способ изготовления полупроводникового прибора

Формула изобретения

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.

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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поликристаллический алмаз выращивают толщиной 0,15 мм.

Описание изобретения к патенту

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.

В настоящее время широкое распространение получили приборы на основе гетеропереходной эпитаксиальной структуры (ГЭС) типа AlGaN/GaN.

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 (Аl₂O ₃), 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].

Однако мощность изготовленных таким способом приборов ограничивается сравнительно низкой теплопроводностью подложки, на которой они изготовлены.

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 Аl ₂О₃.

Возможно наличие дополнительного второго слоя, сложного полупроводника, включающего: Al_x Ga_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.

Возможно наличие дополнительного буферного слоя, выбранного, например, из группы, состоящей из HfN и AlN и расположенного между базовым слоем и первым слоем сложного полупроводника.

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.

Первый слой сложного полупроводника содержит Al _xGa_yIn_zAs_mP_n N_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.

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.

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:

- в сформированной структуре кремниевая подложка, на которой выращивают поликристаллический алмаз, будет существенно уменьшать отвод тепла от полупроводниковой структуры;

- 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;

- готовая структура имеет существенный изгиб из-за недостаточной толщины алмаза.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения технологии изготовления приборов, повышения их мощности и, практически, устранения изгиба структуры.

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.

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.

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.

Этот слой может быть самым верхним, на котором выращивают алмаз.

Слой поликристаллического алмаза предпочтительно выращивать толщиной 0,15 мм.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленных технических решений критерию новизны.

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.

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.

Краткое описание чертежей

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_x Ga_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).

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.

Тем самым, новая совокупность признаков позволяет сделать заключение о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Возможность реализации заявленного технического решения подтверждается совокупностью нижеследующих пояснений и примеров.

Способы выращивания эпитаксиальных слоев AlN и GaN на Si(111), a также GaN на AlN описаны в ряде публикаций (1, 3 и др.).

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.

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%)/O ₂(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.

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.

Следует учесть, что изобретение может быть использовано при создании широкого спектра приборов на различных материалах.

Источники информации

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

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

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