В последнее десятилетие серьезное внимание в электронике уделяется разработке элементной базы СВЧ — техники и силовой электроники на основе нитридных соединений элементов III группы. Развитие указанных приборов определяется необходимостью освоения новых более высоких частотных диапазонов, повышения мощности приборов, линейности их характеристик и улучшения эффективности.
Перспективы разработки следующего поколения СВЧ техники связаны с прогрессом в развитии СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) на основе нитрида галлия (GaN), что обусловлено следующими преимуществами материала:
— более высокой проводимостью канала (плотность электронов до 1х104 см-2, что на порядок выше, чем в гетероструктурах AlGaAs/GaAs),
— значительно большей пробивной напряженностью поля (3,3х106 В/см для GaN против 4х105 В/см в GaAs),
— меньшей чувствительностью к температуре и радиации, чем в используемых в настоящее время структурах на основе классических соединениях типа А3В5,
— большей теплопроводностью, обеспечивающих возможность работы приборов при высоких мощностях и температурах [1].
На данный момент МИС на GaN преимущественно проектируют, используя копланарную технологию, в то время как на GaAs используют как копланарную технологию, так и микрополосок. Пластины арсенида галлия легко утоняются и хорошо плазмохимически травятся, а гетероструктуры нитрида галлия растят преимущественно на особотвёрдых подложках — сапфира и карбида кремния, что вызывает серьезные трудности при обработке материала подложки [2, 3].
Одной из основных технологических трудностей является формирование заземляющих отверстий в подложке, как видно их таблицы 1 подложки сапфира и карбида кремния тяжело травятся плазмохимически.
Таблица 1. Характерные параметры ICP-травления наиболее применяемых подложек для СВЧ МИС
|
|
||
|
|
Скорость травления |
Селективность к ФР |
|
Al2O3 |
> 0,65 мкм/мин |
> 0,7:1 |
|
SiC |
> 0,3 мкм/мин |
> 0,5:1 |
|
GaAs |
> 4 мкм/мин |
> 12:1 |
Для преодоления данных ограничений предложено конструкторско-технологическое решение [5, 6]заключающееся в размещении земляной плоскости не на обратной стороне пластины, а на лицевой, поверх активной части МИС через слой фоточувствительного полимера (рис 1).
Рисунок 1 — Поперечное сечение пластины с межэлектрическими соединениями, обеспечивающими общую заземляющую плоскость
Данные полимеры должны обладать следующими свойствами: хорошая адгезия к подложкам и материалам поликор, сапфир, GaAs, Al /Si, Cr/Si, Au/Si/ Ni/Si/, обладать хорошими планаризующими свойствами, иметь высокую химическую стойкость к органическим и неорганическим соединениям, температурную стабильность до 350 °С, низкую диэлектрическую проницаемость. Данными характеристиками обладают полиимиды и их аналоги [7].
Применение этих фотополимеров не требует специального оборудования, работа с ними осуществляется на стандартных установках нанесения фоторезистов и литографических установках [8, 9]. В случае необходимости рисунок на фотополимере можно формировать при помощи кислородной плазмы. Благодаря этому достигается возможность решения проблемы формирования заземляющей плоскости без привлечения дополнительного дорогостоящего оборудования.
При использовании полиимида в технологическом процессе возникает ряд сложностей – это существенное влагопоглощение, большой коэффициент теплового расширения, требовательность к температурному режиму хранения (23 °С — 1 мес, –16 °С — 9 мес), малый срок годности готового фоточувствительного полиимида. Однако был найден отечественный аналог полиимида — фотолак термостойкий прозрачный (ФЛТП) изготовленный в ИВС РАН, основными преимуществами которого является длительный срок хранения при комнатной температуре (23 °С — 6 мес), возможность гибкого изменения характеристик под нужды заказчика[10, 11].
Особенности изготовления СВЧ МИС с применением фотолака.
Для определения тепловых режимов работы СВЧ МИС с верхней землей было проведено математическое моделирование тепловых процессов проходящих в СВЧ МИС методом конечных элементов.
СВЧ МИС представляет собой усилитель мощности, основным элементов которого является восьмизатворный транзистор. Кристалл МИС с изображенными на нем источниками тепла — подзатворными областями «Q» — схематично приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 — Модель кристалла СВЧ МИС, где 2DEG – двумерный электронный газ,
Q – область, выделяющая тепло.
В данной тепловой модели транзистора источником тепла является подзатворная часть канала «Q».
Контакт между слоями задан идеальным. Выделенная красным область была задана как объект, генерирующий тепло.
В расчетах использовалось уравнение теплопроводности:
где qv – мощность внутреннего источника тепла, коэффициент теплопроводности, – плотность вещества,
Cp – теплоёмкость вещества при постоянном давлении, T – температура в процессе работы.
Данное дифференциальное уравнение (1) решается методом конечных элементов при граничных условиях третьего рода:
где α – коэффициент теплоотдачи, Тс – температура окружающего пространства, n – модуль вектора нормали.
Свойства материалов, послужившие в качестве исходных данных для компьютерного моделирования, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Свойства материалов СВЧ МИС.
|
|
||||
|
Материал |
Функция в модели |
Плотность, кг/м3 |
Теплопроводность, Вт/м*K |
Теплоемкость, Дж/кг*K |
|
GaN |
гетероструктура |
6070 |
130 |
490 |
|
AlGaN |
5184 |
40 |
604 |
|
|
Al2O3 |
подложка |
3965 |
35 |
730 |
|
ФЛТП |
покрытие |
1350 |
0,2 |
900 |
В расчетах были приняты следующие условия:
— теплоотвод идеальный (принудительно задана температура для дна подложки 27оС);
— температура окружающей среды и начальная температура объекта 27оС.
Результаты расчетов представлены на рисунке 3.
a) без ФЛТП
б) с покрытием ФЛТП
в) Распределение температуры на поверхности МИС в районе затворов в модели без ФЛТП
г) Распределение температуры на поверхности МИС в районе затворов в модели с покрытием ФЛТП
Рисунок 3 — Поверхностное распределение температуры в модели
Максимальный нагрев активной области транзистора в случае добавления ФЛТП уменьшился на 0,5 %. Такое незначительное изменение связано с тем, что ФЛТП имеет низкую теплопроводность, что минимизирует количество отводимого им тепла.
Согласно результатам моделирования, введение в трехмерную модель ФЛТП существенно не влияет на максимальный нагрев подзатворной области. В случае модели с применением ФЛТП максимальный нагрев
составил 122,1 °С , а в случае без ФЛТП 122,4 °С, что составило менее 0,1%.
Одной из особенностей изготовления СВЧ МИС с применением ФЛТП является утонение и разделение пластины на кристаллы. Это связано с развитым рельефом поверхности пластины со сформированными СВЧ МИС, который нуждается в защитных слоях при проведении процесса утонения пластины.
Для обеспечения защиты лицевой поверхности пластины было предложено и опробовано решение представленное на рисунке 4.
Рисунок 4 — Порядок приклеивания приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN на диск-носитель
Представленное решение обеспечивает химическую и температурную совместимость защитного и клеящего полимера, что обеспечивает надежную защиту СВЧ МИС при операциях монтажа пластины на диск-носитель и при шлифовке и полировке пластины. В результате операции шлифовки и полировки пластины диаметром 2 дюйма разброс по толщине составляет не более 2 мкм, а шероховатость после полировки Ra – 1.86 нм.
Для операции разделения пластины на отдельные МИС был использования метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ). Как описанно нами ранее опубликованной статье [12]: «Для обеспечения резки в первом направлении (I) на краю пластины наносятся короткие надрезы (3), которые являются концентраторами напряжений и обеспечивают зарождение и продвижение разделяющих трещин (4). Перед резкой во втором направлении (II), чтобы получить сквозные разделяющие трещины (5) при помощи сфокусированного луча УФ-лазера (7) с длиной волны 355 нм наносят неглубокий надрез (6) по всей длине реза либо в местах пересечений с линиями реза (4). Глубина и ширина надреза составляет соответственно 5-9 мкм и 5-7 мкм. Нагревая линию надреза (6) лазерным лучом (8) при помощи СО2-лазера мощностью до 50 Вт и затем охлаждая зону нагрева хладагентом (9), получаем сквозную разделяющую трещину (5). Скорость резки методом ЛУТ сапфировой пластины достигала 400-450 мм/с».
Литература
1. А. Балакирев, А. Туркин Развитие технологии нитрида галлия и перспективы его применения в СВЧ-электронике // Современная электроника. № 4, 2015, С. 28–32.
2. И.М. Добуш, А.А. Коколов, Л.И. Бабак Исследование копланарных элементов монолитных интегральных схем// Доклады ТУСУРа, №2 (22), часть 1, декабрь 2010.
5. С.А. Гамкрелидзе, П.П. Мальцев, Ю.В. Федоров Монолитные СВЧ ИС миллиметрового диапазона на основе нитридных гетероструктур с интегрированными антенными элементами // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА,
Том 22, № 6, 2017, С. 582-588
6. Ю.В. Федоров, А.Ю. Павлов, В.Ю. Павлов, С.С. Арутюнян,Н.Е. Иванова, К.Н. Томош, А.О. МихалевРазработка базовой технологии создания монолитных интегральных схем УМ и МШУ на нитридных наногетероструктурах для ППМ // Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC – 2015), Ч 4. МИРЭА, Москва, Россия. – 2015. С. 240-243.
7. Т.С. Петрова Формирование полиимидных межслойных изолирующих слоев ИС на GaAs // Научная сессиия ТУСУР – 2004, материалы всероссийской научно-технической конференции 2004, г. Томск
8. А.С. Бугаев, Е.Н. Енюшкина, С.С. Арутюнян, Н.Е. Иванова, И.А. Глинский, К.Н. Томош Разработка технологии формирования общей земли на активной поверхности монолитной интегральной схемы усилителя мощности на нитридных гетероструктурах // Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC – 2016), Ч 4. МИРЭА, Москва, Россия. –
2016. С. 45-48.
10. Н.Е. Иванова, Н.В. Щаврук Формирование заземляющей плоскости в СВЧ МИС на основе GaN // Сборник докладов Российской научно-технической конференции «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике, МИРЭА, Москва, Россия – 2018. С. 203-207.
11. Н.Е. Иванова, Д.Л. Гнатюк, Н.В. Щаврук Метод формирования заземляющей плоскости в МИС на основе нитрида галлия // Сборник трудов Международной научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» НИЯУ МИФИ, Москва, Россия, 2018 г., С. 60-61.
12. N.V. Shchavruk, S.V. Redkin, A.A. Trofimov, N.E. Ivanova, A.S. Skripnicenko, V.S. Kondratenko, V.V. Stiran, «Partitioning Very Hard semiconductor sapphine wafers into monolithic integrated circuits using laser controlled thermal cleavage», Russian microelectronics, vol. 46, №3, 2017, p. 201-205.
13. С.С. Арутюнян, К.А. Кагирина, Д.В. Лаврухин, Н.Е. Иванова, С.А. Гамкрелидзе Устойчивость нитридных СВЧ монолитных интегральных схем преобразователя сигнала к облучению потоком нейтронов и гамма-излучению // «Известия высших учебных заведений. Электроника» Том 21, №5, 2016 стр. 435-441.