Додаток В. Технология изготовления малошумящего полевого транзистора для СВЧ приборов.

Приклад реферату

Технология изготовления малошумящего полевого транзистора для СВЧ приборов.

Петрова Т.С.; Игнатьев М.Г.

ООО "НПФ "Микран"", г. Томск, E-mail: [email protected]

Публикация: Всероссийская Международная Научная Конференция, Институт физики прочности и материаловедения СОР АН, 2003 год.

Рассмотрена технология изготовления полевого арсенид-галлиевого (GaAs) транзистора с самосовмещенным затвором длиной 0,3 мкм; представлены вольт-амперные характеристики и СВЧ параметры прибора.

Малошумящие полевые транзисторы (ПТ) применяются в интегральных схемах усилителей мощности, переключателей, в СВЧ-модулях радиотехнического оборудования и т.д. и являются одним из основных приборов, используемых в СВЧ технике, что объясняется их хорошими усилительными свойствами в области высоких частот.

Проблемой изготовления транзисторов на GaAs является изготовление малошумящих приборов с длиной затвора до 0,3 мкм. Это, возможно, реализовать при использовании маски Al-Al для формирования затвора.

Основные электрические параметры согласно требованиям технического задания по созданию полевого транзистора шириной 900 мкм на частоте 1.9 ГГц:

- коэффициент шума Кш < 1 дБ;

- коэффициент усиления по мощности Ку >15 дБ.

В существующей технологии ПТШ, требуемый коэффициент шума К_ш<1 дБ для малошумящих транзисторов достижим при формировании затвора через маску не более 0.5 мкм.

Полевой транзистор с барьером Шоттки (GaAs ПТШ) состоит из двух омических контактов истока и стока с барьером Шоттки (затвор) между ними, расположенным на тонком проводящем активном слое, который выращен на полуизолирующей подложке (Рисунок 1). Базовая структура GaAs ПТШ содержит тонкий n⁺ - контактный слой нанесенный на активный эпитаксиальный слой расположенный поверх полуизолирующей подложке. Перед выращиванием активного слоя для улучшения качества кристаллографии выращивается высокоомный буферный слой [1]. Принцип работы приборов основан на полном обеднении активного слоя при подаче на затвор соответствующего напряжения обратного смещения. Это означает, что необходима корреляция уровня легирования слоя материала и его толщины [2].

Согласно теоретическому анализу уменьшение размеров приводит к более высоким частотам генерации. Длина затвора - одна из наиболее важных параметров GaAs ПТШ, и она должна быть порядка 0,25 мкм для достижения требуемых коэффициентов усиления и шума в области СВЧ. Другими важными параметрами являются паразитные сопротивления истока и затвора. Толщина активного эпитаксиального слоя также очень мала, обычно от 0,1 до 0,2 мкм при концентрации носителей примерно 3-10¹⁷см ^-3. Толщина высокоомного буферного слоя равна 1-2 мкм [3].

Рисунок 1 - Схематическое изображение GaAs ПТШ с утопленным затвором

На рисунке 2 показано поперечное сечение электродов транзистора. Сплав Au-Ge-Ni -наиболее предпочтительный материал для омического контакта на GaAs [4]. Слой Au является защитным, необходимым для монтажа проволочных выводов, слой V используется в качестве адгезионного материала и служит для предотвращения диффузии между Au и Au-Ge-Ni. Металл затвора должен иметь хорошую проводимость, хорошую адгезию к GaAs, высокую надежность и, главное, не вступать в реакцию с GaAs вплоть до температур 400 °С [5]. На данное время система тугоплавких металлов, таких как Тi-Ta-Мо-Au, является предпочтительной в качестве материала затвора.

Рисунок 2 - Основные структуры малошумящих GaAs ПТШ: а - плоского типа; б - с улучшенной структурой затвора; в - утопленная; г - с селективным n+ ‑ контактным слоем.

На рисунке 2б приведена структура транзистора с уменьшенным сопротивлением затвора малой длины. Барьер Шоттки на затворе выполнен из тугоплавкого материала Mo или W, сверху нанесен слой золота [6]. Слой золота используется и как маска при формирование омических контактов методом самосовмещения. На рисунке 2в показано углубление затвора в структуре с n⁺ - контактным эпитаксиальным слоем [7]. Если даже на поверхности нет n⁺ - контактного слоя, углубление затвора при его достаточной глубине очень эффективно для уменьшения сопротивления истока. Структура, показанная на рисунке 2г, может быть получена селективным ионным легированием или селективным эпитаксиальным выращиванием [8]. Структура является идеальной, однако очень трудно контролировать активный промежуток между n⁺ - истоковым контактным слоем и затвором, если не применен один из способов самосовмещения.

Для изготовления прибора, используется структура, полученная, ионным легированием примеси в полупроводник (ИЛС). Эта структура выращена на полу изолирующей подложке имеет контактный n слои, концентрация которого 1*10 см^-3, активный n_а слой с концентрацией 3*10¹⁷см^-3, буферный n_б слой с концентрацией 1*10¹³см^-3 (рис.3)

Технологический процесс изготовления ПТ можно представить следующим образом:

- в первую очередь, с помощью оптической литографии методом "теневого эффекта", создается субмикронная маска на поверхности пленки двуокиси кремния (рис.4);

- полученный таким способом размер окна в маске будет определяться толщиной первоначально нанесенного Al и может доходить вплоть до 0.15 мкм, если отталкиваться от явлений, связанный с волновой природой используемого для экспонирования ультрафиолетового излучения. В пластине в рабочем n-слое вытравливается канал до нужного напряжения отсечки и тока стока насыщения. Затем формируем сам субмикронный затвор, напыляя TaAu, в качестве материала затвора (рис.5). Затем проводим пассивацию поверхности диэлектрическим покрытием.

Рисунок 4. - Формирование субмикронного затвора, при использовании оптической литографии.

Рисунок 5. - Готовый запассивированный транзистор. В таблице представлены экспериментальные исследования ПТШ.

Таблица — Статические характеристики ПТШ, I_снас=100 mA

Типичные вольтамперные характеристики малошумящего GaAs ПТШ с длиной затвора менее 0.5 мкм представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Вольтамперные характеристики GaAs ПТШ при Icнас=100mA: 1 - Uзи=0В; 2 - Uзи=-0.2В; 3 - Uзи=-0.4В; 4 - Uзи=-0.6В; 5 - Uзи=-0.8В; 6 - Uзи=-1В; 7 - Uзи отс=-2В.

По анализу статистических параметров ПТШ следует, что экспериментальные образцы ПТШ имеют стабильные значения напряжения отсечки - 1.8 и 2 В при I_нас⁼100 mA, что соответствует качественной границе раздела пленка-подложка.

Приборы обладают стабильными и высокими параметрами напряжения пробоя – 20 В, достигнутые за счет углубленной структуры затвора и качественной отработке процесса травления канала по заданным параметрам.

Экспериментальные образцы так же обладают низкими паразитными сопротивлениями истока и стока. Низкие сопротивления получены за счет хороших полученных омических контактов. Полученные паразитные сопротивления на прямую сказываются на такие параметры как К_ш и К_у.

Приборы имеют хорошие статические характеристики, такие как крутизна ВАХ S=0.2 mА/Вмкм, и напряжение пробоя порядка Uпр=20 В и динамические характеристики, такие как коэффициент шума Кш=0.9 дБ, и коэффициент усиления Ку=17 дБ, полученные за счет малой длины затвора транзистора порядка Lз=0.3 мкм.

Приближенные значения коэффициента идеальности к 1 соответствуют тому, что ток через барьер полученного прибора приближен к теоретическому экспоненциальному росту тока через барьер.

В заключении можно сказать что, используя полученные данные при изготовлении мощного малошумящего транзистора, проводятся разработки для изготовления интегральных схем усилителей на 10 ГГц, переключателей и т.д.

Список используемой литературы

1 Nozaki, T., M. Ogawa, H. Terao and H. Watanabe, Inst. Pbys. Conf. Ser. No.24, Chapt. 2, p.46, 1985

2 Стриха В.И., Бузанева Е.В., Радзиевский И.А. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки (физика, технология, применение) / Под ред. В. И. Стрихи. М., «Сов, радио», 1974, 248 с.

3 Hewitt, B.S., et al., Electron. Letters, 12:309, 1991.

4 Н.К. Быкина и др. Влияние технологии формирования омического контакта на параметры ПТШ на арсениде галлия. "Электронная техника", сер. 1. Электроника СВЧ. Вып 9/433, 1990. - 57с.

5 Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технологи изготовления: Пер. с англ. / Под ред. Д. В. Ди Лоренцо, Д. Д. Канделуола. - М.: Радио и связь, 1988.-496 с.

6 Takahashi, S. et al., Proc. 8tb Conf. Solid StateDevice, Tokyo, p. 115, 1987.

7 Buthin, R.S. et al., IEEE Int. Electron Devices Meeting, Dig. Tecb. Papers, p. 136, 1988.

8 Fukuta, K., T. Nozaki, and N. Kawamura, IEEE Trans. Elecnron Devices, ED-24:1129, 1987.

Лабораторна робота № 4

ОКИСЛЮВАННЯ ОРГАНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ У ПЛАЗМІ НВЧ РОЗРЯДУ

Мета роботи: вивчити особливості газового розряду НВЧ і можливість його використання для плазмохімічних, технологічних процесів.

Короткі теоретичні відомості

Коли в газі створюють електричне поле з напруженістю, достатньої для пробою, запалюється газовий розряд. При використанні поля надвисоких частот електрони встигають пройти невеликий шлях до того, як поле змінить напрямок. Тому вони не усуваються електричним полем НВЧ із області розряду, і на характеристики розряду не впливають процеси, що відбуваються на стінках газорозрядної камери. У цьому полягають основні відмінності високочастотних розрядів від розрядів на постійному струмі.

У розрядах НВЧ основним процесом, що забезпечує їхнє існування є іонізація атомів і молекул газу електронним ударом, тому що електрони більш ефективно прискорюються електричним полем, ніж іони. Однак простий підрахунок енергії коливального руху електронів у полях НВЧ при напруженості електричного пробою газу (0,2...2 кВ/см) показує, що ця енергія складає близько 10^‑3 еВ, яка набагато менше граничної енергії для іонізації, що становила 10 еВ. Це пояснюється наступним.

Електрон може здобувати енергію від НВЧ поля вище порога іонізації в тому випадку, якщо він приймає участь в зіткненнях з газовими частками. При кожному зіткненні вектор швидкості електрона хаотично змінює свій напрямок, а енергія напрямленого руху перетворюється в енергію хаотичного руху, тобто в теплову (графічне пояснення розміщене в додатку А). При енергії електронів менше порога іонізації зіткнення електронів з газовими частками носять пружний характер з малою втратою енергії. В змінному електричному полі для ефективного перетворення напрямленого руху в хаотичний необхідно, щоб частота зіткнень електронів з газовими частинками ν була порядку кругової частоти НВЧ коливань ω (ν ~ ω). При ν (> чи <) ω напруженість поля необхідна для пробою зростає. Коли ν ≈ ω електрон коливається в змінному електричному полі й досить часто зіштовхується з газовими частками, поступово набираючи енергію; необхідну для іонізації газу.

Газовий розряд відбувається тоді, коли кількість електронів, що виникають у результаті іонізації, дорівнює кількості електронів, що втрачаються в результаті рекомбінації, прилипання або дифузії до стінок.

У плазмі газового розряду НВЧ, як, втім, і в інших видах розрядів, утворяться різні енергетично й хімічно активні частки. Їхнє утворення відбувається в наслідок електронного удару, при непружних зіткненнях між важкими частинками, під дією ультрафіолетового випромінювання плазми.

У газорозрядній плазмі енергія електронів значно перевищує енергію важких частинок, тому швидкості процесів збудження газових часток, їх дисоціація й іонізація в основному визначаються електронним ударом.

У кисневій плазмі відбуваються наступні основні види взаємодій електронів з молекулярним киснем:

а) дисоціація молекулярного кисню

О₂ + е^– = О + О + е^–

б) утворення негативних іонів шляхом дисоціації з прилипанням електрона

О₂ + е^– = О + О^–

в) дисоціація молекулярного кисню з утворенням іонів

О₂ + е^– = О⁺ + О^– + е^–

г) пряма іонізація молекулярного кисню

О₂ + е^– = О₂⁺ + 2 е^–

У всіх розглянутих реакціях утворені важкі частинки можуть перебувати в збудженому стані.

Таким чином, взаємодія електронів з молекулярним киснемо призводять до утворення широкого кола хімічно активних частинок: атомарного кисню, атомарних і молекулярних іонів кисню, збуджених атомів і іонів кисню.

На поверхні оброблюваного матеріалу також відбувається активування кисню, але останній при цьому перебуває в адсорбованому стані. Як приклад можна привести наступні реакції:

О₂ + е^– + поверхня = О + О^– + поверхня;

О_адс+ е^– + поверхня = О^–_адс + поверхня;

О_{2 адс}+ е^– + поверхня = О_адс + О + е^– + поверхня

Взаємодія активних кисневих частинок з органічними матеріалами призводить до утворення летючих окису та двоокису вуглецю, і таким чином, до розкладання органічних сполук, які в основному складаються з вуглецю, водню й кисню.

На процес окислювання органічних матеріалів значний вплив робить безпосередній контакт матеріалу з газорозрядною плазмою, при якому оброблюваний матеріал піддається впливу ультрафіолетового випромінювання й бомбардування електронами. Це призводить до прискореного протікання реакції.

Хімічна реакція окислювання протікає тільки тоді, коли забезпечується безперервна доставка хімічно активних частинок до оброблюваної поверхні й відбувається безперервний відвід продуктів реакції від поверхні. Дані вимоги легко виконуються в газових проточних системах.

Використання газового розряду НВЧ у кисні або повітрі (у якому досить велика концентрація кисню) для окислювання органічних матеріалів дозволяє знизити температуру обробки (не потрібне нагрівання для активації процесу), виключити рідинну хімічну обробку, скоротити тривалість процесу, легко автоматизувати процес.

Процес окислювання може відбуватися й в інших типах газових розрядів: тліючому, дуговому, іскровому, з розжареним катодом і високочастотному (частота 13,56…40,6 МГц). Але розряд НВЧ більш зручний для реалізації плазмохімічного технологічного процесу й забезпечує більш високий рівень активування частинок.

Процес окислювання органічних матеріалів у газорозрядній плазмі можна використовувати для очищення підкладок перед нанесенням яких-небудь покриттів з метою поліпшення адгезії. Причому, якщо матеріал підкладок складається з оксидів, то киснева плазма не робить на нього значного впливу.

У технології мікроелектронних приладів широко застосовується метод фотолітографії, заснований на створенні на поверхні підкладок полімерної фото резистивної маски. Вона забезпечує захист ділянок поверхні підкладки під час травлення.

Після травлення підкладки маску варто видалити. Традиційна технологія заснована на розчиненні фоторезисту в рідких середовищах. методом плазмового окислення, який досліджується в даній лабораторній роботі, є більш екологічно чистий при видаленні фоторезисту, тому йому потрібно віддавати перевагу.

Процес окислювання можна використовувати для створення діелектричних шарів з оксидів, наприклад: у МОН - структурах і конденсаторах, для травлення матеріалів, що утворять летючі сполуки з киснем.

Опис лабораторної установки

Схема лабораторної установки показана на рис. 2.1. Всередині робочої камери 1 печі "Електроніка" розміщений реактор 2, що герметизується за допомогою ковпака 3 з кварцового скла або "Пирекса", установленого на гумовому ущільненні 4. Внутрішній об'єм реактора близько 1 дм³. Ковпак установлюють після розміщення в реакторі підкладки 5, на яку нанесена речовина, що окисляється у НВЧ розряді. Як підкладку можна використовувати пластину з напівпровідника, наприклад, з кремнію, ситалу, скла. Ковпак притискається до гумового ущільнення силою атмосферного тиску. Це спрощує конструкцію й забезпечує одержання мінімального тиску повітря в реакторі близько 0,5 кПа. Для регулювання тиску повітря в реакторі використовується натікач "Рег. тиску" 6, що з'єднаний з реактором патрубком 7, що має отвори по твірній, для рівномірного напускання повітря по висоті реактора. Газ із реактора відкачується за допомогою вакуумного механічного насоса типу НВР-5Д, вихлоп якого приєднаний до витяжної вентиляції.

Для виміру тиску повітря застосовується газорозрядний деформаційний вакуумметр типу ВДГ‑1 з механотроним манометричним перетворювачем 9 коронного розряду типу ПМДГ‑1 (МКР‑1).

Генератором НВЧ енергії є магнетрон 10, що входити до складу печі "Електроніка", потужність НВЧ коливань – близько 500 Вт, частота – 2,45 ГГц. Для більше рівномірного розподілу електромагнітного випромінювання в робочій камері у верхній її частині розміщений вентилятор 11 з металевими лопастями, що виконує також роль дисектора-відбивача електромагнітної хвилі. Система електричного блокування й конструкція дверцят робочої камери й реактора перешкоджають виходу НВЧ випромінювання назовні.

Рис. 2.1. Схема лабораторної установки: 1 – робоча камера; 2 – реактор; 3 – ковпак; 4 – гумове ущільнення; 5 – підкладка; 6 – натікач для регулювання тиску; 7 – патрубок для напуску газу в реактор; 8 – механічний насос; 9 – манометричний перетворювач ПМДГ‑1; 10 – магнетрон; 11 – вентилятор‑дисектор; 12 – водяний поглинач енергії; 13 – частотомір; 14 – індикатор потужності; 15 – щілина; 16 – вакуумний вентиль; 17 – електромагнітний натікач для напуску повітря в насос

Для запобігання виходу магнетрона з ладу через відбиття частини енергії назад у магнетрон у камері розташовується водяний поглинач енергії 12. Для виміру параметрів електромагнітного поля в камері використаються частотомір 13 і індикатор НВЧ потужності 14.

Під час підтримки газового розряду стінки реактора, інтенсивно розігріваються через виділення енергії рекомбінації частинок, утворених у результаті дисоціації молекулярних газів, що входять до складу повітря (у першу чергу азоту й кисню). Для запобігання перегріву металевих деталей реактора й гумового ущільнення використається проточне водяне охолодження. Крім того, для захисту гуми від впливу газового розряду ущільнення розміщене в глибокій вузькій щілині 15, відстань між стінками щілини і скляного ковпака становить біля 1 мм.

Для відключення насоса від реактора передбачений вентиль "Швидкість відкачки" 16.

Система керування роботою вакуумного насоса містить всі необхідні елементи; реле контролю фаз типу ЕЛ=10; автоматичний вимикач АЕ‑2026; електромагнітний пускач ПМЛ; теплове реле РТЛ; електромагнітний натікач 17 для напуску повітря в насос після його вимикання. Органи керування роботою установки розміщені на передній панелі. Крім того, на ній розташовані транспаранти, що світяться, індукуючі правильність фазування мережі живлення, ввімкнення насосу й водяного охолодження.

Для керування роботою НВЧ печі використовуються елементи, розташовані на її передній панелі: кнопки ввімкнення печі й підсвічування в робочій камері, реле часу.

Конструктивно лабораторна установка складається з настільного блоку, що містить НВЧ піч "Електроніку" з системою керування, і вакуумного насоса, розміщеного під лабораторним столом.

На рис. 2.2. показаний зовнішній вигляд плазмохімічної установки, де: А – ручка дверцят робочої камери; Б – кнопка ввімкнення магнетрона "Нагрівання"; В – кнопка ввімкнення підсвічування камери "Світло"; Г – мережевий вмикач (автоматичний вимикач); Д – лампочка індикація ввімкнення мережі; Е – попереджуюче табло; 3 – табло, що сигналізує про порушення мережі живлення; Ж – табло, що сигналізує про припинення подачі води; И – кнопка ввімкнення насоса; К – кнопка вимикання насоса й ввімкнення електромагнітного натікача для напуску повітря в насос; Л – регулятор напуску газу в реактор; М – рукоятка вентиля "Швидкість відкачки"; Н – реле часу.

Рис. 2.2. Плазмохімічна установка: 1 – піч "Електроніка; 2 – блок керування й захисту; 3 – блок виміру тиску ВДГ – 1; 4 – вакуумний насос; 5 – вакуумопровід, 6 – стіл установки

Інструкція для експлуатації установки й порядок виконання роботи

2.1. Загальні вказівки

Плазмохімічна установка призначена для проведення лабораторних робіт з окислювання матеріалів у плазмі НВЧ‑розряду. Вона також може бути використана для науково-дослідних робіт з вивчення НВЧ‑розряду низького тиску й технологічних процесів на його основі.

Дана установка являє собою складний пристрій, тому необхідна ретельна підготовка до проведення робіт і дотримання правил експлуатації й техніки безпеки під час процесів окислювання. У випадку виявлення несправності перед початком або в процесі експлуатації (якщо буде відсутня подача води або обрив однієї з фаз, про що свідчить загоряння відповідного табло на передній панелі) необхідно відключити установку від мережі й сповістити про це лаборантові.

2.2. Вимоги техніки безпеки

Перед підключенням установки до мережі і її ввімкненням необхідно попередньо перевірити заземлення корпуса. Для заземлення використовуються клема "Заземлення" на задній панелі.

Перед ввімкненням вакуумметра ВДГ‑1 перемикач "Межі" повинен бути встановлений у положення "Відкл.".

У камері установки обов'язково повинен перебувати водяний поглинач НВЧ-енергії. При його відсутності може вийти з ладу магнетрон через виникнення в ньому стоячої хвилі внаслідок відбиття НВЧ‑хвилі від камери.

Категорично забороняється:

а) вмикати піч при знятих кришках кожуха печі або у випадку ушкодження сітки двері або дна камери;

б) відкривати двері камери при ввімкнених генераторі й вакуумному насосі;

в) вмикати піч й виконувати відкачку газу, якщо установка не вимикається при нещільно прикритих дверях.

2.3. Підготовка установки до роботи

1. Перш ніж приступити до роботи, ознайомтесь з інструкціями з лабораторної роботи й експлуатації вакуумметра ВДГ‑1 (додаток Б), огляньте установку, перевірте наявність заземлення. Вентиляційні отвори обшивки не повинні бути закриті іншими приладами. Перемикач "Межі" вакуумметра встановіть в положення "Відкл.".

2. Відкрийте вентиль подачі води в установку, що розташований на трубопроводі поруч із установкою. Перевірте наявності водяного поглинача НВЧ‑енергії в камері.

3. Вставте вилку кабелю живлення установки в мережу змінного трифазного струму напруги 380 В частотою 50 Гц і ввімкніть на передній панелі автоматичний вимикач "Мережа" (з лівої сторони установки), а також тумблер вакуумметра "Мережа" (із правої сторони).

4. Прогрійте установку протягом 5 хв.

5. Встановіть ручку "Швидкість відкачки" на бічній стінці в положення, що відповідає упору при обертанні проти годинникової стрілки.

6. Досліджувані зразки (пластини, що оброблюються) закріпіть вертикально в спеціальному тримачу реактора, поставте скляний ковпак у відповідну щілину підстави, при цьому ковпак не повинен торкатися металевих стінок щілини, й закрийте щільно двері печі. Для освітлення камери натисніть кнопку "Світло".