Способ формирования сквозных металлизированных отверстий в подложке карбида кремния
METHOD FOR FORMING THROUGH METALLIZED HOLES IN A SILICON CARBIDE SUBSTRATE

Изобретение относится к области твердотельной СВЧ микроэлектроники и может быть использовано при создании транзисторов и СВЧ монолитных интегральных схем на подложках карбида кремния.
Монолитные интегральные схемы (МИС) на подложках карбида кремния используются при создании СВЧ передающих модулей современных радиоэлектронных систем. Отличительными свойствами широкозонных полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур (таких как AlGaN/GaN) на подложках карбида кремния являются высокие значения ширины запрещенной зоны, подвижности электронов, напряжения пробоя, теплопроводности подложки, что позволяет реализовать на их основе ряд функциональных узлов СВЧ трактов, таких как усилители мощности, мощные СВЧ транзисторы, антенные переключатели высокого уровня мощности и т.д.
Для стабильной и высокоэффективной работы функциональных узлов и приборов в СВЧ диапазоне требуется обеспечить заземляющий электрический контакт с низкой индуктивностью и низким омическим сопротивлением. В технологии изготовления МИС СВЧ, в том числе на подложках карбида кремния, заземляющий контакт формируется с помощью металлизированного экрана на обратной стороне кристалла, контакт которого с топологией, расположенной на лицевой стороне кристалла, осуществляется через имеющие малую индуктивность металлизированные сквозные отверстия, формируемые в предварительно утоненной подложке. Применение проволочных соединений для формирования заземляющих контактов в СВЧ диапазоне приводит к значительному ухудшению характеристик прибора вследствие высокого значения индуктивности проволочных перемычек.
Формирование токопроводящих сквозных металлизированных отверстий в подложках карбида кремния сопряжено со значительными трудностями, обусловленными его высокой химической инертностью, механической прочностью и твердостью, низкой селективностью по отношению к другим материалам при травлении.
Известен способ формирования сквозных отверстий в подложках карбида кремния плазмохимическим травлением с применением никелевой маски. В [1 - SiC Substrate Via Etch Process Optimization, Ju-Ai Ruan, Sam Roadman, Cathy Lee, Cary Sellers, Mike Regan, CS MANTECH Conference, 2009 г.] описывается способ формирования сквозных отверстий в подложке карбида кремния с помощью плазмохимического травления с использованием пленки никеля в качестве маски. Существенным недостатком данного способа является образование морфологических дефектов в области травления, возникающих в результате физического распыления пленки никеля на начальном этапе плазмохимического травления и последующего переосаждения частиц распыляемой пленки. Для предотвращения образования морфологических дефектов требуется использование больших RF (radio frequency - радиочастота) и ICP (inductively coupled plasma - индуктивно связанная плазма) мощностей, что приводит к перегреву пластины и снижает надежность изготавливаемых МИС СВЧ.
В [2 - Патент, US 7,892,974 В2, METHOD OF FORMING VIAS IN SILICON CARBIDE AND RESULTING DEVICES AND CIRCUITS] описывается способ формирования сквозных отверстий диаметром от 25 до 200 мкм в подложке карбида кремния толщиной от 100 до 200 мкм с помощью плазмохимического травления с применением маски оксида индия-олова (ITO) при изготовлении МИС СВЧ, принятый за прототип. Гетероэпитаксиальная структура на подложке карбида кремния, на лицевой стороне которой сформирована топология МИС СВЧ, смонтирована на носитель с помощью фиксирующего материала. Для травления сквозных отверстий в подложке формируется маска оксида индия-олова. После выполнения технологической операции плазмохимического травления сквозных отверстий маска оксида индия-олова удаляется. На следующем этапе формируется металлизация на обратной стороне подложки карбида кремния.
Недостатком прототипа является высокая трудоемкость и сложность формирования пленки оксида индия-олова, выступающей в качестве маски при травлении сквозных отверстий, с применением дорогостоящего специализированного технологического оборудования.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является формирование сквозных металлизированных отверстий в подложке карбида кремния методом плазмохимического травления без образования морфологических дефектов в области травления, возникающих в результате физического распыления никелевой пленки на начальном этапе плазмохимического травления и последующего переосаждения частиц распыляемой пленки.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ формирования сквозных металлизированных отверстий в подложке карбида кремния, при котором гетероэпитаксиальная структура на подложке карбида кремния монтируется на носитель с помощью фиксирующего материала. На поверхности обратной стороны подложки карбида кремния формируется маска для плазмохимического травления сквозных отверстий.
Согласно изобретению, на поверхности обратной стороны подложки карбида кремния формируется многослойная маска, состоящая из пленки никеля, покрытой органическим резистивным материалом, в которой формируются пробельные окна для плазмохимического травления сквозных отверстий.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.
Технический результат - снижение трудоемкости и повышение качества проведения технологического процесса травления сквозных отверстий в подложке карбида кремния, повышение процента выхода годных изделий, обеспечение совместимости процесса со стандартной технологией изготовления МИС СВЧ, повышение технологичности, повторяемости и воспроизводимости процесса.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа формирования сквозных отверстий в подложке карбида кремния из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
При реализации способа выполняется следующая последовательность действий:
1. Монтаж гетероэпитаксиальной структуры на подложке карбида кремния на носитель с помощью фиксирующего материала.
2. Технологический процесс утонения гетероэпитаксиальной структуры на подложке карбида кремния, смонтированной на носитель, с помощью применения любой комбинации технологических операций шлифовки и полировки до необходимой толщины.
3. Формирование на поверхности обратной стороны подложки карбида кремния многослойной маски с пробельными окнами: нижним слоем маски является пленка никеля, верхним слоем маски является пленка из органического резистивного материала.
4. Технологический процесс плазмохимического травления сквозных отверстий в подложке карбида кремния.
5. Удаление маски.
6. Формирование металлизации на обратной стороне подложки карбида кремния.
Предлагаемый способ формирования сквозных металлизированных отверстий в подложке карбида кремния обеспечивает разработку и производство мощных СВЧ полевых транзисторов и МИС СВЧ усилителей мощности на гетероэпитаксиальных структурах на подложках карбида кремния для твердотельных СВЧ усилителей мощности, передающих трактов радиоэлектронной аппаратуры и радиоэлектронных систем.
На фигуре 1 изображен схематичный разрез полупроводниковой структуры на подложке карбида кремния со сформированной двухслойной маской и сквозным отверстием до этапа формирования металлизации на обратной стороне подложки карбида кремния. На фигуре 2 изображен схематичный разрез полупроводниковой структуры на подложке карбида кремния после формирования металлизации на обратной стороне подложки карбида кремния.
Реализация данного способа осуществляется с использованием гетероэпитаксиальной структуры на подложке карбида кремния (1) (фигура 1), на лицевой стороне которой сформирована топология мощного СВЧ транзистора или МИС СВЧ усилителя мощности (2). Подложка карбида кремния (1) со сформированной топологией МИС (2) на лицевой стороне смонтирована с применением фиксирующего материала (3) на носитель (4). Подложка карбида кремния (1) утоняется, например, с помощью применения любой комбинации технологических операций шлифовки и полировки до необходимой толщины. Для травления сквозных отверстий (5) на поверхности обратной стороны подложки карбида кремния (1) формируется многослойная маска с пробельными окнами. Нижним слоем маски является пленка никеля (6), формируемая, например, методом вакуумного напыления, химического или электрохимического осаждения. Верхним слоем маски является пленка из органического резистивного материала (7), например, фоторезиста. Пленка никеля (6) обладает высокой селективностью (1:20) по отношению к материалу подложки (карбиду кремния) при выполнении технологической операции плазмохимического травления сквозных отверстий и обеспечивает защиту поверхности подложки карбида кремния от физико-химического воздействия ионов плазмы и реактивной газовой среды. Пленка из органического резистивного материала (7) предотвращает физическое распыление пленки никеля (6), возникающее при выполнении технологической операции плазмохимического травления сквозных отверстий (5) на начальном этапе, и последующее переосаждение частиц распыляемой пленки никеля (6) в области сквозных отверстий (5). На следующем этапе формируется металлизация (8) (фигура 2) на обратной стороне подложки карбида кремния (1) для создания заземляющего электрического контакта с топологией МИС (2) на лицевой стороне, а также для улучшения отвода тепла, рассеиваемого на активных и пассивных элементах топологии мощных СВЧ полевых транзисторов и МИС СВЧ усилителей мощности.
Рассмотренный способ формирования сквозных металлизированных отверстий в подложке карбида кремния опробован при изготовлении мощных СВЧ транзисторов, а также МИС СВЧ усилителей мощности.
В рамках ОКР разработаны и прошли испытания мощные СВЧ полевые транзисторы на подложках карбида кремния с уровнем выходной мощности 10, 30 и 100 Вт в L/S- и L/S/C-диапазонах, МИС СВЧ усилители мощности с уровнем выходной мощности 10 Вт в Х- X/Ku-диапазонах, с уровнем выходной мощности 2 Вт в Ka-диапазоне.