Данилов В.С. Микроэлектроника СВЧ

Требования, предъявляемые последующими процессами, прежде всего литографии, диктуют необходимость полировки пластин до достижения очень высокого качества поверхности. С целью увеличения процента выхода годных схем и уменьшения разброса параметров готовых изделий для введения легирующей примеси предпочтительно использование процесса ионной имплантации. Данный процесс в технологическом цикле выполняется несколько раз и при формировании активного n+-слоя, а также для изготовления резисторов.

На рис. 9.2 приведена технологическая схема изготовления твердотельного СВЧ-устройства, в разрезе дана структура интегральной схемы СВЧ на различных этапах технологического цикла. На начальном этапе производится ионное легирование активных областей приборов через окна, открытые в маске из фоторезиста.

Аналогично создаются n+-слой и резисторы. После ионной имплантации пластину закрывают пассивирующим покрытием из нитрида кремния и производят термический отжиг в атмосфере водорода для электрической активации внедренной примеси и ликвидации образовавшихся радиационных дефектов. Затем с поверхности пластины удаляют пассивирующее покрытие и проводят процессы литографии для подготовки к формированию омических контактов. Металлизация омических контактов осуществляется с использованием процесса взрывной литографии. При этом происходит адгезия металлической пленки к арсениду галлия в окнах фоторезиста, а вся оставшаяся часть пленки удаляется при стравливании фоторезиста.

Существует несколько систем металлов, пригодных для изготовления омических контактов. Лучшей на сегодня считается система, состоящая из эвтектического сплава германия с золотом и тонкого подслоя никеля, обладающего свойством быстро (менее чем за 30 с) сплавляться с арсенидом галлия при температуре 450 °С. Общая толщина металлической пленки омического контакта составляет 100 нм. Такая пленка получается испарением металлов в вакууме или распылением необходимых веществ.

Следующим этапом после создания омических контактов в технологическом цикле изготовления интегральных схем являются нанесение рисунка и осаждение металлической пленки для формирования затворов Шоттки ПТ и металлизации первого уровня, осуществляемых нередко в одном технологическом процессе. Однако при таком совмещенном процессе любое изменение схемы, затрагивающее рисунок

металлизации первого уровня, автоматически приводит к необходимости изготовления нового фотошаблона для затворов полевого транзистора, являющегося одним из самых сложных и дорогих во всем наборе фотошаблонов для изготовления интегральных схем.

Таким образом, более предпочтительно использование отдельных фотошаблонов для создания металлизации первого уровня и изготовления затворов ПТ. Также и при изготовлении омических контактов, при создании металлизации первого уровня и затворов ПТ применяют метод взрывной литографии. Но поскольку толщина металлических пленок на затворе велика, применяют усложненный вариант метода – с предварительным нанесением подслоя диэлектрического покрытия для облегчения удаления ненужных участков металлических пленок и повышения качества их кромок. В качестве диэлектрического покрытия обычно используют нитрид кремния. При этом через окна в фоторезисте стравливают открытые участки диэлектрической пленки и, не удаляя остатков фоторезиста, осаждают металлическую пленку. Наличие диэлектрической пленки позволяет удалять достаточно толстые металлические покрытия и облегчает появление разрывов в них у краев металлического рисунка, возникающих из-за подтравливания нитрида кремния. После осаждения металлической пленки удаляют оставшийся фоторезист, а вместе с ним и ненужные участки пленки и затем стравливают диэлектрический слой.

После изготовления затворов ПТ и металлизации первого уровня наносят диэлектрический слой второго уровня, который будет использоваться при формировании конденсаторов МДМ и участков пересечения металлизации первого и второго уровней. При эт ом прибегают к процессу химического осаждения из паровой фазы, активированной плазмой. Толщина и диэлектрическая проницаемость этого слоя должны выдерживаться с большой точностью, так как они определяют величины емкостей в интегральной схеме. Рисунок на диэлектрическом слое формируется фотолитографией. Диэлектрик удаляют в тех местах, где необходимо наличие соединений между металлизацией первого и второго уровней, и там, где его оставлять нежелательно.

Металлизацию второго уровня используют для изготовления передающих линий, индуктивных элементов, верхних обкладок конденсаторов и других СВЧ-элементов схемы. С целью уменьшения потерь сигналов толщину металлической пленки второго уровня увеличивают

Процессы фотолитографии. Число фотошаблонов находится обычно в пределах 7...11. Процессы фотолитографии выполняются в такой последовательности:

1)исходная привязка к подложке;

2)имплантация для формирования активного слоя;

3)имплантация для формирования резисторов (или изготовление тонкопленочных резисторов);

4)имплантация для формирования областей n+-типа;

5)формирование омических контактов;

6)металлизация затворов;

7)металлизация первого уровня;

8)формирование диэлектрических областей;

9)металлизация второго уровня;

10)формирование пересечений с воздушным зазором;

11)формирование сквозных отверстий в подложке.

Необходима высокая точность установки шаблона относительно подложки, так как она в значительной степени определяет величину выхода годных и достижение необходимых параметров схемы. Уровень требований к процессу фотолитографии определяется характерными размерами элементов, заданными из условий достижения необходимых характеристик схемы. Типичными размерами активных элементов, используемых при изготовлении малошумящих усилителей средней мощности, работоспособных на частотах до 20 ГГц, являются длина затвора, которая не должна превышать 0,5 мкм, и длина канала транзистора, составляющая не более 3 мкм. Исходя из этих требований разрешающая способность процесса фотолитографии должна быть не хуже 0,5 мкм, а точность установки фотошаблона на подложке – 0,1 мкм. Такая точность может быть обеспечена литографией с микрозазором с засветкой фоторезиста излучением с длиной волны, находящейся в диапазоне глубокого ультрафиолета, или электронно-лучевой литографией.

Для изготовления высококачественных приборов необходимо обеспечить тщательный контроль и управление рядом таких технологических параметров, как омические контакты, профили концентрации легирующих примесей, поверхностные сопротивления слоев, сопротивления изоляции, металлизации и т.п. Для этого в комплекс шаблонов впечатывается тестовая структура с топологией элементов, одинаковых с рабочими элементами схемы. По этой тестовой структуре идет набор статистического материала по технологическим параметрам и через них – управление техпроцессом.

ных с пробоем соответствующих переходов их структур, являются дефекты, возникающие при проведении фотолитографии. Вероятность возникновения таких дефектов повышается по мере увеличения суммарной длины периферийных областей периферийных транзисторов и уменьшения расстояния между их затвором и истоком. Для полевых транзисторов на арсениде галлия, имеющих длину канала 3,8...4,8 мкм и длину периферийных областей от 0,2 до 0,1 мм, процент выхода работоспособных приборов может достигать до 80 %. Это делает экономически оправданным изготовление многоэлементных интегральных схем. Улучшение параметров полевых транзисторов, входящих в состав интегральных схем СВЧ, осуществлено за счет выполнения при их производстве ряда технологических приемов, используемых при изготовлении дискретных полевых транзисторов на арсениде галлия. Уменьшение величин паразитных сопротивлений в структуре полевых транзисторов достигается за счет создания под омическими контактами сильнолегированных областей п+-типа, а также благодаря формированию сильнолегированного п+-слоя в поверхностных областях между истоком и стоком. При формировании такого сильнолегированного поверхностного слоя для уменьшения паразитного сопротивления канала осуществляют заглубление затвора. Для легирования поверхностных областей применяют ионное легирование. Следует отметить, что применение заглубленного затвора приводит к увеличению разброса напряжения отсечки и тока насыщения полевых транзисторов из-за увеличения разброса значений толщины канала, находящегося под затвором.

Для уменьшения величины паразитного сопротивления в цепи затвора, влияние которого становится особенно существенным в транзисторах с субмикронными затворами, используют специальные конструкции затворов, поперечное сечение которых имеет Т-образную форму. В таких структурах область затвора, находящаяся в непосредственном контакте с поверхностью арсенида галлия, имеет субмикронную длину, однако относительно большая площадь поперечного сечения затвора позволяет существенно уменьшить величину последовательного паразитного сопротивления в его цепи.

Примеры изготовления различных интегральных схем СВЧ на арсениде галлия. Быстрое развитие технологии изготовления интегральных схем СВЧ на аресениде галлия приводит к тому, что области их применения расширяются. Наиболее простое и вместе с тем весьма полезное твердотельное устройство СВЧ на аресениде галлия – это

сложной, чем разработка линейных усилителей, из-за собственной существенной нелинейности схем, например смесителей и генераторов.

Примерами нелинейных схем интегральных схем СВЧ являются схемы мощных переключателей прием-передача и четырехразрядных фазовращателей, разработанных для создания радаров с многоэлементными антенными фазированными решетками. К ним также относятся схемы сдвига фазы на 90°, построенные по принципу фильтров Ланге на элементах со встречно-штыревой структурой, генераторы, управляемые напряжением, балансные смесители.

Продолжающиеся усилия по разработке новых подходов к созданию интегральных схем СВЧ направлены на создание на одном кристалле интегральных функциональных блоков, например блоков, содержащих входные и выходные усилители, многоразрядные фазовращатели и ключевые схемы переключения режима прием-передача сигналов.

9.3.ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СВЧ

Вотношении практического использования интегральные схемы СВЧ можно разделить на два широких класса: приборы общего (промышленного) применения и приборы специального назначения. В действительности фактическое различие между схемами двух групп может оказаться и не слишком значительным, так как функциональное

назначение схем нередко совпадает. Рассмотрим те области применения, в которых интегральные схемы СВЧ как на кремнии, так и на арсениде галлия оказываются наиболее конкурентоспособными по отношению к традиционным типам СВЧ-приборов. Такими применениями являются главным образом те, при которых требуется организация достаточно больших объемов производства схем.

Одной из основных областей применения твердотельных интегральных схем СВЧ является создание систем фазированных антенных решеток. Работа таких систем основывается на использовании для формирования необходимой диаграммы направленности передающей антенны, набора элементов, излучающих электромагнитные колебания с определенным сдвигом фазы друг к другу. Антенны такого типа могут использоваться как в системах связи, так и в быстродействующих