RU165466U1

RU165466U1 - MESASTRUCTURE ETCHING MASK

Info

Publication number: RU165466U1
Application number: RU2016121260/28U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Алина Юрьевна Фроликова; Евгений Александрович Чирков
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Маска для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах, состоящая из слоя оксида кремния на кремнии, слоя фоторезиста на слое оксида кремния и отверстий в этих слоях до кремния, отличающаяся тем, что слой фоторезиста заходит на слой кремния в отверстия на расстояние L, причем 1,2W≤L≤Н, где W - ширина обедненного слоя pn-перехода при пробое, Н - глубина травления мезаструктуры.A mask for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions, consisting of a silicon oxide layer on silicon, a photoresist layer on a silicon oxide layer and holes in these layers to silicon, characterized in that the photoresist layer extends onto the silicon layer into the holes at a distance L, 1.2W≤L≤H, where W is the width of the depletion layer of the pn junction during breakdown, N is the depth of etching of the mesostructure.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции масок для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем с мезаструктурами, полученных изотропным травлением.The utility model relates to the field of electronic technology, and more specifically to the design of masks for the manufacture of semiconductor devices and integrated circuits with mesastructures obtained by isotropic etching.

При формировании мощных полупроводниковых приборов часто используют изоляцию pn-переходов методом травления мезаструктур. (см., например, книгу Е.З. Мазель, Мощные транзисторы (Б-ка по радиоэлектронике. Вып. 22). М., «Энергия», 1969, с. 171-172). При вытравливании мезаструктур используют разнообразные типы масок, которые защищают от травителя рабочую часть полупроводникового прибора и позволяет вытравить канавку мезаструктуры в тех местах, где нет маски. Для того чтобы напряжение пробоя pn-перехода было максимально, необходимо чтобы конфигурация мезаструктуры была одинакова и проходила под углом меньше, чем 90° к обедненному слою pn-перехода, а также чтобы на поверхности мезаструктуры в области обедненного слоя pn-перехода отсутствовали выступы, ямки и радиус скругления был постоянен.In the formation of high-power semiconductor devices, isolation of pn junctions is often used by etching mesastructures. (see, for example, the book of EZ Mazel, Power transistors (B-k on electronics. Issue 22). M., "Energy", 1969, S. 171-172). When etching the mesastructures, various types of masks are used, which protect the working part of the semiconductor device from the etching agent and allow etching the mesastructure groove in those places where there is no mask. In order for the breakdown voltage of the pn junction to be maximum, it is necessary that the configuration of the mesastructure is the same and passes at an angle less than 90 ° to the depletion layer of the pn junction, and also that there are no protrusions or pits on the surface of the mesastructure in the region of the depletion of the pn junction and the fillet radius was constant.

Известна маска для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах, состоящая из слоя оксида кремния или нитрида кремния на кремнии и отверстий в этом слое до кремния (см., например, книгу К. Сангвала, Травление кристаллов: теория, эксперимент, применение: Пер. с англ. - М: Мир, 1990, с. 411-412).A known mask for isotropic etching of a mesastructure on silicon pn junctions, consisting of a layer of silicon oxide or silicon nitride on silicon and holes in this layer to silicon (see, for example, K. Sangwal's book, Crystal etching: theory, experiment, application: Per . from the English .-- M: Mir, 1990, p. 411-412).

Недостатком такой маски является то, что маскирующие слои требуют дополнительных термических операций (окисление, химического осаждения и т.п.), что усложняет технический процесс. Также при формировании слоя маски, закрытая слоем маски рабочая поверхность пластины может повреждаться, за счет наличия дефектов в слое маски, вызванных, например, запыленностью обрабатываемой поверхности, дефектами фотошаблонов и т.п.The disadvantage of this mask is that the masking layers require additional thermal operations (oxidation, chemical deposition, etc.), which complicates the technical process. Also, when a mask layer is formed, the working surface of the plate covered by the mask layer can be damaged due to defects in the mask layer caused, for example, by dustiness of the treated surface, defects in photo masks, etc.

Указанный недостаток частично устранен в маске для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах, состоящей из слоя фоторезиста и отверстий в этом слое до кремния (см. например, каталог компании «Химмед», Химикаты для микроэлектроники BREWER SCIENCE, с. 18 на сайте www.chimmed.ru).This drawback was partially eliminated in the mask for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions, consisting of a photoresist layer and holes in this layer to silicon (see, for example, the catalog of the company Khimmed, Chemicals for microelectronics BREWER SCIENCE, p. 18 on the website www .chimmed.ru).

По сравнению с предыдущей, формирование данной маски не требует дополнительных технологических операций, но недостатком такой маски является высокая стоимость фоторезиста. Также при использовании данной маски рабочая поверхность пластины может повреждаться, как и в предыдущей, за счет наличия дефектов в слое маски, вызванных, например, запыленностью обрабатываемой поверхности, дефектами фотошаблонов и т.п.Compared with the previous one, the formation of this mask does not require additional technological operations, but the disadvantage of such a mask is the high cost of the photoresist. Also, when using this mask, the working surface of the plate may be damaged, as in the previous one, due to the presence of defects in the layer of the mask caused, for example, by dustiness of the treated surface, defects in photo masks, etc.

Наиболее близкой к предлагаемой является маска для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах, состоящая из слоя оксида кремния на кремнии, слоя фоторезиста на слое оксида кремния и отверстий в этих слоях до кремния, описанная в статье Е.Я Швеца, В.М. Воскресенского и др. Изоляция меза-фасок полупроводниковых приборов легкоплавкими стеклами на основе оксидов свинца, алюминия и кремния, на сайте Запорожской государственной инженерной академии http://www.zgia.zp.ua.Closest to the proposed mask for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions, consisting of a layer of silicon oxide on silicon, a layer of photoresist on a layer of silicon oxide and holes in these layers to silicon, described in the article by E. Ya Shvets, V.M. Voskresensky et al. Insulation of mesa chamfers of semiconductor devices with low-melting glasses based on lead, aluminum and silicon oxides, on the website of Zaporizhzhya State Engineering Academy http://www.zgia.zp.ua.

Т. к. слои маски из оксида кремния и фоторезиста формируются в разных процессах фотолитографии, то вероятность попадания дефекта в одном слое маски на дефект в другом слое очень невелика. Поэтому повреждение рабочей поверхности за счет слоев маски практически исключается.Since the layers of the mask of silicon oxide and photoresist are formed in different photolithography processes, the probability of a defect in one layer of the mask on the defect in another layer is very small. Therefore, damage to the working surface due to the layers of the mask is practically eliminated.

Однако при изотропном травления кремния наблюдается подтрав под маску шириной, соизмеримой с глубиной травления мезаструктуры. В местах подтрава накапливается водород, который препятствует травлению мезаструктуры. В результате чего, поверхность кремния в местах скопления водорода не вытравливается и, как правило, имеет перпендикулярную рабочей стороне поверхность, что повышает напряженность электрического поля в обедненном слое pn-перехода и напряжение пробоя pn-перехода снижается. Для удаления водорода во время травления полупроводниковые пластины непрерывно встряхивают, чтобы удалить водород. При встряхивании края маски неконтролируемо обламываются. В результате чего на поверхности мезаструктуры возникают дефекты, связанные с увеличенной величиной подтрава под маску, что искажает поверхность мезаструктуры и снижает напряжение пробоя pn-переходов по сравнению с расчетным.However, during isotropic etching of silicon, etching under the mask is observed with a width commensurate with the etching depth of the mesostructure. In places of undergrowth, hydrogen accumulates, which prevents etching of the mesastructure. As a result, the silicon surface at the sites of hydrogen accumulation is not etched and, as a rule, has a surface perpendicular to the working side, which increases the electric field strength in the depletion layer of the pn junction and the breakdown voltage of the pn junction decreases. To remove hydrogen during etching, the semiconductor wafers are continuously shaken to remove hydrogen. When shaking, the edges of the mask break uncontrollably. As a result, defects arise on the surface of the mesastructure associated with an increased amount of ghosting under the mask, which distorts the surface of the mesastructure and reduces the breakdown voltage of pn junctions in comparison with the calculated one.

Техническим результатом данной полезной модели является повышение напряжение пробоя pn-переходов.The technical result of this utility model is to increase the breakdown voltage of pn junctions.

Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных масок для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах, состоящих из слоя оксида кремния на кремнии, слоя фоторезиста на слое оксида кремния и отверстий в этих слоях до кремния, в предлагаемой маске слой фоторезиста заходит на слой кремния в отверстия на расстояние L, причем 1,2 W≤L≤Н, где W - ширина обедненного слоя pn-перехода при пробое, Н - глубина травления мезаструктуры.The specified technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known masks for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions consisting of a silicon oxide layer on silicon, a photoresist layer on a silicon oxide layer and holes in these layers to silicon, the photoresist layer enters the mask per silicon layer into the holes at a distance L, with 1.2 W≤L≤H, where W is the width of the depleted pn junction layer during breakdown, and N is the depth of etching of the mesostructure.

Новым в предлагаемой полезной модели является то, что в предлагаемой маске для изотропного травления мезаструктуры на кремниевых pn-переходах слой фоторезиста заходит на слой кремния в отверстия на расстояние L, причем 1,2 W≤L≤Н, где W - ширина обедненного слоя pn-перехода при пробое, Н- глубина травления мезаструктуры.New in the proposed utility model is that in the proposed mask for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions, the photoresist layer enters the silicon layer into the holes at a distance L, with 1.2 W≤L≤N, where W is the width of the depleted pn layer -transition during breakdown, Н- depth of etching of the mesastructure.

Минимальная величина расстояния L, равная 1,2 W, обеспечивает расширение обедненной области W, выходящей на поверхность канавки в мезаструктуре примерно в 1,5 раза, что с запасом повышает напряжение пробоя pn-переходов.The minimum value of the distance L, equal to 1.2 W, provides the expansion of the depletion region W, which extends to the surface of the groove in the mesastructure, by about 1.5 times, which with a margin increases the breakdown voltage of pn junctions.

Максимальная величина расстояния L равна Н. При больших значениях расстояния L происходит потеря площади кристалла, что экономически не целесообразно.The maximum value of the distance L is equal to N. At large values of the distance L there is a loss of crystal area, which is not economically feasible.

При травлении мезаструктуры с предлагаемой маской в жидкостном изотропном травителе часть эластичной маски из фоторезиста постепенно отслаивается не обламываясь, что предотвращает накопление водорода в местах подтрава. В результате чего на поверхности мезаструктуры не возникает участков, перпендикулярных к обедненной области pn-перехода и дефектов, что повышает напряжение пробоя рn-переходов.When etching the mesastructure with the proposed mask in a liquid isotropic etchant, part of the elastic mask from the photoresist gradually peels off without breaking off, which prevents the accumulation of hydrogen in the areas of undercutting. As a result, on the surface of the mesastructure there are no areas perpendicular to the depletion region of the pn junction and defects, which increases the breakdown voltage of the pn junctions.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен разрез кремниевого pn-перехода с маской для изотропного травления мезаструктуры, на фиг. 2 приведена иллюстрация процесса изотропного травления с предлагаемой маской.The essence of the proposed utility model is illustrated by figures. In FIG. 1 shows a section of a silicon pn junction with a mask for isotropic etching of the mesastructure; FIG. 2 illustrates the isotropic etching process with the proposed mask.

Позициями на фигурах 1,2 обозначены:The positions in figures 1,2 are indicated:

1 - кремниевая подложка n-типа проводимости;1 - silicon substrate of n-type conductivity;

2 - эпитаксиальный слой р-типа проводимости;2 - p-type epitaxial layer of conductivity;

3 - слой оксида кремния;3 - a layer of silicon oxide;

4 - слой фоторезиста;4 - photoresist layer;

Н - глубина травления мезаструктуры;H is the depth of etching of the mesastructure;

L - расстояние, на которое заходит слой фоторезиста на слой кремния;L is the distance at which the photoresist layer enters the silicon layer;

W - ширина обедненного слоя pn-перехода при пробое.W is the width of the depleted pn junction layer during breakdown.

Указанная маска была использована при изготовлении меза-планарного диода.The specified mask was used in the manufacture of a mesa-planar diode.

На кремниевой подложке 1 n-типа проводимости и ориентацией 111, легированной сурьмой до удельного сопротивления 0,01 Ом·см, на которой сформирована эпитаксиальная пленка 2р - типа толщиной 20 мкм и сопротивлением 12 Ом·см, формируется омический контакт к р-области, путем проведения операций фотолитографии и диффузии бора на глубину 2 мкм с поверхностным сопротивлением 16

Во время диффузии бора рабочая поверхность диода покрывается слоем оксида кремния 3 толщиной 0,4-0,6 мкм, который в дальнейшем является частью маски для изотропного травления мезаструктуры. Максимальная ширина обедненной области pn-перехода W при наибольшем напряжении пробоя (300 В) составляет 20 мкм.On a silicon substrate 1 of n type conductivity and an orientation of 111, doped with antimony to a specific resistance of 0.01 Ohm · cm, on which a 2p epitaxial film is formed - a type with a thickness of 20 μm and a resistance of 12 Ohm · cm, an ohmic contact is formed to the p-region, by performing operations of photolithography and diffusion of boron to a depth of 2 μm with a surface resistance of 16

During boron diffusion, the working surface of the diode is covered with a layer of silicon oxide 3 with a thickness of 0.4-0.6 μm, which is subsequently part of the mask for isotropic etching of the mesostructure. The maximum width of the depletion region of the pn junction W at the highest breakdown voltage (300 V) is 20 μm.

Далее вскрывают контакты к сильнолегированной р-области и линии, где будет располагаться мезаструктура. Ширина линии для формирования мезаструктуры выбирается из следующих соображений: если по дну мезаструктуры будут проводить разделение на кристаллы дисками, то до толщины диска (около 100 мкм) добавляют 2 ширины нарушенного слоя, равного 20 мкм. При изготовлении меза-планарного диода максимальная глубина травления мезаструктуры Н составляет 35 мкм. Поэтому в слое оксида кремния 3 вскрывают окно маски под мезаструктуру и линию разделения шириной, равной сумме 100 мкм +2·20 мкм +2·35 мкм=210 мкм.Next, contacts are opened to the heavily doped p-region and the line where the mesastructure will be located. The line width for the formation of the mesastructure is selected from the following considerations: if the bottom will be separated into crystals by disks, then 2 widths of the damaged layer equal to 20 microns are added to the disk thickness (about 100 μm). In the manufacture of a mesa-planar diode, the maximum etching depth of the mesastructure N is 35 μm. Therefore, in the layer of silicon oxide 3 open the mask window under the mesastructure and the separation line with a width equal to the sum of 100 μm + 2 · 20 μm + 2 · 35 μm = 210 μm.

После напыления алюминиевой металлизации на анод и фотолитографии слоя металлизации на рабочую поверхность наносят кислотостойкий фоторезист 4, в котором формируют окно под травление мезстрактуры. Ширину окна под травления мезаструктуры выбирают равной 210 мкм - 2·L, где L выбираем, например, 25 мкм (исходя из неравенства, приведенного в формуле: 1,2 W≤L≤Н). Далее проводят травление канавки под мезаструктуру в изотропном травителе при температуре травителя (10…12)°С в течение 3…6 минут при скорости травления 6…8 мкм в минуту. При травлении мезаструктуры в жидкостном изотропном травителе с предлагаемой маской часть эластичной маски из фоторезиста постепенно отслаивается не обламываясь, что предотвращает накопление водорода в местах подтрава, в результате чего на поверхности мезаструктуры не возникает отклонения от идеальной формы. Для защиты поверхности рn-перехода поверхность мезаструктуры и слоя оксида кремния покрывают слоем Si₃N₄ толщиной 0,2 мкмAfter spraying aluminum metallization on the anode and photolithography of the metallization layer, an acid-resistant photoresist 4 is applied to the working surface, in which a window is formed for etching the mesostructure. The window width for etching the mesastructure is chosen equal to 210 μm - 2 · L, where L is selected, for example, 25 μm (based on the inequality given in the formula: 1.2 W≤L≤H). Next, etch grooves under the mesastructure in an isotropic etchant at an etchant temperature (10 ... 12) ° C for 3 ... 6 minutes at an etching rate of 6 ... 8 μm per minute. When etching the mesastructure in a liquid isotropic etchant with the proposed mask, part of the elastic mask from the photoresist gradually peels off without breaking off, which prevents the accumulation of hydrogen in the areas of undercutting, as a result of which deviations from the ideal shape do not occur on the surface of the mesastructure. To protect the surface of the pn junction, the surface of the mesastructure and the silicon oxide layer are coated with a 0.2 μm thick Si ₃ N ₄ layer

Предлагаемая конструкция маски позволяет при травлении мезаструктуры исключить появление «крыши» из оксида кремния над мезаструктурой, поэтому толщина слоя Si₃N₄ на всей поверхности будет одинакова.The proposed mask design allows etching of the mesastructure to exclude the appearance of a “roof” of silicon oxide over the mesastructure, therefore, the thickness of the Si ₃ N ₄ layer on the entire surface will be the same.

Анализ таблицы 1 показывает, что использование заявляемой маски для изотропного травления мезаструктуры (строки № n/n 3, 4) позволяет повысить напряжение пробоя рn-переходов и уменьшить разброс величин напряжения пробоя.Analysis of table 1 shows that the use of the inventive mask for isotropic etching of the mesastructure (lines No. n / n 3, 4) can increase the breakdown voltage of the pn junctions and reduce the spread in the values of the breakdown voltage.

Claims

A mask for isotropic etching of the mesastructure on silicon pn junctions, consisting of a silicon oxide layer on silicon, a photoresist layer on a silicon oxide layer and holes in these layers to silicon, characterized in that the photoresist layer extends onto the silicon layer into the holes at a distance L, 1.2W≤L≤H, where W is the width of the depletion layer of the pn junction during breakdown, N is the depth of etching of the mesostructure.