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Tecnologie GaAs/GaN per Microonde allo Stato Solido C. Lanzieri GaAs/GaN Foundry Selex-Sistemi Integrati

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Presentazione sul tema: "Tecnologie GaAs/GaN per Microonde allo Stato Solido C. Lanzieri GaAs/GaN Foundry Selex-Sistemi Integrati"— Transcript della presentazione:

1 Tecnologie GaAs/GaN per Microonde allo Stato Solido C. Lanzieri GaAs/GaN Foundry Selex-Sistemi Integrati

2 SELEX Sistemi Integrati: A Finmeccanica Company DETAILS Helicopters 19 % 3.48 bn Space 5 % 0.9 bn 100% FNM JVs 40% FNM – 60% public SELEX Sistemi Integrati SELEX Communications SELEX Galileo SELEX Service Management Seicos Elsag Datamat DRS Technologies 2009 Revenues 18.2 bn Defence Electronics 37% 6.72 bn Alenia Aeronautica Alenia Aermacchi ATR Superjet International Aeronautics 14 % 2.64 bn Energy Transportation Defence Systems 7 % 1.2 bn 10 % 1.75 bn 8 % 1.7 bn AgustaWestland Telespazio Thales Alenia Space Oto Melara WASS MBDA AnsaldoBreda Ansaldo STS BredaMenarinibus Ansaldo Energia © 2011 SELEX Sistemi Integrati - commercial in confidence LAND ATC & ATP FINMECCANICA SELEX SISTEMIINTEGRATI NAVAL MAP SECURITY C4I LOGICTIC

3 Belongs to a multi-domain and multi - platform Group Leads the core Capabilities and Technologies within the Large Systems Domain: Sensors, Command and Control, Integration FINMECCANICA assigned to SELEX Sistemi Integrati the Prime Contractor and Architect mission role SELEX Sistemi Integrati key points: SELEX Sistemi Integrati within the Finmeccanicas Galaxy for Large Systems AnsaldoBreda Ansaldo STS Ansaldo Energia SELEX Galileo Telespazio SELEX Sistemi Integrati Thales Alenia Space AgustaWestland WASS MBDA Oto Melara SELEX Service Management Elsag Datamat Alenia Aeronautica © 2011 SELEX Sistemi Integrati - commercial in confidence DRS Technologies SELEX Communications LAND ATC & ATP FINMECCANICA SELEX SISTEMIINTEGRATI NAVAL MAP SECURITY C4I LOGICTIC

4 Active Arrays and MFR Technology Advanced Signal Processing, Algorithms and specific Functionalities GaAs/GaN Design & Production for Power and Wide Band Applications Research & Development In 2009, SELEX SI invested more than 100 ML in R&D, more than 15% of its Turnover Modelling, Prototyping Distributed Sensors Networks and Data Fusion Open NCW/NEC Architectures Middleware Development for Civil and Military Applications COTS Maximization and Control Products Systems © 2011 SELEX Sistemi Integrati - commercial in confidence LAND ATC & ATP FINMECCANICA SELEX SISTEMIINTEGRATI NAVAL MAP SECURITY C4I LOGICTIC

5 Research & Technology Laboratory The Research & Technology Laboratory constitutes a key company asset for the development of innovative enabling technologies for Integrated Systems applications. The Units mission is to ensure a dynamic technological environment capable of responding to the companys operational needs and to develop new technologies and demonstrators to expand the products and systems portfolio. Company Confidential Mission

6 Multi-Function Radar Wideband Multi Role Radar Multi-Function Radar (Dual-Band) GaAs HPA High Voltage GaAs HPA FRONT END MMICs REDUCED SIZE MULTI-FUNCTION MMICsMINITURISED 3D-MMICs High Voltage Switches/Very High Power/Efficiency GaN HPA GaAs LNA (PHEMT- MHEMT) / Limiter Robust GaN LNA Multi-function E/D Mode GaAs CP SiGe Core-Processor Wide-Band Phase/Amplitude Control(MEMS for TTD and/or MMICs) THERMAL MANAGEMENT & PACKAGING FLAT ANTENNA ARRAYCONFORMAL ANTENNA ARRAYS LTCC / HTCC Packaging Flip-chip Assembly MCM-D/V 3D Packaging and Assembly High Thermal Conductivity Heat-Sink Materials Injected Moulded Metal Packaging Injected Moulded Plastic Packaging Digital Radar AESA Radar Technology Roadmap Technology Roadmap to control technology evolution

7 Research & Tecnologie: Competences & Resources Company Confidential Competences: Development of Emerging Electronic and Photonic Technologies (GaN, THz,..) Photonics for Radar and Security Sensors Design of Microwave Monolithic Integrated Circuits and Related RF Sub- systems GaAs/GaN Foundry Microelectronic Technologies and Pilot Production Resources Microelettronica (19) R&T (3) Componenti RF (13) GaAs Foundry (25) Fotonica (17) Totale Risorse 77 (~30% Laureati)

8 GaAs/GaN Foundry: Related Products Company Confidential Clean Room: ~ 600m 2 (Classe 100/1000) Equipment: ~ 20 M MMICs: GaAs MESFET, VPIN, PHEMT GaN HEMT SiGe Analog/Digital Components Transmit/Receive Modules: GaAs: C, X and Wideband GaN: X-Band prototype Solid State Power Bricks: GaAs: X-Band 10 and 50W GaN: X-Band 50 W prototype

9 Proprietà del trasporto di carica nei semiconduttori La forma delle bande di energia vicino ai minimi determina il moto degli elettroni (o delle lacune), che in un solido rispondono ad un campo elettrico esterno con una massa efficace che è inversamente proporzionale alla curvatura della banda. Quindi a bande strette corrispondono masse efficaci piccole, mentre a bande larghe corrispondono masse efficaci grandi. Gli elettroni nel GaAs risultano quindi più leggeri; la loro massa efficace, m*=0.068 m 0 è infatti un quarto di quella del silicio, m*=0.259 m 0 Le proprietà di trasporto in un semiconduttore dipendono dalla struttura a bande. La figura mostra la struttura a bande (energia in funzione del momento) del Si e del GaAs. Si può notare che nel GaAs il minimo dellenergia della banda di conduzione è a momento nullo e sovrapposto al massimo della banda di valenza (gap diretto), mentre nel Si corrisponde ad un valore elevato del momento e non è sovrapposto al massimo della banda di conduzione (gap indiretto) Lintervallo di energie proibite (energy gap) tra gli estremi della banda di conduzione e di valenza è più largo nel GaAs (1.42 eV) che nel Si (1.12 eV) Questo fa si che la generazione termica di coppie elettrone-lacuna a temperatura ambiente produca densità di portatori più basse nel GaAs (2x10 16 cm -3 )che nel Si (2x10 10 cm -3 ). Ciò fa si che a temperatura ambiente il GaAs puro sia un semi-isolante (ro=10 8 ohm cm)

10 La presenza di un campo elettrico esterno trascinerà molto più velocemente gli elettroni nel GaAs che nel Si. Al contrario, la massa efficace delle lacune è pressoché uguale nei due materiali. E importante ricordare che il moto di una carica nel solido è in generale caratterizzato da condizioni di stazionarietà in cui si crea un equilibrio tra il campo elettrico applicato, che fornisce energia alle cariche, ed i meccanismi di frizione (scattering), caratteristici del materiale, che la dissipano: I meccanismi di frizione sono dovuti agli scambi di energia (urti) fra le cariche e le vibrazioni del reticolo cristallino (fononi) e le impurezze, oltre che, anche se meno importanti, con le interfacce e le altre cariche. Il parametro che forse meglio caratterizza la risposta elettronica dei portatori ad alti campi elettrici è la loro velocità media in direzione del campo elettrico, detta anche velocità di deriva, Vd. Proprietà del trasporto di carica nei semiconduttori: GaAs vs Si

11 IL TRANSISTOR AD EFFETTO DI CAMPO Il transistor ad effetto di campo (Field Effect Transistor) è un dispositivo nel quale la corrente che scorre tra due terminali (Drain-Source) viene controllata dal campo elettrico perpendicolare al flusso di corrente mediante lapplicazione di una tensione su di un terzo elettrodo (Gate) In pratica il flusso di corrente è parallelo alla superficie del semiconduttore mentre il campo elettrico che lo controlla è ad essa perpendicolare. I FET sono dispositivi unipolari, cioè il loro funzionamento dipende da un solo tipo di portatori di carica (elettroni o lacune) e prendono il nome di FET a canale n o FET a canale p rispettivamente.

12 Transistor ad effetto campo a tecnologia Impiantazione ionica: MESFET Le caratteristiche del GaAs non consentono di realizzare dispositivi con drogaggio mediante diffusione o la formazione di strati ossidi su cui realizzare il contatto di Gate. Il drogaggio viene perciò effettuato mediante impiantazione ionica e lelettrodo di Gate viene formato tramite una giunzione Schottky (metallo-semiconduttore rettificante). N + GaAs N GaAs S G D GaAs Semi Isolante Recesso del Gate

13 IL TRANSISTOR AD EFFETTO DI CAMPO: MESFET Nel caso in cui la giunzione p-n di gate sia sostituita da una giunzione metallo semiconduttore il dispositivo prende il nome di MESFET. Nei FET la velocità intrinseca del dispositivo è determinata dal tempo impiegato dai portatori ad attraversare il canale fra Source e Drain, che quindi ha dimensioni ridottissime, (micrometro o frazioni di micrometro). Le capacità parassite che limitano la risposta in frequenza dei dispositivi sono quelle dovute alle regioni di carica spaziale presenti nel dispositivo e alla struttura del Gate. Oltre alla riduzione delle dimensioni, che riduce tutte le capacità, tecniche di isolamento laterale e limpiego di substrati isolanti riducono le capacità delle giunzioni di Source e Drain

14 MESFET su GaAs Agli inizi degli anni settanta i transistor al GaAs erano tutti MESFET a svuotamento (D-mode o D-MESFET) a canale n, con struttura MESA. Il funzionamento dei D-MESFET è simile a quello del JFET. Il flusso di corrente tra Source e Drain è confinato al canale tra la regione svuotata di gate e il substrato semi- isolante. In questi dispositivi il canale è normalmente aperto per tensioni di gate nulla e viene chiuso applicando una tensione negativa al gate. Si tratta quindi di dispositivi a svuotamento, depletion mode, o D- MESFET.

15 D-MESFET & E-MESFET Poiché i D-MESFET richiedono una tensione di gate negativa per chiudere il canale, mentre la tensione di Drain è positiva, i circuiti logici a D-MESFET richiedono due tensioni di alimentazione (positiva e negativa) e circuiti adattatori di livello(level shifter) per adattare gli ingressi alle uscite. Inoltre, i circuiti realizzati esclusivamente con D-MESFET sono caratterizzati da una forte dissipazione di potenza, che ne limita la densità di integrazione. Per realizzare circuiti digitali ad altissimo livello di integrazione sono necessari quindi anche dispositivi ad arricchimento, enhancement mode o E-MESFET, che sono normalmente spenti quando l tensione applicata al gate è nulla e conducono per tensioni di gate positive.

16 E-MESFET Negli E-MESFET a causa del potenziale intrinseco della barriera Schottky di gate, il canale è parzialmente svuotato anche per tensione nulla applicata al gate. Si regolano allora spessore e drogaggio del canale in modo che a tensione applicata nulla il potenziale intrinseco sia tale da svuotare completamente il canale impedendo la conduzione elettrica. Per aprire il canale alla conduzione elettrica tra Source e Drain è necessario polarizzare positivamente (direttamente) il Gate.

17 Transistor ad effettori campo ad eterostruttura I transistor ad effettori campo ad eterostruttura permettono di superare i fattori che limitano la velocità di risposta dei tradizionali MESFET al GaAs: Infatti, da un lato la maggior velocità di deriva degli elettroni nel gas bidimensionale consente tempi più brevi di transito, dallaltro la maggiore transconduttanza riduce i tempi di carica e scarica delle capacità parassite collegate alluscita. In un MESFET la conducibilità del canale è quindi la corrente può essere aumentata introducendo un numero più elevato di atomi donatori, sfortunatamente la presenza delle impurezze donatrici nel canale conduttivo degrada la mobilità la velocità di deriva degli elettroni. Nelle eterostrutture, al contrario, la tecnica della modulazione di drogaggio permette di isolare gli elettroni di conduzione dagli atomi donatori e di ottenere contemporaneamente elevate concentrazioni di elettroni ed elevate mobilità. Il dispositivo che sfrutta meglio tale principio è un transistor ad effetto di campo ad eterostruttura (multipla o singola) in cui il canale è costituito dal gas elettronico bidimensionale. Come già detto questi dispositivi sono stati identificati con diversi acronimi: HEMT, MODFET, SDHT, e TEGFET. Nel seguito noi li indicheremo con lacronimo HEMT, essendo questo il più usato in letteratura.

18 Transistor ad effettori campo ad eterostruttura La sezione di un HEMT a singola eterogiunzione è mostrata in figura Il dispositivo viene realizzato crescendo epitassialmente i vari strati su un substrato semi-isolante di GaAs, sul quale si realizza uneterogiunzione n- AlxGa1-xAs /GaAs. Come abbiamo già visto gli elettroni diffondono dall AlxGa1-xAs fortemente drogato al GaAs non intenzionalmente drogato dove vengono confinati nella buca quantica che si crea allinterfaccia.

19 Transistor ad effettori campo ad eterostruttura Nell AlxGa1-xAs quindi si formano due regioni di svuotamento: una alla superficie dell AlxGa1-xAs allinterfaccia con il metallo e unaltra, molto sottile (circa 10 nm) allinterfaccia con il GaAs a causa del trasferimento di elettroni verso la buca quantica. La struttura a bande dell AlxGa1-xAs assume quindi la caratteristica forma concava mostrata in figura

20 Vantaggi degli HEMT rispetto ai MESFET al GaAs Come già detto, rispetto ai convenzionali MESFET nei dispositivi ad eterostruttura si possono ottenere mobilità e velocità di deriva degli elettroni più elevate: Il vantaggio è di circa il 20% già a temperatura ambiente e cresce al diminuire della temperatura (a 77 K il miglioramento + di circa il 60%). In un FET ad eterogiunzione la trasconduttanza risulta più elevata che in un MESFET sia perché la velocità degli elettroni è maggiore sia perché il gas di elettroni è posto a minore distanza dal contatto di gate, il che significa che una densità di carica molto grande può essere modulata da una tensione di gate molto piccola. Un ulteriore aumento delle prestazioni degli HEMT si può ottenere riducendo la temperatura, poiché come abbiamo già visto, la velocità degli elettroni aumenta al diminuire della temperatura al contrario di quanto avviene nei MESFET a causa delle impurezze donatrici presenti nel canale.

21 Ottimizzazione dei transistor HEMT Per migliorare le prestazioni di un HEMT convenzionale si introduce alinterno della regione di canale una percentuale di indio La realizzazione del canale mediante un composto di indio e GaAs (InGaAs) offre una velocità di saturazione degli elettroni più elevata di quella del GaAs Inoltre un salto energetico e quindi un relativo confinamento degli elettroni sensibilmente più elevato. In tali dispositivi,detti HEMT pseudomorfici, si ottengono quindi valori di transconduttanza maggiori e più elevati limiti in frequenza

22 Dal MESFET al PHEMT Source GateGate Drain GaAs: Si700 Å GaAs: Si300 Å AlGaAs: Si300 Si -doped - AlGaAs undoped 40 InGaAs undoped 130 AlGaAs undoped 40 Si -doped - AlAs20 I MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) sono dispositivi a 3 contatti (Source, Gate, Drain) Applicando una tensione negativa al contatto di gate si può modularne la corrente La frequenza massima di tale variazione è determinata dal tempo di transito degli elettroni nella regione di gate Per questo è necessario: –ridurre la dimensione del gate –aumentare la velocità dei portatori Il canale conduttivo nei MESFET deve essere drogato! Questo limita la velocità massima degli elettroni MESFET Il canale conduttivo negli HEMT non è drogato e gli elettroni possono perciò acquisire una grande velocità Nei PHEMT (la P sta per pseudomorfico) il canale conduttivo è realizzato con un sottile strato di InGaAs che introduce una (maggiore densità di carica e maggiore velocità di saturazione) Un dispositivo di potenza deve avere: Potenza dUscita Guadagno lineare Efficienza Affidabilità

23 The intrinsic properties of wide bandgap semiconductor materials are almost ideal for high power/high efficiency and/or high dynamic range robust low noise microwave components CRITICAL FIELD (MV/cm) BANDGAP ENERGY (eV) 4H-SiC GaN GaAs Si HIGH CRITICAL ELECTRIC FIELD (10 x Si AND GaAs) HIGH CRITICAL ELECTRIC FIELD (10 x Si AND GaAs) High voltage operation GaAs Si GaN AlN SiC Very good heat dissipation for high power operation THERMAL CONDUCTIVITY (W/cm K) HIGH THERMAL CONDUCTIVITY (9 x GaAs) HIGH THERMAL CONDUCTIVITY (9 x GaAs) GaAs AlN GaN SiC InN Si BANDGAP ENERGY (eV) LATTICE CONSTANT (A°) WIDE BANDGAP High temperature electronics and Short wavelength optical emission for light emitting diodes, lasers and detectors WBG Semiconductors: Material Properties

24 Wide Bandgap Power Components: Why The intrinsic properties of wide bandgap semiconductor materials, such as for example SiC and GaN, are almost ideal for high power / high efficiency microwave components

25 Induced Charge for AlGaN/GaN

26 State-of-the-art power performance for small periphery (W 250 m) transistors. This data validates the potential of large periphery (W 10mm) transistors with improved material quality. Goal for large periphery AlGaN HEMTs /96 1/981/00 1/02 Projected Best SiC Best GaAs Date Power Density (W/mm) GaN HEMT X-BAND POWER DENSITY WBG Semiconductors: Power Performance

27 State-of-the-art small signal performance of AlGaN HEMT devices are equivalent to GaAs based transistors.. GaN HEMT SMALL SIGNAL PERFORMANCE 1/93 1/95 1/971/99 1/ Date Frequency (GHz) f T (GHz) f max (GHz) Equivalent to GaAs Higher frequency operation predicted METRIC GaAs PHEMT InP HEMT GaN HEMT Minimum 10 GHz 0.5 dB 0.3 dB 0.6 dB Associated Gain14 dB18 dB13.5 dB Breakdown Voltage 4 V 3 V 50 V FOM = GV br /NF ROBUST LNA FIGURE OF MERIT WBG Semiconductors: Small Signal Performance

28 The GaN-HEMT devices on SI –SiC substrates will give performance advantages for all next generation microwave applications: Order of magnitude increase in power density compared to GaAs (10 W/mm) Increase in power amplifier circuit efficiency (circa 10%) resulting from more efficient power combining of high output impedance devices Improved low-noise figure of merit for robust gain amplifiers High reliability and/or high temperature operation High voltage operation (50 to 60 V versus 8 to 10 V for GaAs) resulting in increased system power efficiency Lower system cost resulting from simplified rf sub-system integration and thermal management issues Lower system weight WBG Semiconductors: Component Performance

29 29 MMIC Fabrication Procedure (1) Active Layer: formed by selective ion-implantation into the semi-insulating GaAs wafer and subsequent annealing to eliminate implant induced damage. Said layer is used for FET, diode and ion-implanted resistors. Alloyed Contact Layer: formed by alloying a Au:Ge/Ni/Au metallization scheme to GaAs. Said layer functions as an ohmic contact (i.e. source and drain contacts of FETs and diodes) when alloyed to an active layer and as an adhesion barrier to GaAs (i.e. via-holes and bonding-pads ) when alloyed to the semi-insulating substrate.

30 30 Key technology: Lithography Lithography is the process to transfer a define pattern (mask set) to a photosensitive material by selective exposure to a radiation source such as light or electron beam. A photosensitive material (photoresist ) is a material that changes in its physical properties when exposed to a radiation source. When we expose the resist to a radiation source of a specific a wavelength, the chemical resistance of the resist to developer solution changes When resist is placed in a developer solution it will etch away one of the two regions (exposed or unexposed). If the exposed material is etched away by the developer the resist is considered to be a positive resist. If the exposed material is resilient and the unexposed region is etched away, it is considered to be a negative resist SUBSTRATE RESIST SUBSTRATE Negative Resist SUBSTRATE Positive Resist Mask

31 31 MMIC Fabrication Procedure (2) Isolation Layer (IL): formed by selective implantation of the GaAs substrate or by MESA etch. Said layer is used to increase the resistivity of the undoped regions, which can degrade after implant annealing or to isolate doped epi layer

32 32 Key technology: Ion Implantation Ion implantation is a material engineering process by which specific ions of different materials can be implanted into another solid, thereby changing the physical properties of the solid. The ions introduce both a chemical change in the target, in that they are a different element than the target, and a structural change, in that the crystal lattice of the target can be damaged or even destroyed by the energetic collision ions Ion implanted Profile

33 33 MMIC Fabrication Procedure (3) Thin Film Resistor Layer (RL): formed by the deposition and subsequent stabilisation of a NiCr metallization. Said layer is used in applications, which require small resistance Schottky Barrier Layer (SL): is formed by depositing an appropriate metallization scheme (i.e. Al, Ti/Al, Ti/Pt/Au) to the active layer after selective wet or dry etching of active layer. Schottky layer is used in FET's (gate contact) and diodes. Said contact is subsequently passivated by a PECVD Si 3 N 4 film

34 34 Key technology: Lift-off technology Crystal Monitor Metal source Current E-beam OR Vacuum, 1.5E-6 torr Evaporator chamber The lift-off technique is one of the most common methods for fabricating microelectrodes on a GaAs wafer. It represents an alternative for metal etching techniques that often utilize hazardous chemicals in order to define a pattern or high energy physical etching Figure shows a sequence of steps in the lift-off process in which a negative photoresist is used. Regions which are exposed to the light are insoluble in the developer solution. A negative slope of the photoresist profile following the development is preferred. This negative slope facilitates the subsequent metal deposition and lift-off since it prevents metal to deposit on sidewalls of the resist, and allows for the solvent to reach the sacrificial layer

35 Channel cross sections Optimization n SourceDrain Gate SourceDrain Gate n SourceDrain Gate n n SourceDrain Gate n Edge of the drain electrode in a planar FET 2. n-n + boundary in an ion-implanted FET 3. Edge of the gate electrode in a steeply recessed FET 4. Substrate- epitaxial layer interface for a recessed FET

36 Gate breakdown voltage as function of recess geometry and surface depletion layer a)Planar structure V dgB = ( l eff E a 2 )(1-qN D a/ E a ) 2 /(2qN D (a-d s )) b) Recessed structure V dgB =( l eff E a 2 )(1-qN D a/ E a ) 2 /(2qN D (a-d s )+ (1- (a-d s )/(a+d-d s ))( E a l R (1-qN D a/ E a )- (qN D (a- d s ) l R 2 /( l eff ))) N D =1.5x10 17 cm -3 a=0.12 m d=0.38 m Lg=0.7 m L eff =0.5 m d s =0.085 m E a =7x10 5 V/cm Donor charge in surface depletion layer interacts with electrons. Therefore it is important to apply surface treatments that reduce surface depletion layer. Gate breakdown voltage can be controlled adjusting donor density, layer thickness, recess shape, surface treatment

37 Gate length Gate length has the greatest effect on cut-off frequency and small signal gain by directly determining the gate source capacitance. For high power FET reduction of gate length is limited by epilayer structure The aspect ratio, ratio of gate length to active layer thickness (i.e., the distance from deepest part of the channel to the gate metal), normally has a value at least 5 Shortening gates may be effective in increasing the gain and high frequency performance but it is not an effective means of increasing output power In HEMT structure when the effective gate length becomes less than 0.25 µm, electrons, when subject to a high field, can attain a high ballistic overshoot velocity above bulk carrier saturation velocity

38 38 MMIC Fabrication Procedure (4) Base Metallisation Layer ): is formed by depositing Ti/Pt/Au by electron-beam evaporation. Said layer is used as over-layer metallization of the contact layers (i.e. source-drain fingers of FET's and via-hole and bonding pads), as base metallization for capacitors, interconnect lines, text and lines under the air-bridges when deposited on the semi-insulating substrate. Dielectric Layer : is formed by a PECVD film of Si 3 N 4 film. Said layer is used as the dielectric spacer for metal-insulator-metal (MIM) capacitors

39 39 Key technology: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Represent s an excellent alternative used to deposit inorganic and organic, doped and undoped films for a wide range of applications in Photonics, Compound Semiconductors, MEMS and Advanced Packaging applications at lower temperatures than those utilized in CVD reactors For example, high quality silicon nitride films can be deposited at 250°C to 350°C while CVD requires temperatures in the range of 650°C to 850 °C. This option is particularly useful in III-V compound semiconductor device manufacture PECVD uses RF energy to generate a glow discharge (plasma) in which the energy is transferred into a gas mixture. This transforms the gas mixture into reactive radicals, ions, neutral atoms and molecules. These atomic and molecular fragments interact with a substrate and, depending on the nature of these interactions, either etching (Reactive Ion Etch) or deposition processes occur at the substrate. Since the formation of the reactive and energetic species occurs by collision in the gas phase, the substrate can be maintained at a low temperature. Some of the desirable properties of PECVD films are good adhesion, low pinhole density, good step coverage, and uniformity. Sequential deposition of different films and the introduction of various dopants for oxide layers can be possible

40 40 MMIC Fabrication Procedure (5) Etch Layer: is formed by reactive ion etching through the Si 3 N 4 film to open regions that must be connected by contact metallic layers. Top Metallization: is formed by depositing a blanket Ti/Pt/Au metallization to define air bridges. Air-bridges are used as cross-over structures in FET's, MIM capacitors, spiral inductors and transmission lines Thick Metal Layer (ML): is formed by selective electro-deposition of a gold film. Said layer is used as a low resistance structure for transmission lines, spiral inductors and interconnections

41 41 Key technology: ElectroPlating (1) Italian chemist, Luigi Brugnatelli invented electroplating in Brugnatelli performed electrodeposition of gold using the Voltaic Pile, discovered by his colleague Alessandro Volta in The process is analogous to a galvanic cell acting in reverse. The part to be plated is the cathode of the circuit. Usually there is an anode (positively charged electrode), which is the source of the material to be deposited on the cathode (the negatively charged electrode. Both components are immersed in a solution called an electrolyte containing metal ions that are transferred to the substrate as well as other ions that permit the flow of electricity.

42 42 Key technology: ElectroPlating (2) The anode is connected to the positive terminal of the power supply The cathode is the substrate to be plated. This is connected to the negative terminal of the power supply. The power supply is well regulated to minimize ripples as well to deliver a steady predictable current, under varying loads such as those found in plating tanks. As the current is applied, positive metal ions from the solution are attracted to the negatively charged cathode and deposit on the cathode. As a replenishment for these deposited ions, the metal from the anode is dissolved and goes into the solution and balances the ionic potential. In the case of materials such as gold, the anode is not sacrificial (gold does not dissolve easily!), but it is made out of material that does not dissolve in the electrolyte, such as titanium. The deposited gold comes out of the solution. Plating is an oxidation-reduction reaction, where one material gives up electrons (gets oxidized) and the other material gains electrons (gets reduced). The anode is the electrode at which oxidation occurs, and the cathode is the electrode at which reduction occurs. In these techniques, ions of the metal to be plated must be periodically replenished in the bath as they are drawn out of the solution

43 43 MMIC Fabrication Procedure (6) Lapping and polishing: After wafer mounting on a glass support with front side onto glass, wafer are thinned to designed thickness by lapping and polishing process Via-Holes (VH): are formed by etching through the GaAs substrate from the rear to the front-face. Said vias provide direct connection between elements on the front face of the substrate and the backside Backside Gold Plating: is formed by the deposition of a Ti/Pt/Au adhesion/barrier layer and subsequent gold plating of the entire wafer back-side including via-holes. Said layer is used as a ground plane in microstrip circuit design and also as a bonding interface for component die-attach

44 44 Key technology: Lapping & Polishing (1) Lapping and polishing is a process to produce sample with a desired thickness and surface finish. Said techniques could be applied to a wide range of materials i.e. glasses, optics, semiconductors, and ceramics. There are several techniques for removing material from a particular sample: Grinding, lapping, polishing, and CMP (chem.-mechanical polishing) Grinding can be defined as the rapid removal of material from a sample. The grinding wheel or plate typically rotates at a high speed (around rpm) and a coarse, bonded abrasive (> 40µm) is used. Grinding is quick and relatively easy process but can cause deep subsurface damage in delicate materials. Typically grinding is applied to hard metals such as high carbon steels where rapid removal is essential and subsurface damage is not a critical parameter.

45 45 Key technology: Lapping & Polishing (2) Lapping is the removal of material to produce a smooth, flat, unpolished surface. The lapping plate will rotate at a low speed (<80 rpm) and a mid-range abrasive particle (5-20µm) is typically used. Lapping removes subsurface damage caused by sawing or grinding and produces the required thickness and flatness. Polishing is the removal of material to produce a scratch-free, specular surface using fine (<3µm) abrasive particles. Polishing is typically done at very low speeds using either polishing cloths, abrasive films, or specially designed lapping plates. Chemical-mechanical polishing (CMP) is a technique that combines both chemical and mechanical polishing principles to achieve uniform removal rates of a highly composite specimen (such as integrated circuit device fabrication). CMP is typically done using a hard polyurethane polishing pad combined with a slurry of finely dispersed alumina or silica particles in an alkaline solution. CMP combines the selectivity of chemical polishing with the mechanical removal properties of standard mechanical polishing techniques. The two combined give excellent selectivity and planarity and can be tailored to many different materials

46 46 Key technology: Via Holes The typical procedure used for forming a via hole in a thinned GaAs substrate involves using reactive ion etching (RIE) or inductively coupled plasma etching (ICP) to etch holes in a photoresist windows to a depth of between 100μm-300μm so as to electrically connect the backside with grounding pads on the front surface. Chlorine based gases such as BCl3/Cl2, SiCl4/Cl2 and CCl2F2/CCl enable etch rates of 2μm/min Etch rates for 4H and 6H SiC substrates in F2- or Cl2-based plasmas range between 0.2 µm/min and 1.3 µm/min, meaning that even for a thinned-down substrate of 50 µm, the etch time is generally long and as much as 4–5 h under ion energy conditions where mask erosion is not prohibitive. A significant drawback with dry etching for creating via holes in SiC is the need for a very robust, typically metal, mask material such as Ni, Al, or Cr. The deposition, patterning, and subsequent removal of such masks adds considerable complexity to the via fabrication process

47 47 Component design/simulation and mask lay-out/DRC I-line Stepper lithography 400 kV Ion-implanter Thin-film deposition / etch DC parametric testing Back-end processing Foundry Capabilities 4-inch GaAs & inch GaN

48 GaAs Foundry: 1975 – For Ever Novembre 1982: Primi risultati con MESFET su GaAs

49 Status after KORRIGAN: Demonstrated capability for the manufacture of GaN MMICs GaN Technology: Status after KORRIGAN (2009) © 2010 SELEX Sistemi Integrati. All rights reserved


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