基于248 nm光刻機(jī)工藝的高性能0.15 μm GaAs LN pHEMT

章軍云，王溯源，林 罡，黃念寧

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

隨著化合物半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新及電路設(shè)計(jì)的發(fā)展，微波單片集成電路(MMIC)利用其小尺寸、低成本和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸取代了晶體管、電阻、電容、電感和互聯(lián)元件等構(gòu)成的混合集成電路。GaAs贗配高電子遷移率晶體管(pHEMT)由于具有優(yōu)異的高頻特性、功率特性和低噪聲特性，是MMIC首選的有源器件。

在微波通訊、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等應(yīng)用的接收機(jī)系統(tǒng)中，低噪聲放大器(LNA)是前端接收模塊中不可或缺的組成部分，低噪聲放大器的性能高低直接影響了整個(gè)組件的性能。低噪聲放大器主要的性能指標(biāo)有增益、噪聲系數(shù)、輸入輸出駐波比、直流功耗、1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率等，其中最關(guān)鍵的指標(biāo)是增益和噪聲系數(shù)。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有大量關(guān)于GaAs pHEMT LNA的研究。國(guó)外方面，文獻(xiàn)[1]報(bào)道了一種0.25 μm柵長(zhǎng)的pHEMT工藝，對(duì)外延設(shè)計(jì)和關(guān)鍵制造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，電路在Ka波段內(nèi)，線性增益大于17 dB，噪聲系數(shù)小于3.5 dB。文獻(xiàn)[2-3]從電路設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分別基于0.15 μm和0.10 μm GaAs pHEMT 工藝平臺(tái)，在 Ka頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)電路噪聲系數(shù)低于3.3 dB，直流功耗分別為38 mW和9 mW。國(guó)內(nèi)的高校和研究所也進(jìn)行了Ka波段MMIC的廣泛研究，通過(guò)外延材料設(shè)計(jì)和器件制造工藝優(yōu)化[4]、電路設(shè)計(jì)優(yōu)化[5-9]的工作有多篇公開報(bào)道。較為遺憾的是，公開發(fā)表的pHEMT LNA文獻(xiàn)中，研究重心多數(shù)集中在追求器件和電路性能方面，特別是通過(guò)減小器件的柵長(zhǎng)來(lái)提升器件的頻率特性。當(dāng)關(guān)鍵尺寸降低到深亞微米量級(jí)時(shí)，則需要配備最先進(jìn)的高分辨率電子束直寫設(shè)備。

相比于步進(jìn)式光刻機(jī)，電子束直寫效率較低，直寫單個(gè)101.6 mm圓片的工藝時(shí)間視圖形密集程度可能需花費(fèi)數(shù)小時(shí)不等，這對(duì)器件制造生產(chǎn)效率是不利的。在工程化應(yīng)用中，工藝效率是需要參考的重要因素，步進(jìn)式光刻機(jī)成為首選。為避免高昂的設(shè)備升級(jí)費(fèi)用，一般需采用特殊的工藝來(lái)突破光刻機(jī)的分辨率極限，實(shí)現(xiàn)工藝效率和經(jīng)濟(jì)性的兼顧。光刻膠熱流淌（烘膠）工藝是可選的技術(shù)方案，它是利用高于光刻膠Tg（玻璃態(tài)相變溫度）的溫度對(duì)光刻后的圓片進(jìn)行烘烤，光刻膠經(jīng)歷從玻璃晶態(tài)到橡膠非晶態(tài)再到粘稠熔融態(tài)的變遷，在表面張力和重力的共同作用下，光刻膠發(fā)生流淌并趨于穩(wěn)定的物理過(guò)程[10]。選擇合適的烘膠條件，可以使光刻特征線寬（CD）縮小，且光刻膠邊界趨于平滑，是一種經(jīng)濟(jì)且高效的工藝途徑。

基于如上考慮，本文的工作是采用高產(chǎn)能的248 nm DUV光刻機(jī)結(jié)合烘膠工藝縮減柵長(zhǎng)，制作0.15 μm GaAs pHEMT，并利用成熟的Ka波段LNA電路(該電路采用電子束直寫技術(shù)制造)對(duì)MMIC的性能進(jìn)行對(duì)照驗(yàn)證，確認(rèn)該技術(shù)路線的可行性。驗(yàn)證結(jié)果顯示，本文所制作的LNA電路，其噪聲系數(shù)還略低于電子束直寫的對(duì)照批，但1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率略低，其余參數(shù)相當(dāng)，并可以通過(guò)后續(xù)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化獲得更優(yōu)的綜合性能。248 nm DUV光刻機(jī)和烘膠工藝的引入大大提升了生產(chǎn)效率，也能降低工藝成本，更符合未來(lái)5G移動(dòng)通訊所需的高產(chǎn)能、低成本要求。

2 晶圓制造

本文中器件及MMIC制備采用的是與電子束直寫工藝相同的0.15 μm低噪聲pHEMT標(biāo)準(zhǔn)外延結(jié)構(gòu)，在101.6 mm GaAs單晶襯底上通過(guò)分子束外延制備。除柵工藝外，器件的其余制造工藝與電子束直寫工藝相同。

電子束直寫的柵采用一次成型的裸柵工藝，0.15 μm的柵條及后續(xù)的柵帽層是由電子束光刻直接形成；本文的柵工藝則是先采用DUV光刻機(jī)光刻出較粗的柵條，然后利用烘膠工藝對(duì)柵長(zhǎng)進(jìn)行縮減，使刻蝕后線寬達(dá)到0.13～0.15 μm，隨后再光刻犧牲層和柵帽層。兩者采用相同的柵金屬化工序，柵金屬剝離后，使用增強(qiáng)等離子體化學(xué)氣相淀積工藝(PECVD)淀積鈍化介質(zhì)?？紤]到可靠性的要求，電子束工藝的柵鈍化介質(zhì)采用各向同性的生長(zhǎng)條件，以提高柵金屬底部的健壯性；而光刻機(jī)工藝的柵，由于底部有柵介質(zhì)支撐，柵鈍化采用了各向異性的生長(zhǎng)條件。

烘膠工藝的實(shí)現(xiàn)需在已生長(zhǎng)介質(zhì)的圓片上進(jìn)行：由較粗柵條光刻→烘膠→介質(zhì)刻蝕3個(gè)主要模塊完成，如圖1所示。

圖1 烘膠工藝示意圖

相對(duì)于電子束直寫工藝，這種工藝柵底部的介質(zhì)對(duì)柵金屬的支撐更加有效，增強(qiáng)了Y型柵抗機(jī)械沖擊的能力，既提升了柵成品率，又避免了Y型柵傾斜、倒伏等情況對(duì)器件可靠性的不利影響。最終的柵剖面形貌如圖2所示。

圖2 柵截面FIB圖

3 pHEMT管芯性能

圖3是利用直流探針測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的100 μm管芯的I-V特性和跨導(dǎo)轉(zhuǎn)移特性：由于外延材料設(shè)計(jì)偏向于優(yōu)化噪聲性能，器件表現(xiàn)出一定的kink效應(yīng)，特別在負(fù)的柵壓下，源漏電流隨源漏電壓出現(xiàn)了不飽和現(xiàn)象。在Vgs=0.8 V時(shí)，最大電流Idmax大約在614 mA/mm(@Vds=2.5 V)；另外，最大跨導(dǎo)gmax為546 mS/mm(@Vgs=-0.25 V,Vds=2.5 V)，Vgs在-0.4～0.1 V 的范圍內(nèi)，跨導(dǎo)均能保持在470 mS/mm之上。

相對(duì)于電子束的裸柵工藝，此技術(shù)路線雖然會(huì)引入少量的寄生電容，影響器件的特性，但通過(guò)鈍化工藝的優(yōu)化，可以將其不利影響降低，使其頻率特性與電子束直寫的器件相當(dāng)，同時(shí)改善了電子束直寫器件抗機(jī)械沖擊能力弱的劣勢(shì)，綜合性能更好。

圖 3 100 μm pHEMT 的 I ds-V ds、I ds-V gs直流輸出特性

4 Ka波段低噪聲放大電路驗(yàn)證

在電路設(shè)計(jì)中，噪聲系數(shù)和增益是需優(yōu)先考慮的因素。對(duì)于本文中的三級(jí)放大電路，總的噪聲系數(shù)NF可以表達(dá)為：

其中，NF1、NF2和 NF3分別為第一、二、三級(jí)的噪聲系數(shù)，G1和G2分別是第一、二級(jí)的增益。當(dāng)?shù)谝患?jí)增益足夠大時(shí)，整個(gè)電路的噪聲系數(shù)基本由第一級(jí)的噪聲系數(shù)決定。因此，電路第一級(jí)以噪聲最優(yōu)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)將輸入駐波控制在一定范圍內(nèi)；第二、三級(jí)主要考慮增益因素，同時(shí)第三級(jí)設(shè)計(jì)也需充分考慮輸出匹配因素以獲得良好的輸出駐波。本文采用的驗(yàn)證電路第一、二、三級(jí)電路均采用單胞雙指設(shè)計(jì)，柵寬分別為 40 μm/40 μm/50 μm，制作出的電路實(shí)物如圖4所示。

圖4 Ka波段低噪聲放大電路實(shí)物圖

利用23～45 GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及噪聲儀對(duì)電路性能進(jìn)行了測(cè)試分析。工作電壓Vd=+5 V，靜態(tài)電流Id=28.5 mA，圖 5、6、7、8分別給出了輸入駐波比(VSWRin)、輸出駐波比(VSWRout)、1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率(P-1)、線性增益(GL)和噪聲系數(shù)(NF)的統(tǒng)計(jì)均值，并與采用相同電路設(shè)計(jì)的電子束直寫工藝對(duì)照批進(jìn)行了比對(duì)。

驗(yàn)證批顯示，在26.5～40 GHz的Ka頻段內(nèi)，VSWRin最大值為1.33，VSWRout最大值為1.36，滿足小于1.8的預(yù)期要求，說(shuō)明電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了良好的輸入輸出匹配，這也保證了整個(gè)放大電路的增益穩(wěn)定性。P-1曲線隨著頻率增加出現(xiàn)了一定的起伏，在整個(gè)通頻帶內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)的輸出功率最低值為6.4 dBm@29.4 GHz，在38.8 GHz的高頻端達(dá)到最大值9.3 dBm，滿足大于0 dBm的預(yù)期要求。增益大于17.5 dB，并在29.5 GHz處達(dá)到最大值19.9 dB，頻段內(nèi)增益平坦度2.4 dB；和參照的電子束直寫工藝相比，均值高1 dB左右。噪聲系數(shù)小于2.38 dB，并在33.1 GHz處達(dá)到最小值1.96 dB，比參照的電子束直寫工藝平均低0.25 dB。噪聲和增益特性的優(yōu)勢(shì)主要和柵鈍化介質(zhì)的工藝條件相關(guān)，各向異性的柵鈍化生長(zhǎng)可以降低柵金屬底部的介質(zhì)厚度，有效降低柵源寄生電容Cgs，從而提升器件的頻率特性。

電路的整體性能超出預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，說(shuō)明248 nm DUV光刻機(jī)結(jié)合烘膠工藝方案滿足要求，可以作為0.15 μm GaAs pHMET低噪聲平臺(tái)工程化的技術(shù)方案。

圖5 Ka波段低噪聲放大電路的輸入輸出駐波比

圖6 Ka波段低噪聲放大電路的P-1 dB曲線

圖7 Ka波段低噪聲放大電路的增益

圖8 Ka波段低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)

5 結(jié)論

利用248 nm DUV光刻機(jī)和烘膠技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了一種高產(chǎn)能、低成本的0.15 μm GaAs pHEMT工藝。利用成熟的Ka波段低噪聲放大器電路對(duì)該工藝進(jìn)行了演示驗(yàn)證，演示驗(yàn)證顯示，該放大器在Ka頻段內(nèi)，增益大于17.5 dB，噪聲系數(shù)小于2.38 dB，此兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)甚至優(yōu)于采用電子束直寫工藝的同一電路的指標(biāo)。248 nm DUV光刻機(jī)和烘膠工藝的引入大大提升了生產(chǎn)效率，也能降低工藝成本，更符合未來(lái)5G移動(dòng)通訊所需的高產(chǎn)能、低成本的工程化要求。