книги / Методы повышения параметров БИС

GQAS

Рис; 20. Основная структура (а) и эквивалентная схема (б) GaAsполево­ го транзистора

Сверхвысокое быстродействие, удовлетворяющее задачам создания приборов диапазона СВЧ, сверхскоростных сверхболь­ ших ИС (С3БИС), достигнуто в таких активных приборах на ар­ сениде галлия, как диоды Шоттки, полевые транзисторы с затво­ ром Шоттки (ПТШ), диоды Ганна. На основе GaAs изготавлива­ ются и пассивные компоненты ИС.

Большое влияние на характеристики GaAs-приборов, как и Si-приборов, оказывает достижение предельно малых размеров элементов. Формулы (1) —(4) иллюстрируют зависимость удельной крутизны, тока насыщения стока и предельной час­ тоты усиления по току не только для МОП,но и для других типов полевых транзисторов, если для структур типа металлшолупроводник или плоскостных транзисторов с р-п переходом под ел подразумевать диэлектрическую проницаемость полупроводника, под (1Л —расстояние между затвором и каналом [90]. В работе [158], в частности, влияние длины канала продемонстрировано на примере структуры арсёнид-галлиевого транзистора типа ПТШ (рис. 20, а), представленного эквивалентной схемой с сосредото­ ченными параметрами (рис. 20, б). Показано, что номинальный коэффициент усиления К на малом сигнале повышается с умень­ шением длины Аз затвора в силу зависимости от нее частоты от­ сечки^, приблизительно пропорциональной I/A3, и других пара­ метров схемы:

где j£. = gQl(2яСзи); Сзи ~ A3 ; / - рабочая частота; gc - про­ водимость стока; /?з —последовательное сопротивление затвора;

/?кан - сопротивление канала между истоком и затвором; Лц - последовательное сопротивление истока; £ Инд — индуктив­ ность выводов в схеме с общим истоком; Ссз —емкость стокзатвор, Сзи - емкость затвор-исток; s - крутизна. При корот­ ком затворе также обеспечивается низкий коэффициент шума, минимальное значение которого определяется так:

^мин = 1 + B’L3 fy/s(R 3 +/?и),

где В' - коэффициент пропорциональности.

Основные этапы типового технологического процесса созда­ ния топологических элементов прибора СВЧ на основе GaAs:

формирование путем эпитаксиального выращивания или ион­ ной имплантации активного н-слоя субмикронной толщины на по­ верхности GaAs-пластины, выделение активных объемов (мез) с помощью контактной фотолитографии или селективного ион­ ного легирования';

изготовление омических контактов истока и стока, для чего используются вакуумное напыление слоя, например Au —Ge/Ni, создание в нем нужного рисунка методом „взрыва” фоторезис­ та (см. п. 2.2), что позволяет избежатыювреждення поверхности арсенида галлия, характерного для его травления с использова­ нием химических травителей, и вплавление контактов;

металлизация затвора с барьером Шоттки; металлизация для создания индуктивностей, обкладок кон­

денсаторов, а также для покрытия истока и стока путем ва­ куумного осаждения слоев и формирования рисунков методом взрыва;

нанесение диэлектрика (окисла или нитрида кремния) кон­ денсатора;

создание проводящих перемычек в приборе [119, 158]. Субмикронные размеры затворов обеспечиваются, как прави­ ло, применением метода электронно-лучевой литографии для создания канавки Затвора с последующим напылением металли­ ческого слоя (например, Ti/Pt/Au) и формирования в нем требу­ емого рисунка методом взрыва. Изготовленный таким способом прибор [158] имел затвор с толщиной металлизации 0,6 мкм и шириной 0,5 мкм. Использование метода взрыва позволило по­ лучить ровность краев омических контактов не ниже 0,25 мкм. Существует возможность изготовления субмикронных затво­ ров с помощью фотолитографии. Для этого, например, процесс напыления слоя металлизации затвора с барьером Шоттки разде­ лялся на два этапа. На первом из них (после создания методом фотолитографии окна шириной 1,2 мкм в фоторезисте и вы-

42

травливания такого же размера углубления в GaAs-подложке под затвор) проводилось косое (под углом к поверхности подложки примерно 15°) напыление Аи, в результате чего в верхней части одной из вертикальных стенок окна в фоторезисте создавался слой толпшной 1мкм. Таким образом, окно сужалосьдо 0,2 мкм. На втором этапе через окно осуществлялось напыление слоя Cr/Au, создающего металлизацию затвора.

Использование арсенида галлия для создания ИС с субмик­ ронными размерами элементов вносит ряд преимуществ и огра­ ничений, определяющих целесообразность созданий тех или иных структур [15,48,90,101,102,115,119,158]. В настоящее время удовлетворяющей требованиям реального производства сверх­ скоростных БИС (содержащих свыше 1000 вентилей) с высо­ ким выходом годных считается структура работающего в режи­ ме обеднения металл-полупроводникового полевого транзистора с барьером Шоттки (МЕППТ или ПТШ) с коротким каналом (0,5.. Л мкм) (см. рис. 20, а). Такие арсенид-галлиевые транзис­ торы имеют быстродействие почти на порядок выше, чем крем­ ниевые БТОП, при малом потреблении энергии и высокую одно­ родность пороговых напряжений.

Очень малая величина произведения мощности на задержку характерна для схем на основе короткоканальных модулирован- но-легированных полевых транзисторов (или транзисторов с высокой подвижностью электронов — ВПЭТ) (рис. 21) [115]. В транзисторах такого типа значительно уменьшено (для темпе­ ратуры 77 К) обычное рассеяние электронов на ионизирова>шых донорных примесях. В структуре ВПЭТ свободные носители вво­ дятся в канальный слой нелегированного GaAs через гетеропере­ ход, образуемый GaAs и п -Al^-Ga^x As-материалом с более широкой запрещенной зоной, от донорных атомов, размещен­ ных в этом слое; Прй длине канала 0,5 мкм скорость электронов в канале ВПЭТ составляет.5 • 107 см/с.

43

Рис. 22. Сравнение равновесных за­ висимостей скорости электронов от напряженности электрического по­ ля в каналах кремниевых и GaAs- МОП-транэисторов при 300 К:

I - GaAs, удельное сопротивление 10е Ом • см; 2 - канал GaAsМЕППТ, 1Га = 1,4 • 107 см/с; 3 - п -МОП канал Si < 1 0 0 >

Приборам на .основе арсенида галлия с очень коротким кана­ лом присуши „баллистические” эффекты (эффекты „выброса” скорости), которые из-за высокой подвижности носителей обус­ ловливают функционирование схем при малых рабочих напряже­ ниях (т. е. при малых произведениях мощности на задержку) без заметного снижения быстродействия [90,149].

Равновесная зависимость (рис. 22) скорости -электронов в канале GaAs-транзистора от напряженности электрического поля 1} канале Е кjH при длинном канале и высокой разности потен­ циалов С/зи —UQ (в несколько десятков вольт) обнаруживает наличие пика и отрицательной дифференциальной подвижности, а затем - насыщения скорости [90].

Объяснение зависимости, исходящее из особенностей зонной структуры материала, состоит в том, что при достаточно высо­ ком значении £ кан в арсениде галлия происходит перенос элект­ ронов из узкого так называемого Г-минимума зоны проводи­ мости с низкой массой электронов в побочные минимумы, лежа­ щие на 0,3 эВ выше Г-минимума; электроны в этих верхних доли­ нах ймеют большую массу и испытывают сильное рассеяние, что обусловливает их очень низкую подвижность. Это ограничивает скорость электронов, например, для GaAs-МЕППТ cZ-з = 1 мкм до величины скорости насыщения vH = 1,4 • 107 см/с. Однако в случае короткоканального (например, 1 з = 0,5 мкм) маломощ­ ного транзистора равновесные зависимости не выполняются и воз­ никают эффекты „выброса” скорости, поскольку переход элек­ тронов в верхние долины с малой подвижностью невозможен изза недостаточной энергии электронов (при С/зи — U0 < 0,3 В) или не успевает произойти, хотя энергия и достаточна для этого (С/зи - С/0 >0,3 В), вследствие очень малого времени переноса электронов по каналу (около 1 пс). Скорость таких „баллисти­ ческих” электронов представляет собой верхний предел скорос­ ти v„ —10е см/с. Для маломощного ВПЭТ, например, с £3 = = 0,5 мкм при температуре 77 К получена величина — 5 X X 107 см/с. Следовательно, в таких приборах в принципе воз-

44

4 —

3

поверхности структуры и имеет площадь меньшую, чем площадь эмиттера. В такой структуре (рис. 23) с широкозонным эмитте­ ром и базовой областью, часть которой также представляет со­ бой широкозонный слой, эффективное собираш!е коллектором инжектированных носителей достигается и в случае коллектора малой площади [102]. Уменьшение последней приводит к сниже­ нию емкости коллекторного перехода, а следовательно, к повы­ шению быстродействия транзистора.

Новые возможности для улучшения характеристик приборов вносит использование ГСБТ на основе двойных гетероструктур с широкозонными эмиттерами и коллекторами [63]. Такие тран­ зисторы, например, имеют лучшие характеристики в режиме на­ сыщения, поскольку за счет использования широкозонного кол­ лектора (легированного, для снижения коллекторной емкости, спобо) исключается инжекция дырок из сильно легированной (как показано выше) базы в коллектор и, таким образом, не происходит увеличения рассеяния мощности и времени переклю­ чения. Взаимозаменяемость эмиттера и коллектора в ГСБТ такого типа является дополнительным их достоинством при использовании в интегральных схемах.

При достижимой методами молекулярно-лучевой эпитаксии толщине базы 50 нм и ширине полоски эмиттера 1мкм может быть получена предельная частота усиления ГСБТ по току 100.. .200 Гтц при комнатной температуре; при температуре 77 К быстродейст­ вие GaAs-ГСБТможет приблизиться к быстродействию джоэефсоновских приборов при 4 К [5,25,90,101,158].

Чрезвычайно высокое быстродействие, превышающее быстро­ действие ГСБТ, в принципе свойственно таким транзисторам, ос­ нованным на использовании эффектов „выброса” скорости элек­ тронов, как транзисторы с проницаемой базой и с планарно-леги­ рованным барьером [90,115]. Втранзисторе первого типа база об­ разуется тонкой вольфрамовой решеткой (с полосками и зазора­ ми субмикронной ширины в слое вольфрама толщиной, например, 0,03 ,мк), расположенной внутри полупроводника и разделяющей области эмиттера и коллектора. Высокая сложность технологии может оказаться сдерживающим фактором для применения таких

46

транзисторов в интегральных схемах. В транзисторе второго типа методом молекулярно-лучевой эпитаксии создается многослой­ ная вертикальная структура для формирования барьеров высо­ той около 0,3 В, благодаря чему электроны, приобретая значи­ тельную энергию, характеризуются очень малым временем пере­ носа через базу (менее 0,1 пс по сравнению с 0,25 пс для ГСБТ). Достоинство таких транзисторов — возможность работы при очень низких логических перепадах и рабочих напряжениях, од­ нако в настоящее время они не характеризуются такой высокой однородностью пороговых напряжений, как ГСБТ.

Для реализации в СБИС достоинств арсенид-галлиевых прибо­ ров в отношении быстродействия еще необходимы дальнейшие разработки в конструктивно-технологическом и схемотехниче­ ском плане. Это связано с тем, что при очень высоких степенях интеграции быстродействие схем, ограниченное мощностью рас­ сеяния и емкостью монтажа, в случае GaAs оказывается сравни­ мым с быстродействием схем на основе кремния.

1.5. СТРУКТУРЫ НА ПЕРЕХОДАХ ДЖОЗЕФСОНА

Переходы Джозефсона представляют собой систему двух спабосвяэанных (например, разделенных тонким слоем диэлектри­ ка) сверхпроводников, через которые протекает незатухающий сверхпроводящий ток [69-71]. При этом возможно проте­ кание тока в отсутствие внешнего напряжения, обусловленное туннелированием куперовских пар электронов через джоэефсоновский переход, а при дальнейшем повышении тока происхо­ дит очень быстрое переключение в режим обычного туннелирова­ ния электронов и на переходе появляется напряжение (стацио­ нарный эффект Джозефсона). Как показывает соответствующий этим процессам вид вольтамперной характеристики перехода (рис. 24), последний может находится в двух устойчивых сос-_ тояниях (с отсутствием или наличием падения напряжения), бла-* годаря чему на его основе могут быть созданы потенциальные элементы ЭВМ. Управление переключением перехода может быть осуществлено магнитным полем, создаваемым управляющей шиной. В случае приложения к переходу постоянного напряже­ ния через переход протекает переменный сверхпроводящий ток, в результате чего возникает излучение электромагнитных волн (нестационарный эффект Джозефсона).

Элементы на основе эффектов Джозефсона обеспечивают чрез­ вычайно высокие значения быстродействия (время переключения составляет несколько периодов джоэефсоновскнх колебаний тока в переходе — 1...10 пс) и низкие мощности рассеяния (10"* Вт) [141,184]. Спецификой при этом является необходимость создания

47

Рис. 24. Вольтамперная характеристика джоэеф. соновского туннельного перехода:

I - ток через переход; U - напряжение на пере­ ходе

сверхнизких температур, требуемых для су­ ществования эффекта сверхпроводимости.

Приборы, функционирующие на основе эффекта Джозефсона, изготавливаются

Ои обычными в производстве микросхем тех­ нологическими методами. Особое внимание

при этом уделяется вопросам получения многослойных пленоч­ ных структур, обладающих необходимыми критическими пара­ метрами, достаточными воспроизводимостью и долговечностью. При этом необходимо тщательное проведение технологических процессов, так как пленочные сверхпроводники чрезвычайно чувствительны к примесям, структурным дефектам, типу мате­ риалов подложки и межслойной изоляции [54,9].

Разработаны различные типы переходов Джозефсона — тун­ нельные переходы, мостики (переменной толщины; постоян­ ной толщины - мостики Дайема; мостики Нотариса —Мерсеро); точечные контакты и „капля Кларка” [32,99,114]. Выбор мате­ риала й типа переходов определяется в основном параметрами схем, для которых они предназначены.

Туннельные переходы представляют собой структуру из двух сверхпроводящих пленок (электродов), слабая связь между ко­ торыми обеспечивается барьерным слоем (рис. 25).

Тонкие пленки электродов (толщиной около 0,5 мкм) созда­ ются путем осаждения f t, In, Sn, Al, Nb и сплавов на их основе на подложку (из стекла, термически окисленного кремния, сап­ фира) методами термического или электронно-лучевого испаре­ ния в вакууме, катодного или высокочастотного распыления. Особенно важным здесь является обеспечение стабильности структуры пленок, поскольку качество переходов значительно ухудшается вследствие ее изменений со временем (особенно при термоциклировании). Плохая адгезия, наличие ,бугорков на по­ верхности характерны, например, для пленок чистого свинца. Поэтому, несмотря на то, что технология изготовления таких электродов наиболее отработана и туннельные переходы на их основе имеют высокие электрические параметры, ведутся поис­ ки новых материалов. Более удовлетворительными в смысле устойчивости являются, например, пленки нитрида ниобия, а также сплавы на основе свинца, ниобия.

Разрабатываются способы стабилизации структуры электро­ дов, обеспечения хорошей адгезии, предотвращения появления

48

бугорков путем использования дополнительных слоев, введения в материал электрода примесей.

Повышение надежности туннельных переходов в условиях термоциклирования в интервале 300...4,2 К достигнуто, напри­ мер, в случае использования мелкозернистой структуры на осно­ ве Pb-In-Au толщиной 200 нм; применение же электродов из ниобия, отличающихся большей прочностью и устойчивостью к напряжениям, возникающим при циклических тепловых нагруз­ ках, ограничивается высокой удельной емкостью переходов [54].

Материалом барьерного слоя служит диэлектрик (обычно окисел нижнего электрода), полупроводник или нормальный ме­ талл, К этому слою, толщина которого соответствует нанометро­ вому диапазону, предъявляются высокие требования в отноше­ нии стабильности при термоциклировании, цельности, малой по­ ристости (во избежание закорачивания электродов), равномер­ ности по толщине.

Обеспечение воспроизводимости и надежности туннельных барьеров является одной из важнейших задач в развитии техно­ логии приборов на основе эффектов Джозефсона. От степени стабильности толщины барьера и площади перехода зависит, на­ пример, стабильность порога срабатывания управляемых током логических схем (в силу того, что пороговый ток определяется величиной критического тока перехода, а следовательно, пло­ щадью перехода и плотностью критического тока, зависящей от толщины барьерного слоя) [54]. Получено, что для обеспечения высоких параметров схем изменения площади перехода в преде­ лах кристалла и от кристалла к кристаллу не должны превышать ±30 % (чему соответствуют, например, отклонения ширины ли­ нейных элементов около ± 0,4 мкм при 2,5 мкм-технологии), а разброс критической плотности тока —± (10...30) %.

Окисный барьерный слой (толщиной порядка 1...3 нм) наи­ более просто получить окислением плешей электрода на воздухе или в кислороде, однако такие окислы имеют плохо воспроиз­ водимые характеристики и высокую пористость, а для каждого металла требуется специальная технология окисления. Более качественные барьеры получаются при высокочастотном реактив­ ном распылении в атмосфере кислорода. Технологический процесс создания таких пленок требует высокой точности контроля, ко­

' 49

торая дня указанных значений толщины барьера должна составпять доли ангстрема; осуществление такого контроля в настоя­ щее время представляет значительную сложность. Поэтому раз­ рабатываются методы прецизионной корректировки электричес­ ких характеристик переходов (например, путем облучения пе­ рехода пучком электронов).

Туннельные переходы с диэлектрическим барьером имеют достаточно высокие параметры, однако характеризуются боль­ шой паразитной емкостью, ограничивающей быстродействие. Не­ которое снижение ее достигается за счет предварительного (до окисления) покрытия поверхности нижнего электрода тонкими (например, толщиной единицы и доли нанометров) пленками определенных материалов (например, Nb-Al,Nb-Ge в случае ниобиевого электрода) [99]. С этой же целью применяют барьерный слой из полупроводникового материала (Si, Ge, ZnS, CdS, PbFe, InSb и др.), что позволяет получать удовлетворительные харак­ теристики переходов при больших толщинах слоя (т. е. при меньших емкостях), чем в случае окислов. Технология создания полупроводниковых слоев путем распыления обеспечивает Структуру с большим количеством отверстий, что может приво­ дить к закорачиванию электродов. Качество структуры повыша­ ется в случае окисления полупроводникового слоя, однако при эдом ухудшаются электрические параметры [117, 148]. Улуч­ шение характеристик переходов (большая прочность, большее сопротивление, меньшая емкость) достигается в конструкции, где сверхпроводящие электроды напыляются соответственно с двух сторон на слой монокристаллического кремния < 1 0 0 . Изготовление такого барьера осуществляется по общепринятой технологии создания тонких мембран (см. например [99]). Для достижения заданной толщины барьера (порядка 40... 120 нм) используется зависимость скорости анизотропного травления кремния от концентрации легирующей примеси бора.

Структура -сверхпроводник —нормальный металл — сверх­ проводник более стабильна, чем структура с окисным барьером, однако такие переходы имеют очень малые сопротивления [32, 114].

Изготовление с достаточной степенью воспроизводимости ин­ тегральных схем на основе джозефсоновских туннельных пере­ ходов, требующее создания 10—12'тонкопленочных слоев (напри­ мер, для электродов, туннельных барьеров, сопротивлений, ин­ дуктивностей, управляющих и соединительных линий, изоляции, контактов, защитных слоев) представляет собой сложную техно­ логическую задачу [25,54].

Эффекты Джозефсойа могут также возникать в сверхпрово­ дящей структуре, имеющей узкую и короткую (субмикронных

50