Способ изготовления высокочастотного транзистора с нанометровыми затворами

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для создания дискретных приборов и сверхвысокочастотных интегральных схем с использованием полевых транзисторов. Техническим результатом изобретения является получение затворов длиной менее 100 нм, а также уменьшение толщины металлической маски и исключение промежуточного слоя диэлектрика, расположенного между поверхностью активной области и маской. В способе изготовления полевого транзистора, включающем создание контактов стока и истока на контактном слое полупроводниковой структуры и выделение активной области, металлическая или металлическая и диэлектрическая маска наносится непосредственно на поверхность контактного слоя, формирование субмикронной щели в маске для последующих операций травления контактного слоя и нанесения металла Т-образного затвора через маску резиста, после нанесения первой металлической маски проводят литографию для вскрытия окон, у которых один из краев совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, а после вскрытия окон на всю поверхность наносят вторую металлическую или диэлектрическую маску, удаляют резист и посредством литографии создают окна в резисте, окружающем щели, образованные между двумя металлами или между металлом и диэлектриком проводят селективное травление контактного слоя, после чего напыляют пленки металлов для формирования Т-образных затворов. В результате края шляпок Т-образных затворов с обеих сторон опираются на металлическую или на металлическую и на диэлектрическую маски. Затем маска селективным травлением удаляется из-под «крыльев» Т-образного затвора и с поверхности активной области транзистора. После этого поверхность активной области транзистора, содержащая контакты стока, истока и затворы Шоттки, покрывается пассивирующим слоем диэлектрика таким образом, что под «крыльями» Т-образного затвора образуются полости, заполненные вакуумом или газовой средой. 1 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для создания дискретных приборов и сверхвысокочастотных интегральных схем с использованием полевых транзисторов.

Известные способы создания гетероструктурных полевых транзисторов включают в себя следующий набор технологических операций: формирование омических контактов стоков и истоков на поверхности контактного слоя, выделение активной области травлением или ионной имплантацией, проведение электронной литографии на резистивной маске для формирования Т-образных затворов Шоттки, травление диэлектриков и подзатворных щелей в контактном слое, напыление металлических пленок для создания затворов Шоттки, удаление резистов, пассивация диэлектриком активной области транзистора со сформированными на ее поверхности омическими контактами стока и истока и управляющими контактами Шоттки, вскрытия окон в пассивирующем диэлектрике для гальванического утолщения контактов стока и истока и формирование металлизации второго уровня [1].

Недостаток известных способов заключается, прежде всего, в том, что для получения затворов Т-образной формы длиной меньше 100 нм необходимо достаточно дорогостоящее технологическое оборудование с соответствующей технологией, способное обеспечить аналогичные (<100 нм) проектные нормы. Кроме того, во время удаления резиста из-за малой площади контакта может происходить частичный отрыв металлизации затвора от поверхности активного слоя полупроводника.

Известны способы, в которых устранен этот недостаток. Так, известен способ [2, 3] создания транзисторов с длиной затвора менее 100 нм, имеющего Т-образную форму. В указанном способе изготовления полевого транзистора, сначала создаются омические контакты стока и истока на контактном слое полупроводниковой структуры (гетероструктуры), выделяется активная область (травлением, или ионной имплантацией), наносится пленка диэлектрика на поверхность контактного слоя, формируется субмикронная щель в пленке диэлектрика для последующих операций травления контактного слоя и нанесения металла затвора через маску резиста. Для этого после нанесения пленки диэлектрика проводят литографию для вскрытия в диэлектрике окон, у которых один из краев совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, а после вскрытия этих окон на всю поверхность наносят второй слой диэлектрика, удаляют резист и посредством литографии создают окна в резисте, окружающем щели, образованные между двумя диэлектриками, проводят селективное травление контактного слоя, после чего напыляют пленки металла для формирования затворов.

Недостатком этого способа является то, что для формирования затвора длиной менее 100 нм необходимо использовать достаточно тонкие 100-150 нм слои диэлектриков, на которые опираются выступы шляпки Т-образного затвора («крылья»). В результате между поверхностью полупроводника и выступами шляпки из-за больших значений диэлектрических постоянных используемых диэлектриков (ε>4) образуется паразитная емкость, которая может существенно ограничивать рабочие частоты СВЧ-транзистора. Особенно сильно это проявляется на частотах выше 20 ГГц.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ изготовления гетероструктурного полевого транзистора, рассмотренный в работе [4]. В известном способе [4] после формирования омических контактов стоков и истоков, выделения активной области транзистора на всю поверхность структуры наносят диэлектрический слой SiO₂ толщиной 0,5 мкм, а затем слой металла, например алюминия (Al). Затем проводят литографию для вскрытия окон в пленке алюминия, у которых один из краев совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе. После вскрытия окон на всю поверхность наносят вторую пленку алюминия, удаляют резист и посредством литографии создают окна в резисте, окружающие щели, образованные между двумя металлами (Al-Al) и проводят травление диэлектрика через маску Al-Al. Затем проводят химическое травление контактного слоя, напыление металла затвора, удаление резиста и металлической маски Al-Al. Из-за большой суммарной толщины контактного и диэлектрического (0,5 мкм) слоев контакты имели не Т-образную, а ленточную форму, что практически исключало появление паразитных емкостей, характерных для Т-образных затворов. В зависимости от толщины пленки алюминия длина затвора варьировалась от 0,25 до 0,35 мкм.

Недостатком известного способа является наличие достаточно толстого слоя диэлектрика между поверхностью полупроводника активной области и слоем алюминия, что делает невозможным получение затворов длиной менее 100 нм. Другим недостатком метода является образование под слоем алюминия пустых полостей по бокам щели, вызванных глубоким подтравом диэлектрика под слой алюминия. Наличие таких полостей может приводить к нежелательному подпылу под маску алюминия затворной металлизации и удлинению затвора. Для исключения подпыла эти полости обычно заполняют связующим материалом, но при ширинах щели менее 100 нм их однородное заполнение довольно проблематично.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель осуществляется за счет того, что в известном способе уменьшают толщину металлической маски, образованной металлической пленкой или многослойными металлическими совместимыми пленками, и исключают промежуточный слой диэлектрика расположенного меду поверхностью активной области и металлической, или металлическо-диэлектрической масками.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем создание контактов стока и истока на контактном слое полупроводниковой структуры (гетероструктуры), выделение активной области (химическим или реактивно-ионным травлением, или ионной имплантацией), металлическая или металлическая и диэлектрическая маска наносится непосредственно на поверхность контактного слоя, формирование субмикронной щели в металлической (или металлической и диэлектрической) маске для последующих операций травления контактного слоя и нанесения металла Т-образного затвора через маску резиста, после нанесения первой металлической маски проводят литографию для вскрытия окон, у которых, один из краев совпадает с местоположением затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе, а после вскрытия окон на всю поверхность наносят вторую металлическую или диэлектрическую маску, удаляют резист и посредством литографии создают окна в резисте, окружающем щели, образованные между двумя металлами (например, Al-Al) или между металлом и диэлектриком (например, SiO₂-Al), проводят селективное травление контактного слоя, после чего напыляют пленки металлов для формирования Т-образных затворов. В результате края («крылья») шляпок Т-образных затворов с обеих сторон опираются на металлическую или на металлическую и на диэлектрическую маски. Затем маска селективным травлением удаляется из-под «крыльев» Т-образного затвора и с поверхности активной области транзистора. После этого поверхность активной области транзистора, содержащая контакты стока, истока и затворы Шоттки, покрывается пассивирующим слоем диэлектрика таким образом, что под «крыльями» Т-образного затвора образуются заполненные вакуумом или газовой средой пустоты с ε≈1, что значительно снижает характерные для Т-образных затворов паразитные емкости и приводит к значительному увеличению значений рабочих частот транзисторов.

Размер щели между первой и второй масками, образованными металлом и металлом, или металлом и диэлектриком, а следовательно, и длина затвора, в данном способе может быть реализован от 350 до 50 нм и менее и определяется толщинами и временем травления масок. Выбор материала первой маски: металл или диэлектрик - определяется выбором преимущественного подтрава при селективном травлении контактного слоя. Например, для арсенида галлия скорость подтрава увеличивается в направлении металлической маски. В арсенид-галлиевых транзисторах металлическую маску обычно наносят со стороны стока, а диэлектрическую - со стороны истока, что приводит к большему подтраву контактного слоя в сторону стока без смещения затвора и увеличению пробивных напряжений транзистора.

На фиг. 1 показаны ключевые моменты одного из возможных вариантов предлагаемого способа изготовления транзистора.

На фиг. 1а) показана гетероструктура, содержащая полуизолирующую подложку карбида кремния 1, на которой выращены гетероэпитаксиальные полупроводниковые слои 2, необходимые для создания транзистора, и капсулирующий слой 3.

На фиг. 1б) показана структура после выделения области транзистора травлением, создания омических контактов истока 4 и стока 5 и нанесения первой металлической маски 6.

На фиг. 1в) показана структура после травления окна 7 в первом слое металла 6 через маску резиста 8.

На фиг. 1г) показана структура после напыления второго слоя металла 9 и удаления резиста 8.

На фиг. 1д) показана структура после проведения литографии для формирования затвора через маску резиста 10.

На фиг. 1е) показана структура после углубления методом РИТ-подзатворной области в слое 3, напыления металла затвора 11, удаления резиста 10 и металлической (металлическо-диэлектрической) маски из-под шляпки Т-образного затвора и с поверхности активной области.

На фиг. 1ж) показана структура после пассивации активной области диэлектриком 12 таким образом, что между полупроводником и краями шляпки Т-образного затвора Шоттки образуются полости заполненные вакуумом или газовой средой 13.

На фиг. 1и) показана структура после вскрытия окон в диэлектрике 12 для гальванического наращивания золота 14 на контакты и формирования металлизации второго уровня.

Пример: Изготавливали полевой псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ) на основе гетероструктуры AlGaN/GaN. Эпитаксиальные слои были выращены методом МОС-гидридной эпитаксии на полуизолирующей подложке сапфира или карбида кремния 1. Капсулирующий слой 3 из нитрида галлия был выращен поверх слоев 2, образующих гетеропереход AlGaN/GaN. Сначала проводили выделение активной области транзистора реактивно-ионным травлением после проведения соответствующей литографии. С использованием методов оптической литографии процессов вакуумного напыления и быстрого термического отжига создавали омические контакты истока 4 и стока 5 на поверхности капсулирующего слоя 3. Затем на всю структуру наносили алюминиевую пленку первой маски 6 толщиной 0,1 мкм. Затем проводили литографию и химическим травлением формировали окно 7 в первой алюминиевой маске. Время травления определялось визуально до полного удаления непрозрачного слоя алюминия с поверхности структуры. Один из краев окна 7 с соответствующим допуском соответствовал местоположению затворов Шоттки в изготавливаемом транзисторе. Не снимая резиста, термическим распылением наносили вторую металлическую маску алюминия толщиной 0,15 мкм. После удаления резиста одна часть поверхности структуры была закрыта слоем первой маски 6, а другая - слоем второй маски 9. Между этими металлическими масками получалась щель трапецеидальной формы с минимальным размером окна 70 нм. Затем проводили литографию для формирования затвора и через маску резиста. Для формирования углубленного затвора перед напылением металла затвора через щель проводят РИТ-травление на глубину 1-10 нм. Затем, в щель между масками 6 и 9 напыляли металл затвора 11, удаляли резист 10 и селективным травлением из-под шляпки Т-образного затвора удаляли металлическую маску. На завершающем этапе проводили пассивацию активной области структуры диэлектриком 12 таким образом, что между поверхностью полупроводника активной области и краями шляпки Т-образного затвора Шоттки образовывались заполненные воздухом пустоты 13. Далее вскрывались окна в диэлектрике 12 для гальванического наращивания золота на контакты и формирования металлизации второго уровня.

Таким образом, была достигнута поставленная цель и в результате был получен рНЕМТ AlGaN/GaN транзистор с длинной затвора, равной 70 нм без использования специальных режимов реактивно-ионного травления диэлектрика через окно резиста менее 100 нм.

Источники информации

1. Kang-Sung Lee, Youn-Su Kim, Yun-Ki Hong and Yoon-Ha Jeong. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS. V. 28, NO. 8, AUGUST 2007, P. 672-675. 35-nm Zigzag T-Gate. In_0,52Al_0,48As/In_0,53Ga_0,47As Metamorphic GaAs HEMT′s With an Ultrahigh f_max of 520 GHz.

2. Е.П. Гроо, Л.А. Козлова, М.Г. Игнатьев. Технология формирования затвора с субмикронными размерами с использованием оксидных пленок. Научная сессия ТУ СУР - 2004 г., Материалы Всероссийской Научно-Технической Конференции 2004 г., Томск, Россия.

3. Г.И. Айзенштат, А.Ю. Ющенко, А.И. Иващенко. Патент RU 2463682 С1. Способ изготовления полевого транзистора.

4. Т.С. Петрова, Е.Л. Еремина, М.Г. Игнатьев, Л.А. Козлова, А.А. Баров. Монолитная интегральная схема двухпозиционного СВЧ коммутатора на GaAs. Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №8. С. 172-175.

Способ изготовления полевого транзистора, включающий создание контактов стока и истока на контактном слое полупроводниковой структуры (гетероструктуры), выделение активной области (химическим или реактивно-ионным травлением, или ионной имплантацией), отличающийся тем, что после нанесения первой однослойной металлической маски, или многослойных совместимых металлических масок, или однослойной диэлектрической маски, или многослойных диэлектрических масок проводят литографию для вскрытия в них окон, у которых один из краев совпадает с положением затвора Шоттки в изготавливаемом транзисторе, а после вскрытия окон наносят второй слой однослойной металлической маски, или многослойных совместимых металлических масок, или однослойной диэлектрической маски, или многослойных диэлектрических масок и удаляют резист, а затем посредством новой литографии создают окна в резисте, окружающем щели, размером 350-50 нм, образованные между металлом и металлом, или между металлом и диэлектриком, или диэлектриком и диэлектриком, проводят селективное химическое или реактивно-ионное травление контактного слоя, напыляют пленки металлов для формирования затворов, селективным травлением из-под шляпки Т-образного затвора удаляют первую и вторую металлические или диэлектрические маски и проводят пассивацию активной области структуры однослойным или многослойным диэлектриком таким образом, что между полупроводником и краями шляпки Т-образного затвора Шоттки образуются полости, заполненные вакуумом или газовой средой.