СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНОГО СВЧ-ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2014 года по МПК H01L21/335 B82B3/00 

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении таких приборов как, например, гетеропереходные полевые транзисторы (HEMT), биполярные транзисторы (BJT), гетеробиполярные транзисторы (HBT), p-i-n диоды, диоды с барьером Шотки и многие другие.

Из уровня техники известен способ изготовления полупроводникового прибора, в котором слои ГЭС наносятся эпитаксиальными методами, такими как метод химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), метод молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), 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 (Al₂O₃), 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 (см. Compound Semiconductor. October 2004, 27-31).

Недостатками известного способа являются низкая эффективность полупроводниковых приборов, высокая деградация, обусловленные низким теплоотводом от его активной части.

Кроме того, из уровня техники известен способ изготовления полупроводникового прибора, включающий выращивание на базовой подложке поликристаллического алмаза, эпитаксиальных вспомогательных слоев и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. 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 (см. патент РФ №2368031, опубл. 20.09.2009).

Недостатками известного способа также являются достаточна быстрая и высокая деградация полупроводникового прибора, обусловленная низким теплоотводом.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в увеличении теплоотвода от активной части СВЧ-транзистора и минимизации утечки тока затвора.

Технический результат обеспечивается тем, что способ изготовления мощного СВЧ-транзистора включает нанесение на фланец слоя припоя, формирование пьедестала, нанесение подслоя, обеспечивающего крепление кристалла транзистора к пьедесталу, формирование на базовой подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), вспомогательных эпитаксиальных слоев, нанесение базового слоя и буферного слоя для выращивания эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, нанесение на базовый слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза, удаление базовой подложки вместе со вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, наращивание на базовом слое гетероэпитаксиальной структуры на основе широкозонных III-нитридов и формирование истока, затвора и стока. В качестве пьедестала используют теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза, в приповерхностную область которого имплантируют никель и отжигают. Перед формированием стока, затвора и истока поверх кристалла транзистора последовательно осаждают дополнительный слой из изолирующего поликристаллического алмаза и дополнительные барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия, с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм.

В соответствии с частными случаями выполнения изобретение имеет следующие особенности.

Буферный слой выполняют из AlN или из HfN.

Базовый слой выполняют из твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0≤x≤1.

На базовом слое наращивают гетероэпитаксиальную структуру в виде слоев из нелегированного GaN, из твердого раствора AlGaN, из твердого раствора AlGaN n+типа проводимости и из твердого раствора AlGaN.

Покрывают пьедестал подслоем из сплава AuGe.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1-4 - отображает последовательность изготовления многослойной эпитаксиальной структуры.

На поверхности базовой подложки 1 из монокристаллического кремния p-типа, ориентированного по плоскости (III), осаждают эпитаксиальные слои 2 (фиг.1), по крайней мере, базовый слой 3 (фиг.2) из которых предназначен для выращивания эпитаксиальной структуры III-нитридов. В качестве базового слоя 3, на котором выращивают поликристаллический алмаз 4, либо на одном из вспомогательных эпитаксиальных слоев, расположенных над слоем 3. После выращивания поликристаллического алмаза базовую подложку 1, например из кремния, удаляют широко известными методами мокрого и сухого травления вместе с эпитаксиальными слоями до базового слоя 3 (фиг.3), на котором выращивают эпитаксиальную структуру 5 III-нитридов (фиг.4).

Мощный СВЧ-транзистор изготавливают следующим образом.

На фланце марки МД-40 толщиной 1600 мкм наносят слой припоя из AuSn толщиной 25 мкм, на который запаивают пьедестал из теплопроводящего слоя CVD поликристаллического алмаза толщиной около 0,15 мкм. Поверх слоя поликристаллического алмаза после имплантации в его приповерхностную область никеля и последующего отжига осаждают подслой состава AuGe, толщиной ~25 мкм, который в дальнейшем служит основой для укрепления кристалла транзистора к пьедесталу из CVD поликристаллического алмаза. В качестве базовой подложки используют монокристаллический кремний p-типа проводимости, ориентированный по плоскости (111). На поверхности базовой подложки с эпитаксиальным слоем из AlN толщиной 0,1 мкм наращивают базовый слой из твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0≤x≤1, поверх которого осаждается теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза толщиной ≥0,15 мм. После осаждения слоя CVD поликристаллического алмаза на базовый слой базовую подложку из кремния удаляют широко известными методами мокрого и сухого травления, а в свободную поверхность слоя CVD поликристаллического алмаза подготавливают для крепления кристалла транзистора к пьедесталу, имплантируют в приповерхностную область слоя поликристаллического алмаза никель и проводят отжиг. В дальнейшем на базовый слой наращивают буферный слой AlN (в другом частном случае выполнения - HfN). Сверху буферного слоя последовательно наращивают многослойные гетероэпитаксиальные слои III-нитридов, состоящие из нелегированного буферного слоя GaN, твердого раствора AlGaN (спейс), твердого раствора AlGaN n+типа проводимости, слоя твердого раствора AlGaN (крыша).

После изготовления в области расположения истока и стока низкоомных подконтактных участков n+типа проводимости поверх кристалла транзистора осаждают слой изолирующего поликристаллического алмаза. Удаляют слой изолирующего поликристаллического алмаза с участка будущего расположения затвора, осаждают дополнительные барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия. Барьерные слои имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм. В области будущего затвора эти слои располагаются непосредственно на поверхности твердого раствора AlGaN. После вытравливания окон в слое изолирующего поликристаллического алмаза и в дополнительных барьерных слоях над подконтактными слоями формируют исток, затвор, сток, омические контакты к истоку, к стоку и кристалл СВЧ-транзистора соединяют с пьедесталом.

В настоящем способе изготовления транзистора применяется технология сглаживания поверхности слоя CVD поликристаллического алмаза до состояния, пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов, методом имплантации никеля в приповерхностную область слоя CVD поликристаллического алмаза с последующим отжигом.

Достоинством настоящего способа является то, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически как на поверхности подложки большой конструкционной толщины, так и на поверхности кристалла и в качестве пьедестала транзистора - из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Исключается необходимость в проведении трудоемкой операции полировки поверхности слоя CVD поликристаллического алмаза до состояния, пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов.

Использование технического решения обеспечивает дополнительный отвод тепла и снижение утечек тока в кристалле СВЧ-транзистора через дополнительные слои теплопроводящего поликристаллического алмаза и двуокиси гафния и оксида алюминия, нанесенные на поверхность кристалла между истоком, затвором и стоком мощного СВЧ GaN транзистора. Такое выполнение уменьшает тепловое сопротивление транзисторной структуры более чем 1.5 раза и существенно снижает утечки тока затвора.

Использование дополнительного слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза на поверхности кристалла транзистора между истоком, затвором и стоком СВЧ-транзистора увеличивает пробивное напряжение транзистора более 30%. Это также обеспечивается изготовлением под затвором (на поверхности твердого раствора AlGaN n-типа проводимости) дополнительных барьерных слоев из двуокиси гафния и оксида алюминия (маска), которые существенно снижают утечки тока.

Изобретение относится к области полупроводниковой техники. Способ изготовления мощного СВЧ-транзистора включает нанесение на фланец слоя припоя, формирование пьедестала, нанесение подслоя, обеспечивающего крепление кристалла транзистора к пьедесталу, формирование на базовой подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), вспомогательных эпитаксиальных слоев, нанесение базового слоя и буферного слоя для выращивания эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, нанесение на базовый слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза, удаление базовой подложки вместе со вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, наращивание на базовом слое гетероэпитаксиальной структуры на основе широкозонных III-нитридов и формирование истока, затвора и стока. В качестве пьедестала используют теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза, в приповерхностную область которого имплантируют никель и отжигают. Перед формированием стока, затвора и истока поверх кристалла транзистора последовательно осаждают дополнительный слой из изолирующего поликристаллического алмаза и дополнительные барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия, с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм. Изобретение обеспечивает увеличение теплоотвода от активной части СВЧ-транзистора и минимизации утечки тока затвора. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления мощного СВЧ-транзистора, включающий нанесение на фланец слоя припоя, формирование пьедестала, нанесение подслоя, обеспечивающего крепление кристалла транзистора к пьедесталу, формирование на базовой подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), вспомогательных эпитаксиальных слоев, нанесение базового слоя и буферного слоя для выращивания эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, нанесение на базовый слой теплопроводящего CVD поликристаллического алмаза, удаление базовой подложки вместе со вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, наращивание на базовом слое гетероэпитаксиальной структуры на основе широкозонных III-нитридов и формирование истока, затвора и стока, отличающийся тем, что в качестве пьедестала используют теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза, в приповерхностную область которого имплантируют никель и отжигают, а перед формированием стока, затвора и истока поверх кристалла транзистора последовательно осаждают дополнительный слой из изолирующего поликристаллического алмаза и дополнительные барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия, с суммарной толщиной 1,0-4,0 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что буферный слой выполняют из AlN.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что буферный слой выполняют из HfN.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что базовый слой выполняют из твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0≤x≤1.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что на базовом слое наращивают гетероэпитаксиальную структуру в виде слоев из нелегированного GaN, из твердого раствора AlGaN, из твердого раствора AlGaN n+типа проводимости и из твердого раствора AlGaN.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрывают пьедестал подслоем из сплава AuGe.