Entwicklung neuer Technologien zur Herstellung von Steuereingängen mit geneigten Flanken für AlGaN/GaN HEMTs

Am FBH wurden zwei neue Prozesssequenzen zur Herstellung von Steuereingängen mit geneigten Flanken entwickelt – die neuen Prozessmodule stehen nun für die Integration in die GaN basierte HEMT Technologie zur Verfügung. Sie ermöglichen die Herstellung geneigter Flanken mit Abmessungen bis zu 50 nm, die für den Einsatz in neuartigen und anspruchsvollen Anwendungen wie Radar- und Kommunikations­sys­temen erforderlich sind. Die neuen Prozesse werden als erstes für die Herstellung von hoch­effizienten Leistungstransistoren, die auf AlGaN/GaN-Heteroübergangen beruhen, erprobt.

Die Herstellung von Gates ist ein entscheidender Schritt in der Produktion von Transistoren, da der Steuereingang von entscheidendem Einfluss für die Transistorperformanz und die Zu­ver­läs­sigkeit ist. Die zur Zeit am weitesten verbreitete Technologie für die Herstellung von GaN basierten HEMT ist die sogenannte „embedded gate“ Technologie. Dabei werden Metall­schichten in einen senkrechten Graben abgeschieden, der in eine dielektrische Schicht geätzt worden ist, die meistens aus Siliziumnitrid besteht. Die Eigenschaften des Halbleitermaterials am Boden dieses Grabens und die Qualität der Halbleiter/Metall Grenzfläche bestimmen die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Transistors. Das Ätzen des Grabens muss sorgfältig kontrolliert werden, um schädigende Einflüsse auf die Halbleiteroberfläche zu vermeiden und so die Eigenschaften des Transistors zu verschlechtern. Zudem sollte der Graben lückenlos mit Metall gefüllt sein, um einen zeitlich stabilen Zustand für die Zuverlässigkeit zu garantieren. Das lückenlose Füllen mit Metall kann durch ein trapezförmiges Profil, also durch geneigte Flanken des Grabens, befördert werden. Dies bietet als weiteren Vorteil, dass die elektrischen Felder, die an Kanten am höchsten sind, reduziert und damit auch Dispersionseffekte minimiert werden. Am FBH wurden zwei Ansätze zur Realisierung geneigter Flanken erfolgreich entwickelt und eingesetzt:

Photolack-Umschmelzen und Trockenätzen

Dieses Verfahren erzielt kleinste Abmessungen geneigter Flanken durch Kombination eines Umschmelzverfahrens und einer Plasmaätzung in nur einem Prozessschritt. Nach der Elektronenstrahlbelichtung des Lacks ZEP 520A wird dieser thermisch behandelt, wodurch eine Verrundung seines Kantenprofiles erfolgt. Die Dauer dieses Schrittes und die ange­wendete Temperatur bestimmen die genaue Größe der Öffnung und den Winkel des Lackes, der bei dem anschließenden Plasmaätzen sukzessive in die Nitridschicht übertragen wird.  Der Winkel kann durch geeignete Bedingungen reproduzierbar zwischen 55 und 75 Grad eingestellt werden. Mit diesem Verfahren wurden unterschiedliche kleine Öffnungen mit Abmessungen von 250 nm bis zu 50 nm hergestellt (Abb. 1). Das REM Bild nach der Metallisierung zeigt konform gefüllte Gräben. Die elektrische Charakterisierung der Transistoren demonstriert, dass mit dem neuen Verfahren ausgezeichnete Schottky-Kontakte mit Leckströmen kleiner als 1 nA/mm bei Kontaktbarrierenhöhen um 1,1 V, charakteristischen Werten für das verwendete Metallsystem, hergestellt werden können.

Kombiniertes Trockenätzen und Nassätzen

In diesem Ansatz werden Plasmaätzverfahren und nasschemische Ätzverfahren kombiniert. Nachdem mit Lithografie eine Öffnung in einer Photomaske hergestellt wurde, wird zunächst mit einem Plasmaätzverfahren der obere Teil des Graben in das Siliziumnitrid geätzt. Dann wird der Photolack entfernt und das Nitrid gleichmäßig mit einem isotropen, nasschemischen Ätzverfahren gedünnt, bis am Boden des Graben die Halbleiteroberfläche frei liegt. Der Winkel kann dabei über die nasschemische Ätztiefe in das Siliziumnitrid eingestellt werden. Bei dieser Prozessfolge wird jede Schädigung der Halbleiteroberfläche durch Plasma­prozesse ausgeschlossen.

Publikationen

K.Y. Osipov, W. John, N. Kemf, S.A. Chevtchenko, P. Kurpas, M. Matalla, O. Krüger, and J. Würfl: "Fabrication technology of GaN/AlGaN HEMT slanted sidewall gates using thermally reflowed ZEP resist and CHF₃/SF₆ plasma etching" Int. Conf. on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech 2013), New Orleans, USA, May 13-16, paper 041 (2013).

A. Thies, N. Kemf, S.A. Chevtchenko, and O. Krüger: "Formation of Slanted Gates for GaN-Based HEMTs by Combined Plasma and Wet Chemical Etching of Silicon Nitride" Int. Conf. on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech 2013), New Orleans, USA, May 13-16, paper 112 (2013).

FBH-Forschung: 06.11.2013