PL238875B1 - Sposób wytwarzania otworu przelotowego w strukturze półprzewodnikowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania otworu przelotowego w złożonej strukturze półprzewodnikowej.

Struktury takie przeznaczone są do pracy z wielkimi częstotliwościami oraz wysokimi mocami.

Tranzystory HEMT AlGaN/GaN ze względu na doskonałą kombinację parametrów elektrofizycznych azotku galu, takich jak wysoka wartość krytycznego natężenia pola elektrycznego (ok. 3 MV/cm), wysoka wartość ruchliwości (powyżej 1500 cm²/Vs) i prędkości unoszenia elektronów (ok. 2x107 cm/s) oraz wysoka wartość gęstości nośników w kanale tranzystorów (1x10¹³ cm^-2), znajdują zastosowanie w wielu gałęziach współczesnej elektroniki, do których należą przede wszystkim mikrofalowa elektronika mocy i energoelektronika, oferując znacznie lepsze parametry i porównywalną cenę niż obecnie wytwarzane elementy na bazie krzemu w obszarze energoelektroniki oraz na bazie arsenku galu w obszarze mikrofalowej elektroniki mocy.

Struktury epitaksjalne AlGaN/GaN służące do wytwarzania tranzystorów mocy dotychczas najczęściej wytwarzane były na obcych podłożach takich jak szafir, krzem czy węglik krzemu. W ostatnim okresie nastąpił znaczący postęp technik wzrostu objętościowych monokrystalicznych podłoży z azotku galu, głównie metodami HVPE (ang. hydride vapor phase epitaxy) i ammonotermalną. Dzięki zastosowaniu struktur AlGaN/GaN o niskiej gęstości dyslokacji, wytwarzanych na monokrystalicznych podłożach GaN potencjalnie możliwe jest uzyskanie przyrządów, które będą się charakteryzowały znacznie lepszymi parametrami elektrycznymi, większą niezawodnością, odpornością na promieniowanie i wysokie temperatury przy znacznie większym uzysku i powtarzalności niż przyrządy wykonywane na obcych podłożach.

Aby w pełni wykorzystać potencjał przyrządów mikrofalowych na bazie heterostruktur AlGaN/GaN na podłożu z monokrystalicznego azotku galu, konieczne jest opracowane takich elementów technologii przyrządów, jak np. otwory przelotowe (ang. via holes).

Otwory przelotowe są nieodłącznym elementem każdego mikrofalowego tranzystora mocy. W większości zastosowań układy mikrofalowe wykorzystujące tranzystory HEMT AlGaN/GaN wytwarzane są w technologii linii mikropaskowej, co powoduje, że elektroda źródło tranzystora HEMT musi być połączona z masą. Aby zmniejszyć pasożytnicze indukcyjności pogarszające parametry układu takie jak wzmocnienie mocy, występujące kiedy elektrodę źródła tranzystora łączy się do masy za pomocą połączeń drutowych, najczęściej stosuje się otwory przelotowe łączące elektrodę źródła tranzystora bezpośrednio z dolną powierzchnią struktury półprzewodnikowej. Co więcej otwory przelotowe stosowane są również, jako jeden z elementów mikrofalowych monolitycznych układów scalonych w technologii tranzystorów AlGaN/GaN HEMT, łącząc elektrodę źródła tranzystora z uziemieniem układu oraz łącząc np. elementy bierne takie jak kondensatory, rezystory czy cewki z liniami transmisyjnymi układu czy uziemieniem.

Ze względu na wysoką odporność chemiczną GaN jego trawienie na głębokość kilkudziesięciu mikrometrów stanowi zasadniczą trudność procesu wykonania otworów przelotowych. Podstawową kwestią jest dobranie maski trawienia oraz parametrów procesu trawienia zapewniających selektywność trawienia GaN względem maski oraz uzyskania stromych zboczy trawionych obszarów. Najczęściej stosowaną techniką trawienia GaN oraz związków pokrewnych jest trawienie ICP w plazmach chlorowych z domieszką takich gazów jak trójchlorek boru, argon, tlen czy azot, o czym donosi przeglądowa praca „A Review of Dry Etching of GaN and Related Materials” MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 11 (2000). Maską do trawienia GaN jest zazwyczaj warstwa metaliczna bądź dielektryczna.

Dotychczas, nie zademonstrowano wykonywania otworów przelotowych w technologii tranzystorów HEMT AlGaN/GaN na podłożu z objętościowego (monokrystalicznego) azotku galu. Znane są natomiast sposoby wytwarzania otworów przelotowych w tranzystorach HEMT AlGaN/GaN na podłożu z węglika krzemu. W opisie patentowym US 6,475,889 B1 otwory przelotowe wykonywane są techniką trawienia ICP przez maskę tlenkową ITO. Do wytrawienia wzoru w ITO posłużono się plazmą BCI3, natomiast do trawienia SiC wykorzystano plazmę SF6. Ostatecznie, podłoże SiC z wykonanymi otworami przelotowymi służy jako maska do trawienia warstwy aktywnej AlGaN/GaN. Wg autorów zastosowanie transparentnego ITO wraz z SiC o grubości około 100 μm zapewnia możliwość dokładnego pozycjonowania wykonywanych otworów przelotowych względem obszarów kontaktów źródła i drenu tranzystora HEMT. Innym rodzajem maski jest Ni osadzany metodą elektrochemiczną. Dla przykładu, autorzy pracy „Fabrication and Electrical Properties of an AlGaN/GaN HEMT on SiC with a Taper-shaped

PL 238 875 B1

Backside Via Hole” opublikowanej w J. Korean Phys. Soc., 67, (2015), pp, 718 - 722 zastosowali warstwę Ni o grubości 10 μm. Trawienie Sic prowadzono w plazmie SF6, natomiast trawienie struktury AlGaN/GaN w mieszaninie BCI3/CI2. Innym sposobem wykonania otworu przelotowego jest zastosowanie techniki ablacji laserowej. W tym celu, autorzy pracy Laser ablation of via holes in GaN and AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures opublikowanej w J. Vac. Sci. Technol. B 24, (2006) pp. 2246 - 2249 zastosowali laser Nd:YVO4. W pracy Gallium nitride powerbar transistors with via holes fabricated by laser ablation Phys. stat. sol. (c) 3, No. 3 (2006) pp. 482 - 485 mowa jest o pulsacyjnym laserze UV, natomiast w pracy Circular and rectangular via holes formed in SiC via using ArF based UV excimer laser opublikowanej w Applied Surface Science, 257, (2011) pp. 2303 - 2307 zastosowany został laser ekscymerowy ArF.

Sposób dotyczy wytwarzania otworu przelotowego w złożonej strukturze półprzewodnikowej zawierającej monokrystaliczne podłoże GaN i umieszczone na jednej z jego stron co najmniej dwie warstwy epitaksjalne, które razem tworzą próbkę. W sposobie tym podłoże szlifuje się, następnie próbkę wygrzewa się, po czym próbkę poddaje się ekspozycji w urządzeniu do fotolitografii umożliwiającym dwustronne centrowanie, ponownie dwukrotnie wygrzewa się próbkę i poddaje się procesowi wywoływania w dedykowanym roztworze wywoływacza wykonując otwory.

Istotą sposobu jest to, że po zeszlifowaniu podłoża GaN, na próbkę od strony podłoża nanosi się metodą rozwirowania, warstwę emulsji fotoczułej na bazie żywicy epoksydowej. Natomiast po poddaniu próbki procesowi wywoływania, próbkę umieszcza się w komorze reaktora do trawienia ICP, gdzie plazmą jest mieszanina gazowa Cl2/Ar o proporcji 3:1, pod ciśnieniem 0,93 Pa, mocy Prf = 300 W, Picp = 500 W i o temperaturze wynoszącej 20°C i naprzemiennie trawi się próbkę przez 5 min. i chłodzi się ją przez 1 min. aż do uzyskania przelotowego otworu, który pokrywa się, najpierw cienką warstwą tytan/złoto a następnie, warstwą złota, korzystnie o grubości co najmniej 5 μm. Grubość emulsji fotoczułej dobrana jest tak, aby nastąpiło jej całkowite strawienie w czasie niezbędnym do wytrawienia otworu przelotowego przez całą grubość próbki. Stosunek grubości warstwy emulsji fotoczułej do grubości podłoża powinien wynosić od 0,6 - 0,8, a grubość warstwy emulsji fotoczułej od 40 μm - 80 μm, korzystnie 60 μm. Na powierzchni warstwy epitaksjalnej można wykonać element aktywny lub element bierny lub ścieżkę przewodzącą, lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 - 5 przedstawiają wygląd próbki w kolejnych etapach sposobu wytwarzania otworów przelotowych w złożonej strukturze. Na figurach 6 - 10 zamieszczono przekroje poprzeczne przedstawiające wygląd próbki w kolejnych etapach wytwarzania otworów przelotowych w złożonej strukturze półprzewodnikowej, którą w tym przypadku stanowi tranzystor HEMT AlGaN/GaN.

W pierwszym etapie, metodą szlifowania, podłoże GaN 1 ze strukturą epitaksjalną HEMT 2 oraz wykonanymi w niej tranzystorami HEMT 3, gdzie S i D oznaczają metalizacje źródła i drenu, a G oznacza bramkę, zeszlifowano do grubości około 100 μm. Na tak przygotowaną strukturę, od strony podłoża GaN, metodą rozwirowania naniesiono warstwę emulsji epoksydowej 5 o grubości 60 μm. W tym przypadku zastosowano żywicę epoksydową SU-8. Następnie strukturę poddano dwuetapowemu wygrzewaniu w temperaturze 65°C w czasie 10 min, po czym w temperaturze 95°C w czasie 40 min. Tak przygotowaną strukturę umieszczono w urządzeniu do fotolitografii umożliwiającym dwustronne centrowanie niewymuszającym transparentności próbki, a następnie poddano ją ekspozycji dawką 270 mJ/cm². Po procesie naświetlania, próbkę ponownie poddano dwuetapowemu wygrzewaniu w temperaturze 65°C w czasie 4 min., po czym w temperaturze 95°C w czasie 10 min. Po zakończeniu wygrzewania strukturę poddano procesowi wywoływania w dedykowanym roztworze wywoływacza w czasie 5 min. W efekcie, techniką fotolitografii, w warstwie emulsji osadzonej od strony podłoża wykonano otwory kołowe 6 znajdujące się pod obszarami połączeń elektrycznych 4 tranzystora, uzyskując w ten sposób maskę do przeniesienia wzoru w procesie trawienia plazmą indukcyjnie sprzężoną. W kolejnym etapie, strukturę umieszczono w komorze reaktora do trawienia ICP. Jako plazmy użyto mieszaniny gazowej o składzie Cl2/Ar i przepływie 15/5 sccm, przykładając moc Prf = 300 W i Picp = 500 W.

Ciśnienie w reaktorze wynosiło 0,93 Pa, a temperatura procesu wynosiła 20°C. Proces prowadzono w cyklach: 5 min. trawienia, 1 min. chłodzenia. W rezultacie trawienia otrzymano kołowe otwory 7 przechodzące na wskroś podłoża GaN 1, warstwy epitaksjalnej 2 oraz obszarów połączeń elektrycznych 4. Następnie, wykonane otwory przelotowe 7 pokryto warstwą złota 9 o grubości około 5 μm wy

PL 238 875 B1 korzystując metodę elektrochemiczną. Etap ten poprzedziło osadzenie na powierzchni GaN 1 oraz wewnątrz otworów przelotowych 7 warstwy tytan/złoto 8 o grubości 15/200 nm, wykorzystując w tym celu metodę rozpylania katodowego.

Fig. 5 oraz fig. 10 przedstawiają złożoną strukturę półprzewodnikową zbudowaną monokrystalicznego podłoża półprzewodnikowego GaN 1 i umieszczone na jednej z jego stron co najmniej dwie warstwy epitaksjalne 2, przez którą to strukturę przechodzi otwór przelotowy 7 wytworzony sposobem według wynalazku. Wnętrze otworu przelotowego pokryte jest warstwą tytan/złoto 8, na której nałożona jest warstwa złota 9. Na powierzchni warstwy epitaksjalnej 2 tak wytworzonej strukturze półprzewodnikowej umieszczony jest element aktywny 3. W innych przykładach wykonania umieszczono element bierny lub ścieżkę przewodzącą 4 lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi. Struktury wytworzone sposobem według wynalazku znajdują zastosowanie do wytwarzania tranzystorów HEMT AlGaN/GaN przeznaczonych do pracy w zakresie wielkich częstotliwości i wysokich mocy.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania otworu przelotowego w złożonej strukturze półprzewodnikowej zawierającej monokrystaliczne podłoże GaN i umieszczone na jednej z jego stron co najmniej dwie warstwy epitaksjalne, które razem tworzą próbkę, w którym to sposobie podłoże szlifuje się, następnie próbkę wygrzewa się, po czym próbkę poddaje się ekspozycji w urządzeniu do fotolitografii umożliwiającym dwustronne centrowanie, ponownie dwukrotnie wygrzewa się próbkę i poddaje się procesowi wywoływania w dedykowanym roztworze wywoływacza wykonując otwory, znamienny tym, że po zeszlifowaniu podłoża GaN, na próbkę od strony podłoża nanosi się metodą rozwirowania, warstwę emulsji fotoczułej na bazie żywicy epoksydowej, natomiast po poddaniu próbki procesowi wywoływania, próbkę umieszcza się w komorze reaktora do trawienia ICP, gdzie plazmą jest mieszanina gazowa Cb/Ar o proporcji 3:1, pod ciśnieniem 0,93 Pa, mocy Prf = 300 W, Picp = 500 W i o temperaturze wynoszącej 20°C i naprzemiennie trawi się próbkę przez 5 min. i chłodzi się ją przez 1 min. aż do uzyskania przelotowego otworu, który pokrywa się, najpierw cienką warstwą tytan/złoto a następnie, warstwą złota, korzystnie o grubości co najmniej 5 μm.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość emulsji fotoczułej dobrana jest tak, aby nastąpiło jej całkowite strawienie w czasie niezbędnym do wytrawienia otworu przelotowego przez całą grubość próbki.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek grubości warstwy emulsji fotoczułej do grubości podłoża wynosi od 0,6 - 0,8.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość warstwy emulsji fotoczułej wynosi 40 μm - 80 μm, korzystnie 60 μm.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 - 5, znamienny tym, że na powierzchni warstwy epitaksjalnej wykonuje się element aktywny lub element bierny lub ścieżkę przewodzącą, lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi.