СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ СВЧ
METHOD FOR UHF HIGH-POWER TRANSISTORS MANUFACTURING

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления мощных транзисторов СВЧ и монолитно-интегральных схем (МИС) на их основе.
Известен способ изготовления мощных полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТШ) СВЧ, включающий:
формирование на полупроводниковой пластине (подложке) - эпитаксиальной структуре арсенида галлия топологии ПТШ посредством методов электронной и фотолитографии, напыления металлов, нанесения и травления диэлектриков, гальванического осаждения золота;
утонение полупроводниковой пластины до 60-80 мкм;
формирование сквозных отверстий для заземления электродов истоков транзисторов;
гальваническое осаждение золота толщиной 2 мкм с обратной стороны полупроводниковой пластины;
разделение полупроводниковой пластины на кристаллы транзисторов резкой алмазными дисками [1].
Недостатками этого способа являются невысокая выходная мощность полевого транзистора СВЧ вследствие большого теплового сопротивления, обусловленного большой толщиной, порядка 60-80 мкм, полупроводниковой пластины арсенида галлия, низкий процент выхода годных вследствие механических повреждений, сколов и трещин, возникающих при разделении полупроводниковой пластины резкой алмазными дисками.
Известен способ изготовления мощных полевых транзисторов СВЧ и МИС на их основе, включающий:
формирование на полупроводниковой пластине - эпитаксиальной структуре арсенида галлия топологии ПТШ посредством методов электронной и фотолитографии, напыления металлов, нанесения и травления диэлектриков, гальванического осаждения золота;
утонение полупроводниковой пластины арсенида галлия до толщины порядка 25-30 мкм;
формирование интегрального теплоотвода из золота толщиной порядка 30 мкм методом гальванического осаждения на обратную сторону полупроводниковой пластины арсенида галлия;
разделение полупроводниковой пластины арсенида галлия на кристаллы транзисторов резкой алмазными дисками [2].
Наличие интегрального теплоотвода позволяет утонять полупроводниковую пластину арсенида галлия до толщины порядка 30 мкм без механических нарушений и тем самым по сравнению с предыдущим способом снизить тепловое сопротивление ПТШ в 3-4 раза, и, как следствие, значительно повысить выходную мощность.
Однако, с другой стороны, при разделении полупроводниковой пластины на кристаллы транзисторов с целью обеспечения ее прочности требуется наклеивать тонкую полупроводниковую пластину на гибкий носитель, что усложняет способ.
А разделение полупроводниковой пластины на кристаллы транзисторов резкой алмазными дисками, как и в предыдущем способе, приводит к возникновению механических повреждений, сколов и трещин, и как следствие - низкий процент выхода годных.
Более того, в процессе разделения пластины на кристаллы, в том числе при резке интегрального теплоотвода толщиной порядка 30 мкм происходит быстрое «засаливание» режущего инструмента и образование золотого «буртика» по периметру кристалла транзистора. Это вызывает затруднения при последующем монтаже кристалла транзистора в схему СВЧ, что является отрицательным фактором как для электрических характеристик, так и выхода годных.
Известен способ изготовления мощных транзисторов СВЧ, включающий:
формирование на лицевой стороне полупроводниковой пластины (подложки) топологии транзисторов посредством методов электронной и фотолитографии, напыления металлов, нанесения и травления диэлектриков, гальванического осаждения золота,
утонение полупроводниковой пластины до толщины менее 30 мкм,
травление в полупроводниковой пластине сквозных заземляющих отверстий для выводов (электродов истока) транзисторов,
формирование на обратной стороне полупроводниковой пластины общего интегрального теплоотвода из золота методом гальванического осаждения толщиной более 30 мкм,
разделение полупроводниковой пластины на кристаллы транзисторов [3 - прототип], в котором с целью повышения мощности, как и в предыдущих аналогах, путем снижения теплового сопротивления, повышения выхода годных и упрощения способа изготовления
перед утонением полупроводниковой пластины на ее лицевой стороне вне топологии транзисторов формируют канавки глубиной 5-10 мкм и шириной 70-100 мкм для задания размера кристаллов транзисторов,
а после утонения полупроводниковой пластины формируют канавки на ее обратной стороне глубиной 5-10 мкм непосредственно под канавками на лицевой стороне, при этом соотношение их ширины равно 3-2, а формируют канавки посредством методов фотолитографии и травления,
после формирования общего интегрального теплоотвода формируют интегральные теплоотводы каждого кристалла транзистора посредством методов фотолитографии по общему интегральному теплоотводу и последующего травления в местах расположения канавок на обратной стороне полупроводниковой пластины,
а разделение полупроводниковой пластины на кристаллы транзисторов осуществляют методом химического травления, при этом интегральные теплоотводы каждого кристалла транзистора служат маской.
Формирование канавок на лицевой и обратной стороне полупроводниковой пластины напротив друг друга и с заданными размерами в совокупности с другими признаками позволило:
повысить выходную мощность,
увеличить выход годных,
упростить способ изготовления.
Однако для обеспечения толщины полупроводниковой пластины менее 30 мкм предъявляются жесткие требования к разбросу ее толщины (не более ±1,5 мкм) при механической шлифовке и полировке обратной стороны до необходимой толщины перед химическим утонением.
При химическом утонении менее 30 мкм весьма затруднительно обеспечить такой разброс толщины по всей полупроводниковой пластине, и особенно с диаметром полупроводниковой пластины более 75 мм.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение выходной мощности путем снижения теплового сопротивления, паразитных последовательного электрического сопротивления и индуктивности заземления электродов истоков, повышение выхода годных, воспроизводимости и расширение функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления мощных транзисторов СВЧ, включающим
формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки с заданной структурой активных слоев топологии транзисторов посредством методов электронной и фотолитографии, напыления металлов, нанесения и травления диэлектриков, гальванического осаждения золота,
формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки вне топологии транзисторов канавок заданного размера для задания размера каждого кристалла транзистора,
утонение обратной стороны полупроводниковой подложки,
формирование в полупроводниковой подложке сквозных заземляющих отверстий для электродов истока транзисторов посредством метода травления,
формирование на обратной стороне полупроводниковой подложки общего интегрального теплоотвода заданной толщины из золота методом гальванического осаждения,
формирование интегрального теплоотвода каждого кристалла транзистора посредством методов фотолитографии по общему интегральному теплоотводу и последующего травления,
разделение полупроводниковой подложки на кристаллы транзисторов посредством метода химического травления, при этом интегральный теплоотвод каждого кристалла транзистора служит маской, в котором используют полупроводниковую подложку с заданной структурой активных слоев, имеющей два стоп-слоя с заданным расстоянием между ними, обеспечивающим минимальное тепловое сопротивление,
а утонение обратной стороны полупроводниковой подложки осуществляют до стоп-слоя, расположенного вблизи этой стороны,
а сквозные заземляющие отверстия для электродов истока транзисторов формируют непосредственно на электродах истока,
заданную толщину общего интегрального теплоотвода из золота задают типом последующего монтажа кристалла транзистора,
а последующее травление при формировании интегрального теплоотвода каждого кристалла транзистора осуществляют в месте расположения упомянутых канавок на лицевой стороне полупроводниковой подложки.
III
V
В качестве полупроводниковой подложки используют полупроводниковые материалы группы AB, например арсенид галлия.
Упомянутые канавки на лицевой стороне полупроводниковой подложки формируют глубиной 3-5 мкм и шириной 70-100 мкм.
Заданное расстояние между двумя стоп-слоями берут в пределах 1-10 мкм.
В случае пайки кристалла транзистора твердым припоем общий интегральный теплоотвод формируют толщиной, равной 25-30 мкм, в случае монтажа на дополнительный теплоотвод с высокой теплопроводностью, например CVD или природный алмаз - 5-7 мкм.
Раскрытие сущности
Использование полупроводниковой подложки с заданной структурой активных слоев, имеющей два стоп-слоя с заданным расстоянием между ними, обеспечивает,
во-первых, заданное расстояние между двумя стоп-слоями обеспечивает минимальное тепловое сопротивление транзистора и, как следствие, повышение выходной мощности;
во-вторых, стоп-слой, расположенный вблизи лицевой стороны полупроводниковой подложки благодаря своим свойствам обеспечивает контролируемое травление канала транзистора и, как следствие, повышение выхода годных и воспроизводимости.
Утонение обратной стороны полупроводниковой подложки до стоп-слоя, расположенного вблизи этой стороны, обеспечивает контролируемую заданную общую толщину полупроводниковой подложки и, как следствие, повышение выхода годных.
Формирование сквозных заземляющих отверстий для электродов истока транзистора непосредственно на этих электродах истока обеспечивает значительное снижение паразитных последовательного электрического сопротивления и индуктивности заземления электродов истока и, как следствие, повышение выходной мощности.
Более того, тонкая полупроводниковая подложка (толщиной менее 30 мкм) позволяет формировать заземляющие отверстия посредством более химически и экологически чистого метода химического травления в отличие от плазмохимического, содержащего химические соединения токсичного элемента хлора.
Задание толщины общего интегрального теплоотвода типом последующего монтажа кристалла транзистора обеспечивает расширение функциональных возможностей, а именно возможность использования при пайке твердых припоев (при толщине общего интегрального теплоотвода, равной менее 30 мкм) и возможность использования дополнительного теплоотвода с высокой теплопроводностью, например CVD или природного алмаза (при - 5-7 мкм).
Последующее травление при формировании интегрального теплоотвода каждого кристалла транзистора в месте расположения упомянутой канавки, а именно на лицевой стороне полупроводниковой подложки вне топологии транзисторов, обеспечивает контролируемый размер каждого кристалла транзистора и, как следствие, повышение воспроизводимости.
Формирование канавки на лицевой стороне полупроводниковой подложки:
глубиной менее 3 мкм - не достаточно для последующего задания размера кристалла, а более 5 мкм - не желательно из-за возможного разрушения подложки на последующих технологических операциях;
шириной менее 70 мкм - не желательно из-за не технологичности, а более 100 мкм - не целесообразно из-за неоправданного расхода дорогостоящего полупроводникового материала.
Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления мощного транзистора СВЧ в полной мере обеспечивает указанный технический результат, а именно - повышение выходной мощности, выхода годных, воспроизводимости, расширение функциональных возможностей.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг.1 дан этап разделения фрагмента полупроводниковой подложки на кристаллы транзистора, где
- полупроводниковая подложка - 1, с заданной структурой активных слоев,
- топология транзисторов - 2,
- канавка - 3 на лицевой стороне полупроводниковой пластины вне топологии транзисторов,
- каждый кристалл транзистора - 4,
- заземляющее отверстие - 5 для электродов истока - 6 транзистора,
- общий интегральный теплоотвод - 7,
- интегральный теплоотвод каждого кристалла транзистора - 8,
- два стоп-слоя - 9, 10 соответственно.
Пример 1 конкретного выполнения
На лицевой стороне полупроводниковой подложки 1, например арсенида галлия, общей толщиной 520 мкм с заданной структурой активных слоев, в том числе имеющей два стоп-слоя 9 и 10 соответственно с расстоянием между ними, например, 5 мкм, формируют топологию транзисторов 2 посредством известных методов электронной и фотолитографии, напыления металлов, нанесения и травления диэлектриков, гальванического осаждения золота,
- далее на лицевой стороне полупроводниковой подложки 1 вне топологии транзистора 2 формируют канавки 3 глубиной 4 мкм и шириной 85 мкм для задания размера каждого кристалла транзистора 4 посредством методов фотолитографии и травления,
- далее утоняют обратную сторону полупроводниковой подложки 1, для чего ее наклеивают на носитель, например стекло, с плоскопараллельностью менее 1 мкм и методами механической шлифовки утоняют ее толщину до 120 мкм, затем переклеивают полупроводниковую подложку на носитель из сапфира и методом химико-динамической полировки утоняют ее до стоп-слоя 10, расположенного вблизи этой (обратной) стороны полупроводниковой подложки.
- формируют сквозные заземляющие отверстия 5 для электродов истока 6 транзисторов непосредственно на этих электродах истока посредством методов фотолитографии и химического травления,
- формируют общий интегральный теплоотвод 7 методом гальванического осаждения золота толщиной 25-30 мкм,
- формируют интегральный теплоотвод каждого кристалла транзистора 8 по общему интегральному теплоотводу посредством методов фотолитографии и последующего химического травления,
- разделяют полупроводниковую подложку 1 на кристаллы транзисторов 4, при этом интегральный теплоотвод каждого кристалла транзистора 8 служит маской, травят полупроводниковую подложку арсенида галлия 1 в местах расположения канавок 4 на ее лицевой стороне.
Таким образом, мы имеем на носителе из сапфира разделенные кристаллы мощных транзисторов СВЧ, которые снимают с носителя в органических растворителях.
Примеры 2-5
Аналогично примеру 1 изготовлены мощные транзисторы СВЧ, но с иными расстоянием между первым и вторым стоп-слоями и размерами канавок на лицевой стороне полупроводниковой подложки арсенида галлия в пределах, указанных в формуле изобретения (примеры 2-3) и вне нее (примеры 4-5).
На изготовленных образцах мощных транзисторов СВЧ:
а) проведен визуальный анализ под микроскопом LEICA INM 100 на предмет механических повреждений, сколов, трещин, воспроизводимости электрических характеристик транзисторов СВЧ;
б) измерена выходная мощность.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы образцы транзисторов СВЧ, изготовленные по предлагаемому способу (примеры 1-3), имеют:
выходную мощность, превышающую выходную мощность транзистора СВЧ-прототипа порядка 50 процентов и
воспроизводимость электрических характеристик порядка 90 процентов (против 70 процентов в прототипе).
В отличие от образца транзистора СВЧ (пример 5), который отличается более высоким значением теплового сопротивления и соответственно более низкой выходной мощностью.
Образец транзистора СВЧ (пример 4) имеет электрические параметры несколько более высокие, чем образцы (примеры 1-3), но это сложно осуществимо технологически.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления мощных транзисторов СВЧ позволит по сравнению с прототипом,
во-первых, повысить выходную мощность порядка 20 процентов благодаря снижению теплового сопротивления и паразитных последовательного электрического сопротивления и индуктивности заземления электродов истоков,
во-вторых, повысить выход годных и воспроизводимость электрических характеристик,
в-третьих, расширить функциональные возможности.
Предлагаемый способ изготовления мощных транзисторов СВЧ может быть использован при изготовлении различных устройств СВЧ на их основе и особенно в монолитно-интегральном исполнении.
Источники информации
1. Иващук А.В., Босый В.И., Ковальчук В.Н. СВЧ полевые транзисторы средней мощности миллиметрового диапазона длин волн. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №6, 2003 г., стр.27-31.
2. Handbook of Microwave and Optical Component, Vol 2, 1990 г., Fabrication processes, p.518-523.
3. Патент РФ №2285976, МПК H01L 21/335, приоритет 06.05.2005, опубл. 20.10.2006, бюл. 29 - прототип.