Литография в технологии СВЧ транзисторов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.382.323 : 537.533.9

Л.А.Савченко

ЛИТОГРАФИЯ В ТЕХНОЛОГИИ СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

Рассматриваются проблемы технологии изготовления транзисторов, работающих на сверхвысоких частотах (СВЧ) на примере полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ). Описано влияние размеров топологических элементов (затвора ПТШ) на граничную частоту, как на параметр, характеризующий частотные свойства транзистора, и на коэффициент шума, то есть как на усилительную характеристику. Рассмотрен способ улучшения данных параметров путем уменьшения топологического размера элемента транзистора, а именно за счет создания затвора сложной формы с субмикронными размерами. Изложены основные литографические методы планарной технологии, где описаны достоинства и недостатки каждого из них. Сделано заключение, что наиболее целесообразным является метод электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ), ввиду преимуществ данных установок перед другим литографическим оборудованием. Показано, что с помощью ЭЛЛ можно получить необходимый профиль в резистной маске для создания Г- или Т- образного затвора ПТШ, чего нельзя получить с помощью прочих типов литографии.

Ключевые слова: СВЧ полевые транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шоттки, затвор транзистора, электронно-лучевая литография

Литография является наиболее важной стадией в современной технологии изготовления

полупроводниковых приборов. Чаще всего именно ее разрешение определяет разрешение всего технологического процесса. В процессе развития индустрии научно-техническое сообщество периодически сталкивается с ограничениями, связанными с размерами приборов, что в конечном счете ведет к уменьшению проектных норм, задаваемых технологическими операциями, что ведет к выполнению закона Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

В данной работе основное внимание уделено технологии СВЧ полевых транзисторов. Существует три типа полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала. Они могут иметь изолированный затвор, затвор на основе р—«-перехода или затвор на основе барьера Шоттки [1].

Наиболее широкое применение на СВЧ нашли полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ). Преимуществом ПТШ перед биполярными транзисторами является их более простая и совершенная технология изготовления, и то, что ток в них течёт не через р—«-переходы, а между омическими контактами в однородной среде канала [1].

В качестве параметров, характеризующих частотные свойства СВЧ транзисторов, граничную частоту (частоту отсечки) /Т , для характеристики усилительных свойств приводят коэффициент шума КШ .

Частота отсечки определяется как частота, на которой модуль отношения выходного тока в схеме с общим истоком к току на входе равен единице и находится в соответствии с формулой:

£ (1)

X _ Ьш

2кС '

где ^т — крутизна транзистора, ^ Ш — емкость затвор-исток [2].

Также частота отсечки определяется временем задержки при пролете носителей заряда от истока к стоку: 1 (2)

1т _ "- [2].

ПР

Время переноса заряда свободными носителями заряда через пространство активного взаимодействия с полями прибора определяется непосредственно длиной канала и электрическим полем в нем: 'К дХ (3)

^ ПР

1 /иК 21

2 о т е

где 1К — длина канала [2].

Параметры, описываемые вышеизложенными выражениями, зависят от длины канала 1К. Длина канала,

при грубом рассмотрении, определяется расстоянием между контактами стока и истока. В свою очередь, это расстояние условно можно разбить на три области: расстояние от истока до затвора, длина самого затвора и расстояние от затвора до стока. Уменьшив длину канала, уменьшится и время пролета носителей заряда. Однако при уменьшении межэлектродных расстояний относительно затвора будут увеличиваться емкости затвор-исток и затвор-сток, что негативно скажется на быстродействии прибора.

У

/ ¥////,

■ х

Рис. 1. Схематическое изображение полевого транзистора [1]

Таким образом, чтобы добиться лучших частотных характеристик необходимо уменьшать длину затвора. Ниже приведена зависимость граничной частоты от длины затвора для полевых транзисторов различного типа.

□ Д 1

Длина затвора, мкы

Рис. 2. Зависимости граничной частоты от длины затвора для кремниевых ПТ, арсенид-галлиевых ПТШ и ряда ПТ с высокой подвижностью носителей в канале [2]

В литературе не приводится универсального выражения для коэффициента шума по той причине, что оно определяется полуэмпирическим путем и, соответственно, для различных моделей транзисторов является

отличным. Однако, как и прочие параметры, величина КШ имеет довольно сложную зависимость от длины

затвора:

(4)

.1/6

КШ = 1 + к/ьз

а

3,3Ж>

+ 0,6Ж2 ™

+ 1,

кЬ3 V кЬ3 п

и

и

\

V а1

а

2 0

0,18ЯК

па

1/2

Здесь к — коэффициент качества материла, равный 0,33; / — рабочая частота, ГГц; п — концентрация носителей, равная 1016 см-3; Жи — единичная ширина затвора, мм; к — толщина металлизационного слоя затвора, мкм; ЬЗ — длина затвора, мкм; Кз — удельное сопротивление затвора, 10-6 Ом-см; КК — удельное контактное сопротивление 10-6 Ом-см; а^, ЬЗИ — прочие размеры [3].

Быстродействие транзисторов ограничивается не только их геометрией, но и физическими свойствами используемого материала. Как видно из рис. 1, при одинаковых значениях длины затвора, но для разных материалов граничная частота будет отличной. Для граничной частоты существует выражение, связывающее геометрию прибора с физикой используемых материалов:

2

г V (5)

£ _ max

Т 2жЬЗ

где ЬЗ — длина затвора, Vmax — максимальная дрейфовая скорость электронов. На рис. 3 для ряда материалов приведены зависимости скорости электронов от приложенного электрического поля.

Рис. 3. Зависимости скорости движения электронов от приложенного поля для фосфида индия, кремния и

арсенида галлия [2]

Касательно данной работы, наибольший интерес представляет собой контроль геометрических параметров приборов с целью увеличения их быстродействия.

Уменьшение длины затвора ведет к увеличению /Т за счет снижения емкости СЗИ. Однако при

уменьшении длины затвора до 0,3 мкм, его сопротивление начинает возрастать, и получить улучшение вышеописанных характеристик не удается. Вместе с этим ухудшаются и шумовые характеристики приборов. По этой причине в конструкции СВЧ транзисторов используются Г- или Т-образные затворы.

(1}

Рис. 4. Схематическое изображение: (а) Т-образного затвора, (б) Г-образного затвора

Его нижняя узкая часть формируется длиной менее 0,3 мкм, что обеспечивает необходимое усиление и частотные характеристики, а верхняя более широкая часть позволяет существенно снижать сопротивление затвора.

Наиболее широкое распространение в технологии изготовления полупроводниковых приборов получила фотолитография. Фотолитография — это процесс переноса изображения на полупроводниковую пластину посредством взаимодействия светочувствительного вещества, называемого «фоторезистом», с оптическим излучением.

В качестве источника излучения используют ртутные лампы, характеризующиеся высокой интенсивностью излучения, параллельностью светового пучка и его равномерностью.

Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах:

— дальний УФ 200—300 нм;

— средний УФ 300—360 нм;

— ближний УФ от 360—450 нм.

Стоит отметить, что ЭУФ (экстремальный УФ, с длинной волны от 10 до 100 нм) и ДУФ (менее 190 нм) диапазоны излучения обеспечиваются лазерными или плазменными источниками.

Различают контактную, бесконтактную и проекционную печать (рис. 5).

С=1

Г

а й в

Рис. 5. Схемы: (а) контактного, (б) бесконтактного, (в) проекционного экспонирования [4]

В первом случае экспонирование проводится при контакте фотошаблона и пластины с нанесенным на ней фоторезистом. Бесконтактная фотолитография производится на некотором зазоре между шаблоном и пластиной, что позволяет дольше использовать один и тот же фотошаблон, чем при контактной печати. Проекционная фотолитография полностью исключает контакт шаблона с поверхностью полупроводниковой пластины. Следует отметить, что проекционная печать возможна с прямым переносом изображения на пластину, либо с уменьшением изображения шаблона и последующей мультипликацией [4].

Распространенность фотолитографии обусловлена высокой производительностью, возможностью получения субмикронных размеров с помощью некоторых ухищрений, к примеру введением между пластиной и объективом иммерсионной жидкости, которая увеличивает апертуру, тем самым увеличивая разрешение литографии, использованием специальных фазосдвигающих фотошаблонов, нивелирующих в некоторой степени эффект дифракции и пр. Возможности фотолитографии описываются двумя параметрами —

п Г)0 Г

разрешающей способностью ( ) и глубиной резкости ( ). Данные величины связаны между собой через

длину волны излучения и числовую апертуру линзы и описываются следующими выражениями:

(6)

ш

пор =

(7)

где — коэффициент пропорциональности.

зависит от применяемого резиста и технологического

NA

процесса, " — длина волны излучения,'"' — числовая апертура объектива.

С повышением разрешения эти методы усложняют процесс изготовления полупроводниковых приборов, что в свою очередь ведет росту стоимости продукта. Так, например, системы литографии в жестком (экстремальном) ультрафиолете с длиной волны порядка 10 нм обладают довольно высоким разрешением, однако, такие системы, из-за поглощения преломляющей оптикой излучения длиной волны менее 190нм, строятся на принципах отражающей оптики, что ведет к росту стоимости подобного литографического оборудования.

При этом без применения подобных техник получить субмикронный топологический элемент является сложной технологической задачей, т.к. разрешение литографии ограничивается ~ 1 мкм ввиду основных свойств света.

Рентгеновская литография является разновидностью оптической проекционной литографии (рис. 6), в которой для экспонирования используют «мягкие» рентгеновские лучи с длиной волны 0,4—5 нм, возбуждаемые с помощью интенсивных электронных лучей.

и

Электронная пушка

Вода

Анод

Камера

Шаблон

— Подложка

Рис. 6. Схема установки рентгеновской литографии [4]

Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения.

Благодаря малой длине волны рентгеновского излучения, разрешение данного типа литографии составляет порядка 10 нм.

Основным физическим явлением, ограничивающим возможность фотолитографии, является дифракция. Как известно из оптики, дифракционное рассеяние света уменьшается с уменьшением длины волны. Для рентгенолитографии используются рентгеновские лучи с длиной волны 0,4—5 нм. Это дает возможность получать изображения с высоким разрешением даже при существующих зазорах между шаблоном и подложкой

Маска изготовляется из стойкого к технологическим воздействиям материала — полимерного резиста, а необходимый рисунок формируется с помощью рентгеношаблона. Поток рентгеновского излучения направляется на рентгеношаблон, который этот поток пространственно модулирует. Резист поглощает попавшее на него излучение, и, таким образом, в нём формируется скрытое изображение рентгеношаблона: под действием излучения в резисте образуются высокоэнергетичные фото- и оже-электроны, которые вызывают сшивание молекул резиста или их деструкцию. В зависимости от того, какой из процессов преобладает, при проявлении на подложке остаются либо облучённые, либо необлучённые участки, т.е. получается негативное или позитивное изображение рисунка шаблона.

К недостаткам рентгенолитографии можно отнести сложность создания соответствующих шаблонов и проблему фокусировки рентгеновских лучей [5].

В ионно-лучевой литографии для экспонирования полимерных резистов обычно используют легкие ионы — протоны, ионы гелия. Использование более тяжелых ионов позволяет легировать подложку или создавать на ней тонкие слои новых химических соединений. На рис. 7 приведена схема сканирующего ионного зонда.

Рис. 7. Схема сканирующего ионного зонда с и = 57 кВ: 1 — ионный источник, 2 — вытягивающий электрод, 3 — диафрагма, 4 — ускоряющая электростатическая линза, 5 — электростатическая отклоняющая система, 6 —

подложка [4]

[5].

Различия между электронной и ионной литографией обусловлены большей массой иона по сравнению с массой электрона и тем, что ион является многоэлектронной системой. Тонкий пучок ионов имеет более слабое угловое рассеяние в мишени, чем пучок электронов, поэтому ионно-лучевая литография обладает более высоким разрешением, чем электронно-лучевая. Из-за большей массы иона дифракционные ограничения практически отсутствуют, т.к. длина волны де-Бройля для ионов при сравнимых энергиях значительно меньше, чем для электронов.

Потери энергии ионного пучка в полимерных резистах примерно в десятки раз больше, чем потери энергии электронного пучка, поэтому чувствительность резистов к ионному пучку тоже выше. Это означает, что экспонирование резиста тонким ионным пучком происходит быстрее, чем электронным лучом.

Ионная литография развивается в следующих направлениях: сканирование остросфокусированного ионного пучка по поверхности подложки с резистом и обработка резиста коллимированным управляемым ионным пучком (рис. 8).

ИОННЫЙ

подложка

Рис. 8. Схема экспонирования коллимированным ионным пучком [4]

При экспонировании коллимированным ионным пучком используют пучки протонов Н+. Шаблон изготавливается на сплошной тонкой основе аморфного материала с нанесенной на него пленкой тяжелого металла, поглощающего протонное излучение, или в виде маски с отверстиями, конфигурация которых соответствует создаваемой топологии на подложке.

Подложка, покрытая слоем резиста, экспонируется через шаблон, помещенный в непосредственной близости от нее, путем сканирования коллимированным протонным пучком.

Недостатком метода является сложность изготовления шаблонов и создания систем их совмещения с подложками.

При формировании на поверхности резиста рисунка с размерами порядка 0,1 мкм требуется остросфокусированный ионный луч, диаметр которого был бы меньше 0,1 мкм. Для формирования такого луча требуется источник ионов с высокой яркостью. Источники протонов Н+ и ионов гелия Не+, которые используются в установках с коллимированных ионным пучком, не обеспечивают требуемую яркость ионного пучка. Значительно лучшей яркостью обладают «жидкостные» источники тяжелых ионов Sn+ и Ga+. С помощью жидкостных источников удается сформировать ионный луч диаметром менее 0,1 мкм [4].

В ионной литографии необходимо выбирать такую энергию ионов Е0, чтобы толщина пленки резиста была близка к проецированному пробегу ионов в материале резиста. При энергии меньше Е0 резист не будет проэкспонирован на всю глубину, а при энергиях больше Е0 произойдет внедрение ионов луча в подложку и появление в ее поверхностном слое радиационных дефектов.

Метод электронолитографии характеризуется высокой разрешающей способностью. Эффекты дифракции, ограничивающие разрешающую способность в оптическом и субоптическом диапазонах и связанные с большой длиной волны экспонирующего излучения, в электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) пренебрежимо малы. Другим преимуществом ЭЛЛ является большая глубина резкости передаваемого изображения. Поэтому практически не происходит искажения рисунка при увеличении глубины рельефа многослойных структур и неплоскостности поверхности пластины. Применение ЭВМ для непосредственного управления электронным лучом позволяет легко перестраивать и корректировать программу экспонирования.

В основе метода лежит воздействие управляющего остросфокусированного электронного луча на резист. На рис. 9 изображена схема установки сканирующей электронной литографии.

UJ

электронная пушка

координатор

вакуумная камера

тапалогин

i

прерывание пучка

ЭВМ

отапанягащая система

регистратор

положения столи «а

механизм

перемещения столика

Рис. 9. Схема установки сканирующей электронной литографии [4]

Электроны локально либо разрушают резист, либо сшивают молекулы, изменяя его свойства. В процессе проявления селективно удаляется экспонированная или неэкспонированная часть резиста. Сформированный из резиста рельеф является маской для различных технологических воздействий. Окна в пленке резиста могут быть использованы для травления подложки ионным пучком или в плазме, а также для селективного ионного внедрения примеси в подложку [5].

В сравнении с другими методами литографии ЭЛЛ обладает наиболее важным свойством, требуемым для изготовления современного СВЧ ПТШ — она позволяет формировать сложную форму профиля в резистной маске, необходимую для создания затвора Т- или Г- образной формы.

В данной статье были рассмотрены основные параметры СВЧ транзисторов, была установлена их связь с геометрией и с размерами приборов. Было указано, что для улучшения параметров необходимо уменьшать размеры топологических элементов транзисторов. Описаны преимущества и недостатки основных типов литографии. Показано, что использование методов электронно-лучевой литографии является наиболее целесообразным.

1. Нойкин Ю.М., Нойкина Т.К., Усаев А.А. Полупроводниковые приборы СВЧ: учеб. пособие [Электр. ресурс]. Ростов-на-Дону, 2014. URL: Iittp://www.phys.sfedu.ru/~kobrin/sem/index.html#SHFdevch9.html (дата обращения: 10.03.2016).

2. Пожела Ю., Юцене В. Физика сверхбыстродействующих транзисторов. Вильнюс: Мокслас, 1985. 118 с.

3. Ди Лоренцо Д.В., Канделуола Д.Д. Полевые транзистора на арсениде галлия. Принцип работы и технология изготовления. М.: Радио и связь, 1988. 496 с.

4. Лапшинов Б. А. Технология литографических процессов: учеб. пособие. М.: МГИЭМ, 2011. 95 с.

5. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.

1. Noykin Yu.M., Noykina T.K., Usaev A.A. Poluprovodnikovye pribory SVCh: ucheb. posobie [Elektr. resurs]. Rostov-na-Donu, 2014. URL: http://www.phys.sfedu.ru/~kobrin/sem/index.html#SHFdevch9.html (data obrashcheniya: 10.03.2016).

2. Pozhela Yu., Yutsene V. Fizika sverkhbystrodeystvuyushchikh tranzistorov. Vil'nyus: Mokslas, 1985. 118 s.

3. Di Lorentso D.V., Kandeluola D.D. Polevye tranzistora na arsenide galliya. Printsip raboty i tekhnologiya izgotovleniya. M.: Radio i svyaz', 1988. 496 s.

4. Lapshinov B.A. Tekhnologiya litograficheskikh protsessov: ucheb. posobie. M.: MGIEM, 2011. 95 s.

5. Gotra Z.Yu. Tekhnologiya mikroelektronnykh ustroystv. M.: Radio i svyaz', 1991. 528 s.

Savchenko L.A. Lithography in technology of microwave transistor. This article focuses on the problems of manufacturing technology of microwave transistors on the example of field-effect transistors with a Schottky barrier (MESFET). It describes the effect of the topological elements' dimensions (mainly length of MESFET gate) on the boundary frequency, that is, on the transistor's frequency characteristic, and on the noise ratio, that is, on the amplifying characteristic. The way to improve these parameters by reducing the transistor's topological elements is the creation of a compound shape gate with submicron dimensions. The article expounds the basic lithographic methods of the planar technology with its advantages and disadvantages. It was concluded that the most appropriate method is the e-beam lithography (EBL) due to some benefits. It is shown how to get the required profile in the resist mask for creating a L- or T-gate of MESFET, which cannot be obtained with other types of lithography.

Keywords: microwave field-effect transistors, field-effect transistors with Schottky barrier, transistor's gate, e-beam lithography

References

Сведения об авторе. Л.А.Савченко — магистрант гр. 6032 направления 11.04.04 Электроника и наноэлектроника, кафедра физики твердого тела и микроэлектроники ИЭИС НовГУ; nomad314@ya.ru. Статья публикуется впервые. Поступила в редакцию 10.08.2016.