eng
Выпуск #5/2016
А.Алексеев, С.Петров
Создание мощных СВЧ-транзисторов и микросхем на основе GaN – отечественный комплекс технологического оборудования
Создание мощных СВЧ-транзисторов и микросхем на основе GaN – отечественный комплекс технологического оборудования
Просмотры: 3103
Рассмотрены проектирование и производство мощных СВЧ-транзисторов и микросхем на основе GaN, реализованные в результате кооперации российских производителей оборудования и электронной компонентной базы.
Разработка современных приборов с последующей постановкой их серийного производства на отечественных предприятиях радиоэлектронного комплекса зачастую сдерживается из-за отсутствия современного специального технологического оборудования (далее – СТО), отвечающего необходимым требованиям. Импортное оборудование, получившее широкое распространение в последние 20 лет на отечественных предприятиях, далеко не всегда позволяет качественно решать специальные задачи по созданию перспективной ЭКБ. К числу недостатков импортного СТО можно, в частности, отнести следующие:[1]
• не всегда достаточная гибкость в части изменения параметров технологических процессов;
• зачастую избыточная производительность для задач НИОКР и мелкосерийного производства;
• высокая стоимость покупки и регламентного обслуживания, в том числе с учетом валютных рисков;
• риски срыва сроков поставки, а также отсутствия последующей технической и технологической поддержки в условиях режима санкций, введенных против России.
Создание собственной перспективной ЭКБ – основа развития большинства высокотехнологичных отраслей промышленности, в том числе стратегически важной радиоэлектронной отрасли. Один из значимых аспектов данного развития, определяющий технологическую безопасность страны, – разработка конкурентоспособного отечественного СТО и внедрение его в технологические линии предприятий-производителей ЭКБ.
ЗАО "НТО" (г. Санкт-Петербург) уже на протяжении 15 лет под брендом SemiTEq развивает технологии разработки специального технологического оборудования для молекулярно-лучевой эпитаксии и последующего формирования тонкопленочных структур на пластине. Сегодня предприятие представляет на рынке пять линеек оборудования: системы молекулярно-лучевой эпитаксии, установки электронно-лучевого напыления, установки магнетронного распыления, системы плазмохимического травления и осаждения, установки быстрого термического отжига. Основу всех систем составляют собственные разработки, ноу-хау и патенты специалистов компании. Все выпускаемое оборудование проходит технологическое тестирование не только в собственной прикладной лаборатории ЗАО "НТО", но и на предприятиях-партнерах. Отличительная особенность отечественного оборудования – возможность его адаптации под специальные задачи заказчика.
Один из традиционных партнеров и заказчиков ЗАО "НТО" – ЗАО "Светлана-Рост" (г. Санкт-Петербург). Эта компания – единственное в России предприятие полупроводниковой промышленности полного цикла – от производства полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур и наногетероструктур до производства пластин с кристаллами заказанных элементов – в области твердотельной СВЧ и фотоприемной элементной базы. Предприятия тесно сотрудничают уже много лет в различных областях. Так, ЗАО "НТО" разрабатывает уникальное оборудование для решения специальных производственных задач, совместно с технологами ЗАО "Светлана-Рост" создавая возможности для качественной реализации целевых техпроцессов. Многолетняя кооперация предприятий позволяет получать от технологов оперативные замечания по работе и эргономике оборудования.
ЗАО "Светлана-Рост" использует комплекс отечественного оборудования производства ЗАО "НТО" для отработки различных технологических маршрутов.
Методология проектирования и производства транзисторов
Методология проектирования и производства транзисторов S-, C- и Х-диапазонов предусматривает следующие этапы:
• выращивание гетероструктур необходимого качества;
• проведение комплекса постростовых операций по созданию транзисторов и пассивных элементов;
• разработка правил проектирования (PDK, Process Design Kit) и библиотек стандартных элементов.
Критическими точками производства для приборов, работающих на частоте до 8 ГГц, являются формирование многоуровневой металлизации (в т. ч. воздушных мостиков и дополнительных полевых электродов (field-plate)), сквозных металлизированных отверстий и изготовление чипов. При этом PDK могут распространяться только на базовые ячейки усиления (масштабируемые СВЧ-транзисторы с длиной затвора Lg = 0,5 мкм), используемые в так называемых гибридных усилителях (с внешней цепью согласования). В то же время для приборов с частотой более 8 ГГц PDK включают в себя активные и пассивные элементы, в рамках одной "монолитной" СВЧ-микросхемы использующие все указанные конструктивные элементы. Необходимый и крайне важный этап разработки – верификация PDK путем изготовления тестовых монолитных интегральных схем (МИС) и сравнения их параметров с расчетным результатом.
Основные этапы создания транзисторов и библиотеки стандартных элементов
Гетероструктуры на основе GaN были выращены на подложках Al2O3 и SiC в ЗАО "Светлана-Рост" и прикладной лаборатории ЗАО "НТО" на установках молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) серии STE3N.
Ранее специалистами ЗАО "НТО" было показано, что использование высокотемпературных буферных слоев AlN/сверхрешетка/AlGaN, выращенных методом аммиачной МЛЭ при экстремально высокой температуре подложки (до 1 150 °C) позволяет кардинально улучшить структурное совершенство слоев GaN[2]. Плотность дислокаций в GaN была понижена до значений 9 . 108 – 1 . 109 см–2 (рис.1)[3].
В качестве базовой структуры выбрали гетероструктуру с содержанием алюминия в барьерном слое 25–27%, поскольку уменьшение содержания алюминия способствует значительному снижению концентрации электронов, а увеличение может привести к релаксации и возникновению утечек. Важным результатом оптимизации условий роста стало снижение прогиба гетероструктуры ниже исходного прогиба подложки карбида кремния диаметром три дюйма – до 15 мкм.
Травление межприборной изоляции производилось на установке плазмохимического травления STE ICP200E. Типичные значения сопротивления меза-изоляции превысили 50 МОм, напряжение пробоя – более 150 В.
Основной этап получения низкоомных контактов к AlGaN включает процессы физического осаждения металлических слоев с последующим быстрым термическим отжигом на установке электронно-лучевого напыления ЗАО "НТО" STE EB71. Установка обеспечивает неоднородность по толщине ±1% на трех пластинах диаметром три дюйма с применением выравнивающей "маски". В качестве слоев металлизации была выбрана традиционная контактная система – Ti/Al/Ni/Au.
Термический отжиг металлических контактов выполнялся на установке быстрого термического отжига STE RTA100. Система обеспечивает скорость нагрева порядка 30–40°C/c при максимальной температуре в диапазоне 800–900°C и неоднородность нагрева не выше 5% для образца диаметром 100 мм. Подобные параметры обязательны для создания указанной контактной металлизации. В этой системе металлов относительно низкая температура плавления алюминия диктует необходимость в высокой скорости нагрева образца, чтобы исключить влияние расплавленного алюминия на фазовую структуру контакта во избежание его деградации. Вжигание контактов проводилось при непрерывной продувке азотом и атмосферном давлении в течение 30 с. Полученные значения контактного сопротивления по окончании процесса составили 0,35–0,6 Ом ∙ мм.
Затворы были сформированы методом электронно-лучевого напыления на установке STE EB71 с использованием электронной и оптической литографии.
Для защиты поверхности и уменьшения влияния эффекта захвата электронов на ловушки в приповерхностных состояниях была произведена пассивация поверхности слоем Si3N4 на установке STE ICP200D.
На основе разработанных блоков (многоуровневой металлизации, сквозных металлизированных отверстий и др.) (рис.2) была сформирована библиотека активных и пассивных элементов: масштабируемых СВЧ-транзисторов (Lg = 0,5 мкм и Lg = 0,25 мкм), тонкопленочных резисторов, емкостей и МДМ-конденсаторов.
Специалисты ЗАО "Светлана-Рост" на базе указанных выше операций отработали техпроцесс DHFET05 для проектирования и производства элементной базы (усилителей мощности и широкополосных усилителей) c рабочими частотами до 8 ГГц. Получены транзисторы удельной мощностью 5,5 Вт/мм и гибридные усилители суммарной мощностью 20 Вт.
Сформированная библиотека стандартных элементов и PDK позволила в рамках проводимых НИОКР совместно с партнерами из промышленности изготовить мощные СВЧ-транзисторы S-диапазона мощностью до 12,5 Вт (рис.3) и тестовые МИС Х-диапазона с коэффициентом усиления 13 дБ (рис.4). По окончании процедуры аттестации технологических процессов разработанные на их основе PDK планируется подвергнуть дополнительной верификации.
Таким образом, на примере цикла "разработка-производство" ЗАО "Светлана-Рост" показана возможность применения комплекса оборудования ЗАО "НТО" для основных операций технологического маршрута создания мощного нитридного транзистора.
Это еще один положительный пример кооперации российских разработчиков оборудования и ЭКБ. Такое взаимодействие благоприятно сказывается на разработке отечественного оборудования для перспективных задач создания ЭКБ, а значит, будет способствовать реализации стратегии импортозамещения в нашей стране.
Alexeev A.N. et al. Growth of high quality III-N heterostructures using specialized MBE system // Рhysica status solidi (c). 2012. Т. 9. №. 3–4. С. 562–563.
Сведения о технологических процессах и изображения со сканирующего электронного микроскопа приведены с разрешения ЗАО "Светлана-Рост".
• не всегда достаточная гибкость в части изменения параметров технологических процессов;
• зачастую избыточная производительность для задач НИОКР и мелкосерийного производства;
• высокая стоимость покупки и регламентного обслуживания, в том числе с учетом валютных рисков;
• риски срыва сроков поставки, а также отсутствия последующей технической и технологической поддержки в условиях режима санкций, введенных против России.
Создание собственной перспективной ЭКБ – основа развития большинства высокотехнологичных отраслей промышленности, в том числе стратегически важной радиоэлектронной отрасли. Один из значимых аспектов данного развития, определяющий технологическую безопасность страны, – разработка конкурентоспособного отечественного СТО и внедрение его в технологические линии предприятий-производителей ЭКБ.
ЗАО "НТО" (г. Санкт-Петербург) уже на протяжении 15 лет под брендом SemiTEq развивает технологии разработки специального технологического оборудования для молекулярно-лучевой эпитаксии и последующего формирования тонкопленочных структур на пластине. Сегодня предприятие представляет на рынке пять линеек оборудования: системы молекулярно-лучевой эпитаксии, установки электронно-лучевого напыления, установки магнетронного распыления, системы плазмохимического травления и осаждения, установки быстрого термического отжига. Основу всех систем составляют собственные разработки, ноу-хау и патенты специалистов компании. Все выпускаемое оборудование проходит технологическое тестирование не только в собственной прикладной лаборатории ЗАО "НТО", но и на предприятиях-партнерах. Отличительная особенность отечественного оборудования – возможность его адаптации под специальные задачи заказчика.
Один из традиционных партнеров и заказчиков ЗАО "НТО" – ЗАО "Светлана-Рост" (г. Санкт-Петербург). Эта компания – единственное в России предприятие полупроводниковой промышленности полного цикла – от производства полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур и наногетероструктур до производства пластин с кристаллами заказанных элементов – в области твердотельной СВЧ и фотоприемной элементной базы. Предприятия тесно сотрудничают уже много лет в различных областях. Так, ЗАО "НТО" разрабатывает уникальное оборудование для решения специальных производственных задач, совместно с технологами ЗАО "Светлана-Рост" создавая возможности для качественной реализации целевых техпроцессов. Многолетняя кооперация предприятий позволяет получать от технологов оперативные замечания по работе и эргономике оборудования.
ЗАО "Светлана-Рост" использует комплекс отечественного оборудования производства ЗАО "НТО" для отработки различных технологических маршрутов.
Методология проектирования и производства транзисторов
Методология проектирования и производства транзисторов S-, C- и Х-диапазонов предусматривает следующие этапы:
• выращивание гетероструктур необходимого качества;
• проведение комплекса постростовых операций по созданию транзисторов и пассивных элементов;
• разработка правил проектирования (PDK, Process Design Kit) и библиотек стандартных элементов.
Критическими точками производства для приборов, работающих на частоте до 8 ГГц, являются формирование многоуровневой металлизации (в т. ч. воздушных мостиков и дополнительных полевых электродов (field-plate)), сквозных металлизированных отверстий и изготовление чипов. При этом PDK могут распространяться только на базовые ячейки усиления (масштабируемые СВЧ-транзисторы с длиной затвора Lg = 0,5 мкм), используемые в так называемых гибридных усилителях (с внешней цепью согласования). В то же время для приборов с частотой более 8 ГГц PDK включают в себя активные и пассивные элементы, в рамках одной "монолитной" СВЧ-микросхемы использующие все указанные конструктивные элементы. Необходимый и крайне важный этап разработки – верификация PDK путем изготовления тестовых монолитных интегральных схем (МИС) и сравнения их параметров с расчетным результатом.
Основные этапы создания транзисторов и библиотеки стандартных элементов
Гетероструктуры на основе GaN были выращены на подложках Al2O3 и SiC в ЗАО "Светлана-Рост" и прикладной лаборатории ЗАО "НТО" на установках молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) серии STE3N.
Ранее специалистами ЗАО "НТО" было показано, что использование высокотемпературных буферных слоев AlN/сверхрешетка/AlGaN, выращенных методом аммиачной МЛЭ при экстремально высокой температуре подложки (до 1 150 °C) позволяет кардинально улучшить структурное совершенство слоев GaN[2]. Плотность дислокаций в GaN была понижена до значений 9 . 108 – 1 . 109 см–2 (рис.1)[3].
В качестве базовой структуры выбрали гетероструктуру с содержанием алюминия в барьерном слое 25–27%, поскольку уменьшение содержания алюминия способствует значительному снижению концентрации электронов, а увеличение может привести к релаксации и возникновению утечек. Важным результатом оптимизации условий роста стало снижение прогиба гетероструктуры ниже исходного прогиба подложки карбида кремния диаметром три дюйма – до 15 мкм.
Травление межприборной изоляции производилось на установке плазмохимического травления STE ICP200E. Типичные значения сопротивления меза-изоляции превысили 50 МОм, напряжение пробоя – более 150 В.
Основной этап получения низкоомных контактов к AlGaN включает процессы физического осаждения металлических слоев с последующим быстрым термическим отжигом на установке электронно-лучевого напыления ЗАО "НТО" STE EB71. Установка обеспечивает неоднородность по толщине ±1% на трех пластинах диаметром три дюйма с применением выравнивающей "маски". В качестве слоев металлизации была выбрана традиционная контактная система – Ti/Al/Ni/Au.
Термический отжиг металлических контактов выполнялся на установке быстрого термического отжига STE RTA100. Система обеспечивает скорость нагрева порядка 30–40°C/c при максимальной температуре в диапазоне 800–900°C и неоднородность нагрева не выше 5% для образца диаметром 100 мм. Подобные параметры обязательны для создания указанной контактной металлизации. В этой системе металлов относительно низкая температура плавления алюминия диктует необходимость в высокой скорости нагрева образца, чтобы исключить влияние расплавленного алюминия на фазовую структуру контакта во избежание его деградации. Вжигание контактов проводилось при непрерывной продувке азотом и атмосферном давлении в течение 30 с. Полученные значения контактного сопротивления по окончании процесса составили 0,35–0,6 Ом ∙ мм.
Затворы были сформированы методом электронно-лучевого напыления на установке STE EB71 с использованием электронной и оптической литографии.
Для защиты поверхности и уменьшения влияния эффекта захвата электронов на ловушки в приповерхностных состояниях была произведена пассивация поверхности слоем Si3N4 на установке STE ICP200D.
На основе разработанных блоков (многоуровневой металлизации, сквозных металлизированных отверстий и др.) (рис.2) была сформирована библиотека активных и пассивных элементов: масштабируемых СВЧ-транзисторов (Lg = 0,5 мкм и Lg = 0,25 мкм), тонкопленочных резисторов, емкостей и МДМ-конденсаторов.
Специалисты ЗАО "Светлана-Рост" на базе указанных выше операций отработали техпроцесс DHFET05 для проектирования и производства элементной базы (усилителей мощности и широкополосных усилителей) c рабочими частотами до 8 ГГц. Получены транзисторы удельной мощностью 5,5 Вт/мм и гибридные усилители суммарной мощностью 20 Вт.
Сформированная библиотека стандартных элементов и PDK позволила в рамках проводимых НИОКР совместно с партнерами из промышленности изготовить мощные СВЧ-транзисторы S-диапазона мощностью до 12,5 Вт (рис.3) и тестовые МИС Х-диапазона с коэффициентом усиления 13 дБ (рис.4). По окончании процедуры аттестации технологических процессов разработанные на их основе PDK планируется подвергнуть дополнительной верификации.
Таким образом, на примере цикла "разработка-производство" ЗАО "Светлана-Рост" показана возможность применения комплекса оборудования ЗАО "НТО" для основных операций технологического маршрута создания мощного нитридного транзистора.
Это еще один положительный пример кооперации российских разработчиков оборудования и ЭКБ. Такое взаимодействие благоприятно сказывается на разработке отечественного оборудования для перспективных задач создания ЭКБ, а значит, будет способствовать реализации стратегии импортозамещения в нашей стране.
Alexeev A.N. et al. Growth of high quality III-N heterostructures using specialized MBE system // Рhysica status solidi (c). 2012. Т. 9. №. 3–4. С. 562–563.
Сведения о технологических процессах и изображения со сканирующего электронного микроскопа приведены с разрешения ЗАО "Светлана-Рост".
Отзывы читателей
