РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ TiN ЗАТВОРОВ ДЛЯ СИЛОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ GaN

Интерес к нитриду галлия (GaN) обусловлен рекордными характеристиками силовых транзисторов, созданных на основе гетероструктур AlGaN/GaN. Благодаря большой ширине запрещенной GaN транзисторы на его основе могут работать при высоких уровнях активирующих воздействий, таких как температура и радиация. Кроме этого, высокая концентрация электронов в области двумерного электронного газа в сочетании с приемлемой подвижностью электронов дает возможность реализации большой плотности тока в сечении канала транзистора и высокого коэффициента усиления [1].

Нитрид титана (TiN) является одним из наиболее изученных материалов, который обладает высокой твердостью и износостойкостью, низким значением электрического сопротивления, высокой химической и термической стабильностью, а также интересными оптическими свойствами, которые проявляются в колебании цвета от золотистого до темно-коричневого. Благодаря данным свойствам TiN применяется для формирования износостойкого покрытия на инструментальных изделиях, декоративные покрытиях в архитектуре и в диффузионных барьерных слоях в полупроводниковых приборах [3]. В связи с этим возникает интерес к использованию этого соединения в качестве материала металлизации затворов силовых гетероструктурных транзисторов на основе GaN.

Для формирования затворов транзисторов используется технологический процесс – литография, который может быть реализован двумя методами: прямым и обратным [2, c. 32]. В данной работе внимание было уделено разработке технологии формирования затворов на основе пленок TiN для силовых гетероструктурных GaN транзисторов с использованием метода обратной литографии (литографии на «взрыв»).

Для проведения экспериментов использовались пластины полуизолирующего нитрида галлия (i-GaN) диаметром 10 см. На первом этапе исследований использовалась пластина низкого качества с высокой кривизной по площади. Для формирования затворов TiN использовалась двухслойная фоторезистивная маска с нижним слоем LOR-5B и верхним слоем AZ1505. Экспонирование фоторезистов проводилось на установке MJB-4. Проявление резистивного слоя AZ1505 происходило в растворе AZ351B:H₂O в соотношении 1:4, резистивный слой LOR-5B проявлялся в растворе MF319:H₂O в соотношении 2:1. Для улучшения качества процесса «взрыва» проводилось дополнительное проявление слоя LOR-5B в растворе MF319:H₂O в соотношении 1:10. После завершения проявления резистивной маски происходило нанесение пленки TiN толщиной 100 нм методом реактивного магнетронного распыления в атмосфере Ar+N₂ при остаточном давление атмосферы в рабочей камере 3·10^-7 мбар и потоках газов Ar и N₂ по 25 см³/мин и 14 см³/мин, соответственно. Значение тока разряда составляло 1,4 А, напряжение разряда - 540 В, а мощность разряда - 0,75 кВт. Диаметр титановой мишени 4" (10 см), а расстояние между подложкой и мишенью 20 см. Реактивное магнетронное распыление мишени Ti проводилось в установке ORION-B.

Перед проведением процесса обратной литографии, то есть взрыва резистивной маски подложки, проводилась предобработка всей пластины в растворе MF319:H₂O в соотношении 2:1, а также вся пластина подвергалась обработке в ванне с ультразвуком, что позволило увеличить отслоение части подпыленной пленки TiN, изображение которой приведено на рис. 1:

Рисунок 1. Область подпыла пленки TiN

Процесс взрыва резистивной маски проводился при использовании растворов ДМФА в 2 порции очистки в течении 80 мин при температуре 70°С и ИПС в течение 10 мин при температуре 80°С. Раствор ДМФА применялся непосредственно для взрыва нижнего слоя резистивной маски LOR-5B, а раствор ИПС применялся для очистки подложки от остатков раствора ДМФА.

После проведения взрыва на подложки были сформированы затворы силовых гетероструктурных GaN транзисторов на основе пленок TiN. После подложка подвергалась травлению в кислородной плазме с помощью установки YES–G500 для уменьшения вероятности наличия остаточного резиста и частей подпыла пленки TiN.

По завершению формирования затворов нитрида титана были сделаны микрофотографии с помощью установки Raith 150^two, в которую установлен электронный микроскоп Zeiss Supra 55, которые представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Микрофотографии затворов TiN на некачественной подложке GaN

На основе микрофотографий видно, что области подпыла пленок TiN были удалены не до конца, в результате чего было принято решение дополнительной обработки подложки в плазме SF₆/O₂ с целью удаления подпыла. Микрофотографии затворов TiN после дополнительной обработки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Микрофотографии затворов TiN на некачественной подложке GaN, после дополнительной обработки в плазме SF₆/O₂

На втором этапе исследований была взята подложка GaAs высокого качества, которая применяется для выращивания на них гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Процесс формирования затворов TiN полностью соответствует процессам, указанным выше, за исключением дополнительного процесса обработки в плазме SF₆/O₂, после чего были сделаны микрофотографии затворов TiN, которые представлены на рис. 4.

Рисунок 4. Микрофотографии затворов TiN на качественной подложке GaN

Из рис.4 следует, что сформированные затворы TiN на качественной подложке GaN имеют меньшую область подпыла, чем затворы, представленные на рис.2.

В работе была представлена технология формирования затворов силовых гетероструктурных GaN транзисторов на основе пленок TiN с использованием метода обратной литографии. Было установлено, что формируемые затворы обладают побочной областью подпыла TiN, которая может способствовать закорачиванию затворов. Также было установлено, что формируемые затворы обладают меньшей областью подпыла при использовании подложек более высокого качества.

Список литературы:

1.     Кищинский А.А. Твердотельные СВЧ усилители мощности на нитриде галлия – состояние и перспективы развития // XIX Крымская конференция «СВЧ и телекоммуникационные технологии». – 2009. – T.1. – C. 11-16.

2.     Кручинин Д.Ю. Фотолитографические технологии в производстве оптических деталей : учебное пособие / Д.Ю. Кручинин, Е.П. Фарафонтова. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 51 с.

3.     Saoula N. Influence of Nitrogen Content on the Structural and Mechanical Properties of TiN Thin Films / N. Saoula, K. Henda, R. Kesri // Plasma Fusion – 2009. Vol. 8. – P.1403-1407.