InAlN/GaN hemt plasma etching.pdf Введение Полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе гетероструктур (InAlGa)N/GaN обладают большим потенциалом для применения в мощных усилителях СВЧ-диапазона. HEMT на основе AlGaN/GaN гетероструктур широко применяются в усилителях сантиметрового диапазона длин волн. В настоящее время разработкам HEMT на основе GaN для миллиметрового диапазона длин волн посвящено большое внимание в литературе. Уменьшение длины затвора (Lg) до нескольких десятков нанометров является основным способом увеличения рабочей частоты транзисторов, однако оно приводит к повышению напряженности электрического поля в канале и необходимости пропорционального уменьшения толщины широкозонного слоя из-за появления короткоканальных эффектов [1]. Гетероструктуры на основе InAlN/GaN и AlN/GaN имеют более высокую по сравнению с AlGaN/GaN концентрацию электронов в 2DEG [2- 5]. Благодаря этому, в гетероструктурах InAlN/GaN можно уменьшить толщину широкозонного слоя InAlN, сохраняя высокую плотность тока транзистора [6], что позволяет в HEMT на гетероструктурах InAlN/GaN получить высокие значения выходной мощности в мм-диапазоне длин волн [7]. Уменьшение Lg и расстояния затвор - канал влечет за собой необходимость изменения режимов электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) и плазменного травления - ключевых процессов, использующихся при формировании затворов. Плазменное травление в технологии затворов GaN HEMT Для повышения устойчивости металлизации затвора его нижнюю часть часто формируют через щель в Si3N4. В этом случае после осаждения Si3N4, методом ЭЛЛ формируется щель в резисте, а затем плазменным травлением рисунок в резисте переносится в Si3N4. Процесс плазменного травления должен обеспечивать максимальную анизотропию и селективность травления (соотношения скоростей травления резиста и Si3N4) при минимальной деградации электрофизических параметров гетероструктуры. Гетероструктуры с небольшим расстоянием затвор - канал в ходе плазменного травления оказываются под более сильным воздействием бомбардировки ионами плазмы, что приводит к деградации электрофизических параметров двумерного электронного газа (2DEG) в канале транзистора [8]. Основными методами травления, используемыми для формирования затворной щели в транзисторах, являются реактивное ионное травление (RIE) и реактивное ионное травление c индуктивно-связанной плазмой (ICPRIE). Для очистки поверхности используется режим плазменного травления (PE). Для травления Si3N4 используются содержащие фтор газы: SF6, CHF3 и ряд других, в состав газовой смеси добавляют O2, Ar, He или N2 [9-11]. Содержащие углерод газы легко образуют полимеры на боковой поверхности травящейся щели, что способствует повышению анизотропии процесса травления, поэтому для предотвращения маскировки дна щели полимерами в газовую смесь часто добавляют кислород. Низкая селективность травления электронных резистов ограничивает возможность получения щелей с высоким аспектным соотношением. Для процессов в SF6-плазме селективность травления Si3N4 относительно резистов на основе PMMA составляет примерно 0.5, в то время как в плазме содержащих углерод газов она может быть равна 2-3 [12]. Использование стойких к плазме электронных резистов ZEP520 и CSAR62 позволяет снизить (по сравнению с РММА) скорость травления [13]. Из-за низкой селективности для травления суб-100-нм щелей в Si3N4 необходимо использовать резист толщиной 300- 500 нм. Аспектное соотношение высоты к ширине щели при этом находится в диапазоне 3-7, что приводит к снижению скорости травления в узких щелях Si3N4. Для полного удаления Si3N4 в щели затвора приходится добавлять 20-30 % к времени, необходимому для травления Si3N4. Процесс травления должен обеспечивать минимальную деградацию электрофизических параметров 2DEG за это время. Подготовка образцов для экспериментов и методы их исследования Гетероструктуры InAlN/GaN были выращены методом MOVPE на подложках SiC и Al2O3. Эпитаксиальные слои включали в себя зародышевый слой AlN, изолирующий буферный слой, промежуточный слой AlN толщиной 1 нм, слой InAlN и осажденный in situ Si3N4 толщиной 5 нм. Подвижность и слоевая концентрация электронов в 2DEG составили около 1100 см2/(В•с) и 2.1- 2.5 см-3 соответственно. Межприборная изоляция осуществлялась ионной имплантацией бора. Омические контакты формировались на основе металлизации Ti/Al/Mo/Au с последующим быстрым термическим отжигом. Для формирования ножки Т-образного затвора на поверхность гетероструктуры был осажден Si3N4 толщиной 100 нм. В процессе ЭЛЛ использовались РММА950K и плазмостойкий ARP-6200 (CSAR62). Деградация 2DEG в образцах определялась по изменению Rs в тестовых элементах и тока насыщения в транзисторах. Плазменное травление проводилось в ICPRIE и RIE режимах. Контроль размеров щели в Si3N4 осуществлялся в сканирующем электронном микроскопе Raith 150TWO. Влияние плазменной обработки на параметры HEMT Рис. 1. Влияние ВЧ-мощности при плазменной обработке поверхности в O2 (РE) и Ar (ICPRIE) на Rs и Ids в InAlN/GaN HEMT. Нулевой мощности и смещению соответствуют параметры до обработки В HEMT диапазона 30-90 ГГц Lg = 50-150 нм, а соотношение между Lg и расстоянием затвор - канал должно быть больше, чем 10:1 [1, 14]. Процессы плазменного травления, предназначенные для формирования СВЧ-транзисторов мм-диапазона, должны позволять перенести размер 50- 150 нм в маске резиста в слой Si3N4 без значительной деградации расположенного на расстоянии всего 5-10 нм от поверхности 2DEG. Параметрами процесса RIE, в наибольшей степени влияющем на деградацию 2DEG, являются мощность, подводимая к плазме, и газовый состав плазмы. Оба в значительной степени определяют напряжение смещения в плазме - параметр процесса, связанный с ионной компонентой травления. Чувствительность 2DEG в InAlN/GaN HEMT к ионной обработке поверхности проявляется при очистке поверхности в O2-плазме - процессе, применяемом на всех стадиях изготовления HEMT для удаления остатков фоторезиста. Влияние на слоевое сопротивление (Rs) 2DEG и плотность тока (Ids) в InAlN/GaN HEMT ВЧ-мощности при 2-минутной плазменной обработке в O2 для PE-режима (рис. 1, а), а также влияние на Rs и Ids напряжения смещения при 1-минутной обработке в Ar для ICPRIE- плазмы (рис. 1, б) показывают, что для плазменных процессов на InAlN/GaN-гетероструктурах с тонким барьерным слоем могут быть использованы только режимы с небольшой мощностью и смещением. При напряжении смещения менее 10 В обработка в SF6-плазме в течение 1 мин увеличивает слоевое сопротивление InAlN/GaN-гетероструктуры на 10 % (рис. 2). Селективность травления для резистов РММА950K и ARP-6200 для всех выбранных режимов была около 0.45 и 0.7 соответственно. Рис. 2. Зависимость слоевого сопротивления InAlN/GaN-гетероструктуры и селективность трав¬ления PMMA/Si3N4 от напряжения смещения для RIE в SF6. Нулевому смещению соответствуют параметры структуры до травления Влияние параметров ICPRIE-травления в смеси CHF3/SF6/Ar на Rs и плотность тока транзистора носит более сложный характер. Увеличение ВЧ-мощности, подаваемой как на RF-, так и на ICP-электрод, приводят к росту Rs. Такой же эффект имеет увеличение потока аргона. Рост Rs становится меньше 5 % при низких (менее 10 % от общего потока) потоках аргона либо при соотношении мощностей ICP/RIE больше 20. Однако нахождение CHF3 в газовой смеси не позволяет сильно снижать ионную компоненту травления из-за вероятности полимеризации дна щели. В таблице приведены размеры элементов топологии после проявления резиста и после травления процессов щели в Si3N4. Несмотря на более высокую селективность травления, травление в режиме ICPRIE в смеси CHF3/SF6/Ar приводит к значительному и пропорциональному (≈ 40 %) увеличению всех топологических размеров. Напротив, RIE в SF6 приводит к незначительному увеличению суб-100-нм размеров (4 %) и более значительному изменению остальных элементов топологии (на 15-25 %). Изменение размеров элементов топологии Операции Размер элементов топологии, нм Проявление резиста 76 105 130 RIE в SF6 80 120 163 ICPRIE в CHF3/SF6/Ar 110 145 185 При использовании режима RIE в SF6 со смещением 8 В и маски из ARP-6200 были изготовлены HEMT с длиной основания затвора 60 и 100 нм (рис. 3). Рис. 3. Затворные щели в Si3N4 шириной 60 нм (а) и 100 нм (б), полученные при RIE в SF6 Обсуждение результатов экспериментальных данных Для успешного изготовления InAlN/GaN HEMT необходимо уменьшать время и мощность плазменного воздействия на 2DEG даже для таких стандартных процессов микроэлектронной технологии, как очистка в кислородной плазме. Процесс RIE Si3N4 в SF6-плазме с низким напряжением сочетает высокую анизотропию травления, небольшой рост слоевого сопротивления, а также приемлемую селективность. Использование CHF3 и Ar для травления затворных щелей в них приводит к пропорциональному увеличению размеров топологических элементов, что ограничивает возможность их применения для формирования затворных щелей с суб-10-нм размерами. Улучшение анизотропии для этого процесса затруднительно из-за ограничений, накладываемых чувствительностью гетероструктур InAlN/GaN к ионной бомбардировке и нестабильности ICP-плазмы при малых мощностях. Проведенные эксперименты показали, что для процессов RIE в SF6, а также для смеси Ar/CHF3/SF6, необходимо выбирать режимы с низкой ВЧ-мощностью. Заключение Исследовано влияние плазмы на слоевое сопротивление 2DEG в гетероструктурах InAlN/GaN с толщиной барьерного слоя равной 6 нм. Продемонстрирована возможность формирования затвора длиной 60 нм в слое Si3N4 толщиной 105 нм. Разработанный процесс травления щелей в нитриде кремния с суб-100-нм размерами можно использовать для формирования затворов гетероструктурных транзисторов с тонким (менее 7 нм) барьерным слоем без внесения дефектов, приводящих к значительной (более 10 %) деградации электрофизических параметров материала.

Скачать электронную версию публикации