершенства технологических операций технологического процесса литографии, и прежде всего низкой точности технологических операций совмещения, обуславливающих разброс длины электрода затвора и, как следствие, – низкий выход годных, низкая воспроизводимость основных электрических параметров СВЧ.

Технический результат заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки – повышение выхода годных, повышение воспроизводимости основных электрических параметров СВЧ, упрощение способа изготовления при сохранении значений основных электрических параметров СВЧ.

Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки, включающим

формирование на лицевой стороне полуизолирующей подложки с активным слоем, по меньшей мере, одной пары единичных электродов истока и стока, с каналом между ними, посредством методов литографии и вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих омические контакты в области электродов истока и стока соответственно,

формирование диэлектрического слоя на лицевой стороне полуизолирующей подложки с активным слоем, со стороны электрода истока, из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, заданной толщины, при заданной температуре заданной полуизолирующей подложки, посредством метода плазмохимического осаждения,

формирование топологии электрода затвора, на диэлектрическом слое, посредством методов литографии и травления,

формирование канавки под электрод затвора, в канале, посредством методов литографии и изотропного травления,

формирование электрода затвора, согласно его топологии, с заданной длиной, асимметрично в сторону единичного электрода истока, посредством методов литографии и вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки,

при этом последние наносят под заданным углом между лицевой стороной полуизолирующей подложки с активным слоем и вектором потока наносимого металлического слоя или системы металлических слоев, при этом в сторону электрода истока.

При этом

диэлектрический слой формируют одновременно и со стороны единичного электрода стока, из одинакового материала, с собственной диэлектрической проницаемостью менее 8,0, толщиной 0,1-0,25×10^-6 м, при температуре полуизолирующей подложки 200-350°С,

при формировании топологии электрода затвора на диэлектрическом слое, посредством упомянутых методов – литографии и реактивного ионного травления, при осуществлении реактивного ионного травления используют анизотропный тип реактивного ионного травления,

при этом анизотропное реактивное ионное травление осуществляют – реализуют в системе газов состава гексафторид серы SF₆ и кислород O₂ при следующем их соотношении, мас. % 90,0-92,0 и 10,0-8,0 соответственно, при мощности 8,0-12,0 Вт, давлении 0,67-1,33 Па, до полного удаления диэлектрического слоя в области расположения последнего согласно топологии электрода затвора,

формирование канавки под электрод затвора, в канале, посредством методов литографии и изотропного травления,

при формировании электрода затвора, посредством упомянутых методов – литографии и вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки, при осуществлении технологических операций технологического процесса – метода литографии используют только одну резистную маску, при этом позитивную, с высокими значениями разрешающей способности порядка 1000,0 линий/мм, с обеспечением разрешающей способности технологического процесса литографии в целом более 700,0 линий/мм,

при этом резистную маску формируют из двух слоёв материала – нижнего и верхнего соответственно, материал каждого из которых имеет различный качественный состав компонентов,

при этом в заданном проявителе значение растворимости и/или химической реакционной способности светочувствительного компонента материала нижнего слоя резистной маски превышает значение растворимости светочувствительного компонента материала верхнего слоя резистной маски в 2,0-2,5 раза,

а вакуумное нанесение металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки, осуществляют под упомянутым углом равным 72,0-76,0°,

а длину электрода затвора задают исходя из выражения:

l = w-h×сtg α, где

l – длина электрода затвора,

w – длина окна в резистной маске,

h – толщина резистной маски,

α – упомянутый, заданный угол между лицевой стороной полуизолирующей подложки и вектором потока наносимого металлического слоя или системы металлических слоев, при этом в сторону электрода истока.

Полуизолирующая подложка представляет собой полуизолирующую подложку арсенида галлия либо карбида кремния.

Активный слой выполнен в виде арсенида галлия с высокой подвижностью электронов либо нитрида галлия, либо – в виде гетероструктуры на их основе.

Метод литографии представляет собой метод электронной литографии, либо метод фотолитографии.

Диэлектрический слой формируют из нитрида кремния либо двуокиси кремния.

Качественный состав материала нижнего слоя резистной маски представляет собой полидиметилглутаримид, верхнего – многокомпонентную систему нафтохинондиазидов и новолачных смол, в которой светочувствительный компонент – нафтохинондиазид.

На активном слое формируют контактный слой толщиной (0,05-0,2)×10^-6 м.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков формулы заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки.

Как ограничительной ее части, предусматривающей:

формирование на лицевой стороне полуизолирующей подложки с активным слоем, по меньшей мере, одной пары единичных электродов истока и стока, с каналом между ними, посредством методов литографии и вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих омические контакты в области электродов истока и стока соответственно,

формирование диэлектрического слоя, на активном слое полуизолирующей подложки со стороны электрода истока, из материала с низкой диэлектрической проницаемостью, заданной толщины, при заданной температуре заданной полуизолирующей подложки, посредством метода плазмохимического осаждения,

формирование топологии электрода затвора, на диэлектрическом слое, посредством методов литографии и травления,

формирование канавки под электрод затвора, в канале, посредством методов литографии и изотропного травления,

формирование электрода затвора, согласно его топологии, с заданной длиной, асимметрично в сторону единичного электрода истока, посредством методов литографии и вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки,

при этом последние наносят под заданным углом между лицевой стороной полуизолирующей подложки и вектором потока наносимого металлического слоя или системы металлических слоев, при этом в сторону электрода истока.

Так и отличительной части, а именно.

1. Формирование диэлектрического слоя одновременно и со стороны единичного электрода стока, при этом с максимально оптимизированными параметрами технологического процесса, а именно из одинакового материала, с собственной диэлектрической проницаемостью менее 8,0, толщиной 0,1-0,25×10^-6 м, при температуре полуизолирующей подложки 200-350 °С и

в совокупности с тем, что резистную маску формируют из двух слоёв материала – нижнего и верхнего соответственно, материал каждого из которых имеет различный качественный состав компонентов.

Это обеспечивает возможность использования при технологических операциях технологического процесса литографии только одну резистную маску и тем самым – упрощение чрезвычайно сложной технологической операций процесса обратной литографии (взрыва) и, как следствие, –

во-первых, упрощение способа изготовления в целом,

во-вторых, повышение выхода годных и повышение воспроизводимости параметров ПТШ.

2. Использование только одной резистной маски с указанными её характеристиками, а именно – позитивной, с высокими значениями разрешающей способности порядка 1000,0 линий/мм, с обеспечением разрешающей способности технологического процесса литографии в целом, более 700,0 линий/мм, и

в совокупности с тем, что данная резистная маска в заданном проявителе имеет значение растворимости и/или химической реакционной способности светочувствительного компонента материала нижнего слоя превышающее значение растворимости светочувствительного компонента материала верхнего слоя в 2,0-2,5 раза, и

в совокупности с использованием анизотропного типа реактивного ионного травления при формировании топологии электрода затвора

в совокупности его реализации в системе газов состава гексафторид серы SF₆ и кислород O₂ при следующем их соотношении, мас. % 90,0-92,0 и 10,0-8,0 соответственно,

при мощности 8,0-12,0 Вт,

давлении 0,67-1,33 Па.

Это обеспечивает возможность:

во-первых, реализации самого типа анизотропного реактивного ионного травления,

во-вторых, использовать отличительные свойства явления – понятия анизотропии, а именно в данном случае, минимальную скорость травления диэлектрического слоя – в горизонтальном направлении и максимальную скорость травления – в вертикальном направлении и тем самым обеспечить максимально близкий перенос размеров топологии электрода затвора через резистную маску на диэлектрический слой и тем самым обеспечить:

а) воспроизводимость паразитного электрического сопротивления единичного электрода затвора и соответственно – паразитного электрического сопротивления общего электрода затвора,

б) воспроизводимость паразитной емкости между электродами затвор-сток и, тем самым – снижение возможности возникновения ее как элемента нежелательной положительной обратной связи, приводящей к паразитной генерации;

в) минимальную длину электрода затвора, менее 0,1 мкм.

И, как следствие, вышеуказанного – повышение воспоизводимости основных электрических параметров СВЧ ПТШ, при сохранении их высоких значений (коэффициента усиления и выходной мощности ПТШ).

3. Осуществление вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки, под упомянутым углом α, равным 72,0-76,0° и

в совокупности с заданной длиной электрода затвора исходя из заявленного выражения:

l = w-h×сtg α, где

l – длина электрода затвора,

w – длина окна в резистной маске,

h – толщина резистной маски,

α – упомянутый угол.

Это позволяет максимально оптимизировать – длину электрода затвора и технологический процесс вакуумного нанесения металлического слоя или системы металлических слоев, образующих барьер Шоттки и, как следствие, – значительное повышение воспроизводимости длины электрода затвора и соответственно – воспроизводимости основных электрических параметров СВЧ ПТШ.

Формирование диэлектрического слоя со стороны электродов исток-сток, из материала, с собственной диэлектрической проницаемостью более 8,0, не желательно из-за недопустимого увеличения паразитной емкости между электродами затвор-исток,

равно как толщиной как менее 0,1, так и более 0,25 мкм

в первом случае из-за – недопустимого увеличения паразитной емкости между электродами затвор-исток,

во втором:

а) из-за возможного нарушения целостности конструкции электрода затвора,

б) из-за возможных затруднений при проведении технологической операции «взрыва» технологического процесса литографии,

равно как при температуре полуизолирующей подложки как менее 200 °С, так и более 350 °С не желательно, в первом случае из-за низкого качества диэлектрического слоя, во втором – из-за возможной деградации ПТШ.

Осуществление анизотропного реактивного ионного травления:

в системе газов состава гексафторид серы (SF₆) и кислород (O₂) при их соотношении, в мас. %, как менее 90,0 и 10,0 так и более 92,0 и 8,0, не желательно,

равно как при мощности как менее 8,0 Вт, так и более 12,0 Вт,

равно как при давлении менее 0,09 Па и более 0,18 Па не желательно из-за резкого снижения качества плазмохимического травления.

Использование резистной, позитивной маски, со значениями разрешающей способности менее 1000,0 линий/мм, с обеспечением разрешающей способности технологического процесса литографии в целом менее 700,0 линий/мм не желательно из-за резкого снижения качества технологических операций технологического процесса литографии.

Формирование резистной маски из двух слоёв – нижнего и верхнего соответственно, с превышением значений их растворимости и/или химической реакционной способности светочувствительного компонента нижнего слоя над верхним слоем как менее чем в 2,0 раза, так и более чем в 2,5 раза не желательно, из-за – чрезвычайной сложности технологических операций процесса обратной литографии (взрыва) и соответственно низкого его качества.

Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки обеспечивает в полной мере указанный технический результат – повышение выхода годных, повышение воспроизводимости основных параметров, упрощение способа изготовления при сохранении значений основных параметров СВЧ.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На фиг. 1 дан общий вид полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки, изготовленный заявленным способом, где

- полуизолирующая подложка арсенида галлия – 1,

- активный слой – 2,

- одна пара электродов истока и стока – 3, 4 соответственно,

- канал между ними – 5,

- диэлектрический слой со стороны электродов истока и стока – 6 (а, б) соответственно,

- канавка – 7 в канале

- электрод затвора – 8,

- контактный слой – 9.

Примеры конкретного изготовления.

Пример 1.

Заявленный способ изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки, предусматривает следующую прямую последовательность технологических операций.

Прежде задают – определяют длину электрода затвора исходя из вышеуказанного выражения:

l = w-h×сtg α, где

l – длина электрода затвора,

w – длина окна в резистивной маске,

h – толщина резистной маски,

α – упомянутый угол между лицевой стороной полуизолирующей подложки 1 и вектором потока наносимой системы металлических слоев.

l = 0,7-2,0×сtg 74° = 0,13 мкм.

Формируют на лицевой стороне полуизолирующей подложки 1 арсенида галлия GaAs с активным слоем 2 – арсенида галлия легированного донорной примесью n⁺-GaAs, с концентрацией легирующей примеси 2×10¹⁸ см^-3, одну пару электродов истока 3 и стока 4 с каналом 5 между ними, посредством технологических операций методов литографии и вакуумного напыления системы металлических слоев германий Ge - золото Au - никель Ni - золото Au, общей толщиной (0,163×10^-6 м), образующих омические контакты в области электродов истока и стока.

Формируют диэлектрический слой 6 (а, б) на активном слое 2 полуизолирующей подложки 1 одновременно и со стороны электрода истока 3, и со стороны электрода стока 4 соответственно, из одинакового материала нитрида кремния Si₃N₄, с собственной диэлектрической проницаемостью 6,0, толщиной 0,175 мкм, при температуре полуизолирующей подложки 275°С.

Формируют топологию электрода затвора на диэлектрическом слое 7 в канале 5 под электрод затвора 8 посредством технологических операций методов литографии и анизотропного реактивного ионного травления в системе газов состава гексафторид серы SF₆ и кислород O₂ при их соотношении, в мас. %, 91,0:9,0, при мощности 10,0 Вт, давлении 1,0 Па.

Формируют канавку под электрод затвора, в канале, посредством методов литографии и изотропного травления в смеси серной кислоты (H₂SO₄) и перекиси водорода (H₂O₂) при соотношении (1:15).

Формируют электрод затвора 8 типа барьер Шоттки с длиной 0,13×10^-6 м, асимметрично в сторону электрода истока 3, посредством технологических операций методов литографии и вакуумного нанесения системы металлических слоев титан Ti - алюминий Al - титан Ti, общей толщиной 0,5 ×10^-6 м, образующих барьер Шоттки в области электрода затвора.

При этом:

при формировании электрода затвора 8 типа барьер Шоттки при осуществлении технологических операций технологического процесса литографии используют только одну резистную маску, при этом позитивную, с высокими значениями разрешающей способности порядка 1000,0 линий/мм, с обеспечением разрешающей способности технологического процесса литографии в целом порядка 900,0 линий/мм, например, состав материала резистной маски представляет собой многокомпонентную систему – нафтохинондиазидов и новолачных смол, в которой светочувствительный компонент – нафтохинондиазид и которая имеет вышеуказанные характеристики – разрешающая способность 1100,0 линий/мм;

при этом резистную маску формируют из двух слоёв материала – нижнего и верхнего соответственно, материал каждого из которых имеет различный качественный состав компонентов,

при этом в заданном проявителе – MF24A значение растворимости и/или химической реакционной способности светочувствительного компонента материала нижнего слоя резистной маски типа SF-9, растворимость 53 нм/c превышает значение растворимости чувствительного компонента материала верхнего слоя резистной маски тип SPR-700, растворимость 24 нм/с в 2,0-2,5 раза;

при этом вакуумное нанесение вышеуказанной системы металлических слоев (Ti-Al-Ti), образующих барьер Шоттки в области электрода затвора осуществляют под упомянутым углом равным 74°, при этом асимметрично в сторону электрода истока.

Примеры 2-7.

Аналогично примеру 1 изготовлены образцы ПТШ, но при других технологических режимах, заявленных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6) и за ее пределами (примеры 4-5).

В том числе, когда:

- активный слой – в виде гетероструктуры AlGaAs/InGaAs с высокой подвижностью электронов 5200 м²/(В×с);

- диэлектрический слой – из двуокиси кремния SiO₂;

- контактный слой из арсенида галлия n⁺-типа с концентрацией легирующей примеси 2×10¹⁸ см^-3, выполненный на активном слое 2 диэлектрической подложки 1(пример 6).

Пример 7 – прототип.

На изготовленных образцах полевых транзисторов СВЧ с барьером Шоттки.

Измерены:

- выходная мощность (Р_вых.), Вт, посредством Ваттметра (СМЗ010).

- коэффициент усиления (К_У) посредством анализатора цепей (Agilent Technologies PNA Network Analyzer) на рабочей частоте 10 ГГц.

Определены:

- воспроизводимость электрических параметров (от ПТШ к ПТШ) вычисляется как относительное стандартное отклонение, определяется по формуле:

- выход годных как отношение числа годных кристаллов на полупроводниковой пластине к общему числу кристаллов на полупроводниковой пластине, умноженное на 100%.

Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы образцы ПТШ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-3, 6) имеют значения, примерно:

выходной мощности 1000 Вт,

- коэффициента усиления 12 дБ на частоте 10 ГГц;

- воспроизводимость электрических параметров (относительное стандартное отклонение) составляет 5 процентов.

- выход годных составляет 83 процентов

В отличие от образцов ПТШ (примеры 4-5), изготовленных за ее пределами имеют

- воспроизводимость электрических параметров (относительное стандартное отклонение) составляет 6 процентов.

- выход годных 70 процентов

Таким образом, заявленный способ изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки по сравнению с прототипом обеспечит:

повышение

- воспроизводимость электрических параметров (относительное стандартное отклонение) на 3 процента

- выхода годных на 10 процентов

При сохранении высоких значений основных электрических параметров, примерно:

- выходной мощности 1000 Вт,

- коэффициент усиления 12 дБ на частоте 10 ГГц.

Более того, заявленный способ изготовления полевого транзистора СВЧ с барьером Шоттки может быть использован для изготовления как мощных, так и малошумящих активных элементов в ряде устройств СВЧ, например, усилителей мощности активных фазированных антенных решеток.