CC BY
110
УДК 621.382.323
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕСТОВЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ КОНТРОЛЯ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПЛАСТИНЕ
Г.О.Тимофеев, М.В.Драгуть*, О.А.Лукьянцев*
FORMING OF TEST CELLS FOR PROBING OF GALLIUM ARSENIDE MICROSTRUCTURES ON THE WAFER
G^.Timofeev, М.V.Dragut'*, О.А.Luk'yantsev*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», [email protected]
Рассмотрены процессы формирования тестовой ячейки для зондовых и оптических методов контроля арсенид-галлиевых микроструктур на пластине. Проведено технологическое опробование сформированного тестового модуля, измерены основные параметры арсенид-галлиевых микроструктур в ходе технологического процесса изготовления монолитной интегральной схемы (МИС) на GaAs.
Ключевые слова: тестовая ячейка, арсенид-галлиевые микроструктуры, монолитная интегральная схема, зондовый контроль
The processes of forming a test cell to probe and optical inspection methods GaAs microstructures on the wafer. Conducted sampling process generated test module, the main parameters measured GaAs microstructures during the process of manufacturing a monolithic integrated circuit (IIC) on GaAs.
Keywords: test cell, gallium arsenide microstructure, monolithic integrated circuit, probe testing
В настоящее время произошло качественное изменение в требованиях, предъявляемых к СВЧ микроэлектронным приборам на основе арсенида галлия [1]. Ужесточились требования к контролю статических и СВЧ характеристик в процессе изготовления приборов на арсениде галлия, а производство высококачественных микроэлектронных изделий требует наличия объективных критериев пригодности исходного полуизолирующего GaAs [2]. Возникает необходимость в разработке удобных экспресс методов контроля параметров микроэлектронных приборов в ходе технологического процесса изготовления микроструктур на арсениде галлия.
Целью данной работы является разработка и формирование тестовой ячейки для зондовых и оп-
тических методов контроля арсенид-галлиевых микроструктур на пластине в ходе технологического процесса изготовления монолитной интегральной схемы (МИС) на GaAs. Работа проводилась на предприятии ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород.
Тестовые ячейки представляют собой набор микроструктур для зондовых и оптических методов контроля непосредственно на пластине. Они формируются по всей площади пластины одновременно с кристаллами МИС. Элементы тестовой ячейки должны соответствовать по параметрам аналогичным элементам МИС. Фотография с цифровой камеры микроскопа разработанной тестовой ячейки представлена на рис.1.
Рис.1. Фотография разработанной тестовой ячейки
Они необходимы как для контроля основных статических параметров ПТШ (в общем случае, крутизны gm и тока стока насыщения Ids), так и для анализа частотной зависимости параметров рассеяния, по которым можно определить значения основных элементов эквивалентной схемы транзистора на GaAs. Топология тестовых транзисторов с расстоянием между контактными площадками 150 мкм специально разрабатывалась под измерительные зондовые головки (Cascade Microtech — Infinity Probes) для проведения измерений в СВЧ диапазоне (рис.3).
Тестовые транзисторные структуры ПТШ также используются в ходе оптических исследований с применением подсветки на длинах волн 1,06 и 1,3 мкм, соответствующими энергетическому
Рис.3. Особенности аппаратного контроля СВЧ параметров GaAs транзисторных структур ПТШ на пластине
В состав тестовой ячейки входят следующие элементы:
1, 1' — структуры тестовых полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) (рис.2) шириной затвора 300 мкм (1) и 600 мкм (1').
Металлизация (АиСе/Аи/Мо/А!)
Полуизолирующий GaAs
Рис.2. Структура тестовых ПТШ на GaAs
положению глубоких уровней в GaAs, благодаря использованию двухволнового лазерного модуля (метод полевого фототранзистора) для оценки качества полупроводниковой структуры арсенида галлия, на которой формируются МИС [3]. Данная методика позволила установить корреляционную связь между коэффициентом шума и величиной фотоответа.
2 — тестовая транзисторная структура ПТШ с шириной затвора 100 мкм. Используется для оценки величины эффекта управления тока стока со стороны подложки благодаря дополнительно сформированным контактным площадкам к п и п+ слоям.
3 — тестовые транзисторные структуры ПТШ с шириной затвора также 100 мкм, которые используются для контроля уровня тока ^ при формировании проводящего канала полевых транзисторов.
4 — тестовый диод Шоттки, представляющий собой гребенчатую структуру площадью контакта Шоттки 12600 мкм2 (рис.4). Используется для измерения С^ характеристик, по которым в дальнейшем можно благодаря расчетам определить профиль легирования полупроводниковой структуры GaAs. На расстоянии 150 мкм к тестовому диоду Шоттки дополнительно сформирована контактная площадка («земля») для анализа характеристик в СВЧ диапазоне, с помощью которого можно определить параметры элементов эквивалентной схемы диода Шотт-ки.
Рис.4. Структура тестового диода Шоттки на GaAs
5 — структуры для контроля слоевого сопротивления Rsh в ходе технологического процесса изготовления МИС. В данном случае под Rsh понимается сопротивление легированных слоев многослойной эпитаксиальной структуры GaAs. Структуры представляют собой квадратные полупроводниковые резисторы размером 70 х 70 мкм (рис.5), в результате измерения сопротивлений которых рассчитывается
Rsh = R - 2Rк
где R — измеренное сопротивление квадратного резистора, Ом; Rк — контактное сопротивление, Ом.
Рис.5. Структура для контроля слоевого сопротивления МИС
6 — структуры для контроля сопротивления изоляции. Сформированы в виде кольцеобразных резисторов, чтобы весь ток утечки ограничивался формой структуры (рис.6). Межэлементная изоляция при изготовлении МИС осуществляется селективной бомбардировкой протонами Н+. Критерием ее качества является значение сопротивления изоляции Rиз.
Рис.6. Структура для контроля сопротивления изоляции
7, 7' — структуры, используемые для контроля удельного поверхностного сопротивления сплава AuGe/Au/Mo (7) и металлизации Al (7').
8 — тестовые структуры для корректировки номиналов резисторов, используемых в МИС. Они изготовлены на основе легированных слоев исходной эпитаксиальной структуры GaAs.
Пластины, на которых изготавливается МИС, представляют собой многослойные эпитаксиальные структуры арсенида галлия, состоящие из буферного, активного и контактного слоев, выращенных методом газофазной эпитаксии на полуизолирующей подложке арсенида галлия.
Контроль статических и СВЧ параметров ар-сенид-галлиевых микроструктур проводился при помощи комплекса современного оборудования, включающего зондовую станцию Cascade Microtech Summit 12000, измеритель параметров полупроводниковых приборов Agilent B1500, анализатор цепей Agilent N5230, а также специально изготовленный двухволновый лазерный модуль для оценки качества полупроводниковых структур на GaAs (рис.7).
Рис.7. Фотография комплекса измерительного оборудования
Разработанная тестовая ячейка была опробована для контроля всех необходимых статических и СВЧ параметров на следующих этапах технологического процесса изготовления МИС:
1. Контроль качества омических контактов. Технология формирования омических контактов к GaAs хорошо отработана и воспроизводима на рабочих частотах схемы МИС 600-1200 МГц, поэтому в данной работе значение удельного контактного сопротивления гк не контролируется и принимается равным 7,5 • 10-7 Омсм2.
2. Оценка качества межэлементной изоляции. Контроль по микроструктуре 6. Отмечен разброс параметра Rиз по пластине. Предположительно, он наблюдается из-за неоднородности процесса ионного легирования или благодаря влиянию параметров исходной эпитаксиальной структуры GaAs. Наименьшее значение параметра Rиз по пластине составило 9,1 МОм, наибольшее — 13,8 МОм. Среднее значение — 11,3 МОм (при V = 10 В).
Контроль слоевого сопротивления. Контроль по микроструктуре 5. Отмечена неоднородность распределения параметра Rsh по пластине, что может быть также связано с качеством исходной эпитаксиальной структу-
ры GaAs. Наименьшее значение параметра Rsh по пластине составило 84,1 Ом/П, наибольшее — 96,9 Ом/П. Среднее значение — 88,4 Ом/П (при V = 1 В).
3. Контроль уровня тока I^ при формировании проводящего канала ПТШ. Используются тестовые транзисторы 3.
4. Контроль статических и СВЧ параметров на сформированной структуре ПТШ. Используются тестовые микроструктуры 1, 1', 2. Основные статические параметры одного из тестовых ПТШ (Wg = 300 мкм) представлены в таблице.
Основные статические параметры одного из тестовых ПТШ
Параметр ПТШ Значение параметра
Ток стока насыщения Ids 40 мА
(Vg = 0 B, Vd = 1 B)
Напряжение отсечки V^ -1 В
Крутизна gm (Vg = 0 B, Vd = 1 B) 60 мС
На рис.8 представлена типовая выходная характеристика исследуемых одного из тестовых транзисторов (Wg = 300 мкм).
vdrsn[V) SflmyjN
Рис.8. Типовая выходная характеристика тестового ПТШ, снятая на Agilent B1500А
VmetalACV] 500m/div
Рис.9. Типовая C-V характеристика тестового диода Шоттки, снятая на B1500А
При исследовании СВЧ параметров тестовых транзисторов (Wg = 300 мкм) проводились измерения ^-параметров. Интересующей нас характеристикой в данных исследованиях является коэффициент усиления по мощности, определяемый параметром S2-i на частоте 1 ГГц. Наименьшее значение параметра S2l по пластине составило 11,4 дБ, наибольшее — 14,9 дБ. Среднее значение — 13,6 дБ.
5. Контроль удельного поверхностного сопротивления сплава AuGe/Au/Mo и металлизации А1. Контроль по микроструктурам 7 и 7' соответственно. Измеренные значения соответствуют RS (AuGe/Au/Mo) < 0,4 Ом/Ц RS (А1) < 0,01 Ом/Л.
Контроль на этапе корректировки номиналов слоевого сопротивления резисторов МИС. Контроль по микроструктуре 8.
Анализ С-V характеристик тестового диода Шоттки. Контроль по микроструктуре 4. На рис.9 представлена типовая С-V характеристика сформированного диода Шоттки.
Выводы
В результате проведенной работы был разработан и сформирован модуль тестовой ячейки для зондовых и оптических методов контроля арсенид-галлиевых микроструктур на пластине в ходе технологического процесса изготовления монолитной интегральной схемы на GaAs. Проведено технологическое опробование тестовой ячейки, измерены основ-
ные параметры, соответствующие параметрам аналогичных элементов МИС. Достигнутые результаты свидетельствуют об эффективности использования данной методики контроля арсенид-галлиевых микроприборов.
1. Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнёв Б.И. СВЧ МИС МШУ на основе наногетероструктур GaAs pHEMT // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2013. №1,2. С.134-137.
2. Селезнёв Б.И., Романов В.Л., Мозгунов А.Ф. и др. Формирование и исследование СВЧ полевых транзисторов на основе гетероструктур GaAs/GaAlAs/GaAs // Известия вузов. Электроника. 2003. Вып.2. С.32-39.
3. Селезнёв Б.И., Ионов А.С., Петров А.В. и др. Зондовые и оптические исследования микро- и наноструктур на основе арсенида галлия / // Вестник НовГУ. Сер. Техн. науки. 2011. №65. С.31-36.
Bibliography (Transliterated)
1. Kozlovskii E.Iu., Osipov A.M., Seleznev B.I. SVCh MIS MShU na osnove nanogeterostruktur GaAs pHEMT // Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia. 2013. №1,2. S.134-137.
2. Seleznev B.I., Romanov V.L., Mozgunov A.F. i dr. For-mirovanie i issledovanie SVCh polevykh tranzistorov na osnove geterostruktur GaAs/GaAlAs/GaAs // Izvestiia vuzov. Elektronika. 2003. Vyp.2. S.32-39.
3. Seleznev B.I., Ionov A.S., Petrov A.V. i dr. Zondovye i opticheskie issledovaniia mikro- i nanostruktur na osnove arsenida galliia / // Vestnik NovGU. Ser. Tekhn. nauki. 2011. №65. S.31-36.
