Полупроводниковый прибор и способ его изготовления

Изобретение относится к области полупроводниковой техники. Полупроводниковый прибор включает утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец. При этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза. Изобретение обеспечивает повышение надежности полупроводникового прибора и увеличение срока его службы, а также позволяет упростить изготовление прибора с высоким значением теплоотвода от активной части. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Группа изобретений относится к области полупроводниковой техники, например, СВЧ мощным транзисторам на основе GaN, гетеропереходным полевым транзисторам (НЕМТ), биполярным транзисторам (BJT), гетеробиполярным транзисторам (НВТ), p-i-n диодам, диодам с барьером Шоттки и многим другим, а также способам их изготовления.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений группы А³ с азотом (нитриды А³) весьма актуально ввиду значительного расширения функциональных возможностей этих приборов. В частности, возникла возможность изготовления СВЧ-полевых транзисторов, мощность которых в несколько раз больше, чем мощность таких транзисторов, выполненных на основе традиционных материалов (арсениды А³). Одновременно транзисторы на основе нитридов обладают уникальной термической стойкостью и могут работать в непрерывном режиме при температуре 300-500°С, что было абсолютно недоступно на традиционных приборах.

Однако существенной трудностью при промышленной реализации такого технического решения является склонность нитридных транзисторов к деградации, т.е. к быстрому изменению (ухудшению) характеристик прибора со временем. Эта деградация наблюдается во время работы прибора и, более того, зафиксировано ухудшение характеристик транзисторных полупроводниковых структур в отсутствие электрического тока. Показано, что подвижность и концентрация электронов в нитридной гетероструктуре произвольно меняются со временем, причем за несколько месяцев эти изменения достигают десятков процентов (S. Elhamri et al. Study of deleterious aging effects in GaN/AlGaN heterostructures. Journal of Applied Physics, vol. 93, 2, pp.1079-1082, 15 January 2003).

В условиях, соответствующих рабочим, т.е. с протеканием тока под действием приложенного напряжения, нитридные транзисторы изменяют свои характеристики за несколько часов, что недопустимо для реального применения.

Известен полевой транзистор на основе нитридов галлия и алюминия, структура которого последовательно включает: подложку, слой GaN, барьерный слой, выполненный из двух подслоев: Al_0,2Ga_0,8N, на нем GaN; второй вариант барьерного слоя - Al_0,3Ga_0,7N, легированный Si, на нем нелегированный Al_0,3Ga_0,7N. На структуре выполнены контакты: сток, исток и затвор с соответствующими промежутками между ними; далее было выполнено диэлектрическое покрытие MgO, Sс₂О₃ или SiN_x. Между контактами диэлектрическое покрытие находится на барьерном слое и служит для защиты открытых поверхностей барьерного слоя от внешних воздействий, см. В.Luo et al. The role of cleaning conditions and epitaxial layer structure on reliability of Sс₂О₃ and MgO passivation on AlGaN/GaN HEMTS, Solid-State Electronics, 46, pp.2185-2190, 2002.

Недостатком такого технического решения является то, что полученный благодаря защитным слоям уровень деградации остается достаточно высоким.

В настоящее время широкое распространение получили приборы на основе гетеропереходной эпитаксиальной структуры (ГЭС) типа AlGaN/GaN.

Слои ГЭС наносятся эпитаксиальными методами, такими как метод химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), метод гидридной эпитаксии из паровой фазы (HVPE), и другими. В отличие от традиционных полупроводниковых материалов широкозонные III-нитриды имеют гексагональный тип кристаллической решетки и их получают в виде тонких гетероэпитаксиальных структур на подложках, имеющих гексагональный тип решетки. Для этой цели, как правило, используют подложки из сапфира (Аl₂О₃), карбида кремния (SiC), объемного нитрида алюминия (AlN) или нитрида галлия (GaN), псевдообъемного GaN, подложки из кремния с ориентацией по плоскости (111) (Si(111)), а также заготовки GaN (или AlN) на подложке, служить которой может одна из вышеперечисленных (Compound Semiconductor. October 2004, 27-31).

Недостатками известного способа является отсутствие возможности производства надежных полупроводниковых приборов, обусловленное низкой теплопроводностью подложки и перегревом рабочей области полупроводникового прибора.

В другом известном решении на подложке, пригодной для выращивания поликристаллического алмаза, например, из кремния, выращивают тонкий (от 0,5 до 30 мкм) слой алмаза, на ростовой поверхности которого формируют слой, подходящий для эпитаксиального наращивания, и первый слой сложного полупроводника. Этот слой может быть монокристаллическим и может быть выбран из группы, включающей Si, GaAs, SiC и Аl₂О₃.

Возможно наличие дополнительного второго слоя, сложного полупроводника, включающего: Al_xGa_yIn_zAs_mP_nN_oSb_k, в котором х, у, z, m, n, о и k каждый имеет значение большее или равное нулю и меньшее или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1, в котором второй слой сложного полупроводника имеет состав, отличный от первого слоя сложного полупроводника.

Возможно наличие дополнительного буферного слоя, выбранного, например, из группы, состоящей из HfN и AlN, и расположенного между базовым слоем и первым слоем сложного полупроводника.

Возможно наличие промежуточного слоя, выбранного из группы, состоящей из поликремния, окислов кремния, нитрида кремния, карбида кремния, углерода, III-V полупроводников или комбинации из них, и расположенного между алмазным слоем и базовым слоем.

Первый слой сложного полупроводника содержит Al_xGa_yIn_zAs_mP_nN_oSb_k, в котором х, у, z, m , n, о и k каждый имеет значение больше чем или равное "0" и меньше или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1. Первый слой сложного полупроводника может содержать GaN.

Известная структура содержит по порядку: кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, либо кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, поликремниевый слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, а буферный слой выбран из группы, состоящей из HfN и AlN.

Известная структура имеет параметр изгиба до 25 мкм вогнутой формы и до 300 мкм выпуклой формы с лицевой стороны GaN (патентный документ США №2006/0113545 Al, Jun. 1, 2006).

К основным недостаткам аналога следует отнести:

- тонкий слой алмаза (0,5-30 мкм) ограничивает отвод тепла от полупроводниковых структур и требует трудоемкой обработки (шлифовки и полировки). Это обусловлено тем, что полупроводниковую структуру формируют на ростовой поверхности поликристаллического алмаза, высота шероховатости которой достигает 10% от толщины слоя, что не позволяет сформировать структуру. При увеличении толщины алмазного слоя до конструкционной толщины, например до 0,15 мм, высота микронеровностей достигнет 15 мкм, что значительно увеличивает сложность и длительность обработки;

- готовая структура имеет существенный изгиб из-за недостаточной толщины алмаза.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу является техническое решение, описанное в патенте РФ №2368031, 20.09.2009. Известный способ изготовления полупроводникового прибора включает выращивание на базовой подложке поликристаллического алмаза, эпитаксиальных вспомогательных слоев и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. При этом на поверхности базовой подложки формируют вспомогательные эпитаксиальные слои, один из которых является базовым для выращивания эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. На вспомогательных эпитаксиальных слоях выращивают поликристаллический алмаз, а после выращивания алмаза базовую подложку удаляют вместе со вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, на котором выращивают эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов.

Недостатками известного способа является отсутствие возможности производства надежных полупроводниковых приборов, обусловленное низким значением теплоотвода от активной части полупроводникового прибора.

Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.

Общий технический результат достигается в повышении надежности полупроводникового прибора и увеличении срока его службы, а также в упрощении способа и возможности изготовления с помощью него приборов с высоким значением теплоотвода от их активной части.

Технический результат обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор включает утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец. При этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

В соответствии с частным случаем осуществления эпитаксиальная структура включает нелегированный слой твердого раствора GaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN n-типа проводимости и слой твердого раствора AlGaN.

Технический результат также обеспечивается тем, что способ изготовления полупроводникового прибора включает нанесение на фланец слоя припоя из AuSn, на который запаивают медный пьедестал, нанесение подслоя из AuSn, обеспечивающего укрепление кристалла полупроводникового прибора к медному пьедесталу, осаждение на поверхности подложки буферного слоя из AlN, на поверхности которого выращивают теплопроводящий слой поликристаллического алмаза, утонение подложки. Далее на утоненной подложке выращивают эпитаксиальную структуру III-нитридов. Затем формируют исток, затвор, сток, обеспечивают омические контакты к истоку и стоку, поверх кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза.

Группа изобретений поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1-4 иллюстрируют последовательность изготовления прибора;

фиг.5 иллюстрирует полупроводниковый прибор;

фиг.6 отображает экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени;

фиг.7 отображает вольт-амперные характеристики полупроводникового прибора.

Полупроводниковый прибор включает следующие конструктивные элементы:

1 - фланец;

2 - слой припоя из AuSn;

3 - медный пьедестал;

4 - подслой из AuSn;

5 - подложка;

6 - буферный слой из AlN;

7 - теплопроводящая подложка;

8 - нелегированный слой GaN;

9 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;

10 - нелегированный слой твердого раствора AlGaN;

11 - слой твердого раствора AlGaN;

12 - исток;

13 - затвор;

14 - сток;

15 - омические контакты;

16 - изолирующий слой из поликристаллического алмаза.

Предложенное устройство производят следующим образом.

Фигуры 1-5 иллюстрируют последовательность изготовления многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора по обоим вариантам. На фланце марки МД-40 1, толщиной 1600 мкм наносят слой припоя из AuSn 2 толщиной 25 мкм, на который запаивается медный пьедестал 3 толщиной ~150 мкм. Поверх слоя меди наносят подслой из AuSn 4 толщиной ~25 мкм, который в дальнейшем служит основой для укрепления кристалла транзистора к медному пьедесталу 3. В качестве подложки 5, используют, например, монокристаллический кремний р-типа проводимости, ориентированный по плоскости (111). На поверхности подложки 5 осаждают буферный слой из AlN 6. На поверхности базовой подложки 5 со слоем 6 выращивают теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза 7 толщиной ≥0,1 мм. Слой алмаза выращивают в СВЧ разряде на установке УП-СА-100 (СВЧ мощность 5кВт, частота 2,45 ГГц) с использованием реакционной смеси СН4(10%)/Н2(88,5%)/О2(1,5%). Условия осаждения были следующие: расход водорода 0,53 л/мин, давление в камере 95 торр, вводимая в камеру СВЧ мощность 4,6 кВт, температура подложки 940°С. Даже при наличии напряжений растяжения и сжатия на границе раздела алмаз-AlN, возникающих из-за различия в тепловом расширении AlN и алмаза после окончания процесса осаждения алмаза на эпитаксиальный слой AlN при охлаждении от температуры синтеза до комнатной, была получена удовлетворительная величина адгезии поликристаллического алмаза к AlN. После выращивания поликристаллического алмаза 7 подложку 5 утоняют широко известными методами мокросухого травления до толщины 10 мкм. Далее на подложке 5 последовательно выращиваются гетероэпитаксиальная структура III-нитридов, состоящая, например, из нелегированного слоя твердого раствора GaN 8, нелегированного слоя твердого раствора AlGaN спейс 9, нелегированного слоя твердого раствора AlGaN n-типа проводимости 10, слоя твердого раствора AlGaN (крыша) 11. Затем формируют исток 12, затвор 13, сток 14. Обеспечивают наличие омических контактов 15 к истоку 12 и стоку 16. Поверх кристалла транзистора между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза 16.

Достоинство заявляемого технического решения в том, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев, например, такие как «Smart»-технология. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Исключается необходимость в проведении трудоемкой операции полировки поверхности алмаза до состояния пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов.

Достоинство заявляемого технического решения в том, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев, например, такие как «Smart»-технология. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Кроме того, наличие слоя изолирующего поликристаллического алмаза между истоком, затвором и стоком обеспечивает дополнительный отвод тепла от активной области прибора, при этом тепловое сопротивление транзисторной структуры уменьшается в 1.5 раза.

На фиг.7. приведены экспериментально измеренные зависимости температуры разогрева активной области СВЧ транзистора от времени.

Использование слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности между истоком, затвором и стоком СВЧ GaN транзистора увеличивает пробивное напряжение транзистора на 30%.

На фиг.7 приведены вольт-амперные характеристики СВЧ GaN транзистора:

а) без слоя изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла СВЧ транзистора, между истоком, затвором и стоком; б) с слоем изолирующего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком.

1. Полупроводниковый прибор, включающий утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из AlN, поверх которого выполнена теплопроводящая подложка в виде осажденного слоя поликристаллического алмаза толщиной, равной по меньшей мере 0,1 мм, на другой стороне подложки выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, исток из AlGaN, затвор, сток из AlGaN, омические контакты к истоку и стоку, припой в виде слоя, включающего AuSn, медный пьедестал и фланец, при этом между истоком, затвором и стоком выполнен слой изолирующего поликристаллического алмаза.

2. Прибор по п.1, характеризующийся тем, что эпитаксиальная структура включает нелегированный слой твердого раствора GaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN, нелегированный слой твердого раствора AlGaN n-типа проводимости и слой твердого раствора AlGaN.

3. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий нанесение на фланец слоя припоя из AuSn, на который запаивают медный пьедестал, нанесение подслоя из AuSn, обеспечивающего укрепление кристалла полупроводникового прибора к медному пьедесталу, осаждение на поверхности подложки буферного слоя из AlN, на поверхности которого выращивают теплопроводящий слой поликристаллического алмаза, утонение подложки, далее на утоненной подложке выращивают эпитаксиальную структуру III-нитридов, затем формируют исток, затвор, сток, обеспечивают омические контакты к истоку и стоку, поверх кристалла транзистора, между истоком, затвором и стоком наносят изолирующий слой поликристаллического алмаза.