摘要：PHEMT器件和基于它的高频单片
集成电路广泛应用于现代微波／毫米波系统。当PHEMT器件的栅长缩短到足够短的时候，沿着栅宽方向的寄生电阻会影响PHEMT器件的性能。为了解决这个问题，一种具有大截面面积而底部长度却很小的T形栅结构通常被用于制作PHEMT器件，因为这种结构可以有效地减少由于栅寄生电阻而引起的
晶体管噪声。对几种常用的制作深亚微米T形栅的三种光刻技术即光学光刻、
电子束光刻、X射线光刻技术进行了比较分析。对于光学光刻技术，通常需要采用移相和光学邻近效应校正技术，它的制作成本低，但是很难用于制作深亚微米T形栅；对于电子束光刻技术，通常需要采用高灵敏度和低灵敏度的多层胶技术，虽然它的栅长可以制作到非常小，但是它的生产成本非常高，而且它的生产效率非常低；对于X射线光刻技术，它不仅可以用于制作深亚微米T形栅，而且它的生产效率非常高，T形栅的形状可以非常容易控制。
关键词：PHEMT；T形栅；光学光刻；电予束光刻；X射线光刻
中图分类号：TN305．7 文献标识码：A 文章编号：1671-4776(2002)07-0039-04
1 前言
赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)被公认为是微波／毫米波器件和电路领域中有竞争力的三端器件，不仅具有比MESFET更低的噪声，而且具有更优异的功率性能。目前基于PHEMT的低噪声放大器和
功率放大器已经广泛应用于卫星接收系统、电子雷达系统和光纤通信系统。
影响PHEMT器件性能的半导体工艺中，栅的制作是为困难的。为了提高PHEMT器件的工作频率，必须不断地缩小栅长。目前栅长尺寸已经达到深亚微米甚至纳米水平，但是栅长减小的同时会带来其他一些问题，主要是栅电阻的增大，为此需要制作T形栅来减少由于栅寄生电阻而引起的晶体管噪声。目前看来，制作深亚微米T形栅的光刻手段主要有光学光刻、电子束光刻和X射线光刻技术三种，本文将对这几种光刻技术所制作深亚微米T形栅工艺的优缺点进行比较分析。
2 光学光刻制作深亚微米T形栅
随着光学光刻
光源波长的不断缩小(从248nm到193nm，再到将来的157nm)，离轴照明技术的发展，透镜数值孔径NA的增大，光刻胶性能的提高，光学移相掩模技术的使用，光学邻近效应校正的提高，等等诸多因素保证了光学光刻技术工作者能够使光学光刻系统曝光出来的线条特征尺寸比曝光波长还要短。2000年年腐AMD公司购买了ASML公司的PAS 5500／900 193nm光学光刻机应用于下一代CPU生产就是一个例证。有些光学光刻技术工作者甚至预言157nm光学光刻技术的极限分辨率可以达到50nm(当然，这时候光学光刻掩模的制造难度和制造成本也许会成为一个不可逾越的障碍)。
国际上提出的移相掩模方式有赖文森、辅助图形、移相框边缘增强、多级相位相移、全透明移相等多种。其中用全透明移相掩模技术制作T形栅的效果明显。与常规的只有亮、暗两级的二元掩模不同，全透明移相掩模是在掩模衬基材料上直接制作移相层，使移相层边缘光相位突然改变180°，利用光的相干性，抵消部分衍射效应，改变空间光强分布，在不影n向景深的前提下大大提高光学光刻的分辨率。由费马定理不难推出移相层的厚度t=λ／2(n-1)，其中入易光学曝光光源的光波波长，而n是移相层材料的折射率常数中的实部。一般来说，全透明移相和离轴照明相结合会使光学光刻更能发挥威力。用全透明移相光学掩模制作T形栅的具体方法很多[1，2]。一种通常使用的工艺流程可以简单描述。另外，也可以采用斜蒸、各向同性刻蚀光刻胶等手段来压缩T形栅底部的线宽，不同的实验室有不同的工艺技巧。对于全透明移相光学掩模，移相层的制作过程中往往会引入缺陷，而且缺陷产生率比较高，缺陷修补的要求也比常规掩模要高。另外全透明移相掩模需要控制移相层厚度(为此对刻蚀技术提出很高要求)，移相曝光后会出现多余的黑线，需要在下一步的曝光中除去。
采用光学光刻技术制作0．51μm以上尺寸的PHEMT栅具有成本低廉、一致性好、工艺简单、产量高等诸多优点。如果要采用光学光刻技术制作0．51μm以下尺寸的PHEMT栅，需要采用移相光学掩模技术和一些特殊的技巧，工艺控制比较复杂，一致性不是太好，但是相对于其他光刻技术，它的成本还是比较低的。
3 电子束直写制作深亚微米T形栅
采用电子束直写制作深亚微米T形栅的方法具有相当长的历史，一般都要采用多层胶工艺。通常采用PMMA／PMMA-MAA两层胶工艺或者采用PMMA／PMMA-MAA／PMMA三层胶工艺。其优点是T形栅底部的线宽可以做到很细，可以达到纳米水平，而且一致性可以做得非常好，T形栅在PHEMT的源漏间的对准可以达到非常高的。但是电子束直写制作深亚微米T形栅的缺点也是非常明显的，那就是效率非常低，成本也比较高，一般来说只能适用于实验室研究。为了提高生产效率，人们想了许多方法。比如说采用ZEP520A／UVIII双层胶工艺[3]，由于ZEP520A和UVIII这两种电子束胶的灵敏度都大大高于PM-
MA，因此可以大大缩短电子束直写的时间。
采用电子束直写／光学混合光刻技术制作深亚微米T形栅是一种非常好的手段，即采用电子束直写制作深亚微米T形栅的底部，而采用光学光刻技术制作深亚微米T形栅的顶部，这种工艺的优点是既可以获得纳米尺寸的T形栅的底部，又可以获得可控尺寸的T形栅的顶部，生产效率还可以大大提高。当然，这种工艺存在电子束直写和光学光刻之间的对准偏差问题。为了有效地解决这个问题，可以采用同一台电子束直写光刻机来制作光学光刻所需要的常规光学掩模版。
尽管采用了这样或者那样的方法，采用电子束直写制作深亚微米T形栅的缺点还是生产效率低，成本也比较高。从0．25μm线宽到0．18μm线宽，其生产效率下降50％；从0．18μm线宽到0．13μm线宽，生产效率下降66％；到0．13μm线宽以下，效率成倍下降。
4 X射线光刻制作深亚微米T形栅
近30年来，X射线光刻一直致力于取代光学光刻技术进入深亚微米硅工艺，但是如上所述，光学光刻技术的生命力实在是太顽强了，光学光刻技术研究者的智慧实在是太高了，X射线光刻技术和其他下一代光刻技术一样，一直处于候选者的角色。
尽管X射线光刻早在1972年就被提了出来，但是采用X射线光刻制作深亚微米T形栅是近几年才被提出来。采用X射线光刻制作深亚微米T形栅相比于其他光刻手段有许多优点，比如它可以满足毫米波电路制造需要0．05~0．25μm各尺寸的加工技术；一台点光源X射线光刻机效率超过7台电子束直写机，X射线光刻技术出来的T形栅图形非常容易剥离(这是因为其剖面非常陡直，胶厚可以做2μm以上)等等。X射线光刻技术在MMIC中的应用研究进展如下：1999年，美国SAL公司推出0．13μm标准的X射线光刻设备XRS2000，配备点光源产量可达到20片／小时(4英寸圆片)。2000年美国Sanders公司(Lockheed Martin公司的一个子公司)购XRS2000投入GaAs生产线[5J，使得X射线光刻成为世界上率先替代电子束直写进人生产的下一代光刻技术。另外，日本住友重机近推出高亮度超小型常规电磁铁同步辐射光源AURORA-2S，其亮度达到50mW／cm2；IBM的先进制造技术研究基地(AMF)已开始175nm设计规则的X射线光刻掩模的小批量生产，产出率>30％，其130nm
设计规则的X射线光刻掩模制造技术也已经成熟。
采用X射线光刻制作深亚微米T形栅简单的方法是X射线／光学混合光刻技术，即用X射线光刻技术制作深亚微米T形栅的底部，而采用光学光刻技术制作深亚微米T形栅的顶部。这种工艺的优点是既可以获得纳米尺寸的T形栅的底部，又可以获得可控尺寸的T形栅的顶部。另外也可以通过制作T形栅掩模的方法来实现深亚微米T形栅的制作r4)。近中国科学院微电子中心提出了一种新的采用X射线光刻制作深亚微米T形栅的工艺，即采用PMMA／PMMA-MAA两层胶或者PMMA／PMMA-MAA／PMMA三层胶工艺的方法，获得了较好的结果。
采用X射线光刻制作深亚微米T形栅的问题是X射线光源问题。同步辐射X射线光刻的生产效率非常高，对于一个50mm×50mm像场的曝光时间仅为几秒。考虑到套刻对准时间，每台光刻机对于200mm硅片的曝光效率每小时可以超过30片，而且一台同步辐射X射线装置可以同时安置近20台x射线光刻机。但是其致命的问题是一旦储存环出了毛病，所有光刻机都将不能工作，而MMIC生产商似乎不可能同时建造两个储存环以用于光刻。目前看来，采用X射线点光源技术势在必行，目前美国科学研究实验室和Sanders公司分别在先进国防项目研究机构(DARPA)和国防部的资助下开展X射线点光源研制工作。预计几年内点光源X射线的功率将能够满足实际MMIC光刻需要。
5 结束语
深亚微米T形栅的制作工艺是影响高频PHEMT性能的关键工艺。要制作0．5μm以上尺寸的PHEMT栅，光学光刻技术是的选择，通过移相掩模外加诸如侧墙压缩、斜蒸等特殊工艺技巧，光学光刻技术也可以制作深亚微米乃至纳米尺寸的T形栅；采用电子束直写方法可以制作性能优良的纳米尺寸T形栅，尽管其工艺方法不断改进，其生产效率仍然无法适应MMIC生产要求。X射线光刻技术是一种非常好的制作深亚微米乃至纳米尺寸的T形栅手段，但是成本低廉而又功率强大的X射线点光源能否尽快研制成功对于它的未来应用前景至关重要。
