МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 6, с. 428-436
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
УДК 621.382.032.27
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ GaAs МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ С МЕДНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ ЛИЦЕВОЙ СТОРОНЫ © 2015 г. С. В. Ишуткин1, В. А. Кагадей*, Е. В. Ерофеев*, Е. В. Анищенко*, B. C. Арыков*
Научно-исследовательский институт систем электрической связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники *ЗАОНаучно-производственная фирма "Микран" E-mail: ishsv@mail.ru Поступила в редакцию 14.11.2014 г.
Представлены конструктивно-технологические решения по формированию GaAs СВЧ монолитной интегральной схемы (МИС) с металлизацией лицевой стороны на основе меди. В качестве металлизации омических и затворных контактов транзисторов с высокой подвижностью электронов использовались многослойные композиции Pd/Ge/Al/Mo и Ti/Al/Mo соответственно. Металлизация первого уровня была выполнена на W/Cu/WNX. Металлизация второго уровня формировалась методом электрохимического осаждения меди, в качестве подслоя для осаждения была использована пленка Ti/Cu. Пленки SixNy использовались для формирования межуровневого диэлектрика и диэлектрика конденсаторов. Для защиты пленок меди от воздействия внешней среды лицевая сторона МИС покрывалась пленкой бензоциклобутена (ВСВ) толщиной 5 мкм. Металлизация обратной стороны была выполнена пленкой Ni/Au общей толщиной 3 мкм. Разработанные конструктивно-технологические решения были апробированы на примере монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя, выполненного на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов, с длиной затвора 250 нм. Изготовленная СВЧ МИС в диапазоне частот 8—10 ГГц имела коэффициент усиления 28 ± 1 дБ, коэффициент шума не превышал 2 дБ.
DOI: 10.7868/S0544126915060046
1. ВВЕДЕНИЕ
Сверхвысокочастотные ОаАз монолитные интегральные схемы (СВЧ GaAs МИС) традиционно изготавливаются с металлизацией омических и барьерных контактов, а также металлизацией разводки на основе пленок золота. Известно [1—8], что в ОаАя МИС металлизация на основе Си может с успехом заменить металлизацию на основе Аи за счет лучших электрофизических параметров меди — более высоких проводимости и теплопроводности. Кроме этого, за счет низкой стоимости Си можно ожидать и снижение себестоимости изготовления ОаАз МИС. Задача промышленного производства ОаАз МИС с медной металлизацией на традиционных арсенидгаллиевых технологических линиях до сегодняшнего дня не решена. Во многом это обусловлено тем, что Си является быст-родиффундирующей примесью, а в ОаАя еще и примесью ^-типа проводимости [9]. В результате при переходе на медную металлизацию технология изготовления ОаАз МИС должна быть модернизирована таким образом, чтобы обеспечить формирование диффузионных барьеров, эффективно препятствующих диффузии меди. Задел, имею-
щийся в этом направлении в кремниевой микроэлектронике (дамасский или двойной дамасский процесс изготовления многоуровневой медной металлизации), не может быть впрямую использован в GaAs микроэлектронике, так как металлизации GaAs МИС изготавливаются с применением других технологических процессов.
К настоящему времени опубликован ряд работ, посвященных разработке различных технологических блоков маршрута изготовления GaAs МИС с медной металлизацией. Во всех этих работах в качестве основы была использована традиционная технология GaAs МИС с Аи металлизацией, но конструкция элементов и технологические блоки изготовления МИС были модернизированы таким образом, чтобы нивелировать недостатки применения меди. Так, в работах [2, 6, 10—11] описаны различные варианты транзистора с омическими контактами на основе Pd/Ge/Cu [2], Cu/Ge [10], Pd/Ge/Al/Ti [6] и затвором на основе Ti/Mo/Cu [10], Ti/Al/Ti [6], Ti/Mo/CuGe [11]. В работах [2-8, 12-14] представлены технологические блоки изготовления металлизации первого [4, 6, 12] и второго [2, 3, 5] уровней, а также металлизации об-
ратной стороны пластины [7—8, 13—14] на основе меди. Интеграция технологических блоков, разработанных в различных работах, в единый маршрут изготовления ОаАз МИС не является процессом простого сложения и требует, с одной стороны, разработки оптимальной конструкции элементов МИС, а с другой, учета влияния предыдущих операций технологического маршрута на результат последующих.
Настоящая работа посвящена разработке конструктивно-технологических решений формирования элементов ОаАз СВЧ МИС малошумящего усилителя (МШУ) на основе транзистора с высокой подвижностью электронов с длиной затвора 250 нм, с металлизацией лицевой стороны на основе меди, а также разработке и апробации технологического маршрута ее изготовления.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах были использованы полуизолирующие пластины ОаАз, на поверхности которых методом молекулярно-лучевой эпитаксии была выращена гетероструктура А1ОаАз/1пОаАз/А1ОаАз. Формирование элементов МИС проводилось с использованием методов контактной и электроннолучевой литографий.
Формирование межэлементной изоляции активных элементов МИС выполнялось посредством жидкостного травления ОаАз меза-структуры в растворе Н3РО4 : Н2О2 : Н2О. В качестве металлизации омических контактов транзисторов с высокой подвижностью электронов была использована многослойная тонкопленочная композиция Рё/Ое/А1/Мо, осаждаемая методом электроннолучевого испарения. Отжиг омических контактов проводился на горячей плите в диапазоне температур 200—450°С в течение 5—20 мин. Т-образные затворы транзисторов на основе трехслойной композиции И/А1/Мо имели длину основания 250 нм и осаждались методом электронно-лучевого испарения.
Металлизация первого уровня и металлизация нижней обкладки конденсатора изготавливалась из тонкопленочной композиции W/Cu/WNX с толщинами слоев 40/380/50 нм. Слои планарных и торцевых W и WNX диффузионных барьеров формировались с помощью магнетронного распыления вольфрамовой мишени в газовой среде аргона в DC режиме, а также в среде аргона и азота в импульсном DC режиме соответственно. Слой Си осаждался методом направленного электроннолучевого испарения.
Металлизация второго уровня формировалась методом электрохимического осаждения пленки Си толщиной 3 мкм из электролита Си804 : Н2804 (100 : 70 г/л) на постоянном токе, а также в ре-
версном режиме. Плотность тока варьировалась в диапазоне 0.05—0.5 мА/мм2. В реверсных режимах частота реверса менялась в диапазоне 0.1—100 Гц, а соотношение длительности приложения прямого тока к длительности обратного тока варьировалось от 9 : 1 до 6 : 4. В качестве подслоя для электрохимического осаждения Cu была использована двухслойная композиция Ti/Cu, получаемая методом электронно-лучевого испарения, с толщинами слоев 30 и 80 нм соответственно. Шероховатость поверхности тонких пленок оценивалась визуально.
Тонкопленочные резисторы формировались магнетронным распылением мишени из сплава РС5406Н в среде аргона на постоянном токе.
Для формирования диэлектрика конденсатора, обеспечения межуровневой изоляции, а также для пассивации элементов МИС использовались пленки SixNr Окна в диэлектрической пленке к нижележащим элементам МИС формировались методом реактивно-ионного травления в индуктивно-связанной плазме. Финальная пассивация поверхности МИС была выполнена пленкой ВСВ толщиной 5 мкм.
Для формирования обратной стороны МИС пластина утонялась до толщины 100 мкм. Формирование сквозных отверстий производилось методом реактивно-ионного травления в индуктивно-связанной плазме. Металлизация обратной стороны пластины выполнялась на основе пленок Ni и Au, осажденных химическим и электрохимическим методами соответственно. Общая толщина металлизации составляла 3 мкм.
Микроскопические изображения элементов МИС получались с помощью сканирующей электронной микроскопии. Измерение малосигнальных параметров МИС проводилось на пластине с помощью зондовой станции Suss-PA200 с использованием векторного анализатора цепей Р4М-18 и измерителя коэффициента шума N8975A.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Конструкция элементов GaAs СВЧ МИС
Конструкции элементов GaAs СВЧ МИС с металлизацией на основе меди представлены на рис. 1. Применение меди вместо золота в составе металлизации потребовало внесения ряда изменений, позволяющих ограничить ее диффузию в GaAs, а также взаимодействие с окружающей средой. Основные принципы, положенные в основу конструкций, можно сформулировать следующим образом.
1. Исключение прямого контакта пленок меди с поверхностью GaAs. В данной работе затворные и омические контакты были выполнены с ис-
1 3 2 4 5 7
'/> . // „ "
11-
9 10 / / *
7 6 7 4 5 7
4 5
| |- ОаЛ
Ра/Ое/Л1/Мо
-
- Т1/Л1/Мо
4 5 7
- "/Си/"^ - Т1/Си
РС5406Н
ВСВ
Рис. 1. Конструкция элементов ОаЛ СВЧ МИС с металлизацией на основе меди: 1 — подложка; 2 — омический контакт; 3 — затвор; 4, 5, 10 — слои ; 6 — нижняя обкладка конденсатора; 7 —металлизация первого уровня; 8 — резистор; 9 — металлизация второго уровня; 11 — слой ВСВ.
пользованием пленок А1 [6], а все пассивные элементы МИС формировались на поверхности диэлектрической пленки Б^Мт
2. Формирование пассивации всей поверхности медного проводника слоями планарных (горизонтальных) и торцевых (вертикальных) диффузионных барьеров, препятствующих распространению меди в близлежащий материал. В настоящей работе для этого использовались слои Мо, " "К и Б^М,,.
3. Предотвращение взаимодействия меди с окружающей средой (атмосферой и химическими веществами, используемыми при изготовлении МИС). Для этого поверхность медных элементов МИС покрывалась пленками Б^К и ВСВ.
Рассмотрим более подробно конструкцию отдельных элементов МИС. На рис. 1 вверху представлена конструкция транзистора с высокой подвижностью электронов. На поверхности пластины
ОаЛ (рис. 1, поз. 1), располагаются Рё/Ое/Л1/Мо омические контакты (рис. 1, поз. 2). Затвор на основе композиции Т/Л1/Мо (рис. 1, поз. 3) формируется в щели шириной 1 мкм, вытравленной в первом слое (рис. 1, поз. 4). При этом металлизированная шина, объединяющая отдельные затворы транз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.