СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ В ПОЛУИЗОЛИРУЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖКАХ
METHOD FOR METALLISATION OF THROUGH HOLES IN SEMI-INSULATING SEMICONDUCTOR SUBSTRATES

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для создания дискретных полупроводниковых приборов (ПП) и монолитных интегральных схем (МИС) с использованием трехмерной (3D) интеграции посредством электрического соединения их металлических конструктивных элементов (контактных площадок, индуктивностей, обкладок конденсаторов, контактов стока и истока HEMT (High-Electron-Mobility Transistor) сквозными металлизированными отверстиями с обратными металлизированными сторонами полуизолирующих полупроводниковых подложек.
Известен способ металлизации внутренней поверхности сквозных отверстий с положительным наклоном стенок в полуизолирующих полупроводниковых подложках путем их магнетронного запыления металлизацией ванадий-никель Ni-V с последующим гальваническим утолщением золотом Au или медью Cu [1].
Недостатком известного способа является невозможность получать сплошные и однородные по толщине покрытия внутренних поверхностей сквозных отверстий в полуизолирующих полупроводниковых подложках с вертикальными стенками и с большими (>3) аспектными соотношениями (отношение глубины h отверстия к его диаметру D).
Наиболее близким аналогом – прототипом [2], является способ металлизации поверхности сквозных отверстий в полуизолирующих полупроводниковых подложках посредством химического осаждения пленок никеля Ni или палладия Pd.
Недостатком аналога, является то, что для отверстий с большим (>3) аспектным соотношением в большинстве случаев химическое осаждение металлических пленок никеля Ni или палладия Pd на внутреннюю поверхность стенок отверстий лимитируется диффузионными процессами подвода реагентов и отвода продуктов реакций в приповерхностных диффузионных слоях электролитов, что не позволяет воспроизводимо получать сплошную и однородную по толщине металлизацию внутренней поверхности сквозных отверстий.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков.
Поставленная цель осуществляется за счет того, что в известном способе – аналоге, для нанесения металлических слоев на внутреннюю поверхность сквозных отверстий в полуизолирующих полупроводниковых подложках используется не химическое, а электрохимическое осаждение металлов.
s
к
b
Технический результат достигается за счет использования эффекта электрохимического заращивания металлом полуизолирующей полупроводниковой поверхности. Данный эффект проявляется в гальваностатическом режиме (при постоянной плотности тока J) электрохимического осаждения металлов из некоторых электролитов с низким катодным потенциалом U<ϕ электрохимического осаждения, где ϕ≈ϕ - высота барьера Шоттки в образующемся при электрохимическом осаждении контакте металл-полупроводник.
Изобретение иллюстрируется рисунками.
Фиг. 1. Схема двухэлектродной электрохимической ячейки с платиновым Pt электродом.
Фиг. 2. Схематическое изображение основных технологических этапов одного из возможных вариантов предлагаемого способа металлизации сквозных отверстий с вертикальными стенками в полуизолирующей полупроводниковой подложке.
Фиг. 3. Электронно-микроскопическое изображение металлизированного отверстия в полуизолирующей подложке карбида кремния 4H-SiC глубиной 100 мкм с аспектным соотношением K=4 соединяющее исток GaN HEMT с обратной стороной металлизированной 4H-SiC подложки.
к
b
В известном способе, после формирования металлизации омических контактов истока или стока HEMT-транзистора и/или иных металлических конструктивных элементов МИС на лицевой стороне поверхности гетероструктуры полупроводниковой пластины, утонения с обратной стороны несущей полуизолирующей полупроводниковой подложки, травления по маске в ней отверстий до металлических стопслоев, или до вышеупомянутых металлических конструктивных элементов, на внутреннюю поверхность сквозных отверстий в гальваностатическом режиме осуществляют электрохимическое осаждение слоя металла при катодном потенциале U<ϕ с последующим его утолщением алюминием, золотом, или медью.
к
b
Например, при гальваностатическом режиме электрохимического осаждения палладия Pd из фосфатного электролита на полуизолирующую поверхность 4H-SiC при катодном потенциале U≈0.6 В (барьер Шоттки Pd/4H-SiC ϕ≈1.6 В [3]) происходит его латеральное разрастание и заращивание поверхности.
b
b
s
к
b
+
В этом случае закрывающая противоположный торец отверстия металлизация металлических стопслоев, омических контактов HEMT, или иных металлизированных конструктивных элементов МИС выступает в роли затравки, на которую в начале процесса электрохимически осаждаются зерна палладия Pd. Срастаясь, зерна Pd образуют пленку на вскрытых в отверстиях поверхностях металлизированных конструкций, которая, достигая внутренней полуизолирующей 4H-SiC поверхности отверстий, образует с ней контакт металл-полупроводник с барьером Шоттки (фиг. 1, область I) величиной ϕ≈1.6 В [3]. Согласно теории контакта Шоттки [4] в прилегающей к такому контакту участку поверхности возникает область объемного заряда (фиг. 1, область II, space charge). Согласно [4] разность потенциалов между металлом и окружающей его полупроводниковой поверхностью может достигать значений ϕ≈ϕ (фиг. 1, область II). В результате, в окружающей палладиевый контакт области электролита при наличии потока ионов палладия Pd (при протекании катодного тока J) реализуются условия по катодному потенциалу U<ϕ пригодные для электрохимического осаждения Pd на прилегающую к контакту полупроводниковую поверхность, что приводит к его латеральному разрастанию в плоскости (x,y). Скорость латерального разрастания такой металлической пленки может в несколько раз превышать скорость её вертикального роста, так как полностью определяется условиями электрохимического осаждения Pd в области II (фиг. 1). Данный процесс не зависит от угла наклона стенок отверстия, что приводит к быстрому покрытию металлом его внутренней поверхности, как с положительным, так с вертикальным и даже с отрицательным наклоном (фиг. 1, область III, пунктирные стрелки).
к
b
к
b
В общем случае такой технологический процесс осаждения металла на полуизолирующую полупроводниковую поверхность в гальваностатическом режиме можно реализовать только для электролитов катодный потенциал U электрохимического осаждения металлов которых меньше ϕ. Для электролитов, U которых равен, или превышает ϕ такой процесс реализовать невозможно по причине того, что в области II фиг. 1 не реализуются условия по катодному потенциалу для протекания процессов электрохимического осаждения.
На фиг. 2 показаны ключевые моменты одного из возможных вариантов предлагаемого способа металлизации внутренней поверхности сквозного отверстия в полупроводниковой полуизолирующей подложке.
На фиг. 2, а) показано сечение полупроводниковой гетероструктуры, содержащей расположенные на контактном полупроводниковом слое 1 металлизацию омического контакта истока 2 с гальваническим утолщением 3 и металлизацию омического контакта стока 4 с гальваническим утолщением 5, расположенный в канале на барьерном слое 6 в окне диэлектрического слоя 7 полевой затвор Шоттки 8, пассивирующий лицевую сторону диэлектрический слой 9, полуизолирующую подложку 10, нанесенный на обратную сторону подложки диэлектрический слой 11 и маску 12, протравленное в полуизолирующей подложке по маске до металлизации омического контакта истока сквозное отверстие 13 диаметром D и глубиной h.
На фиг. 2, б) показано сечение описанной на фиг. 2, а полупроводниковой гетероструктуры после удаления с обратной стороны маски 12, нанесения на лицевую сторону химически стойкого лака (ХСЛ) 14, и электрохимическое заращивание пленкой палладия Pd 15 (показано стрелками) внутренней поверхности сквозного отверстия 13 в полуизолирующей подложке 10 с маскирующим слоем диэлектрика 11.
На фиг. 2, в) показано сечение описанной на фиг. 2, б полупроводниковой гетероструктуры после удаления с лицевой стороны лака ХСЛ 14 и удаления с обратной стороны маскирующего диэлектрика 11 с последующим напылением металлизации 16.
На фиг. 2, г) показано сечение описанной на фиг. 2, в полупроводниковой гетероструктуры после повторного нанесения на лицевую сторону лака ХСЛ 17 и электрохимического утолщения 18 металлизации поверхности отверстия 13 и металлизации обратной стороны подложки 16.
Пример: Технический результат использовался в технологическом процессе изготовления мощных нитридгаллиевых (AlGaN/GaN, или AlInN/GaN) мощных HEMT для электрического соединения контактов истока с металлизированной обратной стороной несущей 4H-SiC полуизолирующей полупроводниковой подложкой посредством металлизированных отверстий глубиной 100 мкм с большим аспектным соотношением K>4.
3
4
3
4
2
2
к
b
к
2
2
2
Изготовление мощного полевого транзистора, включало выделение активной области химическим, или физическим травлением, или имплантацией, создание омических контактов истока 2 и стока 4 на контактном слое полупроводниковой структуры с гальваническим утолщением 3 и 5, формирование Ni-Au затвора Шоттки 8 на барьерном слое 6 в окнах диэлектрика SiN 7, пассивацию поверхности диэлектриком SiN 9, утонение полуизолирующей подложки 4H-SiC 10 до толщины 100 мкм, нанесение на обратную сторону подложки маскирующего слоя SiO толщиной 0.3 мкм 11, нанесения маски на основе борида никеля NiB/Ni 12, химическое удаление слоя SiO в окнах маски 12, формирование по маске методом сухого физического травления со стороны подложки до контактов истока сквозных с вертикальными стенками отверстий 13 шириной 25 мкм и глубиной 100 мкм (аспектное соотношение K=h/D=4), нанесение защитного лака ХСЛ 14 на лицевую сторону структуры, отличающийся тем, что для металлизации внутренней поверхности сквозного отверстия 13 в полуизолирующей полупроводниковой подложке 4H-SiC 10 вместо химически осажденного адгезионного металлического подслоя Pd использовался электрохимически осажденный в гальваностатическом активационном режиме из фосфатного электролита подслой палладия Pd 15 толщиной 0.1 мкм. Процесс электрохимического осаждения палладия Pd из фосфатного электролита на внутреннюю полупроводниковую поверхность отверстия в полуизолирующей 4H-SiC подложке становился возможным при плотности тока 0.045 мА/см и катодном потенциале относительно платинового Pt-электрода U(Pt)≈-0.6 В (фиг. 1, область II). Напомним, что высота барьера Шоттки палладия Pd на 4H-SiC составляет приблизительно ϕ ≈1.6 эВ [3], что превышает значение U(Pt)≈-0.6 В и, как указывалось выше, создает необходимые условия для электрохимического осаждения Pd в области II на прилегающую к контакту поверхность и эффективного зарастания внутренней стороны отверстия. Окна в маскирующем слое SiO 11 выполняют роль маски, обеспечивающей формирование ровного края входного торца отверстия 13. Затем лак ХСЛ 14 и маскирующий слой SiO 11 удалялись, и осуществлялась металлизация обратной стороны подложки напылением металлизации V-Au 16. Затем лицевая поверхность пластины вновь защищалась лаком ХСЛ 17, и осуществлялось электрохимическое осаждение золота Au 18 толщиной 5 мкм. После этого лак ХСЛ 17 удалялся.
Таким образом, была достигнута поставленная цель и осуществлено электрическое соединение металлизированными с вертикальными стенками отверстиями глубиной 100 мкм с большим аспектным соотношением (фиг. 3) контактов истока нитрид-галлиевого HEMT с металлизированной обратной стороной полуизолирующей подложкой 4H-SiC.
Преимущество предлагаемого способа металлизации сквозных отверстий в полуизолирующих полупроводниковых подложках перед аналогом заключается в возможности получения сплошных и однородных по толщине покрытий поверхностей сквозных отверстий с большими аспектными соотношениями не только с положительным, но и с вертикальным, и даже с отрицательным наклоном стенок.
к
b
b
Использование электролитов способных в гальваностатических режимах при малых значениях катодных потенциалов U<ϕ, где ϕ – барьер Шоттки металла с полупроводником, осуществлять электрохимическое осаждение металлов не только на проводящие, но и на полуизолирующие полупроводниковые поверхности.
к
b
Активационный характер процессов происходящих в гальваностатических режимах электрохимического осаждения металлов при U<ϕ гарантирует воспроизводимо металлизировать узкие отверстия практически с любым аспектным соотношением. Скорости электрохимических реакций в активационных процессах определяются только энергиями их активаций и не зависят от диффузионных процессов подвода реагентов и отвода продуктов реакций.
Источники информации:
[1]. Patent US 7923842 B2, Int. Cl. H01L 23/48. GaAs integrated circuit device and method of attaching same / Shen H. (US), Ramanathan R. (US), Luo Q. (US), Warren R. W (US), Abdali U. K (US). – Appl. No 11/377,690; filed 03.16.2006; pub. date 04.12.2011.
[2]. US 2012/0153477 A1, Int. Cl. H01L 23/532, H01L 21/768. Method for metal plating and related devices / Shen H. (US). – Appl. No 12/972,119; filed 12.17.2010; pub. date 06.21.2012.
[3]. Porter L.M., Davis R.F. A critical review of ohmic and rectifying contacts for silicon carbide. Mat. Sci. Eng. B. B 34, N2–3. (1995) 83–105.
[4]. Н.А. Торхов. Влияние электростатического поля периферии на вентильный фотоэффект в контактах металл−полупроводник с барьером Шоттки. Физика и техника полупроводников. 52(10), (2018) 1150-1171.