Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления Российский патент 2023 года по МПК H01L21/205 

Область техники

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано в качестве активных структур при изготовлении сверхвысокочастотных приборов и приборов силовой электроники таких как, например, гетеропереходные полевые транзисторы (НЕМТ), биполярные транзисторы (BJT), гетеробиполярные транзисторы (НВТ), p-i-n диоды, диоды с барьером Шотки, выпрямители и многие другие.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время широкое распространение получили приборы на основе гетеропереходной эпитаксиальной структуры (далее - ГЭС) типа AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN и другие. 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. Наиболее согласованными по параметрам кристаллической решетки для широкозонных III-нитридов являются подложки из монокристаллического нитрида галлия, применение которых в настоящее время крайне ограничено из-за небольших размеров (до 50 мм), крайней высокой стоимости и ограниченной теплопроводности. Как правило, в промышленности для этой цели используют подложки из сапфира (Al₂O₃), карбида кремния (SiC), монокристаллического кремния (Si), а также составные подложки, являющиеся комбинацией слоев различных материалов [1-3].

Однако мощность изготовленных таким способом приборов ограничивается теплопроводностью гетероэпитаксиальных и переходных слоев, тепловым сопротивлением на границах, и в существенной мере - теплопроводностью подложки, на которой они изготовлены. При этом максимальное тепловыделение наблюдается в узкой (латеральная длина 0,5 - 2,5 мкм) приповерхностной (0,25 мкм от поверхности и менее) области вблизи затвора или управляющего электрода, а ключевое влияние на характеристики прибора оказывает теплопроводность материалов вблизи (100 мкм и менее) этой области.

Из уровня техники известны технические решения, направленные на решение данной проблемы.

Известен мощный сверхвысокочастотный транзистор на основе нитрида галлия [патент RU 2581726, опубликован 20.04.2016], состоящий из подложки, гетероэпитаксиальной структуры на основе соединений нитрида галлия, нанесенной на подложку, электродов, включающих исток, затвор и сток, нанесенных на гетероэпитаксиальную структуру и пространственно-разделенных между собой, пассивационной диэлектрической пленки, нанесенной на гетероэпитаксиальную структуру между контактами электродов, теплоотвода, сформированного на гетероэпитаксиальной структуре, и теплораспределительного слоя, при этом подложка выполнена из высокоомного кремния, а теплораспределительный слой расположен между контактом стока и теплоотводом.

Недостатком данного технического решения является ограниченный и неравномерный отвод тепла из-за расположения теплоотвода только в области стока, а также сложная конфигурация теплоотвода.

Известен полупроводниковый прибор и способ его изготовления [патент RU 2507634, опубликован 20.02.2014], включающий утоненную подложку из монокристаллического кремния р-типа проводимости, ориентированного по плоскости (111), с выполненным на ней буферным слоем из нитрида алюминия (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.

Недостатком данного технического решения является высокая концентрация дефектов в слое нитрида алюминия, что приводит к образованию аналогичных дефектов в слое алмаза при его росте.

Общими признаками с заявляемым изобретением является формирование полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры на основе нитрида галия (GaN), использование слоя поликристаллического CVD алмаза и монокристаллического кремния в качестве базовой подложки.

Известен мощный транзистор СВЧ с многослойной эпитаксиальной структурой [патент RU 2519054, опубликован 10.06.2014], содержащий базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. Слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину 0,1-0,15 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры между истоком, затвором и стоком последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза, барьерный слой из двуокиси гафния и дополнительный барьерный слой из оксида алюминия. При этом барьерные слои из двуокиси гафния и оксида алюминия имеют суммарную толщину 1,0-4,0 нм, кроме того, они размещены под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа проводимости.

Недостатком данного технического решения является высокая концентрация дефектов в слое нитрида алюминия/нитрида гафния, которые могут транслироваться в слой алмаза при его росте.

Общими признаками с заявляемым изобретением является формирование полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры на основе GaN, использование слоя поликристаллического CVD алмаза и монокристаллического кремния в качестве базовой подложки.

Известный мощный транзистор СВЧ [патент РФ 2519055, опубликован 10.06.2014], содержит базовую подложку из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, буферный слой, исток, затвор, сток и омические контакты. При этом базовая подложка из кремния выполнена толщиной менее 10 мкм, слой теплопроводящего поликристаллического алмаза имеет толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мм, а на поверхности эпитаксиальной структуры последовательно размещены дополнительный слой теплопроводящего поликристаллического алмаза и барьерный слой из двуокиси гафния толщиной 1,0-4,0 нм, который в области затвора размещен под затвором, непосредственно на эпитаксиальной структуре в виде слоя из твердого раствора AlGaN n-типа проводимости.

Недостатком данного технического решения также является высокая концентрация дефектов в слое нитрида алюминия/нитрида гафния, что приводит к образованию аналогичных дефектов в слое алмаза при его росте.

Общими признаками с заявляемой гетероэпитаксиальной структурой является базовая подложка из кремния, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза, эпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов.

Известен способ изготовления мощного СВЧ-транзистора [патент RU 2534442, опубликован 27.11.2014], 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. 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.

Недостатком данного технического решения является достаточно высокая концентрация дефектов в слое Al_xGa_1-xN и в результате роста данные дефекты транслируются в слой алмаза.

Общими признаками с заявляемым способом формирования гетероэпитаксиальной структуры является формирование на базовой подложке из монокристаллического кремния, ориентированного по плоскости (111), вспомогательных эпитаксиальных слоев, нанесение базового 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.

Наиболее близкой к заявляемой гетероэпитаксиальной структуре с алмазным теплоотводом является структура, раскрытая в патенте [патент РФ 2368031, опубликован 20.09.2009 Бюл. № 26], содержащая базовую подложку, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза и эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ изготовления полупроводникового прибора [патент РФ 2368031, опубликован 20.09.2009], включающий 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 с вспомогательными эпитаксиальными слоями до базового слоя, на котором выращивают эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. Для выращивания эпитаксиальной структуры III-нитридов предпочтительно в системе вспомогательных эпитаксиальных слоев в качестве базового слоя выращивают слой Al_xGa_1-xN, где 0≤x≤1. Способ обеспечивает упрощение технологии изготовления приборов, повышение их мощности и, практически, устраняет изгиб структуры.

Однако к недостаткам указанного способа можно отнести то, что теплопроводящий слой поликристаллического алмаза выращивается на слое твердого раствора Al_xGa_1-xN, нитрида алюминия (AlN) или нитрида галлия (GaN). Концентрация дефектов в приведенных выше слоях достаточно высока и в результате роста данные дефекты транслируются в слой алмаза и значительно снижают его теплопроводность. Помимо этого, теплопроводность используемого в данном способе базового слоя существенно ниже теплопроводности монокристаллического кремния, а переход базовый слой/алмаз обладает достаточно высоким тепловым сопротивлением.

Общими признаками с заявляемым способом являются выращивание на базовой многослойной подложке поликристаллического алмаза и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, удаление части слоев базовой подложки до базового слоя после выращивания поликристаллического алмаза.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой в процессе создания гетероэпитаксиальных структур и способов их изготовления является недостаточно эффективный отвод тепла от полупроводниковых структур в связи с использованием тонкого слоя теплопроводящего поликристаллического алмаза. С другой стороны, излишняя толщина слоя материала также вносит свой вклад в тепловое сопротивление.

Основной задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является получение полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры на основе широкозонных III-нитридов с алмазным теплоотводом и высококачественным слоем поликристаллического алмаза на подложках монокристаллического кремния, а также уменьшение активной области прибора и снижение переходного теплового сопротивления кристалл-корпус.

Технический результат заключается в улучшении отвода тепла от структуры полупроводникового прибора, за счет увеличения коэффициента объемной теплопроводности структуры и уменьшения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус.

Улучшение теплоотвода от структуры полупроводникового прибора позволяет добиться следующих практически значимых результатов: создавать устройства и приборы с повышенной полезной мощностью на выходе, и/или улучшенными характеристиками линейности, коэффициента шума и/или срока службы и/или более компактных размеров.

При этом заявляемое изобретение позволяет упростить технологию изготовления полупроводниковых приборов и масштабировать данную технологию изготовления на подложки различных диаметров вплоть до 300 мм.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения гетероэпитаксиальной структуры с алмазным теплоотводом для изготовления полупроводниковых приборов, основанном на выращивании на базовой многослойной подложке поликристаллического алмаза и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, после выращивания поликристаллического алмаза часть слоев базовой подложки удаляют до базового слоя, в качестве базовой подложки используют многослойную подложку КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой выращивают слой поликристаллического алмаза, после нанесения слоя поликристаллического алмаза производят удаление других слоев базовой подложки КНИ структуры, а эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов формируют на другой поверхности слоя кремния с ориентацией поверхности (111).

Технический результат достигается также тем, что в гетероэпитаксиальной структуре, содержащей базовую подложку, теплопроводящий поликристаллический слой алмаза и эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, базовая подложка выполнена на основе КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой нанесен слой поликристаллического алмаза, а на другой поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) КНИ структуры с удаленными слоями диэлектрика и монокристаллического кремния, выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов.

Предпочтительно, в качестве одного из слоев базовой подложки использовать монокристаллический кремний (с-Si) с ориентацией поверхности (111), (110) или (100) толщиной 200-1200 мкм, а его удаление осуществлять путем травления кремния в парах дифторида ксенона или методами жидкостного травления.

Предпочтительно использовать в качестве слоя диэлектрика в КНИ структуре диоксид кремния толщиной <500 нм, а его удаление осуществлять методом жидкостного травления в растворах плавиковой кислоты или методом плазмохимического травления в смеси тетрафторида углерода и кислорода (CF₄/O₂).

Предпочтительно выбирать толщину слоя поликристаллического алмаза не менее 50 мкм.

Целесообразно формировать слой поликристаллического алмаза после нанесения на поверхность кремния с ориентацией поверхности (111) монослоя алмазных наночастиц, имеющих размер 5-10 нм, а осаждение монослоя алмазных наночастиц на поверхность кремния (111) осуществлять в ультразвуковой ванне из модифицированной 3% (w/w) водной суспензии алмазных наночастиц.

Предпочтительно температуру базовой подложки во время роста слоя поликристаллического алмаза поддерживать в пределах 750-1000°С.

Предпочтительно толщину базовой подложки после нанесения поликристаллического алмаза уменьшать до 0,2 мкм.

Оптимально формировать эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов в виде Al_xGa_1-xN/GaN/Al_xGa_1-xN (0≤x≤1).

Целесообразно в эпитаксиальной структуре полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов слой GaN легировать примесью p-типа.

Предпочтительно формирование эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора осуществлять на слое кремния с ориентацией поверхности (111) путем формирования буферных слоев Al_xGa_1-xN (0<x<1), на поверхности которых выращивают слой нитрида галлия (GaN), после чего формируют барьерные слои AIN или Al_xGa_1-x N (0,2≤x≤1).

Предпочтительно слой поликристаллического алмаза формировать на поверхности высокочистого кремния с ориентацией поверхности (111) и шероховатостью R_a < 0,1 нм с монослоем алмазных наночастиц, имеющих размер 5-10 нм.

Заявляемые способ и гетероэпитаксиальная структура на основе КНИ структуры с высококачественным слоем поликристаллического алмаза, выращенным на слое высокочистого монокристаллического кремния малой толщины (например, до 200 нм), позволяют существенно увеличить отвод тепла от гетероэпитаксиальной структуры, так как теплопроводность данного слоя кремния сопоставима с теплопроводностью объемного материала (148 Вт/(м*K)). что следует из источника [4], в котором приведены сведения, что теплопроводность тонких слоев монокристаллического кремния близка к теплопроводности объемного материала, а тепловое контактное сопротивление перехода кремний/алмаз составляет 7-20 м²*K/ГВт [5, 6]. При этом поверхность роста поликристаллического алмаза остается открытой и может быть использована для монтажа полученной структуры в корпус прибора (например, транзистора).

Данный результат может незначительно уступать результатам, полученным для слоев GaN на монокристаллических объемных подложках AlN с теплопроводностью 180 Вт/(м*K), и GaN с теплопроводностью 130 Вт/(м*K), однако в отличии от них может быть реализован для подложек больших диаметров (100 мм и более). Так же в описываемом способе не используется слой аморфного, сильно нарушенного материала, например аморфного слоя нитрида кремния SiN_x с низкой теплопроводностью 2 Вт/(м*K) и высоким тепловым контактным сопротивлением перехода 12-50 м²*K/ГВт [6, 7].

Из уровня техники известно, что использование в полупроводниковых технологиях КНИ структур (кремний на изоляторе) позволяет получить приборы с улучшенными характеристиками по сравнению с аналогичными приборами, изготовленными на обычных кремниевых пластинах. Однако КНИ структуры в полупроводниковой микроэлектронике разрабатывались и используются прежде всего для уменьшения потребляемой мощности микроэлектронными приборами, увеличения их быстродействия вследствие снижения паразитной емкости, повышения радиационной стойкости приборов и обеспечения надежной изоляции рабочего объема прибора от остальной схемы и подложки. При этом в конечном полупроводниковом изделии многослойная структура КНИ сохраняется.

В заявляемом изобретении КНИ структура используется лишь как основа, слои которой в дальнейшем удаляются до c-Si (111) и ее использование как базовой подложки направлено на улучшение теплопроводных свойств получаемого прибора и как следствие этого, на улучшение его эксплуатационных характеристик.

Из уровня техники не выявлено обеспечение возможности с помощью использования КНИ структуры улучшить отвод тепла от структуры полупроводникового прибора, за счет уменьшения теплового контактного сопротивления перехода кремний/алмаз в результате роста алмазной пленки на гладкой поверхности высокочистого монокристаллического слоя кремния, например, с толщиной до 200 нм.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 показана базовая подложка КНИ структуры.

На фиг. 2 показана базовая подложка КНИ структуры с нанесенным слоем поликристаллического алмаза.

На фиг. 3 показан конечный вид эпитаксиальной структуры с алмазным теплоотводом.

В качестве базовой подложки, на которой происходит формирование слоя поликристаллического алмаза и впоследствии гетероэпитаксиальной структуры, используется КНИ (кремний на изоляторе) подложка, имеющая структуру, представленную на фиг 1. Слой 1 представляет собой монокристаллический кремний (c-Si) с ориентацией поверхности (111) или (110) или (100). Слой 2 - диоксид кремния (SiO₂), слой 3 - монокристаллический кремний с ориентацией поверхности (111).

На слой 3 базовой подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (CVD) наносится слой поликристаллического алмаза (слой 4) (фиг. 2).

На поверхности кремния с ориентацией поверхности (111) (слой 3) выращивается гетероэпитаксиальная структура на основе широкозонных III-нитридов, типа AlGaN/GaN (слой 5), которая представляет основу для будущего полупроводникового прибора (фиг. 3).

Примеры предпочтительных вариантов изобретения

В качестве базовой подложки, на которой происходит формирование слоя поликристаллического алмаза и впоследствии гетероэпитаксиальной структуры, используется КНИ структура (кремний на изоляторе). Слой 1 представляет собой монокристаллический кремний (c-Si) с ориентацией поверхности (111) или (110) или (100) с толщиной 200-1200 мкм. Слой 2 - диоксид кремния (SiO₂), имеющий толщину менее 500 нм (оптимальная толщина 300 нм). Слой 3 - монокристаллический кремний с ориентацией поверхности (111) толщиной менее 2 мкм (оптимальная толщина 500 нм).

На слой 3 базовой подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (CVD) наносится слой поликристаллического алмаза (слой 4) толщиной не менее 50 мкм. Процесс получения слоя поликристаллического алмаза состоит из двух основных этапов: создание центров зародышеобразования и синтез алмазной пленки в СВЧ реакторе. Перед загрузкой подложки в СВЧ реактор, проводят процедуру ее "засева" алмазными частицами. На поверхность кремния с целью создания центров нуклеации, наносятся наночастицы алмаза. Для получения однородной пленки необходимо чтобы наночастицы алмаза были равномерно распределены по поверхности подложки. Для этого используют водные или спиртовые суспензии ультрадисперсного (детонационного) алмаза с размером алмазных наночастиц порядка 5-50 нанометров. Подложку погружают в такую суспензию и помещают в ультразвуковую ванну на 15 минут. В результате такой обработки удается получить высокую плотность нуклеации (число частиц алмаза на единицу площади) порядка 10⁹ - 10¹⁰ см^-2 и хорошую однородность распределения частиц по поверхности. Далее данная подложка помещается в СВЧ плазмохимический реактор, в котором происходит синтез алмазной пленки в метано-водородной газовой смеси. Используются газы: H₂ (99,99999%) и СН₄ (99,995%). Синтез поликристаллических алмазных пленок производится при СВЧ мощности 2.5-3.5 кВт, давлении в камере 50-70 Торр, потоке Н₂ 300-500 см³/мин, потоке СН₄ от 2 до 20 см³/мин и температуре подложки 750-1000 °С.

После нанесения слоя поликристаллического алмаза происходит удаление слоя монокристаллического кремния (слой 1) и слоя диоксида кремния (слой 2). Удаление слоя 1 происходит посредством травления кремния в парах дифторида ксенона (XeF₂), который обладает высокой селективностью травления кремния по отношению к большинству стандартных полупроводниковых материалов. Для травления используется XeF₂ с чистотой 99,999%. Процесс травления кремния происходит импульсным методом (время одного импульса 20-120 секунд) при давлениях паров XeF₂ 2000-3000 мТорр. При данных условиях скорость травления составляет около 270 нм/мин для подложки диаметром 4 дюйма. Полное время травления и число циклов травления выбирается исходя из толщины слоя 1 для его полного удаления.

Удаление слоя 2 осуществляется посредством широко известных методов жидкостного травления в растворах плавиковой кислоты или сухого плазмохимического травления во фторной плазме. Так для удаления диоксида кремния методом жидкостного травления можно использовать буферный раствор (HF:NH₄F=12,5:87,5%) с классом чистоты ХЧ. Скорость травления диоксида кремния в таком растворе составляет 80-100 нм/мин. Время травления выбирается исходя из толщины слоя 2 для его полного удаления. Также слой диоксида кремния можно удалить плазмохимическим методом посредством травления в плазме, содержащей газовую смесь CF₄/O₂. Чистота тетрафторида углерода (CF₄) составляет 99,999%, а чистота кислорода также 99,999%. Травление происходит при давлении 30 мТорр, поток CF₄ 20 ст.см³/мин, поток O₂ 2 ст.см³/мин, мощность 75 Вт. При данных условиях скорость травления диоксида кремния составляет 30-50 нм/мин. Время травления выбирается исходя из толщины слоя 2 для его полного удаления.

На следующем технологическом этапе на поверхности кремния с ориентацией поверхности (111) (слой 3) выращивают гетероэпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, типа AlGaN/GaN (слой 5), которая представляет основу для будущего полупроводникового прибора. Гетероэпитаксиальную структуру наиболее часто получают посредством метода молекулярно-лучевой эпитаксии или посредством метода химического осаждения из газовой фазы.

В случае изготовления гетероструктуры AlGaN/GaN методом молекулярно-лучевой эпитаксии используют источники Ga (99,9995%) и Al (99,999%), а также аммиак NH₃ (99,99995%). Формирование структуры начинается с выращивания буферных слоев на поверхности кремниевой подложки, которые имеют состав Al_xGa_1-xN (0≤x≤1), а их суммарная толщина может составлять 0,2-1,4 мкм. Рост буферных слоев происходит с градиентом температуры от 1150 до 800°С. Давление в процессе роста буферных слоев поддерживается в диапазоне 5⋅10^-5 - 3⋅10^-3 Па. Затем на поверхности буферного слоя происходит рост слоя нитрида галлия (GaN) толщиной 0,1-5 мкм при температуре 800°С и давлении не более 3⋅10^-3 Па. После этого формируются барьерные слои AlN или Al_xGa_1-xN (0,2<x<1) с толщиной 2-30 нм при температуре 800°С. Далее может быть нанесен слой диэлектрика SiO₂ или Si₃N₄ толщиной 3-10 нм при температуре 800°С.

При получении гетероструктуры методом газофазной эпитаксии в качестве прекурсоров используются триметилалюминий (99,999%), триметилгаллий (99,999%) и аммиак (99,9999%). В качестве газа-носителя используется водород (99,9999%). Сначала на подложке кремния происходит рост буферных слоев Al_xGa_1-xN (0≤x≤1) с толщиной 0,2-1,4 мкм при температурах 795-925°С. Давление в процессе роста буферных слоев поддерживается равным 5 КПа. После этого происходит формирование слоя GaN толщиной 0,1-5 мкм при температуре 930°С и давлении 10 кПа. После слоя GaN выращивается барьерный слой AlN или Al_xGa_1-xN (0,2<x<1) толщиной 2-30 нм при температуре 900-930°С. В завершение может быть нанесен слой диэлектрика SiO₂ или Si₃N₄ толщиной 3-10 нм при температуре 800-900°С.

Теплопроводность полученной гетероструктуры будет главным образом зависеть от толщины и состава слоев из которых она состоит. При этом существенной зависимости теплопроводности гетероструктуры от метода ее изготовления наблюдаться не будет.

В результате получается гетероэпитаксиальная структура с высококачественным слоем поликристаллического алмаза, выращенным на слое высокочистого монокристаллического кремния малой толщины (не менее 200 нм), что позволяет существенно увеличить отвод тепла от гетероэпитаксиальной структуры, так как теплопроводность данного слоя кремния соответствует теплопроводности объемного материала (148 Вт/(м*K)), а тепловое контактное сопротивление перехода кремний/алмаз составляет 7-20 м²*K/ГВт. При этом поверхность роста поликристаллического алмаза остается открытой и может быть использована для монтажа полученной полупроводниковой структуры в корпус прибора (например, транзистора). Кроме того, за счет высокого кристаллического качества всех слоев полупроводниковой структуры с алмазным теплоотводом увеличивается выход годных полупроводниковых приборов.

Приведенная выше технология изготовления может быть легко масштабирована на изготовление подложек различных диаметров вплоть до 300 мм.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

На экспериментальной установке плазмохимического осаждения из газовой фазы на подложке кремния с базовым эпитаксиальным слоем AlN толщиной 0,1 мкм выращивали поликристаллический алмаз толщиной 200 мкм в СВЧ разряде с использованием
реакционной смеси СН₄(10%)/Н₂(88,5%)/O₂(1,5%), согласно описанию способа по прототипу. Условия осаждения были следующие: давление в камере 95 Торр, расход водорода 0,53 л/мин, вводимая в камеру СВЧ мощность 4,6 кВт, температура подложки 940°С.

После формирования слоя поликристаллического алмаза подложку кремния удаляли и на другой стороне базового слоя AlN выращивали эпитаксиальную гетероструктуру на основе III-нитридов известными методами.

В результате из-за высокой концентрации дефектов в слое AlN и их последующей трансляции как в слои гетероэпитаксиальной структуры, так и в слой алмаза, теплопроводность гетероструктуры с алмазным теплоотводом по прототипу получилась равной 190 Вт/(м*K), а термическое сопротивление 395 м²*K/ГВт.

Пример 2.

В качестве базовой подложки использовали КНИ структуру, в которой один из слоев представлял собой монокристаллический кремний (c-Si) (слой 1) с ориентацией поверхности (111) толщиной 200 мкм, другой слой (слой 2) - диоксид кремния (SiO2) толщиной 300 нм, а слой 3 - монокристаллический кремний с ориентацией поверхности (111) толщиной 500 нм.

На слой 3 базовой подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (CVD) наносили слой поликристаллического алмаза (слой 4) толщиной 50 мкм. Процесс получения слоев поликристаллического алмаза состоял из двух основных этапов: создание центров зародышеобразования и синтез алмазной пленки в СВЧ реакторе. Перед загрузкой подложки в СВЧ реактор, проводили процедуру ее "засева" алмазными наночастицами. Далее подложку помещали в СВЧ плазмохимический реактор, в котором осуществляли синтез алмазной пленки в метано-водородной газовой смеси, используя газы: H₂ (99,99999%) и СН₄ (99,995%). Синтез поликристаллической алмазной пленки производили при СВЧ мощности 3,5 кВт, давлении в камере 70 Торр, потоке Н₂ 400 см³/мин, потоке СН₄ 10 см³/мин и температуре подложки 800°С.

После нанесения слоя поликристаллического алмаза, удаляли слой монокристаллического кремния (слой 1) и слой диоксида кремния (слой 2). Удаление слоя 1 осуществляли травлением кремния в парах дифторида ксенона (XeF₂) с чистотой 99,999%, импульсным методом (время одного импульса 60 секунд) при давлениях паров XeF₂ 3000 мТорр. Скорость травления составляла около 270 нм/мин для подложки диаметром 4 дюйма. Время травления и число циклов травления выбиралось для полного удаления слоя 1. Удаление слоя 2 осуществляли посредством методов жидкостного травления, используя буферный раствор (HF:NH₄F=12,5:87,5%) с классом чистоты ХЧ. Скорость травления диоксида кремния в таком растворе составляла 90 нм/мин. Время травления выбирали для полного удаления слоя 2.

Далее, на поверхности кремния с ориентацией поверхности (111) (слой 3) выращивали гетероэпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, типа AlGaN/GaN (слой 5). Гетероэпитаксиальную структуру получали методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием источников Ga (99,9995%) и Al (99,999%), а также аммиака NH₃ (99,99995%). Формирование структуры начинали с выращивания буферных слоев на поверхности кремниевой подложки, которые имели состав Al_xGa_1-xN (0≤x≤1), а их суммарная толщина составляла 0,2 мкм. Рост буферных слоев происходил с градиентом температуры от 1150 до 800°С. Давление в процессе роста буферных слоев поддерживается в диапазоне 5⋅10^-5 - 3⋅10^-3 Па. Затем на поверхности буферного слоя осуществляли рост слоя нитрида галлия (GaN) толщиной 0,1 мкм при температуре 800°С и давлении не более 3⋅10^-3 Па. После этого формировали барьерные слои AlN или Al_xGa_1-xN (0,2<x<1) с толщиной 2 нм при температуре 800°С. Далее, наносили слой диэлектрика SiO₂ толщиной 3 нм при температуре 800°С.

В результате была получена гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом имеющая теплопроводность 315 Вт/(м*K) и термическое сопротивление 165 м²*K/ГВт.

Пример 3.

Слой поликристаллического алмаза и гетероэпитаксиальную структуру получали как в примере 2, но при следующих методах и режимных условиях.

В качестве базовой подложки использовали КНИ структуру, в которой один из слоев представлял собой монокристаллический кремний (c-Si) (слой 1) с ориентацией поверхности (110) толщиной 1200 мкм, другой слой (слой 2) - диоксид кремния (SiO2) толщиной 500 нм, а слой 3 - монокристаллический кремний с ориентацией поверхности (111) толщиной 2 мкм.

На слой 3 базовой подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (CVD) наносили слой поликристаллического алмаза (слой 4) толщиной 50 мкм.

После нанесения слоя поликристаллического алмаза, удаляли слой монокристаллического кремния (слой 1) и слой диоксида кремния (слой 2). Удаление слоя 1 осуществляли травлением кремния в парах дифторида ксенона (XeF₂) с чистотой 99,999%, импульсным методом (время одного импульса 60 секунд) при давлениях паров XeF₂ 3000 мТорр. При этом скорость травления составляла 270 нм/мин для подложки диаметром 4 дюйма. Время травления и число циклов травления выбиралось для полного удаления слоя 1. Удаление слоя 2 осуществляли плазмохимическим методом посредством травления в плазме, содержащей газовую смесь CF₄/O₂. Чистота тетрафторида углерода (CF₄) составляла 99,999%, а чистота кислорода также 99,999%. Травление происходило при давлении 30 мТорр, поток CF₄ 20 ст.см³/мин, поток O₂ 2 ст.см³/мин, мощность 75 Вт. Скорость травления диоксида кремния составляла 50 нм/мин. Время травления выбиралось для полного удаления слоя 2.

На поверхности кремния с ориентацией поверхности (111) (слой 3) выращивали гетероэпитаксиальную структуру на основе широкозонных III-нитридов, типа AlGaN/GaN (слой 5). Гетероэпитаксиальную структуру получали методом молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием источников Ga (99,9995%) и Al (99,999%), а также аммиака NH₃ (99,99995%). Формирование структуры начинали с выращивания буферных слоев на поверхности кремниевой подложки, которые имели состав Al_xGa_1-xN (0≤x≤1), а их суммарная толщина составляла 1,4 мкм. Рост буферных слоев происходил с градиентом температуры от 1150 до 800°С. Давление в процессе роста буферных слоев поддерживается в диапазоне 5⋅10^-5 - 3⋅10^-3 Па. Затем на поверхности буферного слоя осуществляли рост слоя нитрида галлия (GaN) толщиной 5 мкм при температуре 800°С и давлении не более 3⋅10^-3 Па. После этого формировали барьерные слои AlN с толщиной 30 нм при температуре 800°С. Далее, наносили слой диэлектрика Si₃N₄ толщиной 10 нм при температуре 800°С.

В результате была получена гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом имеющая теплопроводность 277 Вт/(м*K), и термическое сопротивление 290 м²*K/ГВт.

Пример 4.

Слой поликристаллического алмаза получали как в примере 2, но при следующих методах и режимных условиях.

В качестве базовой подложки использовали КНИ структуру, в которой один из слоев представлял собой монокристаллический кремний (c-Si) (слой 1) с ориентацией поверхности (100) толщиной 500 мкм, другой слой (слой 2) - диоксид кремния (SiO2) толщиной 300 нм, а слой 3 - монокристаллический кремний с ориентацией поверхности (111) толщиной 500 нм.

На слой 3 базовой подложки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (CVD) наносили слой поликристаллического алмаза (слой 4) толщиной 200 мкм.

После нанесения слоя поликристаллического алмаза, удаляли слой монокристаллического кремния (слой 1) и слой диоксида кремния (слой 2). Удаление слоя 1 осуществляли травлением кремния в парах дифторида ксенона (XeF₂) с чистотой 99,999%, импульсным методом (время одного импульса 60 секунд) при давлениях паров XeF₂ 3000 мТорр. Скорость травления составляла около 270 нм/мин для подложки диаметром 4 дюйма. Время травления и число циклов травления выбиралось для полного удаления слоя 1. Удаление слоя 2 осуществляли посредством методов жидкостного травления, используя буферный раствор (HF:NH₄F=12,5:87,5%) с классом чистоты ХЧ. Скорость травления диоксида кремния в таком растворе составляла 90 нм/мин. Время травления выбирали для полного удаления слоя 2.

После этого посредством механической шлифовки\полировки кремния происходило утонение слоя 3 до толщины 200 нм.

При получении гетероструктуры методом газофазной эпитаксии в качестве прекурсоров были использованы триметилалюминий (99,999%), триметилгаллий (99,999%) и аммиак (99,9999%). В качестве газа-носителя использовали водород (99,999%). Сначала на подложке кремния выращивались буферные слои Al_xGa_1-xN (0≤x≤1) с толщиной 1 мкм при температурах 795-925°С. Давление в процессе роста буферных слоев поддерживалось равным 5 КПа. После этого осуществлялось формирование слоя GaN толщиной 5 мкм при температуре 930°С и давлении 10 кПа. После слоя GaN выращивались барьерные слои AlN или Al_xGa_1-xN (0,2<x<1) толщиной 30 нм при температуре 900°С. В завершение наносили слой диэлектрика SiO₂ толщиной 10 нм при температуре 900°С.

В результате была получена гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом, имеющая теплопроводность 514 Вт/(м*K) и термическое сопротивление 201 м²*K/ГВт.

Заявляемая группа изобретений может быть широко использована в области полупроводниковой техники при изготовлении таких сверхвысокочастотных приборов и приборов силовой электроники как гетеропереходные полевые транзисторы (НЕМТ), биполярные транзисторы (BJT), гетеробиполярные транзисторы (НВТ), p-i-n диоды, диоды с барьером Шотки, выпрямители и т.д. за счет улучшения отвода тепла от структуры полупроводникового прибора, что позволит улучшить рабочие характеристики полупроводниковых приборов и масштабировать данную технологию изготовления по заявленному способу на подложки различных диаметров вплоть до 300 мм.

Источники информации

1. Ю.В. Федоров Широкозонные гетероструктуры (Al, Ga, In)N и приборы на их основе для миллиметрового диапазона длин волн // Электроника: НТБ - 2011. - No. 2. С. 92-107.

2. Bulk GaN substrate market growing at 10% CAGR to $100m in 2022, from 60,000 wafers in 2016 // Semiconductor Today. Compounds&Advanced Silicon. - 2017. - March/April. - Vol. 12. - Issue 2, P.78-79.

3. A. Tanaka et al. Structural and electrical characterization of thick GaN layers on Si, GaN, and engineered substrates // J. Appl. Phys. - 2019. - vol. 125 - P.082517.

4. M. Asheghi et al. Temperature-Dependent thermal conductivity of single-crystal silicon layers in SOI Substrates // Journal of Heat Transfer. - 1998. - Vol. 120. - P. 30-36.

5. Zhe Cheng at al. Tunable thermal energy transport across diamond membranes and diamond-Si interfaces by nanoscale graphoepitaxy //ACS Appl. Mater. Interfaces - 2019. - Vol. 11. - No 20. - P. 18517-18527.

6. T.L. Bougher et al. Thermal boundary resistance in GaN films measured by time domain thermoreflectance with robust Monte Carlo uncertainty estimation // Nanoscale And Microscale Thermophysical Engineering. - 2016. - Vol. 20. - No. 1. - P. 22-32.

7. H. Sun et al. Reducing GaN-on-diamond interfacial thermal resistance for high power transistor applications // AIP Applied Physics Letters. - 2015. - Vol. 106. - Iss. 11, P.111906.

Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления относятся к области полупроводниковой техники и могут быть использованы при изготовлении сверхвысокочастотных приборов и приборов силовой электроники в качестве активных структур. Способ получения гетероэпитаксиальной структуры с алмазным теплоотводом для изготовления полупроводниковых приборов основан на выращивании на базовой многослойной подложке поликристаллического алмаза и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, в котором после выращивания поликристаллического алмаза часть слоев базовой подложки удаляют до базового слоя, при этом в качестве базовой подложки используют многослойную подложку КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой выращивают слой поликристаллического алмаза, производят удаление другого слоя монокристаллического кремния и слоя диоксида кремния КНИ структуры после нанесения слоя поликристаллического алмаза, а эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов формируют на другой поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111). Гетероэпитаксиальная структура содержит базовую подложку, выполненную на основе КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой нанесен слой поликристаллического алмаза, а на другой поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) КНИ структуры с предварительно удаленными слоями диэлектрика и другого слоя монокристалличсекого кремния, выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления гетероэпитаксиальной структуры с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов, основанный на выращивании на базовой многослойной подложке поликристаллического алмаза и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, в котором после выращивания поликристаллического алмаза часть слоев базовой подложки удаляют до базового слоя,

отличающийся тем, что в качестве базовой подложки используют многослойную подложку КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой выращивают слой поликристаллического алмаза, производят удаление другого слоя монокристаллического кремния и слоя диоксида кремния КНИ структуры после нанесения слоя поликристаллического алмаза, а эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов формируют на другой поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из слоев базовой подложки КНИ структуры используют монокристаллический кремний (с-Si) с ориентацией поверхности (111), или (110), или (100) толщиной 200-1200 мкм, а его удаление осуществляют путем травления кремния в парах дифторида ксенона или жидкостным травлением.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя диэлектрика используют диоксид кремния толщиной не более 500 нм, а его удаление осуществляют методом жидкостного травления в растворах плавиковой кислоты или методом плазмохимического травления в смеси тетрафторида углерода и кислорода (CF₄/O₂).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя поликристаллического алмаза предпочтительно выбирают не менее 50 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой поликристаллического алмаза формируют после нанесения на поверхность монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) монослоя алмазных наночастиц, размером 5-10 нм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение монослоя алмазных наночастиц на поверхность кремния (111) осуществляют в ультразвуковой ванне из модифицированной 3% (w/w) водной суспензии алмазных наночастиц.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру базовой подложки во время роста слоя поликристаллического алмаза поддерживают в интервале 750-1000°С.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) после нанесения поликристаллического алмаза уменьшают не менее чем до 0,2 мкм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора формируют на основе широкозонных III-нитридов в виде Al_xGa_1-xN/GaN/Al_xGa_1-xN (0≤x≤1).

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что слой GaN в эпитаксиальной структуре полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов легирован примесью p-типа.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что формирование эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора осуществляют путем формирования на слое кремния с ориентацией поверхности (111) буферных слоев Al_xGa_1-xN (0≤x≤1), на поверхности которых выращивают слой нитрида галлия, после чего формируют барьерные слои AIN или Al_xGa_1-xN (0,2≤x≤1).

12. Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов, содержащая базовую подложку, поликристаллический слой алмаза и эпитаксиальную структуру полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, отличающаяся тем, что базовая подложка выполнена на основе КНИ структуры, на одной поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) которой нанесен слой поликристаллического алмаза, а на другой поверхности слоя монокристаллического кремния с ориентацией поверхности (111) КНИ структуры с предварительно удаленными слоями диэлектрика и другого слоя монокристаллического кремния выполнена эпитаксиальная структура полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов.

13. Гетероэпитаксиальная структура по п.12, отличающаяся тем, что толщина слоя поликристаллического алмаза составляет не менее 50 мкм.

14. Гетероэпитаксиальная структура по п.12, отличающаяся тем, что эпитаксиальная структура полупроводникового прибора выполнена на основе широкозонных III-нитридов в виде Al_xGa_1-xN/GaN/Al_xGa_1-xN (0≤x≤1).