Введение к работе
з
Актуальность работы
Разработка и производство многоканальных приемных и приемопередающих модулей современных радаров на основе активных фазированных антенных решеток невозможно без налаженного промышленного выпуска GaAs СВЧ монолитных интегральных схем (СВЧ МИС) усилителей мощности, малошумящих усилителей, а также коммутационных микросхем. Коммутационные СВЧ МИС (коммутаторы, дискретные аттенюаторы и фазовращатели) изготавливаются как на основе гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов, так и гомоструктурных эпитаксиальных или ионно-легированных транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ). Параметры ионно-легированных ПТШ могут быть значительно улучшены при формировании контактных областей истока и стока методом ионного легирования по элементу самосовмещения на основе тугоплавких металлических, фоторезистивных или диэлектрических пленок. Многослойные диэлектрические элементы самосовмещения объединяют достоинства элементов самосовмещения различных типов и должны позволить с помощью оптической литографии с разрешением 1 мкм создать самосовмещенные ионно-легированные ПТШ с субмикронными затворами. К моменту начала настоящей работы имеющийся объём знаний не позволял разработать воспроизводимую технологию изготовления многослойных диэлектрических элементов самосовмещения. Это послужило причиной того, что промышленная технология изготовления СВЧ МИС с их использованием так же не была создана.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка физико-технологических основ и создание мелкосерийной технологии изготовления коммутационных GaAs СВЧ МИС с использованием самосовмещения областей истока и стока ионно-легированного полевого транзистора Шоттки по многослойному диэлектрическому элементу самосовмещения, а также разработка технологии изготовления самосовмещённых гетероструктурных GaAs ПТШ с использованием аналогичного элемента.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) исследовать особенности и оптимизировать режимы ионной имплантации при изготовлении самосовмещённых GaAs СВЧ ПТШ, а также исследовать закономерности процессов формирования субмикронного
металлического затвора ПТШ с помощью многослойного диэлектрического элемента самосовмещения, имеющего исходный размер 1 мкм;
разработать физико-технологические основы и создать технологию изготовления самосовмещенных ионно-легированных GaAs ПТШ и СВЧ МИС на их основе с использованием многослойного диэлектрического элемента самосовмещения;
создать масштабируемую малосигнальную модель транзистора и изготовить комплекты коммутационных СВЧ МИС на основе самосовмещенных ионно-легированных GaAs ПТШ для приемных и приёмопередающих модулей L-, S- и Х-диапазонов частот;
исследовать особенности и разработать технологию изготовления самосовмещённых гетероструктурных GaAs СВЧ ПТШ.
Научная новизна работы
Предложена конструкция и методика формирования четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения с исходным размером 1 мкм, позволяющего воспроизводимо изготавливать металлический затвор ПТШ субмикронной длины.
Исследованы и оптимизированы режимы ионной имплантации областей канала, истока и стока ПТШ, а также наклонной имплантации стока и истока по маске четырёхслойного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяющие изготавливать коммутационные GaAs СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток 21 В и сопротивлением в открытом состоянии 3 Омхмм.
Разработана конструкция и создана технология изготовления коммутационных самосовмещённых ионно-легированных GaAs ПТШ и СВЧ МИС на их основе для приёмо-передающих модулей L-, S- и Х-диапазонов частот.
Исследовано влияние режимов ионной имплантации стока и истока ПТШ по маске диэлектрического элемента самосовмещения на электрические параметры самосовмещенного гетероструктурного ПТШ с GaAs каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии; произведена оптимизация конструкции транзистора, позволяющая изготавливать коммутационные транзисторы с сопротивлением в открытом состоянии 2.5 Омхмм и усилительные GaAs СВЧ ПТШ с напряжением пробоя затвор-сток до 45 В.
Практическая значимость полученных результатов 1) Разработана и внедрена в мелкосерийное производство технология изготовления дискретных ионно-легированных GaAs ПТШ с субмикронным затвором, а также комплектов СВЧ МИС, основанная на проведении ионной
имплантации контактных областей ПТШ по четырехслойному диэлектрическому элементу самосовмещения.
Создана симметричная конструкция и масштабируемая малосигнальная модель коммутационного самосовмещенного ионно-легированного GaAs ПТШ.
Освоены и в режиме мелкосерийного производства изготовлены партии СВЧ МИС дискретных аттенюаторов, фазовращателей и двухпозиционных коммутаторов L-, S- и Х-диапазонов частот.
Проведены испытания МИС двухпозиционного коммутатора, позволившие успешно аттестовать разработанную технологию по критериям надёжности.
Выпущенные комплекты коммутационных СВЧ МИС были использованы при разработке и изготовлении приёмных модулей радиолокационного комплекса "Небо-М" и приёмо-передающих модулей радара ЖУК-АЭ истребителя МИГ-35, прошедших комплекс государственных и лётных испытаний, соответственно.
Научные положения, выносимые на защиту
Четырехслойный диэлектрический элемент самосовмещения двойной Т-образной формы, имеющий исходную длину 1.0 мкм и состоящий из четырех слоев SiOx, различающихся содержанием кислорода и отличающихся скоростью жидкостного травления, позволяет с помощью ионной имплантации проводить самосовмещение областей стока и истока с затвором, а также формировать субмикронный затвор ПТШ с минимальной длиной 0.1 мкм, характеризующийся высокой степенью воспроизводимости геометрических размеров и электрических параметров.
Симметричная конструкция коммутационного ПТШ со слаболегированными переходными контактными областями, формируемыми с помощью наклонных имплантаций ионов Si областей истока и стока по маске четырехслоиного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет изготавливать транзисторы с повышенным напряжением пробоя затвор-сток (BVgd = 2\ В) без ухудшения остальных параметров относительно транзистора без переходных областей.
Применение блоков технологических операций формирования четырехслоиного диэлектрического элемента самосовмещения, активных областей ПТШ и сквозных отверстий в GaAs, позволяет создать оригинальную технологию изготовления GaAs ПТШ и СВЧ МИС на их основе, пригодную для мелкосерийного производства комплектов коммутационных СВЧ МИС L-, S- и Х-диапазонов частот.
4) Ионное легирование областей стока и истока ПТШ с каналом, полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, по маске четырехслоиного диэлектрического элемента самосовмещения, позволяет объединить преимущества, создаваемые эпитаксиальным каналом и самосовмещенными ионно-легированными областями стока и истока, и приводит к улучшению характеристик гетероструктурных GaAs транзисторов, а также к повышению однородности распределения электрических параметров ПТШ по площади пластины относительно самосовмещенных ПТШ с ионно-легированным каналом.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы доложены на Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Украина 2008, 2010, 2011 гг.), 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск 2008 г.), International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2009 (Томск 2009 г.), International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro-and Nanosystem Technologies INTERNANO-2009 (Новосибирск, 2009 г.), IEEE Region 8 International Conference on Computational Technologies in Electrical and Electronics Engineering SIBIRCON-2010 (Иркутск, 2010), International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM (Эрлагол 2010, 2011 гг.), 9-й Научно-технической конференции "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА" (Звенигород 2010, 2011 гг.), 6-й Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления" (Томск, 2010, 2011 гг.), IEEE 2nd Russian School and Seminar on Fundamental Problems of Micro/Nanosystem Technologies Proceedings MNST'2010 (Новосибирск, 2010 г.), 17-й Международной научно-практической конференция студентов и молодых ученых "Современная техника и технологии" (Томск, 2011 г.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе, в том числе - три статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, одна статья в зарубежном журнале; два патента РФ.
Личный вклад автора
Диссертация является итогом исследований проводившихся автором, совместно с сотрудниками ОАО «НИИПП» и ЗАО «НПФ «Микран». Автором, совместно с Лиленко Ю.В., формулировались цели работы, обсуждались пути их достижения, а также анализировались результаты экспериментов. Личный вклад автора заключается в разработке и оптимизации технологических блоков и технологического маршрута, выборе методик и направлений исследований,
проведении численных расчетов и экспериментальных исследований, подготовке образцов и их измерении, обработке и анализе экспериментальных результатов. Большая часть публикаций по теме диссертации написана автором. Автором с участием научного руководителя выполнено обобщение представленных в диссертации результатов исследований и разработок. Работы по осаждению и травлению диэлектрических пленок проводились Канаевым В.Г. и коллективом его лаборатории. Работы по жидкостному химическому травлению GaAs проводились Бабак В.П. и коллективом ее лаборатории. Схемотехническое проектирование СВЧ МИС было выполнено Баровым А.А. и Гусевым А.Н. Технологическое сопровождение экспериментов и исследований выполнялось Дедковой О.А., Умбрас Л.П. и Ющенко A.M.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок, 14 таблиц и списка литературы из 160 наименований.
