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河北工业入学硕士学位论文 提高g a a sn i e s f e t 击穿电压的研究 摘要 砷化镓微波功率场效应晶体管( g a a sm e s f e t ) 是一种在电子行业中广泛应用的化合 物半导体器件，它对微波功率器件和集成电路的发展具有很重要的影响。但是，国内g a a s m e s f e t 栅漏击穿电压( b v 窨d ) 普遍偏低，般仅为1 0 v 左右，这严重影响了器件的输出 功率和可靠性。因此，研制高b v e d 的g a a sm e s f e t 对我国电子行业的发展具有重要意义。 本文从器件结构和表面处理对g a a sm e s f e t 击穿特性进行了研究。设计制备了带低 温( i t ) 分子束外延g a a s 帽层的g a a sm e s f e t ，利用l to a a s 限制表面电流，利用l tg a a s 中深能级俘获电子后形成表面负电荷，这减d , t 漏侧栅边缘的峰值电场，有效提高了栅漏 击穿电压，在1 0 0ua r a m 裰电流密度下得到的栅漏击穿电压为2 2 v 。 在进行表面处理提高击穿电压方面，我们利用( n h 4 ) 2 s 。溶液对g a a sm e s f e t 进行 了表面处理，处理后击穿电压明显提高。我们认为击穿电压提高的原因是：硫钝化除去了 o a a s 表面过量的a s 元素，减少了a s g 。的数量，a s - - s 反键态在禁带中引入了一种新的 受主能级，这减小了g a a s 表面n a n 。的值( n d 为施主型缺陷浓度，n 。为受主型缺陷浓度) 。 受主态的增多，使表面负电荷密度增大，漏侧栅边缘的电力线密度减小，击穿电_ l j 三提高。 硫钝化虽然能提高g a a sm e s f e t 的击穿电压，但稳定性较差，为了提高硫钝化的稳 定性，我们对进行( n h 4 ) 2 s 。溶液处理的g a a sm e s f e t 进行了等离子增强的化学气相淀 积( p e c v d ) s i n 。钝化，为了研究淀积条件对钝化效果的影响，p e c v ds i n 。钝化分别在 低温、高温、低温高温三种条件下进行，钝化后的稳定性得到了改善，但击穿电压出现了 下降，实验中低温高温淀积的样品的钝化效果较好，不但稳定性较好，而且击穿电压较高。 因此，如果将p e c v ds i n 。淀积条件进一步调整，有可能在硫钝化稳定性得到r 改善的同 时击穿电，i i 仍然较高。 关键词：砷化镓，金属半导体场效应晶体管，击穿电压，硫钝化 提高g a a sm e s f e t 击穿窀蕊的移f 究 s t e d yo fi m p r o w n gt 珏eb r 嚣a k d o w nv o m g e o fg a a sm e s f e t a b s t r 矗e 蕈 g a a sm e t a l s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ( m e s f e t ) i sv e r yi m p o r t a n tf o rd e v e l o p i n gh i g h p e r f o r m a n c e m i c r o w a v ep o w e rd e v i c e sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t s t h eg a t ed r a i nb r e a k d o w nv o l t a g e ( b y , d ) o f g a a sm e s f e ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sl i m i t i n gm a x i m u mo u t p u tp o w e r t h eb v # o fd o m e s t i c g a a sm e s f e ti sa b o u t1 0 va n do b v i o u s l yt o ol o wt om e e tt h en e e do f h i 【g hp o w e ro u t p u ts o ，i t sn e c e s s a r y t oi m p r o v et h eb r e a k d o w nv o l t a g eo f g a a sm e s f e t i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so ft h ed e v i c es t r u c t u r ea n ds u r f a c et r e a h a l e n t t h eb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c s w e r es t u d i e d an o v e lg a a sm e s f e tw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e dw i t hag a a sc a pl a y e rg r o w nb ym o l e c u l a r b e a me p i t a x y ( h 憾e ) a tl o wt e m p e r a t u r e t h ef u n c t i o no f t h el tg a a si s 鲰oa s p e c t s 。f i r s t l y , i tc a nl i m i tt h e s u f l a c ec u r r e n t s e c o n d l y , t h ed e e p - l e v e li nl tg a a sc 矗nc a p t u r ee l e c t r o n s t h i sc a nl e a d 静t h ei n c r e a s ei n s u r f a c en e g a t i v ec h a r g em a dd e c r e a s ei np e a kv a l u eo fe i e c t r i cf i e l d s ot h eb r e a k d o w nv o l t a g ei si m p r o v e d e f f e c t i v e l y t h eb v g a ，d e f i n e d a sag a t ec u r r e n td e n s i t yo f1 0 0 # a r a m ，w a se v a l u a t e dt ob e2 2 v a t h ea s p e c to fi m p r o v i n gb r e a k d o w nv o l t a g eb ys u r f a c et r e a t m e n t ，w et r e a t e dg a a sm e s f e tw i t h ( n h 4 ) s 。s o l u t i o n t h eb r e a k d o w nv o l t a g ew a si m p r o v e do b v i o u s l ya f t e rt h et r e a t m e n t w et h o u g h tt h a tt h e s u l f u rp a s s i v a t i o nc a nr e d u c et h er a t i on , l n ai nt h es u r f a c eo fg a a s ，w h e r e i st h ec o n c e n t r a f i o no f d o n o r - t y p ed e f e c t sa n dn ai st h ec o n c e n t r a t i o no fa c c e p t e r - t y p ed e f e c t s t h ei n c r e a s eo fa c c e p t e rs t a t e si nt h e s u r f a c ec a r li n c r e a s et h ed e n s i t yo fn e g a t i v ec h a r g e ，t h en e g a t i v ec h a r g ei nt h es u r f a c ec a nr e d u c et h ed e n s i t y o f e l e c t r i cf i e l dl i n e sn e a rt h eg a t e 胡g eo nt h ed r a i ns i d e , t h e nt h ee l e c t r i cf i e l dd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f n e g a t i v eo f c h a r g ei nt h es u r f a c e t h eb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c so fg a a sm e s f e tc a nb e i m p r o v e dg r e a t l yb ys u l f u rp a s s i v a t i o n t e c h n ! q u e ，b u t t h ep a s s i v a t i o ne f f e c ti su n s t a b l e w ep e r f o r m e dp l a s m a - e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( p e c v d ) s i n ，p a s s i v a t i o na f t e rs u l f u rp a s s i v a t i o nu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，l o wt e p e r a t u r ea n d l o w h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s t h er e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ts h o wt h a tas t a b l ep a s s i v a t i o ne f f e c tc a nb e 河北工业大学硕士学位论文 a c h i e v e db yt h es e c o n dp e c v ds i n xp a s s i v a t i o n ，b u tt h eb r e a k d o w nv o l t a g ed e c r e a s e ds i m u l t a n e o u s l yt h e p a s s i v a t i o ne f f e c tu n d e rl o w h i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o ni sb e t t e rt h a n o t h e r s ，t h e s es a m p l e sh a v eh i g h n s t a b i l i t ya n dh i g hv o l t a g es o ，i ft h eg r o w t hc o n d i t i o n so fp e c v i ) s i n 。p a s s i v a t i o ni so p t i m i z e df u 九h e lt h e b r e a k d o w nv o l t a g ew o u l db es t i l lh i g hw h i l et h ei n s t a b i l i t yw a sm a i n t a i n e d k e y w o r d s ：g a a s ，m e t a l s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r , b r e a k d o w nv o l t a g e ，s u l f u rp a s s i v a t i o n 兰! ! 三兰奎兰丝兰兰堡兰兰 第一章绪论 1 1 砷化镓微波功率场效应晶体管( g a a sm e s f e t ) 的发展及其重要地位 g a a s 是i i i v 族化台物半导体中最重要、用途最j 的、f 导体材料。g a a s 中的电子迁移率是硅( s i ) 中电子迂移率的6 倍，其电子峰值漂移速度是s ；的z 倍。因此g a a s 器件具有高频，高速、低功耗、 噪声小、可单片集成的特点。g a a s 器件最初多用于军工领域。随着电子工业的发展和成本的下降，民 用领域的市场开始迅速成长起来。用砷化镓材料所开发山的电子器件：如金属半导体场效应晶体管 ( m e s f e t ) 、高电子迁移率晶体管h e m t ) 、微波单片集成电路( m m i c ) 、异质结双极晶馋管( h b t ) 等在移动通讯、光纤通讯、卫星广播通讯、情报处理以及其它一些领域发挥着硅器件不可替代的作用。 g a a sm e s f e t 以噪声低、频带宽的特点而在微波领域中得到广泛应用。在上世纪8 0 年代后期， g a a sm e s f e t 几乎应用到了所有的微波集成电路中，虽然后来在某些应用中出现了性能更优良的器件， 但是g a a s m e s f e t 在微波领域的功率放大和开关电路中仍然占据着有源器件的主导地位。 1 9 6 7 年制备的第一个g a a sm e s f e t 使用栅长2 4pm 并在甚高频( v h f ) 频带产生增益。由于电 子术曝光技术的发展，1 9 7 1 年1um 栅长的g a a sm e s f e t 制备成功，频率达到i8 g h z 。同年取栅g a a s m e s f e t 制备成功1 4 “。通过研究者几十年的不懈努力，g s a s 器件及其电路的性能得到了很大的提高。 随着大规模集成电路和微波器件的研究进展，在商速模拟和数字集成电路中g a a sm e s f e t 更为引入注 目。 f e n gm 等人 3 i n 用低成本的离子注入0 2 5u1 1 1t 型栅g a a sm e s f e t 技术，于1 9 9 5 年研制出k a 波段低噪声m m i c 。在3 3 g h z 下。噼声系数为2 - 3 d b ，相应增益3 0 d b 。松r 电子公司 4 】丁1 9 9 7 年利 用刚刚开发的尖栅结构，有效的减少了栅极k 度使之几乎接近丁零，研制山跨导为1 8 0 m s r a m 的s i 一 6 掺杂( 4 x1 0 1 2 e m 3 ) m e s f e t ，在9 0 0 m h z 和1 5 v 电源电压的条件f ，获得的输出功率为3 1 5 d b m ， 功率附加效率( p a e ) 为7 0 ，当电源电压为o 5 v 时，p a e 为6 0 ，1 9 9 7 年i e e e i c 国际会议上日本 尔芝报道的单【毡源24 v 工作的g a a sm e s f e t 功率放大器，辅出功率为2 1 1 d b m ，p a e 为3 72 ， i ： 作电流为】5 7 m a ，具有1 0 d b 的增益控制能力，相邻通道功率( a c p ) 为- - 5 5 d b c + 6 0 0 k h z 。所采州的 m e s f e t 的主要技术特点是：采用n 对准w n w 难熔栅，栅匠o8u m ，与传统的埋p 技术不同，采 用所1 日p - p o c k e t 技术即以栅电饭为自对准掩模注八m g ( 18 0 k e y ) ，在源漏r 形成p 裂区以减小短沟道 提高g a a sm e s f e t 击穿电压的研究 效应，对提高线性度很有作用。单片功放由2 级预放和2 级功率输出级组成，预放中包括一个由串并 f e t 结构组成的可变衰减器，功率增益变化范围2 8 - - 3 8 d b 。与前两种放大器相比，它具有较低的成本 和较好的性能，也同样适用于1 9 g h z p h s 通信系统。 在栅结构方面，1 9 9 0 年，l i n 等人研制了高击穿电压的驼峰栅g a a sm e s f e t ，与普通的场效应晶 体管相比，驼峰栅代替了肖特基势垒栅5 。驼峰栅场效应晶体管具有以下优点：消除r 金半接触的合 金斟难；较易调整内建电压，提高了在反偏条件和高功率工作下的稳定性。如屎栅长减小到1um ，跨 导有望超过2 0 0 m s r a m ；另外，它的一个最突出的优点就是栅漏击穿电压特别高。1 9 9 3 年，w a l k e r 制 作了凹槽栅g a a s m e s f e t ，这种场效应晶体管具有优良的击穿特性，击穿电压比较高【3 2 】。 随着无线局域网( w l a n ) 、个人移动通信系统( p c s ) 、用户直接卫星通信( d b s ) 和全球定位系 统( g p s ) 等军用民用通信系统的快速发展，高性能高可靠性的g a a s m e s f e t 及其集成电路获得了飞 速发展。在人们对信息的需求越来越大的今天，g a a sm e s f e t 及其集成电路无论在军事还是民用上都 将有极为广阔的发展前景。在半导体市场，化台物半导体器件和电路将占据越来越重要的地位。 l 一2 研究高击穿电压g a a sm e s f e t 的重要意义 g a a sm e s f e t 是g a a s 电路中最常用，也是最成熟的一种三端器件。尽管在它之后又出现了一些 性能更优异的器件，但是丝毫不能动摇g a a s m e s f e t 在m m i c 电路中牢固的主角地位。g a a s m e s f e t 之所以经久不衰，有两个重要原因，其一是它的微波及高速性能十分优越，其二是结构及工艺简单。输 出功率和可靠性是功率g a a sm e s f e t 的两个重要性能指标，但当g a a sm e s f e t 工作进入饱和区后， 漏极电压进一步增加时，栅极一沟道间二极管发生雪崩击穿，使漏极电流突然增加，器件不能正常工作， 输出功率受到限制。因此，栅漏击穿是限制输出功率并影响可靠性的最主要因素之一。 击穿是由于电场的不均匀分部引起的。电场分布与有源层掺杂浓度、厚度、栅长、栅漏间距、栅偏 置、漏电压、栅区( 漏源之间的区域) 形状、缓冲区、衬底、介质、表面杂质、缺陷、栅金属等多方面 因素相关。 国内外学者在进行g a a s m e s f e t 击穿机理研究的n u , 7 ，也进行了许多提高g a a s m e s f e t 击穿电 压的研究，如改善器件结构、采用新犁沟道材料和表面处理。育到今天，国际上依然有不少研究者还在 进行着这方面的研究一r 作。就国内来说，人们对g a a s m e s f e t 的击穿特性以及提高击穿电压方面的研 究较少，目前国内g a a s 器佴- 的击穿电压仅为1 0 v 左矗，冈此，研制高b v 。1 的g a a sm e s f e t ，对我 国国防事 1 k $ 1 1 屯子行业的发展具有重要意义。 2 y , , ：l g i 业 学硕上学位论文 1 3 论文主要研究内容 在本文中，我们对高击穿电压g a a sm e s f e t 击穿特件及其影响因素进行了研究为了提高器佴的 击穿电压，我俐分别从器件结构、表血处理曲方而进行r 实验训f 究。主要研究t 作如1 、： i 、 我们在中国电子科技集团第13 研究所g a a s 生产线上制作了非掺杂低韫砷化镓( l t g a a s ) 作帽层 的新犁g a a s m e s f e t ，在这种结构中，我们采用非掺杂l t g a l a s 作帽层米提高击穿电压。器件制作充 成后我们对其击穿特洼参数进行了测试分析，并对击穿电压提高的机理进行了分析石j f 究，为了进彳亍比较， 我们同日f 制作了常规 一艺的g a a sm e s f e t ，并对击穿特性参数进行了比较。 2 、 我们使用( n h 4 ) s ：溶液对g a a sm e s f e t 进行了表面处理，测试了处理前后的击穿电压值；并 对硫钝化提高击穿电压的机理进行了分析。为了比较硫钝化效果的好坏，我们同时进行了等离子增强化 学气相淀积( p e c v d ) s i n x 钝化，并与硫钝化结果进行了比较。 3 、 为了提高硫钝化的稳定性，我们对硫钝化后的g a a sm e s f e t 进行，p e c v ds i n ，钝化为r 研 究淀积冬件对钝化效果的影响，p e c v d s i n 。钝化分别在高温、低温、高温“氐温三种条件下进行。实验 后我们分析了淀积条件对改善硫钝化稳定性的影响，并对钝化后击穿屯压下降的原因进行了分析。 后我们分析了淀积条件对改善硫钝化稳定性的影响，并对钝化厉击穿电压下降的原因进行了分析。 第二章g a a sm e s f e t 酶工箨骧邂 2 一lg a a sm e s f e t 的基本结构 g a a sm e s f e t 静基率精稔如瞄2 + 1 新示。它是在半凳簸封底土辨延生长层缓冲屡，缓冲足能将 柑底上的缺陷荆晶体管隔离。线缓冲层上接着生长一层掺杂( f l 型) 的沟道滕。对g a a s 来说。电子迁 移速度大鲍是空穴迁蓼速度的2 0 睡，擞渡鑫体辫逶鬻采雳n 型溜遒屡。最恁在表露生长一矮羹掺杂是， 露的是韵 筝低越的晶体管欧姆接触。源和潺掇均为歇姆接融，栅极作成离特藩疆触，欧姆接触一般是 a u g e n i 系统，肖特基接触魁t i p b a u 。 s o 啦0 e 0 蘸e d r a i n l 。， 习if o u f f e t l 5 ：1 瀚- b9 t 埘r 乱e 图2 g a a sm e s f e t 豹蓉零结掏 f i g2 ，1 c r o s ss e c t i o no f g a a sm e s f e t 理论上o a a sm e s f e t 可以愚n 沟道，也硪殴整p 海遘，面骧是耗尽墼，瞧礴皴是增强溅，霹毒瑟 释萋奉类型。当商源屡较厚，秘源毫压v o s = 0 辩莸存在导魄海遂，加上一爨的漏源电嚣( v i e s ) 岳就 套商漏源电流( i d ：i ) 流过。这种器件即为耗尽型m e s f e t 。如果有源层较薄，使得栅零偏压下耗尽层 的厚菠等予或火予存滚层厚度，鼯不存在导电拇遵，只毫攘上一定戆正攘乐( 对& 海道毳言) 才会产生 澎灌露为增强鬻m e s f e t 。 2 2g a a sm e s f e t 的王作原理 为了解g a a sm e s f e t 的t ：作原理，我种j 考嘛栅极f 方的部分，如图2 2 晰示，我们辖渊极饺地， 褥栅极电压与渊擞电压是相对渊极测量而褥，最常上作情形f ，栅掇电压为攀娥是设加以反向偏压，弧 灏校逵 匿为零戴蹩硬翡鞋正彝嗽蕊t 连载跫说v o t ，o 。器箨缝凌参数包食糖狡长度l 。懿疆宽 魔z 驭及补延展厚度a 。 竺! ! 三些查兰塑圭兰堡篁圣 g a t e v 。20 图2 2u e t a sm e g f e t 栅极区域的截面例 f i g 22c r o s ss e c t i o no f t h eg a t eo f g a a sm e s f e t 沟道电阻r 可被表求为 r ：p l - ：l ：_ _ 兰_ i (21，j肛尸5 而2 磊礤虿面 旺 其中n d 是施主浓度，a 【_ z ( a w ) 】是电流流动的截面积，而w 是肖特基势垒的耗尽区宽度。 当没有外加栅极电压且v d f l d , 时，沟道中有很小的漏极电流i d 流通，此电流大小为v d 瓜。其中 r 为上式所示的沟道屯陋。因梵。窀渡随漏援宅压呈线淫交讫。当然，对任意漏极窀压而言，沟道电压 是由源极端的零渐增为漏极端的v d 。因此，沿着源极到漏极的肖特基势垒的反向偏压渐强。当v 。增 加。w 也随着增加而电流流动的截面积减小，沟通电阻r 因此增加，这使得电流以较缓慢的速率增加。 随着漏极电压的持续增加。最终将使得耗尽区接触到半篼缘衬底，站现象的发生楚当灞极端有w = 置 由f 式 矿- v ：望：趔 挑 ，7 f 令y = 一p t ，可以求出相应的漏极电压值，称为饱和电压。： 。= 警 卸 口乃 在此漏极电压时源极和漏极将会被夹断或说是被反向偏压的耗尽区完全分割开。夹断处的位置称 为夹断点，在此点育一个很大的赫拔电流称为饱 口电流i d 。，可流过耗尽区。这与注入载流子 0 咧极型 晶体管的集基结反向偏压时所形j 蔓的耗尽区的情形相似。 在夹断点后，当v 。进一步增加，则靠近漏极端的耗尽区将逐渐扩大，而夹断点将往源极端移动。 然而夹断点处电压维持为v & 。因此，每单位时间由源极穆往夹断点的电子数目以及沟道j t j = | 帕电流 也维片不变，这是闽为在沟道中，由源极到夹断点的电压降维持不变。当漏极电压人于v d 。时，电流 基本上维持在i d s a 。，且与v d 无关。 当加入栅极电f 。位碍栅极接触力反向偏压时。耗尽区宽度w 陋之增加。列数小的v d 而方，沟道 就像是电阻器一般t 但是具有较高的阻值，这是阅为沟道的截面织减小的关系。当v 。增加至粟一特定 e 堡垒皇丝! 竺! ! ! ! ：! 童垒塞星墼些窒 值时，耗尽区将接触到半绝缘衬底，此时v n 值为 ，= 警吨叱 ( 2 。) 对n 沟道m e s f e r r 而言，栅极电压相剥于源极为负值，所以我们在式( 2 3 ) 以及其后的式子中，使用 v g 的绝对值。由式( 2 3 ) 可以看出，外加的栅极电压v 6 使得开始发生夹断时所需的漏极电压减小j - v g 的值。 2 3g a a sm e s f e t 的电流电压特性 现在我们考虑在开始夹断前的g a a s m e s f e t ，如图2 3 ( a ) 所示，沿着沟道的漏极电压变化如图23 ( b ) 所示。 v o 图2 3 ( a ) 沟道区的放大图 f i g 2 _ 3 ( a ) a m p l i f i e dp i c t u r eo f t h ec h a n n e ls e c t i o n d y s 0 u r e d r a i n 图2 3 ( b ) 沿着沟道的漏极电压变化 f i g 2 3 ( b ) c h a n g eo f t h ed r a i nv o l t a g ea l o n gt h ec h a n n e l 沟道基本片段d 。两端的电压降可表示为 d v ：乇枷：丁型匕忑 ( 2 4 ) “ 9 u 。d z a 一( y ) 。 其中，以式( 2 i ) 取代d r ，与源极相距y 处的耗尽层宽度则可表示为 ( y ) f 2 e 。【( y ) 十+ 圪， 、g v 。 ( 25 ) 漏极电流i d 为一定值，且与y 无关，我们可将式( 2 4 ) 重写成 ，咖= 9 u 。n ，) z a 一( y ) h 矿 ( 2 6 ) 6 y 型! ! 三些奎兰竺圭兰堡垒圣 漏极电压的微分d v 可由式( 2 5 ) 得到 d y ：盟w d w 5 将d v 代入式( 2 6 ) 中，并由y = 0 积分到y = l ，_ j 得 l i ? ：“, z ( a - w ) l i q un d z 榔 l = 。挚挪 hj _ l j ：警【口( 2 一彤2 ) 一詈( 3 一嘭3 ) ， 或 m c 告一号c 学尸2 + 导c 半尸2 ，。 其中。；z , u q 2 n f a 3 ， 1 2 c l 且巧；警 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 a ) ( 2 9 b ) 电压v ，称为夹断电压，也就是当畈= 口时的总电压之和( + + k ；) 。 图2 r 4 中显示了夹断电压为3 , 2 v 的g a a sm e s f e t 的i - v 特性r 所示的曲线是当o 时由 式( 2 9 ) 计算得到，根据之前的讨论，当电压超过。时，电流被看作是一定值。电流电压特性中有 着三个不同的区域。当比较小时，沟道的截面积基本上与无关，此i v 特性为欧姆性质或是线性 关系a 丁- 是将这个工作原理区域视为线性区，当。时电流与7 达到饱和，将这个工作原理区 域称为饱和区。当漏极电压进一步增加，栅极沟道问二极管的雪崩击穿开始发生，这使得漏极电流突 然增加，这就是击穿区。 在线性区中，其，式( 2 9 ) 可以展开成 ，。拿【l - ( 堡些) m v j ，v p ( 2 1o ) g a a sm e s f e t 的一项蚕要参数是跨导g 。，它表示了在某个特定漏极电压r ，相对于栅极也压的变 化所造成漏极电流的变化。由式( 2 1 0 ) 可以得到 7 堡童呈竺! 竺! ! ! ! ! 查塞皇坚竺矍窒 = 尝1 每 审 z 营 ( 2 1 1 ) 唔矿 图2 4v p = 3 2 v 的g a a sm e s f e t 归一化的理想电流一电压特性 f i g 2 4u n i t a r yc u r r e n t - v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so f g a a sm e s f e ta tv v = 3 2 v 在饱和区中，漏极电流可由式( 2 9 ) 得到，在此只需计算夹断点时的电流，也就是当 咋= + 圪+ 圪，时， ”厶c ；一半+ ；( 半) 3 ，2 ， 相对应的饱和电压为 。= 一一圪， 由式( 2 1 2 ) ，我们可以求出饱和区中的跨导为 g 。2 茜( 1 ) ：半( 1 上 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 厩 降乎 州北工业大学顿士学位论文 第三章g a a sm e s f e t 的制备工艺 g a a sf e t 经过多年的研究、实践、革新、完善，形成了一整套具有自身特色的t 艺制造体系，其 主要f 艺特色表现在：浅台面工艺：肖特基结工艺，没有半导体一半导体形成的p n 结；不采用以反刻 为主的方法去除p t 、a u 等重金属，用金属剥离工艺形成关键的源、栅、漏；空气桥- 【| 艺；通路孔一【艺； 低温工艺，最高： 艺温度为欧姆接触合金，约4 6 0 。c 左右，其余工艺，包括钝化介质膜生氏都是在3 0 0 以下。下面对其主要工艺进行介绍。 3 1 湿法腐蚀 g a a s 的湿法腐蚀常用于场效应晶体管( f e t ) _ ：| 二艺中的清洗、腐蚀台面、腐蚀n + 、栅挖槽、背面 减薄、湿法通路孔等工艺中。g a a s 的隔离区用腐蚀、注入或二者结合形成。所谓湿法腐蚀就是用腐蚀 液去除固液交界面的一部分固体物质。湿法腐蚀是许多工艺步骤的重要组成部分它通常具有以下用途， 形成腐蚀图形( 如形成台面结构用于器件隔离、形成栅凹槽用于改进器件特性等) 、表面清洁、化学抛 光、减薄芯片厚度、去除损伤层、显示材料的缺陷和损伤等。 o a a s 的湿法化学腐蚀通常是先发生氧化反应，接着是溶解氧化物的化学反应，最后是将o a 、a s 原子的反应生成物从材料表面移走。腐蚀液通常包含有化合物、氧化剂和溶剂。例如在通用腐蚀系统 h 2 s 0 4 h 2 0 2 h 2 0 中，h 2 0 2 是氧化剂，h 2 s 0 4 用于溶解氧化产物。用于g a a s 的腐蚀系统很多。o a a s 最常用的腐蚀系统是h 2 s 0 4 h 2 0 2 - h 2 0 体系，常用作抛光衬底、台面腐蚀、通路孔腐蚀。已经使用过的 h c i 基腐蚀系统有h c i h 2 0 2 h 2 0 ，h c i h n 0 3 h 2 0 ，和h c i - h n 0 3 等，h c i 基形成的表面不是那么有棱 有角，因为儿乎与所有其它的腐蚀剂不同，它能提供差不多各向同眭的腐蚀或者最小的钻蚀。碱性腐蚀 系统一般使t jn a o h 或n h 4 0 h ，后者使用的更多些，因为o a a s 形成的氧化物趋于两性，所以既能 溶解在酸基中也能溶解在碱基中，而且碱基系统的作用情形同酸基无太差别，碱基系统显示出与硫酸系 腐蚀液类似的典型锐角或钝角、以及边缘陡直的墙。h 3 p 0 4 系( h 3 p 0 4 h 2 0 2 h 2 0 ，h 3 p 0 4 c h 3 c o o h t 1 2 0 2 ，f 1 3 p 0 4 一c 2 h 5 0 h h 2 0 2 等) 腐蚀液稳定性好，长期存放后腐蚀速率变化不大，比h 2 s 0 4 系侧向腐 蚀小，腐蚀选择比火，深孔腐蚀盘_ f 。但是去除炭和有机物能力弱，腐蚀后o a a s 表面偏离化学计擐比较 人( 富a s ，表而富g a 比富a s 好) ，且粘滞性强，不宜冲净，不易用丁制作精细图形。 9 提高g a a sm e s f e t 击穿电压的研究 3 2 图形光刻 光刻是g a a sf e t 的关键t 艺，是微细加上和提高成品率的中心环节，隔离区和台面形成、欧姆 接触、n 腐蚀和挖槽、肖特基势垒、钝化区和电镀窗口、空气桥、背面孔、划片道等都是要由光刻限定 幽形。 光刻用的主要设备是对准和曝光用的设备和观察剧的设备，前者有光学光刻机、x 射线光刻机、离 子束光刻机、准分子激光光刻机、电子束光刻机等，后者有光学显微镜、扫描电镜等。 接触光刻r 艺是多种光刻方法的工艺基础，下面对其工艺过程进行介绍。 1 、基片预处理 基片预处理指基片的清洗和干燥，为的是去除沾污和水分。基片表面吸附的水分有物理吸附和化学 吸附两种，物理吸附水分子( 范德瓦尔斯结合) 势能最小。而化学吸附水分子( 共价键结合 氢键结合) 势能很大。基片预处理的过程，一般是用有机溶剂、水冲洗，n 2 吹干、烘焙。 2 、涂敷抗蚀剂 整个抗蚀剂的使用过程都应在洁净室内进行，避免灰尘沾污而产生光刻缺陷。因为抗蚀剂对于大于 o 5t j m 波长的光线不敏感，所以洁净室一般用黄色灯光照明。因为抗蚀剂对湿度敏感并会因湿度不同 而产生曝光量的差异，所以洁净室应维持4 0 左右的湿度。曝光反应及掩模物理尺寸与温度有关，所 咀洁净室应维持在1 8 2 26 c 而恒定的一个小的温度范围。 片子和抗蚀剂要保证相当的清洁，抗蚀剂中不允许存在大于0 2 um 的颗粒。预处理好的片予放在 涂胶机的真空吸盘上，将合适浓度的抗蚀剂滴在片子中央，选择合适的转速( 2 0 0 0 8 0 0 0 r m i n ) ，恒定 2 0 6 0 s ，得到需要的膜厚度t r = 粘度抗蚀剂中固体成分比率转速 3 、膜厚度越均匀越好，因为不同膜厚将在后续曝光期间引起线宽不同。为了取得高的分辨率，膜厚度 应当薄一些，但是太薄义易产生针孔，且对金属剥离i ：艺来说，膜厚必须超过金属层厚度。膜层厚，由 于光线的散射产生侧向光化学反应，形成图形边缘模糊区，使分辨率降低。前烘旋转涂敷抗蚀剂的方法， 易使抗蚀荆溶液变稠以使甩胶厉能留在片子上。为了使其固化，还得进行烘焙( 前烘8 0 1 1 0 。c ) 使抗 蚀剂膜里面的溶剂缓慢地、充分地逸出来，增加抗蚀剂膜地黏附性和耐磨性。前烘温度高了，冈为增加 了交联，显影时会留r 底膜，或者因增感剂升华而使灵敏度下降。温度过低，残留溶剂分子会妨碍光架 桥( 交联反应) 或光分解反应，或者导致浮胶。升温速率应当慢一些，时间在1 5 3 0 m i n 使整个抗蚀剂 膜烘透，为此鹰使川红外灯以便从里面到外进行干燥。 4 、对位曝光 1 0 河北工业大学硕士学位论文 曝光量为光强和时问的乘积。曝光量与抗蚀剂的种类、配比、厚度、光源光谱成分、衬底光反射特 穗商荚。往瑙承锻订作光源，在2 0 0 6 0 0 n l n 菠强有鞭率丰鬻豹光波输出。大多数正蛙撬魏赛l 对3 0 0 4 5 0 n 的光线非常灵敏，所以光学光刻机一般使用水银灯。 曝光时，光在抗蚀剂中传播并且在抗蚀荆膜的底界面产生反射( 在顶界蕊也会产生反射) 。底界面 豹反瓣与封疯材辩有关，翔金麓绘出攫强携爱射并捷光波毂燮鞠位，焉分麓绘氆攫，l 、匏爱辩。反瓣拳哆 次反射会产生驻波图形，引起水平方向上抗蚀剂的曝光程皮星波浪式分布。驻波图形尺寸魁抗蚀剂膜厚 糜的函数。 曝光；| 趋抗蚀齐l 藏分发生诧掌交纯，这秘及痤绩果严搀豹决定于撬涟潮骥中永的禽萋，遥誊承含壁 小丁0 5 9 6 ，但它的存在为绝对必要。曝光时，光敏剂成分衰变成酮，有水存在时，酮转换成酸，在显 影液中有很高的溶解度，而缺水时光敏剂成分生成跨越键使溶解度大为降低。由于水的明鼹作用使烘焙 王艺麓严格控制变褥十分必要，且馕蠢蠢l 王藏对操箨环境豹滠度变褥辐当敏感。 为了提高曝光分辨率，要求片子表面有鼠够的平整度，曝光光线有足够好的平行度，掩膜有足够的 对比度，曝光灯商足够的强度+ 因为强度低、时闻跃，衍射和反射效应明显，都将导致降低图形的分辨 率。 5 、显影 曝光后的片予放在显影液中，溶解掉应去除的抗蚀荆膜。鼹影时闻应檄据实际情况调蹙，以配合曝 光得g 最高酶分辨率秘最整并的边缘。显影潜间过长，会使翻形边缘发生镪潘或浮菠，显影瓣闼过短， 会使图形边缘脊一过渡区。照影效果也是曝光量控制是否得幽的依据。 6 、后烘 显影乐冲洗于净的片子要进行坚膜。蟹骥或后烘的襻弼照除去显影翼寸抗蚀裁臻吸附豹摄影液和承 分，改变抗蚀剂膜与基片的黏附性。“” 3 3 欧姆接舷形成 g a a sf e t 的栅电极通常熠a l 或者t p t a u ，源和漏电极用a u g e n i a u ，空气桥、通路孔、背面热 滚嚣t i a u 或t i w a u ，鑫霹港漆熔掇蠲w s i 。a u 系统楚f e t 垒磊拖鹣主髂，多垂金曩耽的簿瘦控魏蹩 i ：艺关键，为满足精确控制厚度和均匀性、重复性的要求需要使用先进的真空膜设备，如电子束蒸发 螽等，还需要用磁控溅射台淀积难熔栅金属。盒属化t 艺中用的真空镀膜设备有电阻丝蒸发台、电子束 蒸发台、矗浚溅隽孛台、羹季颧溅瓣台、磁控溅瓣螽等，莫中g a a s 王艺主要鞠镀貘设备跫电子窳莲发台嚣l 磁控溅射台，后者丰要使川丁制作难熔金属臌。 当金属二i 母体接触的接触电阻相对于、- 替体主体或串联电阻可以忽略不计时，则可被定义为欧姆 l f 提高g a a sm e s f e t 击穿电压的研究 接触，良好的欧姆接触并不会严重降低器件的性能，并且当通过所需电流时所产生的电压降比降落f 器 件有源区的电压降还要小。欧姆接触的一个指标为特定接触电阻，对于低掺杂浓度的金属一半导体接触 而言，热电子发射电流在电流的传导中占有主要的地位，为了获得较小的特定接触电阻，应该使川具有 较低势垒高度的金属一半导体接触。现行的g a a sf e t 所用材料的表面掺杂浓度都在1 0 ”o m 。3 以h 在这 样的掺杂范围内，其传统的欧姆接触使用的金属是a u o e n i 。虽然用于g a a s 欧姆接触的金属系统很多， 但是a u g e 系统有其独有的优越性，形成欧姆接触的高浓度表面层可由合金形成，接触电阻率低，合 金温度低，重复性好。g a a sf e t 的栅、源、漏金属化主要用电子束蒸发，因为溅射时j 二作气压高，离 子从不同方向轰击靶，靶上的原子和分子也从不同方向溅射到基片上，几乎在不同形貌的各个角落都有 金属淀积。 制造欧姆接触的工艺途径是：光刻欧姆接触图形、等离子去底膜清洗和去氧化层、蒸发a u g e n i 及覆盖层、剥离清洗、合金。 3 4 肖特基势垒形成 肖特基势垒指一具有大的势垒高度，掺杂浓度比导带或价带上态密度低的金属一半导体接触。肖特 基势垒中，电流的传导主要由多数载流子来完成，这与由少数载流子来进行电流传导的p - n 结不同。对 工作在适当温度下的肖特基二极管而言，其主要传导机制是半导体中多数载流子的热电子发射越过电势 势垒而进入金属中。 为制作肖特基结，先要形成完整的、位置准确的细栅条图形，进行挖槽、获得要求的夹断电压，这 两步工艺( 栅光刻和栅挖槽) 是整个f e t 工艺中可能对成品率产生最大影响的重要工艺，然后经清洗、 镀膜、剥离，便形成了肖特基势垒结。 1 、栅挖槽 栅挖槽工艺是在光致抗蚀剂或光致抗蚀剂与介质膜限定的窗口内部进行的，是在g a a s 表面沟道区 1 部，用腐蚀方法形成比肖特基势垒结宽的凹槽，般来说，腐蚀是剧湿法_ r 艺完成，尽管可以_ f = | j 千法 工艺形成槽，但因其易形成损伤层，还需要用湿法工艺腐蚀去除，所以还是用湿法兼容性和灵活性大。 在图3 ，1 中，抗蚀剂顶部的窗口决定了栅金属化的尺寸，抗蚀剂底部的窗口和腐蚀条件决定了槽的 尺寸。槽的形状可能是梯形、倒梯形、圆角形的，由于存在钻蚀，槽总是比栅金属化宽度宽一些，一般 来说，为便于清洗和1 钝化保护，希望槽形是倒梯形或者是圆角形。栅金属采用蒸发方法，可以、r 白对准 而位于槽的中央，即使槽只比栅宽出儿百埃也可使金属不与糟边接触，这样可以减小栅电容并缩短栅 【! 乏= 。 塑! ! 三；些查兰堡圭耋堡篁兰 一 p h o t o r e s i s i n g a a s s i _ o a a s 图3 i 栅凹槽的形成 f i g 3 1 t h ef o r mo fg a t er e c e s s 槽深是控制f e t 性能的严格参数。采用的方法是一边腐蚀一边监控源漏电流，槽越深，源漏饱和 电流越小。如此交替进行，直至达到目标电流。 常