Диссертация (Технология разделения на кристаллы сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем на гетероструктурах AlGaNGaN), страница 11

Разделить на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN сосложными конструктивными особенностями с выходом годных неуступающим существующим показателям для планарных изделиймикроэлектроники.5. Проанализировать влияние на выход годных и электрофизическиепараметры СВЧ МИС разработанного технологического процессаразделениянакристаллысверхвысокочастотныхинтегральных схем на гетероструктурах AlGaN/GaN.монолитных70ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН САПФИРА И КАРБИДА КРЕМНИЯС ИЗГОТОВЛЕННЫМИ НА НИХ СВЧ МИС НАГЕТЕРОСТРУКТУРАХ AlGaN/GaNСВЧ транзисторы на основе гетероструктур AlGaN/GaN имеютвысокую удельную мощность до 10 Вт на 1 мм ширины затвора, что требуетэффективноготеплоотведениядляработающегоизделия.Этомуспособствует уменьшение толщины подложки, выполняемое при помощиодностороннего шлифования и полирования.Однако свойства нитридов принципиально отличаются от свойствдругих полупроводников.

Так, плотность дислокаций (линейных нарушенийструктуры, связанных с разницей параметров решётки материала подложки ивыращенного на ней слоя GaN и коэффициентов термического расширения, атакже присутствием механических напряжений в структуре) в нитридах напять порядков величины выше, чем, скажем, в арсениде галлия [42].Упругие напряжения в выращенном на подложке слое GaN, неизбежновозникающие из-за рассогласования кристаллических решеток GaN иподложки, при уменьшении толщины подложки возрастают обратнопропорционально толщине подложки, что затрудняет работу с пластиной наразличных этапах и способно привести к разрушению приборной пластины.Таким образом, задача заключается в установлении для приборныхпластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaN допустимых границ конечной толщины,которые обеспечивают эффективное теплоотведение при работе отдельногокристалла и сохранение целостности пластины в течение обработки.712.1.

Распределение температуры кристалла СВЧ МИС в зависимости оттипа материала и толщины подложкиРаботу СВЧ МИС в терминах теплопередачи можно описать какпроцесс генерации тепла внутренним тепловым источником, процесспереноса тепла в среде, а так же диссипацией тепла [66]. Для исследованияраспределениятемпературыприбораприменялоськомпьютерноемоделирование.СВЧ МИС представляет собой малошумящий усилитель, выполненныйпо двухкаскадной схеме [67,68]. Кристалл МИС с изображенными на немисточниками тепла — транзисторами — схематично изображен на рис. 23.Рисунок 23. Схематичное изображение кристалла СВЧ МИС, выполненногопо двухкаскадной схеме.

Черным выделены области транзисторов. Размерыуказаны в мкм.В данной тепловой модели транзистора источником тепла являетсяподзатворная часть канала. Контакт между слоями считаем идеальным.Выделенная черным область (рис. 23) была задана как объект, генерирующийтепло величиной 1 Вт, исходя из измерительных данных экспериментальныхобразцов.72В расчетах использовалось уравнение теплопроводности:(2)где qv – мощность [Вт/м3] внутреннего источника тепла, −коэффициенттеплопроводности, – плотность вещества,Cp– теплоёмкость вещества припостоянном давлении, T – температура в процессе работы.Данное дифференциальное уравнение (2) решается методом конечныхэлементов [69] при граничных условиях третьего рода:(3)где α – коэффициент теплоотдачи, Тс – температура окружающегопространства, n – модуль вектора нормали.Свойства материалов [43-53], послужившие в качестве исходныхданных для компьютерного моделирования, представлены в таблице 2.Таблица 2.

Свойства материалов СВЧ МИС.МатериалGaNAlGaNAl2O3SiCФункция вмоделиПлотность,кг/м3гетероструктура6070518439653216подложкаподложкаТеплопроводность,Вт/м*K1304035490Теплоемкость,Дж*кг/ K490604730690В расчетах были приняты следующие условия: теплоотвод идеальный (принудительно задана температура для днаподложки 27оС); температура окружающей среды и начальная температура объекта27оС.Компьютерноемоделированиеосуществлялосьприпомощипрограммного пакета ANSYS multiphysics (США) с использованием73известныхформул,вчемзаключаетсядостоверностьполученныхрезультатов.Полученное путем компьютерного моделирования распределениетемпературы кристалла СВЧ МИС в виде изоповерхностей для различныхтолщин и материалов подложек представлены на рис.

24-27. Цветовая шкаласправа дает представление о характере распределения теплоты.Рисунок 24. Трехмерное представление распределения температурыкристалла в виде изоповерхностей для подложки сапфира толщиной 500 мкмпри тепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.74Рисунок 25. Трехмерное представление распределения температурыкристалла в виде изоповерхностей для подложки сапфира толщиной 50 мкмпри тепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.Рисунок 26.

Трехмерное представление распределения температурыкристалла в виде изоповерхностей для подложки карбида кремния толщиной500 мкм при тепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.75Рисунок 27. Трехмерное представление распределения температурыкристалла в виде изоповерхностей для подложки карбида кремния толщиной50 мкм при тепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.Представленныеизоповерхностинагляднодемонстрируютпреимущества карбида кремния перед сапфиром в части теплоотведения.Для наглядности распределение температуры в зависимости оттолщины подложки МИС для двух типов материалов подложки сведено вграфик и представлено на рис.

28.76Рисунок 28. Распределение температуры кристалла СВЧ МИС от толщиныподложки для сапфира и карбида кремния при тепловыделении 1 Вт.Экспериментально путем измерений установлена рабочая температураСВЧ МИС, которая составляет 85С. Таким образом, соотнося даннуювеличину с графиком на рис. 28, можно сделать вывод, что приборныепластины с изготовленными на них СВЧ МИС следует утонять до толщины300 мкм и менее для сапфировых подложек.2.2. Определение величины прогиба приборной пластины в зависимостиот типа материала и толщины подложкиВ последнее время прогибу пластин уделяется пристальное внимание.Данная характеристика пластины зависит от материала пластины, наличия77илиотсутствияразличныхслоев на пластине (полупроводниковых,металлических, диэлектрических), а также от диаметра и толщины пластины.При проведении технологических операций обработки пластины, прогибможет также изменяться.Например, для получения из монокристаллического кремниевогослитка пластин заданной ориентации и толщины производят следующиетехнологические операции [70]:1.

Механическая обработка слитка, которая включает в себя: отделение затравочной и хвостовой части слитка; обдирку боковой поверхности до нужной толщины; шлифование базового среза; резку слитка на пластины; шлифование повреждения высотой более 10 мкм.2.

Травление поверхности пластины.3.Полированиепластиныдляполучениязеркальногладкойповерхности.Готовые кремниевые пластины без каких-либо слоев или изделийэлектроники на них при толщине 0,65-0,8 мм и диаметре 150-300 мм имеютпрогиб до 100 мкм при разбросе по толщине на пластине ± 15 мкм [70,стр. 16, таб.

1.1].В последнее время также исследуется взаимосвязь прогиба пластины спроцессами эпитаксиального роста, а также утонения пластины.Зарубежными исследователями изучаются проблемы прогиба пластинысапфира в результате роста на ней слоя GaN вследствие различийкоэффициентов термического расширения между эпитаксиальным слоемGaN и сапфиром. Отмечается, что прогиб пластины может стать причинойдеградацииоднородностиприборовилипривестикошибкамвфотолитографии [71]. Установлено, что причинами прогиба в случаеэпитаксиального роста GaN на сапфировой подложке являются различиятемпературповерхности,рассогласованиекристаллическихрешеток78эпитаксиального слоя GaN и сапфировой подложки, а также различие ихкоэффициентов термического расширения.

При эпитаксиальном росте слояGaN толщиной до 500 нм прогиб, в зависимости от диаметра подложкисапфира стандартной толщины, достигал величины сопоставимой столщиной эпитаксиального слоя [71].В совместной работе исследователей из Японии, Великобритании иБельгии отмечается, что шлифование и полирование обратной стороныпластины является одним из ключевых процессов при изготовлении 3Dструктур [72].

Обращается внимание на механические повреждения и риски,которые возникают при утонении пластины и способны нанести серьезныйудар по эксплуатационным качествам приборов. В работе исследуютсяпластины кремния без изготовленных на них приборов микроэлектроники иизучается воздействие шлифования, химико-механического полирования исухого травления. Прогиб пластины на различных стадиях обработкидостигал 130 мкм.Вразличныхработахособоевниманиеуделяетсятакимхарактеристикам пластины, а, следовательно, и характеристикам кристаллов,как разброс по толщине, прогиб, шероховатость поверхности и механическаянапряженность [73, 74].Представленные в зарубежной литературе данные о величине прогибапосле одностороннего шлифования обратной стороны пластины наглядносвидетельствуют о деформациях пластины, возникающих после обработки.Так для пластин кремния диаметром 200 мм деформация составила 56 мкмпри конечной толщине пластины 725 мкм и 1286 мкм при конечной толщинепластины 273 мкм [75].СВЧ МИС на основе GaN изготавливаются на подложках сапфира икарбидакремния,традиционнойтехнологиякремниевой.Вобработкикоторыхотличаетсяотпроанализированнойлитературенеобнаружено данных, убедительно свидетельствующих о значениях величиныпрогиба для сапфира и карбида кремния, а также их взаимосвязи с79выращенными на них эпитаксиальными слоями.