CC BY
72
УДК 621.372.544.2
Е.В. Ерофеев, В.А. Кагадей, С.В. Ишуткин, К.С. Носаева, Е.В. Анищенко, В^. Арыков
Разработка бездрагметального GaAs pHEMT-транзистора с субмикронным Т-образным затвором
Приведены результаты разработки полностью бездрагметального GaAs pHEMT-транзис-тора с омическими контактами на основе Cu/Ge и Т-образным затвором Ti/Mo/Cu с длиной основания 150 нм. Разработанный транзистор имел максимальный ток стока 360 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В и максимальную крутизну 320 мСм/мм при напряжении Уси= 3 В. Коэффициент усиления по току составлял 15 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 60 ГГц при Уси = 3 В. Ключевые слова: GaAs, pHEMT, Т-затвор, омический контакт.
Медная металлизация монолитных интегральных схем (МИС) уже на протяжении многих лет широко используется к кремниевой микроэлектронике [1—3]. Однако в технологии GaAs существует лишь несколько работ по использованию меди в составе металлизации [4-6]. К преимуществам медной металлизации по сравнению с традиционной золотой для GaAs микроэлектроники можно отнести повышенную электро- и теплопроводность, а также значительно меньшую стоимость. Замена золотой межэлементной разводки на медную в технологии GaAs pHEMT может в значительной мере повысить быстродействие МИС [7]. К недостаткам меди в GaAs-технологии можно отнести высокую диффузионную способность, где медь, выступая в роли акцепторной примеси, может привести к компенсации проводимости в материале, 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.
В работах [8-10] представлен омический контакт на основе композиции Cu/Ge с низким значением приведенного контактного сопротивления, высокой термостабильностью параметров, гладкой морфологией поверхности контактной площадки, а также низкой стоимостью из-за отсутствия драгоценных металлов. Все это делает перспективным использование омического контакта Cu/Ge в технологии GaAs монолитных интегральных схем.
В данной работе приведены результаты исследований электрических параметров полностью бездрагметального GaAs pHEMT-транзистора с омическими контактами на основе композиции Cu/Ge и субмикронным Т-образным затвором на основе Ti/Mo/Cu.
Транзистор был сформирован на псевдоморфных структурах GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. После формирования изоляции транзистора с помощью мезы методом взрывной литографии формировались омические контакты на основе Cu/Ge (122 нм/78 нм), осажденные с помощью электронно-лучевого испарения в вакууме. Термообработка омических контактов производилась в инертной среде при температуре T = 440 °C в течение t = 3 мин.
Т-образный затвор на основе Ti/Mo/Cu с длиной основания 150 нм был сформирован с использованием электронно-лучевой литографии. Для этого использовалась трехслойная резистивная маска на основе 950 PMMA/LOR 5B/495 PMMA. Каждый слой резиста наносился на подложку методом центрифугирования, с последующей сушкой при температуре 180 °C в течение 5 мин. Экспонирование производилась с помощью системы электронно-лучевой нанолитографии Raith-150TWO с энергией 30 кэВ.
Проявление верхнего слоя 495 PMMA осуществлялось в МИБК:ИПС (1:1) в течение 60 с, среднего слоя LOR 5B - в проявителе MF-319, а нижнего слоя - в МИБК:ИПС (1:3) в течение 30 с, с последующей промывкой в ИПС и сушкой в потоке азота.
Для травления подзатворной области использовался травитель на основе лимонной кислоты. Лимонная кислота (1,5 г) растворялась в 100 мл деионизованной воды, pH раствора подбирался добавлением NH4OH (30%) до значения 6,2. Затем к раствору добавлялось 2% H2O2 (2 мл Щ02:100 мл раствора лимонной кислоты). После приготовления раствор выдерживался в течение 2 ч для установления равновесия в растворе.
Осаждение затворной металлизации на основе Ti/Mo/Cu (20 нм/20 нм/400 нм) производилось методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении атмосферы 5х10-7 торр.
Параметры полученных транзисторов по постоянному току измерялись с помощью Tektronix 370A, исследование S-параметров производилось на измерителе ZVA-40.
На рис. 1 представлено микроскопическое изображение GaAs pHEMT-транзистора с Ti/Mo/Cu затвором с длиной основания 150 нм.
Рис. 1. Микроскопическое изображение GaAs pHEMT-транзистора с Ti/Mo/Cu затвором
с длиной основания 150 нм
На рис. 2 и 3 представлены DC- и RF-параметры разработанного бездрагметального GaAs pHEMT-транзистора.
0 12 3 4
Напряжение, В
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики бездрагметального GaAs pHEMT-транзистора
Длина основания Т-образного затвора ТуМо/Си составила 150 нм при общей ширине затвора 100 мкм. Расстояние исток-сток составляло 3 мкм.
Разработанный бездрагметальный GaAs рНЕМТ-транзистор имел максимальный ток стока 360 мЛ/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В и максимальную крутизну 320 мСм/мм при напряжении Vси= 3 В.
40 35 30 25 20 15 10 5 0
К, дБ
1 и0 _ ""5 в
и3= -0,6 В
Fm 1 30 г г Ц
- г г Ц
<t - ии
1 10
Частота, ГГц
Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления по току (1) и максимального коэффициента усиления (2) от частоты
100
Коэффициент усиления по току составил 15 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 60 ГГц на Уси = 3 В, при максимальной частоте генерации свыше 100 ГГц.
Измеренные DC- и RF-параметры полностью бездрагметального GaAs рНЕМТ-тран-зистора практически не отличаются от параметров аналогичных транзисторов с металлизацией на основе золота.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 13.G25.31.0011 от 07 сентября 2010 г. в порядке реализации постановления № 218 Правительства РФ.
Литература
1. Holloway K. Tantalum as a diffusion barrier between copper and silicon / K. Hollo-way, P. M. Fryer // Appl. Phys. Lett. - 1990. - Vol. 57, №17. - P. 1736-1738.
2. Tantalum as a diffusion barrier between copper and silicon: failure mechanism and effect of nitrogen additions / K. Holloway, P. M. Fryer, C. Cabralet al. // J. Appl. Phys. -1992. - Vol. 71, №. 11. - P. 5433-5444.
3. Yoon D.S. Effect on 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.
4. Thermal stability of Cu/Ta/GaAs multilayers / Ch. Chang-You, L. Chang, E.Y. Chang et al. // Appl. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 77, №21. - P. 3367-3369.
5. Backside copper metallization of GaAs MESFETs / Ch. Chang-You, E.Y. Chang, L. Chang, Ch. Szu-Hun // Electronics Lett. - 2000. - Vol. 36, №15. - P. 1318-1319.
6. Backside copper metallization of GaAs MESFETs using TaN as the diffusion barrier / Ch. Chang-You, E.Y. Chang, L. Chang, Ch. Szu-Hun // IEEE Trans. Electron Devices. -2001. - Vol. 48, № 6. - P. 1033-1036.
7. Use of WNX as the diffusion barrier for copper airbridged low noise GaAs pHEMT / H.C. Chang, E.Y. Chang, Y.C. Lienet al. // Electron. Lett. - 2003. - Vol. 39. - P. 1763.
8. 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, №25. -P. 3245.
9. Oktyabrsky S. Microstructure and 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. 1125.
10. Electrical and microstructural characteristics of GeCu Ohmic contacts to N-type GaAs / M.O. Aboelfotoh, S. Oktyabrsky, J. Narayan, J.M. Woodall // J. Mater. Res. -
1997. - Vol. 12, № 9. - P. 2325-2332.
Ерофеев Евгений Викторович
Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: +7-913-887-60-39
Эл. почта: [email protected]
Кагадей Валерий Алексеевич
Д-р физ.-мат. наук, проф/ каф. Тел.: +7-913-806-40-10 Эл. почта: [email protected]
физической электроники ТУСУРа
Ишуткин Сергей Валерьевич
Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: +7-923-482-68-02
Эл. почта: [email protected]
Носаева Ксения Сергеевна
Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: +7-923-414-04-11
Эл. почта: [email protected]
Анищенко Екатерина Валентиновна
Ведущий инженер ЗАО «НПФ Микран» Тел.: +7-913-823-00-23 Эл. почта: [email protected]
Арыков Вадим Станиславович
Зам. главного технолога ЗАО «НПФ Микран»
Тел.: +7-903-953-10-37
Эл. почта: [email protected]
Erofeev E.V., Kagadei V.A., Ishutkin S.V., Nosaeva K.S., Anichenko E.V., Arykov V.S. Design of non-precious metals GaAs pHEMT with submicron length T-shape gate
The design results of completely Cu-metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge based ohmic contacts and 150 nm T-shape Ti/Mo/Cu gate are presented. The designed Cu-metalized pHEMT has a maximum drain current of 360 mA/mm, off-state gate-drain breakdown of 7 V, and transconductance maximum value of 320 mS/mm at VDS = 3V. The maximum stable gain value was about 15 dB at frequency 10 GHz. The current gain cut-off frequency of the copper metalized device was about 60 GHz at Vds = 3 V, and maximum frequency of oscillations was beyond 100 GHz. Keywords: GaAs, pHEMT, T-gate, Ohmic contact.
