CC BY
249
УДК 621.382.323
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ МАЛОШУМЯЩЕГО pHEMT ТРАНЗИСТОРА СВЧ ДИАПАЗОНА
Э.Ю.Козловский, Б.И.Селезнев, Н.Н. Иванов
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Рассматриваются особенности технологии изготовления СВЧ транзистора на pHEMT структурах и оптимизация его конструкции с целью управления параметрами готового прибора и достижения наилучших динамических и СВЧ характеристик. Приведены характеристики малошумящего pHEMT транзистора СВЧ диапазона, разработанного и изготовленного на основе проведенных исследований.
Ключевые слова: pHEMT, травление, атомно-силовая микроскопия, крутизна, СВЧ, коэффициент шума, коэффициент усиления
The article discusses the specifics of manufacturing technology of RF FET based on the pHEMT structure and optimization of its design in order to control the parameters of the device and achieve the best dynamic and RF characteristics. The characteristics of a low-noise pHEMT RF FET, designed and manufactured on the basis of studies carried out, are given.
Keywords: pHEMT, etching, atomic force microscopy (AFM), slope, RF, noise ratio, amplification gain factor
Гетероэпитаксиальные транзисторы в настоящее время занимают лидирующее место при разработке усилительных схем и переключателей СВЧ диапазона. Обладая низким коэффициентом шума, высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью в широкой полосе частот, такие приборы позволяют улучшить характеристики СВЧ модулей.
В настоящей работе исследованы структуры со слоем двухмерного электронного газа (ДЭГ) на границе раздела АЮа^АБЛпОа^АБ. Подобная модификация транзистора отличается введением между слоем А^Оа^АБ и нелегированным ОаАБ слоя ¡ПОа^АБ толщиной не более 200 ангстрем и получила название псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ).
Вследствие меньшей, чем у ОаАБ, ширины запрещенной зоны, наличие слоя ¡ПуОа^АБ (у < 0,3) позволяет использовать в паре с ним А1хОа1-хАБ с низким содержанием алюминия ^ = 0,2-0,3). Подобная модификация структуры в конечном итоге устраняет негативные эффекты, такие, как срыв стоковых ВАХ, повышение уровня генерационно-рекомбинационных шумов, фоточувствительность, возникающие в гетеропаре А^Оа^АБ/ОаАБ по причине высокого содержания алюминия ^ > 0,2) [1].
На рис.1 представлена конструкция гетерост-руктурного транзистора, реализованного на рНЕМТ структуре, с указанием основных слоев и их функционального назначения.
Исток
Затвор
Сток
Контактный З-» Ц] ^ слой п* -СаАь |^В
Барьерный слой п-М0пСа077Аз « * ►
Сильнолегированный слой л* -А10 2з^а0 77А5
Слейсер »-А10 23Са0 77Ав
Канал Мп016Са0 ^Ав
Буферный слой (-СаАв
Сверхрешетка А10 2зСа0 77Ав/СаА5
Буферный слой иСаАв
Подложка ¡-СаАз
Название слоя N, см J h, нм
n' -GaAs >5-Ю18 85
n-Alo>23Gao>77As 5-Ю16 25
n -Al 0,23Gao,77AS 2,5-Ю18 13
i-Alo,23Gao,77AS н/л 2
i-ino,i6Gao,84As н/л 12
буфер - сверхрешетка н/л ~ 53o
подложка н/л ~ 4,2'Ю5
Рис.1. AlxGa1-xAs/ InyGa1-yAs /GaAs pHEMT
Достоинством рНЕМТ наряду с высокой подвижностью и скоростью насыщения носителей заряда в канале является также общность многих технологических процессов и оборудования с применяемыми при изготовлении МЕ8БЕТ транзисторов. Однако несмотря на значительную общность технологий существует ряд особенностей, которые необходимо учитывать при изготовлении рНЕМТ.
1. Изоляция элементов МИС. Наличие в структуре слоев АЮа^АБ и 1пуОа1-уАБ предъявляет более жесткие требования к операциям меза-травления или ионной бомбардировки, используемым при формировании изоляции. Исключение возникновения паразитных токов утечки по объему структуры, возникающих в первую очередь на границе раздела различных соединений (по причине наибольшей дефектности), является необходимым требованием при формировании качественной изоляции отдельных элементов монолитных интегральных схем.
2. Операция химического травления структуры при формировании углубления затвора. Распределение подвижных носителей заряда (электронов) по глубине структуры и малые толщины активных слоев предъявляют существенные требования к прецизионности и селективности химического травления.
3. Присутствие в структуре слоя А^ва^АБ делает необходимым обеспечение пассивации поверхности с целью исключения накопления поверхностного заряда в области сток-исток, приводящего к температурной нестабильности ВАХ. В процессе изготовления также необходимо избегать возможности контактирования слоя АЮа^АБ с воздухом, поскольку возможно образование на поверхности труднорастворимых соединений, что затрудняет проведение операции химического травления при углублении затвора.
При отработке технологии были опробованы структуры рНЕМТ (рис.1) с различными параметрами ДЭГ: концентрация (п) (1,5-2)-1012 см 2 и подвижность д., 5800-6500 см2/(В-с) носителей заряда в канальном слое 1пуОа1_уАБ (Т = 300 К).
В качестве основной цели исследования выступало построение профилей травления гетероструктур и установление связи между параметрами прибора (начальный ток стока 1С НАЧ, крутизна S, напряжение отсечки иотс, напряжения пробоя затвор-сток ипроб зс и затвор-исток ипроб зи), параметрами ДЭГ (п, и д,) и конструкцией транзисторной структуры (размещение затвора в области сток-исток и величина его углубления).
Травление проводилось на транзисторных структурах, позволяющих довести технологический процесс изготовления до конечных изделий с возможностью монтажа кристалла в ножку и измерения его параметров. Типовой профиль травления рНЕМТ структуры представлен на рис.2.
О 2 4 6 8 10 12 1 4 16 18 20
Время травления, с
Рис.2. Профиль травления рНЕМТ. Кривая травления имеет четыре выраженных участка: 1 — травление контактного слоя л+-ОаАз; 2 — травление барьерного слоя п-А!хОа1-хАз; 3 — травление сильнолегированного п+-А!хОа1-хАз (обедненного подвижными носителями заряда); 4 — травление канала !пуСа1-уДз
Обобщая результаты по параметрам ДЭГ исходных структур, статическим, динамическим и СВЧ-характеристикам транзисторов, изготовленных на их основе, а также учитывая особенности проведения ряда технологических операций (в первую очередь касающихся формирования затвора), были установлены оптимальные параметры ДЭГ, наилучшим образом обеспечивающие параметры готового прибора: п, > 1,9-1012 см-2, д, > 5800 см2/(В-с) при 300 К. При этом важно отметить, что влияние концентрации носителей в ДЭГ пц на усилительные свойства транзистора является более значимым, чем их подвижность в слабых электрических полях д,. Обусловлено это тем, что при работе транзистора в «усилительном» режиме ток стока и крутизна транзистора определяются в значительной степени концентрацией носителей и скоростью их насыщения, тогда как подвижность уже существенным образом зависит от рассеяния в сильных электрических полях, и, соответственно, параметр д, выступает скорее в качестве характеристики исходного материала, нежели определяет реальные СВЧ характеристики прибора.
Для структур с оптимальными параметрами ДЭГ применительно к реализации транзисторов на их основе была установлена связь между величиной углубления затвора и характеристиками прибора. В зависимости от момента остановки химического травления при формировании углубления затвора на одной и той же структуре могут быть получены транзисторы с разными параметрами (см. табл.).
Параметры транзисторов
Участок на профиле травления ^от^ В и = 3 В, 1с = 1мА) 1с нач, мА/мм и = 0 В, и си = 3 В) е °макс? мА/(В-мм)
1 >2,0 350-450 160
2 0,8-2,0 250-350 350
3 0,4-0,8 150-250 300
4 <0,4 <150 160
С точки зрения формирования углубления затвора оптимальным является размещение последнего на переходном участке 2-3 (рис.2). При этом достигаются максимальная крутизна (350 мАУ(В-мм)), оптимальное для использования в малошумящем режи-
ме напряжение отсечки (0,7-1 В), пробивные напряжения затвор-сток и затвор-исток не менее 5 В по уровню тока затвора 20 мкА.
Следует отметить, что переходный участок 1-2 также может быть использован при изготовлении транзисторов рНЕМТ. Однако параметры полученного транзистора, будут в значительной степени ориентированы на работу последнего в режиме получения максимальной выходной мощности (высокая плотность тока), чем на получение максимального усиления.
При формировании структуры полевого транзистора для улучшения его статических, динамических и СВЧ характеристик необходимо минимизировать расстояние затвор-исток транзистора при сохранении приемлемых пробивных напряжений. Минимизация может быть осуществлена за счет расположения затвора в углублении так, чтобы он был смещен к истоку. При этом важную роль имеет контроль геометрии размещения затвора и величина боковых подтравов на границе защитной маски при проведе-
нии первой и второй корректировок. В качестве метода диагностики была выбрана атомно-силовая микроскопия (АСМ) [2,3], позволяющая построить геометрический профиль транзисторной структуры (активной области) в сечении сток-исток на различных технологических этапах.
На рис.3 приведено изображение активной области транзистора (области истока, стока, затвора) по данным АСМ после первой корректировки в 2Б и 3Б представлениях (а и б соответственно).
На рис.4 приведены изображение и профили активной области. В соответствии с используемым фотошаблоном расстояние сток-исток составляет 3 мкм, по данным измерения профиля ~ 3 мкм. Ширина области первой корректировки (области травления) по фотошаблону составляет 1,4 мкм и располагается симметрично между стоком и истоком.
По данным измерения профиля ширина области корректировки составляет ~ 1,6 мкм и смещена к одному из омических контактов. В этой области на профиле наблюдается канавка глубиной 80...95 нм. Глубина канавки относительно поверхности металлизации составляет ~ 280 .300 нм. На рис.3б приведено изображение асимметричной канавки, образующейся у одной из стенок при травлении активной области. Глубина канавки на вставке ~ 40.45 нм, ширина — 160.165 нм.
По данным АСМ толщина металлизации омического контакта составляет ~ 170 нм (по заданию на
этапе напыления исходя из скорости и времени процесса 190 нм).
Ступень высотой 80.95 нм представляет собой несколько слоев: контактный слой п+-ОаАБ, а также часть барьерного слоя п-А^Оа^АБ, суммарная теоретическая толщина которых составляет ~ 110 нм. Можно предположить, что при первой корректировке происходило травление контактного слоя п+-ОаАз и части барьерного слоя п-А1хОа1_хАБ. Формирование канавки (вставка на рис.4) глубиной 40.45 нм связано с травлением слоев А1хОа1-хАБ (барьерного, сильнолегированного и спейсера суммарной теоретической толщиной 40 нм до материала канала — ЦСа^^ЛБ). Возможная причина — повышенная дефектность на интерфейсах и границе фо-торезистивной маски, а следовательно, более высокая скорость химического травления такой области.
Таким образом, для контроля геометрии активной области и качества обрабатываемых поверхностей возможно использование методов АСМ в комбинации с методами химического травления. В качестве контролируемых объектов принимаются степень дефектности поверхностей (количество дефектов и величина рельефа), а также глубина и ширина профиля травления.
На основе технологии смещения затвора в сторону истока Ь, < L¿ (рис.1) были получены транзисторы с пробивными напряжениями ипроб зс ~ 6 В, ипроб зи ~ 4 В. При этом наблюдается уменьшение паразитного сопротивления в цепи истока на величину до 20%. Как видим, управление геометрией размещения за-
-1,50 -1,00 -0,50
0
изи, В
0,50 1,00
а
-1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
изи, В
б
Рис.5. Зависимость удельного тока стока 1а (а) и крутизны S (б) от напряжения затвор-исток ^
Кш min, Kyp max=f(F)
Кш min, Kyp max=f(Ic)
Рис.6. Зависимость минимального коэффициента шума Кш т|п и максимального коэффициента усиления Кур тах от частоты Р (а) и тока стока 1С (б)
1,50
с, мА
б
а
твора в активной области позволяет улучшить параметры прибора.
На основе проведенных исследований влияния конструкции рНЕМТ структуры и активной области на параметры прибора были изготовлены транзисторы с шириной затвора 240 мкм, параметры которых представлены на рис.5 и 6.
Проведенные исследования показывают, что, изменяя параметры исходного материала, конструкцию активной области транзистора и управляя отдельными технологическим операциями (в первую очередь травлением активной области), можно существенным образом управлять параметрами готового прибора. Полученные в рамках данного исследования результаты и их оптимизация используются в настоящее время на предприятии ЗАО «НПП «Планета-Аргал» при из-
готовлении малошумящих рНЕМТ транзисторов, используемых как в виде дискретных приборов, так и в виде активных навесных элементов при изготовлении усилительных модулей СВЧ диапазона.
1. Федотов Я. А., Щука А. А. Транзисторы СВЧ-диапазона. 2000 — http://w-rabbit.narod.ru/elektr/tranz_s.htm
2. Мошников В.А., Спивак Ю.М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80 с.
3. Козловский Э.Ю., Спивак Ю.М., Мошников В.А., Пономарева А.А., Селезнев Б.И., Иванов Н.Н., Желаннов А. В. Транзисторные структуры типа рНЕМТ: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. Вып.1. С.18-29.
