郭　嘯，章軍云，林　罡

（南京電子器件研究所，南京210016）

用248 nm光刻機(jī)制作150 nm GaAs PHEMT器件性能及可靠性評估

郭嘯，章軍云，林罡

（南京電子器件研究所，南京210016）

介紹了基于光刻機(jī)的150 nm T型柵GaAs PHEMT工藝，其中重點(diǎn)介紹了使用的shrink關(guān)鍵工藝步驟。利用新工藝在某100 mm GaAs工藝線上進(jìn)行流片，并通過直流測試、loadpull測試、微波小信號測試以及環(huán)境試驗(yàn)、極限電壓測試、高溫步進(jìn)試驗(yàn)，獲得新工藝下制作的GaAs PHEMT的各項(xiàng)性能指標(biāo)及可靠性。最后制作得到的器件在性能和通過直接光刻得到的PHEMT在性能和可靠性上基本在一個水平上，但是想要通過shrink工藝得到線寬更細(xì)的柵長需要進(jìn)一步努力。

砷化鎵；贗配高電子遷移率晶體管；可靠性；T型柵

1　引言

近年來，毫米波有源器件的市場需求越來越大，發(fā)展越來越迅速，而GaAs PHEMT因其比較優(yōu)越的性能、較低的成本和比較成熟的制造工藝成為8 mm波段有源器件的首選。傳統(tǒng)的基于電子束直寫技術(shù)制造的毫米波器件工藝由于其固有的低效率、低產(chǎn)能的缺點(diǎn)，已經(jīng)滿足不了量產(chǎn)的需要，而基于光刻機(jī)的工藝相對于電子束直寫具有高效率、高成品率和高成熟度的優(yōu)點(diǎn)，因此我們開發(fā)了基于248 nm光刻機(jī)的150 nm T型柵GaAs PHMET工藝。此工藝相較于更高精度光刻機(jī)制作的150 nm柵長器件，在器件性能和可靠性上處在同一水平，但是就光刻機(jī)設(shè)備成本而言，248 nm光刻機(jī)更加廉價，光刻機(jī)設(shè)備采購成本可降低70%～75%。

2　關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)

2.1Shrink工藝

Shrink工藝是指在通過曝光顯影光刻出圖形窗口之后，在圓片表面再涂一層shrink材料，這種材料可以溶于指定的溶劑。通過烘烤，材料和原先的光刻膠在交界面處發(fā)生鉸鏈反應(yīng)，使這部分材料的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，不再溶于溶劑［1］。這樣就可以用溶劑將未發(fā)生鉸鏈反應(yīng)的材料洗去，這樣附著在窗口兩側(cè)的shrink材料就縮小了窗口的線寬。該工藝的意義在于可以突破光學(xué)光刻機(jī)物理分辨率限制的最小線寬，在工藝設(shè)備不變的情況下實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸，提升了工藝能力。

圖1　shrink工藝示意圖

Shrink工藝的核心是烘烤溫度和時間的控制，溫度高低和時間長短直接決定了shrink量的大?。?］?；娟P(guān)系是烘烤溫度越高，時間越長，shrink量越大，最終獲得的線寬越小。

2.2側(cè)墻工藝

另一個重要工藝是側(cè)墻工藝（Sidewall Process）［3］，側(cè)墻工藝就是在柵挖槽之后先通過PECVD各向同性生長一層側(cè)墻介質(zhì)，然后各向異性把剛剛生長的介質(zhì)刻蝕掉，在柵窗口兩邊留下2個spacer層，縮小了窗口的底部線寬。

圖2　側(cè)墻工藝示意圖

從圖2可以看到，用等離子干法刻蝕掉積淀的介質(zhì)之后，窗口兩側(cè)會形成兩個側(cè)墻（Sidewall），這需要干法刻蝕有很好的各向異性。在調(diào)節(jié)等離子刻蝕設(shè)備時，應(yīng)該選擇一個非常低的工作氣壓來保證很好的刻蝕各向異性。

3　器件性能測試及可靠性評估

下面給出流片后得到的器件性能測試及可靠性評估，并將其和中國電科55所砷化鎵部直接光刻制作的150 nm柵長器件（工藝代碼PPH15H）相比較，目的是驗(yàn)證此工藝的可行性。

3.1直流特性（高溫和常溫）

直流特性的性能測試選用PCM中的100 μm柵寬的單指管芯，分別測試了高溫（85℃）和常溫（25℃）下的I-V曲線、Diode、轉(zhuǎn)移特性、開態(tài)擊穿和關(guān)態(tài)擊穿特性。

測試結(jié)果見圖3和表1。

表1　兩種工藝的直流測試參數(shù)比較

常溫下，器件表現(xiàn)出一定的短溝道效應(yīng)，這主要是由于器件的柵長縮短導(dǎo)致的。高溫下，各漏壓偏置電流都有一定的衰減。此外，Vds在0～4 V的范圍內(nèi)，沒有表現(xiàn)出明顯的Kink效應(yīng)。

由圖4可以看出，最大跨導(dǎo)Gmmax=523.4 mS/mm （@Vgs=-0.5 V，Vds=6 V），并且Vgs在-0.76 V和-0.16 V之間，跨導(dǎo)都可以保持在450 mS/mm以上，體現(xiàn)出跨導(dǎo)良好的線性。在高溫下，跨導(dǎo)和漏電流都有一定程度的衰減。并且，Gmmax=460 mS/mm（@Vgs=-0.64V，Vds=6V），夾斷電壓-1.74 V（PPH15H下為-1.8 V）。

圖4　轉(zhuǎn)移特性、跨導(dǎo)曲線

圖5　二極管特性曲線

由圖5可以得到，常溫下勢壘高度為0.796 eV，在高溫下，勢壘高度為0.67 eV；55所PPH15H工藝下，常溫勢壘高度為0.7 eV，高溫下為0.62 eV。

圖6　柵漏關(guān)態(tài)擊穿曲線

由圖6可以看出，常溫下，VBgd=-16.4 V，高溫下，VBgd=-16.8 V。由圖7得到，常溫下，VBds=8 V，高溫下，VBds=7.2 V。柵漏和源漏都是在高溫下更容易擊穿，這是因?yàn)闇囟仍礁撸d流子的能量越大，形成的電流越大，相比之下，溫度對VBds影響更大，對VBgd的影響很小。

圖7　源漏關(guān)態(tài)擊穿曲線

將上述參數(shù)和55所PPH15H工藝比較，如表2所示。

表2　擊穿電壓的比較

3.2小信號s參數(shù)（高溫、低溫、常溫）

圖8　電流增益

在Vds=6 V、Ids=75 mA/mm的條件下測量10 μm× 80 μm管芯的微波小信號的性能表現(xiàn)。由圖8并結(jié)合外推法［4］得到電流截止頻率約為ft=37.5 GHz，并且受溫度的影響很小，說明器件的頻率特性表現(xiàn)良好，并且可以承受一定的環(huán)境溫度波動的影響。用同樣的方法測量55所PPH15H工藝的結(jié)果，得到ft約為37GHz。

3.3LoadPull測試

在10 GHz的頻率下，分別設(shè)Vds=4、5、6、7、8，Ids=75 mA/mm，做10 μm×80 μm管芯的loadpull測試。得到最大輸出功率、最大附加效率隨漏壓偏置的變化關(guān)系圖，見圖9、圖10。

在頻率 35 GHz、Vds=6 V、Ids=75 mA/mm下作loadpull測試，得到在最佳輸入Pin=1.5 dBm時，最大輸出功率Pout=21.97 dBm，最大附加效率PAE=44.27%。

圖9　最大輸出功率隨漏壓偏置的變化關(guān)系圖

圖10　最大附加效率隨漏壓偏置的變化關(guān)系圖

3.4管芯的極限電壓試驗(yàn)

此試驗(yàn)過程中，用 10 μm×80 μm的管芯從Vds=6 V起不斷增加漏壓偏置，保持Ids=75 mA/mm不變，做Pin的掃描，直至管芯燒毀或出現(xiàn)其他失效模式。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，平均的燒毀偏置是10.33 V，功率匹配點(diǎn)和效率匹配點(diǎn)下燒毀的情況均有出現(xiàn)，表3為兩種工藝的比較。

表3　極限電壓測試比較

3.5環(huán)境試驗(yàn)［5］

選用10 μm×80 μm的管芯，分別做鹽霧試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)。

鹽霧試驗(yàn)：環(huán)境溫度35℃，鹽溶液濃度5%（重量百分比）的氯化鈉溶液，鹽溶液PH值6.5～7.2，試驗(yàn)時間10天，即240 h。

溫度循環(huán)試驗(yàn)：環(huán)境溫度25～380℃，轉(zhuǎn)換時間〈15 min，極端溫度停留時間30 s，循環(huán)100次。

由表4～7中數(shù)據(jù)可知，鹽霧試驗(yàn)和溫度循環(huán)前后的直流數(shù)據(jù)變化很小，完全在可接受的范圍內(nèi)，并且

溫度循環(huán)前后直流數(shù)據(jù)的一致性更好。

表4　鹽霧試驗(yàn)前的直流測試

表5　鹽霧試驗(yàn)后的直流測試

表6　溫度循環(huán)前的直流測試

表7　溫度循環(huán)后的直流測試

在顯微鏡下觀察，鹽霧試驗(yàn)后的芯片邊緣（劃片槽處）受到腐蝕明顯，呈鋸齒狀，而溫度循環(huán)后的芯片從外觀上并無明顯變化。

圖11　鹽霧試驗(yàn)前后芯片的外觀對比

3.6高溫步進(jìn)試驗(yàn)

選用10 μm×80 μm的管芯，從Tc=100℃加電，并且使Vds=6 V，調(diào)整Vgs使得熱耗Pdis=800 mW/mm，每個溫度點(diǎn)持續(xù)≥4 h，然后調(diào)整Tc，Step=25℃；通過Tc不斷步進(jìn)，直至管芯燒毀或出現(xiàn)其他失效模式。結(jié)果在溫度到達(dá)275℃時管芯燒毀，圖12是柵電流的變化趨勢圖。

圖12　柵電流的變化趨勢圖

4　結(jié)論

采用該工藝制作的150 nm柵長的GaAs PHEMT在各項(xiàng)性能指標(biāo)上和55所PPH15H工藝在同一水平，且在高低溫、鹽霧環(huán)境下仍能表現(xiàn)出良好的性能，如果采用此工藝制作150 nm柵長的GaAs PHEMT，在設(shè)備成本上可以節(jié)省大量資金。本文的研究成果為基于248 nm光刻機(jī)的150 nm的T型柵GaAs PHMET工藝提供了前提，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究，能更好地提升產(chǎn)品的性能和可靠性，且可以推廣到更小的柵長和GaN等其他材料的器件制作中。

［1］孫加興，葉田春.用三層膠工藝X射線光刻制作T型柵［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2004，25（3）:358-360.

［2］謝常青，陳大鵬.應(yīng)用于PHEMT器件的深亞微米T形柵光刻技術(shù)［J］.微納電子技術(shù)，2007，39（7）:39-42.

［3］MAMORU T，TOSHIYUKI T.Advanced RELACS technologyforArFresist［J］.J ofPhotopolymerScience and Technology，2003，16（4）:507-510.

［4］TOYOSHIMA T，ISHIBASHI T.0.1 μm level contact hole patternformationwithKrFlithographybyresolutionenhancement lithography assisted by chemical shrink（RELACS）［J］. IEDMTech Dig，1998（6-9）:333-336.

［5］徐俊成.化學(xué)微縮技術(shù)應(yīng)用于電子束微影制程與電子束阻劑線寬變異原因及微波消化效率之探討［D］.第二章.臺灣清華大學(xué)博碩士論文，臺灣國家圖書館典藏.

The Performance Test and Reliability Evaluation of 150 nm GaAs PHEMT Based on the 248 nm Stepper

GUO Xiao，ZHANG Junyun，LIN Gang
（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016，China）

The paper introduces the process of 150 nm T-shaped gate GaAs PHEMT and highlights key steps including shrink technology.The GaAs PHEMT is taped out in 100 mm GaAs process.The GaAs PHEMT goes through the DC measurement，loadpull measurement，microwave small signal measurement and environmental test，limit voltage measurement and high temperature step test and obtain the performance parameters and reliability.The performance and reliability of the device obtained by the developed process are similar with the ones obtained by direct lithography.The fabrication of thinner gate length through the shrink process is still a long way to go.

GaAs；PHEMT；reliability；T-shaped Gate

TN386；TN43

A

1681-1070（2016）08-0044-05

2016-4-28

郭嘯（1990—），男，安徽滁州人，2013年畢業(yè)于東南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，南京電子器件研究所在讀研究生，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞üβ势骷?/p>