РАЗДЕЛ 2
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Базовый технологический процесс и его оптимизация
В современной СВЧ микроэлектронике одним из основных технологических
направлений является разработка унифицированных (базовых) технологических
процессов, пригодных для серийного производства диодов, полевых транзисторов и
интегральных схем на основе GaAs. Базовая технологическая цепочка позволяет, с
одной стороны, повысить воспроизводимость и способность сохранять заданные
параметры приборов, а с другой – снизить уровень затрат на построение всего
технологического комплекса. Известно [2, 8, 41], что успехи в создании полевых
транзисторов основываются на двух ключевых моментах: повышении качества
используемого полупроводникового материала и совершенствовании технологии
приготовления омических и барьерного контактов. Однако, эти моменты, являясь
необходимыми, всё же не являются достаточными для достижения высоких
результатов. Технологический процесс включает в себя чрезвычайно разнообразные
воздействующие факторы, использование большого количества органических и
неорганических материалов. Изготовление приборов с субмикронными размерами
элементов – это не просто совокупность отдельных технологических этапов, а
результат объединения в единый технологический процесс нескольких технологий
высокого уровня, при их чрезвычайно сильных взаимосвязи и взаимовлиянии. Задача
состоит в том, что этот процесс должен быть оптимизирован с целью достижения
наилучшего конечного результата. В технологической цепочке и воздействующих
факторах можно выделить (и оптимизировать) ряд критических операций, имеющих
решающее влияние на СВЧ-параметры и надёжностные характеристики изучаемых в
работе приборов.
2.2. Изготовление образцов с использованием базового технологического процесса
В данной работе исследовались СВЧ полевые транзисторы с затвором Шоттки, а
также тестовые образцы с омическими и барьерными контактами на основе структур
GaAs и гетероструктур GaAs – AlGaAs. Полевые транзисторы изготавливались в НПО
"Сатурн" [71, 75]. Тестовые образцы создавались по специальной топологии (см.
разд. 2.4.1) либо представляли собой незавершён- ные фрагменты транзисторов
(интегральных схем).
Полевые транзисторы изготавливались с использованием стандартных эпитаксиальных
арсенидгаллиевых структур і-n--n-n+ типа САГ-МК, тестовые структуры для
исследований, представленных в разделе 5.2, – стандартных эпитаксиальных
арсенидгаллиевых структур і-n--n-n+ типа САГ-2БК. Параметры этих структур
(толщина слоёв d и уровень легирования Nd) приведены в табл. 2.1 (см. также
рис. 2.1а).
Таблица 2.1
Параметры структур GaAs.
САГ-МК
САГ-2БК
d, мкм
Nd, см-3
d, мкм
Nd, см-3
n+ GaAs
0.25
3·1018
0.25
2·1018
n GaAs
0.25
5·1017
0.25
2·1017
ni GaAs
1.5
1·1014
0.75
1·1014
ni GaAs
300
1·1014
300
1·1014
Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов и тестовые структуры для
исследований, представленных в разделах 5.2 – 5.5 (структура №1) и 5.6
(структуры №2 и №3), создавались с использованием гетероструктур GaAs – AlGaAs,
выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Подвижность электронов в
слое двумерного газа составляла около 4000 см2/В·с при температуре 300 К и
около 40000 см2/В·с при температуре 77 К (для структуры №1). Параметры этих
структур (толщина слоёв d и уровень легирования Nd) приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Параметры структур GaAs – AlGaAs.
Cтруктура №1
Cтруктура №2
Cтруктура№3
d, мкм
Nd, см-3
d, мкм
Nd, см-3
d, мкм
Nd, см-3
n+ GaAs
0.060
2·1018
0.055
2·1018
0.050
3.5·1018
ni GaAs
0.020
1·1015
n+ AlGaAs
0.050
1·1018
0.045
1·1018
0.030
1.5·1018
ni AlGaAs
0.003
1·1014
0.002
1·1015
0.003
1·1015
ni GaAs
0.5
1·1014
0.6
1·1015
0.5
1·1015
ni GaAs
300
1·1014
600
<1·1015
600
<1·1015
При изготовлении образцов на гетероструктуре GaAs – AlGaAs технологический
процесс изготовления омического контакта имеет ряд принципиальных особенностей,
которые являлись предметом исследований в данной работе и подробно изложены
ниже, в разделе 5. Базовая технологическая цепочка при этом соответствующим
образом корректируется.
В основу конструкции полевого транзистора положен принцип углубления затворного
электрода и его самосовмещение относительно высоколегированных контактных
слоёв, использующихся как продолжение металлизации омических контактов.
Общепризнано, что этот принцип является оптимальным для создания малошумящих
приборов [8, 70]. Металлизация электродов истока, стока и затвора формировались
методом взрывной литографии [76, 77]. При создании топологического рисунка
электродов стока и истока использовалась оптическая литография, а при создании
топологического рисунка электродов затвора – электронно-лучевая [78]. Как
транзисторы, так и тестовые образцы были изготовлены с применением базовой
технологической цепочки, упрощённая схема которой (на примере GaAs полевого
транзистора) представлена ниже, на рис. 2.1. Реальный процесс создания полевого
транзистора содержит около 150 “элементарных” операций (ещё более значительное
количество операций используется при создании интегральных схем – до двухсот).
Такое значительное количество операций свидетельствует о необходимости
жёсткого контроля параметров техпроцесса и тщательного измерения
электрофизических характеристик образцов на каждом этапе техпроцесса, так как
каждая последующая операция может оказывать влияние на результаты предыдущей.
В ряде случаев степень такого влияния оказывается очень существенной.
а.
Исходная полупроводниковая пластина САГ-МК (САГ-2БК).
(Далее на