Formation of nanoscale T-shaped gates using directional angular deposition of thin aluminum films.pdf Введение Транзистор с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor - HEMT) является основным элементом современных микроволновых монолитных интегральных схем (МИС). Наряду с гетероэпитаксиальными слоями, омические и барьерные контакты служат основными элементами транзистора, определяющими совокупность его электрических параметров. Основной характеристикой контактов является их электрическое сопротивление, которое в случае барьерного контакта, т.е. затвора, определяется его длиной. Субмикронные Т-образные затворы в промышленном производстве GaAs МИС традиционно изготавливаются с использованием методов электронно-лучевой литографии в системах с переменным профилем электронного пучка или гауссова пучка. Разрешение этих методов в основном обусловлено высокой энергией электронного пучка: около 50-100 кэВ для получения затворов длиной менее 50 нм. Сложность достижения таких энергий при формировании пучков минимального сечения (порядка 2 нм) приводит к рекордному увеличению стоимости литографического оборудования. Кроме того, эффект рассеяния электронов ограничивает минимальный размер топологических элементов, формируемых в резисте. По этим причинам все большую актуальность приобретает разработка различных косвенных методов, позволяющих формировать Т-образные затворы без использования электронно-лучевой литографии. Наиболее простым из известных косвенных методов получения субмикронного затвора является метод с использованием углового напыления тонких пленок металлизации затвора. К преимуществам данного метода можно отнести возможность создания затворов субмикронного размера с использованием резистивных масок, полученных методами оптической литографии низкого разрешения. Данный метод характеризуется как высокой разрешающей способностью, так и низкой себестоимостью производства. Однако из-за отсутствия возможности формирования наноразмерных затворов Т-образной формы данный метод не нашёл промышленного применения. Основная цель настоящей работы - разработка технологии формирования наноразмерных Т-образных затворов при использовании традиционных методов оптической литографии и направленного углового напыления тонких пленок алюминия. 1. Экспериментальная часть Для проведения экспериментов по формированию макета субмикронного Т-образного затвора с помощью методов оптической литографии и направленного углового напыления тонких пленок, использовались подложки полуизолирующего арсенида галлия (i-GaAs) с ориентацией граней кристаллических решеток (100). Расчет необходимого угла ориентации пластины относительно нормали к поверхности производился с помощью моделирования в программе Silvaco T-CAD. Для учета процесса затенения маской при угловом напылении использовалась модель однонаправленного напыления [1]. Для напыления вторичной маски был изготовлен универсальный держатель пластин диаметром до 100 мм, способный изменять угловое положение пластины относительно потока испаряющегося материала. Перед нанесением резистивной маски пластина подвергалась химической очистке в органическом растворителе метилпирролидона в течение t = 5 мин, промывке в изопропиловом спирте t = 1 мин, с последующей сушкой в потоке азота. После чего для удаления остатков растворителя пластина подвергалась термической обработке при температуре T = 200 °C в течение t = 5 мин. Далее на пластину методом центрифугирования последовательно наносились слои фоторезистов LOR-5B и AZ351B со скоростями υ = 400-1700 об/мин и ускорениями ξ = 400-800 об/мин2. Каждый слой резиста сушился на горячей плите при температурах Т = 190 и 100 °C соответственно. Экспонирование проводилось на установке лазерной литографии Heidelberg DWL 2000 излучением с мощностью P = 24 мВт, длиной волны λ = 405 нм и диаметром луча d = 200 нм. Проявление осуществлялось в MF319 в течение t = 20 с при последующей промывке в деионизованной воде в течение t = 1 мин и сушке в потоке очищенного азота. Размер окна в резисте составил L1 = 800-820 нм (рис. 1). Рис. 1. Первичная фоторезистивная маска LOR-5B и AZ351B на подложке i-GaAs Перед напылением пластина с уже сформированной маской подвергалась очистке от собственных оксидов и поверхностных загрязнений в водном растворе HCl : H2O (1 : 10) в течение времени t = 1 мин с последующей промывкой в деионизованной воде в течение t = 2 мин и сушкой в потоке очищенного азота. Универсальный держатель закреплялся на карусели установки электронно-лучевого напыления, угол фиксировался в диапазоне α = 20-21° путем изменения расстояния h между краем верхней части держателя 1 и краем нижней части 2, в которую устанавливалась пластина (рис. 2). Таким образом, угол влета атомов металла в окна первичной резистивной маски во время напыления также был равен α. Рис. 2. Схема вакуумной камеры с универсальным держателем: 1 - верхняя часть держателя; 2 - нижняя часть держателя с пластиной; 3 - карусель; 4 - электронно-лучевая пушка с испаряемым материалом; 5 - стенки вакуумной камеры Затем вакуумная камера установки напыления откачивалась до остаточного давления p = = (1.2-3.0)•10-6 мбар и проводилось первое напыление тонкой алюминиевой пленки, выполняющей роль вторичной металлической маски (подслоя), толщиной d = 80-100 нм. Алюминий был выбран в качестве материала подслоя, так как он имеет низкий коэффициент диффузии. Кроме того, травитель алюминия характеризуется низкой скоростью травления арсенида галлия. Измерение расстояния h проводилось электронным штангенциркулем, с абсолютной погрешностью Δh = 0.01 мм. Зависимость угла α от расстояния h имеет линейный характер и описывается формулой: (1) где k, b - коэффициенты, подобранные экспериментальным путем. Погрешность угла α будет соответствовать погрешности измеренного расстояния h. Соответственно точность выставления угла составляет 1%. После первого напыления подслоя Al вакуумная камера развакуумировалась, пластина поворачивалась на 180° в плоскости держателя, угол наклона держателя устанавливался в диапазоне β = 18-19°. Затем камера откачивалась и осуществлялось второе напыление подслоя Al толщиной d = 80-100 нм. В результате на пластине была сформирована вторичная металлическая маска. Щель с размером L2 = 25-150 нм определяла длину ножки затвора. Размер шляпы определялся размером L1 первичной фоторезистивной маски. После этого пластина устанавливалась непосредственно в карусель установки напыления и после откачки осуществлялось напыление Т-образного затвора, состоящего из пленок Ti, Mo, Cu с толщинами 80-300 нм. После напыления затворной металлизации проводилось стравливание подслоя Al с использованием травителя на основе оксида хрома, плавиковой кислоты и деионизованной воды. Удаление резистивной маски осуществлялось в метилпирролидоне с последующей промывкой в изопропиловом спирте при температуре T = 60 ºC и сушкой в потоке очищенного азота. Моделирование технологических процессов формирования Т-образного затвора при использовании углового напыления тонких пленок Для определения необходимого угла держателя полупроводниковой пластины была рассчитана формула, связывающая толщину двуслойной фоторезистивной маски и размер окна в верхнем слое резиста с требуемой длиной ножки Т-образного затвора: (2) где α - угол держателя полупроводниковой пластины, град; L1 - размер окна в верхнем слое фоторезистивной маски, нм; hm - общая толщина фоторезистивной маски, нм; Lg - длина ножки Т-образного затвора, нм. На рис. 3 представлено графическое пояснение формулы (2). Рис. 3. Графическое пояснение формулы (2) На рис. 4 показана зависимость длины Т-образного затвора от угла влета атомов металла при толщине резистивного слоя hm = 1.1 мкм и окне в верхнем слое резиста L1 = 820 нм. Рис. 4. Смоделированная зависимость длины ножки затвора от угла влета атомов металла Из рис. 4 видно, что график зависимости Lg = f(α) на участке Lg = 0-200 нм имеет линейный характер и при фиксированном размере окна в резисте зависит только от угла влета атомов. На основании полученных результатов можно утверждать, что изменяя угол влета атомов металла в резистивную маску, можно получать затвор длиной вплоть до физического предела. На рис. 5 представлена модель затвора с длиной ножки Lg = 10 нм. Толщина первого слоя затворной металлизации d1 = 90 нм, второго слоя металлизации d2 = 300 нм. Размер окна в маске резиста L1 = 820 нм. Рис. 5. Модель Т-образного затвора с длиной ножки Lg = 10 нм Рассчитаем зависимость между углами α и β, определяющую симметричное расположение ножки затвора относительно его шляпы. Для расчета примем: L1 = 820 нм, Lg = 100 нм, hm = 1.1 мкм, толщина подслоя d = 80 нм. Подставив значения в формулу (2), получим По результатам моделирования при напылении подслоя толщиной d = 80 нм на боковые стенки осаждается материал толщиной порядка 50 нм. Тогда Соответственно для получения симметричного затвора относительно окна в маске резиста разность между углами должна составлять Полученное выражение было подтверждено при моделировании. 2. Результаты Проведена серия экспериментов для определения минимальной длины ножки, которая может быть сформирована с использованием метода направленного углового напыления пленок алюминия. В результате на полупроводниковой пластине был сформирован Т-образный затвор с минимальной длиной ножки Lg = 25 нм (рис. 6). Рис. 6. Микрофотография затвора с длиной ножки Lg = 25 нм: а - модель затвора; б - результат эксперимента По полученным данным была построена экспериментальная зависимость длины ножки затвора от угла влета атомов (рис. 7). Из рис. 7 видно, что экспериментальная и смоделированная зависимости имеют одинаковый угол наклона. Несовпадение по абсолютным значениям может быть обусловлено миграцией атомов по подложке. Рис. 7. Зависимость длины ножки затвора от угла влета атомов металла: 1 - экспериментальная зависимость; 2 - смоделированная зависимость Исследование электрических параметров по постоянному току GaAs-HEMT с T-образным затвором, сформированным направленным угловым напылением тонких пленок На рис. 8 представлена фотография исследованного GaAs-транзистора. Металлизация омических контактов состояла из пленок Pd/Ge/Al с толщинами 15/150/150 нм соответственно, металлизация затвора - из пленок Ni/Mo/Cu с толщинами 90/20/300 нм соответственно. GaAs-транзистор с высокой подвижностью электронов с Т-образным затвором, полученным с помощью углового напыления, продемонстрировал ток насыщения сток-исток IСИ н = 140 мА/мм, напряжение пробоя затвор-сток, по уровню тока IЗС = 50 мкА, составило UЗС проб = 9 В, напряжение отсечки Uотс = 2 В. Для определения остатков подслоя алюминия под затвором проводилось измерение высоты барьера Шоттки. Значение высоты барьера Шоттки составило φб = 0.75 эВ, что соответствует высоте барьера Ti-GaAs [2]. Рис. 8. Микрофотография исследованного транзистора Таким образом, изготовленный и исследованный транзистор демонстрирует параметры по постоянному току, сравнимые с аналогичными транзисторами с затвором, изготовленным методом электронно-лучевой литографии. Заключение Результаты, полученные в процессе выполнения данной работы: 1. При использовании моделирования технологических процессов в среде T-CAD Silvaco исследовано и установлено, что с помощью метода направленного углового напыления тонких пленок можно получать Т-образные затворы с длинами ножек вплоть до физического предела. 2. Т-образный затвор с длиной ножки Lg = 25 нм был сформирован с использованием метода углового направленного напыления через двухслойную маску с размером окна в верхнем слое резиста L1 = 820 нм. 3. Изготовленный GaAs HEMT с Т-образным затвором, сформированным с использованием углового направленного напыления, продемонстрировал ток насыщения сток-исток IСИ н = = 140 мА/мм; напряжение пробоя затвор-сток, по уровню тока IЗС = 50 мкА, составило UЗС проб = = 9 В, напряжение отсечки Uотс = 2 В.

Скачать электронную версию публикации