EA041507B1 - Эффективная hemt-технология изготовления монолитных многофункциональных интегральных схем свч на полуизолирующих пластинах арсенида галлия - Google Patents

Description

Изобретение относится к области создания многофункциональных интегральных схем СВЧ на полуизолирующих пластинах арсенида галлия.

Область применения: производство твердотельной ЭКБ СВЧ мм-диапазона для ППМ АФАР.

Повышение скорости и объёма обрабатываемой информации, повышение надёжности и снижение массы и размеров радиоэлектронной аппаратуры авиационного и космического базирования нового поколения стимулируют создание твердотельной малогабаритной ЭКБ СВЧ см- и мм-диапазона повышенного уровня интеграции, в частности монолитных многофункциональных интегральных схем (ММИС), составляющих конструктивное ядро (core-chip) твердотельных модулей СВЧ, управляющих амплитудой и направлением передачи СВЧ сигналов на АФАР. Функциональные узлы ММИС (переключатель, фазовращатель, усилитель мощности, аттенюатор др.) предпочтительно строятся на полевых транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) с Т-образной конструкцией затвора, облегчающей получение его субмикронной длины, обеспечивающей нужное быстродействие.

К настоящему времени сложились два технологических направления изготовления ММИС на НЕМТ, отличающихся способом формирования электрофизической структуры активных областей:

- на сложных эпитаксиальных структурах арсенида галлия (с заданным концентрационным профилем распределения электронов) посредством прецизионного локального травления эпитаксиальных слоев;

- на пластинах монокристаллического нелегированного арсенида галлия, изначально обладающих высоким удельным сопротивлением (до 10⁸ Ом-см), посредством их локального ионного легирования донорной примесью для формирования нужного концентрационного профиля электронов.

Технология изготовления ММИС на сложных псевдоморфных гетероструктурах (InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, InGaAs/AlGaAs/GaAs и др) - рНЕМТ-технология предназначена для изготовления сложнофункциональных (до 10 узлов и более) монолитных управляющих устройств см-диапазона (на рабочие частоты до 18 ГГц); по ней за рубежом серийно производятся кристаллы модели СНА3014 (выпускаются европейской фирмой United Monolitic Semiconductors), а в России - МР 001D (фирмы Микран).

Недостатки, ограничивающие применение рНЕМТ-технологии для изготовления ММИС на ммдиапазон (помимо использования дорогостоящих материалов и электронно-лучевой литографии) таковы: отсутствие гарантий по однородности состава и профилю легирования тонких эпитаксиальных слоев по площади пластины [патент РФ № 2390875 С1, опубликован 27.05.2010 по индексу МПК H01L 21/335];

использование плохо поддающегося контролю анизотропного химического травления, которое может приводить к размытию боковых граней лунки, вытравливаемой в контактном слое эпитаксиальной структуры при формировании активных областей схемы и заглублённого Т-затвора транзистора, и как следствие к изменению заданных размеров канала и уходу от проектных норм расположения в нём затвора тем сильнее, чем толще контактный слой [патент РФ № 2421848 С1, опубликован 20.06.2011 по индексу МПК H01L 21/338, В82В 3/00].

Изготовление НЕМТ на мм-диапазон непосредственно на пластине полуизолирующего арсенида галлия посредством легирования ионами донорной примеси снижает эти риски и обеспечивает более высокое линейное разрешение и воспроизведение Т-затвора с субмикронной длиной основания при снижении трудоёмкости и материальных затрат [патент РФ №2523060 С2, опубликован 20.07.2014 по индексу МПК H01L 29/00] - прототип.

На рабочей поверхности полуизолирующей монокристаллической пластины арсенида галлия посредством низкодозового (до 8,0-10¹² см^-2) и высокодозового (от 5-10¹³ см^-2 и выше) легирования ионами кремния формируется n⁺-n-i-структура полевого транзистора с барьером Шоттки. Затем по тонкоплёночной технологии с применением фотолитографии изготавливаются исток и сток транзистора, а между ними - Т-затвор транзистора с субмикронной (<0,3 мкм) длиной основания. После этого посредством дополнительного высокодозового легирования кремнием расширяются контактные n⁺-области истока и стока и сокращается рабочая длина канала. Для пассивации рабочей поверхности активной области используется имплантация ионов бора. В результате обеспечивается работоспособность транзистора в ммдиапазоне длин и увеличивается его выходная мощность.

Недостатки: высокие риски проявления эффектов короткого канала, снижения пробивного напряжения, глубокого проникновения ионов бора в канал и др., что ухудшает надёжность транзисторов.

По разработанной НЕМТ-технологии ММИС на мм-диапазон изготавливаются на монокристаллической полуизолирующей пластине арсенида галлия. Посредством прецизионной имплантации ионов кремния (донора) и ионов аргона формируются активные области функциональных узлов ММИС и n^--n⁺n-i-структура НЕМТ с толщиной n-канала не более 0,15 мкм.

По тонкоплёночной технологии формируются исток, сток и Т-затвор транзистора с субмикронной (>0,15 мкм) длиной основания; таким образом, обеспечивается фундаментальное требование по надёжности работы СВЧ транзисторов: отношение длины затвора к толщине канала должно превышать единицу. Для вплавления металлизации истока и стока применяется импульсно - лучевая термообработка пластины.

- 1 041507

Технические результаты:

надёжная планарная изоляция секторов функциональных узлов ММИС и НЕМТ и за счёт высокого удельного сопротивления пластины арсенида галлия;

гибкое управление в едином технологическом цикле процессами формирования пассивных транзисторов для коммутационных узлов (переключателя и фазовращателя) и активных транзисторов (для аттенюатора, усилителя мощности):

высокое линейное разрешение (топологическая норма), обеспечивающая изготовление ММИС на мм-диапазон длин волн;

повышение процента выхода годных ММИС (с десятками и более НЕМТ) за счёт обеспечения высокой однородности субмикронного канала по толщине и уровню легирования и субмикронного затвора НЕМТ, формируемого на плоской поверхности пластины;

повышение надёжности НЕМТ за счёт соразмерности толщины канала и длины затвора, ограничения неконтролируемой диффузии и увеличения пробивного напряжения затвор-сток, исключения образования высокоомных торцевых контактов истока и стока к каналу транзистора;

снижение трудоёмкости производственного цикла и материальных затрат на изготовление ММИС.

Такая НЕМТ - технология применительно к изготовлению ММИС мм-диапазона на полуизолирующей пластине арсенида галлия, схема алгоритма реализации которой на начальном отличительном этапе формирования НЕМТ с Т-затвором, представленная на фиг. 1, не встречается в проанализированных патентных и научно-технических источниках.

На фиг. 1, 2, 3 показана схема формирования НЕМТ на полуизолирующей пластине арсенида галлия: фиг. 1 - внедрение ²⁸Si⁺; фиг. 2 - внедрение ⁴⁰Ar⁺; фиг. 3 - формирование электродов сток-истокзатвор.

Пример конкретного выполнения.

ММИС изготавливается на полуизолирующей пластине арсенида галлия марки АГЧП-9, и процесс её изготовления начинается с формирования пассивных и активных НЕМТ - базовых активных элементов функционалных узлов ММИС (переключателя, фазовращателя, усилителей мощности др.) в следующей последовательности.

1. В подготовленную (подвергнутую химико-динамичекой полировке) рабочую поверхность пластины (фиг. 1, 2, 3 - поз. 1) имплантируют ионы кремния (⁺Si²⁸) (фиг. 1 - поз. 2); вначале малой (7· 10¹² см^-2) дозой при энергии ускоряющего напряжения 110 кэВ, а затем большой дозой (5· 10¹³ см^-2) при энергии ускорения 50 кэВ - через окна маски, сформированной из плёнки нитрида кремния. Для активации внедрённых ионов кремния проводится кратковременная (длительностью 8,5 с) импульсно-лучевая термообработка пластины при температуре 980°С, вследствие чего в её рабочем слое формируются нижний слаболегированный (1...2·10¹⁷ см^-3) n-типа проводящий канал толщиной ~ 0,2 мкм (фиг. 1, 2, 3 - поз. 3), а на нём - сильнолегированные (с концентрацией электронов ~ 8...9·10¹⁸ см^-3) толщиной ~ 0,12. ..0,15 мкм контактные n⁺ - области истока и стока (фиг. 1 - поз. 4). После этого рабочая поверхность пластины облучается тяжёлыми ионами аргона (⁰Ar⁺) (фиг. 2 - поз. 5) дозой 5· 10¹¹ см^-2 при энергии ускорения 40 кэВ. В результате формируется n’-n⁺-n-i-структура НЕМТ с поверхностным (~0,05 мкм) компенсирующим n’-слоем (фиг. 2, 3 - поз. 6), ограничивающим токи утечки по затвору и обеспечивающим более надёжное управление проводимостью канала.

2. Изготовление электродов НЕМТ на сформированной n’-n⁺-n-i-структуре осуществляется по тонкоплёночной технологии с применением усовершенствованной оптической литографии. Электроды истока (фиг. 3 - поз. 7) и стока (толщиной 0,2...0,25 мкм) (фиг. 3 - поз. 8) изготавливаются из двухслойной металлической плёнки Ge₄₀Ni₆₀-Al, а затвора (толщиной 0,3...0,4 мкм) (фиг. 3 - поз.9) - из плёнки Ti - А1. Низкоомные (с удельным сопротивлением 0,4...0,6 Ομ·μμ) контакты истока и стока формируются при импульсно-лучевой термообработке пластины длительностью 2,0...2,5 мин при температуре 450°С.

Затвор транзистора Т-образной формы с субмикронной длиной основания формируется методом обратной литографии. На пластину наносится слой диэлектрика Si₃N₄ толщиной 0,2 мкм, на него наносится резистивная маска (ФП-051 Т) с размером окна ~ 0,5 мкм. Затем через окно в маске проводится плазмохимическое травление слоя Si₃N₄ в атмосфере SF₆/O₂ и импульсно - лучевая термообработка. В результате окно (щель) в этой двухслойной маске сокращается до 0,2 мкм. Размер полученной щели в диэлектрике определяет длину основания (ножки) Т-затвора. При формировании шляпки Т-затвора из металлизации Ti-Al используется двухслойная фоторезистивная маска (ФН-11С/ФН-051Т), определяющая размер и положение шляпки затвора.

3. Пассивные топологические элементы функциональных узлов ММИС (обкладки конденсаторов, низкоомные резисторы, катушки индуктивности и т.д.) изготавливаются одновременно с истоком и стоком НЕМТ из металлизации того же состава, но на различных уровнях, разделённых изолирующим слоем из нитрида кремния; из двуокиси кремния изготавливается диэлектрик конденсаторов. Число уровней расположения пассивных элементов достигает девяти и на последнем девятом уровне располагаются плоские катушки индуктивности, что характерно для кристаллов ММИС СВЧ.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Способ изготовления сверхвысокочастотных монолитных многофункциональных интегральных схем (ММИС) на полуизолирующих пластинах арсенида галлия, заключающийся в ионном легировании и усовершенствованной оптической литографии, отличающийся тем, что на начальной стадии технологического процесса - изготовления электрофизической структуры базовых активных элементов функциональных узлов ММИС - транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), после имплантации ионов кремния в пластину дополнительно имплантируются ионы аргона и на полученной п'-п⁺-п-1-структуре с субмикронной толщиной η-канала формируют Т-затвор с длиной основания не более 0,15 мкм.