CC BY
38
УДК 621.382.323: 537.533.9
НАНОПРОФИЛИРОВАНИЕ РЕЗИСТНОЙ МАСКИ ПРИ СОЗДАНИИ Т-ОБРАЗНОГО ЗАТВОРА СВЧ ПТШ
Л.А.Савченко, М.Н.Петров*
NANOPROFILING THE RESIST MASK AT MICROWAVE MESFET'S T-GATE FABRICATION
L.A.Savchenko, M.N.Petrov*
ЗАО «Планета», Великий Новгород, nomad314@ya.ru * Институт электронных и информационных систем НовГУ, michail.petrov@novsu.ru
Рассматриваются проблемы технологии изготовления СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки. В процессе работы были подобраны оптимальные режимы электронно-лучевой литографии, позволяющие сформировать Т-образные затворы на базе трехслойной системы резистов. Полученные экспериментальные данные позволяют расширять линейку выпускаемых транзисторов на область более высоких частот.
Ключевые слова: СВЧ полевые транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шоттки, затвор транзистора, электронно-лучевая литография
This article deals with the problems of manufacturing technology of microwave field-effect transistors with the Schottky barrier. In the process of work, optimal modes of electron-beam lithography were chosen, which allow forming T-shaped closures on the basis of a three-layer system of resistors. The obtained experimental data allow expanding the line of produced transistors to the region of higher frequencies.
Keywords: microwave field-effect transistors, field-effect transistors with the Schottky barrier, transistor gate, e-beam lithography
Введение
Полевые транзисторы с барьером Шоттки нашли широкое применение в СВЧ устройствах ввиду их более простой и совершенной технологии изготовления в сравнении с биполярными транзисторами, а также за счет протекания в них тока в однородной среде канала, а не через р-п-переходы [1].
Для улучшения основных параметров СВЧ транзисторов, таких как граничная частота (частота отсечки) и коэффициент шума Кш, необходимо уменьшать длину канала за счет сокращения длины затвора транзистора [2-4].
Однако при снижении длины затвора до величины порядка 300 нм возникает ряд паразитных эффектов, негативно влияющих на достижение экстремальных характеристик прибора. Основными из них являются рост сопротивления затвора и увеличение межэлектродных емкостей затвор-исток и затвор-сток. Для минимизации указанных негативных эффектов в технологии СВЧ ПТШ используют затворы специальной формы (Т-образной или «грибообразной»). Здесь нижняя, узкая часть обеспечивает необходимые граничную частоту и усиление, а верхняя, более широкая, снижает сопротивление данного топологического элемента.
Цель работы заключается в получении сложного профиля в 3-слойной резистной маске с помощью электронно-лучевой литографии для изготовления Т-образных затворов СВЧ ПТШ с длиной затвора Lg = 250 нм, общей высотой затвора порядка 0,95 мкм и размером «шляпки» затвора Lc = 1 мкм (рис.1).
I
Юмкм
\ / / 0,25мкм
I
/
/ / Подложка
Рис.1. Схематическое изображение Т-образного затвора СВЧ ПТШ
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— подобрать оптимальную толщину слоев электронного резиста;
— подобрать оптимальные режимы экспонирования и проявления.
Основные параметры СВЧ ПТШ
В качестве параметров, характеризующих частотные свойства СВЧ транзисторов, приводят максимальную частоту генерации _/„акс и граничную частоту (частоту отсечки) &Т, касательно усилительных
свойств говорят о коэффициенте усиления по мощности КР и коэффициенте шума КШ [2,3].
Все эти параметры, в явном или нет виде, зависят от такой величины, как длина затвора. Так, к примеру, существует ряд выражений, связывающий граничную частоту как с физическими свойствами материала, на котором изготавливается прибор, так и с геометрией самих затворов ПТ (выр. 1-3).
§т
=" » 2пСЗИ
крутизна транзистора,
(1)
СЗИ — емкость за-
где gm твор-исток [2].
Частота отсечки, выраженная через время пролета носителей заряда через активную область прибора:
2лтПр
Само же время пролета определяется непосредственно длиной канала и электрическим полем в нем:
1 ХК 7
1 г ах
Тпр = 2 '
(3)
где X к — длина канала [2].
Как видно из приведенных выше выражений, граничная частота напрямую зависит от длины канала X к .
Длина канала определяется расстоянием между контактами стока и истока LcИ (рис.2). В свою очередь, это расстояние условно можно разбить на три области: расстояние от истока до затвора LЗИ, длина самого затвора LЗ и расстояние от затвора до стока LЗc.
Уменьшение длины канала приводит к снижению времени пролета носителей заряда. Однако одновременно с этим происходит снижение межэлектродных расстояний LЗИ и LЗc, приводящих к увеличению емкости затвор-исток и затвор-сток, что негативно сказывается на быстродействии прибора.
У
/ У/У/.
4 Т »
* ИС *
■ х
Рис.2. Схематическое изображение полевого транзистора
Таким образом, чтобы добиться лучших частотных характеристик, необходимо, уменьшая длину затвора, минимизировать влияние перечисленных паразитных емкостей.
Как уже упоминалось, это достигается использованием в конструкции СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки специальной формы (Т-образной) затвора (рис.2). Такая форма затвора является оптимальной с точки зрения вносимых паразитных эф-
фектов. В частности, по сравнению с другими формами затвора (Y-образной или V-образной) она обеспечивает минимальное значение емкости между истоком и затвором. Кроме того, такая форма позволяет снизить сопротивление затвора за счет более широкой верхней части [2,3,5].
Технология изготовлений Т-образного затвора
Существует ряд способов изготовления грибообразных затворов, которые можно условно поделить на «прямые» и «косвенные». Ко вторым относится метод с использованием так называемого «sidewall spacer» или иначе «пристеночного диэлектрика» [6], к прямым же методам относят процесс «прямой» литографии — переноса изображения с шаблона на материал чувствительный к тому или иному типу излучения — резист (фото-, рентгено-, электронорезист) [7].
Методы, относящиеся к первой группе, обладают относительно низкой воспроизводимостью, поэтому они наименее предпочтительны с экономической точки зрения.
Для изготовления затворов с помощью «прямого» типа литографии наиболее подходит электронно-лучевая литография. Она обладает достаточно высоким разрешением и не требует шаблонов, позволяя «рисовать» изображение на резисте напрямую [7]. Самое главное — установки такого типа позволяют «профилировать» дозу экспонирования, что является главным условием изготовления Т-образных затворов, без применения различного рода ухищрений в виде двойного экспонирования или применения промежуточных слоев [5,8].
При отработке технологии изготовления затвора Т-образной формы использована кремниевая пластина с нанесенной на ней трехслойной системой электроно-резистов на основе полиметилметакрилата и полиме-тилглутаримида: ПММА950/ПМГИ/ПММА950 (рис.3).
пмги
ШШЛ!Ш
Подложка
Рис.3. Схематическое расположение слоев в 3-слойной системе резистов
Здесь нижний слой отвечает за формирование ножки затвора, а именно за ее длину (т.е. длину самого затвора) и высоту. Часто этот слой является наименее чувствительным в системе резистов.
Средний слой системы является самым чувствительным из трех, он отвечает за качество взрыва после процесса напыления системы металлов, также он ответственен за формирование «шляпки» затвора в процессе напыления системы металлов.
Верхний слой резистной маски выполняет двойную роль: он задает размер шляпки затвора (ширину) и предотвращает попадание металла при напылении на стенки второго слоя, т.е. также отвечает за качество взрыва.
Подобное сочетание резистивных покрытий позволяет получить сложный профиль в маске за одно экспонирование при этом без использования так называемых «стоп-слоев» (тонкой пленки металла толщиной в несколько нм), что обеспечивает селективность при проявлении.
Общая толщина нанесенной системы составляет порядка 1,5 мкм. Толщина нижнего слоя ПММА — 250 нм, слоя ПМГИ — 1000 нм, толщина верхнего слоя ПММА составляет 250 нм.
Экспериментальная часть
Методика проведения эксперимента содержит в себе основные стадии любого литографического процесса: нанесение, сушка, экспонирование, проявление.
Первым этапом является нанесение электроно-резиста. Для этого существует ряд способов, таких как окунание, полив, распыление и центрифугирование (если речь идет о больших толщинах резистного слоя, то здесь имеет место быть метод накатки).
Далее после нанесения электроночувствитель-ный материал подсушивается с помощью СВЧ- или ИК-сушки или на «плитке». Затем следует избирательное экспонирование нанесенного резиста или системы резистов электронами.
Для выполнения экспериментов использовался вариант формы затвора, приведенный на рис.1. Подобная форма затвора является оптимальной для Т-образной конструкции с длиной затвора 250 нм. Здесь высота «ножки» затвора равна его длине (в данном случае 250 нм). Уменьшение высоты «ножки» приводит к расту емкость затвора, что снижает граничную частоту, согласно результатам исследований, отображенным на рис.4 [5]. В противном случае чрезмерно высокая ножка будет неустойчива при удалении ре-зиста после напыления системы металлов.
Таким образом, предложенная конфигурация является компромиссным решением между возможными вариантами, это должно обеспечить хороший «взрыв» резиста с металлом без «отрыва» затворов с поверхности пластины.
Рис. 4. Зависимость емкости затвора СЗ и граничной частоты ^ от высоты «ножки» затвора dG (здесь dD — высота от поверхности полупроводника до наиболее широкой части затвора — «шляпки»), для длины затвора LЗ = 220 нм и общей высоты затвора 800 нм при напряжении сток-исток 2 В и затвор-исток 0,4 В
О 4-
Рис.6. Схематическое изображение распределения дозы экспонирования D по координате
Результаты работы
В ходе эксперимента экспонирование было проведено по дизайну, показанному на рис.5. Предложенная конфигурация в сечении имеет распределение экспозиции по координате, соответствующее рис.6.
Из последнего рисунка видно, что распределение дозы представляет собой грибообразный профиль. Здесь дозы были подобраны таким образом, чтобы крайние элементы в распределении (элементы справа и слева от центральной части с большей дозой) не воздействовали на нижний слой системы ре-зистов, который отвечает за формирование «ножки» затвора. Элемент, расположенный посередине изображения, разрушает (в нашем случае) молекулярную структуру всех слоев системы. Ввиду более высокой экспозиции по сравнению с остальными элементами данная конфигурация имеет «разрывы» по координате, это необходимо для компенсации взаимного эффекта близости и получения резкого профиля в нижнем слое маски.
Контроль формы проявленного профиля производится путем скалывания пластины в перпендикулярном заложенному изображению направлении (рис.7).
Рис.7. Проявленный профиль в системе электроно-резистов
Рис.8. Зависимости толщин резистных пленок от частоты вращения центрифуги
Резисты наносились на центрифуге Sawatec SM-180-BM. ПММА был нанесен при 3000 Об/мин, что обеспечило толщину слоя ~ 250 нм c разбросом по пластине ±7 нм. Слой ПМГИ наносился также при 3000 Об/мин, при этом толщина слоя составила ~1000 нм с разбросом ±12 нм. С учетом разброса толщина полученной пленки соответствует заданным требованиям. На рис.8 приведены зависимости толщин резистных пленок от частоты вращения центрифуги.
Сушка резиста производилась на плитке Sawatec HP-200-Z-HMDS. Каждый слой сушился в течении трех минут, температура снижалась от нижнего слоя к верхним с 200°С до 180°С, сушка производилась послойно.
Экспонирование системы резистов было произведено на установке Raith Voyager по дизайну, изображенному на рис.6, номинальная доза экспонирования составила 350 мкКл/см2, ток электронного луча — 450 пА, доза «шляпки» затвора от краев к центральной линии — 239/164,5/136,5 мкКл/см2 Доза центральной линии (она же «ножка» затвора) изменялась от 350 до 1440 мкКл/см2 с приращением 5% от предыдущей линии. С помощью такого изменения дозы было получено некое подобие классического «дозового клина», который позволяет определять необходимую дозу экспонирования.
Проявление скрытого изображения в системе резистов производилось в наборе проявителей МИБК:ИПС в соотношениях 1:3 и 1:2 для слоев на основе ПММА. ПМГИ резист был проявлен в водном растворе гидроксида калия.
Как было выше сказано, проявителем для рези-стов на основе ПММА является раствор МИБК:ИПС.
Для верхнего слоя было выбрано соотношение 1:2, это необходимо для обеспечения «чистоты» проявляемой щели в этом слое системы, и время проявления составило 4,5 минуты.
Средний слой системы проявлялся в 1% растворе КОН (ПМГИ легко проявляется в щелочах, что обеспечивает селективность проявления) за 2 минуты. Стоит отметить, что ПМГИ (в нашем случае) мало чувствителен к воздействию электронов, из чего следует, что размер проявляемого элемента в этом слое сильно зависит от времени проявления и концентрации раствора. И по этой же причине необходимо было обеспечить качественное проявление верхнего слоя системы.
Нижний слой системы проявлялся в растворе МИБК:ИПС в соотношении 1:3 за 1.5 минуты.
После проявления и скалывания образца были получены изображения профилей в резистной маске (рис.7), по данным замеров ширины щелей в нижнем слое резиста построена зависимость длины затвора от дозы экспонирования (рис.9).
Контроль проводился также на установке ЭЛЛ Raith Voyager с помощью держателя образцов под углом 70° относительно поверхности предметного стола. При этом настоящие размеры (по вертикали изображения) отличаются от измеренных менее чем на 6%.
В соответствии с экспериментальными данными, приведенными на рис.9, для получения затвора длиной 250 нм необходима доза экспонирования порядка 550 мкКл/ см2.
Отметим, что в работе [6] был получен затвор длиной порядка 180 нм с помощью оптической фотолитографии, однако процесс создания был усложнен
1
/ I ж
350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 125
Доза экспонирования, глкКл/сгдг
Рис.9. Зависимость длины затвора от дозы экспонирования
путем введения дополнительных операций осаждения и травления. Такой способ изготовления несколько увеличивает время производства и характеризуется в сравнении с ЭЛЛ более низкой воспроизводимостью.
Заключение
При выполнении данной работы были разработаны технологические режимы процесса электроннолучевой литографии для изготовления Т-образного затвора СВЧ ПТШ (рис. 1):
— для получения необходимого профиля была выбрана система резистов: ПММА950/ПМГИ/ ПММА950;
— подобраны оптимальные для поставленной цели режимы нанесения и сушки слоев резиста;
— подобраны дозы экспонирования и времена проявления скрытого изображения.
Полученные в работе результаты можно использовать для расширения линейки выпускаемых СВЧ ПТШ на более высокочастотный диапазон.
1. Нойкин Ю.М., Нойкина Т.К., Усаев А.А. Полупроводниковые приборы СВЧ: учеб. пособие [Эл. ресурс] // Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону, 2014. URL: http://www.phys.sfedu.rU/~kobrin/sem/index.html#SHFdevch9 .html (дата обращения: 19.04.2017).
2. Пожела Ю., Юцене В. Физика сверхбыстродействующих транзисторов. Вильнюс: Мокслас, 1985. 118 с.
3. Ди Лоренцо Д.В., Канделуола Д.Д. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принцип работы и технология изготовления. М.: Радио и связь, 1988. 496 с.
4. Готра. З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.
5. Brech H., Grave T., Simlinger T., Selbrherr S. Influence of T-Gate and footprint length of PHEMT high frequency performance. Siemens AG, Corporate Technology, ZT KM 5, В-81730 Munich, Germany, 1997 IEEE.
6. Степаненко М.В., Арыков В.С., Ющенко А.М. и др. Полевой транзистор с субмикронным Т-образным затвором,
полученным с использованием пристеночного диэлектрика // Доклады ТУСУРа. 2014. №1 (31). С.103-105.
7. Лапшинов Б.А. Технология литографических процессов. Учебное пособие. М.: МГИЭМ, 2011. 95 с.
8. Indykiewicz K., Paszkiewicz B., Szymanski T., Paszkiewicz R. Electron beam lithography double step exposure technique for fabrication on mushroom-like profile in bilayer resist system // J. of Electrical Engineering. 2014. V.65. №6. Р.381-385.
References
1. Noikin Iu.M., Noikina T.K., Usaev A.A. Poluprovodnikovye pribory SVCh [Semiconductor microwave devices]. Rostov-on-Don, SFEDU, 2014. Available at: http://www.phys.sfedu.ru/~kobrin/sem/index.html#SHFdevc h9.html (accessed 10.03.2016).
2. Pozhela Iu., Iutsene V. Fizika sverkhbystrodeistvuiushchikh tranzistorov [Physics of ultra-high-speed transistors]. Vilnius, "Mokslas" Publ., 1985. 118 p.
3. DiLorenzo J.V., Khandelwal D.D. GaAs FET Principles and Technology. Dedham, MA, Artech House, Inc., 1982. 787 p. (Russ. ed.: Di Lorentso D.V., Kandeluola D.D. Polevye tran-zistora na arsenide galliia. Printsip raboty i tekhnologiia izgo-tovleniia. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1988. 496 p.).
4. Gotra. Z.Iu. Tekhnologiia mikroelektronnykh ustroistv [Microelectronic device technology]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1991. 528 p.
5. Brech H., Grave T., Simlinger T., Selbrherr S. Influence of T-gate shape and footprint length on PHEMT high frequency performance. Siemens AG, Corporate Technology, ZT KM 5, В-81730 Munich, Germany, 1997 IEEE.
6. Stepanenko M.V., Arykov V.S., Iushchenko A.M., Plotnik-ova A.Iu. Ishutkin S.V. Polevoi tranzistor s submikronnym T-obraznym zatvorom, poluchennym s ispol'zovaniem pris-tenochnogo dielektrika [Field effect transistor with submicron T-shaped Schottky gate fabricated by using sidewall dielectric]. Doklady TUSUR - Proceedings of TUSUR, 2014, no. 1(31), pp. 103-105.
7. Lapshinov B.A. Tekhnologiia litograficheskikh protsessov [Technology of lithographic processes]. Moscow, MGIEM Publ., 2011. 95 p.
8. Indykiewicz K., Paszkiewicz B., Szymanski T., Paszkiewicz R. Electron beam lithography double step exposure technique for fabrication on mushroom-like profile in bilayer resist system. Journal of Electrical Engineering, 2014, vol.65, no.6, pp.381-385.
