CC BY
113
УДК 621.372.544.2
Е.В. Ерофеев, А.И. Казимиров, В.А. Кагадей
Исследование термостабильности параметров бездрагметалльного ваЛэ рНЕМТ транзистора с металлизацией на основе ОыОе-соединений
Представлены результаты сравнительного исследования термостабильности параметров по постоянному току и СВЧ-сигналу ваЛє рНЕМТ на основе Сиве омических контактов и Ті/Мо/Си затвора и ваЛє рНЕМТ, с металлизацией на основе Сиве-соединения, полученного низкотемпературной обработкой в потоке атомарного водорода. Транзистор с Сиве металлизацией и длиной затвора 170 нм имел максимальный ток стока 560 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В, крутизну 380 мСм/мм при иси = 3 В. Максимальный коэффициент усиления по току транзистора составлял 16.8 дБ на частоте 10 ГГц при граничной частоте отсечки по току в 80 ГГц. Термоиспытания транзисторов обоих типов, проводившиеся при температуре 250°С в течение 120 мин в атмосфере азота, показали, что рНЕМТ с медно-германиевой (Сиве) металлизацией обладает существенно большей термостабильностью электрических параметров, чем транзистор на основе Сиве омических контактов и Ті/Мо/Си затвора.
Ключевые слова: ваАє, рНЕМТ, Сиве-соединения, термостабильность.
Медная металлизация монолитных интегральных схем (МИС) уже на протяжении многих лет широко используется к кремниевой микроэлектронике [1, 2]. Однако в технологии ваА8 существует лишь несколько работ по использованию меди в составе металлизации [3, 4]. К преимуществам медной металлизации по сравнению с традиционной золотой для ваА8 микроэлектроники можно отнести повышенную электро- и теплопроводность, а также значительно меньшую стоимость. Замена золотой межэлементной разводки на медную в технологии ваА8 рНЕМТ может в значительной мере повысить быстродействие МИС, а также снизить себестоимость их производства.
В работе [5] мы сообщали о создании СВЧ ваА8 рНЕМТ с металлизацией на основе меди, в котором использовались разработанные Сиве омические контакты и Ті/Мо/Си Т-образный затвор с длиной основания 150 нм. Изготовленный транзистор имел хорошие параметры как по постоянному току, так и по СВЧ-сигналу. Однако высокая диффузионная активность меди может привести к деградации электрических параметров устройства за счет компенсации проводимости в материале [6]. Кроме того, медь легко окисляется на воздухе, что в итоге усложняет технологию производства МИС и предъявляет особые требования к разработке диффузионных барьеров и пассивирующих покрытий для меди.
Возможным решением данной проблемы может быть использование медных соединений - силицидов (СиБі) или германидов (Сиве) меди [7]. Однако силициды меди легко реагируют с кислородом, оказавшись в среде воздуха или кислорода, что приводит к деградации их электрофизических свойств и увеличению значения удельного сопротивления. В отличие от силицидов, медногерманиевые соединения, в частности Си3ве, удовлетворяют требованиям, которые предъявляют к материалам, используемым для создания приборов на основе ваА8 [8-11]. Однако для формирования соединений Сиве требуется высокотемпературная обработка (Т> 400 °С) в вакууме в течение длительного времени ( = 20-30 мин), что несовместимо с технологическим процессом взрывной литографии, так как высокие температуры критичны для всех видов резистов, используемых сегодня в промышленности.
Известно [12], что обработка в потоке атомарного водорода при температурах, близких к комнатной, может стимулировать гетеродиффузию тонких пленок Аи, №, Си, 1п в различные системы твердых тел за счет энергии рекомбинации атомов водорода в молекулу на поверхности твердого тела.
В настоящей работе исследуется возможность использования Сиве-соединений, полученных низкотемпературной обработкой исходных компонентов в потоке атомарного водорода, как материала металлизации для СВЧ ваА8 рНЕМТ; проводится исследование электрических параметров
изготовленного транзистора с металлизацией на основе медно-германиевых соединений, а также их термостабильности.
Методика эксперимента. В экспериментах по созданию pHEMT использовались эпитаксиальные структуры AlGaAs/InGaAs/GaAs, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Описание использованной в экспериментах гетероструктуры представлено в работе [5].
После формирования меза-изоляции производилось формирование двухслойной фоторезистив-ной маски. Затем методом электронно-лучевого испарения при давлении остаточной атмосферы 1х10-6 торр производилось осаждение двухслойной металлизации Cu/Ge (122/78 нм). Образцы разделялись на две группы A и B. Образцы группы А не подвергались обработке в потоке атомарного водорода. Образцы группы B подвергались обработке в потоке атомарного водорода с плотностью 1015 ат. см2 с1 в течение t = 5 мин при комнатной температуре. Затем методом взрывной литографии формировался рисунок омических контактов. Образцы обеих групп проходили термообработку с целью формирования омических контактов. Термообработка производилась в вакууме при температуре T = 400 °C в течение t = 10 мин.
Формирование Т-образного затвора транзистора длиной 170 нм производилось при использовании электронно-лучевого литографа Raith-150TWO по методике, описанной в работе [5]. Осаждение металлизации Т-образного затвора производилась методом электронно-лучевого испарения в вакууме 5*10-7 торр. На образцы групп А и B производилось осаждение следующих многослойных композиций Ti/Mo/Cu (25/25/200 нм) и Ti/Mo/Ge/Cu (50/50/78/122 нм), соответственно. После чего, образцы группы B подвергалась обработке в потоке атомарного водорода с плотностью 1015 ат. см2 с-1 в течение t = 5 мин при комнатной температуре. Образцы группы А не подвергались обработке в атомарном водороде. Затем методом взрывной литографии формировался рисунок затвора. Далее все образцы подвергались термоиспытаниям в среде очищенного азота при температуре T = 250 °C в интервале времени t = 5-120 мин. В целях облегчения определения механизмов деградации транзисторов пассивация их поверхности слоем диэлектрика не проводилась.
Исследование морфологии поверхности омических контактов и затвора производилось с помощью сканирующей электронной микроскопии. Параметры транзисторов по постоянному току исследовались при использовании измерителя HP4156A, а по СВЧ-сигналу - на ZVA-40.
Результаты
1. Электрические параметры GaAs pHEMT
На рис. 1 представлено микроскопическое изображение полностью Cu/Ge GaAs pHEMT-транзистора с Т-образным затвором длиной 170 нм.
Рис. 1. Микроскопическое изображение Си/ве ваАє рНЕМТ транзистора с Т-образным затвором длиной 170 нм
На рис. 2 и 3 представлены электрические ОС- и ЛТ-параметры рНЕМТ с СиОе омическими контактами и Т1/Мо/Си затвором (группа А) и полностью СиОе рНЕМТ, полученного с использованием обработки в потоке атомарного водорода (группа В). Транзисторы образцов групп А и В демонстрируют ток насыщения сток-исток /син = 520 и 560 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток изс = 7 В, крутизну Бт = 320 и 380 мСм/мм при иси = 3 В соответственно (рис. 2). Максимальный коэффициент усиления по току транзисторов групп А и В составил 14.2 и 16.8 дБ на частоте 10 ГГц при граничной частоте отсечки по току - 60 и 80 ГГц при иси = 3В и 1си = 1/4Тсин соответственно (рис. 3).
/син, мА/мм
600
400
200
0 1 2 3 35
и, В
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики рНЕМТ групп А (1) и В (2)
К, дБ
Частота, ГГ ц
Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления по току pHEMT групп А (1) и B (2) и pHEMT группы B после термоиспытаний (3) от частоты
Таким образом, транзисторы группы B демонстрируют лучшие параметры как по постоянному току, так и на СВЧ-сигнале, по сравнению с транзисторами группы А.
2. Термическая стабильность параметров рНЕМТ
На рис. 4 представлены зависимости ОС параметров транзисторов групп A и B от времени их термообработки при температуре Т = 250 X в среде очищенного азота. В процессе термообработки у образцов обеих групп наблюдается постепенная деградация параметров, что частично может быть обусловлено деградацией CuGe омического контакта.
Рис. 4. Зависимость максимального тока стока (1, 2) и крутизны (3, 4) pHEMT групп A (1, 3) и В (2, 4) от времени отжига при температуре Т = 250 °С в среде азота
Время отжига, мин
На рис. 5 представлены зависимости параметров барьера Шоттки транзисторов групп А и В от времени термообработки. Для транзисторов группы А наблюдается существенная деградация параметров Т1/Мо/Си барьера Шоттки (рис. 5, кривые 1, 3), что может быть обусловлено диффузией меди из шляпы затвора к поверхности АЮаА8 и ОаА8 в процессе термообработки и компенсацией носителей в приповерхностных слоях полупроводника. Транзисторы группы В демонстрируют
существенно лучшие значения термо-
09
стабильности параметров барьеров Шоттки, которые практически не деградировали после термоиспытаний.
20 40 60 80
Время отжига, мин
100 120
Рис. 5. Зависимость высоты барьера Шоттки ¥ъ (1, 2) и напряжения пробоя затвор-сток изс проб (3, 4) рНЕМТ групп А (1, 3) и В (2, 4) от времени отжига при температуре Т = 250 оС в среде азота
На рис. 3 представлена зависимость коэффициента усиления от частоты для транзистора группы В (кривая 3). Видно, что в результате термообработки в течение 120 мин максимальный коэффициент усиления по току на частоте 10 ГГц уменьшился с 16.8 до 15 дБ, а граничная частота отсечки по току уменьшилась с 80 до 55 ГГц. Транзисторы группы А после термоиспытаний деградировали полностью, что не позволило провести на них измерения СВЧ-параметров.
С целью выявления причин деградации параметров транзисторов были выполнены микроскопические исследования, результаты которых представлены на рис. 6. Термообработка транзисторов обеих групп приводит к изменению формы шляпы Т-образного затвора, а также увеличению длины его ножки. Для транзистора группы А длина ножки затвора увеличилась сильнее, чем для транзистора группы В. У образцов группы А наблюдается существенная диффузия меди и обволакивание Т-образного затвора пленкой меди вплоть до ее соприкосновения с полупроводником. Очевидно, что это и является причиной быстрой деградации параметров транзисторов группы А. Для образцов группы В, в связи с образованием Сиве-соединения в верхних слоях металлизации затвора, наблюдается меньшая диффузия и приращение длины затвора и более высокая термостабильность параметров полностью Сиве рНЕМТ.
а -б
Рис. 6. Микроскопические изображения поперечного сечения рНЕМТ групп А (а, б) и В (в, г) после отжига при температуре Т = 250 оС в течение t = 120 мин; увеличение 20,000х (а, в); увеличение 50,000х (б, г)
КАПИЩ'
хооч
М'ИСОИ ЦМ«'Мм СМН '(«ЛИ ЯА/ГНІЗД1" ЮЧ.тт О*»»ГШш • ОТС2Т Гт 112*30 Ж
Таким образом, полностью CuGe GaAs pHEMT, сформированный при использовании низкотемпературной обработки в потоке атомарного водорода, характеризуется лучшей термостабильностью параметров по сравнению с транзистором на основе CuGe омических контактов и Ti/Mo/Cu затвора, изготовленного без использования обработки в атомарном водороде.
Полностью CuGe GaAs pHEMT с точки зрения надежности пока не обладает достаточной термостабильностью, однако пассивация поверхности транзистора слоем диэлектрика (SixNy) должна увеличить его термостабильность и приблизить ее к требуемым значениям. В этом случае переход на CuGe-соединение позволит отказаться от Au, Pt и Pd при промышленном изготовлении GaAs монолитных интегральных схем.
Известно, что атомарный водород легко проникает и накапливается в слоях металлов и полупроводников, приводя к пассивации носителей в GaAs и твердых растворов на его основе, что является одним из механизмов деградации параметров транзисторов. В связи с этим поиск альтернативных методов низкотемпературного формирования CuGe-соединений без использования атомарного водорода является актуальной задачей.
Заключение. СВЧ GaAs pHEMT с металлизацией на основе CuGe-соединений, полученных с помощью обработки в потоке атомарного водорода, обладает лучшими DC- и RF-параметрами и более высокой термостабильностью, чем pHEMT на основе CuGe омических контактов и Ti/Mo/Cu затвора, изготовленного без использования обработки в атомарном водороде.
Полученные результаты позволяют рассматривать CuGe-соединение как перспективную замену Au, Pt и Pd при промышленном производстве СВЧ GaAs монолитных интегральных схем.
Работа была проведена при финансовой поддержке грантов Carl Zeiss и У.М.Н.И.К. фонда Бортника, хоз. договора 74/10 между ФГБОУ ВПО ТУСУР и ЗАО «НПФ «Микран», гос. контракта №14.740.11.1432 от 03.11.2011 по федеральной целевой программе «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России 2009-2013».
Авторы работы выражают благодарность коллективу научно-образовательного центра по нанотехнологиям при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия) за помощь и обсуждение результатов.
Литература
1. Holloway K. Tantalum as a Diffusion Barrier Between Copper and Silicon / K. Holloway, P.M. Fryer // Appl. Phys. Lett. - 1990. - Vol. 57, № 17. - P. 1736-1738.
2. Yoon D.S. Effect of Thermal Stability of a Cu/Ta/Si Heterostructure of the Incorporation of Cerium Oxide into the Ta Barrier / D.S. Yoon, H.K. Baik, S.M. Lee // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol. 83, № 12. -P. 8074-8076.
3. Thermal Stability of Cu/Ta/GaAs Multilayers / C.Y. Chen, L. Chang, E.Y. Changet al. // Appl. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 77, № 21. - P. 3367-3369.
4. Backside Copper Metallization of GaAs MESFETs using TaN as the Diffusion Barrier / C.Y. Chen, E.Y. Chang, L. Chang, S.H. Chen // IEEE Trans. Electron Devices. - 2001. - Vol. 48, № 6. - P. 1033-1036.
5. 150 nm Copper Metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge Ohmic Contacts / V.A. Arykov, E.V. Ani-chenko, E.V. Erofeev, V.A. Kagadei // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference (Paris, France). - 2010. - P. 166-169.
6. Allan D.A. Diffusion Barriers Layers for Ohmic Contacts to GaAs / D.A. Allan, J. Herniman, M.J. Gilbert // Journal de physique. - 1988. - Vol. 49, № 9. - P. 201-205.
7. Chang E.Y. Formation of Copper Silicides from Cu(100)/Si(100) and Cu(111)/Si(111) Structures // J. Appl. Phys. - 1990. - № 67. - Р. 566-568.
8. Pat. 5 288 456 US, IBMC C 22 C 9/00. Compound with Room Temperature Electrical Resistivity Comparable to that of Elemental Copper / M.O. Aboelfotoh, M.J. Brady, L. Krusin-Embaum (US). - filed 23.02.1993; date of patent 22.02.1994.
9. Aboelfotoh M.O. Novel Low-Resistance Ohmic Contact to n-type GaAs using Cu3Ge / M.O. Aboelfotoh, C.L. Lin, J.M. Woodall // Appl. Phys. Lett. - 1994. - Vol. 65. - P. 3245.
10. Oktyabrsky S. Chemistry of Cu-Ge Ohmic Contact Layers to GaAs / S. Oktyabrsky, M.O. Aboelfotoh, J. Narayan // Journal of Electronic Materials. - 1996. - Vol. 25, № 11. - P. 132-136.
11. Aboelfotoh M.O. Electrical and Microstructural Characteristics of GeCu Ohmic Contacts to n-type GaAs / M.O. Aboelfotoh, S. Oktyabrsky, J. Narayan // J. Mater. Res. - 1997. - Vol. 12, № 9. - P. 2325-2332.
12. Matyushin V.M. Influence of Defect Generation on Low-Temperature Diffusion of Au in Ge Under Influence of Atomic Hydrogen / V.M. Matyushin, R.V. Martynyuk // Journ. Functional Materials. -2001. - Vol. 8, № 2. - P. 401-404.
Ерофеев Евгений Викторович
Инженер-технолог 1-й кат. ЗАО НПФ «Микран» аспирант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-887-60-39 Эл. почта: erofeev@sibmail.com
Казимиров Артем Игоревич
Магистрант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: 8-923-407-93-64
Эл. почта: smart300389@mail.ru
Кагадей Валерий Алексеевич
Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. физической электроники ТУСУРa Тел.: 8-913-806-40-10 Эл. почта: vak@micran.ru
Erofeev E.V., Kazimirov A.I., Kagadei V.A.
Thermal stability of base metal Cu/Ge metallized GaAs pHEMT
The article presents the results of thermostability research of GaAs pHEMT DC and RF parameters on the basis of Cu/Ge ohmic contacts and Ti/Mo/Cu gate and GaAs pHEMT completely executed on the basis of CuGe compounds. The transistor with complete Cu/Ge metallization and the gate length of a 170 nm had the maximal drain current of 560 mA/mm, a gate-drain breakdown voltage of 7 V, and transconductance maximum value of 380 mS/mm at UDS = 3 V. The maximum stable gain value was about 16,8 dB at frequency 10 GHz at current gain cut-off frequency of 80 GHz. Termostability tests of both types transistors were spent at temperature 250°C during 120 min in a pure nitrogen environment. PHEMT with complete Cu/Ge metallization has greater thermostability of DC and RF parameters, than the transistor on the basis of CuGe ohmic contacts and Ti/Mo/Cu gate.
Keywords: GaAs, pHEMT, CuGe compounds, thermostability.
