PL238875B1

PL238875B1 - Method for making through hole in complex semiconductor structure and the complex semiconductor structure

Info

Publication number: PL238875B1
Application number: PL424834A
Authority: PL
Inventors: Marek Ekielski; Maciej Kamiński; Artur Trajnerowicz; Andrzej Taube
Original assignee: Instytut Tech Elektronowej
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2021-10-18
Also published as: PL424834A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania otworu przelotowego w złożonej strukturze półprzewodnikowej.The present invention relates to a method for producing a through hole in a complex semiconductor structure.

Struktury takie przeznaczone są do pracy z wielkimi częstotliwościami oraz wysokimi mocami.Such structures are designed to work with high frequencies and high powers.

Tranzystory HEMT AlGaN/GaN ze względu na doskonałą kombinację parametrów elektrofizycznych azotku galu, takich jak wysoka wartość krytycznego natężenia pola elektrycznego (ok. 3 MV/cm), wysoka wartość ruchliwości (powyżej 1500 cm²/Vs) i prędkości unoszenia elektronów (ok. 2x107 cm/s) oraz wysoka wartość gęstości nośników w kanale tranzystorów (1x10¹³ cm^-2), znajdują zastosowanie w wielu gałęziach współczesnej elektroniki, do których należą przede wszystkim mikrofalowa elektronika mocy i energoelektronika, oferując znacznie lepsze parametry i porównywalną cenę niż obecnie wytwarzane elementy na bazie krzemu w obszarze energoelektroniki oraz na bazie arsenku galu w obszarze mikrofalowej elektroniki mocy.HEMT AlGaN / GaN transistors due to the perfect combination of electrophysical parameters of gallium nitride, such as high value of the critical electric field strength (approx. 3 MV / cm), high mobility value (above 1500 cm ² / Vs) and electron lift velocity (approx. 2x107 cm / s) and a high value of carrier density in the channel of transistors (1x10 ¹³ cm ^-2 ), are used in many branches of modern electronics, which include, above all, microwave power electronics and power electronics, offering much better parameters and a comparable price than currently manufactured silicon-based components in the field of power electronics and based on gallium arsenide in the field of microwave power electronics.

Struktury epitaksjalne AlGaN/GaN służące do wytwarzania tranzystorów mocy dotychczas najczęściej wytwarzane były na obcych podłożach takich jak szafir, krzem czy węglik krzemu. W ostatnim okresie nastąpił znaczący postęp technik wzrostu objętościowych monokrystalicznych podłoży z azotku galu, głównie metodami HVPE (ang. hydride vapor phase epitaxy) i ammonotermalną. Dzięki zastosowaniu struktur AlGaN/GaN o niskiej gęstości dyslokacji, wytwarzanych na monokrystalicznych podłożach GaN potencjalnie możliwe jest uzyskanie przyrządów, które będą się charakteryzowały znacznie lepszymi parametrami elektrycznymi, większą niezawodnością, odpornością na promieniowanie i wysokie temperatury przy znacznie większym uzysku i powtarzalności niż przyrządy wykonywane na obcych podłożach.AlGaN / GaN epitaxial structures for the production of power transistors have so far been most often produced on foreign substrates such as sapphire, silicon or silicon carbide. Recently, there has been significant progress in the techniques of volume growth of monocrystalline gallium nitride substrates, mainly by HVPE (hydride vapor phase epitaxy) and ammonothermal methods. Thanks to the use of AlGaN / GaN structures with low dislocation density, produced on monocrystalline GaN substrates, it is potentially possible to obtain devices that will have much better electrical parameters, greater reliability, resistance to radiation and high temperatures, with a much higher yield and repeatability than instruments made on GaN. foreign surfaces.

Aby w pełni wykorzystać potencjał przyrządów mikrofalowych na bazie heterostruktur AlGaN/GaN na podłożu z monokrystalicznego azotku galu, konieczne jest opracowane takich elementów technologii przyrządów, jak np. otwory przelotowe (ang. via holes).In order to fully exploit the potential of microwave instruments based on AlGaN / GaN heterostructures on a substrate of monocrystalline gallium nitride, it is necessary to develop instrument technology elements such as via holes.

Otwory przelotowe są nieodłącznym elementem każdego mikrofalowego tranzystora mocy. W większości zastosowań układy mikrofalowe wykorzystujące tranzystory HEMT AlGaN/GaN wytwarzane są w technologii linii mikropaskowej, co powoduje, że elektroda źródło tranzystora HEMT musi być połączona z masą. Aby zmniejszyć pasożytnicze indukcyjności pogarszające parametry układu takie jak wzmocnienie mocy, występujące kiedy elektrodę źródła tranzystora łączy się do masy za pomocą połączeń drutowych, najczęściej stosuje się otwory przelotowe łączące elektrodę źródła tranzystora bezpośrednio z dolną powierzchnią struktury półprzewodnikowej. Co więcej otwory przelotowe stosowane są również, jako jeden z elementów mikrofalowych monolitycznych układów scalonych w technologii tranzystorów AlGaN/GaN HEMT, łącząc elektrodę źródła tranzystora z uziemieniem układu oraz łącząc np. elementy bierne takie jak kondensatory, rezystory czy cewki z liniami transmisyjnymi układu czy uziemieniem.Through holes are an inherent element of every microwave power transistor. In most applications, microwave circuits using HEMT AlGaN / GaN transistors are manufactured in the microstrip line technology, which means that the electrode of the HEMT transistor's source must be connected to the ground. To reduce parasitic inductances that degrade system parameters, such as the power amplification, occurring when the transistor source electrode is grounded by wire connections, through-holes are most commonly used to connect the transistor source electrode directly to the bottom surface of the semiconductor structure. Moreover, the through holes are also used as one of the elements of microwave monolithic integrated circuits in the AlGaN / GaN HEMT transistor technology, connecting the transistor source electrode with the system ground and connecting, for example, passive elements such as capacitors, resistors or coils with the system transmission lines or grounding .

Ze względu na wysoką odporność chemiczną GaN jego trawienie na głębokość kilkudziesięciu mikrometrów stanowi zasadniczą trudność procesu wykonania otworów przelotowych. Podstawową kwestią jest dobranie maski trawienia oraz parametrów procesu trawienia zapewniających selektywność trawienia GaN względem maski oraz uzyskania stromych zboczy trawionych obszarów. Najczęściej stosowaną techniką trawienia GaN oraz związków pokrewnych jest trawienie ICP w plazmach chlorowych z domieszką takich gazów jak trójchlorek boru, argon, tlen czy azot, o czym donosi przeglądowa praca „A Review of Dry Etching of GaN and Related Materials” MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 11 (2000). Maską do trawienia GaN jest zazwyczaj warstwa metaliczna bądź dielektryczna.Due to the high chemical resistance of GaN, its etching to a depth of several dozen micrometers is a major difficulty in the process of making through holes. The basic issue is the selection of the etching mask and the parameters of the etching process ensuring the selectivity of GaN etching in relation to the mask and obtaining steep slopes of the etched areas. The most commonly used technique for etching with GaN and related compounds is ICP etching in chlorine plasmas with an admixture of gases such as boron trichloride, argon, oxygen or nitrogen, as reported in the review paper "A Review of Dry Etching of GaN and Related Materials" MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 5, 11 (2000). The GaN etching mask is typically a metallic or dielectric layer.

Dotychczas, nie zademonstrowano wykonywania otworów przelotowych w technologii tranzystorów HEMT AlGaN/GaN na podłożu z objętościowego (monokrystalicznego) azotku galu. Znane są natomiast sposoby wytwarzania otworów przelotowych w tranzystorach HEMT AlGaN/GaN na podłożu z węglika krzemu. W opisie patentowym US 6,475,889 B1 otwory przelotowe wykonywane są techniką trawienia ICP przez maskę tlenkową ITO. Do wytrawienia wzoru w ITO posłużono się plazmą BCI3, natomiast do trawienia SiC wykorzystano plazmę SF6. Ostatecznie, podłoże SiC z wykonanymi otworami przelotowymi służy jako maska do trawienia warstwy aktywnej AlGaN/GaN. Wg autorów zastosowanie transparentnego ITO wraz z SiC o grubości około 100 μm zapewnia możliwość dokładnego pozycjonowania wykonywanych otworów przelotowych względem obszarów kontaktów źródła i drenu tranzystora HEMT. Innym rodzajem maski jest Ni osadzany metodą elektrochemiczną. Dla przykładu, autorzy pracy „Fabrication and Electrical Properties of an AlGaN/GaN HEMT on SiC with a Taper-shapedHEMT AlGaN / GaN transistor technology on a bulk (monocrystalline) gallium nitride substrate has not been demonstrated so far. On the other hand, there are known methods of producing through holes in HEMT AlGaN / GaN transistors on a silicon carbide substrate. In US 6,475,889 B1, the through holes are made by etching ICP through an ITO oxide mask. BCI3 plasma was used to etch the pattern in ITO, while SF6 plasma was used for SiC etching. Finally, the SiC substrate with the through holes serves as a mask for etching the AlGaN / GaN active layer. According to the authors, the use of transparent ITO together with SiC with a thickness of about 100 μm provides the possibility of precise positioning of the through holes made in relation to the contact areas of the source and drain of the HEMT transistor. Another type of mask is Ni deposited by electrochemical method. For example, the authors of the work "Fabrication and Electrical Properties of an AlGaN / GaN HEMT on SiC with a Taper-shaped

PL 238 875 B1PL 238 875 B1

Backside Via Hole” opublikowanej w J. Korean Phys. Soc., 67, (2015), pp, 718 - 722 zastosowali warstwę Ni o grubości 10 μm. Trawienie Sic prowadzono w plazmie SF6, natomiast trawienie struktury AlGaN/GaN w mieszaninie BCI3/CI2. Innym sposobem wykonania otworu przelotowego jest zastosowanie techniki ablacji laserowej. W tym celu, autorzy pracy Laser ablation of via holes in GaN and AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures opublikowanej w J. Vac. Sci. Technol. B 24, (2006) pp. 2246 - 2249 zastosowali laser Nd:YVO4. W pracy Gallium nitride powerbar transistors with via holes fabricated by laser ablation Phys. stat. sol. (c) 3, No. 3 (2006) pp. 482 - 485 mowa jest o pulsacyjnym laserze UV, natomiast w pracy Circular and rectangular via holes formed in SiC via using ArF based UV excimer laser opublikowanej w Applied Surface Science, 257, (2011) pp. 2303 - 2307 zastosowany został laser ekscymerowy ArF.Backside Via Hole ”published in J. Korean Phys. Soc., 67, (2015), pp, 718-722 used a Ni layer with a thickness of 10 µm. The Sic digestion was carried out in SF6 plasma, while the digestion of the AlGaN / GaN structure in the BCI3 / Cl2 mixture. Another way to make a through hole is to use the laser ablation technique. For this purpose, the authors of Laser ablation of via holes in GaN and AlGaN / GaN high electron mobility transistor structures published in J. Vac. Sci. Technol. B 24, (2006) pp. 2246 - 2249 used the Nd: YVO4 laser. At work Gallium nitride powerbar transistors with via holes fabricated by laser ablation Phys. Stat. salt. (c) 3, No. 3 (2006) pp. 482-485 mentions a pulsed UV laser, while in the work Circular and rectangular via holes formed in SiC via using ArF based UV excimer laser published in Applied Surface Science, 257, (2011) pp. 2303 - 2307 an ArF excimer laser was used.

Sposób dotyczy wytwarzania otworu przelotowego w złożonej strukturze półprzewodnikowej zawierającej monokrystaliczne podłoże GaN i umieszczone na jednej z jego stron co najmniej dwie warstwy epitaksjalne, które razem tworzą próbkę. W sposobie tym podłoże szlifuje się, następnie próbkę wygrzewa się, po czym próbkę poddaje się ekspozycji w urządzeniu do fotolitografii umożliwiającym dwustronne centrowanie, ponownie dwukrotnie wygrzewa się próbkę i poddaje się procesowi wywoływania w dedykowanym roztworze wywoływacza wykonując otwory.The method relates to producing a through hole in a complex semiconductor structure comprising a monocrystalline GaN substrate and disposed on one of its sides at least two epitaxial layers which together form a sample. In this method, the substrate is ground, then the sample is annealed, then the sample is exposed in a photolithography device enabling two-sided centering, the sample is reheated twice and subjected to the development process in a dedicated developer solution by making holes.

Istotą sposobu jest to, że po zeszlifowaniu podłoża GaN, na próbkę od strony podłoża nanosi się metodą rozwirowania, warstwę emulsji fotoczułej na bazie żywicy epoksydowej. Natomiast po poddaniu próbki procesowi wywoływania, próbkę umieszcza się w komorze reaktora do trawienia ICP, gdzie plazmą jest mieszanina gazowa Cl2/Ar o proporcji 3:1, pod ciśnieniem 0,93 Pa, mocy Prf = 300 W, Picp = 500 W i o temperaturze wynoszącej 20°C i naprzemiennie trawi się próbkę przez 5 min. i chłodzi się ją przez 1 min. aż do uzyskania przelotowego otworu, który pokrywa się, najpierw cienką warstwą tytan/złoto a następnie, warstwą złota, korzystnie o grubości co najmniej 5 μm. Grubość emulsji fotoczułej dobrana jest tak, aby nastąpiło jej całkowite strawienie w czasie niezbędnym do wytrawienia otworu przelotowego przez całą grubość próbki. Stosunek grubości warstwy emulsji fotoczułej do grubości podłoża powinien wynosić od 0,6 - 0,8, a grubość warstwy emulsji fotoczułej od 40 μm - 80 μm, korzystnie 60 μm. Na powierzchni warstwy epitaksjalnej można wykonać element aktywny lub element bierny lub ścieżkę przewodzącą, lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi.The essence of the method is that after grinding the GaN substrate, a layer of photosensitive emulsion based on epoxy resin is applied to the sample from the substrate side by centrifugation. However, after the sample has been subjected to the development process, the sample is placed in the chamber of the ICP etching reactor, where the plasma is a Cl2 / Ar gas mixture of 3: 1 ratio, under the pressure of 0.93 Pa, the power Prf = 300 W, Picp = 500 W and the temperature at 20 ° C and the sample is digested alternately for 5 min. and it is cooled for 1 min. until a through-hole is obtained which is covered first with a thin titanium / gold layer and then with a gold layer, preferably at least 5 µm thick. The thickness of the photosensitive emulsion is selected so that it is completely digested in the time necessary to etch the through hole through the entire thickness of the sample. The ratio of the thickness of the photosensitive emulsion layer to the thickness of the substrate should be from 0.6-0.8, and the thickness of the photosensitive emulsion layer from 40 µm - 80 µm, preferably 60 µm. On the surface of the epitaxial layer, an active element or a passive element, or a conducting path, or an electronic system composed of a plurality of active and passive elements connected by conducting paths, can be made.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 - 5 przedstawiają wygląd próbki w kolejnych etapach sposobu wytwarzania otworów przelotowych w złożonej strukturze. Na figurach 6 - 10 zamieszczono przekroje poprzeczne przedstawiające wygląd próbki w kolejnych etapach wytwarzania otworów przelotowych w złożonej strukturze półprzewodnikowej, którą w tym przypadku stanowi tranzystor HEMT AlGaN/GaN.The method according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, in which Figs. 1-5 show the appearance of the sample in the subsequent steps of the method for producing through holes in a complex structure. Figures 6-10 are cross-sections showing the appearance of the sample in the successive stages of production of through holes in a complex semiconductor structure which in this case is a HEMT AlGaN / GaN transistor.

W pierwszym etapie, metodą szlifowania, podłoże GaN 1 ze strukturą epitaksjalną HEMT 2 oraz wykonanymi w niej tranzystorami HEMT 3, gdzie S i D oznaczają metalizacje źródła i drenu, a G oznacza bramkę, zeszlifowano do grubości około 100 μm. Na tak przygotowaną strukturę, od strony podłoża GaN, metodą rozwirowania naniesiono warstwę emulsji epoksydowej 5 o grubości 60 μm. W tym przypadku zastosowano żywicę epoksydową SU-8. Następnie strukturę poddano dwuetapowemu wygrzewaniu w temperaturze 65°C w czasie 10 min, po czym w temperaturze 95°C w czasie 40 min. Tak przygotowaną strukturę umieszczono w urządzeniu do fotolitografii umożliwiającym dwustronne centrowanie niewymuszającym transparentności próbki, a następnie poddano ją ekspozycji dawką 270 mJ/cm². Po procesie naświetlania, próbkę ponownie poddano dwuetapowemu wygrzewaniu w temperaturze 65°C w czasie 4 min., po czym w temperaturze 95°C w czasie 10 min. Po zakończeniu wygrzewania strukturę poddano procesowi wywoływania w dedykowanym roztworze wywoływacza w czasie 5 min. W efekcie, techniką fotolitografii, w warstwie emulsji osadzonej od strony podłoża wykonano otwory kołowe 6 znajdujące się pod obszarami połączeń elektrycznych 4 tranzystora, uzyskując w ten sposób maskę do przeniesienia wzoru w procesie trawienia plazmą indukcyjnie sprzężoną. W kolejnym etapie, strukturę umieszczono w komorze reaktora do trawienia ICP. Jako plazmy użyto mieszaniny gazowej o składzie Cl2/Ar i przepływie 15/5 sccm, przykładając moc Prf = 300 W i Picp = 500 W.In the first stage, by grinding, the GaN 1 substrate with the HEMT 2 epitaxial structure and HEMT 3 transistors made in it, where S and D denote the source and drain metallization, and G denotes the gate, were ground to a thickness of about 100 μm. On the structure prepared in this way, from the side of the GaN substrate, a layer of epoxy emulsion 5 with a thickness of 60 μm was applied by centrifugation. In this case, SU-8 epoxy resin was used. Then, the structure was subjected to a two-stage annealing at 65 ° C for 10 minutes, and then at 95 ° C for 40 minutes. The structure prepared in this way was placed in a photolithography device enabling two-sided centering without requiring the sample's transparency, and then it was exposed at the dose of 270 mJ / cm ² . After the irradiation process, the sample was again subjected to a two-stage heating at the temperature of 65 ° C for 4 minutes, and then at the temperature of 95 ° C for 10 minutes. After annealing, the structure was developed in a dedicated developer solution for 5 minutes. As a result, circular holes 6 under the electrical connection areas 4 of the transistor were made in the emulsion layer deposited from the substrate side by means of the photolithography technique, thus obtaining a mask for the transfer of the pattern in the inductively coupled plasma etching process. In the next step, the structure was placed in the chamber of the ICP digestion reactor. A gas mixture of the composition Cl2 / Ar and the flow of 15/5 sccm was used as the plasma, with the power Prf = 300 W and Picp = 500 W.

Ciśnienie w reaktorze wynosiło 0,93 Pa, a temperatura procesu wynosiła 20°C. Proces prowadzono w cyklach: 5 min. trawienia, 1 min. chłodzenia. W rezultacie trawienia otrzymano kołowe otwory 7 przechodzące na wskroś podłoża GaN 1, warstwy epitaksjalnej 2 oraz obszarów połączeń elektrycznych 4. Następnie, wykonane otwory przelotowe 7 pokryto warstwą złota 9 o grubości około 5 μm wyThe pressure in the reactor was 0.93 Pa and the process temperature was 20 ° C. The process was carried out in cycles: 5 min. pickling, 1 min. cooling. As a result of etching, circular holes 7 were obtained through the GaN 1 substrate, the epitaxial layer 2 and the electric connection areas 4. Then, the through holes 7 were covered with a gold layer 9 with a thickness of about 5 μm.

PL 238 875 B1 korzystując metodę elektrochemiczną. Etap ten poprzedziło osadzenie na powierzchni GaN 1 oraz wewnątrz otworów przelotowych 7 warstwy tytan/złoto 8 o grubości 15/200 nm, wykorzystując w tym celu metodę rozpylania katodowego.Using the electrochemical method. This stage was preceded by depositing a titanium / gold 8 layer with a thickness of 15/200 nm on the GaN 1 surface and inside the through holes 7, using the cathode sputtering method.

Fig. 5 oraz fig. 10 przedstawiają złożoną strukturę półprzewodnikową zbudowaną monokrystalicznego podłoża półprzewodnikowego GaN 1 i umieszczone na jednej z jego stron co najmniej dwie warstwy epitaksjalne 2, przez którą to strukturę przechodzi otwór przelotowy 7 wytworzony sposobem według wynalazku. Wnętrze otworu przelotowego pokryte jest warstwą tytan/złoto 8, na której nałożona jest warstwa złota 9. Na powierzchni warstwy epitaksjalnej 2 tak wytworzonej strukturze półprzewodnikowej umieszczony jest element aktywny 3. W innych przykładach wykonania umieszczono element bierny lub ścieżkę przewodzącą 4 lub układ elektroniczny złożony z wielu elementów aktywnych i biernych połączonych ścieżkami przewodzącymi. Struktury wytworzone sposobem według wynalazku znajdują zastosowanie do wytwarzania tranzystorów HEMT AlGaN/GaN przeznaczonych do pracy w zakresie wielkich częstotliwości i wysokich mocy.Fig. 5 and Fig. 10 show a complex semiconductor structure built of a monocrystalline GaN semiconductor substrate 1 and disposed on one of its sides at least two epitaxial layers 2, through which a through hole 7 produced by the method according to the invention passes. The interior of the through hole is covered with a titanium / gold layer 8 on which a gold layer 9 is applied. An active element 3 is placed on the surface of the epitaxial layer 2 of the semiconductor structure thus produced. many active and passive elements connected by conducting paths. The structures produced by the method according to the invention are used for the production of HEMT AlGaN / GaN transistors intended for operation in the high frequency and high power range.

Claims

Patent claims

A method for producing a through hole in a complex semiconductor structure containing a monocrystalline GaN substrate and placed on one of its sides at least two epitaxial layers, which together form a sample, in which the substrate is ground, then the sample is annealed, and then the sample is subjected to exposure in a photolithography device enabling two-sided centering, the sample is heated twice and subjected to the process of developing in a dedicated developer solution by making holes, characterized in that after grinding the GaN substrate, on the sample from the substrate side, a photosensitive emulsion layer based on epoxy resin, while after the sample has been subjected to the development process, the sample is placed in the chamber of the ICP etching reactor, where the plasma is a Cb / Ar gas mixture of 3: 1, under the pressure of 0.93 Pa, power Prf = 300 W, Picp = 500 At and at a temperature of 20 ° C and the sample is digested alternately for 5 min. and it is cooled for 1 min. until a through-hole is obtained which is covered first with a thin titanium / gold layer and then with a gold layer, preferably at least 5 µm thick.

2. The method according to p. The process of claim 1, wherein the thickness of the photosensitive emulsion is selected so that it is completely digested in the time necessary to etch the through hole through the entire thickness of the sample.

3. The method according to p. The process of claim 1, wherein the ratio of the photosensitive emulsion layer thickness to the substrate thickness is from 0.6-0.8.

4. The method according to p. The process of claim 1, characterized in that the thickness of the photosensitive emulsion layer is 40 µm - 80 µm, preferably 60 µm.

5. The method according to p. A method as claimed in any one of claims 1 to 5, characterized in that an active element or a passive element or a conducting track or an electronic circuit composed of a plurality of active and passive elements connected by conducting tracks are provided on the surface of the epitaxial layer.