CC BY
40
ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА
Описано основи іонного фрезерування, методи іонно-променевої обробки в літографії, переваги та недоліки в порівнянні із іншими методами, отримано структури ВІС на GaAs із другим рівнем металізації, виконаним за допомогою іонно-променевого травлення через маску із фоторезистом. Досліджено ефективність після імплантаційного відпалу іонним пучком в порівнянні із термічним відпалом
Ключові слова: арсенід галію, омічний контакт, іонна імплантація, іонне фрезерування, іонно-променеве травлення
Описаны основы ионного фрезерования, методы ионно-лучевой обработки в литографии, преимущества и недостатки по сравнению с другими методами, получены структуры БИС на GaAs со вторым уровнем металлизации, выполненным с помощью ионно-лучевого травления через маску с фоторезистом. Исследована эффективность послеим-плантационного отжига ионным пучком по сравнению с термическим отжигом Ключевые слова: арсенид галлия, омический контакт, ионная имплантация, ионное фрезерование, ионно-лучевое травление
-□ □------------------------
УДК 537.5
ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ МЕТАЛІЗАЦІЇ СУБМІКРОННИХ АРСЕНІД-ГАЛІЄВИХ СТРУКТУР ІОННИМ ФРЕЗЕРУВАННЯМ
С. П. Новосядлий
Доктор технічних наук, професор* E-mail: nsp@pu.if.ua Т. П. Кі ндрат Аспірант* E-mail: kindrat@i.ua Л. В. Мельник Аспірант* В. М. Варварук Аспірант*
*Кафедра комп’ютерної інженерії та електроніки Прикарпатський національний університет ім. Василя Стефаника вул. Шевченка 57, м. Івано-Франківськ, Україна,76000
1. Вступ
В останні 20 років створюються субмікронні структури великих інтегральних схем всезростаючої складності. Так як розмір кристалу є обмежений можливостями літографічного процесу і заданим виходом придатних, тому висока степінь інтеграції (105-107) передбачає високу густину компонентів із зменшенням мінімальних топологічних елементів. Так як розводка в структурах ВІС займає 50-75% площі кристалу, то першочерговою задачею мінімізації структур є зменшення кроку багаторівневої розводки.
Перехід до виробництва субм ікронних структур ВІС зосереджує увагу розробників до технологічних методів, які забезпечують максимальну роздільну здатність
і формування елементів малих розмірів (<0,5 мкм) при високому виході придатних. Одним із рішень цієї проблеми є розробка сухих методів травлення, які забезпечують анізотропність переносних конфігурацій елементів у функціональний шар. До останнього часу найбільша увага в технології кремнієвих ВІС придавалась розробці НВЧ-плазмових і реактивно-іонних методів травлення, так як вони дозволяють отримати високі значення селективності та швидкості травлення. Проте можливість здійснення сухого травлення
хімічностійких матеріалів, таких як золото, платина, сплави германій-золото із субмікронним розділенням в арсенідгалієвій технології викликало велику зацікавленість до технології травлення металізованої розводки, основаної на розпиленні, що є фактично цілком фізичним процесом. Дана стаття і присвячена дослідженням цього ракурсу арсенідгалієвої технології.
2. Іонно-променеве травлення при формуванні багаторівневої розводки в субмікронних арсенідгалієвих структурах ВІС
Іонно-променеве травлення може використовуватись в таких випадках, коли чутлива до радіаційних пошкоджень поверхня напівпровідника, зокрема GaAs або межа розділу Si-SiO2 є покритою пасивуючим діелектричним шаром нітриду кремнію. В технологічному маршруті формування субмікронних структур ВІС відносяться створення другого рівня металізації, та формування контактних вікон. Сама тенденція зменшення топологічних розмірів елементів субмікронних ВІС, відродить інтерес до методу іонного або реактивно іонного травлення для досягнення високої роздільної здатності при формуванні топології структур [1].
F
© С. П. Новосядлий, Т. П. Кіндрат, Л. В. Мельник, В. М. Варварук, 2013
5 83Є06 Р 87016
Сучасний розвиток ВІС на арсеніді галію, де металізація в основному використовується золотом чи його сплавами, знову повернувся до методів іонного травлення що забезпечують досить високу роздільну здатність (<10 нм)для забезпечення високої швидкодії. Саме іонно-променеве травлення і було використане для створення швидкодіючих подільників, мультиплексорів, НВЧ-підсилювачів на арсеніді галію, зокрема для отримання топології другого рівня металізації на основі системи Сг-Р^Аи або AuGe. На рис. 1 приведені мікрофотографії структур ВІС на GaAs, які отримані за допомогою растрового електронного мікроскопа. Тут другий рівень металізації структури ВІС виконаний за допомогою іонно-променевого травлення через маску із фоторезистом ФП-051М. На рис. 1, б поданий технологічний прийом профілювання контактних вікон за допомогою зміни кута падіння іонного круга, при цьому слід відзначити, що всі елементи мають дуже точні розміри і не проходить їх підтравку, що дозволяє досягти дуже хорошого перекриття сходинок на різних краях структур.
б
Рис. 1. Мікроструктури ВІС на GaAs: а - травлення через фотомаску, б - профілювання контактних вікон
Рис. 2. Фрагмент профілювання штатного вікна через маску фоторезиста
Зонна діаграма об’єкта метал - n+GаAs - nGaAs, що підкреслює роль п+ шару подана на рис. 3.
Ер Фв=0,ВеВ ,І_
іакопичеш електрони
' "Ер
Сама можливість такого відтворення розмірів процесом ІПТ особливо важлива, коли необхідно забезпечити таке ж за глибиною травлення на підкладках великого діаметру (> 150 мм), наприклад при суміщеній кремнієвій та арсенідгалієвій технологіях, фрагмент формування найтоншого вікна в якій подано на рис. 2.
Збільшення діаметра підкладки до 250-300 мм вимагає створення сучасних кластерних установок для локального іонно-променевого травлення індивідуальної обробки кремній-арсенід-галієвих підкладок. Установка такого типу дозволяє проводити як групову так і індивідуальну витравку пластин заміною тримача підкладок.
Підкладка переміщується по замкненому треку, обертаючись навколо своєї осі, під іонним пучком діаметром 200 мм. Кут падіння пучка регулюється в діапазоні 0-65 ° Тут застосований електростатичний прижим підкладки і виключає застосування індію. На даній установці можна теж виконувати і іонно-променеве травлення [2].
Тепер зупинемось на особливостях локалізації арсенід-галієвих структур, основне призначення якої сформувати омічні контакти з низьким опором (< 10-6 Ом/см2), їх отримують шляхом збільшення рівня легування поблизу межі розділу метал-напівпро-відник до такої степені, щоб збіднений шар, зв’язаний з бар’єром Шотткі став дуже тонким, та забезпечував протікання тунельного струму в режимі польової емісії.
6
Рис. 3. Зонна діаграма залежності енергії електронів Е від концентрації легованої домішки п0 в активному шарі омічного контакту метал -n+-GaAs-nGaAs з бар’єром Шотткі, а - без зміщення б - із зміщенням
Із теорії п+ - п- переходу можна визначити мінімальний контактний опір
2пmRT
(1)
о У
де т- ефективна маса, а пз - концентрація легованої домішки в активному шарі.
Для GaAs при п=0.067 мс отримаємо:
(Гкон )тіп = 1.55-1Г5 I 30_ 12 . І°- [°м • сМ2 ] . (2)
Як бачимо, у субмікронних арсенід-галієвих структурах контакти одночасно повинні бути сплавними, імплантаційними, тунельними та гетероперехідними, що є досить складною технологічною процедурою [3]. Загальноприйнятим є використання сплавних омічних контактів, що дозволило створити високоомний шар поблизу поверхні напівпровідника. Але як показа-
а
а
г =
конт
з
ли дослідження, неоднорідність струму через сплавнии контакт не дозволяє досягнути в цьому випадку теоретичного значення контактного аноду. Як видно із рис. 4, після стравлювання контактного металу на поверхні GaAs зосереджена нерегулярна острівкова структура [3]. Для створення омічних контактів використовується також іонна багатозарядна імплантація, що дозволяє формувати високолеговані шари поблизу поверхні напівпровідника. Тут концентрація легуючої домішки обмежується розчинністю домішки і може досягти значення < 1019 см -3 для п GaAs і 1020 см -3 для p-GaAs. Саме багатозарядна іонна імплантація дозволяє отримати поблизу поверхні напівпровідника концентрації, які перевищують межу розчинності [4].
Рис. 4. Нерегулярна острівна структура GaAs після страве лення металу в іонному пучку, що містить хлор
Також існує ще один метод формування омічного контакту - епітаксійне нарощування шарів між активним шаром і металевим контактом. Багатообіцяючим варіантом цього методу є вирощування гетероконтакту. Основна ідея цього методу полягає у зменшенні висоти бар’єру і, відповідно, контактного опору за допомогою введення проміжного напівпровідникового (буферного) шару між металом і активним шаром приладу [5]. Експериментально встановлено, що висота бар’єру Шотткі складає 2/3 ширини забороненої зони. Для формування гетероконтактів найбільш підходить шар п+-Се, який завдяки близкості постійної гратки можна вирощувати на n+-GaAs використовуючи різні методи епітаксійного нарощування: газову, молекулярно-променеву, НВЧ-епітаксію в реакторах ЕЦР. Висота бар’єру Шотткі для Ge складає всього 0.5 В (а для GaAs - 07 - 08 еВ). Крім того, в епішарі германію можна отримати дуже високий рівень легування (до 1020 см-3). Для арсенід-галію легованого епішарами германію до 1,5-1018 та 14017 було отримано величину контактного опору 510-8 та 1,710-7 Ом-см2 відповідно [6].
Найбільш технологічним методом формування омічного сплавного контакту є напилення евтен ичного сплаву Аи^е ^е-12%) з наступним впалюванням його при температурі евтектики. Відповідно формування розводки здійснюється методом іонно-променевого травлення, розглянутого в попередньому розділі статті. Цей метод застосовується довільно широко, а для формування омічних сплавних контактів використовують сплави AgInGe, AuGe, AgAu, In-AuGe, AuGe-Pt. Тут для арсеніду галію атоми германію у підградці галію відіграють роль донорів, які і зменшують активний опір.
Високо технологічною є система AuGe в комбінації з поверхневим шаром із нікелю, який служить для запобігання каплеутворення в процесі впалювання. Опро-
мінення таких контактів двозарядними іонами кремнію ^і++) з дозою на рівні 1016 см-2 приводить до зниження температури евтектики до 4000С і величини опору до величини 610-8 Ом-см2. Тобто комбінація методів напилення іонно-променевого травлення та багатозарядної імплантації дозволяє знижувати контактний опір до п+ -GaAs до величини 110-7 -510-8 Ом-см2 [7].
Застосування імпульсної фотонної обробки контактів до GaAs дозволили використати не тільки традиційно використовуваний сплав AuGe, але й інші матеріали. Зокрема омічні контакти з малим опором (<510-6 Ом-см2) були отримані електронно-променевою обробкою структур Al/GaAs. Дуже перспективною в цьому напрямку є фотонна обробка сформованих контактних структур.
Такий фотонний (імпульсний) відпал (впалюван-ня) використовується на установці ’’Імпульс 3”, яка має два ряди галогенних ламп КГ-220-1000, розміщених симетрично по обидві сторони від джерел (рис. 5, а).
Відпал виконується в нейтральному середовищі -аргоні з контролем температурного режиму за допомогою фотоанода. Потужність, що підводилась до ламп плавно регулювалась шляхом зміни тривалості підключеного стану галогенних ламп до живлення. Загальна тривалість світлового опромінення змінювалась від 50 мс до 15 с шляхом набору певної кількості імпульсів, а густина енергії змінювалась від 102 до 4-103 Дж/см2 або від 40 до 2000 Вт/см2[8]. Це зумовлювало швидкості нагріву V від 102 до ронньому опроміненні (рис. 5, б).
104К-с-1 при двосто-
б
Рис. 5. Температурно-газова залежність нагріву на фотонній установці “Імпульс 3”, а - розміщення лампи; б - залежність швидкості и нагріву підкладки від часу 1
3. Багатозарядна імплантація
Тепер знову повернемось до іонно-променевої обробки, зокрема багатозарядної імплантації, яку ви-
Е
конують для забезпечення якісних контактів, особливо це є важливим для арсенід-галієвої технології. Традиційний спосіб відновлення та активації впровадженої домішки після іонної імплантації, яка прийшла на зміну дифузійним процесам- стаціонарний термічний відпал (СТВ) - має ряд недоліків, таких як неповне видавлення кристалічної гратки, температурне розлиття концентраційних профілів, зміна зарядового стану межі напівпровідник-ізолятор, а значить порогових напруг [9]. У зв’язку з цим, тепер ведуться інтенсивні дослідження по розробці нових способів відпалу імплантованих шарів напівпровідника, які б не мали недоліків СТВ. До таких відпалів відносить і розглянутий нами імпульсний фотонний відпал за допомогою галогенних ламп. Секундний іонно-променений відпал (ІПВ) при дії інтенсивних іонних пучків на обернену сторону імплантованих напівпровідникових пластин також є ще одним із видів швидкого низькотемпературного відпалу-активації [10].
Для експериментального дослідження було вибрано іонне джерело «Радикал», яке формує іонні пучки потужністю від 5 до 15 Вт/см2 і масі відпалювальних іонів 20-60 а.о.м. Рекристалізація аморфного шару при заданій потужності іонного аргонового пучка проходить в інтервалі 7-15 с опромінення з тильної сторони підкладок, що вказує на зміну температури поверхні підкладки (миттєве значення) від 5300 до 6500С, що дозволяє прийняти його відповідно по чисто термічному механізму (рис. 6).
Результати електрофізичних досліджень показали високу ефективність післяімплантаційного відпалу
іонним пучком і за своїми характеристиками зміни концентраційних профілів значно перевищує термічний. Це особливо є актуальним для відпалу арсенід-галієвих підкладок, бо забезпечує високу стабільність зарядового стану межі напівпровідник-діелектрик при багатозарядній імплантації германію в контактні вікна.
Дана технологія дозволяє понизити величину контактного імплантованого опору для GaAs до величини < (1-5)10-7 Ом. см2.
V, К/с
Рис. 6. Залежність швидкості нагріву и Si-підкладки імплантованої фосфором (Р++) товщиною 400 мкм (0150 мм) при дії іонних пучків з густиною потужності 5 (1), 10 (2) і 15 (3) Вт/см2 від часу 1
4. Висновки
1. Іонно-променеве фрезерування є особливо ефективним для профілювання контактних вікон багаторівневої розводки структур ВІС.
2. Для суб- і наноелектронної технології арсенід-галієвих структур доцільно розробити кластер-не обладнання іонно-променевої обробки, яке б включало позиції осадження шарів, їх травлення та післяімплантаційного відпалу.
3. Іонно-променева обробка секундної тривалості може бути з успіхом використана замість термічного відпалу при формуванні тонких імплантованих шарів в арсеніді галію для їх активації.
Література
1. Новосядлий, С. П. Суб- і наномікронна технологія структур ВІС [Текст] / С. П. Новосядлий // Івано-Франківськ, Місто НВ. - 2010. - 254с.
2. Шур, М. Современные приборы на арсениде галлия [Текст]/ М. Шур. - М.: Мир. - 1991.- 628 с.
3. Афанасьев, В. А. Оборудование для импульсной термообработки ПД нейтронная техника Сер 1 [Текст] / В. А. Афанасьев,
М. П. Духновский. Т. А. Крысев Электроника СВЧ. - 1984. - Вып. 12. - С. 24-29.
4. Новосядлий, С. П. Технологічні особливості, формування шаруватих наноструктур [Текст] / С. П. Новосядлий, В. М. Ві-
вчарук // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2008, № 44. - С. 32 - 38.
5. Новосядлий, С. П. Джерела іонів для формування шаруватих структур [Текст] / С. П. Новосядлий, В. М. Бережанський //
Прикарпатський вісник НТШ. - 2008 - № 1. - С. 151- 158.
6. Ди Лоренцо, Д. В. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления БИС [Текст] : пособие / Под ред. Д. В. Ди Лоренцо, Д. Д. Канделуола. Пер. с анг. - М: Радио и связь. - 1988. - 49с.
7. Новосядлий, С. П. Моделювання субмікронної та нанотехнологій на основі ТС [Текст] / С. П. Новосядлий, В. М. Вівчарук,
С. М. Вертепний // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2009. - № 117 С. -26-29.
8. Новосядлий, С. П. Багатозарядна радикальна імплантація при формуванні SOI- структур [Текст] / С. П. Новосядлий
В. М. Вівчарук // Фізика і хімія твердого тіла. - 2008. - Т9, № 3. - С. 659-667.
9. Новосядлий, С. П. Багатозарядна іонно-імплантаційна обробка при формуванні кишень і металізації субмікронних структур
ВІС [Текст] / С. П. Новосядлий, В. М. Бережанський // Металофізика і новітні технології. - 2007. - т. 29, №7. - С. 857-866.
10. Авас, Н. А. Основы микроэлектроники [Текст] : учеб. / Н. А. Авас, Ю. Е. Наумов, В. Т. Фролкин. -М: Радио и связь. -1999. - С. 64-67.
З
