CC BY
125
УДК 621.372.544.2
Е.В. Ерофеев, А.И. Казимиров
Разработка GaAs СВЧ-транзисторов с металлизацией на основе Al и Cu
Приведены результаты разработки GaAs pHEMT (pseudomorphic high electron mobility transistor - псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов) с Г-образным затвором длиной 150 нм и металлизацией на основе Al и Cu. GaAs pHEMT с омическими контактами на основе Pd/Ge/Al и Г-образным затвором на основе Ti/Al имел максимальный ток стока по отношению к единице длины затвора Idss = 320 мЛ/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В и максимальную крутизну вольт-амперной характеристики (ВАХ) gm = 400 мСм/мм. Коэффициент усиления по току составлял 17,3 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 80 ГГц при напряжении сток-исток иСИ = 2 В. GaAs pHEMT с омическими контактами на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Г-образным затвором на основе Ti/Mo/Cu имел максимальный ток стока по отношению к единице длины затвора Idss = 240 мЛ/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В и максимальную крутизну ВАХ gm = 440 мСм/мм при напряжении сток-исток иСИ = 1,5 В. Коэффициент усиления по току составлял 18,8 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота в режиме усиления по току достигала 100 ГГц, а максимальная частота усиления по мощности выше 100 ГГц при напряжении сток-исток иСИ = 1,5 В.
Ключевые слова: GaAs, pHEMT, Г-образный затвор, омический контакт, медь, алюминий.
В настоящее время в технологии изготовления GaAs pHEMT наиболее распространенными омическими контактами (ОК) к активным областям стока-истока транзистора являются контакты на основе многослойной композиции Ge/Au/Ni [1], а в качестве барьерного контакта (БК) повсеместно используется трехслойная металлизация Ti/Pt/Au. В кремниевой технологии драгоценные металлы не применяются вообще, а для создания металлизации ранее использовался Al, вместо которого сегодня с успехом применяют Cu [2, 3]. По сравнению с Au Cu имеет большую теплопроводность, а также меньшее удельное сопротивление, причем как Cu, так и Al характеризуются существенно меньшей стоимостью. Поэтому в технологии GaAs СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем на их основе переход к металлизации на основе этих металлов должен позволить повысить технические характеристики изделий и уменьшить себестоимость их производства.
Альтернативой ОК Ge/Au/Ni могут послужить контакты на основе Pd/Ge/Cu. К преимуществам контакта Pd/Ge/Cu по сравнению с Ge/Au/Ni аналогом можно отнести пониженное значение слоевого сопротивления, а к недостаткам - пониженную термостабильность электрических параметров контакта, вследствие проникновения быстро диффундирующих атомов меди в GaAs, где они, выступая в роли акцепторной примеси, приводят к компенсации носителей заряда в материале.
В работах [4-6] для лимитирования процессов диффузии Cu из верхнего слоя в нижележащие слои между слоями ОК и верхним проводящим слоем меди был использован дополнительный слой диффузионного барьера на основе пленок тугоплавких материалов Cr, Mo,W, Pt, WNx и др.
В работе [4] был исследован ОК на основе Pd/Ge/Cr/Cu к «+-GaAs. Слой Cr толщиной 40 нм был использован в качестве диффузионного барьера для Cu. Минимальное значение приведенного контактного сопротивления ОК Pd/Ge/Cr/Cu, измеренное методом линий передачи, составило (5,1±0,6)-10-7 Ом-см2 после отжига при температуре Т = 350 °С в течение t = 10 мин. Параметры контакта оставались стабильными при температурах отжига вплоть до Т = 350 °С. Однако отжиг при Т > 400 °С приводил к реакции меди с нижележащими слоями с образованием высокоомных фаз Cu3Ga, Cu3As, Cu9Ga4 и Cr3Ge, что приводило к росту приведенного контактного и слоевого сопротивлений, а также деградации электрических параметров омического контакта.
В работе [5] был использован омический контакт на основе Pd/Ge/Mo/Cu к «+-GaAs при изготовлении гетеробиполярного транзистора. Согласно данным рентгеновской микроскопии, дифракционного анализа и просвечивающей электронной микроскопии омический контакт на основе Pd/Ge/Mo/Cu демонстрировал стабильные значения приведенного контактного сопротивления даже
после отжига при Т > 400 °C, что свидетельствует о перспективности использования ОК с Cu в технологии изготовления полупроводниковых приборов.
Известно [7], что введение в состав ОК на основе AuGe тонкой пленки Ni позволяет улучшить поверхностную морфологию контакта, а также его электрические параметры. Можно предположить, что если в конструкцию ОК Pd/Ge/Mo/Cu добавить пленку Ni, то Pd/Ni/Ge/Mo/Cu контакт будет демонстрировать меньшее контактное сопротивление и лучшую морфологию поверхности контактной площадки. Однако в настоящее время в литературе нет работ, посвященных исследованию данных омических контактов на основе Cu.
Известно [8], что БК на основе Ti/Al с успехом используются в технологии изготовления pHEMT. Однако в настоящее время в литературе нет работ, посвященных исследованию ОК с металлизацией на основе Al.
В настоящей работе исследуются параметры ОК на основе Pd/Ge/Mo/Cu, Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Pd/Ge/Al к n -GaAs; проводится исследование электрических параметров по постоянному току и СВЧ-сигналу изготовленных pHEMT c металлизацией ОК на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Pd/Ge/Al и Т-образными затворами на основе Ti/Mo/Cu и Ti/Al.
Методика эксперимента. Транзисторы были сформированы на структурах
GaAs/AlGaAs/InGaAs, полученных с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. После формирования изоляции транзистора с помощью мезы методом взрывной литографии формировались ОК Pd/Ni/Ge/Mo/Cu (толщины слоев - 15/10/150/50/150 нм соответственно) и Pd/Ge/Al (15/150/150 нм), осажденные с помощью электронно-лучевого испарения в вакууме. Термообработка ОК производилась при температурах T = 250 и 350 °C в течение t = 3 мин в вакууме.
Т-образные затворы на основе Ti/Mo/Cu и Ti/Al с длинами оснований 150 нм были сформированы с использованием электронно-лучевой литографии. Для этого использовались трехслойные резистивные маски 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 производилось с помощью системы электронно-лучевой нанолитографии Raith-150TWO с энергией 30 кэВ и диаметром электронного луча 2 нм.
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 подзатворных областей 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 H2O2:100 мл раствора лимонной кислоты).
Осаждение затворных металлизаций на основе Ti/Mo/Cu (25/25/400 нм) и Ti/Al (50/370 нм) производилось методом электронно-лучевого испарения в вакууме при остаточном давлении атмосферы 5-10-7 Торр.
Исследование морфологии поверхности ОК производилось с помощью сканирующей электронной микроскопии, величина приведенного контактного сопротивления ОК измерялась с помощью метода линий передач (точность измерений составляла ~10%). Параметры транзисторов по постоянному току исследовались при использовании измерителя параметров полупроводниковых приборов HP4156A, а по СВЧ-сигналу - на векторном анализаторе цепей ZVA-40.
Результаты работы. На рис. 1 представлена зависимость величины приведенного контактного сопротивления (р) ОК на основе Pd/Ge/Mo/Cu, Pd/Ni/Ge/Mo/Cu (а) и Pd/Ge/Al (б) к n+-GaAs (n = 5-1018 см3) от температуры термообработки в вакууме в течение времени t = 3 мин.
Как свидетельствуют результаты, представленные на рис. 1, ОК на основе Pd/Ge/Mo/Cu достигает минимальной величины контактного сопротивления р = 1-10-6 Ом-см2 после термообработки при T = 350 °С в течение t = 3 мин в вакууме. Полученные результаты полностью коррелируют с результатами работы [5], в которой оптимальная температура термообработки Pd/Ge/Mo/Cu (15/150/50/150 нм) омического контакта, соответствующая минимальному значению приведенного контактного сопротивления, также составила T = 350 °С.
ОК на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu демонстрировал в 1,5 раза меньшую величину приведенного контактного сопротивления (р = 7-10-7 Ом-см2) по сравнению с Pd/Ge/Mo/Cu омическим контактом.
ОК Р^Ое/А1 достигает минимальной величины контактного сопротивления р = 1,3-10-6 Ом-см2 после термообработки при Т = 250 °С в течение ґ = 3 мин. Дальнейшее увеличение температуры термообработки приводит к монотонному росту величины р.
а б
Рис. 1. Зависимость приведенного контактного сопротивления ОК на основе Р^ве/Мо/Си, Pd/Ni/Ge/Mo/Cu (а) и Р^ве/А1 (б) к и+-ОаАє (п = 5-1018 см3) от температуры термообработки в вакууме
(ґ = 3 мин)
На рис. 2 представлены микроскопические изображения поверхностей ОК Pd/Ge/Mo/Cu, Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Pd/Ge/A1 после термообработки при Т = 250 и 450 °С в течение ґ = 3 мин в вакууме.
Рис. 2. Микроскопические изображения поверхностей ОК на основе Pd/Ge/Mo/Cu (а, б), Pd/Ni/Ge/Mo/Cu (в, г) и Pd/Ge/A1 (д, е) после термообработки при 250 °С (а, в, д) и 450 °С (б, г, е) в вакууме (Ґ = 3 мин)
Из рис. 2 видно, что ОК Pd/Ni/Ge/Mo/Cu имеет гладкую морфологию поверхности контактной площадки в широком диапазоне использованных температур отжига в отличие от аналога на основе Pd/Ge/Mo/Cu, что может свидетельствовать о высокой термической стабильности параметров контакта при его последующей эксплуатации.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований показано, что введение в состав металлизации ОК Pd/Ge/Mo/Cu пленки № толщиной 10 нм позволяет уменьшить минимальное значение приведенного контактного сопротивления в 1,5 раза, а также улучшить морфологию поверхности контакта.
Из результатов, представленных на рис. 2, видно, что контакт на основе Pd/Ge/Al демонстрирует гладкую морфологию поверхности во всем диапазоне использованных температур отжига, что может свидетельствовать о высокой термической стабильности параметров контакта при его последующей эксплуатации.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о перспективности использования ОК на основе Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Pd/Ge/Al в технологии изготовления GaAs-транзисторов.
На рис. 3 представлены микроскопические изображения GaAs pHEMT с Pd/Ni/Ge/Mo/Cu ОК и Ti/Mo/Cu Г-образным затвором (а) и с ОК на основе Pd/Ge/Al и (б) Г-образным затвором. Дли-
ны затворов обоих транзисторов составляли 150 нм.
Рис. 3. Микроскопические изображения поперечного сечения транзисторов с ОК Pd/Ni/Ge/Mo/Cu и Ті/Мо/Си Т-образным затвором (а) и с ОК Pd/Ge/Al и ТІ/А1 Т-образным затвором (б)
На рис. 4 представлены измеренные параметры GaAs рНЕМТ с металлизациями на основе Си и А1 по постоянному току и СВЧ-сигналу.
Разработанный GaAs рНЕМТ с металлизацией на основе Си и суммарной шириной затвора 200 мкм имел максимальный ток стока по отношению к единице длины затвора = 240 мА/мм, максимальную крутизну ВАХ gm = 440 мСм/мм при напряжении иСИ = 1,5 В и напряжение пробоя затвор-сток 7 В. Коэффициент усиления по току составил 18,8 дБ на частоте 10 ГГц. При напряжении сток-исток иСИ = 1,5 В максимальная частота усиления по току составляла 100 ГГц, а максимальная частота усиления по мощности - выше 100 ГГц.
Напряжение, В Напряжение, В
Рис. 4 (начало)
Частота, ГГц Частота, ГГц
Рис. 4 (окончание). ВАХ (а, б) и зависимость коэффициента усиления по току (1) и максимального коэффициента усиления (2) от частоты (в, г) pHEMT с металлизациями на основе Cu (а, в) и Al (б, г)
PHEMT с металлизацией на основе Al демонстрирует максимальный ток стока по отношению к единице длины затвора Idss = 320 мА/мм, максимальную крутизну ВАХ gm = 400 мСм/мм при напряжении иСИ = 2 В и напряжение пробоя затвор-сток 7 В. Коэффициент усиления по току составил 17,3 дБ на частоте 10 ГГц. Максимальная частота усиления по току составляла 80 ГГц при
иси = 2 В.
На основании представленных результатов можно констатировать, что параметры разработанных транзисторов с высокой подвижностью электронов с металлизацией на основе Al и Cu не уступают аналогам на основе Au, известным из литературы. При этом рыночная стоимость Au сегодня в тысячи раз превышает стоимость Cu и Al. Следовательно, отказ от использования Au в составе металлизации pHEMT в пользу Cu или Al может снизить стоимость используемых материалов на 10% и более.
Заключение. В работе были разработаны GaAs pHEMT с металлизацией на основе Al и Cu. Транзистор с металлизацией на основе Cu демонстрировал ток насыщения сток-исток по отношению к единице длины затвора Idss = 240 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В, крутизну ВАХ gm = 440 мСм/мм, коэффициент усиления по току составил 18,8 дБ на частоте 10 ГГц. При напряжении сток-исток иси = 1,5 В максимальная частота усиления по току составляла 100 ГГц, а максимальная частота усиления по мощности - выше 100 ГГц.
PHEMT на основе Al металлизации демонстрировал ток насыщения сток-исток по отношению к единице длины затвора Idss = 320 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток 7 В, крутизну ВАХ gm = 400 мСм/мм, коэффициент усиления по току для транзисторов с суммарной шириной затвора 200 мкм составил 17,3 дБ на частоте 10 ГГц, частота отсечки при иси = 2 В и U3C = -0,4 В составила 80 ГГц.
Полученные результаты позволяют рассматривать Al и Cu металлизации pHEMT как перспективную замену Au при промышленном производстве СВЧ GaAs монолитных интегральных схем.
Авторы работы выражают благодарность коллективу научно-образовательного центра по нанотехнологиям при ТУСУРе за помощь и обсуждение результатов.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Carl Zeiss и У.М.Н.И.К. фонда Бортника, Министерства образования и науки РФ в соответствии с гос. контрактом №14.740.11.1432 от 03.11.2011 по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», а также договором 74/10 в порядке реализации Постановления № 218 Правительства РФ.
Литература
1. Bruce R.A. An Improved AuGeNi Ohmic Contact to n-type GaAs / R.A. Bruce, G.R. Piercy // Solid St. Electron. - 1987. - Vol. 30, № 7. - P. 729-737.
2. Tantalum as a Diffusion Barrier Between Copper and Silicon: Failure Mechanism and Effect of Nitrogen Additions / K. Holloway, P.M. Fryer, C. Cabral et 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. Novel Cu/Cr/Ge/Pd Ohmic Contacts on Highly Doped и-GaAs / C.W. Chang, Y.Y. Wong, T.L. Hsiehm et al. // Journal of Electronic materials. - 2008. - Vol. 37, № 6. - P. 901-904.
5. Chang C.W. New Cu/Mo/Ge/Pd Ohmic Contacts on Highly Doped и-GaAs for InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors / C.W. Chang, T.L. Hsieh, E.Y. Chang // Jpn. J. Appl. Phys. - 2006. -№ 45. - P. 9029-9032.
6. Пат. № 7 368 822 ОТА; опубл. 06.05.2008.
7. Lin H.C. Sidat Senanayake, Keh-Yung Cheng . Optimization of AuGe-Ni-Au Ohmic Contacts for GaAs MOSFETs /H.C. Lin, S. Senanayake, K.Y. Cheng // IEEE Transactions on Electron Devices. -2003. - Vol. 50, № 4. - P. 880-885.
8. Improvement of 0,1 ^m-gate InGaAs/AlGaAs HEMT Performance by Suppression of ElectroChemical Etching in Deionized Water / T. Ohshima, R. Shigemasa, M. Sato et al. // Solid State Electron. -1999. - Vol. 43, № 8. - P. 1519-1526.
Ерофеев Евгений Викторович
Инженер-технолог I 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
Erofeev E.V., Kazimirov A.I.
The fabrication of GaAs Cu- and Al-metalized high electron mobility transistors
The Au free fully Cu-metalized GaAs pHEMT using developed Pd/Ni/Ge/Mo/Cu based ohmic contacts and Ti/Mo/Cu 150 nm T-shape gate has been successfully fabricated for the high-frequency applications. The fabricated Cu-metalized pHEMT has a maximum drain current of 240 mA/mm, off-state gate-drain breakdown of 7 V and a transconductance peak of 440 mS/mm at Uds = 1,5 V The maximum stable gain value was about 18,8 dB at frequency 10 GHz. The current gain cut-off frequency of the copper metalized device is about 100 GHz at Uds = 1,5 V.
The Au free fully Al-metalized GaAs pHEMT using developed Pd/Ge/Al based ohmic contacts and Ti/Al 150 nm T-shape gate has been successfully fabricated for the high-frequency applications. The fabricated Al-metalized pHEMT has a maximum drain current of 320 mA/mm, off-state gate-drain breakdown of 7 V and a transconductance peak of 400 mS/mm at UDS = 2 V. The maximum stable gain value was about 17,3 dB at frequency 10 GHz. The current gain cut-off frequency of the copper metalized device is about 80 GHz at Uds = 2 V.
Keywords: GaAs, pHEMT, ohmic contacts, T-shape gate, copper, aluminium.
