Способ изготовления полевого транзистора СВЧ Российский патент 2023 года по МПК H01L21/335 H01L29/772 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к способу изготовления полевого транзистора СВЧ и монолитных интегральных схем (МИС) на их основе.

Известен способ изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ с барьером Шоттки, включающий:

формирование на полупроводниковой пластине (подложке) эпитаксиальной структуры арсенида галлия, топологии кристаллов полевых транзисторов (далее кристаллов) посредством технологических операций электронной и фотолитографии,

формирование электродов полевых транзисторов истоков, затворов, стоков посредством нанесения заданной системы металлических слоев соответственно,

формирование пассивирующего - защитного диэлектрического слоя из заданного материала, заданной толщины,

гальваническое осаждение золота на лицевой стороне полупроводниковой пластины,

утонение полупроводниковой пластины до 60-80 мкм,

формирование сквозных отверстий для заземления электродов истоков, гальваническое осаждение золота на обратной стороне полупроводниковой пластины, толщиной 2 мкм,

разделение полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством резки алмазными дисками [А.В. Иващук и др. СВЧ полевые транзисторы средней мощности миллиметрового диапазона длин волн. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №6, 2003 г., стр. 27-31]. Данный способ отличается:

- низким выходом годных из-за механических повреждений, возникающих при разделении полупроводниковой пластины резкой алмазными дисками.

Известен способ изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ, включающий

формирование на лицевой стороне полупроводниковой пластины, топологии кристаллов полевых транзисторов посредством технологических операций электронной и фотолитографии,

формирование электродов полевых транзисторов истоков, затворов, стоков посредством нанесения заданной системы металлических слоев соответственно,

формирование пассивирующего - защитного диэлектрического слоя, из заданного материала, заданной толщины,

гальваническое осаждение золота на лицевой стороне полупроводниковой пластины,

утонение полупроводниковой пластины до толщины менее 30 мкм, формирование сквозных заземляющих отверстий для электрода истока посредством химического травления,

формирование общего интегрального теплоотвода, на обратной стороне полупроводниковой пластины, из золота, толщиной более 30 мкм, посредством гальванического осаждения,

разделение полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы полевых транзисторов.

В котором, с целью повышения выходной мощности, путем снижения теплового сопротивления, повышения выхода годных,

перед утонением полупроводниковой пластины формируют канавки на ее лицевой стороне, вне топологии кристаллов полевых транзисторов, глубиной 5-10 мкм и шириной 70-100 мкм для задания размера каждого из кристаллов полевых транзисторов,

а после утонения полупроводниковой пластины формируют канавки на ее обратной стороне, непосредственно под канавками на лицевой стороне, глубиной 5-10 мкм, при этом соотношение их ширины равно 3-2, посредством технологических операций фотолитографии и травления,

после формирования общего интегрального теплоотвода формируют интегральные теплоотводы каждого из кристаллов полевых транзисторов посредством технологических операций фотолитографии по общему интегральному теплоотводу и последующего травления в местах расположения канавок на обратной стороне полупроводниковой пластины,

а разделение полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы полевых транзисторов осуществляют жидкостным химическим травлением, при этом интегральные теплоотводы каждого из кристаллов служат маской [Патент 2285976 РФ. Способ изготовления мощных транзисторов СВЧ /В.А. Красник и др.//Опубл. - 2006 - №29].

Формирование канавок на лицевой и обратной сторонах полупроводниковой пластины напротив друг друга и с заданными размерами в совокупности с другими признаками обеспечивает повышение выходной мощности и выхода годных.

Известен способ изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ, включающий

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой активных слоев, топологии полевых транзисторов посредством технологических операций электронной и фотолитографии,

формирование электродов полевых транзисторов истоков, затворов, стоков посредством нанесения заданной системы металлических слоев соответственно,

формирование диэлектрических слоев из заданного материала, заданной толщины,

формирование сквозных отверстий для заземления электродов истоков, гальваническое осаждение золота на обратной стороне полупроводниковой пластины заданной толщины,

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки, вне топологии кристаллов полевых транзисторов, канавок заданного размера для задания размера каждого кристалла полевого транзистора,

утонение обратной стороны полупроводниковой подложки,

формирование сквозных заземляющих отверстий для электродов истоков посредством химического травления,

формирование общего интегрального теплоотвода, на обратной стороне полупроводниковой подложки, из золота, заданной толщины, посредством гальванического осаждения,

формирование интегрального теплоотвода каждого из кристаллов полевых транзисторов по общему интегральному теплоотводу посредством технологических операций фотолитографии и травления,

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством жидкостного химического травления, при этом интегральный теплоотвод каждого из кристаллов полевых транзисторов служит маской.

В котором, с целью повышения выходной мощности, путем снижения теплового сопротивления паразитных последовательного электрического сопротивления и индуктивности заземления электродов истоков, повышения выхода годных,

используют полупроводниковую подложку с заданной структурой активных слоев, имеющей два стоп-слоя с заданным расстоянием между ними, с обеспечением минимального теплового сопротивления,

утонение обратной стороны полупроводниковой подложки осуществляют до стоп-слоя, расположенного вблизи этой стороны,

сквозные заземляющие отверстия для электродов истоков формируют непосредственно на электродах истоков,

а последующее травление при формировании интегрального теплоотвода каждого из кристаллов транзисторов осуществляют в месте расположения упомянутых канавок на лицевой стороне полупроводниковой подложки,

разделение полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством жидкостного химического травления, при этом интегральные теплоотводы каждого из кристаллов служат маской [Патент 2463683 РФ. Способ изготовления мощных транзисторов СВЧ /В.А. Красник и др.//Опубл. - 2012 - №28] - прототип.

Способ изготовления мощного полевого транзистора СВЧ предыдущего аналога, равно как и способа прототипа, обеспечивает последовательное дальнейшее повышение выходной мощности путем снижения:

во-первых, теплового сопротивления,

во-вторых, паразитных

а) последовательного электрического сопротивления,

б) индуктивности заземления электрода истока.

Однако как в способе аналога, так и в способе прототипа, технологическую операцию - разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов - осуществляют посредством жидкостного химического травления, который отличается низким качеством из-за:

во-первых, неравномерности травления по всей поверхности травления, во-вторых, наличия достаточно высокого количества боковых неконтролируемых подтравов,

и, как следствие, - низкой воспроизводимости конструкционных параметров полевых транзисторов и низкий выход годных.

Технический результат - повышение воспроизводимости конструкционных параметров полевых транзисторов и, соответственно, повышение выхода годных СВЧ при сохранении выходной мощности.

Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления полевого транзистора СВЧ, включающим

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой активных слоев топологии элементов, по меньшей мере, двух кристаллов полевых транзисторов посредством технологических операций процессов электронной и фотолитографии,

формирование электродов полевого транзистора - истока, затвора, стока - посредством нанесения заданной последовательности системы металлических слоев соответственно,

формирование пассивирующего - защитного диэлектрического слоя из заданного материала, заданной толщины посредством плазмохимического осаждения,

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством химического травления.

При этом

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов осуществляют плазмохимическим травлением,

в смеси газов следующего состава компонентов - трихлорид бора BCl₃, хлор Cl₂, аргон Ar,

при следующем соотношении каждого из упомянутых компонентов в газовой смеси (6,4-9,6)×10^-8 м3/с, (24-40)×10^-8 м³/с, (11,2-20,8)×10^-8 м³/с соответственно,

при температуре 20-100°С,

давлении газовой смеси 1,07-1,6 Па,

мощности емкостной плазмы 4-6 Вт, мощности индуктивной плазмы 400-500 Вт.

Полевой транзистор СВЧ представляет собой мощный полевой транзистор СВЧ, либо малошумящий полевой транзистор СВЧ.

В качестве полупроводниковой подложки используют полупроводниковый материал из группы A^IIIB^V, например, арсенид галлия, либо гетероструктуру на их основе.

Пассивирующий - защитный диэлектрический слой формируют из диэлектрического материала нитрида кремния Si₃N₄, толщиной 50 нм.

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков ограничительной и отличительной частей заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ обеспечивает, а именно

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством технологических операций процесса плазмохимического травления - сухого технологического процесса травления и

в совокупности с заявленными технологическими параметрами и режимами этого технологического процесса, а именно:

в смеси газов следующего состава компонентов - трихлорид бора BCl₃, хлор Cl₂, аргон Ar,

при следующем соотношении каждого из упомянутых компонентов в газовой смеси (6,4-9,6)×10^-8 м³/с, (24-40)×10^-8 м³/с, (11,2-20,8)×10^-8 м³/с соответственно,

при температуре 20-100°С,

давлении газовой смеси 1,07-1,6 Па,

мощности емкостной плазмы 4-6 Вт, мощности индуктивной плазмы 400-500 Вт.

Это обеспечивает оптимальные физические параметры технологической операции - разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов, а именно:

во-первых, селективности травления,

во-вторых, степени анизотропности травления,

и, тем самым, обеспечивает идеальный - очень близкий к вертикальному - профиль травления боковых стенок кристаллов полевых транзисторов с точки зрения точности геометрических размеров кристаллов полевых транзисторов, при этом как каждого отдельного кристалла полевого транзистора, так и в целом по полупроводниковой подложке и, как следствие, повышение воспроизводимости конструкционных параметров полевых транзисторов в целом по полупроводниковой подложке и, соответственно, повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ.

Более того, заявленный способ может быть реализован как для мощных, так и малошумящих полевых транзисторов СВЧ, так и монолитных интегральных схем СВЧ.

Указанные в формуле изобретения пределы технологических параметров и режимов технологических операций процесса плазмохимического травления являются в их совокупности оптимальными для обеспечения оптимальных физических параметров - селективности и степени анизотропности травления этого технологического процесса, и нарушение каждого из них как слева, так и справа нежелательно из-за снижения заявленного технического результата, что подтверждено данными, указанными в таблице.

Более того, проведение технологического процесса плазмохимического травления при температуре более 100°С недопустимо из-за потери функциональности резистной маски.

Итак, заявленный способ изготовления полевого транзистора СВЧ обеспечивает заявленный технический результат - повышение воспроизводимости конструкционных параметров полевого транзистора и, соответственно, повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ при сохранении выходной мощности.

Изобретение поясняется иными материалами.

На фиг. 1 дан фрагмент полупроводниковой подложки, содержащий два кристалла полевых транзисторов,

где

- полупроводниковая подложка - 1,

- заданная структура активных слоев с топологией элементов каждого полевого транзистора - 2,

- два кристалла полевых транзисторов - 3, 4 соответственно,

- электроды полевого транзистора - исток, затвор, сток – 5, 6, 7 соответственно,

- пассивирующий - защитный диэлектрический слой - 8.

На фиг. 2 представлены фотографии (а, б) кристаллов полевых транзисторов СВЧ после осуществления технологической операции - разделения полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы (вид сверху), где:

на фотографии (а) - заявленным способом - посредством плазмохимического травления.

на фотографии (б) - способом прототипа - посредством жидкостного химического травления и, где

позиция - 9 соответствует отдельным, при этом наиболее проблемным зонам (выделены красной линией) кристаллов полевых транзисторов (а, б) после осуществления технологической операции - разделения полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы соответственно.

При этом позиции каждого из элементов кристалла заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ (фиг. 1) и каждого из множества элементов кристалла заявленного способа изготовления полевого транзистора СВЧ фотографии (а), и каждого из множества элементов кристалла полевого транзистора СВЧ фотографии (б) - способа прототипа, равно их функциональность каждого - полностью идентичны.

При этом показать идентичные позиции каждого из множества элементов кристалла полевого транзистора СВЧ на фотографии (а) - заявленный способ и каждого из множества элементов кристалла полевого транзистора СВЧ на фотографии (б) - способ прототипа, к сожалению, технически сложно из-за малых их размеров, а позиции некоторых элементов на виде сверху невозможно.

Как видно

из фотографии (а) - заявленный способ, упомянутые наиболее проблемные зоны кристалла полевого транзистора, их границы 9 являются практически прямыми, в том числе по углам кристалла без существенных отклонений от прямой линии, а именно - менее 1,0 мкм,

в отличие от фотографии (б) - способ прототипа, где упомянутые наиболее проблемные зоны кристалла полевого транзистора, их границы 9 отличаются значительными отклонениями от прямой линии, что особенно видно по углам кристалла, а именно - более 10,0 мкм.

Это указывает на высокое качество технологической операции - разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов - плазмохимическим травлением и, тем самым, обеспечивается повышение воспроизводимости геометрических размеров кристаллов - конструкционных параметров кристаллов полевых транзисторов - и, соответственно, повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Рассмотрен пример изготовления мощного полевого транзистора СВЧ - КРПГ. 432153.014.

На лицевой стороне полупроводниковой подложки 1 из полупроводникового материала арсенида галлия с заданной структурой активных слоев 2 - GaAs-InGaAs, общей толщиной 30 мкм формируют топологию элементов, по меньшей мере, двух кристаллов полевых транзисторов 3, 4 соответственно посредством технологических операций процессов фотолитографии и электронной литографии.

Далее формируют согласно упомянутой топологии элементов полевых транзисторов:

- электроды полевых транзисторов,

исток 5 и сток 7 посредством нанесения электронно-лучевым напылением последовательности заданной системы металлических слоев Ge-Au-Ni-Au соответственно, общей толщиной 350 нм и

электрод затвора 6 посредством нанесения электронно-лучевым напылением последовательности заданной системы металлических слоев Ti-Al-Ti общей толщиной 750 нм;

- пассивирующий - защитный диэлектрический слой 8 из заданного материала - диэлектрического материала нитрида кремния Si₃N₄ заданной толщиной 50 нм посредством плазмохимического осаждения.

Осуществляют разделение полупроводниковой подложки 1 на отдельные кристаллы полевых транзисторов 3,4 посредством плазмохимического травления:

- в смеси газов следующего состава компонентов - трихлорид бора BCl₃, хлор Cl₂, аргон Ar,

- при следующем соотношении каждого из компонентов в газовой смеси 8,0×10^-8 м3/с, 32,0×10^-8 м³/с, 16,0×10^-8 м³/с соответственно,

- при температуре 60,0°С, давлении газовой смеси 1.33 Па,

- мощности емкостной плазмы 5,0 Вт, мощности индуктивной плазмы 450,0 Вт.

Примеры 2-6

Аналогично примеру 1 изготовлены полевые транзисторы СВЧ, но при других технологических параметрах и режимах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3, 6) и вне ее (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует малошумящему полевому транзистору СВЧ КРПГ.432152.050.

Пример 7 соответствует прототипу.

На изготовленных образцах полевых транзисторов СВЧ:

измерена выходная мощность, Вт/мм,

определены:

- воспроизводимость конструкционных параметров, процентах (далее %);

- выход годных, %.

Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы, образцы полевых транзисторов СВЧ, изготовленные согласно заявленной формуле изобретения (примеры 1-3, 6) имеют значения:

- воспроизводимости конструкционных параметров порядка 95-97%,

- выхода годных порядка 93-95%,

- выходной мощности 0,9 Вт/мм.

В отличие от образцов полевых транзисторов СВЧ, изготовленных за ее пределами (примеры 4-5), которые имеют более низкие значения аналогичных параметров, которые представлены в таблице.

Таким образом, заявленный способ изготовления полевого транзистора СВЧ обеспечивает по сравнению с прототипом:

повышение воспроизводимости конструкционных параметров кристаллов полевых транзисторов примерно до 95 процентов и

соответственно повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ примерно на 5 процентов.

Заявленный способ изготовления полевых транзисторов СВЧ является актуальным, поскольку полевой транзистор СВЧ - один из основных компонентов электронной базы СВЧ и различных устройств СВЧ на его основе и прежде всего в монолитном интегральном исполнении.

Данный способ разделения компонентов электронной техники может быть использован для разделения монолитных интегральных схем, выполненных прежде всего на основе материала из группы A^IIIB^V и гетероструктур на их основе, что является на сегодня чрезвычайно актуальным.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов. Способ изготовления полевых транзисторов СВЧ включает формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки по меньшей мере двух кристаллов полевого транзистора посредством технологических операций электронной и фотолитографии, формирование электродов полевого транзистора - истока, затвора, стока - посредством нанесения заданной системы металлических слоев соответственно, формирование пассивирующего слоя из заданного материала, заданной толщины, разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством химического травления. При этом, согласно изобретению, разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов осуществляют плазмохимическим травлением в смеси газов – BCl₃, Cl₂ и Ar при следующем соотношении их газовых потоков (6,4-9,6)×10^-8, (24-40)×10^-8, (11,2-20,8)×10^-8 м³/с соответственно, при температуре 20-100°С, давлении 8-12 мТор, мощности емкостной плазмы 4-6 Вт и мощности индуктивной плазмы 400-500 Вт. Изобретение обеспечивает повышение воспроизводимости конструкционных параметров полевых транзисторов и, соответственно, повышение выхода годных полевых транзисторов СВЧ при сохранении выходной мощности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления полевого транзистора СВЧ, включающий

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой активных слоев топологии элементов, по меньшей мере, двух кристаллов полевых транзисторов посредством технологических операций процессов электронной и фотолитографии,

формирование электродов полевого транзистора истока, затвора, стока посредством нанесения заданной последовательности системы металлических слоев соответственно,

формирование пассивирующего - защитного диэлектрического слоя из заданного материала, заданной толщины посредством плазмохимического осаждения,

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов посредством химического травления,

отличающийся тем, что

разделение полупроводниковой подложки на отдельные кристаллы полевых транзисторов осуществляют

плазмохимическим травлением,

в смеси газов следующего состава компонентов - трихлорид бора BCl₃, хлор Cl₂, аргон Ar,

при следующем соотношении каждого из упомянутых компонентов в газовой смеси (6,4-9,6)×10^-8м³/c, (24-40)×10^-8 м³/с, (11,2-20,8)×10^-8 м³/с соответственно,

при температуре 20-100°С,

давлении газовой смеси 1,07-1,6 Па,

мощности емкостной плазмы 4-6 Вт, мощности индуктивной плазмы 400-500 Вт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полевой транзистор СВЧ представляет собой мощный полевой транзистор СВЧ либо малошумящий полевой транзистор СВЧ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой подложки используют полупроводниковый материал из группы A^IIIB^V, например, арсенид галлия, либо гетероструктуру на их основе.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пассивирующий - защитный диэлектрический слой формируют из диэлектрического материала нитрида кремния Si₃N₄ толщиной 50 нм.