Введение к работе
Актуальность работы
Быстрая эволюция телекоммуникационных устройств на базе GaAs СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) является одним из основных драйверов развития современного информационного общества. Гетероструктурные транзисторы и, в частности, транзистор с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ) выступают в качестве основных элементов GaAs МИС, определяющих их технические характеристики. Темп усовершенствования конструкции рНЕМТ, а также технологии его изготовления во многом задают скорость создания новых поколений устройств передачи данных.
В настоящее время в производстве GaAs МИС для формирования металлизации омических и барьерных контактов (ОК и БК), а также для создания межэлементной и межуровневой разводки традиционно используются такие металлы, как Au, Pt и Pd. В кремниевой технологии драгоценные металлы не применяются, а для создания металлизации ранее использовался А1, а сегодня с успехом применяют Си. По сравнению с Au, Си имеет большую теплопроводность, а также меньшее удельное сопротивление, причем как Си, так и А1 характеризуются существенно меньшей стоимостью. Поэтому в технологии GaAs СВЧ МИС переход к металлизации на основе этих металлов должен позволить повысить технические характеристики изделий и уменьшить себестоимость их производства. Отсутствие промышленной технологии производства GaAs МИС с металлизацией на основе А1 и/или Си обусловлено недостаточным объёмам знаний о закономерностях и особенностях формирования А1- или Си-содержащих контактов метал-GaAs. Цель работы
Целью настоящей работы является изучение закономерностей и разработка физических основ технологии изготовления улучшенных омических и барьерных контактов к GaAs, в том числе с металлизацией на основе А1 и Си, а также исследование параметров СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов с А1- или Си-со держащими контактами.
Для реализации цели работы были поставлены следующие задачи:
с целью улучшения параметров омических и барьерных контактов разработать эффективные методы электрической пассивации поверхности GaAs;
исследовать и оптимизировать конструкции металлизации омических и барьерных контактов к GaAs, в том числе, не содержащих драгоценных металлов;
исследовать и оптимизировать методы и режимы формирования омических и барьерных контактов к GaAs, в том числе, не содержащих драгоценных металлов;
изучить особенности технологии и изготовить GaAs транзисторы с высокой подвижностью электронов с Т-образным затвором длиной 150 нм и контактами на основе А1 и Си.
Научная новизна работы
Найдены режимы халькогенизации поверхности GaAs, позволяющие повысить воспроизводимость процесса её электрической пассивации, а также улучшить параметры контактов металл/GaAs; предложены механизмы, объясняющие наблюдаемые закономерности.
Показано, что омические контакты на основе Pd/Ge/Al и Pd/Ni/Ge/Mo/Cu к п -GaAs имеют низкое значение приведенного контактного сопротивления и обладают гладкой морфологией поверхности контактных площадок.
Определены условия осаждения плёнки Ті торцевого диффузионного барьера омического контакта на основе Ge/Au/Ni/Ti/Au и режимы обработки Ge/Cu омического контакта в потоке атомарного водорода, приводящие к уменьшению приведенного контактного сопротивления в 50 и 1.6 раза, соответственно.
Установлено, что обработка двухслойной системы Ge/Cu в потоке атомарного водорода при комнатной температуре приводит к взаимодиффузии Си и Ge, формированию поликристаллической плёнки с однородным распределением элементов и вертикально ориентированными зернами размером 100-150 нм.
5) Показано, что GaAs СВЧ транзисторы с высокой подвижностью электронов с металлизацией на основе А1 и Си, а также CuGe соединения имеют электрические параметры сравнимые с параметрами аналогичных транзисторов с металлизацией на основе Аи.
Практическая значимость работы
1) В маршруты изготовления комплекта СВЧ GaAs МИС приемо-передающих
модулей активных фазированных антенных решеток Х-, L-, ^-диапазонов
длин волн внедрены:
групповая технология формирования омических контактов на основе Ge/Au/Ni с улучшенным комплексом электрофизических параметров.
технология изготовления субмикронного Т-образного затвора длиной 150 нм.
Применительно к технологии изготовления GaAs транзисторов с высокой подвижностью электронов разработан низкотемпературный процесс формирования тонкой пленки соединения CuGe.
Разработана технология изготовления GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов с металлизацией омических и барьерных контактов на основе А1, Си, а также CuGe соединения.
Научные положения, выносимые на защиту
1) Предварительное окисление поверхности GaAs в растворе Н2О2 позволяет
после её халькогенизации увеличить воспроизводимость эффекта
электрической пассивации, а также в 1.5 раза уменьшить приведенное
контактное сопротивление омических контактов, сформированных к
халькогенизированной поверхности. Вакуумная ультрафиолетовая обработка
халькогенизированной поверхности GaAs излучением с длиной волны
222 нм, выполняемая перед осаждением металлизации омических контактов,
приводит к уменьшению приведенного контактного сопротивления на
20-30%.
і 1 о -э
2) Омический контакт на основе Pd/Ge/Al к п -GaAs (и = 5х1010 см)
имеет низкое значение приведенного контактного сопротивления
(р = 1.3x10" Ом см ) и обладает гладкой морфологией поверхности
контактной площадки. Введение пленки Ni толщиной 10 нм в состав
металлизации Pd/Ge/Mo/Cu омического контакта позволяет в 1.5 раза уменьшить его приведенное контактное сопротивление.
Выбор угла влёта Р, под которым атомы Ті поступают на поверхность при осаждении плёнки диффузионного барьера омического контакта на основе Ge/Au/Ni/Ti/Au к w-GaAs, в диапазоне от 1.5 а до 2.5 а, где а - угол влета атомов Ge, Au и Ni позволяет уменьшить минимальное значение приведенного контактного сопротивления в 50 раз.
Обработка двухслойной системы Ge/Cu в потоке атомарного водорода с
1С 9 1
плотностью j > 10 ат. см с" при комнатной температуре и выше приводит к взаимодиффузии Си и Ge и формированию поликристаллической плёнки CuGe соединения с вертикально ориентированными зернами размером 100-150 нм. Обработка в потоке атомарного водорода омических контактов Ge/Cu к w-GaAs, выполняемая сразу после осаждения тонких пленок Ge и Си, по отношению к термообработке в вакууме, позволяет уменьшить минимальное значение приведенного контактного сопротивления в 1.6 раза.
5) GaAs СВЧ транзисторы с высокой подвижностью электронов с
металлизацией омических и барьерных контактов на основе А1 и Си, а также
CuGe соединения имеют параметры по постоянному току и СВЧ сигналу,
сравнимые с аналогами на основе Au металлизации, но характеризуется
меньшей себестоимостью производства.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2008 г, 2009 г., 2010 г., 2011 г.), на VI и VII Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2010 г., 2011 г.), Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина 2008 г, 2010 г, 2011 г.), International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON (Tomsk, 2009 г., Krasnoyarsk 2011 r), International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM (Эрлагол, 2011 г.), 5-й Международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций
(РТ-2009)» (Севастополь, 2009 г.), XLIX Международной научной конференций «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011 г.), Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники» (Тамбов, 2011 г.), 91, 101 International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 2008 г., 2010 г.), International Conference on Micro- and Nano-Electronics (Zvenigorod, 2009 г.), 51 European Microwave Integrated Circuits Conference (Paris, France 2010 г.), 6th European Microwave Integrated Circuits Conference (Manchester, England 2011 г.). Реализация и внедрение результатов работы
Работа выполнялась, как составная часть НИР в рамках следующих проектов: гос. контракт №7089р/9647 от 01.07.2009 по программе «У.М.Н.И.К» фонда содействию малых форм предприятий в научно-технической сфере, хоз. договор № 8 от 01.12.2009 администрации г. Томска по конкурсу «Привлечение молодых специалистов в инновационную и производственную сферы», договора № 1/10 КЦ от 23.12.2009 и № 1/11 КЦ от 01.02.2011 по грантам компании Carl Zeiss (Германия) для поддержки молодых ученых ведущих университетов РФ в 2010 и 2011 гг., хоз. договор №74/10 по 218 постановлению Правительства РФ о создании высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения в 2010 г., гос. контракт №14.740.11.1432 от 03.11.2011 по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 гг.».
Результаты работы были внедрены в ОАО «НИИ «Полупроводниковых приборов» (г. Томск) и ЗАО «Научно-производственная фирма «Микран» (г. Томск). Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 45 работах, в том числе: 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 статьи в зарубежных журналах; 6 патентов РФ. Список основных публикаций приведен в конце диссертационной работы. Личный вклад автора
Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся в ЗАО «НПФ «Микран» и ФГБОУ ВПО ТУ СУР. Автором совместно с научным
руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения, а также выполнялось обобщение полученных результатов. Личный вклад автора заключается в выборе направлений исследования, постановке методики и проведении экспериментов, выполнении оценок и расчётов, а также обработке и анализе полученных экспериментальных результатов. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 138 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 178 наименований.
