Диссертация (1091353), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для приборов, призванныхсохранять работоспособность в экстремальных условиях перечисленныесвойства особенно важны. Материалами, на основе которых можноизготавливать электронные приборы, соответствующие столь жесткимтребованиям, являются сапфир и карбид кремния.Сапфир в настоящее время является основным материалом припроизводствеприборовнаосновенитридагаллия,посколькуегокристаллическая решетка позволяет наращивать эпитаксиальный слой GaN схорошими рабочими характеристиками и соотношением цена/качество.Кроме того, сапфир достаточно широко распространен.
Для производстваприборов на основе GaN традиционно используются сапфировые подложкиC-ориентации, т.к. морфология поверхности слоев GaN существенно зависитот ориентацииповерхности подложки. Слои GaN, выращенные наподложках сапфира С-ориентации характеризуются гладкой поверхностью[44,45]. Поскольку коэффициент теплового расширения сапфира больше, чему GaN, деформация сжатия возрастает при охлаждении. Обычно деформациисжатия 0,7 ГПa остаются при комнатной температуре для пленок толщиной1-3мкм[46].Из-засниженияпаразитныхемкостейповышаетсябыстродействие элементов, а отсутствие необходимости в дополнительнойизоляции элементов друг от друга позволяет увеличить степень интеграцииэлементов. Диэлектрическая подложка сапфира также позволяет значительноснизить (практически исключить) токи утечки приборов и уменьшитьэнергопотребление [47].В последнее время технология полупроводникового карбида кремния иприборов на его основе быстро развивается.
Карбид кремния (SiC) являетсяслоистым материалом, и его свойства определяются порядком чередования58наноразмерныхэлементовобуславливаютего(слоев)химическую,[48].Сильныерадиационную,химическиесвязитемпературнуюимеханическую прочность. Химическая инертность и механическая стойкостьв свою очередь влияют на сложность обработки.В настоящее время в России интерес к данному материалу в основномограничивается академическими исследованиями его свойств и получениемлабораторных приборов. В связи с этим создание и организацияпроизводства приборов на основе карбида кремния является одной изключевых задач для обеспечения аппаратуры специального назначениясовременной и надежной элементной базой [49-51].Основнымипричинами,останавливающимироссийскогопроизводителя, являются в первую очередь технологический аспект иэкономическая рентабельность.
Технологическими средствами для обработкикарбида кремния обладают далеко не все предприятия. Большая часть нынесуществующихкомпанийполупроводниковойпромышленностиспециализируется на производстве твердотельных приборов на основекремния, но технологии Si и SiC сильно отличаются.В настоящее время исследование и внедрение в серийное производствоширокозонных полупроводников, в частности, карбида кремния становитсяодним из главных стратегических направлений развития полупроводниковойэлектроники.Карбид кремния — уникален. Данный материал является одним изнаиболеерадиационно–стойкихполупроводников,перспективныхдляиспользования в экстремальных условиях при повышенных уровняхрадиации, температуры и химической активности.
Кристаллическая решетка6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN, чтопринципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуреGaN [52].Несмотря на то, что рассогласование кристаллических решеток с GaN укарбида кремния составляет 3% (против 13,9% у сапфира), все еще остается59достаточно большой плотность дислокаций (около 10 9-1010 см2), чтосопоставимо с пленками GaN выращенными на сапфире. Это объясняетсяшероховатостью подложек SiC (1 нм в сравнении с 0,1 нм для сапфира) иповреждениями, вносимыми в течение процесса полирования.Вследствие того, что коэффициент термического расширения SiCменьше, чем таковой для GaN, большинство эпитаксиальных пленокподвержены деформации растяжения.На данный момент карбид кремния предоставляет возможностьреализации требуемых электрофизических параметров для приборов,стойких к воздействию ионизирующих излучений и других специальныхфакторов с относительно высокими удельными мощностями при сохранениичастотных свойств [53].
Однако массовость внедрения данных приборовлимитируется высокой ценой и ограниченными поставками исходныхэпитаксиальных структур, а также отсутствием качественных подложексерийного отечественного производства.Выращивание нитридных структур осуществляется на материалахсапфира и карбида кремния, что обусловлено тем, что подложки GaN внастоящее время недоступны. Рассогласование параметров кристаллическихрешеток, которое наблюдается между GaN и материалами, на которых онвыращивается, в результате дает плотность дислокаций около 108-1010 см2.Почти все GaN работы выполнены на кристаллах, выращенных вдольС-направления ([0001] направление). Кристаллы с такой ориентацией имеютсогласованную по Ga-плоскости полярность.
Определение полярностиявляется по отношению к связи Ga-N параллельной C-направлению. Вкристаллах Ga-полярности, атомы Ga находятся ниже атомов N, длякристаллов N-полярности — наоборот. Это различие важно, потому чтобольшинство GaN структур выращиваются на инородных подложках. Приналичии чистого кристалла GaN полярность можно было бы менять простымпереворачиваниемкристалла.Крометого,кристаллысразличнойполярностью также имеют и различные свойства.
Например, кристалл60N-полярностиимеетменьшеплотностьдислокацийиподдаетсяхимическому травлению, в то время как кристалл Ga-полярности обладаетболее гладкой поверхностью и химически инертен. Практически всеHEMT-структуры базируются на кристаллах Ga-полярности из-за лучшихсвойств электронного транспорта [46].Сравнение основных параметров сапфира, карбида кремния и нитридагаллия при комнатной температуре [37-40, 43-53] приведены в таблице 1.Таблица 1. Сравнение параметров сапфира, карбида кремния инитрида галлия при комнатной температуре.МатериалКристаллическаяструктураПостоянныерешеткиa0=a (300 K) нмс0=с (300 К) нмa0=a (1400 K) нмс0=с (1400 К) нмШириназапрещенной зоны,эВНапряжениепробоя, мВ/смПодвижностьэлектронов, см2/В*сТеплопроводность,Вт/см*КТвердость по шкалеМоосаПлотность, г/см3Коэффициенттепловогорасширения, К-1Рассогласованиерешеток с GaN (%)Сапфир4H-SiCгексагональная6H-SiCGaNгексагональнаявюрцит0,47651,29820,87202,45623,071,0050,30811,51170,45532,26400,31880,51850,50210,77946,5-8,53,2633,39333,38003701,00,33,0-3,83,0-3,82,199-9,59-9,563,983,213,216,154-5*10-64,0*10-64,0*10-65,59*10-63,4—13,961Одной из особенностей современных СВЧ МИС на основе нитридныхгетероструктурявляетсячастоеприменениеприформированиимежэлектрических соединений технологии «воздушных мостов», котораясхематическипоказананарис.19.Второйуровеньметаллизации,электрически соединяющий элементы на пластине, выполняется в виде«воздушных мостов».
В связи с тем, что общая толщина моста должнасоставлять 3 мкм (толщина гальванического золота 2,3 мкм) ее наращиваютгальваническимметодом.Такимобразом,межслойнаяизоляцияосуществляется с помощью «воздушных» мостов высотой 2 мкм и толщиной3 мкм. Изображение такого «воздушного моста» показано на рис. 20.Рисунок 19. Формирование гальванического «воздушного моста».62Рисунок 20. Изображение «воздушного моста», полученное с помощьюрастрового электронного микроскопа.Другой особенностью современных СВЧ МИС является формированиемежэлектрическихсоединений,обеспечивающихобщийзаземляющийконтакт.
«Заземляющая плоскость» создается над «лицевой» поверхностьюпластины с уже изготовленными активными и пассивными СВЧ элементамиповерх слоя полимерного диэлектрика толщиной 10-15 мкм [54,55]. Длязаземления соответствующих элементов используются отверстия в слоеполимерного диэлектрика, который одновременно выполняет роль защитнойпассивации. Схематично данное решение представлено на рис.
21.Рисунок 21. «Заземляющая плоскость» поверх слоя полимерногодиэлектрика.За рубежом МИС на основе гетероструктур AlGaN/GaN, как правило,изготавливаютпомикрополосковойтехнологии,подразумевающей63травление сквозных отверстий сквозь подложку сапфира для формированияобщего заземляющего контакта. Однако это связано с серьезнымитехнологическимитрудностями,обусловленнымихимическойимеханической стойкостью материала подложки.Таким образом, вследствие указанных особенностей современных СВЧМИС, их общая высота относительно приборной пластины может достигать20 мкм, чем обусловлено повышенное внимание к способам защиты МИСперед операциями шлифования, полирования и резки на кристаллы.Схематичное изображение отдельного чипа СВЧ МИС на сапфире сприменением технологии «воздушных мостов» и общего заземляющегоконтакта на лицевой поверхности МИС представлен на рис.
22.Рисунок 22. Схема СВЧ МИС с «воздушным мостом» и общим заземляющимконтактом на лицевой поверхности.Указанные выше особенности современных СВЧ МИС нагляднодемонстрируют трехмерность (3D) изготовленных приборов.Первые упоминания о технологии 3D в цифровой электроникедатируются 2011 годом, когда на конференции «Server memory forum» вСША было предложено одно из возможных решений для чипов сервернойпамяти.
В августе 2014 года компания Samsung презентовала новый модульпамяти с использованием технологии 3D [56].Зарубежные3DМИСвнастоящеевремяпроектируютсяпреимущественно с применением кремниевых пластин [57, 58]. Наряду с64обсуждением преимуществ и проблем, связанных с разработкой иприменением 3D технологий в изготовлении МИС, отмечается, чтопроизводство 3D МИС ожидается не ранее 2018 года, а в настоящее времяусилия мирового научного сообщества сосредоточены на проблемахоптимизации и воспроизводимости разрабатываемой технологии.В настоящее время в технологии 3D МИС существуют определенныепроблемы, а именно: высокаястоимостьтехнологиивцелом,обусловленнаятрудозатратами отдельных процессов [59]; выход годных кристаллов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
