Способ изготовления полевых транзисторов с затвором шоттки из арсенида галлия

 

Использование: изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов. Сущность: металлизацию электродов (истока, стока и затвора) транзистора осуществляют химическим осаждением из растворов селективно через фоторезистивную контактную маску. В качестве материала затвора используют покрытие, выполненное из аморфного, тугоплавкого сплава никель-палладий-фосфор, который осаждают из никельпалладиевой ванны при температуре 96-99^oC и рН 9-10.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, в частности, к технологии изготовления полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТ) из арсенида галлия.

Известны способы изготовления приборов на основе барьера Шоттки из арсенида галлия, например [1] в котором металлизацию полупроводника осуществляют химическим осаждением.

Однако этот способ не обеспечивает селективность осаждения металлов, а сам процесс протекает неэффективно, с малой скоростью, а образующееся при этом покрытие из палладия и золота очень тонкое и имеет слабую адгезию к основе. Поэтому этим способом нельзя изготовить ПТ.

Большинство отмеченных недостатков устраняют путем металлизации полупроводника вакуумным термическим напылением. Из таких способов наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является [2] Способ-прототип характеризуется тем, что изготовление ПТ начинают с металлизации обратной стороны эпитаксальной структуры сплавом золото-германий. Затем с применением контактной фотолитографии и химического травления формируют метаструктуру. Вакуумным напылением сплава индий-золото-германий на фоторезистивную маску и последующим "взрывом" ее формируют омические контакты истока и стока прибора. Для получения омичности проводят кратковременную термообработку и при их температуре 400^oC в чистом водороде. Далее травят канал в жидкостном травителе до заданной величины тока насыщения, изготавливают затворную маску, на нее напыляют алюминий толщиной 0,3-0,4 мкм, "взрывом" удаляют лишний металл. На контактную площадку затвора, после формирования соответствующей маски, дополнительно наносят слои хрома и золота. Удаляют лишний металл также методом "взрыва".

Недостатком данного способа является, во-первых, то, что вертикальная стенка мезы очень плохо запыляется металлом. Поэтому на этом месте, в частности, между затворной площадкой и электродом затвора, возникает взрыв металлизации. Во-вторых, при "взрыве" маски не полностью удается удалить с поверхности полупроводника лишний металл, часто в местах наиболее ответственных, между омическими контактами истока и стока. С целью снижения процента брака в производстве приборов прибегают к вынужденному приему косого напыления или вращению карусели вакуумной установки; к промежуточной взрывной литографии, что дополнительно осложняет технологию производства приборов. Кроме этого, при вакуумном напылении имеет место большой расход золота с низким коэффициентом его использования (КПД); из всего количества распыляемой навески сплава или чистого драгоценного металла, что оседает непосредственно на омических контактах и затворе, составляет в сумме не более 0,5% (вес).

Технический результат увеличение выхода годных приборов без снижения качества, упрощение технологии и удешевление способа за счет сокращения расхода золота достигается благодаря тому, что металлизацию омических контактов и затвора прибора осуществляют химическим методом селективно. При этом в качестве материала затвора используют аморфный сплав никель-палладий-фосфор, который осаждают из раствора, содержащего никель-палладий, при температуре 96-99^oC и рН 9,0-10,0.

Необходимость ведения процесса при указанных температурах и рН вызвана следующими причинами. Как показывает эксперимент, при субмикронных размерах затвора возникает размерный эффект, выражающийся в том, что затрудняется контакт раствора с поверхностью полупроводника. Особенно усиливается этот эффект, когда процесс ведут при более низких значениях температуры и рН. Это чрезмерно затягивает начало металлизации затвора, что негативным образом отражается на качестве маски. Фоторезист при этом по краям маски расплывается, канал быстро затягивается им, и металлизация раствора становится практически невозможной. Введение процесса при температуре 96-99^oC и рН 9,0-10,0 значительно ослабляет этот эффект. При этом, с одной стороны, сокращается заметно инкубированный период, а с другой увеличивается скорость осаждения. Такая интенсификация процесса позволяет сохранить на необходимое время осаждения целостность маски, что обеспечивает в свою очередь высокое качество металлизации затвора.

При металлизации омических контактов одновременно параллельно металлизуется и обратная сторона пластины. Но целесообразнее проводить первоначальную металлизацию обратной стороны пластины отдельно, и делать это до формирования омических контактов, а металлизацию затвора осуществлять через маску, изготовленную с наличием в модуле дополнительно омических контактов истока и стока, уменьшенных по сравнению с собственными размерами с одной стороны, со стороны затвора, на 3-7 мкм.

Пример реализации способа.

I. Химическая очистка и обработка пластины. Структуру арсенида галлия типа САГ-2БК в виде круглой пластины диаметром 40 мм (ее основные электрофизические параметры: подвижность электронов равна 3700см²/вc, концентрация электронов 1,5 10¹⁷ см^-3) обрабатывают в 45%-ном растворе плавиковой кислоты в течение 30 сек при комнатной температуре, промывают деионизованной водой, опускают в раствор соляной кислоты 1 1 и выдерживают одну минуту; вновь промывают деионизованной водой. Сушат пластину над парами кипящего изопропилового спирта.

2. Металлизация обратной стороны пластины. На центрифуге на эпитаксиальную, рабочую поверхность наносят тонкую пленку фоторезиста ФП-РН-7. Пленку сушат, дубят в инфракрасном свете при температуре 120^oC в течение двух минут. После тепловой обработки пластину погружают в раствор состава (в г/л): хлористый никель 45, гипофосфит натрия 10, лимоннокислый натрий 80, хлористый аммоний 50, палладий 0,1. Процесс ведут при температуре 98^oC и рН 9,5 в течение двух минут. По прошествии заданного времени пластину извлекают из ванны, убирают растворением в диметилформамиде резистивную маску, производят очистку, сушку.

3. Формирование мезаструктуры (межприборной изоляции). Вновь аналогичным способом на чистую эпитаксиальную поверхность пластины наносят пленку фоторезиста ФП-РН-7 толщиной 0,4 мкм, сушат ее при температуре 80^oC в течение двух минут, с помощью установки экспонирования УЭ-576, рисунок мезы двухзатворного ПТ переносят с шаблона на пластину. Рисунок проявляют в 0,5%-ном растворе КОН. При этом внимательно следят за процессом проявления. После проявления рисунка и быстрой последующей промывки проявителя и сушки дополнительно производят контроль на полноту проявления под микроскопом МЕТАМ. После контроля маску дубят, опускают в травитель состава, в дольных частях: NH₄OH H₂O₂ H₂O 1 5 20. Травят активные n⁺ и n слои в объеме раствора 300 мл до буферного слоя в течение 15 сек. Измерение и контроль на полноту стравливания активных n⁺ и n - слоев производят с помощью специальной установки (универсального прибора Л"-56 и приставленной к нему трехэлектродной зондовой головки). Токи утечки составляют в среднем не более 5-10 MА. Последующие подобные измерения, например, электрофизических параметров ПТ, производят также на этой установке. После окончания травления удаляют маску, осуществляют повторную очистку и сушку пластины.

4. Формирование омических контактов. Аналогичным путем, что и маску мезы, формируют маску (рисунок) омических контактов. Перед операцией экспонирования совмещают мезу с омическими контактами. Перед непосредственным осаждением палладия маску дубят при температуре 120^oC в течение пяти минут. Затем пластину быстро погружают в готовый для осаждения раствор состава, в г/л: хлористый палладий 0,008, гипофосфит натрия 0,006, полиэтиленгликоль 10,0. Процесс ведут в объеме раствора 300 мл при рН 5,0, комнатной температуре с интенсивным перемешиванием в течение 15 мин. После окончания процесса, тщательной промывки и сушки в потоке горячего чистого воздуха пластину быстро погружают в раствор состава, в г/л: хлористый никель 45, гипофосфит натрия 15, лимоннокислый натрий 80, хлористый аммоний 50. Процесс осуществляют при температуре 90^oC в течение 8 сек. По истечении заданного времени пластину быстро извлекают из ванны, промывают и сразу же без сушки погружают в раствор состава, в г/л: дицианоурат калия 3,0, гипофосфит натрия 10, лимонная кислота 40, хлористый аммоний 75, гидрат окиси калия 12. Процесс ведут при 80^oC в течение 2,5 мин. Далее поверх слоя золота осаждают сплав никель-палладий-фосфор толщиной 0,01 мкм из использованного ранее никель-палладиевого раствора для металлизации обратной стороны пластины. Процесс ведут при температуре 98^oC в течение двух минут. После проведения этого процесса повторяют все стандартные операции по удалению маски с пластины, промывки, сушки.

5. Термообработка омических контактов. Пластину осторожно с помощью пинцета кладут на горячую кварцевую подложку-держатель и быстро помещают в горячую кварцевую трубку, продуваемую под давлением газом аргоном. Горячую трубку, которая закреплена на специальной передвижной тележке, быстро вкатывают в предварительно нагретую до 500^oC трубчатую электропечь, выдерживают 50 сек, выкатывают и охлаждают до температуры 200-250^oC также в атмосфере этого инертного газа; доохлаждают пластину на воздухе. После охлаждения производят контроль контактов на внешний вид с помощью микроскопа МЕТАМ и на полноту "вжигания", которую определяют по ВАХ.

2 6. Формирование (травление) канала. Пластину после предварительной очистки быстро погружают в травитель состава, в дольных частях: NH₄OH H₂O₂ H₂O 1 5 40. Канал травят дискретно, по несколько раз. После каждого раза травления смотрят ток насыщения, доводя его таким образом до заданной величины 50 MА. При этом суммарное время травления достигает 25 сек.

7. Формирование затвора. Аналогичным образом, что и маску омических контактов, формируют затворную маску. Тепловую обработку маски производят при 120^oC в течение 15 мин. Далее пластину опускают в раствор состава, в г/л: хлористый никель 45, гипофосфит натрия 10, лимоннокислый натрий 80, хлористый аммоний 50, палладий 0,1. Процесс ведут при температуре 98^oC и рН 9,5 в течение трех минут. Внимательно следят визуально за ходом процесса, контролируя время секундомером. При этом инкубационный период на омических контактах длится 1,2 мин, а в канале 1,3 мин. После промывки пластину опускают в раствор для золочения. Процесс ведут при 85^oC в течение трех минут. После финишного золочения удаляют маску, производят очистку, сушку, визуальный контроль качества металлизации затворов и омических контактов. Более полное исследование производят на растровом электронном микроскопе РЭМ-100 У. Как показывают исследования, металлизированные аморфным сплавом никель-палладий-фосфор затворы обладают плотной структурой и, что важно, высокой адгезией к основе. Как следствие этого, в канале возникает достаточно высокий барьер Шоттки. Это следует из анализа ВАХ приборов: ток стока достигает насыщения 42 MА при напряжении на стоке 2 В, напряжение и отсечки затвора составляет 2 В, а крутизна S 0,20 Сим, что находится на уровне S современных аналогичных маломощных транзисторов.

Предлагаемый способ изготовления ПТ выгодно отличается еще тем, что, выбранный как альтернатива существующему, он прост и не нуждается в сложном дорогостоящем оборудовании. Кроме того, при селективном осаждении имеет место большая экономия золота, упрощается при изготовлении маски и технология фотолитографии, не предъявляются к ней столь жесткие требования, как при известном способе. Эти преимущества снижают материальные и трудовые затраты, сводят до минимума брак. Статистика показывает: выход годных транзисторов с пластины (без учета небольшой периферийной части) достигает практически 100%

Формула изобретения

Способ изготовления полевых транзисторов с затвором Шоттки из арсенида галлия, включающий химическую очистку и обработку пластин, формирование на эпитаксиальном слое с помощью фотолитографии меза-структуры, формирование омических контактов и термообработку, формирование канала до заданного тока насыщения и затвора, отличающийся тем, что омические контакты и затвор формируют селективно химическим методом, а в качестве материала затвора используют аморфный сплав никель палладий фосфор, который осаждают из раствора, содержащего никель палладий при температуре 96 99°С и рН 9,0 - 10,0.