RU2368031C1 - Method for manufacturing of semiconductor device - Google Patents

Abstract

FIELD: physics, conductors.

SUBSTANCE: invention is related to the field of semiconductor equipment and may be used in manufacturing of such devices as, for instance heterotransient field transistors (HEMT), bipolar transistors (BJT), heterobipolar transistors (HBT), p-i-n diodes, diodes with Schottky barrier and many more. In method for manufacturing of semiconductor device, including growth of polycrystalline diamond on basic substrate, epitaxial auxiliary layers and epitaxial structure of semiconductor device on the basis of wide-zone III-nitrides, on the surface of basic substrate they form auxiliary epitaxial layers, one of which serves as the basic for growth of epitaxial structure of semiconductor device on the basis of wide-zone III-nitrides, on auxiliary epitaxial layers they grow polycrystalline diamond, and after diamond growth basic substrate is removed together with auxiliary epitaxial layers down to basic layer, on which epitaxial structure of semiconductor device is grown on the basis of wide-zone III-nitrides. To grow epitaxial structure of III-nitrides, it is preferable to grow layer Al_x Ga_1-xN, where 0≤x≤1 as basic layer in system of auxiliary epitaxial layers.

EFFECT: simplified technology of devices manufacturing, increase of their capacity and almost complete elimination of structure curve.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении таких приборов как, например, гетеропереходные полевые транзисторы (НЕМТ), биполярные транзисторы (BJT), гетеробиполярные транзисторы (НВТ), p-i-n диоды, диоды с барьером Шотки и многие другие.The invention relates to the field of semiconductor technology and can be used in the manufacture of such devices as, for example, heterojunction field effect transistors (HEMT), bipolar transistors (BJT), heterobipolar transistors (NVT), p-i-n diodes, Schottky barrier diodes and many others.

В настоящее время широкое распространение получили приборы на основе гетеропереходной эпитаксиальной структуры (ГЭС) типа AlGaN/GaN.Currently, devices based on a heterojunction epitaxial structure (HES) of the AlGaN / GaN type are widely used.

Слои ГЭС наносятся эпитаксиальными методами, такими как метод химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), метод гидридной эпитаксии из паровой фазы (HVPE) и другими. В отличие от традиционных полупроводниковых материалов широкозонные III-нитриды имеют гексагональный тип кристаллической решетки, и их получают в виде тонких гетероэпитаксиальных структур на подложках, имеющих гексагональный тип решетки. Для этой цели, как правило, используют подложки из сапфира (Аl₂O₃), 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 [1].HES layers are applied by epitaxial methods, such as the method of chemical vapor deposition of organometallic compounds (MOCVD), the method of molecular beam epitaxy (MBE), the method of hydride vapor epitaxy (HVPE) and others. Unlike traditional semiconductor materials, wide-gap III-nitrides have a hexagonal type of crystal lattice, and they are obtained in the form of thin heteroepitaxial structures on substrates having a hexagonal type of lattice. For this purpose, as a rule, substrates of sapphire (Al ₂ O ₃ ), silicon carbide (SiC), bulk aluminum nitride (AlN) or gallium nitride (GaN), pseudovolume GaN, a silicon substrate with a (111) plane orientation are used (Si (111)), as well as GaN (or AlN) preforms on a substrate, one of which can be used [1].

Однако мощность изготовленных таким способом приборов ограничивается сравнительно низкой теплопроводностью подложки, на которой они изготовлены.However, the power of devices manufactured in this way is limited by the relatively low thermal conductivity of the substrate on which they are made.

В наиболее близком техническом решении [2] на подложке, пригодной для выращивания поликристаллического алмаза, например из кремния, выращивают тонкий (от 0,5 до 30 мкм) слой алмаза, на ростовой поверхности которого формируют слой, подходящий для эпитаксиального наращивания, и первый слой сложного полупроводника. Этот слой может быть монокристаллическим и может быть выбран из группы, включающей Si, GaAs, SiC и Аl₂О₃.In the closest technical solution [2], a thin (from 0.5 to 30 μm) layer of diamond is grown on a substrate suitable for growing polycrystalline diamond, for example, silicon, on the growth surface of which a layer suitable for epitaxial growth is formed, and the first layer compound semiconductor. This layer may be single crystal and may be selected from the group consisting of Si, GaAs, SiC, and Al ₂ O ₃ .

Возможно наличие дополнительного второго слоя, сложного полупроводника, включающего: Al_xGa_yIn_zAs_mP_nN_oSb_k, в котором х, у, z, m, n, о и k каждый имеет значение большее или равное нулю и меньшее или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1, в котором второй слой сложного полупроводника имеет состав, отличный от первого слоя сложного полупроводника.There may be an additional second layer, a complex semiconductor, including: Al _x Ga _y In _z As _m P _n N _o Sb _k , in which x, y, z, m, n, o and k each has a value greater than or equal to zero and less or equal to unity and x + y + z = 1 and m + n + o + k = 1, in which the second layer of a complex semiconductor has a composition different from the first layer of a complex semiconductor.

Возможно наличие дополнительного буферного слоя, выбранного, например, из группы, состоящей из HfN и AlN и расположенного между базовым слоем и первым слоем сложного полупроводника.An additional buffer layer may be selected, for example, selected from the group consisting of HfN and AlN and located between the base layer and the first layer of a complex semiconductor.

Возможно наличие промежуточного слоя, выбранного из группы, состоящей из поликремния, окислов кремния, нитрида кремния, карбида кремния, углерода, III-V полупроводников или комбинации из них, и расположенного между алмазным слоем и базовым слоем.There may be an intermediate layer selected from the group consisting of polysilicon, silicon oxides, silicon nitride, silicon carbide, carbon, III-V semiconductors or a combination of them, and located between the diamond layer and the base layer.

Первый слой сложного полупроводника содержит Al_xGa_yIn_zAs_mP_nN_oSb_k, в котором х, у, z, m, n, о и k каждый имеет значение больше чем или равное "0" и меньше или равное единице и x+y+z=1 и m+n+o+k=1. Первый слой сложного полупроводника может содержать GaN.The first layer of a complex semiconductor contains Al _x Ga _y In _z As _m P _n N _o Sb _k , in which x, y, z, m, n, o and k each have a value greater than or equal to "0" and less than or equal to unity and x + y + z = 1 and m + n + o + k = 1. The first layer of a complex semiconductor may contain GaN.

Известная структура содержит по порядку: кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, либо кремниевую подложку, теплопроводящий алмазный слой, поликремниевый слой, монокристаллический кремниевый слой и эпитаксиальный GaN слой, а буферный слой выбран из группы, состоящей из HfN и AlN.The known structure contains in order: a silicon substrate, a heat-conducting diamond layer, a single-crystal silicon layer and an epitaxial GaN layer, or a silicon substrate, a heat-conducting diamond layer, a polysilicon layer, a single-crystal silicon layer and an epitaxial GaN layer, and the buffer layer is selected from the group consisting of HfN and AlN.

Известная структура имеет параметр изгиба до 25 мкм вогнутой формы и до 300 мкм выпуклой формы с лицевой стороны GaN. К основным недостаткам прототипа следует отнести:The known structure has a bending parameter of up to 25 μm concave shape and up to 300 μm convex shape on the front side of GaN. The main disadvantages of the prototype include:

- в сформированной структуре кремниевая подложка, на которой выращивают поликристаллический алмаз, будет существенно уменьшать отвод тепла от полупроводниковой структуры;- in the formed structure, the silicon substrate on which the polycrystalline diamond is grown will significantly reduce heat removal from the semiconductor structure;

- тонкий слой алмаза (0,5-30 мкм) ограничивает отвод тепла от полупроводниковых структур и требует трудоемкой обработки (шлифовки и полировки). Это обусловлено тем, что полупроводниковую структуру формируют на ростовой поверхности поликристаллического алмаза, высота шероховатости которой достигает 10% от толщины слоя, что не позволяет сформировать структуру. При увеличении толщины алмазного слоя до конструкционной толщины, например до 0,15 мм, высота микронеровностей достигнет 15 мкм, что значительно увеличивает сложность и длительность обработки;- a thin layer of diamond (0.5-30 microns) limits the heat removal from semiconductor structures and requires laborious processing (grinding and polishing). This is due to the fact that a semiconductor structure is formed on the growth surface of a polycrystalline diamond, the roughness of which reaches 10% of the layer thickness, which does not allow to form a structure. With an increase in the thickness of the diamond layer to the structural thickness, for example, to 0.15 mm, the height of the microroughness will reach 15 microns, which significantly increases the complexity and duration of processing;

- готовая структура имеет существенный изгиб из-за недостаточной толщины алмаза.- the finished structure has a significant bend due to insufficient thickness of the diamond.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления приборов, повышения их мощности и, практически, устранения изгиба структуры.The present invention solves the problem of simplifying the manufacturing technology of devices, increasing their power and, practically, eliminating the bending of the structure.

Технический результат при этом заключается в создании широкозонной полупроводниковой структуры на пластине из поликристаллического алмаза, толщина которой не ограничена единицами микрометров, а наоборот ее целесообразно брать как можно большей, например от 0,15 мм до 0,5 мм и более. Поверхность роста алмаза остается открытой и предназначена для монтажа приборной структуры в корпусе транзистора, что существенно улучшает отвод тепла от транзисторной структуры.The technical result in this case is to create a wide-gap semiconductor structure on a plate of polycrystalline diamond, the thickness of which is not limited to units of micrometers, but rather it is advisable to take it as large as possible, for example from 0.15 mm to 0.5 mm or more. The diamond growth surface remains open and is intended for mounting the instrument structure in the transistor case, which significantly improves the heat removal from the transistor structure.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового прибора, включающем 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.The technical result is achieved in that in a method for manufacturing a semiconductor device, comprising growing on a base substrate polycrystalline diamond, epitaxial auxiliary layers and epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides, auxiliary epitaxial layers are formed on the surface of the base substrate, one of which is basic for method of growing the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-gap III-nitrides, on auxiliary epit Polycrystalline diamond is grown on the axial layers, and after growing the diamond, the base substrate is removed together with auxiliary epitaxial layers to the base layer, on which the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides is grown.

Для выращивания эпитаксиальной структуры III-нитридов, например GaN, предпочтительно в системе вспомогательных эпитаксиальных слоев в качестве базового слоя выращивать слой Al_xGa_1-хN, где 0≤х≤1.To grow the epitaxial structure of III-nitrides, for example, GaN, it is preferable to grow an Al _x Ga _1-x N layer as a base layer in the system of auxiliary epitaxial layers, where 0≤x≤1.

Этот слой может быть самым верхним, на котором выращивают алмаз.This layer may be the topmost one on which the diamond is grown.

Слой поликристаллического алмаза предпочтительно выращивать толщиной ≥ 0,15 мм.The polycrystalline diamond layer is preferably grown with a thickness of ≥ 0.15 mm.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленных технических решений критерию новизны.No technical solutions containing features similar to distinguishing features have been identified, which allows us to draw conclusions about the conformity of the claimed technical solutions with the novelty criterion.

Толщину слоя поликристаллического алмаза необходимо выбирать достаточной, чтобы после изготовления широкозонная структура имела незначительный изгиб или оставалась совершенно плоской, имела достаточную прочность для дальнейшего использования в приборах, работающих в условиях циклических изменений температур, а также и удобной в дальнейшем технологическом цикле изготовления прибора.The thickness of the layer of polycrystalline diamond must be chosen sufficient so that after manufacture the wide-gap structure has a slight bend or remains completely flat, has sufficient strength for further use in devices operating under cyclic temperature changes, as well as convenient in the further technological cycle of manufacturing the device.

Например, на подложках из поликристаллического алмаза толщиной 0,05 мм и с размерами 1×2 мм, напаянных на медный теплоотвод, появлялись трещины при термоциклировании от -60 до +400°С из-за большого различия в температурном расширении алмаза и материала теплоотвода, что ограничивает возможности использования GaN приборов, способных работать при высоких температурах. Проведенные эксперименты показали, что, начиная с толщины 0,15 мм, подложки из алмаза не разрушаются.For example, on polycrystalline diamond substrates with a thickness of 0.05 mm and with dimensions of 1 × 2 mm soldered to a copper heat sink, cracks appeared during thermal cycling from -60 to + 400 ° C due to the large difference in the thermal expansion of diamond and heat sink material, which limits the use of GaN devices capable of operating at high temperatures. The experiments showed that, starting from a thickness of 0.15 mm, diamond substrates are not destroyed.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1-4 иллюстрируют последовательность изготовления многослойной эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, в котором на поверхности базовой подложки 1, например, из монокристаллического кремния р-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 предпочтителен слой Al_xGa_1-xN, где 0≤х≤1. На базовом слое 3 поликристаллический алмаз 4 может быть выращен непосредственно, 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, например GaN (фиг.4).Figures 1-4 illustrate the manufacturing sequence of a multilayer epitaxial structure of a wide-band III-nitride semiconductor device in which epitaxial layers 2 are deposited, for example, from p-type single crystal silicon oriented along plane (III), (FIG. .1) at least the base layer 3 (FIG. 2) of which is intended for growing the epitaxial structure of III-nitrides. As the base layer 3, an Al _x Ga _1-x N layer is preferred, where 0 0 _{x 1 1} . On the base layer 3, polycrystalline diamond 4 can be grown directly, or on one of the auxiliary epitaxial layers located above layer 3. After growing the polycrystalline diamond, the base substrate 1, for example, from silicon, is removed by widely known methods of wet and dry etching together with epitaxial layers to the base layer 3 (FIG. 3), on which the epitaxial structure 5 of III-nitrides is grown, for example, GaN (FIG. 4).

Достоинство заявляемого технического решения в том, что все слои в структурах получены с использованием хорошо известных эпитаксиальных методов и не требуются специальные технологии обработки и/или способы присоединения слоев, например, такие как «Smаrt»-технология. Полупроводниковая структура оказывается сформированной практически на поверхности подложки большой конструкционной толщины из высокотеплопроводного поликристаллического алмаза. Исключается необходимость в проведении трудоемкой операции полировки поверхности алмаза до состояния, пригодного для технологии термоприсоединения слоев при дальнейшем изготовлении приборов.The advantage of the claimed technical solution is that all layers in the structures are obtained using well-known epitaxial methods and special processing technologies and / or methods for attaching layers, for example, such as “Smart” technology, are not required. The semiconductor structure appears to be formed practically on the surface of the substrate of large structural thickness from high-conductivity polycrystalline diamond. Eliminates the need for a time-consuming operation of polishing the surface of a diamond to a state suitable for the technology of thermal bonding of layers in the further manufacture of devices.

Тем самым, новая совокупность признаков позволяет сделать заключение о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».Thus, a new set of features allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Возможность реализации заявленного технического решения подтверждается совокупностью нижеследующих пояснений и примеров.The possibility of implementing the claimed technical solution is confirmed by the combination of the following explanations and examples.

Способы выращивания эпитаксиальных слоев AlN и GaN на Si(111), a также GaN на AlN описаны в ряде публикаций (1, 3 и др.).Methods of growing epitaxial layers of AlN and GaN on Si (111), as well as GaN on AlN, are described in a number of publications (1, 3, etc.).

Кремний можно удалить известными методами мокрого и сухого травления в составах, к которым инертны AlN и GaN. Таким травителем может быть, например, водный раствор 1 ч. НF:5 ч. Н₂O. Возможность выращивания поликристаллического алмаза на AlN и GaN подтверждается примерами 1 и 2.Silicon can be removed by known methods of wet and dry etching in compositions to which AlN and GaN are inert. Such an etching agent may be, for example, an aqueous solution of 1 part HF: 5 parts H ₂ O. The possibility of growing polycrystalline diamond on AlN and GaN is confirmed by examples 1 and 2.

Пример 1. На подложке с эпитаксиальным слоем AlN толщиной 0,1 мкм был выращен полиалмаз толщиной 200 мкм в СВЧ разряде на установке УП-СА-100 (СВЧ мощность 5 кВт, частота 2,45 ГГц) с использованием реакционной смеси СН₄(10%)/Н₂(88,5%)/O₂(1,5%). Условия осаждения были следующие: расход водорода 0,53 л/мин, давление в камере 95 Торр, вводимая в камеру СВЧ мощность 4,6 кВт, температура подложки 940°С. Даже при наличии напряжений растяжения и сжатия на границе раздела алмаз-AlN, возникающих из-за различия в тепловом расширении AlN и алмаза после окончания процесса осаждения алмаза на эпитаксиальный слой AlN при охлаждении от температуры синтеза до комнатной, была получена удовлетворительная величина адгезии полиалмаза к AlN.Example 1. On a substrate with an AlN epitaxial layer with a thickness of 0.1 μm, a 200 μm thick diamond was grown in a microwave discharge using a UP-SA-100 installation (microwave power 5 kW, frequency 2.45 GHz) using a CH ₄ reaction mixture (10 %) / H ₂ (88.5%) / O ₂ (1.5%). The deposition conditions were as follows: a hydrogen flow rate of 0.53 l / min, a pressure in the chamber of 95 Torr, a microwave power of 4.6 kW introduced into the chamber, and a substrate temperature of 940 ° C. Even in the presence of tensile and compressive stresses at the diamond-AlN interface, arising due to the difference in the thermal expansion of AlN and diamond after the deposition of diamond onto the AlN epitaxial layer upon cooling from the synthesis temperature to room temperature, a satisfactory adhesion of the poly diamond to AlN was obtained .

Пример 2. На подложке с эпитаксиальным слоем GaN был выращен полиалмаз толщиной 200 мкм. Условия осаждения полиалмаза были идентичны приведенным в примере 1. Была получена удовлетворительная величина адгезии полиалмаза к слою GaN.Example 2. On a substrate with an epitaxial GaN layer, a 200-μm-thick poly diamond was grown. The conditions for the deposition of the poly diamond were identical to those in Example 1. A satisfactory adhesion value of the poly diamond to the GaN layer was obtained.

Следует учесть, что изобретение может быть использовано при создании широкого спектра приборов на различных материалах.It should be noted that the invention can be used to create a wide range of devices on various materials.

Источники информацииInformation sources

1. Compound Semiconductor. October 2004, 27-31.1. Compound Semiconductor. October 2004, 27-31.

2. US, Patent Application Publication, No.: US 2006/0113545 A1, Jun. 1, 2006.2. US Patent Application Publication, No .: US 2006/0113545 A1, Jun. 1, 2006.

3. Journal of Crystal Growth 253 (2003), 64-70.3. Journal of Crystal Growth 253 (2003), 64-70.

Claims (3)

1. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий выращивание на базовой подложке поликристаллического алмаза, эпитаксиальных вспомогательных слоев и эпитаксиальной структуры полупроводникового прибора на основе широкозонных III-нитридов, отличающийся тем, что 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.1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising growing on a base substrate polycrystalline diamond, epitaxial auxiliary layers and the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides, characterized in that auxiliary epitaxial layers are formed on the surface of the base substrate, one of which is basic for growing epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides, on auxiliary epitaxial layers grown polycrystalline diamond is formed, and after growing the diamond, the base substrate is removed together with auxiliary epitaxial layers to the base layer on which the epitaxial structure of a semiconductor device based on wide-band III-nitrides is grown. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в системе вспомогательных эпитаксиальных слоев в качестве базового слоя выращивают слой Al_xGa_1-xN, где 0≤x≤1.2. The method according to claim 1, characterized in that in the system of auxiliary epitaxial layers, a layer Al _x Ga _1-x N is grown as a base layer, where 0≤x≤1. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поликристаллический алмаз выращивают толщиной ≥0,15 мм. 3. The method according to claim 1, characterized in that the polycrystalline diamond is grown with a thickness of ≥0.15 mm.

Images