Разработка технологии и создание GaAs СВЧ монолитных интегральных схем на основе самосовмещенных ионно-легированных полевых транзисторов Шоттки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

УДК 621.382

На правах рукописи

Арыков Вадим Станиславович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СОЗДАНИЕ СаАэ СВЧ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ САМОСОВМЕЩЕННЫХ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ШОТТКИ

Специальность 01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 2 ЛІД? 2СІ2

ТОМСК 2012

005013158

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» и в ЗАО «Научно-производственная фирма «Микран».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, Кагадей Валерий Алексеевич

кандидат технических наук, Гынгазов Сергей Анатольевич (ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, г. Томск)

доктор технических наук, Бурдовицын Виктор Алексеевич (ФГБОУ ВПО ТУСУР, г. Томск)

ФГБОУ ВПО Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится «11» апреля 2012 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 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 « £> » марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, У /} У £3

доктор технических наук, профессор Сг^с/^^^Т Ю.П. Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Разработка и производство многоканальных приемных и приемопередающих модулей современных радаров на основе активных фазированных антенных решеток невозможно без налаженного промышленного выпуска ОаАБ СВЧ монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) усилителей мощности, малошумящих усилителей, а также коммутационных микросхем. Коммутационные СВЧ МИС (коммутаторы, дискретные аттенюаторы и фазовращатели) изготавливаются как на основе гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов, так и гомоструктурных эпитаксиальных или ионно-легированных транзисторов с затвором Шотгки (ПТШ). Параметры ионно-легированных ПТШ могут быть значительно улучшены при формировании контактных областей истока и стока методом ионного легирования по элементу самосовмещения на основе тугоплавких металлических, фоторезистивных или диэлектрических пленок. Многослойные диэлектрические элементы самосовмещения объединяют достоинства элементов самосовмещения различных типов и должны позволить с помощью оптической литографии с разрешением 1 мкм создать самосовмещенные ионно-легированные ПТШ с субмикронными затворами. К моменту начала настоящей работы имеющийся объём знаний не позволял разработать воспроизводимую технологию изготовления многослойных диэлектрических элементов самосовмещения. Это послужило причиной того, что промышленная технология изготовления СВЧ МИС с их использованием так же не была создана.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка физико-технологических основ и создание мелкосерийной технологии изготовления коммутационных ОаАв СВЧ МИС с использованием самосовмещения областей истока и стока ионно-легированного полевого транзистора Шоттки по многослойному диэлектрическому элементу самосовмещения, а также разработка технологии изготовления самосовмещённых гетероструктурных ОаАв ПТШ с использованием аналогичного элемента.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) исследовать особенности и оптимизировать режимы ионной имплантации при изготовлении самосовмещённых ваЛв СВЧ ПТШ, а также исследовать закономерности процессов формирования субмикронного

металлического затвора ПТШ с помощью многослойного диэлектрического элемента самосовмещения, имеющего исходный размер 1 мкм;

2) разработать физико-технологические основы и создать технологию изготовления самосовмещенных ионно-легированных ОаАв ПТШ и СВЧ МИС на их основе с использованием многослойного диэлектрического элемента самосовмещения;

3) создать масштабируемую малосигнальную модель транзистора и изготовить комплекты коммутационных СВЧ МИС на основе самосовмещенных ионно-легированных ваЛв ПТШ для приемных и приёмопередающих модулей Ь-, 5- и Х-диапазонов частот;

4) исследовать особенности и разработать технологию изготовления самосовмещённых гетероструктурных ваАв СВЧ ПТШ.

Научная новизна работы

1) Предложена конструкция и методика формирования четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения с исходным размером 1 мкм, позволяющего воспроизводимо изготавливать металлический затвор ПТШ субмикронной длины.

2) Исследованы и оптимизированы режимы ионной имплантации областей канала, истока и стока ПТШ, а также наклонной имплантации стока и истока по маске четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяющие изготавливать коммутационные ваЛв СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток 21 В и сопротивлением в открытом состоянии 3 Ом*мм.

3) Разработана конструкция и создана технология изготовления коммутационных самосовмещённых ионно-легированных ОаАв ПТШ и СВЧ МИС на их основе для приёмо-передающих модулей Ь-, Б- и Х-диапазонов частот.

4) Исследовано влияние режимов ионной имплантации стока и истока ПТШ по маске диэлектрического элемента самосовмещения на электрические параметры самосовмещенного гетероструктурного ПТШ с ОаАв каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии; произведена оптимизация конструкции транзистора, позволяющая изготавливать коммутационные транзисторы с сопротивлением в открытом состоянии 2.5 Ом*мм и усилительные ваЛв СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток до 45 В.

Практическая значимость полученных результатов

1) Разработана и внедрена в мелкосерийное производство технология изготовления дискретных ионно-легированных ваАБ ПТШ с субмикронным затвором, а также комплектов СВЧ МИС, основанная на проведении ионной

имплантации контактных областей ПТШ по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения.

2) Создана симметричная конструкция и масштабируемая малосигнальная модель коммутационного самосовмещенного ионно-легированного ваАв ПТШ.

3) Освоены и в режиме мелкосерийного производства изготовлены партии СВЧ МИС дискретных аттенюаторов, фазовращателей и двухпозиционных коммутаторов Ь-, Б- и Х-диапазонов частот.

4) Проведены испытания МИС двухпозиционного коммутатора, позволившие успешно аттестовать разработанную технологию по критериям надёжности.

5) Выпущенные комплекты коммутационных СВЧ МИС были использованы при разработке и изготовлении приёмных модулей радиолокационного комплекса "Небо-М" и приёмо-передающих модулей радара ЖУК-АЭ истребителя МИГ-35, прошедших комплекс государственных и лётных испытаний, соответственно.

Научные положения, выносимые на защиту

1) Четырехслойный диэлектрический элемент самосовмещения двойной Т-образной формы, имеющий исходную длину 1.0 мкм и состоящий из четырех слоев БЮ« различающихся содержанием кислорода и отличающихся скоростью жидкостного травления, позволяет с помощью ионной имплантации проводить самосовмещение областей стока и истока с затвором, а также формировать субмикронный затвор ПТШ с минимальной длиной 0.1 мкм, характеризующийся высокой степенью воспроизводимости геометрических размеров и электрических параметров.

2) Симметричная конструкция коммутационного ПТШ со слаболегированными переходными контактными областями, формируемыми с помощью наклонных имплантаций ионов БГ областей истока и стока по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет изготавливать транзисторы с повышенным напряжением пробоя затвор-сток (ЯК8<1 = 21 В) без ухудшения остальных параметров относительно транзистора без переходных областей.

3) Применение блоков технологических операций формирования четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, активных областей ПТШ и сквозных отверстий в ваАБ, позволяет создать оригинальную технологию изготовления ОэАб ПТШ и СВЧ МИС на их основе, пригодную для мелкосерийного производства комплектов коммутационных СВЧ МИС и Х-диапазонов частот.

4) Ионное легирование областей стока и истока ПТШ с каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет объединить преимущества, создаваемые эпитаксиальным каналом и самосовмещенными ионно-легированными областями стока и истока, и приводит к улучшению характеристик гетероструктурных GaAs транзисторов, а также к повышению однородности распределения электрических параметров ПТШ по площади пластины относительно самосовмещенных ПТШ с ионно-легированным каналом.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы доложены на Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Украина 2008, 2010, 2011 гг.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск 2008 г.), International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2009 (Томск 2009 г.), International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro-and Nanosystem Technologies INTERNANO-2009 (Новосибирск, 2009 г.), IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering SIBIRCON-2010 (Иркутск, 2010), International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM (Эрлагол 2010, 2011 гг.), 9-й Научно-технической конференции "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА" (Звенигород 2010, 2011 гг.), 6-й Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2010, 2011 гг.), IEEE 2nd Russian School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings MNST'2010 (Новосибирск, 2010 г.), 17-й Международной научно-практической конференция студентов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе, в том числе - три статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, одна статья в зарубежном журнале; два патента РФ.

Личный вклад автора

Диссертация является итогом исследований проводившихся автором, совместно с сотрудниками ОАО «НИИПП» и ЗАО «НПФ «Микран». Автором, совместно с Лиленко Ю.В., формулировались цели работы, обсуждались пути их достижения, а также анализировались результаты экспериментов. Личный вклад автора заключается в разработке и оптимизации технологических блоков и технологического маршрута, выборе методик и направлений исследований,

проведении численных расчетов и экспериментальных исследований, подготовке образцов и их измерении, обработке и анализе экспериментальных результатов. Большая часть публикаций по теме диссертации написана автором. Автором с участием научного руководителя выполнено обобщение представленных в диссертации результатов исследований и разработок. Работы по осаждению и травлению диэлектрических пленок проводились Канаевым В.Г. и коллективом его лаборатории. Работы по жидкостному химическому травлению GaAs проводились Бабак В.П. и коллективом ее лаборатории. Схемотехническое проектирование СВЧ МИС было выполнено Баровым A.A. и Гусевым А.Н. Технологическое сопровождение экспериментов и исследований выполнялось Дедковой O.A., Умбрас Л.П. и Ющенко A.M.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок, 14 таблиц и списка литературы из 160 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 выполнен обзор литературных данных и представлены основные результаты, достигнутые при разработке технологий изготовления коммутационных GaAs ПТШ и СВЧ МИС на их основе, как к моменту начала работы над диссертацией, так и к моменту её окончания.

Анализ научно-технической литературы показал, что для проектирования и изготовления коммутационных GaAs СВЧ МИС, работающих в частотной области до 20 ГГц, используются как гетероструктурные, так и гомострукгурные полевые транзисторы Шоттки (ПТШ). Причем параметры СВЧ МИС изготовленных по различным технологиям мало отличаются и зависят больше от схемотехнических решений, чем от выбора конкретного технологического маршрута их изготовления. В семействе гомоструктурных ПТШ ионно-легированные транзисторы, изготовленные с использованием технологии самосовмещения контактных областей стока и истока методом ионной имплантации по элементу самосовмещения, обладают целым рядом преимуществ. Одним из важных достоинств технологии данного типа является возможность получения затворов субмикронной длины при использовании методов и оборудования литографии с разрешением 1 мкм и более. Изготовление самосовмещенных ионно-легированных ПТШ возможно с

применением элементов самосовмещения на основе тугоплавких металлических, фоторезистивных и диэлектрических пленок. Технология с использованием многослойного элемента самосовмещения на основе диэлектрических пленок объединяет достоинства технологий с использованием элементов самосовмещения на основе тугоплавкой металлизации и фоторезистивных пленок. Несмотря на это, данная технология является мало изученной и не используется при промышленном производстве коммутационных СВЧ МИС.

Анализ литературных данных показал, что в ряде случаев совмещение методов эпитаксиального наращивания слоев полупроводника с методами самосовмещения ионно-легированных областей стока и истока относительно затвора позволяет разрабатывать технологии изготовления самосовмещенных гетероструктурных транзисторов с улучшенными характеристиками. Однако данные об использования подобных приборов в качестве коммутационных транзисторов отсутствуют.

В конце первой главы сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе диссертации приведены результаты исследований, направленных на разработку конструкции и технологии изготовления коммутационных самосовмещенных ионно-легированных ваАБ ПТШ с использованием четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения. В главе представлены результаты измерения параметров изготовленных транзисторов с длиной затвора 0.5 мкм и разработанная масштабируемая СВЧ-модель ПТШ.

Маршрут изготовления ПТШ, особенности технологических процессов которого подлежали исследованию и разработке, состоял из операций: формирования канала и-типа с помощью имплантации ионов БГ в подложку полуизолирующего ваЛв без маскирующих покрытий, формирования многослойного диэлектрического элемента самосовмещения, формирования высоколегированных областей стока и истока с помощью имплантации ионов Б!* по маске элемента самосовмещения с последующим уменьшением размера элемента самосовмещения методами жидкостного химического травления, высокотемпературного активационного отжига ионно-легированных слоев, формирования омических контактов транзистора и межэлементной изоляции, замены диэлектрического макета на металлический затвор, и формирования двухуровневой металлизации.

Исследования влияния температуры и времени отжига, выполняемого в различных условиях, на такие параметры активных ионно-легированных слоев ПТШ, как концентрация и подвижность электронов показали, что отжиг в парах арсина при температуре 850 °С и времени отжига 30 минут без защиты

поверхности позволяет получить активные слои с высокими степенью активации примеси (более 80%) и низкополевой подвижностью (более 2000 см2хВ"'хс"').

Моделирование профилей распределения ионно-легированной примеси согласно теориям Линдхарда-Шарфа-Шиотта и Пирсона, а также расчеты зависимости порогового напряжения ПТШ от дозы легирования ОаАв ионами выполненные в рамках исследований по формированию канала и контактных областей стока и истока самосовмещенного ионно-легированного ПТШ, позволили предложить наиболее перспективные режимы имплантации. Экспериментальная проверка позволила установить, что оптимальными режимами имплантации при формировании канала являются энергия ионов £ = 40кэВ и доза <2 = 1.1 мкКл/см2, а при формировании областей стока и истока-Е = 47.5 кэВ и = 2.5 мкКл/см2.

Наиболее важным блоком операций в технологии изготовления самосовмещенных ионно-легированных ПТШ является блок формирования элемента самосовмещения. С помощью литературных и экспериментальных исследований установлено, что применение известных одно-, двух- и трехслойных диэлектрических макетов не позволяет с хорошим качеством и высокой точностью воспроизводить геометрические размеры металлических затворов длиной 0.5 мкм. Выход из сложившейся ситуации, предложенный в данной работе, заключается в переходе на четырехслойной элемент

форма четырёхслойного макета затвора представлена на рис. I. Она имеет характерную двойную Т-образную форму. Данная конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с известными формами одно-, двух- или трехслойных диэлектрических макетов: во-первых, широкое основание нижнего слоя 1 обеспечивает механическую прочность макета, а также его высокую адгезию к подложке; во-вторых, сочетание широкой 2 и узкой 3 частей макета, формируемых вторым и третьим слоем диэлектрика, обеспечивает отрицательный профиль, необходимый для получения качественного субмикронного металлического электрода затвора методом обратной литографии, причем узкая часть 3 определяет длину затвора. В-третьих, использование четвертого слоя 4 позволяет сохранить значительную высоту

самосовмещения. Идеальная

Рис. 1. Схематичное изображение идеальной формы четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения

макета при химических и плазмохимических операциях, тем самым, давая возможность сформировать металлический затвор большой площади поперечного сечения и высотой практически равной высоте макета.

Экспериментально показано, что технологическая последовательность изготовления четырехслойного элемента самосовмещения на основе диэлектрических пленок, состоящая из операций последовательного осаждения на подложку GaAs пленок SiOr с различным содержанием кислорода, и, как следствие, различной скоростью травления; формирования металлической маски Ti/Au для травления, определяющей

геометрические размеры и положение элемента самосовмещения; формирования диэлектрического столбика макета затвора с помощью анизотропного реактивного ионного травления в плазме CF4/H2 по металлической маске; удаления

металлической маски с помощью химического травления; формирования двойной Т-образной формы элемента самосовмещения при помощи химического травления позволяет изготовить диэлектрический макет с формой близкой к идеальной. Экспериментально измеренные скорости травления слоев SiOA., полученных методом химического осаждения из газовой фазы при температуре подложки 360 °С (ПИР-360) и методом плазмохимического осаждения из газовой фазы при температурах подложки 110°С (ПХО-ПО) и 250 °С (ПХО-250), в буферном растворе плавиковой кислоты составляют 270 нм/мин, 250 нм/мин и 90 нм/мин, соответственно. Установлено, что оптимальная, с точки зрения воспроизводимости субмикронного металлического затвора, конструкция четырехслойного диэлектрического макета соответствует конструкции приведенной в табл. 1. Изображение полностью сформированного элемента самосовмещения приведено на рис. 2.

Табл. 1. Конструкция четырехслойного диэлектрического макета затвора

Номер слоя от Состав Толщина

подложки GaAs слоя d, нм

1 ПИР-360 200

2 ПХО-250 300

3 ПИР-360 500

4 ПХО-250 200

Рис. 2. Микроскопическое изображение диэлектрического макета затвора

Использование разработанного четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, а так же разработка технологических операций планаризации фоторезистивной пленкой поверхности подложек СаАв со сформированными диэлектрическими макетами; плазмохимического травления фоторезиста до вскрытия верхней части диэлектрического макета затвора; жидкостного химического травления диэлектрического макета, позволили получить профиль в фоторезистивной маске, подобный профилю, сформированному методом электронно-лучевой литографией (рис.3, а). Изображения затвора длиной 0.5 мкм, полученного после напыления металлических плёнок, представлено на рис. 3, б.

Рис. 3. Микроскопическое изображение поперечного сечения фоторезистивной маски до (а) и после (б) напыления металлизации

Эксперименты, направленные на изучение возможности получения затвора длиной менее 0.5 мкм, в которых четырехслойный диэлектрический макет затвора подвергали более длительному жидкостному химическому травлению, показали, что в результате такого воздействия происходит линейное уменьшение длины каждого слоя макета, в том числе и третьего слоя, определяющего длину затвора (см. рис. 1). Правильный выбор времени травления позволяет получить элемент совмещения, а потом и металлический затвор длиной вплоть до 0.1 мкм. Изображение сформированного металлического затвора длиной 0.1 мкм__

приведено на рис. 4.

С использованием результатов оптимизации процессов формирования

Рис. 4. Микроскопическое изображение затвора длиной 0.1 мкм (1) (вид сверху)

в)

/

омических контактов, межэлементной изоляции, пассивации транзисторов и формирования двухуровневой металлизации, были изготовлены ПТШ с длиной затвора 0.5 мкм и напряжением пробоя затвор-сток 10 В. С целью увеличения напряжения пробоя ПТШ относительно известного решения в конструкцию транзистора были введены симметричные слаболегированные переходные «'области, прилегающие к я+-областям истока и стока.

а> Схематичное изображение процесса

формирования модифицированных областей стока и истока ПТШ представлено на рис. 5. Изготовление слаболегированных переходных п '-областей осуществляли путем проведения двух наклонных имплантаций с энергией ионов 40кэВ и дозой 1.25мкКл/см2 в структуру со сформированными каналом и диэлектрическим макетом (рис. 5, а). Первая имплантация (рис. 5, б), при которой формировалась переходная область со стороны истока, проводилась под углом к нормали ф=10°, вторая имплантация (рис. 5, в), при которой формировалась переходная область со стороны стока, выполнялась под углом к нормали ср—10 . В результате затенения диэлектрическим элементом самосовмещения области полупроводника вблизи макета затвора при имплантации ионов Si+ с дозой легирования 1.25 мкКл/см2 формировались симметричные слаболегированные и'-области. После такой имплантации суммарная доза легирования и'-слоев стока и истока составляла 2.5 мкКл/см2.

Предложенная симметричная конструкция транзистора (рис. 6) со слаболегированными переходными п '-областями в сравнении с транзисторами без переходных областей позволила увеличить в два раза значение напряжение пробоя (величина BVgi достигла 21 В) и не ухудшить прочие параметры транзистора (сопротивление в открытом состоянии Ron осталось на уровне 3 Ом*мм). Измерения выборки из 140 транзисторов.

Рис. 5. Схематичное изображение процесса создания областей стока и истока ПТШ

2.5 мкм

Рис. 6. Схематичное изображение

разработанной симметричной конструкции самосовмещенного ионно-легированного транзистора

изготовленных на 14 подложках, свидетельствуют о том, что выход годных транзисторов по комплексу параметров на постоянном токе составляет 95%, а среднеквадратичное отклонение этих параметров от среднего значения не превышает 5% (рис. 7).

•

н

ЯшЯ «■': 3.4 ■

• т • і

от). Вш в_

-2,4 -2,2 -2,0 -1,6 Пороговое напряжение. В

5 18 20 22 24 Напряжение пробоя затвор-сток, В

Рис. 7. Гистограммы статистического распределения параметров ПТШ на постоянном токе

Исследования параметров рассеяния (Б-параметров) транзисторов в открытом (при = О В и = 3 В) и закрытом состоянии (при = -3 В и ¿Уаз= 3 В) для выборки из 42 ПТШ, изготовленных на 14 подложках, выявили малый разброс малосигнальных параметров рассеяния относительно среднего значения (рис.8). Это хорошо согласуется с узкими гистограммами распределения параметров по постоянному току (рис.7).

-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4

0.1

10.1 20.1 Частота, ГГц

30

ІП

ч и

%

-10

а

-20

о.

с:

ь-т -30

ш

-г -40

++

•й- -ьо

о

І;

б)

!

10.1 20.1 Частота, ГГц

30

Рис. 8. Частотные зависимости коэффициентов передачи открытых (а) и закрытых (б) 42 транзисторов

Параметры масштабируемой малосигнальной модели коммутационного транзистора в виде эквивалентной схемы (рис. 9), созданной на основе измерения Б-параметров, представлены в таблице 2. Полученная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными, что позволяет использовать её для проектирования и изготовления коммутационных СВЧ

Рис. 9. Эквивалентная схема коммутационного ПТШ

МИС с рабочими частотами вплоть до 20 ГГц.

Достигнутая воспроизводимость параметров транзисторов от подложки к подложке, а также однородность их распределения по площади подложки соответствует требованиям, предъявляемых к технологии промышленного

производства СВЧ МИС.

Табл. 2. Параметры масштабируемой малосигнальной модели коммутационного ПТШ (ширина затвора транзистора Ж в миллиметрах)

Элемент Ьр пГн Аь пГн пГн фф фф Дь Ом Ом С<ы> фф Яск, Ом с пФ

ПТШ в открытом состоянии

Значение 15 40 40 80хИ^ 80хГ 0.4 0.4 3/РГ Зх^

ПТШ в закрытом состоянии

Значение 15 40 40 80* IV 80хГ 0.4 0.4 80х^ ЗхЮ6/Г 0.3* №

В третьей главе приведены результаты разработки технологического маршрута коммутационных ОаАв СВЧ МИС, а также результаты надежностных испытаний, квалифицирующих технологию. Описаны изготовленные комплекты коммутационных СВЧ МИС Ь-, 5- и Х-диапазонов частот.

Изготовление коммутационных СаАв СВЧ МИС на основе самосовмещенных ионно-легированных ОаАв ПТШ с длиной затвора ¿8=0.5 мкм, осуществлялось по разработанному технологическому маршруту, состоящему из блоков технологических операций, заимствованных из маршрута изготовления дискретных коммутационных транзисторов, и новых блоков операций формирования тонкопленочных и объемных резисторов, конденсаторов металл-диэлектрик-металл (МДМ), а также формирования обратной стороны подложки. Проведённые исследования показали, что изготовление объемных резисторов одновременно с созданием и+-областей стока и истока ПТШ, формирование их топологии с помощью селективной ионной имплантации ионов С1+, используемой для создания межэлементной изоляции; формирование тонкопленочных резисторов на основе силицида вольфрама и МДМ-конденсаторов на основе оксида тантала оптимальны для применения в разрабатываемой технологии. Изготовленные пассивные

элементы характеризовались большой воспроизводимостью и однородностью распределения электрических параметров по площади подложки, что обеспечивало необходимый процент выхода годных СВЧ МИС.

Формирование обратной стороны подложки включает в себя утонение

подложки методом химико-динамической полировки до толщины 100 мкм и

оригинальный блок формирования

сквозных отверстий в ваАБ к

площадкам заземления методом

жидкостного химического травления в

центрифуге. Показано, что при

травлении в центрифуге за счёт

организации направленного движения

потоков раствора под действием

центробежной силы увеличивается

скорость травления ваАв, существенно „

Рис. 10. Микроскопическое повышается степень анизотропии _ „„„„,„

^ изображение поперечного сечения

травления, а главное формируются металлизированного сквозного отверстия, стенки которых не имеют отверстия

больших отрицательных углов (рис. 10).

Разработанный процесс травления сквозных отверстий, по сравнению с традиционным процессом их получения методом реактивного ионного травления, имеет следующие преимущества: возможность получения отверстий различных диаметров без корректировки режимов травления, высокую гладкость стенок и дна отверстия; высокую селективность травления по отношению к фоторезистивной маске, нетоксичность используемых реагентов и низкую себестоимость выполнения процесса.

Металлизация сквозных отверстий (рис. 10) и обратной стороны подложки ваАБ формировалась с помощью электрохимического осаждения плёнки золота толщиной 3 мкм.

Надёжностные испытания разработанного и изготовленного двухпози-ционного коммутатора К6405КП1Т в БО-Б пластиковом корпусе (рис. 11) показали, что МИС полностью соответствуют российским стандартам надежности. Это квалифицирует разработанную технологию по критериям

надежности и позволяет использовать её рис ] ^ фотография СВЧ МИС для производства микросхем. коммутатора К6405КП1Т

С использованием разработанного технологического маршрута, были изготовлены комплекты двухпозиционных коммутаторов, дискретных фазовращателей и аттенюаторов Ъ-, 5- и Х-диапазонов частот, изображения которых представлены на рис. 12. Общее количество изготовленных СВЧ МИС составило более 100 тысяч штук.

Рис. 12. Микроскопические изображения комплектов коммутационных СВЧ МИС и ^-диапазонов частот

Выпущенные комплекты коммутационных СВЧ МИС были использованы при разработке и изготовлении приёмо-передающих модулей радара ЖУК-АЭ истребителя МИГ-35 поколения 4++, и приёмных модулей радиолокационного комплекса дальнего обнаружения "Небо-М", прошедших комплекс лётных и государственных испытаний, соответственно.

В четвертой главе приведены результаты исследований особенностей процессов изготовления самосовмещенных транзисторов на основе гетероструктур СаАв/АЮаАБ с контактными областями стока и истока, формируемыми методом ионной имплантации по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения, а также результаты исследований зависимостей основных электрических параметров ПТШ от конструкции транзистора.

В качестве основы технологии изготовления коммутационных самосовмещенных гетероструктурных СаАз ПТШ с симметричным расположением затвора была выбрана разработанная ранее технология изготовления коммутационных самосовмещенных ионно-легированных транзисторов. Исследования режимов ионного легирования при создании контактных областей стока и истока транзистора позволили определить оптимальные дозу и энергию имплантации ((¿ = 1 мкКл/см2 и Е = 55 кэВ), позволяющих достигнуть минимального значения слоевого сопротивления и*-слоя гетероструктуры ЮООм/кВ). Данная величина вдвое меньше минимального значения п-слоя, полученного ионным легированием подложек полуизолирующего СаАв.

Экспериментально показано, что применение гетероструктуры с однородно легированным каналом на основе СгаАя, расположенным между слоями нелегированного АЮаАэ, а также наклонная ионная имплантация областей стока и истока ПТШ в оптимальных режимах по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения формирует симметричную конструкцию коммутационного транзистора (рис. 13) с

U.= 2.5 мкм

Исток

Рис. 13. Схематичное изображение разработанной симметричной конструкции самосовмещенного гетероструктурного транзистора

улучшенными характеристиками. Сопротивление Ron такого транзистора составляет 2.5 Ом*мм при напряжении пробоя затвор-сток BVgd=10B и среднеквадратичном отклонении параметров ПТШ на постоянном токе менее 3%. Аналогичные параметры

самосовмещенных ПТШ с ионно-легированным каналом равны 3 Ом* мм, 21 В и 5%, соответственно.

Исследования, направленные на создание структуры самосовмещенного гетероструктурного мощного ПТШ с асимметричным затвором, формируемым с помощью применения фоторезистивной маски, прилегающей к элементу самосовмещения со стороны стока, показали, что увеличение расстояния затвор-сток приводит к увеличению напряжения пробоя транзисторов вплоть до 45 В (рис. 14). Полученные ПТШ характеризуются высокой однородностью распределения параметров по площади подложки со среднеквадратичным отклонением не более 4%. Исследования малосигнальных параметров транзисторов с напряжением пробоя затвор-сток в 28 В показали, что значение граничной частоты усиления тока составляет 24 ГГц при смещении 10 вольт. Это соответствует мировому уровню лучших гетероструктурных ПТШ с однородно легированным каналом, изготовленных без применения ионной имплантации. Достигнутый результат позволяет проектировать и изготавливать усилительные СВЧ МИС с рабочей частотой до 10 ГГц.

_______________________________________ЯПА *

230 к

■ 280 |

■270 Ц

Г......І...........

—^ и гіг: ■260 g

250 2 О 240 $

-230 О

220 g

— * -210 з:

> ■200 &■

Расстояние итвор-сток. мкм Рис. 14. Зависимость тока насыщения сток-исток (1) и напряжения пробоя затвор-сток (2) гетероструктурного ПТШ от расстояния затвор-сток

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) Диэлектрический элемент самосовмещения двойной Т-образной формы, позволяет при помощи ионной имплантации проводить самосовмещение областей стока и истока транзистора, а также с помощью оптической литографии с разрешением 1.0 мкм формировать затвор ПТШ с минимальной длиной 0.1 мкм.

2) Наклонная имплантация ионами Si+ областей истока и стока, проводимая под углом к поверхности подложки GaAs, создает симметричную структуру со слаболегированными переходными контактными областями, что позволяет изготавливать коммутационные ПТШ с повышенным до 21 В напряжением пробоя.

3) Разработанная оригинальная технология изготовления коммутационных ионно-легированных GaAs ПТШ на основе самосовмещения контактных областей истока и стока по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения, позволяет изготавливать транзисторы с характеристиками на уровне лучших мировых аналогов.

4) Разработанная конструкция коммутационных самосовмещенных ионно-легированных GaAs ПТШ обеспечивает напряжение пробоя затвор-сток BVgd не менее 20 вольт при сопротивлении открытого транзистора Ron не более 3 Ом/мм.

5) Масштабируемая малосигнапьная модель коммутационного самосовмещенного ионно-легированного транзистора, созданная на основе статистических измерений параметров изготовленных ПТШ, в виде эквивалентной схемы хорошо согласуется с экспериментальными данными и может быть использована для проектирования и изготовления коммутационных СВЧ МИС с рабочими частотами вплоть до 20 ГГц.

6) Достигнутая повторяемость параметров ПТШ свидетельствует о высокой воспроизводимости разработанных технологических процессов и пригодности технологии к её интеграции в маршрут изготовления коммутационных GaAs СВЧ МИС, работающих в частотном диапазоне до 20 ГГц.

7) Разработанный технологический маршрут изготовления СВЧ МИС на основе самосовмещенных ионно-легированных ПТШ, включающий оригинальные технологические блоки формирования лицевой и обратной стороны подложек GaAs, позволяет изготавливать коммутационные GaAs СВЧ МИС с характеристиками на уровне лучших мировых аналогов.

8) Разработанная технология изготовления GaAs СВЧ МИС соответствует стандартам надежности Российской Федерации.

9) Разработанный технологический маршрут обеспечивает мелкосерийное промышленное производство комплектов GaAs СВЧ МИС Х-, L- и ^-диапазона частот с выходом годных микросхем на уровне 50 %.

10) Ионное легирование областей истока и стока, проводимое под углом к поверхности гетероструктуры GaAs/AIGaAs по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет объединить преимущества, создаваемые эпитаксиальным каналом и самосовмещенными ионно-легированными областями стока и истока.

11) Технологический блок формирования сильнолегированных областей стока и истока гетероструктурных транзисторов, основанный на применении наклонной ионной имплантации при самосовмещении области истока по маске диэлектрического элемента самосовмещения и области стока по фоторезистивной маске, позволяет создавать асимметричные конструкции ПТШ с пробивным напряжением до 45 В, предназначенные для применения в составе усилительных СВЧ МИС.

12) Разработанная технология изготовления самосовмещенных гетероструктурных ПТШ может быть интегрирована в технологию изготовления коммутационных и усилительных СВЧ МИС.

13) Новизна предложенной технологии подтверждается патентом на изобретение Российской Федерации. Практическая значимость разработанных технологий доказана их использованием при мелкосерийном производстве комплектов GaAs СВЧ МИС для приемо-передающих и приемных модулей бортовых и наземных радиолокаторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Arvkov V.S.. Dedkova О.А., Lilenko Yu.V. The Influence of the Implant Dose on Characteristics of Schottky Limiting Diode // 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM). -2008.-pp. 459-461.

2) Arvkov V.S.. Boyko V.Ya., Lilenko Yu.V. Study of the formation of isolation by ion implantation process // 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM). - 2008. - pp. 462464.

3) Арыков B.C.. Аржанов C.H., Баров A.A., Гюнтер В.Я., Лиленко Ю.В. СВЧ GaAs МИС дискретных фазовращателей С-диапазона со встроенным драйвером управления // 18-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». -2008 - С. 65-66.

41 Arvkov V.S.. Gavrilova A.M., Kagadei V.A. Optimization of the Self-Aligned GaAs MESFET with the Multilayer Dielectric "Dummy Gate" for a High

Power Microwave Applications // International Siberian Conference on Control and Communications. - 2009. - pp. 238-242.

5) Arvkov V.S.. Kagadei V.A., Shestakov A.K., Zhuravlev K.S. Impurities and doping influence on characteristics of GaAs field effect transistor with Schottky barrier// International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies. - 2009. pp. 53-55.

6) Arvkov V.S.. Kagadei V.A., Shestakov A.K., Zhuravlev K.S. Doping profile influence on characteristics of ion-implanted GaAs field effect transistor with the Schottky barrier // IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering. - 2010. - pp. 584-588.

7) Arvkov V.S.. Kagadei V.A., Shestakov A.K., Zhuravlev K.S. Investigation of doping profile influence on characteristics of ion-implanted GaAs MESFET // International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. - 2010. - pp. 181-184.

8) Арыков B.C., Гаврилова A.M., Дедкова O.A., Кривчук A.C. GaAs МИС двухпозиционного переключателя DC-2,5 ГГц в SO-8 пластиковом корпусе II IX научно-техническая конференция 'Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА". - 2010. - С. 85-88.

9) Арыков B.C.. Гусев А. Н., Дедкова О. А., Ющенко А. Ю. Монолитная интегральная схема защитного устройства L- и S- диапазонов на основе диодов Шотгки И 20-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - 2010. - С. 147-148.

10) Арыков B.C.. Гаврилова A.M. Разработка мощных полевых транзисторов с субмикронным Т-образным затвором Шоттки, полученным методом оптической литографии // Доклады ТУСУРа. - 2010. - № 2(22), часть 1.-С. 86-88.

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

12) Anichenko E.V., Arvkov V.S.. Erofeev E.V., Kagadei V.A. 150 nm Copper Metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge ohmic Contacts // 5th European Microwave Integrated Circuits Conference. -2010. -pp. 166-169.

13) Arvkov V.S.. Kagadei V.A., Shestakov A.K., Zhuravlev K.S. Influence of Substrate and Doping Profile Parameters on Characteristics of Ion-implanted GaAs Schottky-Barrier Field-Effect Transistor (MESFET) // IEEE 2nd Russia school and seminar MNST'2010. -2010. - pp. 33-36.

14) Anishchenko E.V., Arvkov V.S.. Gavrilova A.M., Dedkova O.A., Kagadei V.A., Kamchatnaya O.V., Lilenko Yu.V., Yushenko A. Yu. Self-Aligned Multilayer

Dielectric "Dummy Gate" Technology for L-, S- and X-Band GaAs MMICs Fabrication // IEEE 2nd Russia school and seminar MNST'2010. - 2010. - pp. 37-40.

151 Арыков B.C.. Кагадей B.A., Шестаков A.K. Компьютерное исследование процессов, происходящих в канале GaAs ПТШ, полученном с помощью ионной имплантации, при изменении параметров его профиля легирования // XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых "Современная техника и технологии". - 2011. -С. 281-283.

16) Arykov V.S., Gavrilova A.M., Dedkova О.A., Kagadei V.A. Self-aligned multilayer dielectric "dummy gate" technology for GaAs HFET fabrication //2011 International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. - 2011. - pp. 6-9.

17) Arykov V.S.. Gavrilova A.M., Erofeev E.V., Fedosova M.A. Development of self-aligned T-gate pHEMT technology // 2011 International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. -2011.-PP.165-167.

18) Arykov V.S.. Gavrilova A.M., Yunusov I.V. Use of self-aligned technology in GaAs Schottky diode fabrication //2011 International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. -2011, —pp.168-170.

19) Арыков B.C., A.A. Баров, Великовский Л.Э., Кондратенко B.A. GaAs pHEMT МИС Малошумящего усилителя Х-диапазона // 21-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - 2011. -С. 159-161.

20) Арыков B.C., Юнусов И.В., Гаврилова A.M. Применение самосовмещенной технологии при производстве диодов на основе арсенида галлия // 21-я Международная конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - 2011. - С. 701-703.

21) Аншценко Е.В., Арыков B.C.. Носаева К.С., Ющенко A.M. Метаморфный гетероструктурный транзистор миллиметрового диапазона длин волн // X научно-техническая конференция "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА". - 2011. - С. 16-19.

22) Арыков B.C.. Юнусов И.В., Ющенко A.M., СВЧ детекторные диоды с нулевым смещением // X научно-техническая конференция "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА". - 2011. - С. 64-66.

23) Арыков B.C.. Кондратенко А.В., Фоминых А.А., Хохол Д.С. GaAs МИС широкополосных преобразователей частоты // X научно-техническая конференция "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА".-2011.-С. 35-37.

24) Арыков B.C.. Баров A.A., Кондратенко A.B., Фоминых A.A., Хохол Д.С. Монолитные интегральные схемы пассивных удвоителей частоты S- и С-диапазонов на основе GaAs рНЕМТ технологии // VII Международная заочная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления». - 2011. - С. 49-53.

25) Арыков B.C.. Баров A.A., Кондратенко A.B. Монолитная схема малошумящего усилителя диапазона 8-12 ГГц на основе GaAs рНЕМТ технологии // VII Международная заочная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления». - 2011. - С. 53-57.

26) Пат. 2436186 РФ, МПК H01L21/338. Способ изготовления полевых транзисторов с самосовмещенным затвором субмикронной длины / Арыков В.С.(РФ). Гаврилова А.М.(РФ), Дедкова О.А.(РФ), Лиленко Ю.В.(РФ). -№2010102748/28; заявл. 27.01.2010; опубл. 10.08.2011.

Тираж 100. Заказ № 217. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

61 12-5/2034

ОАО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ» ЗАО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА « МИКРАН»

УДК [ 621.382 ] На правах рукописи

АРЫКОВ ВАДИМ СТАНИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СОЗДАНИЕ ваАв СВЧ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ САМОСОВМЕЩЕННЫХ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ШОТТКИ

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. Современное состояние технологий изготовления коммутационных ОаАэ СВЧ монолитных интегральных схем............................12

1.1 Обзор технологий изготовления ваАз СВЧ МИС.......................................12

1.2 Обзор технологий изготовления СВЧ МИС на основе ваАэ МЕЗБЕТ.....15

1.3 Обзор технологий изготовления СВЧ МИС на основе

самосовмещенных ОаАБ МЕЭРЕТ......................................................................17

1.3.1 Самосовмещенные технологии изготовления СВЧ МИС

с затвором на основе соединений тугоплавких металлов...............................19

1.3.2 Технологии изготовления СВЧ МИС с элементом

самосовмещения на основе плёнок фоторезистов...........................................20

1.3.3 Технологии изготовления СВЧ МИС с элементом

самосовмещения на основе диэлектрических пленок.....................................22

1.4 Обзор технологий изготовления самосовмещенных гетероструктурных

ваАэ МЕ8РЕТ........................................................................................................25

1.5 Выводы и постановка задачи..........................................................................28

ГЛАВА 2. Разработка конструкции и технологии изготовления ионно-легированных ОаАэ ПТШ с самосовмещением по элементу на основе диэлектрических пленок...........................................................................................31

2.1 Выбор конструкции самосовмещенных ионно-легированных ПТШ

для коммутационных ОаАБ СВЧ МИС................................................................31

2.2 Разработка технологического маршрута изготовления

самосовмещенных ионно-легированных ПТШ..................................................33

2.2.1 Разработка технологического блока высокотемпературного

активационного отжига ионно-легированных слоев ОаАБ.............................35

2.2.2 Разработка технологического блока формирования канала..................41

2.2.3 Разработка технологического блока формирования диэлектрического элемента самосовмещения..................................................47

2.2.4 Разработка технологического блока формирования высоколегированных областей стока и истока ПТШ......................................54

2.2.5 Разработка технологического блока формирования омических контактов..............................................................................................................58

2.2.6 Разработка технологического блока формирования межэлементной изоляции...................................................................................61

2.2.7 Разработка технологического блока формирования субмикронного металлического затвора ПТШ................................................64

2.2.8 Разработка технологического блока формирования двухуровневой металлизации............................................................................69

2.3 Исследование основных параметров самосовмещенных

ионно-легированных ПТШ...................................................................................72

2.4 Конструкция самосовмещенных ионно-легированных ПТШ.....................77

2.5 Построение СВЧ-моделей самосовмещенных

ионно-легированных ПТШ...................................................................................79

2.4 Выводы..............................................................................................................81

Глава 3. Разработка технологии и создание ОаАБ СВЧ МИС

на основе самосовмещённых ионно-легированных ПТШ.....................................83

3.1 Разработка технологического маршрута изготовления ваАз СВЧ МИС.. 83

3.2 Квалификация технологии изготовления ваАэ СВЧ МИС.........................92

3.2 Комплект коммутационных ОаАБ СВЧ МИС Х-диапазона частот............95

3.3 Комплект коммутационных ваАБ СВЧ МИС Ь- и 8-диапазона частот.....97

3.3 Выводы............................................................................................................101

Глава 4. Разработка технологии изготовления самосовмещённых

гетероструктурных ОаАз ПТШ с ионно-легированными областями

истока и стока..........................................................................................................102

4.1 Разработка технологии изготовления ионно-легированных гетероструктурных ОаАБ ПТШ с самосовмещением по элементу

на основе диэлектрических пленок....................................................................104

4.2 Разработка технологии изготовления самосовмещенных гетероструктурных ваАБ ПТШ с увеличенным напряжением пробоя затвор-сток............................................................................................................108

4.3 Выводы............................................................................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................116

БЛАГОДАРНОСТИ................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка и производство современных радиолокаторов на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР) бортового, наземного и морского базирования является сегодня стратегическим направлением развития научно-технического потенциала любого государства. Изготовление многоканальных приемных и приемопередающих модулей радаров на основе АФАР невозможно без налаженного промышленного производства ваАБ СВЧ монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) усилителей мощности, малошумящих усилителей, а также коммутационных микросхем. Коммутационные СВЧ МИС (коммутаторы, дискретные аттенюаторы и фазовращатели) изготавливают как на основе гетероструктурных транзисторов с высокой подвижность электронов (рНЕМТ), так и гомоструктурных эпитаксиальных или ионно-легированных транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ, МЕБРЕТ). Параметры ионно-легированных ПТШ могут быть значительно улучшены при формировании контактных областей истока и стока методом ионного легирования по элементу самосовмещения на основе тугоплавких металлических, фоторезистивных или диэлектрических пленок. Многослойные диэлектрические элементы самосовмещения объединяют достоинства элементов самосовмещения на основе тугоплавких металлических и фоторезистивных пленок. К моменту начала настоящей работы технологический блок формирования многослойных диэлектрических элементов самосовмещения был развит недостаточно и не позволял с помощью оптической литографии с разрешением в 1 мкм воспроизводимо формировать субмикронные металлические затворы. Это послужило причиной того, что технология производства ПТШ и СВЧ МИС с применением многослойного диэлектрического элемента совмещения к моменту начала настоящей работы не была создана. Потенциальные преимущества, характерные для данной технологии, и, в частности, простота

технологического маршрута, отличные электрические параметры параметров ПТШ и МИС, а также их высокая воспроизводимость обуславливают актуальность работы в данном направлении.

Требуется отметить, что к началу данной диссертационной работы (2003 г.) состояние дел в данном разделе науки и техники в России соответствовало уровню разработки лабораторных технологий изготовления ваАз ПТШ и СВЧ МИС.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка физико-технологических основ и создание мелкосерийной технологии изготовления коммутационных ваАэ СВЧ МИС с использованием самосовмещения областей истока и стока ионно-легированного полевого транзистора Шоттки по многослойному диэлектрическому элементу самосовмещения, а также разработка технологии изготовления самосовмещённых гетероструктурных ваАБ ПТШ с использованием аналогичного элемента.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) исследовать особенности и оптимизировать режимы ионной имплантации при изготовлении самосовмещённых ОаАБ СВЧ ПТШ, а также исследовать закономерности процессов формирования субмикронного металлического затвора ПТШ с помощью многослойного диэлектрического элемента самосовмещения, имеющего исходный размер 1 мкм;

2) разработать физико-технологические основы и создать технологию изготовления самосовмещенных ионно-легированных ОаАз ПТШ и СВЧ МИС на их основе с использованием многослойного диэлектрического элемента самосовмещения;

3) создать масштабируемую малосигнальную модель транзистора и изготовить комплекты коммутационных СВЧ МИС на основе самосовмещенных ионно-легированных ваАз ПТШ для приемных и приёмопередающих модулей Ь-, и Х-диапазонов частот;

4) исследовать особенности и разработать технологию изготовления самосовмещённых гетероструктурных ваАБ СВЧ ПТШ.

Научная новизна работы.

1) Предложена конструкция и методика формирования четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения с исходным размером 1 мкм, позволяющего воспроизводимо изготавливать металлический затвор ПТШ субмикронной длины.

2) Исследованы и оптимизированы режимы ионной имплантации областей канала, истока и стока ПТШ, а также наклонной имплантации стока и истока по маске четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяющие изготавливать коммутационные ОаАв СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток 21 В и сопротивлением в открытом состоянии 3 Омхмм.

3) Разработана конструкция и созданы технологии изготовления коммутационных самосовмещённых ионно-легированных ОаАз ПТШ и СВЧ МИС на их основе для приёмо-передающих модулей Ь-, и Х-диапазонов частот.

4) Исследовано влияние режимов ионной имплантации стока и истока ПТШ по маске диэлектрического элемента самосовмещения на электрические параметры самосовмещенного гетероструктурного ПТШ с ваАБ каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии; произведена оптимизация конструкции транзистора, позволяющая изготавливать коммутационные транзисторы с сопротивлением в открытом состоянии 2.5 Омхмм и усилительные ваАБ СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток до 45 В.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем.

1) Разработана и внедрена в мелкосерийное производство технология изготовления дискретных ионно-легированных ОаАБ ПТШ с субмикронным затвором, а также комплектов СВЧ МИС, основанная на

проведении ионной имплантации контактных областей ПТШ по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения.

2) Создана симметричная конструкция и масштабируемая малосигнальная модель коммутационного самосовмещенного ионно-легированного ОаАэ ПТШ.

3) Освоены и в режиме мелкосерийного производства изготовлены партии СВЧ МИС дискретных аттенюаторов, фазовращателей и двухпозиционных коммутаторов Ь-, и Х-диапазонов частот.

4) Проведены испытания МИС двухпозиционного коммутатора, которые позволили успешно аттестовать разработанную технологию по критериям надежности.

5) Выпущенные комплекты коммутационных СВЧ МИС были использованы при разработке и изготовлении приёмных модулей радиолокационного комплекса "Небо-М" и приёмо-передающих модулей радара ЖУК-АЭ истребителя МИГ-35, прошедших комплекс государственных и лётных испытаний, соответственно.

Научные положения выносимые на защиту.

1) Четырехслойный диэлектрический элемент самосовмещения двойной Т-образной формы, имеющий исходную длину 1.0 мкм и состоящий из четырех слоев 8ЮХ, различающихся содержанием кислорода и отличающихся скоростью жидкостного травления, позволяет с помощью ионной имплантации проводить самосовмещение областей стока и истока с затвором, а также формировать субмикронный затвор ПТШ с минимальной длиной 0.1 мкм, характеризующийся высокой степенью воспроизводимости геометрических размеров и электрических параметров.

2) Симметричная конструкция коммутационного ПТШ со слаболегированными переходными контактными областями, формируемыми с помощью наклонных имплантаций ионов БГ областей истока и стока по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет изготавливать транзисторы с повышенным напряжением пробоя

затвор-сток {BVgd = 21 В) без ухудшения остальных параметров относительно транзистора без переходных областей.

3) Применение блоков технологических операций формирования четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, активных областей ПТШ и сквозных отверстий в GaAs, позволяет создать оригинальную технологию изготовления GaAs ПТШ и СВЧ МИС на их основе, пригодную для мелкосерийного производства комплектов коммутационных СВЧ МИС Z-, S- и Х-диапазонов частот.

4) Ионное легирование областей стока и истока ПТШ с каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, по маске четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет объединить преимущества, создаваемые эпитаксиальным каналом и самосовмещенными ионно-легированными областями стока и истока, и приводит к улучшению характеристик гетероструктурных GaAs транзисторов, а так же к повышению однородности распределения электрических параметров ПТШ по площади пластины относительно самосовмещенных ПТШ с ионно-легированным каналом.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Украина 2008, 2010, 2011 гг.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск 2008 г.), International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2009 (Томск 2009 г.), International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies INTERNANO-2009 (Новосибирск, 2009 г.), IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering SIBIRCON-2010 (Иркутск, 2010), International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM (Эрлагол 2010, 2011 гг.), 9-й Научно-технической конференции "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА"

(Звенигород 2010, 2011 гг.), 6-й Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2010, 2011 гг.), IEEE 2nd Russian School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings MNST'2010 (Новосибирск, 2010 г.), 17-й Международной научно-практической конференция студентов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2011 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работах, в том числе - три статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, одна статья в зарубежном журнале; два патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок, 14 таблиц и списка литературы из 160 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на четыре главы. Первая глава посвящена обзору литературы, в котором представлены основные результаты, достигнутые в области технологий изготовления GaAs ПТШ и СВЧ МИС, как к моменту начала работы над диссертацией, так и к моменту её окончания. В конце первой главы приводятся выводы по обзору литературы и формулируются задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена разработке конструкции, технологических блоков и операций изготовления коммутационных самосовмещенных ионно-легированных GaAs ПТШ с использованием четырехслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяющего изготавливать транзисторы с длинами затворов до 0.1 мкм, а также исследованию основных параметров изготовленных транзисторов с длиной затвора 0.5 мкм и построению масштабируемой СВЧ-модели ПТШ.

В третьей главе приведены результаты разработки технологического маршрута коммутационных GaAs СВЧ МИС, а также результаты надежностных испытаний, квалифицирующих технологию. Описаны изготовленные комплекты коммутационных СВЧ МИС L-, S- и Х-диапазонов

частот.

Четвертая глава посвящена разработке технологии изготовления самосовмещенных транзисторов на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs с контактными областями стока и истока, формируемыми методом ионной имплантации по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения. Приведены результаты измерения основных параметров транзисторов и рассмотрена оптимизация их конструкции для увеличения напряжения пробоя затвор-сток.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований проводившихся автором, совместно с сотрудниками ОАО «НИИПП» и ЗАО «НПФ «Микран». Автором, совместно с Лиленко Ю.В., формулировались цели работы, обсуждались пути их достижения, а также анализировались результаты экспериментов. Личный вклад автора заключается в разработке и оптимизации технологических блоков и технологического маршрута, выборе методик и направлений исследований, проведении численных расчетов и экспериментальных исследований, подготовке образцов и их измерении, обработке и анализе экспериментальных результатов. Большая часть публикаций по теме диссертации написана автором. Автором с участием научного руководителя в�