Таблица 1

Предполагается, что HBT- и HEMT - транзисторы не будут служить заменой MESFET - транзисторов, но будут широко использоваться в тех областях, где высокочастотные свойства являются критическим фактором.

Существующая в настоящее время в России технология цифровых ИС на арсениде галлия позволяет изготавливать лишь схемы малой степени интеграции на нормально - открытых транзисторах с затвором Шоттки. Однако процент выхода годных ИС пока недостаточен для промышленного выпуска. Это связано как с отсутствием качественных подложек GaAs отечественного производства, так и с отсутствием чистых производственных помещений соответствующего класса. Другой причиной является недостаточная оснащенность современным технологическим и контрольно-измерительным оборудованием, изношенность существующего парка оборудования. Многие единицы оборудования, разработанные специально для технологии GaAs ИС, существуют в единственном экземпляре, не вполне соответствуют современным требованиям и также близки к моральному и физическому износу. Разработанные БИС на основе базовых матричных кристаллов на 3000 и 10000 эквивалентных вентилей (~ 20000ё 60000 транзисторов) с использованием нормально-закрытых и нормально-открытых транзисторов в рамках существующей технологии имеют недопустимо низкий процент выхода годных, причем в данном случае основными причинами низкого выхода годных является то, что отечественные пластины GaAs не соответствуют требованиям, предъявляемым к пластинам для изготовления БИС, а также отсутствие стабильной и воспроизводимой технологии изготовления нормально-закрытых транзисторов с требуемой величиной и разбросом пороговых напряжений.

Помимо отмеченных технических проблем развитие технологии цифровых арсенид - галлиевых ИС в России сдерживают и чисто экономические проблемы, а именно: отсутствие развитого отечественного рынка потребителей данного класса ИС, отсутствие выхода на мировой рынок, отсутствие финансирования разработок, исследований, производства

Концепция развития технологии цифровых ИС на GaAs.

Основной предпосылкой разработки данной концепции явилась необходимость организации отечественного промышленного производства цифровых арсенид - галлиевых ИС на основе имеющегося технологического задела.

Решаемые задачи:

1. В период по 2000 г. включительно организовать промышленное производство ИС малой степени интеграции с целью формирования отечественного рынка потребителей арсенид - галлиевых ИС. Организовать производство функциональных аналогов GaAs ИС, используемых в бытовой электронике западных производителей, для снабжения ремонтных организаций. Для этих целей допустимо использовать отечественные пластины арсенида галлия и существующую технологию ИС.

2. Одновременно с решением задач первого раздела в период по 1999 г. включительно провести анализ реального состояния имеющейся отечественной технологии БИС БМК, используя пластины арсенида галлия западных производителей. Используя полученную информацию в период по 2000 г. включительно произвести корректировку технологии изготовления БМК на 3000 и 10000 эквивалентных вентилей с целью повышения процента выхода годных до величины не менее 50 %, опять-таки на пластинах западного производства. Разработать на основе указанных БМК с проектными нормами 0.8 мкм ряд ИС для проверки возможности выхода на мировой рынок.

В указанный период отечественная промышленность должна провести работу по повышению качества пластин арсенида галлия диаметром 76 мм и доведению его до мирового уровня.

3. В период с 2001 по 2015г. г. будет проводится работа по совершенствованию технологии GaAs ИС с целью повышения процента выхода годных до величины не менее 90 %, снижения проектных норм до 0.07 мкм, повышения рабочих частот до значений і 4 ГГц, повышению надежности. В это же время отечественная промышленность должна освоить производство пластин арсенида галлия диаметром 100, 150, 200 мм соответствующих мировым стандартам, разработать и изготовить спецтехнологическое оборудование для обработки таких пластин, контрольно-измерительное и вспомогательное оборудование.

В этот период предполагается разрабатывать и производить следующие классы схем:

1. БИС специального назначения для измерительной, телекоммуникационной и т.п. техники;
2. БИС обработки информации специального назначения (БПФ, АЛУ, процессоры, контроллеры);
3. БИС базовых матричных кристаллов (БМК).

Все указанные типы ИС могут быть реализованы на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки и HEMT-транзисторов, поэтому минимальные проектные нормы определяют минимальную длину полевого транзистора.

Следует отметить, что поставленные задачи не являются невыполнимыми, поскольку мировой технологический уровень ИС на арсениде галлия в 1998 г. составляет: проектные нормы – 0.3 мкм, диаметр пластин – 150 мм. Однако эти задачи не могут быть решены силами одного или нескольких предприятий и требуют координации усилий в рамках национальной программы развития микроэлектроники.

Далее рассматриваются основные технологические характеристики БИС и требования к основным технологическим операциям их изготовления.

Основные технологические характеристики БИС

Таблица 2

Кристалл и корпусирование

Таблица 3

Производство

Таблица 4

Электрические параметры

Требования к исходным полупроводниковым материалам

Как уже отмечалось, наиболее распространенной элементной базой БИС на арсениде галлия являются полевые транзисторы с затвором Шоттки, формируемые непосредственной ионной имплантацией в полуизолирующий GaAs. При этом электрическая активация примеси производится путем термической обработки при температурах, превышающих 800^о С.

Отечественной промышленностью выпускаются пластины компенсированного полуизолирующего арсенида галлия диаметром до 76 мм. Однако они отличаются низким качеством: плохая термостабильность, большой уровень дефектности, высокая плотность дислокаций, качество обработки поверхности не соответствует требованиям изготовления БИС, низкая воспроизводимость параметров слоев, изготовленных ионной имплантацией.

В таблице 5 приведены требования к подложкам полуизолирующего арсенида галлия, необходимым как для изготовления ИС методом непосредственной ионной имплантации, так и для выращивания гетероструктур. Следует заметить, что эти требования во многом превышают достигнутый отечественный уровень даже для пластин диаметром 76 мм, однако соответствуют параметрам предлагаемых на мировом рынке пластин. Необходимым условием для дальнейшего развития как технологии изготовления пластин полуизолирующего GaAs, так и технологии изготовления ИС на его основе, является разработка (либо приобретение) оборудования и методик для неразрушающего контроля пластин полуизолирующего арсенида галлия. Это необходимо как изготовителям пластин, так и производителям ИС для организации входного контроля.

Таблица 5

Требования к подложкам нелегированного полуизолирующего GaAs

Примечания:
1. Требование к геометрии, поверхностным загрязнениям, дефектности и величине нарушенного слоя совпадают с требованиями к Si пластинам соответствующего диаметра для СБИС.
2. Однородность пороговых напряжений нормально-закрытых ПТШ, полученных непосредственной ионной имплантацией, не хуже 10 мВ.

Требования к технологии обработки поверхности

Из-за существенного различия в исходных материалах, топографии самой поверхности и методов ее обработки имеет место дифференцированный подход к возникающим проблемам обработки поверхности на начальных технологических этапах производства и на его заключительной стадии.

На заключительных стадиях производства ИС технология обработки поверхности, в основном, определяется задачами, возникающими при осаждении металлических и диэлектрических слоев, травлении, формировании контактов и при проведении операций планаризации. Поэтому требования к технологии обработки поверхности на данных стадиях практически не отличаются от аналогичных требований технологии кремниевых ИС.

На начальных стадиях производства требования к технологии обработки поверхности определяются требованиями формирования границы раздела арсенида галлия с металлическими, диэлектрическими и полупроводниковыми слоями. Наиболее существенными из них являются: структурное совершенство и отсутствие нарушений стехиометрии поверхности GaAs, снижение поверхностной концентрации металлов и органики, пассивация поверхности полупроводника с целью задержки формирования естественного окисла. Эти требования являются наиболее общими и не зависят от степени интеграции ИС, однако основная трудность их реализации заключается в том, что они должны выполняться как при подготовке поверхности пластин к эпитаксиальному наращиванию (подготовка исходной поверхности), так и при очистке поверхности в окнах фоторезиста и (или) диэлектрика перед операцией нанесения металлизации омических контактов и контактов Шоттки. Это свидетельствует о том, что одни и те же результаты очистки должны достигаться различными методами обработки (органические и неорганические составы, сухие процессы), а также их комбинацией, В каждом конкретном случае технология обработки будет определяться экономической целесообразностью.

В настоящий момент и в обозримом будущем жидкостные методы очистки будут использоваться наиболее широко, ввиду таких присущих водным растворам свойств, как высокая растворимость в них металлов, управление Z-потенциалом, эффективная передача звуковой энергии при ультразвуковой очистке поверхности от загрязняющих частиц. Способы же обработки будут отличаться значительным разнообразием: обработка в разбавленных и чередующихся реактивах, обработка погружением и распылением, использование ультразвука, поверхностно-активных веществ, гидромеханической отмывки в воде и органических растворителях. Для технологии GaAs ИС наиболее принципиальными моментами являются: использование неокисляющих реактивов и сушка пластин без доступа атмосферного кислорода.

Таблица 6

Требования к технологии обработки поверхности

Требования к технологии формирования транзисторных структур

Формирование транзисторных структур – это та часть технологии арсенид - галлиевых ИС, которая существенным образом отличает ее от технологии кремниевых ИС.

Как уже отмечалось, наиболее распространенной элементной базой ИС на GaAs будут являться полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET, ПТШ) и транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT-транзисторы). Основным требованием к технологии формирования транзисторных структур является обеспечение воспроизводимости и однородности пороговых напряжений. Технология ПТ на GaAs включает в себя: формирование активных слоев в объеме полупроводника, изоляция транзисторных структур друг от друга, формирование омических контактов и затворов.

Технология ПТШ

В настоящее время и в обозримом будущем ионная имплантация будет являться наиболее распространенным методом формирования активных слоев в ИС массового производства ввиду таких очевидных преимуществ, как: простота осуществления, высокая однородность и воспроизводимость параметров имплантированных слоев, локальность метода, возможность формирования приборов с разным пороговым напряжением в пределах одного и того же кристалла ИС. Характерной особенностью процесса в технологии GaAs является необходимость имплантации малых доз примеси и малые глубины залегания слоев. По мере уменьшения проектных норм (длины затвора), глубина имплантации будет постоянно уменьшаться с целью снижения влияния эффектов короткого канала (толщина канала должна быть порядка 0.1 от длины затвора), при этом одновременно будет снижаться и доза имплантации для обеспечения требуемых пробивных напряжений контакта Шоттки. Однако доза имплантации обусловлена не только пробивными напряжениями, но и величиной требуемого порогового напряжения, которое зависит от концентрации и толщины активного слоя. Одним из способов преодоления этого противоречия будет служить разработка методов формирования имплантационных профилей сложной формы, чтобы удовлетворить всем указанным требованиям. Основными требованиями к оборудованию для имлантации являются: контроль и воспроизводимость малых доз имплантируемой примеси, формирование пучков с малым разбросом по энергиям (моноэнергетических), контроль эмиссии источников ионов, контроль поперечного сечения пучка, подавление эффектов каналирования, контроль привносимых загрязнений, заряда и температуры пластин во время имплантации, отсутствие взаимодействия ионного пучка с конструкционными материалами установок имплантации.

Помимо имплантации, существенным моментом формирования активного слоя, является активационный отжиг, проводимый при температурах порядка 800 – 900^о С. От способа активационного отжига и условий его проведения в значительной степени зависят параметры активных слоев. В целом процесс активационного отжига неразрывно связан с процессом ионной имплантации и поэтому в будущем нужна разработка установок кластерного типа, интегрирующих в себе операции имплантации и активационного отжига. В состав таких установок должны быть включены модули для удаления маски, используемой при селективной имплантации и очистки поверхности пластин перед операцией отжига. Следует учесть, что способы и методы отжига при формировании областей стока, истока и канала, могут быть различными, что может потребовать специализированного оборудования для проведения каждой из операций.

Наилучшие характеристики ПТШ могут быть достигнуты лишь в самосовмещенных структурах, из которых наиболее предпочтительной является структура, использующая тугоплавкий затвор в качестве маски при проведении имплантации областей стока и истока. Материал такого затвора должен выдерживать высокотемпературный отжиг без заметного ухудшения свойств контакта Шоттки. В настоящее время используются составы на основе W (силициды и нитриды W и Ti/W). Дальнейшие работы должны быть направлены на оптимизацию состава металлизации затвора и способов его нанесения. Основной проблемой при формировании такой транзисторной структуры является невозможность корректировать пороговое напряжение транзистора. Это требует, помимо качественных исходных подложек GaAs, высокой воспроизводимости и контролируемости всех операций изготовления ПТШ, а также разработки методов измерения параметров имплантированных слоев без формирования омических контактов, разработки программ машинного моделирования технологии изготовления транзисторной структуры, а также комплексной отладки всех процессов формирования этой структуры. Следует предусмотреть проведение поисковых работ по разработке методов корректировки пороговых напряжений уже изговотленных ПТШ.

В настоящее время технология формирования омических контактов на основе Au-Ge хорошо отработана и позволяет получать контакты с низким удельным сопротивлением. Однако по мере уменьшения размеров такие недостатки данных контактов, как неоднородность по площади контакта, зависимость его сопротивления от геометрических размеров и недостаточно гладкая морфология поверхности потребуют разработки технологии формирования несплавных омических контактов с удельным сопротивлением < 0.1 Ом· мм. Эта задача также может потребовать комплексного подхода для своего решения, а именно: разработки специальных режимов и методов имплантации, отжига, выбора состава, способов нанесения металлизации омического контакта и методов его формирования.

Таблица 7

Тре6ования к технологии формирования активных слоев ПТШ

Технология HEMT – транзисторов

Использование в качестве элементной базы БИС транзисторов с высокой подвижностью электронов позволяет существенно улучшить такие параметры ИС, как: мощность переключения, рабочие частоты, особенно в области низких температур. Данный тип транзисторов наиболее предпочтителен для субмикронной технологии из-за слабой подверженности их эффектам короткого канала. В технологии HEMT – транзисторов наиболее сложным является формирование качественных гетероэпитаксиальных слоев и селективное прецизионное травление гетероструктур.

Основными задачами совершенствования технологии ИС на HEMT – транзисторах являются следующие:

1. Повышение качества гетероэпитаксиальных структур

   а) уменьшение числа дефектов роста до величин приемлемых для создания БИС,

   б) увеличение концентрации двумерного электронного газа,

   в) увеличение подвижности электронов в двумерном электронном газе,

   г) обеспечение однородности характеристик двумерного газа по площади пластины диаметром 100 – 200 мм,

   д) повышение производительности установок молекулярно-лучевой эпитаксии и разработка альтернативных методов изготовления гетероструктур и соответствующего оборудования.

2. Совершенствование технологии селективного травления гетероструктур

а) увеличение селективности травления,

б) снижение энергии травящих частиц,

в) замена хладон-содержащих газовых смесей на экологически более безопасные.

Таблица 8

Примечания:
РИТ – процессы реактивно-ионного травления;
ЭЦР – травление с использованием электронно-циклотронного резонанса;
ИСП – травление с использованием индуктивно – связанной плазмы.

Перспективы развития элементной базы ИМС на сложных полупроводниковых соединениях

Для дальнейшего увеличения быстродействия ИС необходима разработка новой элементной базы таких интегральных схем. Наиболее перспективными следует считать приборы на основе соединений группы A₃B₅ и Si-Ge.

Элементная база на основе гетероструктур соединений группы A₃B₅

С целью уменьшения времени задержки и повышения частотных параметров цифроаналоговых и аналоговых приборов будет разрабатываться элементная база на основе гетероструктур полупроводниковых соединений группы A₃B₅ со следующими основными параметрами:

Таблица 9

Элементная база на основе соединений Si-Ge

Вследствие того, что подвижность носителей в германии заметно выше чем в кремнии, транзисторы и ИС на основе соединений Si-Ge характеризуются более высоким быстродействием. Действительно, фирма IBM утверждает, что SiGe-технология обеспечивает 200ё300 % увеличение быстродействия транзисторов при минимальном росте их себестоимости. Транзисторы на основе соединений Si-Ge могут быть изготовлены как по биполярной, так и по БиКМОП и КМОП технологии. Наиболее перспективной областью использования SiGe ИС являются телекоммуникационные системы, однако они найдут применение во всех тех областях, где используются как цифровые ИС на GaAs (см. таблицу 1), так и аналоговые арсенид-галлиевые ИС. В случае выхода на рынок беспроводных телекоммуникационных систем., SiGe ИС могут составить конкуренцию не только БиКМОП ИС и даже ИС на основе чисто биполярных транзисторных кремниевых структур, но и арсенид-галлиевым ИС.

При разработке элементной базы на основе соединений Si-Ge основное внимание будет уделено формированию гетероэпитаксиальных слоев этих соединений, повышению их качества (в первую очередь при использовании пластин большого диаметра), отработке процессов легирования гетероструктур. Поскольку при изготовлении транзисторов на основе соединений Si-Ge широко используются технологические приемы и операции технологии кремниевых ИС, это позволит обеспечить быстрый прогресс технологии данного класса ИС.

Таблица 10

Технология межсоединений

Принципиально требования к технологии межсоединений арсенид-галлиевых БИС не отличаются от аналогичных требований кремниевой технологии, за исключением, пожалуй лишь, необходимости проведения процессов формирования металлических и диэлектрических слоев при температурах, не вызывающих деградации омических контактов на основе Au-Ge (не более 300^о С).

Существующая в настоящее время технология формирования планаризованных межсоединений с использованием методов обратной литографии может оказаться непригодной при проектных нормах 0.35, 0.18 и 0.07 мкм вследствие увеличения аспектного отношения высота/зазор металлизации. С этой точки зрения наиболее предпочтительным оказывается переход на системы металлизации и способы их формирования, используемые в технологии кремниевых ИС. Этот переход целесообразно осуществить уже на проектных нормах 0.8 мкм, что позволит заметно снизить себестоимость ИС за счет уменьшения расхода драгмеаллов. Однако системы металлизации на основе Ti/Pt/Au также могут быть использованы для изготовления высоконадежных ИС. Это означает, что обе технологии должны развиваться параллельно.

Для перехода на системы межсоединений на основе сплавов Al требуется решить задачу формирования барьерного слоя между такой металлизацией и золотосодержащими омическими контактами.

Таблица 11

Параметры межсоединений

Литография

Ключевыми элементами процесса литографии, так же как и в технологии кремниевых ИС, являются:

• оборудование для экспонирования;
• резисты и оборудование для их нанесения;
• изготовление шаблонов, оборудование и материалы для изготовления шаблонов;
• метрологическое оборудование для контроля критических размеров и точности совмещения.

Основной промышленной технологией переноса изображения при изготовлении изделий с минимальными размерами будет оставаться оптическая литография. Усовершенствования оптической литографии должны быть направлены на разработку оборудования и методов экспонирования для достижения минимальных размеров

0.35 мкм. Эти усовершенствования могут включать достижения в области экспонирования, такие как уменьшение длины волны ( 365 нм – 248 нм) и внеосевое освещение, а также в конструкции шаблонов (шаблоны со сдвигом фазы и коррекция эффекта оптической близости). Для проектных нормах 0.18 мкм использование оптической литографии становится проблематичным, если не будет достигнут прогресс в разработке оборудования для экспонирования дальним ультрафиолетом с длиной волны 193 нм. В противном сдучае основным методом дитографии будет являться электронно-лучевая литография с высокой производительностью (требуется разработка ) либо рентгенолитография. В случае проектных норм 0.07 мкм альнернативы рентгенолитографии нет. Все обозначенные проблемы должны решаться комплексно с разработкой соответствующих резистов и шаблонов. Одним из требований к резистам для технологии GaAs ИС будет оставаться их совместимость с технологией формирования металлизации методами обратной литографии.

Таблица 12

Требования к процессам литографии

Корпусирование ИС на GaAs

Развитие техники корпусирования ИС на арсениде галлия будет в основном совпадать с аналогичными технологиями кремниевых ИС. Однако значительно более высокие рабочие частоты арсенид - галлиевых интегральных схем могут потребовать как изменение конструкции корпусов, так материалов для их изготовления.

Организация производства ИС на GaAs

Требования к чистым производственным помещениям для изготовления ИС на GaAs соответствуют требованиям к ЧПП кремниевых ИС с такими же проектными нормами. Поскольку поверхность арсенида галлия более восприимчива к воздействию различных химических веществ и аккумуляции поверностных загрязнений, то требования к чистоте технологических сред во многих случаях могут превышать аналогичные требования кремниевой технологии. Основным требованием к технологическому оборудованию является способность обрабатывать пластины арсенида галлия соответствующего диаметра, которые характеризуются повышенной хрупкостью, большими толщиной и массой по сравнению с кремниевыми пластинами. До разработки технологии несплавных омических контактов, стабильных при температурах до 400^о С, основным требованием к оборудованию для осаждения диэлектрических слоев будет являться возможность проведения процесса при температурах не выше 300^о С. От установок нанесения металлизации на отдельных операциях маршрута будет требоваться формирование направленного потока наносимого материала. Требования к установкам сухой обработки не отличаются от требований кремниевой технологии. Общим требованием к вакуумному оборудованию, используемому при изготовлении транзисторных структур ИС на GaAs, является преимущественное использование безмасляных средств откачки.

Метрологическое обеспечение

Подходы аналогичны технологии кремниевых ИС с учетом специфики электрофизических свойств арсенида галлия и параметров ИС на его основе. Однако зачастую контрольно-измерительное оборудование для технологии арсенид - галлиевых ИС может быть создано лишь на базе этих же ИС, что в свою очередь будет стимулировать развитие технологии их изготовления.

Проектирование и моделирование

Подходы аналогичны технологии кремниевых ИС с учетом специфики электрофизических свойств арсенида галлия и параметров ИС на его основе. Преимущественное значение имеет создание адекватной модели технологии изготовления транзисторных структур для ИС на GaAs.

Заключение

Представленная концепция развития технологии цифровых ИС на арсениде галлия и других полупроводниковых соединениях ставит своей целью преодоление отставания нашей страны в производстве данного класса ИС, что вызвано в первую очередь требованиями укрепления обороноспособности страны. Однако мировой рынок гражданского применения ИС на GaAs также далек от своего насыщения, что позволяет надеяться на относительную легкость вхождения в него в случае правильного выбора номенклатуры выпускаемых ИС. Поскольку данная концепция во многом имеет рубежный характер, реализовать ее можно будет лишь в случае принятия национальной программы развития микроэлектроники. Выполнение ее не под силу как отдельным предприятиям, так и ведомствам вследствие большого объема требуемых инвестиций. В рамках концепции отечественная промышленность должна будет в кратчайшие сроки преодолеть существующее отставание не только в технологии, но и, в первую очередь, в разработке и производстве современного спецтехнологического и контрольно-измерительного оборудования, полупроводниковых материалов, современных резистов, в материально-техническом снабжении, в проектировании ИС и в моделировании технологических процессов. Решение данных задач собственными силами потребует значительных усилий и приведет к существенному росту невозвратимых проектно-конструкторских расходов. С этой точки зрения более предпочтительной (особенно в начальный период реализации концепции) может оказаться закупка зарубежного спецтехнологического и контрольно-измерительного оборудования бывшего в употреблении и выводимого из производства в случае сохранения его потребительских свойств, а также полупроводниковых материалов. Для своего интенсивного развития технология арсенид - галлиевых ИС должна преодолеть некоторую самоизоляцию и максимально использовать достижения технологии кремниевых ИС, что позволит, в частности, применять как высвобождающееся оборудование кремниевых производств, так и, в ряде случаев, обеспечить совместное использование оборудования.