Формирование контактов металл-полупроводник с металлизацией на основе Al и Cu для GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов

Ерофеев, Евгений Викторович

Формирование контактов металл-полупроводник с металлизацией на основе Al и Cu для GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Ерофеев, Евгений Викторович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Формирование контактов металл-полупроводник с металлизацией на основе Al и Cu для GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов»

Автореферат диссертации на тему "Формирование контактов металл-полупроводник с металлизацией на основе Al и Cu для GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов"

На правах рукописи

УДК 621.382

00501313/

Ч'

Ерофеев Евгений Викторович

ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК С МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ А1И Си ДЛЯ СаАз СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 'М? Ш

Томск -2012

005013137

Работа выполнена в ЗАО «Научно-производственная фирма «Микран» и ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники».

Защита диссертации состоится «11» апреля 2012 г. в 15 ч. 30 мин. На заседании диссертационного совета Д212.268.04 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан « б » марта 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.268.04

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Кагадей Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Айзенштат Геннадий Исаакович

(ОАО НИИ ПП, г. Томск)

доктор физико-математических наук Гошин Геннадий Георгиевич

(ФГБОУ ВПО ТУСУР, г. Томск)

Ведущая организация:

Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск

доктор технических наук, профессор

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Быстрая эволюция телекоммуникационных устройств на базе СаАз 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 ОаАэ 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 ваАз МИС для формирования металлизации омических и барьерных контактов (ОК и БК), а также для создания межэлементной и межуровневой разводки традиционно используются такие металлы, как Аи, Р1 и Рс1. В кремниевой технологии драгоценные металлы не применяются, а для создания металлизации ранее использовался А1, а сегодня с успехом применяют Си. По сравнению с Аи, Си имеет большую теплопроводность, а также меньшее удельное сопротивление, причем как Си, так и А1 характеризуются существенно меньшей стоимостью. Поэтому в технологии ОаАв СВЧ МИС переход к металлизации на основе этих металлов должен позволить повысить технические характеристики изделий и уменьшить себестоимость их производства. Отсутствие промышленной технологии производства СаАв МИС с металлизацией на основе А1 и/или Си обусловлено недостаточным объёмам знаний о закономерностях и особенностях формирования А1- или Си-содержащих контактов метал-СаАв. Цель работы

Целью настоящей работы является изучение закономерностей и разработка физических основ технологии изготовления улучшенных омических и барьерных контактов к СаАв, в том числе с металлизацией на основе А1 и Си, а также исследование параметров СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов с А1- или Си-содержащими контактами.

Для реализации цели работы были поставлены следующие задачи:

1) с целью улучшения параметров омических и барьерных контактов разработать эффективные методы электрической пассивации поверхности GaAs;

2) исследовать и оптимизировать конструкции металлизации омических и барьерных контактов к GaAs, в том числе, не содержащих драгоценных металлов;

3) исследовать и оптимизировать методы и режимы формирования омических и барьерных контактов к GaAs, в том числе, не содержащих драгоценных металлов;

4) изучить особенности технологии и изготовить GaAs транзисторы с высокой подвижностью электронов с Т-образным затвором длиной 150 нм и контактами на основе Al и Си.

Научная новизна работы

1) Найдены режимы халькогенизации поверхности GaAs, позволяющие повысить воспроизводимость процесса её электрической пассивации, а также улучшить параметры контактов металл/GaAs; предложены механизмы, объясняющие наблюдаемые закономерности.

2) Показано, что омические контакты на основе Pd/Ge/Al и Pd/Ni/Ge/Mo/Cu к M+-GaAs имеют низкое значение приведенного контактного сопротивления и обладают гладкой морфологией поверхности контактных площадок.

3) Определены условия осаждения плёнки Ti 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.

4) 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 Au.

Практическая значимость работы

1) В маршруты изготовления комплекта СВЧ GaAs МИС приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток X-, 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.

2) Применительно к технологии изготовления GaAs транзисторов с высокой подвижностью электронов разработан низкотемпературный процесс формирования тонкой пленки соединения CuGe.

3) Разработана технология изготовления GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов с металлизацией омических и барьерных контактов на основе Al, Си, а также CuGe соединения.

Научные положения, выносимые на защиту

1) Предварительное окисление поверхности GaAs в растворе Н202 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%.

2) Омический контакт на основе Pd/Ge/Al к n+-GaAs (и = 5><1018 см"3) имеет низкое значение приведенного контактного сопротивления (р = 1.3x10 е Ом см2) 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.

3) Выбор угла влёта Р, под которым атомы Ti 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.

4) Обработка двухслойной системы Ge/Cu в потоке атомарного водорода с плотностью j > 1015 ат. см2 с"1 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 Al 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.), 9th, 10th 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.), 5th 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 ТУСУР. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и задачи исследований, приведены научная новизна и практическая значимость, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ литературных данных по тематике исследования.

В первом разделе рассмотрены вопросы, связанные с ограничением предельных характеристик GaAs СВЧ транзисторов из за высокой плотности поверхностных состояний, существующей как на свободной поверхности GaAs, так и на границе раздела GaAs/металл. Представлен обзор существующих методов обработки поверхности GaAs, направленных на её электрическую пассивацию (снижение плотности поверхностных состояний). Показано, что халькогенизация поверхности GaAs в растворах, содержащих S или Se, может стать основой эффективной промышленной технологии, применение которой позволит улучшить параметры приборов.

Во втором разделе описана физическая модель контактов металл-GaAs, а также представлены известные конструкции ОК и БК к активным областям транзисторов. Наиболее распространенными ОК к w-GaAs в настоящее время являются контакты на основе многослойной композиции Au/Ge/Ni, а в качестве барьерного контакта повсеместно используется трехслойная металлизация Ti/Pt/Au. Альтернативой применению Аи в металлизации ОК и БК может стать А1 или Си. Смена типа металлизации может позволить снизить себестоимость производства и повысить технические характеристики МИС. Однако

к настоящему времени технологии производства GaAs СВЧ МИС с использованием данных металлов не создано.

В третьем разделе представлен анализ факторов, влияющих на характеристики СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов. Показано, что перспективными способами увеличения рабочих частот СВЧ рНЕМТ являются оптимизация конструкции гетероструктуры, уменьшение длины затвора, а также снижение сопротивления омических контактов и затвора. Последняя задача может быть эффективно решена посредством перехода на металлы с пониженным удельным сопротивлением, например, Си.

В заключительном разделе главы сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе диссертации рассмотрены методы и техника экспериментов.

В экспериментах использовались ионно-легированные пластины «-/-GaAs с концентрацией электронов п = 2х1017 см'3, а также эпитаксиальные структуры GaAs/AlGaAs/InGaAs с концентрацией электронов в /Г-слое GaAs равной 5*1018 см"3 и с барьерным слоем GaAs, лежащим на барьерном слое AlGaAs. Пониженная концентрация электронов в образцах n-i-GaAs была использована для повышения точности экспериментов. Для изготовления образцов с ОК и БК, а также GaAs СВЧ транзисторов на их основе использовались базовые процессы технологии GaAs микроэлектроники: фото- и электронно-лучевая литографии, жидкостная химическая обработка, электронно-лучевое напыление металлических плёнок в вакууме, а также термообработка в вакууме, инертной или активной среде. Окисление поверхности GaAs производилось в растворе Н2О2 в течение t = 3 мин, а халькогенидная обработка - в 20%-ном водном растворе (NH^S. Обработка в потоке атомарного водорода (АВ) проводилась при плотности потока j = 1015 ат. см2 с'1 и температуре Т= 20-500 °С. Контроль внешнего вида и размеров элементов осуществлялся с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Измерение электрических параметров ОК и БК на постоянном токе выполнялось с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов В-1500. Контроль параметров транзисторов по постоянному току и СВЧ сигналу проводился на установке Cascade Microtech. Погрешность измерений не превышала 5 %.

В третьей главе диссертации представлены результаты исследований, направленных на поиск эффективных методов жидкостной халькогенизации поверхности ОаА5, позволяющих получить ОК и БК с улучшенными

характеристиками.

Результаты экспериментов, представленные на рис. 1, свидетельствуют о том, что предварительное окисление

поверхности образцов п-\-в растворе Н202 позволяет повысить воспроизводимость результата

халькогенидной обработки в растворе (МН4)28 и, от эксперимента к эксперименту, уменьшить разброс величины слоевого сопротивления верхнего «-слоя ваАв на 25%.

Кроме того, для случая предварительно окисленных образцов СаАв, стабильно наблюдается пониженное на 15-20% слоевое сопротивление /7-слоя ваАв, что можно связать с уменьшением плотности поверхностных состояний и эффективной электрической пассивацией поверхности. Данные явления объясняются следующим образом. Окисление поверхности пластины ОаАэ в растворе Н202 протекает по механизму самоостанавливающегося процесса. Это позволяет сформировать тонкую, но однородную по толщине плёнку оксида. Наличие такой плёнки защищает поверхность от воздействия различных факторов во время движения пластины по технологическому маршруту. При халькогенизации предварительно окисленной поверхности ваЛв последовательно происходят удаление тонкой плёнки собственного оксида ваАв и пассивация серой очищенной поверхности. При этом все загрязнения, присутствовавшие на поверхности, удаляются вместе

777Л без ОКИСЛеНИЯ Поверхности

250 240 230 220 £ 210- окисле исходно н е 1 1вм со с п т оверхности В НгОг >яние поверхности

о 5 190 к 180 170 160- 1»0. 1 I 1 1 I I I I 9

; 1 0

Номер эксперимента

Рис. 1. Слоевое сопротивление халькогенизированных образцов п-г-ОэАб с предварительно неокисленной и окисленной поверхностью для десяти независимых экспериментов;

пунктирная линия соответствует состоянию без халькогенизации повепхности.

с плёнкой собственного оксида, что способствует высокой воспроизводимости результата халькогенизации.

Как свидетельствуют данные экспериментов, представленные на рис. 2, в случае формирования ОК на основе Ge/Au/Ni (45/85/25 нм) к предварительно окисленной и халькогенизированной поверхности GaAs при температурах

термообработки контакта меньших температуры плавления эвтектики AuGe (Т = 361 °С) происходит 1.5 кратное снижение приведенного контактного сопротивления, а также от эксперимента к эксперименту наблюдается четырехкратное

уменьшение разброса его величины. Модельные барьерные контакты на основе Ti/Au (100/200 нм), сформированные на предварительно халькогенизированной поверхности GaAs, после термообработки имеют лучшие значения коэффициента идеальности прямой ветви ВАХ, высоты барьера Шоттки, напряжения пробоя обратной ветви ВАХ, чем аналогичные БК, но сформированные на нехалькогенизированной поверхности.

Данные, представленные на рис. 3, свидетельствуют о том, что если предварительно окисленную и халькогенизированую поверхность образцов GaAs дополнительно обработать ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны 222 нм, то ОК на основе Ge/Au/Ni (45/85/25 нм), сформированные на этой поверхности при Т < 361 °С, будут иметь на 20-30% меньшее приведённое контактное сопротивление, чем ОК, изготовленные без такой обработки. Обнаруженный эффект может быть объяснён следующим образом. После халькогенизации на поверхности GaAs присутствует как слой хемосорбированной серы, так и слои физсорбированных атомов.

Р7/Л без окисления поверхности кта с окислением поверхности в Н202

2.0x10

2 Э 4 6 Номер эксперимента

Рис. 2. Приведенное контактное сопротивление омических контактов Ое/Аи/№, сформированных к халькогенизированной поверхности п-г'-СаАя, для образцов с предварительно окисленной и неокисленной поверхностью для шести независимых экспериментов.

Физсорбированные атомы серы не способствуют эффективной электрической пассивации

поверхности, поэтому должны быть удалены. Так как энергия связи хемосорбированных атомов

халькогенидов с поверхностью ОаА.ч значительно превосходит энергию их физической адсорбции, то при воздействии ультрафиолетового излучения с энергией кванта большей, чем энергия связи физосорбированных атомов серы, происходит эффективная фотодесорбция физсорбированных слоев. В результате такой обработки на поверхности СаАв, остаётся тонкий слой хемосорбированной серы, что и способствует уменьшению приведённого контактного сопротивления.

В четвертой главе представлены результаты исследований, направленных на оптимизацию конструкций металлизации омических и барьерных контактов к ваАв с металлизаций на основе А1 и Си.

Сравнительный анализ параметров разработанного ОК к п+-ваАв на основе Р<Ше/А1 (15/150/150 нм) с известным аналогом на основе РсШе/Си (15/150/150 нм) показал, что контакты имеют близкие по величине значения приведенного контактного сопротивления (р = 1.3x10"6 Ом х см2 и р = 1.5x10'6 Ом х см"), которые достигаются после термообработки при температуре Т = 250 °С. Однако поверхность ОК на основе РсЮе/Си при температурах отжига Т > 300 °С имеет развитый рельеф, что обусловлено высокой диффузионной активностью меди. Контакт же на основе Р(1/Ое/А1 демонстрирует гладкую морфологию поверхности во всем диапазоне использованных температур отжига, что может свидетельствовать о высокой термической стабильности параметров контакта при его последующей эксплуатации.

обработки (ИН^в (ЫНд^З

Г« 5 мин Г- 10 мин

Рис. 3. Приведенное контактное сопротивление омических контактов Ое/Аи/№ к п-1-ОаАв, сформированных к нехалькогенизированной и халькогенизированной в течение 5 и 10 мин поверхности, необработанных и обработанных с помощью УФ-излучения в вакууме.

Рис. 5. Микрофотография затвора на основе Ті/Мо/Си после проведения термоиспытаний при Т = 200 °С в течение / = 120 мин в среде азота.

Другой разработанный ОК к и -GaAs с металлизацией Pd/Ni/Ge/Mo/Cu

(15/10/150/50/150 нм) по сравнению с известным аналогом на основе Pd/Ge/Mo/Cu (15/150/50/150 нм) обладал в 1.5 раза меньшим минимальным значением

Рис. 4. Микроскопические изображения поверхности омических контактов РсШе/Мо/Си (а) и РсШШе/Мо/Си (б) после термообработки при Т = 400 °С течение / = 3 мин в вакууме.

использованных температур отжига имел гладкую морфологию

поверхности (рис. 4).

Сравнительный анализ параметров, разработанных РсШе/А1 и Р(1ЛМШе/Мо/Си ОК, с параметрами аналогов на основе АиЛЗеМ свидетельствует о перспективности их использования в технологии изготовления ОаАв СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Сравнительный анализ характеристик барьерных контактов на основе "ШЧ/Аи, ТЧ/РЬ'Си, "П/Мо/Си, Т1/А1 к ОаАв показал, что после напыления все типы контактов имеют близкие по величине значения коэффициента

идеальности прямой ветви ВАХ,

I высоты барьера Шотгки, а также

напряжения пробоя.

' ш М ^ : г Термостабильность параметров

Ж ^^

затворов на основе Т1/А1 и ТУР1/Аи

ЙЗД Ги » ...ТьЛ

-V VI соответствовала известным

приведенного контактного

сопротивления (р = 7=< 10 7 Ом х см2), а также во всем диапазоне

литературным данным.

Термостабильность БК с верхним слоем Си была ниже, что обусловлено диффузией Си по «ножке» затвора к поверхности ОаАБ в процессе термообработки (рис. 5).

В пятой главе представлены результаты исследований, направленных на оптимизацию методов и режимов изготовления ОК и БК к GaAs.

В модельных экспериментах по исследованию влияния торцевого диффузионного барьера на процессы диффузии металла из верхнего толстого слоя, напыляемого для | уменьшения слоевого сопротивления ОК, к поверхности «-¿-GaAs использовался наиболее хорошо изученный ОК на основе Ge/Au/Ni/Ti/Au (45/85/25/50/200 нм).

С помощью двумерного моделирования процессов осаждения металлических плёнок в окно резистивной маски было установлено, что если а - угол относительно нормали, под которым атомы Ge, Au и Ni прибывают на поверхность, будет находиться в диапазоне а = 0-2°, что типично для процесса электроннолучевого напыления, то для формирования торцевого Ti барьера угол влёта атомов Ti, Р должен составлять р >пха, где «>1.5 (рис. 6).

На рисунке 7 приведено изображение торца контактной площадки Ge/Au/Ni/Ti/Au ОК, для которого напыление слоя Ti выполнялось при Р = 2.5а. Видно, что слой Ti при этом угле действительно капсулирует слои Ge/Au/Ni.

Рис. 6. Результаты моделирования поперечного сечения омического контакта Се/Аи/МІ/Ті/Аи после осаждения тонких пленок; р = а; Р= 1.5а; р = 2а; р = 2.5а.

Рис.7. Микроскопическое изображение торцевой поверхности омического контакта Ое/Аи/№/Т1/Аи после осаждения тонкой пленки Т1 при Р = 2.5а.

Исследование внешнего вида краев контактных площадок отожженных ОК, полученных в разных режимах осаждения плёнки Т1 барьера (рис. 8), показало, что для случая (3 = а на торцах контактов происходит взаимодействие толстого верхнего слоя Аи с нижележащими слоями. Для случаев Р > 1.5 а не наблюдается никакого взаимодействия, и торцевые поверхности ОК остаются ровными и гладкими.

Рис. 8. Микроскопическое изображение торцевой поверхности отожжённого омического контакта Ое/Аи/№/'П/Аи; осаждение тонкой пленки Л проводилось при Р = а; 3 = 2а; 3 = 2.5а.

Серия экспериментов, направленных на исследование влияния угла (3, под которым атомы Тл прибывают на поверхность, на электрические параметры ОК

показала, что увеличение угла от р = а до Р = 2.5 а приводит к монотонному уменьшению величины минимального приведенного

контактного сопротивления (рис. 9). При максимальном угле р = 2.5 а наблюдается пятидесятикратное уменьшение сопротивления и р достигает величины 2х 10"6 Ом х см2.

Таким образом, применение торцевого диффузионного барьера в составе металлизации ОК с верхним толстым слоем хорошо проводящего металла приводит к улучшению комплекса параметров контакта.

р, отн. ед.

Рис. 9. Зависимость минимальной величины приведённого контактного сопротивления омических контактов Ое/Аи/№/Ті/Аи от угла влета атомов Ті р.

_____

Си

.....а)

" ? ........

» 1Ю к rifyGt*tt.KU

піуавв.ш

t>.

в)

ГяуЄмна,>м

® ш #

If-

гіг:......... ... i .

........1 "і1 V 5 *

Г/?/Смна, (Ы

Рис. 10. Распределения элементов Си и Єє по глубине образцов

СиЛЗе/ОаАБ, обработанных при комнатной температуре в потоке атомарного водорода в течение / = 1 (а), 2.5 (б), 10 (в) мин, и, прошедших вакуумную термообработку при

Т= 200°С в течение I = 30 мин (г).

Исследования, направленные на поиск Си-содержащего барьерного контакта с повышенной термостабильностью параметров, показали, что низкоомное тонкопленочное CuGe соединение может с успехом заменить слой Си в металлизации БК на основе Ti/Mo/Cu. Традиционно для формирования CuGe соединения используется высокотемпературная термообработка {Т= 200-400 °С) [1]. В связи с тем, что при изготовлении затвора транзистора используется обратная литография и формирование CuGe соединения должно проходить в едином вакуумном цикле с процессом напыления металлизации затвора, температура его формирования не может превышать Т = 80-100 °С. Целенаправленные эксперименты позволили установить, что формирование CuGe соединения из двухслойной системы Ge/Cu в случае обработки образцов в потоке атомарного водорода возможно и при пониженных температурах (Т = 20-100 ° С).

Как свидетельствуют распределения элементов Си и Ge по глубине образцов GaAs/Ge/Cu, прошедших обработку в потоке АВ с плотностью 1015ат. см2 с"1 при комнатной температуре (рис. 10), обработка в течение времени t = 2.5 мин приводит к существенной взаимодиффузии Си и Ge и практически полному перемешиванию пленок по всей их толщине. С увеличением времени обработки в потоке АВ от 2.5 до 10 мин распределение Ge по глубине становится более однородным, и

идентичным распределению элементов после вакуумной термообработки при температуре Т= 200°С в течение 30 мин. Электронно-микроскопическое исследование ОаАз/Сс/Си образцов, прошедших обработку в потоке АВ при Т = 20 °С и термообработку в вакууме при Т = 200 °С, свидетельствует о том, что в обоих случаях происходит формирование поликристаллической пленки с вертикально ориентированными зернами размером 100-150 нм.

Величина удельного сопротивления плёнки Сиве соединения после обработки в потоке АВ в течение 1 = 5 мин составила = 4.5 мкОм х см, что свидетельствует о перспективности его использования в качестве металлизации БК.

Взаимодиффузия в тонкоплёночной системе Си и ве, происходящая при обработке в АВ (Г = 20 °С), не может быть объяснена с точки зрения классической диффузии, т.к. для стимулирования наблюдаемых диффузионных процессов необходимы сравнительно высокие температуры (Г = 200 °С). Проведённые эксперименты позволили установить, что главным фактором, активирующим низкотемпературную диффузию, является АВ. Исходя из литературных данных [2], механизм стимулирующий диффузию можно представить следующим образом. При поверхностной рекомбинации двух атомов водорода выделяется квант энергии, равный 4.5 эВ. Поглощение этой энергии твёрдым телом стимулирует генерацию точечных дефектов, образование микроградиентов температуры или механических напряжений в приповерхностных слоях твёрдого тела, которые, в свою очередь, активируют низкотемпературную диффузию.

Применение предварительной обработки образцов с ОК на основе ве/Си (78/122 нм) к и+-ОаАБ в потоке АВ, выполняемой перед термическим отжигом, позволило уменьшить величину приведенного контактного сопротивления в 1.6 раза по сравнению с ОК, сформированным без использования АВ. Данное улучшение может быть связано с формированием Сиве соединения, которое обладает высокой стойкостью к окислению на воздухе по сравнению с тонкими пленками ве и Си и препятствует окислению металлизации ОК в процессе межоперационного пролёживания, что и способствует уменьшению величины р.

В шестой главе представлены результаты сравнительного анализа параметров GaAs/AlGaAs/InGaAs транзисторов с высокой подвижностью электронов с длиной затвора 150 нм и металлизацией ОК и БК на основе Au, А1, Си, а также CuGe соединения, полученного низкотемпературной обработкой в потоке АВ.

В таблице 1 представлены значения р, крутизны вольт-амперной характеристики транзистора gm, коэффициента усиления транзистора по току Н2, и граничной частоты отсечки по току F, для транзисторов с различными типами ОК и БК. В качестве реперного образца использовался транзистор с традиционными Ni/Ge/Au/Ni/Au (5/25/100/20/150 нм) ОК и Ti/Pt/Au (25/25/400 нм) затвором.

Табл. 1. Параметры транзисторов с высокой подвижностью электронов с ОК и БК на основе Аи, А1, Си и Сийе на постоянном токе и СВЧ сигнале

рНЕМТ с Си pHEMTcJ CuGe J рНЕМТ с Al рНЕМТ с Pd и Си рНЕМТ с Au

ОК Ge/Cu CuGe j Pd/Ge/Al Pd/Ni/Ge/Mo/Cu Ni/Ge/Au/Ni/Au

БК Ti/Mo/Cu Ti/Mo/CuGe J Ti/Al Ti/Mo/Cu Ti/Pt/Au

р, Ом х см2 8 х Ю"6 5 x I0"6 J 1.3 x Ю"« 7 x Ю-7 2 x 10'6

gm, МСМ/ММ 320 380 I 400 440 400

Н21@10ГГЦ,ДБ 14.5 16.8 j 17.1 18.8 15

Ft, ГГц 60 80 j 80 100 70

Лучший комплекс параметров характерен для транзистора с Ti/Mo/Cu затвором и ОК на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu, имеющего минимальное значение приведенного контактного сопротивления ОК (р = 7><10"7 Ом х см2). При этом, худшие параметры наблюдаются у транзистора с ОК и БК на основе Ge/Cu и Tí/Mo/Cu, соответственно, что может быть обусловлено высоким значением приведенного контактного сопротивления ОК (р = 8x10'6 Ом х См2), полученного без использования обработки в потоке АВ. Транзисторы с ОК на основе Pd/Ge/Al, Ni/Ge/Au/Ni/Au и БК на основе Ti/Al, Ti/Pt/Au, наряду с транзисторами с металлизацией на основе CuGe соединения, полученного

5 «

6 з

2 10

—A—Ti/Mo/Cu —Ti/Mo/CuGe —•—Ti/Pt/Au -►-Ti/Al

-А-А

обработкой в потоке АВ, имеют близкие значения параметров, как по постоянному току, так и СВЧ сигналу.

С целью оценки надежности работы транзисторов была исследована термическая стабильность их параметров на постоянном токе. Транзисторы с

металлизацией затвора на основе А1, а также Сиве соединения, полученного обработкой в потоке АВ в исследуемых температурно-временных режимах демонстрируют термостабильность параметров аналогичную традиционному

транзистору с Т1/Р1/Аи затвором. Для всех транзисторов с Т1/Мо/Си затвором с ростом времени термообработки наблюдается

активное уменьшение величины пробивного напряжения затвор-сток (рис. И). Данный эффект обусловлен деградацией барьерных характеристик Т^Мо/Си затвора, вследствие поверхностной диффузии меди по «ножке» затвора к поверхности полупроводника (рис. 5) и последующей компенсацией носителей в приповерхностных его слоях. Пассивация поверхности транзисторов с ТШо/Си затвором плёнкой 8¡И позволила повысить термостабильность величины пробивного напряжения затвор-сток.

Таким образом, переход на ОК и БК с металлизацией на основе А1 или Си позволяет, как минимум, воспроизвести технические характеристики транзисторов с металлизацией на основе Аи. При этом рыночная стоимость Аи сегодня в 25000 и 7000 раз превышает стоимости А1 и Си, соответственно. Поэтому переход на А1 и/или Си металлизацию в технологии производства ОаАз СВЧ МИС может снизить стоимость используемых материалов на 10 и более процентов.

О 20 40 СО 80 100 120 Время термообработки, мин

Рис. 11. Зависимости пробивного напряжения U„p затвор-сток GaAs рНЕМТ транзисторов с затворами на основе Ti/Mo/Cu, Ti/Mo/CuGe, Ti/Pt/Au и Ti/Al от времени термообработки при Т - 200 °С в среде азота.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Использование предварительного окисления поверхности GaAs в растворе Н202 перед процессами жидкостной халькогенизации в водных растворах (NH4)2S, позволяет увеличить воспроизводимость электрической пассивации поверхности на 25%, в 1.5 раза уменьшить приведенное контактное сопротивление омических контактов на основе Ge/Au/Ni, а также улучшить комплекс электрических параметров барьерных контактов на основе Ti/Au, сформированных к «-GaAs.

2) Вакуумная ультрафиолетовая обработка с длиной волны излучения 222 нм, предварительно окисленной и халькогенизированной поверхности GaAs, позволяет на 20-30% уменьшить величину приведенного контактного сопротивления ОК на основе Ge/Au/Ni (45/85/25 нм), сформированных к «-GaAs.

3) Омические контакты на основе Pd/Ge/Al (15/150/150 нм) и Pd/Ni/Ge/Mo/Cu (15/10/150/50/150 нм) к «+-GaAs (п = 5*1018 см'3) имеют низкие значения приведенного контактного сопротивления р = 1.3x10"6 Ом х см2 и р = 7x10'7 Ом х см2, соответственно, а также обладают гладкой морфологией поверхности контактной площадки.

4) Использование торцевого Ti диффузионного барьера в ОК на основе Ge/Au/Ni/Ti/Au, формируемого посредством осаждения плёнки Ti с углом влёта, под которым атомов Ti поступают на поверхность, (3 равным 1.5-2.5 а, где а -угол влета атомов Ge, Au и Ni, позволяет уменьшить минимальное значение приведенного контактного сопротивления в 50 раз, а также улучшить морфологию поверхности края контактной площадки.

5) Обработка двухслойной системы Ge/Cu в потоке атомарного водорода приводит к взаимодиффузии Си и Ge, формированию поликристаллической плёнки с однородным распределением элементов и вертикально ориентированными зернами размером 100-150 нм. Использование данной обработки сразу после осаждения тонких пленок Ge и Си позволяет уменьшить минимальное значение приведенного контактного сопротивления омических контактов Ge/Cu (78/122 нм) к слоям «-GaAs в 1.6 раза. Величина удельного

сопротивления плёнки CuGe соединения после обработки в потоке АВ в течение / = 5 мин составляет = 4.5 мкОм х см, что свидетельствует о перспективности его использования в качестве металлизации барьерного контакта. 6) GaAs СВЧ транзисторы с высокой подвижностью электронов с Т-образным затвором длиной 150 нм и металлизацией на основе Си, А1, а также CuGe соединения, полученного обработкой в потоке атомарного водорода имеют электрические параметры по постоянному току и СВЧ сигналу сравнимые с параметрами транзисторов на основе Аи и характеризуются меньшей себестоимостью изготовления.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Е.В. Ерофеев. В .А. Кагадей. Исследование возможности улучшения параметров AuGeNi омических контактов к п - GaAs. В кн: 18-я Международная Крымская конференция "СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2008). -2008. - С. 562 - 564.

2) V.A. Kagadei, E.V. Erofeev. T.V. Zaretzkaya. Effect of sulfur modification of GaAs surface on parameters of AuGeNi ohmic contacts // Proceedings of the 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM). -2008. - pp. 361-363.

3) E.V. Erofeev, V.A. Kagadei, S.V. Ishutkin, K.S. Nosaeva. Investigation of AuGeNi ohmic contact to n-i-GaAs deposited by different methods // Proceedings of the 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM). -2008. - pp. 498-500.

4) E.V. Erofeev. V.A. Kagadei, S. V. Ishutkin. Study of the multilayer ohmic contacts to «-/-GaAs with Ti diffusion barrier // Proceedings of the 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM). -2008. - pp. 597-599.

5) E.V. Erofeev, V.A. Kagadei, T.V. Zaretzkaya. Influence of the Annealing on the Parameters of Shottky Barriers to Sulfur Treated и-GaAs // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). -2009. - pp. 227-232.

6) E. Erofeev, V. Kagadei. Low-resistance Ge/Au/MTi/Au based ohmic contact to и-GaAs // International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2009. Proc. of SPIE. -2009.-Vol. 7521.-752101.

7) E. Erofeev. V. Kagadei. Formation of Ge/Cu ohmic contacts to n-GaAs with atomic hydrogen pre-annealing step // International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2009. Proc. of SPIE. - 2009. - Vol. 7521. - 75210K.

8) O.A. Soltanovich, E.B. Yakimov, E.V. Erofeev. V.A. Kagadei, J. Weber. One more deep level related to the metastable hydrogen-related defects in n-GaAs epilayers // Physica B. - 2009. - Vol.404. - No.23. - pp. 5096-5098.

9) E.B. Ерофеев. C.B. Ишуткин, B.A. Кагадей, К.С.Носаева, E.B. Анищенко. Разработка Т-образного затвора на основе Ti/Mo/Cu. В кн: 18-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо). - 2010. - С. 754 - 755.

10) Е.У. Erofeev. V.A. Kagadei, V. A. Arykov, E.V. Anichenko. Copper metalized GaAs pHEMT with 150 nm T-gate // Proceedings of the 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th CMM). - 2010. - pp. 750 - 753.

11) E.V. Erofeev. V.A. Kagadei, S. M. Avdeev. Cu/Ge ohmic contacts to the sulfiir and UV treated и-GaAs surface// Proceedings of the 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th CMM). -2010.-pp. 564-567.

12) E.V. Erofeev. S.V. Ishutkin, V.A. Kagadei, K.S. Nosaeva. The influence of sulfur modification of preliminary oxidized GaAs surface on the ohmic contacts parameters // Proceedings of the 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. - 2010. - pp. 598 - 601.

13) E. Erofeev. S.V. Ishutkin, V.A. Kagadei, K.S. Nosaeva. Multilayer low-resistance Ge/Au/Ni/Ti/Au based ohmic contact to w-GaAs // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference. - 2010. - pp. 290 - 293.

14) E.V. Erofeev. E.V. Anichenko, V.A. Arykov, V.A. Kagadei. 150 nm copper metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge ohmic contacts // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference. - 2010. - pp. 166 - 169.

15) E.B. Ерофеев. В.А. Кагадей, C.B. Ишуткин, К.С. Носаева, Е.В. Анищенко, B.C. Арыков. Разработка бездрагметального GaAs pHEMT транзистора с субмикронным Т-образным затвором // Доклады ТУСУРа. - 2010. -№ 2(22), часть 1. - С. 183-186.

16)С.М. Авдеев, Е.В. Ерофеев, В.А. Кагадей. Исследование влияния сульфидной и ультрафиолетовой обработок поверхности и-г'-GaAs на параметры омических контактов // Физика и техника полупроводников. -2011. - т. 45. - вып. 8. - С. 1056-1061.

171 Е.В. Ерофеев, В.А. Кагадей. Влияние термообработки на параметры контактов металл-полупроводник, сформированных на

халькогенизированной поверхности w-GaAs // Физика и техника полупроводников. -2011. - т. 45. - вып. 9. - С.1191-1196.

181E.V. Erofeev, V.A. Kagadei. Copper germanide compound fabrication in the atomic hydrogen flow at low temperature // International Conference of Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. - 2011. - pp. 41 - 44.

191 E.V. Erofeev. V.A. Kagadei, E.V. Anishchenko, K.S. Nosaeva, S.V. Ishutkin. T-gate fabrication // International Conference of Micro/Nanotechnologies and Electron Devices.-2011.-pp. 146-149.

2Q) E.V. Erofeev, A.I. Kazimirov, V.A. Kagadei. A Gold Free Fully Cu/Ge Metalized GaAs pHEMT for the High Frequency Applications // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). - 2011. - pp. 227-232.

2П E.V. Erofeev, V.A. Arykov, E.V. Anichenko, V.A. Kagadei. Thermal stability of a Gold free fully Cu/Ge metalized GaAs pHEMT // Proceedings of the 6th European Microwave Integrated Circuits Conference. - 2011. - pp. 352 - 357.

221 Е.В. Ерофеев. В.А. Кагадей. Формирование медно-германиевого соединения низкотемпературной обработкой в потоке атомарного водорода // Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2 (24), часть 2. - С. 68-72.

23) Е.В. Ерофеев. А.И. Казимиров, В.А. Кагадей. Исследование термостабильности параметров GaAs pHEMT транзистора с металлизацией на основе CuGe соединений // Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2 (24), часть 2. -С. 41-46.

24) Е.В. Ерофеев, В.А. Кагадей. Особенности формирования низкорезистивного омического контакта Ge/Au/Ni/Ti/Au омического контакта к «-GaAs // Микроэлектроника. - 2012. - т. 41. - №2. - С. 1-8.

25) E.V. Erofeev. V.A. Kagadei, V.A. Arykov, E.V. Anichenko. Copper metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge ohmie contacts // International Journal of Microwave Science and Technology. - 2012. - Vol. 2012. - pp. 1-5.

26) Пат. 2407104 РФ. Способ изготовления многослойного омического контакта к и-GaAs / Ерофеев Е.В. (РФ). Кагадей В.А. (РФ). - №2009129813; заявл. 03.08.2009; опубл. 20.12.2010.

27) Пат. 2422941 РФ. Способ изготовления омического контакта к GaAs на основе тонких плёнок Ge и Си / Ерофеев Е.В. (РФ), Кагадей В.А. (РФ). -№2009130823; заявл. 12.08.2009; опубл. 27.06.2011.

28) Пат. 2406182 РФ. Способ халькогенизации поверхности GaAs / Ерофеев Е.В. (РФ), Кагадей В.А. - №2009133275; заявл. 04.09.2009; опубл. 10.12.2010.

29) Пат. 2402103 РФ. Способ пассивации поверхности GaAs / Ерофеев Е.В. (РФ), Ишуткин С.В. (РФ), Кагадей В.А. (РФ), Носаева К.С. (РФ). -№2009133993; заявл. 10.09.2010; опубл. 20.10.2010.

30) Пат. 2436184 РФ. Способ изготовления Cu-Ge омического контакта к GaAs / Ерофеев Е.В. (РФ). Кагадей В.А. (РФ). - №2010136579; заявл. 31.08.2010; опубл. 10.12.2011.

31) Пат. 2442243 РФ. Транзистор на основе полупроводникового соединения / Ерофеев Е.В. (РФ). Кагадей В.А. (РФ), Анищенко Е.В. (РФ), Арыков B.C. (РФ), Ишуткин С.В. (РФ), Носаева К.С. (РФ). - №2010144198; заявл. 28.10.2010; опубл. 10.02.2012.

Список цитируемой литературы:

1) М.О. Aboelfotoh, M.J. Brady, Lia Krusin-embaum. Compound with room temperature electrical resistivity comparable to that of elemental copper // United States Patent №5288456 at 22.02.1994.

2) V.M. Matyushin, R.V. Martynyuk. Influence of defect generation on low-temperature diffusion of Au in Ge under influence of atomic hydrogen // Journ. Functional Materials. - 2001. - Vol. 8. - No.2. - pp. 401 - 404.

Тираж 100 экз. Заказ № 216. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ерофеев, Евгений Викторович, Томск

61 12-5/3502

ЗАО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА « МИКРАН» ФГБОУ ВПО «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

УДК [ 621.382 ] На правах рукописи

ЕРОФЕЕВ ЕВГЕНИЙ ВИКТОРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК С

МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ А1И Си ДЛЯ СаАэ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность 01.04.04 - «Физическая электроника»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Кагадей Валерий Алексеевич

ТОМСК-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. Литературный обзор...........................................................................12

1.1 Способы снижения плотности поверхностных состояний на границе раздела металл-полупроводник.........................................................................12

1.1.1 Особенности технологии халькогенидной пассивации......................12

1.1.2 Пассивация полупроводниковых приборов.........................................16

1.1.3 Деградация свойств пассивированных структур.................................19

1.2 Контакты металл-полупроводник...............................................................20

1.2.1 Развитие физической модели контакта металл-полупроводник........20

1.2.2 Омические контакты к и-GaAs..............................................................25

1.2.3 Барьерные контакты к GaAs..................................................................29

1.3 Транзисторы с высокой подвижностью электронов.................................30

1.3.1 Анализ факторов, влияющих на параметры транзисторов

с высокой подвижностью электронов...........................................................30

1.4 Выводы и постановка задачи исследования.............................................34

ГЛАВА 2. Методы и техника эксперимента.......................................................39

2.1 Техника эксперимента..................................................................................39

2.2 Методы эксперимента.................................................................................40

2.2.1. Формирование омических и барьерных контактов к GaAs...............40

2.2.3 Технологический маршрут изготовления гетероструктурных GaAs СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов с Т-образным затвором длиной 150 нм..................................................................................44

2.2.4 Измерение приведенного контактного сопротивления омических контактов методом линий передач.................................................................52

2.2.5 Измерение параметров барьерных контактов......................................54

2.2.6 Измерение параметров гетероструктурных GaAs

СВЧ транзисторов по постоянному току и СВЧ сигналу............................54

ГЛАВА 3. Влияние халькогенизации поверхности GaAs на параметры контактов металл-полупроводник.......................................................................57

3.1 Модельные омические контакты, сформированные на халькогенизированной поверхности GaAs......................................................57

3.2 Модельные барьерные контакты, сформированные на халькогенизированной поверхности GaAs......................................................63

3.3 Повышение воспроизводимости процесса халькогенизации

при использовании предварительного окисления поверхности GaAs..........65

3.4 Улучшение электрических параметров омических контактов, сформированных к халькогенизированной и обработанной ультрафиолетовым излучением поверхности GaAs........................................69

3.5 Выводы..........................................................................................................71

ГЛАВА 4. Исследование и оптимизация конструкций контактов металл/GaAs с металлизацией на основе Al и Си..............................................73

4.1 Сравнительный анализ параметров омических контактов Pd/Ge/Al

и Pd/Ge/Cu к n-GaAs...........................................................................................73

4.2 Исследование параметров омического контакта на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu к n-GaAs..................................................................................76

4.3 Сравнительный анализ параметров барьерных контактов

на основе Ti/Pt/Au, Ti/Pt/Cu, Ti/Mo/Cu и Ti/Al к GaAs...................................79

4.4 Выводы...........................................................................................................82

ГЛАВА 5. Оптимизация режимов и методов изготовления контактов метэлл/GaAs к GaAs, в том числе с металлизацией на основе Al и Си...........83

5.1 Особенности технологии формирования омического контакта Ge/Au/Ni/Ti/Au с торцевым диффузионным барьером...................................83

5.2 Формирование тонкопленочных медно-германиевых соединений

в потоке атомарного водорода..........................................................................91

5.3 Улучшение электрических параметров Ge/Cu омического контакта

к GaAs при использовании обработки в потоке атомарного водорода.........99

5.4 Выводы.........................................................................................................101

ГЛАВА 6. Исследование параметров гетероструктурных GaAs транзисторов с высокой подвижностью электронов с контактами металл/GaAs

на основе AI и Си.................................................................................................103

6.1 Параметры GaAs рНЕМТ с Pd и Си металлизацией..............................105

6.2 Параметры GaAs рНЕМТ на основе Си металлизации.........................106

6.3 Параметры GaAs рНЕМТ с металлизацией на основе

CuGe соединений..............................................................................................107

6.4 Параметры GaAs рНЕМТ на основе AI металлизации..........................109

6.5 Параметры GaAs рНЕМТ на основе Au металлизации.........................110

6.6 Сравнительный анализ параметров транзисторов с металлизацией контактов на основе Au, AI, Си, а также CuGe соединения.........................112

6.7 Исследование термической стабильности параметров транзисторов......................................................................................................113

6.8 Выводы.........................................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................118

БЛАГОДАРНОСТИ.............................................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

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 Cu-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-

содержащими контактами.

Для реализации цели работы были поставлены следующие задачи:

Научная новизна работы.

1) Найдены режимы халькогенизации поверхности GaAs, позволяющие повысить воспроизводимость процесса её электрической пассивации, а также улучшить параметры контактов метэлл/GaAs; предложены механизмы, объясняющие наблюдаемые закономерности.

2) Показано, что омические контакты на основе Pd/Ge/Al и Pd/Ni/Ge/Mo/Cu к T?+-GaAs имеют низкое значение приведенного контактного сопротивления и обладают гладкой морфологией поверхности контактных площадок.

4) 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.

Практическая значимость работы.

1) В маршруты изготовления комплекта СВЧ GaAs МИС приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток Х-, L-,

диапазонов длин волн внедрены:

■ технология изготовления субмикронного Т-образного затвора длиной 150 нм.

3) 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%.

2) Омический контакт на основе Pd/Ge/Al к «+-GaAs (п = 5хЮ18 см"3) имеет низкое значение приведенного контактного сопротивления (р = 1.3x10"6 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.

3) Выбор угла влёта Р, под которым атомы Ti 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.

4) Обработка двухслойной системы Ge/Cu в потоке атомарного водорода с

15 2 1

плотностью / > 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 и-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.

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, 2010, 2011

гг.), 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 гг.), 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.), 9th, 10th 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, th

2009 г.), 5 European Microwave Integrated Circuits Conference (Paris, France

2010 г.), 6th European Microwave Integrated Circuits Conference (Manchester, England 2011 г.).

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.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 138 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 178 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на шесть глав.

В первой главе представлен анализ литературных данных по тематике исследования. В первом разделе рассмотрены вопросы, связанные с ограничением предельных характеристик GaAs СВЧ транзисторов из за высокой плотности поверхностных состояний, существующей как на

свободной поверхности ваАБ, так и на границе раздела ОаАз/металл. Представлен обзор существующих методов обработки поверхности ОаАБ, направленных на её электрическую пассивацию. Во втором разделе описана физическая модель контактов металл-ваАз, а также представлены известные конструкции омических и барьерных контактов к активным областям транзисторов. В третьем разделе представлен анализ факторов, влияющих на характеристики СВЧ транзисторов с высокой подвижностью электронов. В заключительном разделе главы сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе диссертации рассмотрены методы и техника экспериментов.

В третьей главе диссертации представлены результаты исследований, направленных на поиск эффективных методов жидкостной халькогенизации поверхности ваАБ, позволяющих получить омические и барьерные контакты с улучшенными характеристиками.

В четвертой главе представлены результаты исследований, направленных на оптимизацию конструкций металлизации омических и

барьерных контактов к ваАБ с металлизаций на основе А1 и Си.

В»

пятой главе представлены результаты исследовании, направленных на оптимизацию методов и режимов изготовления омических и барьерных контактов к ваАз.

В шестой главе представлены результаты сравнительного анализа параметров ОаАБ/АЮаАзЯпОаАБ транзисторов с высокой подвижностью электронов с длиной затвора 150 нм и металлизацией омических и барьерных контактов на основе Аи, А1, Си, а также Сиве соединения, полученного низкотемпературной обработкой в потоке атомарного водорода.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся в ЗАО «НПФ «Микран» и ФГБОУ ВПО ТУСУР. 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.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1 Способы снижения плотности поверхностных состояний на границе

раздела металл-полупроводник

1.1.1 Особенности технологии халькогенидной пассивации

Поверхность большинства полупроводников АШВУ характеризуется высокой плотностью поверхностных состояний в запрещенной зоне, что приводит к жесткому закреплению уровня Ферми, положение которого на поверхности практически не зависит от природы адсорбированных атомов. Это обстоятельство отрицательно сказывается на работе многих �