Анализ причин брака при производстве кремниевых СВЧ p-i-n диодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данной работе проведен анализ причин брака при производстве кремниевых СВЧ p-i-n диодов. Для проведения исследований использованы образцы сечений меза кристаллов, с помощью которых можно визуализировать и измерить основные элементы конструкции прибора.

В работе использована методика, основанная на получении и наблюдении с помощью оптического микроскопа образцов сечений меза кристалла в плоскости перпендикулярной его основанию.

Выявлена взаимосвязь между различными вариантами исполнения меза структур, их основными конструктивными параметрами и процентом выхода годных кристаллов на пластине.



Summary

In this paper, we analyzed the causes of rejection in the production of silicon microwave p-i-n diodes.

To carry out the research, a technique based on obtaining meza- crystal cross sections along the upper contact in a plane perpendicular to its base was used.

The influence of the shape of the mesa-crystal and the thickness of the dielectric coating on its lateral surface on the magnitude of the breakdown voltage and the leakage current of the device is determined. Numerical data on the dependence of the differential resistance (Rd), the breakdown voltage (Uprobe) and the working capacitance (Cd) of the meza-crystal on the thickness of the i-layer of the diode base are presented.



1. Введение

Полупроводниковые p-i-n структуры уже с 60-х годов нашли широкое применение в конструкциях многих разновидностей полупроводниковых диодов, начиная от высоковольтных выпрямителей до фотодиодов.

Наиболее часто p-i-n диоды применяются в и СВЧ-технике для управления уровнем и/или фазой СВЧ-сигналов, коммутации ВЧ- и СВЧ- мощности в линиях передач, для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ-импульсов, для стабилизации СВЧ-мощности, а также аттенюаторах ВЧ- диапазона.

На практике p-i-n диоды СВЧ-диапазона называются переключательными и ограничительными (в зависимости от рода использования), в ВЧ диапазоне они именуются коммутационными и регулируемыми резистивными (для аттенюаторов).

В последнее время из-за резкого увеличения производства средств связи, и в частности носимых переговорных устройств специального назначения, наблюдается увеличение спроса на p-i-n диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, фирмы HEWLETT PACKARD, годовой прирост потребности в p-i-n диодах в последние 5 лет достигает 17-33%, а по отдельным типам и до 2-х раз.

При производстве полупроводниковых приборов неизбежно возникает задача качественного анализа причин брака. Эта проблема неразрывно связана с задачей повышения процента выхода годных приборов и снижения производственных издержек определяющих себестоимость продукции. Проблемы, связанные с наличием и устранением причин брака при изготовлении CВЧ p-i-n диодов, были рассмотрены группой исследователей в работе [1] в 2010 году. Были отмечены проблемы связанные с разной толщиной стекла в области активных переходов p-i-n структуры. Кроме того отмечена проблема снижения величины пробивного напряжения и возрастания тока утечки из-за неполного удаления i-области на операции травления меза-структуры. В данной работе показано, что на сегодняшний день эти проблемы так и не удалось полностью разрешить. Более того удалось выявить проблемы, не отмеченные в работах предыдущих исследователей. В работе выявлены причины брака при производстве p-i-n диодов на АО «Оптрон» и предложены пути повышения процента выхода годных готовых изделий.

2. Структура p-i-n диода

Диод с p-i-n структурой представляет собой сильнолегированные p⁺ и n⁺ области кремния, разделённые слоем с собственной проводимостью толщиной от единиц до сотен микрометров и высоким удельным сопротивлением (с = 100ч4000 Ом*см) и относительно большим временем жизни носителей заряда (электронов и дырок) t_эфф (~0,1-1 мкс). Концентрация свободных носителей составляет порядка 10¹³ см^-3.

При подключении прибора в цепь и подачи на него напряжения, при увеличении напряжения прямого смещения (положительный потенциал к p⁺ слою, отрицательный к n⁺) в i-слой инжектируются электроны из n⁺ слоя и дырки из p⁺ . В результате в i-слое увеличивается концентрация носителей заряда, которая составляет от 10¹⁶ до 10¹⁷ см^-3. Так как концентрация инжектированных носителей пропорциональна прямому току, то через структуру плотность тока будет достигать 10А/см^-2), а i-область будет обладать высокой проводимостью.

При обратном смещении количество носителей в i-слое из-за явления экстракции падает относительно равновесного значения примерно на порядок. Получается, что количество носителей в i-слое при переходе от режима прямого тока к режиму обратного смещения меняется на четыре порядка. Соответственно также меняется и проводимость слоя. При больших обратных напряжениях, когда i-слой обедняется носителями, сопротивление структуры мало зависит от напряжения и диод имеет максимальное активное сопротивление. При использовании p-i-n диода в переключательном режиме: в зависимости от вида управляющего сигнала (прямое или обратное смещение) p-i-n диод пропускает или не пропускает СВЧ-сигнал.

Конструктивно диоды бывают 2 типов: бескорпусные диоды и диоды в герметичном корпусе. Для пайки в схему выводы диодов металлизируются. В преимущества бескорпусных диодов входят малые значения паразитных ёмкостей и индуктивностей, кроме того они более удобны при монтаже.

Меза-кристалл - полупроводниковая структура в форме усеченного конуса.

Меза-диод - прибор, в котором активная структура выполнена в виде меза-кристалла.

3. Основные параметры p-i-n диодов

При работе в прямом направлении на высоких частотах (f>10-20МГц и на СВЧ) диффузионная ёмкость p⁺-i и n⁺-i переходов полностью их шунтирует. При прямом смещении вследствие двойной инжекции дырок из p⁺ области и электронов из n⁺-области вся база «заливается» носителями. Значение r_пр в нормальном режиме близко к величине ~ 1 Ом; при изменении прямого тока (согласно уравнению, описывающее ВАХ p-n перехода в прямом направлении) величина r_пр может изменяться в широких пределах по закону .

3.1 Сопротивление i-слоя при подаче прямого СВЧ тока

Р-i-n диод в открытом состоянии работает как резистор, ограничительный элемент, который предохраняет входные тракты от бросков уровня напряжения входного сигнала. При обратном смещении сопротивление i-слоя определяется остаточной концентрацией носителей заряда. Это сопротивление растет при повышении обратного смещения из-за обеднения носителями i- области.

,

подвижность электронов и дырок,

W- толщина i-слоя,

- время жизни носителей заряда,

₀ - прямой постоянный ток.



3.2 Емкость диода

Для мощных диодов с большой площадью ёмкость достигает значений 1ч3 пФ, для p-i-n диодов ёмкость крайне мала и составляет около 0,1 пФ. Данный параметр является ограничителем частотных свойства прибора. В сантиметровом диапазоне рабочие ёмкости составляют порядка 0,1пФ. В дециметровом диапазоне - 0,25ч 0,4пФ. Ёмкость может быть рассчитана по формуле:

- диэлектрическая проницаемость (для кремния 11,8),

- электрическая постоянная (8,85* 10^-14 Ф/м),

- площадь структуры,

W - толщина i-слоя,

3.3 Критическая частота f_кр

Это частота, на которой ёмкостное сопротивление структуры диода численно равно среднему геометрическому значению активных сопротивлений диода при обратном смещении и прямом токе. Физический смысл заключается в том, что при достижении этой частоты прибор начинает проводить ток и перестаёт работать в заданном ему режиме. Критическая частота показывает эффективность диодов при их применении в коммутационных устройствах СВЧ.

,

- ёмкость диода,

- активное сопротивление закрытого диода,

- активное сопротивление закрытого диода.

3.4 Пробивное напряжение (Uпроб)

Пробивное напряжение (U_проб) определяется максимально допустимой величиной электрического поля в диодном промежутке. Параметр зависит от электрофизических свойств материала. Данный параметр характеризует максимальное значение импульсной СВЧ-мощности. В монографии [2] показано, что в кремниевом p⁺-n переходе с концентрацией примеси 10¹⁶ cм^-3, пробивная напряженность составляет 4*10⁵ В/см.

,

-величина максимальной напряженности электрического поля,

W - толщина i-слоя,

?_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

q - элементарный заряд (1,60218* 10^-19 Кл),

N_B - концентрация примеси.

3.5 Прямое динамическое сопротивление (Rd) диода

Сила тока через диод, включенный в прямом направлении, пропорциональна экспоненте напряжения на нем. С ростом силы тока дифференциальное сопротивление снижается пропорционально силе тока. Зная дифференциальное сопротивление при заданном токе, его дифференциальное сопротивление при токе, отличном в К раз, будет также отличаться в К раз. (ток растет с приложением напряжения экспоненциально).

3.6 Накопленный заряд ()

При протекании прямого тока величина накопленного заряда в базе определяется соотношением , поэтому величина определяется расчётно по паспортному значению Q_нк.

При резком переключении с прямого направления на обратное вначале протекает фаза рассасыванию накопленного заряда, длительность которой равна:

,

I_рас - обратный ток рассасывания,

- эффективное время жизни носителей.

Длительность второй фазы - восстановления обратного сопротивления - определяется дрейфовым процессом под действием поля в базе по порядку величина близка к

t_вост=W/м_p,n*U_обр,

м_p,n -подвижность электронов и дырок.

Таким образом, при работе в диапазоне СВЧ и отчасти в ВЧ p-i-n диод (без учета паразитных параметров С и L) представляет собой линейный резистор, сопротивление которого при прямом смещении r_пр значительно меньше, чем при обратном r_обр, при этом r_пр зависит от прямого тока.

4. Технология производства p-i-n диодов

Меза-технология - это совокупность технологических операций, проводимых с целью получения полупроводниковых (ПП) приборов с электронно-дырочными переходами в форме усечённого конуса. Такая форма является благоприятной для получения приборов с максимально возможным уровнем пробивного напряжения и максимально низкого теплового сопротивления. После формирования методом хлоридной эпитаксии исходной полупроводниковой структуры в виде пластины диаметром 30-76 мм проводится операция термического окисления пластины с целью одновременного отжига структурных дефектов i-слоя, образующихся в процессе формирования на нем n⁺ и p⁺ слоёв. Далее пластины передаются в цех для формирования меза-структуры. Для этого проводят фотолитографию со стороны p⁺- слоя: на окисленную поверхность кремния наносят с помощью распыления слой фоторезиста, чувствительного к ультрафиолетовому излучению; пластину с высушенным слоем (термообработка в сушильном шкафу) фоторезиста помещают под шаблон - стеклянную пластину с рисунком, в заданных местах прозрачным для ультрафиолетового излучения; после обработки УФ излучением (засветка) фоторезиста в тех местах, под которыми должен сохраниться слой SiO₂, полимеризуют (задубливают), с остальной части пластины фоторезист снимают. После чего проводят травление открытых участков SiO₂ и вытравливают до n-слоя. Оператор с помощью микроскопа и зонда контролирует глубину протравливания, после чего оставшийся фоторезист удаляют. Затем на пластины наносится с помощью электрофореза диэлектрическое покрытие, после чего пластины поступают на фотолитографию по слою диэлектрика (вскрытие окна под контакт). Вновь наносится фоторезист, проводится засветка с соответствующим фотошаблоном, после чего травится слой диэлектрика и вновь удаляется фоторезист после того, как окна будут вскрыты. Следующей важнейшей операцией является обработка пластин с последующим термическим резистивным напылением слоя TiNi в вакууме. Далее проводят гальваническое золочение в цитратном электролите и делают фотолитографию уже по золоту. После этого измеряют параметры приборов на пластинах (пробивное напряжение, постоянное прямое напряжение, внешний вид) и отдают на дисковую резку, где пластины наносятся на носитель с помощью церезина и разрезаются с определенным шагом, соответствующим размеру элемента (прибор). Далее приборы отмываются и разбраковываются по внешнему виду и электрическим параметрам (С, Q. U_пр,U_обр, R_д).

5. Виды брака при производстве p-i-n диодов

5.1 Брак, связанный с технологией изготовления структуры

а) При «прямой» схеме включения диода пиковое значение напряжения (или значение при котором происходит необратимый пробой и разрушение прибора) связано с падающей мощностью и пробивным напряжением и пробивным напряжением диода выражением:

,

P_пад - падающая мощность,

Z₀ - эквивалентное волновое сопротивление волновода,

U_проб - пробивное напряжение,

U_см - напряжение обратного смещения (добавочное к U_проб напряжение при котором происходит необратимый термический пробой).

Из выражения следует, что пробивное напряжение ответственно за электрический пробой в диоде. Технология изготовления структуры основана на использовании подложки монокристаллического кремния собственного i типа проводимости, на которой методом хлоридной эпитаксии с противоположных сторон последовательно наращиваются сильнолегированные слои n⁺ и p⁺ типа при температуре около 1160?С.

Необходимая толщина исходного i-слоя создается с помощью промежуточной механической обработки (односторонней шлифовки и полировки). Точность поддержания толщины базы должна составлять ±10 мкм. В реальности, как будет видно в тексте работе, разброс значений толщин базы значительно больше из-за несовершенства имеющегося оборудования.

б) Важной технологической особенностью, влияющей на пробивное напряжение диода, является разная толщина свинцово-алюмосиликатного стекла (состав: 46% PbO, 45% SiO₂ , 9% Al₂O₃) в области p⁺-n перехода. После осаждения стекла методом электрофореза [3] c последующим оплавлением в атмосфере О₂ при температуре (850±10) С стекло «стекает» по боковой поверхности и у основания мезы защитное покрытие толще, чем у вершины.

в) После механической обработки подложки до заданной толщины на её поверхности имеются механические нарушения, которые являются причиной возникновения дефектов кристаллической структуры. Дефекты в области p-n перехода могут вызывать локальный пробой в объёме кремния. Эти дефекты выявляются после селективного травления поверхности p⁺-слоя. Дефекты упаковки, как правило, образуются на границе между подложкой и эпитаксиальным слоем. Для уменьшения плотности дефектов необходимо повысить качество обработки поверхности перед эпитаксией за счет использования химико- динамической полировки и газового травления непосредственно перед процессом эпитаксии. Химико-динамическая полировка пластины заключается в её обработке в медленном жидкостном травителе для кремния (H₂O- 600мл, NH₄F- 300гр, HF- 90мл). Процесс идет в специальном вращающемся фторопластовом стакане, обеспечивающем перемещение травителя вдоль поверхности обрабатываемой пластины.

г) Одной из причин снижения величины обратного напряжения и возрастания тока утечки является неполное удаление i-области на операции травления мезы. Связано это с тем, что травление осуществляется сразу на нескольких пластинах и как следствие скорость травления пластин при этом не одинакова. Кроме того сказывается неодинаковая толщина полупроводниковых слоёв на исходных пластинах (именуемая «клином»). Неполному удалению i-области способствует уменьшение скорости химического взаимодействия молекул плавиковой кислоты за счет снижения энергии активации химического взаимодействия молекул травителя с кремнием по мере приближения к n⁺ слою и непостоянство температуры в травителе.

5.2 Брак на сборочных операциях и технологических испытаниях

При контроле меза-структур по внешнему виду и электрическим параметрам отбраковывается до 30% структур по электрическим параметрам (ёмкость, пробивное напряжение, накопленный заряд) после технологических испытаний на многократные температурные циклы от -60?С до +125?С, воздействия влажной атмосферы, термотоковой выдержки.

5.3 Брак, связанный с конструкцией p-i-n диода

При температуре 100 ?С в процессе термотоковой тренировки обратный ток диода может увеличиваться в сотни раз, что связано с сильной степенной зависимостью тока утечки от температуры. Зависимость тока утечки от температуры определяется величиной теплового сопротивления диода, которое показывает на какую величину увеличивается рабочая температура p-n перехода при рассеивании на нем единицы входной электрической мощности питания.

Величина теплового сопротивления прибора в свою очередь зависит от толщин исходных полупроводниковых слоёв и толщин слоёв металлизации, соединяющих полупроводниковую меза-структуру с массивным теплоотводом (корпусом прибора).

диод ток брак технологический

6. Причины брака при основных технологических операциях

Фотолитография - метод получения определённого рисунка на поверхности материала. Цель фотолитографии создать в нанесенном слое фоторезиста «окна» заданной конфигурации для доступа травителя к полупроводниковой пластине с окисной плёнкой. Такие «окна» образуются при экспонировании фоторезиста в потоке ультрафиолетового излучения или в потоке электронов, в результате которого он теряет (в случае негативного фоторезиста) или приобретает (в случае позитивного фоторезиста) способность к растворению.

Проблемы данной операции заключаются в следующем:

- Фоторезист крайне чувствителен к изменению температуры и влажности в помещении;

- Во время травления фоторезист трескается, что вынуждает подбирать режим с оптимальным количеством погружений в травитель;

- Фоторезист даже после снятия может остаться на пластине и в дальнейшем мешать осаждению металлов.

6.1 Термическое напыление металлов в вакууме

Система термического напыления включает в себя, как минимум, вакуумную камеру, подложку и источник тепла, передаваемого испаряемому материалу. В качестве источника тепла используется резистивный испаритель, представляющий собой «лодочку» из тугоплавкого металла, сквозь которую пропускается электрический ток, разогревающий её. Термическое напыление обусловлено двумя физическими процессами: испарением нагретого материала и конденсацией его на подложку. В высоком вакууме длина свободного пробега испарённых частиц больше расстояния до подложки, и они могут попадать на нее без рассеяния на молекулах остаточного газа. За счет отсутствия столкновений частицы сохраняют высокую температуру, что даёт им необходимую подвижность для формирования на подложке плотного слоя. Недостатком метода является сложность напыления материалов сложного состава из-за фракционирования, происходящего благодаря разнице в давлениях пара компонентов.

Проблемы данной операции заключаются в следующем:

- Чистота осаждённого покрытия зависит от качества вакуума и состава исходного материала;

- Крайне важна химическая обработка перед напылением, в идеале это необходимо делать в едином процессе.

6.2 Химическое травление

Травление используется для селективной (химической) прорисовки масок, формирования изолирующих или проводящих областей, в процессе которого вещество в области, подвергаемой травлению, химически преобразуется в растворимое или летучее соединение. В литографии травление применяется в основном для формирования рисунка в слое термически окисленного кремния или для удаления материала через окна в диэлектрике при изготовлении металлических контактов. Металлическая разводка формируется путем селективного удаления промежутков (обращения изображения); фотошаблоны также изготавливаются травлением металлических пленок.

Поскольку травление в вертикальном направлении при достижении глубины D прекращается, перетравливание определяется только скоростью удаления материала в боковом направлении. Жидкостное травление определяется в основном статическими характеристиками типа адгезии и степени задубливания фоторезиста, состава травителя и т.п. Величина бокового подтравливания в случае жидкостного травления зависит от предшествующих стадий обработки - подготовки поверхности и термозадубливания.

Используя жидкостное травление или недавно разработанный и более предпочтительный метод плазменного сухого травления, можно формировать различные профили в пленках.

Проблемы данной операции заключаются в следующем:

- Крайне труден контроль глубины протравливания мезы. Очень важен грамотный подбор фотошаблонов. Контроль зондом после травления также не даёт полной уверенности в протравлении до n⁺ слоя, так как замер проводится выборочно в 3-4 местах по пластине;

- Организация безопасного рабочего места оператора.

6.3 Гальваническое золочение

Гальваническое золочение -- это покрытие слоем золота различных изделий из других материалов методом гальваники, т.е. воздействием электрического тока. Позолота, нанесенная таким способом, имеет толщину максимум до десятков мкм; цель этой технологической процедуры -- предание изделию химической инертности для защиты от окисления и разрушения.

Пластины после напыления металлов поступают на золочение. Их загружают в гальваническую ванну из электроизолирующего и кислотоустойчивого материала (винипласта, стекла). Эта емкость может быть барабанного, колокольного или стационарного типа. В ванной находятся аноды и электролит. В процессе гальванизации раствор перемешивается, температура его поддерживается на постоянном уровне ~75 ^оС. Через раствор пропускают постоянный электрический ток, при действии которого осуществляется нанесение ионов золота на погруженное изделие. На аноде при методе погружения находится металлическая пластинка золота. Процесс длится до 15-20 минут.

Проблемы данной операции - крайне важное значение имеет химическая обработка перед напылением металлов и золочением, так как при не качественной или не верно подобранной обработке у золота нет достаточной адгезии к напылённому TiNi.

7. Исследование причин брака при производстве кремниевых СВЧ p-i-n меза-диодов

Причины брака при производстве кремниевых СВЧ p-i-n меза-диодов связаны с процессом изготовления приборов и предполагают различные отклонения параметров (толщины p+ -слоя, i-слоя, n+ -слоя) структуры прибора от норм, заложенных в конструкторско-технологической документации (КТД). Эти отклонения вызывают соответствующие изменения важнейших параметров приборов, таких как емкость (С), пробивное напряжение(U_проб), дифференциальное сопротивление (r_D), токи утечки (I_s). В работе исследовались отклонения параметров структуры приборов, которые удалось визуализировать с помощью простой и экспрессной методики контроля. Эта методика, основана на получении механических сечений меза-кристаллов вдоль верхнего контакта в плоскости перпендикулярной его основанию. Сечение производилось при помощи алмазной дисковой резки с шириной реза около 50 мкм (Рис. 1).

На Рисунке 1 представлено изображение меза-кристаллов со структурой p⁺-i-n⁺ диодов на пластине. Вдоль одного из рядов идут три линии реза, два из которых выделяют выбранный ряд кристаллов, а третий рез проходит вдоль контакта, разделяя прибор на две половинки. Далее на одной половинке сначала наблюдается и измеряется толщина диэлектрического покрытия, а затем после снятия этого покрытия наблюдается и измеряется контур боковой поверхности меза-структуры.

Вторая половина диода предназначена для проявления слоев различного типа проводимости и с этой целью обрабатывается в селективном травителе для кремния HF (1): HNO₃ (4): H₂О (5) в течении 1 минуты.



Рис.1. Изображение меза-кристаллов со структурами p⁺-i-n⁺ диодов на пластине

Данная методика не сертифицирована, находится на стадии лабораторной апробации и является аналогом общеизвестного метода измерения толщин полупроводниковых слоев на исходной пластине способом «шар-шлифа» [4]. Метод «шар-шлифа» позволяет локально с высокой точностью определять толщины полупроводниковых слоев разного типа проводимости, но он не дает пространственной картины активной структуры, в которой одновременно можно наблюдать как отдельные слои, так и отдельные детали конструктивных элементов прибора.

На Рисунке 2 представлено сечение боковой поверхности производственного мощного P⁺рN⁺ типа (здесь кремний р-типа означает высокоомный кремний p-типа проводимости с удельным сопротивлением более 2кОм марки КБО) меза диода трехсантиметрового диапазона длин волн в корпусе КД-105 предназначенного для переключения импульсной мощности в волноводных каналах.

Рис.2 Фрагмент сечения меза-кристалла Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона с боковой поверхностью покрытой слоем стекла марки GP601/W020

На этом изображении видно, что диэлектрическое покрытие на большей части боковой поверхности составляет по толщине около 13-17 мкм и область, где оно минимально (около 3мкм по толщине), совпадает с местом образования выступа у верхнего основания меза структуры, имеющего форму «зуба» с поперечным размером около 5-7 мкм. Этот элемент боковой поверхности меза структуры может критически повлиять на допустимую величину обратного напряжения U_обр и значения токов утечки прибора I_S. В месте минимальной толщины диэлектрическое покрытие обладает наименьшей электрической прочностью, что может привести к преждевременному отказу прибора из-за бросков рабочего напряжения при его эксплуатации. Проблема возникновения «зуба» связана с разной скоростью жидкостного травления поверхностного P⁺и базового р- слоя. В данном случае в процессе глубокого жидкостного травления скорость травления базового р-слоя была больше чем поверхностного P⁺слоя. Эта проблема обусловила необходимость контроля размеров «зуба» и нахождения технологических приемов для его минимизации. В ходе работы с целью минимизации размеров «зуба» при травлении P⁺ р N⁺ структур был разработан технологический прием, заключающийся в удалении нависающих краев маски фоторезиста перед каждым последующим этапом глубокого жидкостного травления меза структуры.

Рис.3 Фрагмент сечения меза-кристалла Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона с меньшей величиной выступа в виде «зуба» (около 3 мкм) у верхнего основания мезы и большей толщиной стекла (около 10 мкм) в месте его образования

На Рисунке 3 представлено изображение боковой поверхности меза структуры идентичной по своим размерам структуре, изображенной на Рисунке 2. Здесь величина выступа у верхнего основания мезы в виде «зуба» уменьшена до 3 мкм и толщина стекла в месте его образования увеличена до 10 мкм, что существенно больше, чем на Рисунке 2. Уменьшение размеров «зуба» удалось произвести благодаря более тщательному подбору режимов глубокого травления меза структуры. Формирование мезы происходило в несколько этапов с контролем глубины травления по величине бокового ухода диаметра верхнего основания структуры. После каждого этапа травления производилось механическое удаление края фоторезистивной маски, что обеспечивало доступ травителя к выступающей по периметру верхнего основания поверхности «зуба».

Рис.4 Фрагмент сечения меза-кристалла Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона без «зуба» и большей минимальной толщиной стекла (около 15 мкм) у верхнего основания мезы

На Рисунке 4 представлено изображение структуры аналогичной структуре на Рисунке 3, но без наличия «зуба» у верхнего основания. Как видно использование описанного выше способа позволило минимизировать размеры «зуба», или как в случае, изображенном на Рисунке 4свести его размеры практически до нуля.

Была предпринята попытка опробования другого варианта решения описанной выше проблемы заключающегося в использовании ступенчатой конструкции меза кристалла [5,6]. В процессе опробования этой конструкции травление ступеньки производилось жидкостным способом. Однако вместо ступенчатой, была получена меза структура с более пологой формой её боковой поверхности к нижнему основанию. На Рисунке 4 представлено изображение сечения такого меза кристалла с нанесенным на его боковую поверхность стеклом, толщина которого в месте образования выступов у верхнего основания структуры составляет не менее 11-14 мкм.



Рис.5 Фрагмент сечения меза-кристалла Si СВЧ P⁺ рN⁺ диода трехсантиметрового диапазона с пологой формой её боковой поверхности к нижнему основанию и нанесенным на боковую поверхность защитным покрытием из алюмосиликатного стекла большей толщины

На Рисунке 6 представлено сечение полупроводниковой P⁺ р N⁺ структуры кристалла, изображенного на Рисунке 5 с проявленными границами полупроводниковых слоев различного типа проводимости. Проявление переходов осуществлялось в травителе для кремния HF (10 мл): HNO₃ (40 мл): H₂O (50 мл) в течение 40 - 60 секунд.



Рис.6 Фрагмент сечения меза-кристалла Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона с проявленной структурой полупроводниковых переходов

Изображение на Рисунке 5 позволяет измерить толщину этих слоев и определить качество травления меза структуры заключающееся в полном или неполном удалении в пространстве между меза структурами материала i-слоя (в данном случае кремния р-типа проводимости). Толщина P⁺-слоя на Рисунке 5 составляет около 13 мкм, толщина i- слоя (р-типа проводимости) около155 мкм, толщина N⁺ слоя около109 мкм, при этом меза протравлена вглубь N⁺ слоя на 9 мкм.

Величина обратного напряжения U_обр. кристаллов с данной пластины составляла не менее 1500-1600 В при токе утечки I_S менее 10мкА. Можно предположить, что такие характеристики прибора при повышенном проценте выхода годных приборов ? (около 60%) несмотря на наличие «зуба» с размерами Z (около 5-7 мкм) были обеспечены более качественной защитой обоих переходов P⁺ р N⁺ структуры покрытием из алюмосиликатного стекла большей толщины X (около 11-14 мкм).

При анализе изображения на Рисунке 6 было замечено сглаживание контура верхнего основания меза структуры и отсутствие выступа в виде «зуба». Выступ в виде «зуба» присутствовал на этой же структуре как это видно на Рисунке 5 до обработки пластины в травителе для проявления P⁺ р N⁺ полупроводниковых переходов. Кроме того, на Рисунке 6 видно, что одновременно с удалением «зуба» боковая поверхность у верхнего основания меза структуры приобрела вид, при котором угол наклона фаски P⁺р перехода изменился в сторону уменьшения P⁺ слоя. При таком угле наклона фаски P⁺ р перехода и уменьшения P⁺ слоя, происходит увеличение длины области пространственного заряда у поверхности P⁺ слоя и снижение напряженности электрического поля в этом месте. Такая форма контура боковой поверхности меза структуры вместе со снижением в этом месте напряженности электрического поля является более благоприятной и для утолщения защитного покрытия у верхнего основания меза структуры, что должно значительно повысить допустимую величину обратного напряжения прибора в целом.

Было принято решение реализовать перечисленные выше преимущества и провести их опробование на опытной пластине. Для этого сначала был проведен обычный процесс глубокого жидкостного травления меза структур со стороны P⁺ слоя с заходом в толщу N⁺ слоя. Далее под маской фоторезиста боковая поверхность меза структур была дополнительно обработана в травителе состав, которого описан выше. Затем на полученные P⁺ р N⁺ меза структуры обычным способом было нанесено защитное покрытие в виде алюмосиликатного стекла. На Рисунках 7 (а, б) представлены изображения сечений меза структур, полученных таким способом приборов.

Рис.7(а) Фрагмент сечения Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона со сглаженным контуром боковой поверхности у верхнего основания меза-кристалла и нанесенным на эту поверхность защитным покрытием из алюмосиликатного стекла

На Рисунке 7(а) видно, что у верхнего основания P⁺ р N⁺ меза структуры прибора произошло сглаживание формы контура боковой поверхности и изменение угла наклона фаски P⁺ р перехода в сторону уменьшения P⁺ области.

Минимальная толщина защитного покрытия на боковой поверхности у верхнего основания меза структуры составила около 7 мкм.



Рис.7(б) Фрагмент сечения Si СВЧ P⁺ рN⁺диода трехсантиметрового диапазона со сглаженным контуром боковой поверхности меза-кристалла у его верхнего основания и проявленными переходами

На Рисунке 7 (б) представлено сечение этого же меза кристалла с проявленными полупроводниковыми переходами. Толщина P⁺-слоя составляет около 8 мкм, толщина р-слоя около138 мкм, толщина N⁺ слоя около 97 мкм, при этом меза протравлена вглубь N⁺ слоя на 11 мкм. На данной пластине наблюдался процент выхода годных приборов ? (около 33%). Величина обратного напряжения U_обр таких приборов составляла не менее 1600 В при норме 1450 В и токе утечки I_S не более 10 мкА. На остальных пластинах из той же партии, где сглаживание боковой поверхности не производилось, процент выхода годных приборов оказался крайне низким ? (1-2%). Нужно заметить, что на пластине со сглаженным контуром боковой поверхности выходные параметры были обеспечены при толщине меньшей примерно в 2 раза защитного покрытия и толщине р слоя на 17 мкм меньше чем на пластине с образцом сечения представленного на Рисунках 4, 5. По результатам проведённой работы в хронологическом порядке была составлена сводная Таблица№1 данных исследованных в ходе анализа брака P⁺рN⁺ структур.

Таблица №1

Связь электрических и конструктивных параметров P⁺ р N⁺ меза структур трехсантиметрового диапазона с процентом выхода годных кристаллов ? на пластинах с различными значениями

№	Uобр,В	Is, мкА	i-слой, мкм	X, мкм	Z,мкм	Д i-слоя, мкм	ДN+,мкм	?,%
1	1400	>10	132-137	2-4	5-7	0	0-10	0
2	1300	>10	134-136	2-4	4-5	0	20	0
3	1300	>10	139-141	4-2	4-5	0	20	0
4	1600	?10	143-157	11-14	5-7	0	10-15	60
5	1500	?10	129-137	6-10	4-5	0	0-10	12
6	1500	?10	132-142	3-4	4-5	0	30	3
7	1500 -1600	?10	128-144	6-10	4-5	0	20	22
8	1500	?10	142-147	3-5	5-7	0	10-25	2
9	1600	?10	130-145	4-7	0	0	15-25	33
10	1000 -1200	>10	133-147	10-13	2-3	2-14	0	0
11	1000-1200	>10	131-141	6-10	2-3	2-4	0	0
12	1500-1600	?10	136-140	8-9	2-3	0	0-9	15
13	1500	?10	135-140	2-4	3-4	0	10-20	8
14	1500	?10	138-148	8-10	3-5	0	7-20	18
15	1500	?10	136-142	10	0	0-10	0-7	70

U_обр. - величина обратного напряжения(В);

I_s-величина обратного тока утечки(мкА); i-толщина слоя базы диода(мкм);

X- минимальная толщина стекла у верхнего основания меза структуры(мкм);

Z -величина выступа в виде «зуба» у верхнего основания меза структуры(мкм);

Дi-остаточная толщина i-слоя при его неполном удалении(мкм);

ДN⁺-глубина захода мезы в толщу N⁺-слоя(мкм);

? процент выхода годных приборов(%).

Из Таблицы №1 следует, что процент выхода годных приборов со значениями обратного напряжения U_обр. не менее 1500 В связан с наиболее благоприятным сочетанием перечисленных выше параметров меза структуры. При уменьшении минимальной толщины диэлектрического покрытия у верхнего основания меза структуры Х менее 5мкм и увеличении размера «зуба» Z до 5 мкм и более процент выхода годных приборов ? резко снижается до нуля (пластины №1, 2, 3, 6, 8). Наиболее благоприятным сочетанием для получения повышенного процента выхода годных приборов является значение Х не менее 10 мкм при Z не более 2 мкм при толщине базового i-слоя не менее 135 мкм. Другим параметром, влияющим на резкое снижение процента выхода годных приборов, является неполное удаление i-слоя на операции травления мезы (10,11). Согласно данным приведенным в таблице№1 можно выделить три лучших результата.

1. Наибольший процент выхода годных кристаллов (около 70%) с уровнем обратного напряжения не менее 1500 В при токах утечки менее 10 мкА получен на производственной пластине №15. На меза структурах с этой пластины согласно Рисунку 4 с толщиной базового i-слоя 136-142 мкм практически полностью отсутствует выступ в форме «зуба» у верхнего основания кристалла. При этом у верхнего основания меза кристалла минимальная толщина диэлектрического покрытия Z составляет около 10 мкм и у большей части структур меза протравлена с заходом в толщу N⁺ слоя до 7 мкм.

2. Второй результат по величине процента выхода годных кристаллов (около 60 %) с уровнем обратного напряжения от 1500 до 1600 В при токах утечки менее 10 мкА получен на опытной пластине №4. На этой пластине согласно Рис.4,5, несмотря на наличие «зуба» с линейными размерами Z (около 5-7 мкм) в качестве компенсирующего фактора наблюдалось более толстое и однородное покрытие стеклом всей боковой поверхности меза структуры X (не менее 11-14 мкм). У этих структур изначально был сформирован и более протяженный i-слой(143-157 мкм).

3.Третий результат по проценту выхода годных приборов ? (около33%) получен на опытной пластине №9. Эта пластина характеризуется отсутствием выступа в виде «зуба» и сглаженным контуром формы боковой поверхности у верхнего основания меза структуры, которая изображена на Рисунках 7 (а, б). Здесь повышенный процент выхода годных приборов наблюдался при меньшей в 2 раза, чем на пластине №4 минимальной толщине защитного покрытия на боковой поверхности меза структуры X (около4-7мкм) и меньшей на 12 мкм толщине i-слоя (около 130-145 мкм).

На остальных пластинах (5, 12, 13, 14), изготовленных с минимальным размером «зуба» Z (около 2-5 мкм), объяснение причин пониженного процента выхода годных меза структур по величине обратного напряжения вероятнее всего связано с повышенной степенью дефектности исходных структур. В частности, для получения высоких значений величины обратного напряжения чрезвычайно важно количество электрически активных дефектов как на границе раздела между боковой поверхностью меза структуры и защитным покрытием, так и в объёме кристалла.

На Рисунке 8(а) представлено изображение боковой поверхности меза структуры с пластины №4 с повышенным процентом выхода годных приборов после её обработки в составе кислот для ускоренного травления P⁺ слоя. На Рисунке 8(б) изображение скола этой же структуры, где таким же способом проявлены дефекты, находящиеся в объёме меза структуры.

Видно,что на боковой поверхности меза структуры как и в её обьёме присутствуют дефекты кристаллической структуры типа дефектов упаковки и дислокаций. Причем на исходной поверхности меза структуры после её травления в полирующем травителе эти дефекты не выявляются хотя именно они после нанесения защитного покрытия могут быть причиной снижения величины обратного напряжения и увеличения токов утечки прибора.

Рис.8(а) Боковая поверхность меза структуры после последовательной обработки в составе кислот для селективного травления P⁺ слоя и состава для снятия образующегося после этого слоя окисла



Рис.8 (б) Изображение скола меза кристалла с проявленными дефектами в объёме структуры

На рисунке 9 представлено изображение сечения меза-кристалла Si СВЧ p-i-n диода после удаления с помощью плавиковой кислоты (HF) диэлектрического покрытия с его боковой поверхности. Кремниевый меза-кристалл с его системой металлизации не травится в HF и после снятия стекла детали контура его боковой поверхности можно наблюдать более четко. Это позволяет точней определить форму боковой поверхности меза-кристалла и в частности измерить линейные размеры «зуба». В данном случае размеры «зуба» около 7 мкм Ч 10 мкм. Этот элемент боковой поверхности прибора, как сказано выше, появляется после операции глубокого жидкостного травления меза-структуры и является следствием разных скоростей травления сильнолегированной p⁺ области и высокоомного i-слоя.

Рис.9 Сечение меза-кристалла с проявленными переходами. Толщина p+-слоя 13 мкм, толщина i-слоя 147 мкм, толщина n+-слоя 98 мкм, толщина непротравленного i-слоя около 23 мкм



На Рисунке 10 представлено изображение фрагмента меза-кристалла, представленного на Рисунке 2, после обработки его в селективном травителе, предназначенном для проявления p-n переходов.

Рис.10 Проявленное сечение p⁺-i-n⁺ структуры см диапазона. Толщина p⁺-слоя 11мкм, толщина i-слоя 157мкм

Изображение позволяет провести измерения толщин всех активных слоев исходной p⁺-i-n⁺ структуры с помощью микроскопа и проверить соответствие полученных данных требованиям КТД.

Из анализа изображений следует, что возможны две ситуации. На Рисунке 9 меза-структура недоформирована, а именно i-слой не протравлен на всю глубину с заходом в толщу n⁺-слоя, как это требуется согласно КД. В результате диэлектрическая изоляция нижнего n⁺-i перехода стеклом марки GP601/W020 отсутствует.

На Рисунке 10 меза-структура протравлена на всю глубину i-слоя с заходом в толщу n⁺-слоя, это обеспечивает диэлектрическую изоляцию обоих активных переходов p⁺-i-n⁺ структуры, высокие пробивные напряжения, малые токи утечки и стабильную работу прибора в целом. Как видно из представленных снимков, использованная методика обладает большим пространственным разрешением и позволяет с необходимой точностью производить послойные измерения важнейших конструктивных элементов прибора на уровне меза-кристалла. Точность измерений зависит от разрешения используемого измерительного устройства. В данном случае измерения производились с помощью оптического микроскопа с ценой деления измерительной сетки 2,5 мкм. Получение изображений сечений различных приборов требует проведения тонких ручных манипуляций с образцами меза-кристаллов. Эти образцы могут быть получены как на различных этапах изготовления прибора на исходной пластине, так и в своем законченном виде после разделения пластин на кристаллы и их разбраковки по параметрам.

В первом случае представляет большой интерес получение максимально протяженных образцов. Это необходимо для получения информации об изменении параметров полупроводниковой структуры вдоль выбранного направления на пластине.



а) область длиной 5 мм от центра пластины;

б) область от 5 до 10 мм от центра пластины;



в) область от 10 до 15мм от центра пластины;

г) область от 15 до 20мм от центра пластины.

Рис.11. Фрагменты сечения боковой поверхности образца исходной полупроводниковой структуры вырезанного в виде полоски длиной 30 мм и шириной 1 мм

На Рисунках 11 (а, б, в, г) представлено проявленное сечение 4-х фрагментов боковой поверхности образца в виде полоски длиной около 30мм, отрезанной от края пластины со структурой p⁺-р-n⁺ типа (р-этим символом обозначается высокоомная область базы диода p-типа проводимости). В результате данного анализа обнаружено наличие так называемого «клина» или изменения толщин полупроводниковых слоев от края пластины к её центру. Наличие «клина» толщин слоев активной структуры на исходной пластине является важнейшей производственной проблемой. Для решения этой проблемы требуется проведение более тщательного входного контроля полупроводниковых p-i-n структур поступающих в производство.



а) сечение в виде полоски меза-структур, объединённых общим слоем подложки до разделения пластины на кристаллы;

б) увеличенный фрагмент рис. 10а. у верхнего основания меза-структуры в области образования «зуба», где толщина диэлектрического покрытия минимальна и составляет около 4 мкм

Рис.12 Сечения меза-кристаллов с нанесенным на боковую поверхность меза-структур диэлектрическим покрытием



На Рисунках 12 представлены изображения сечений меза-кристаллов, где минимальная толщина диэлектрического покрытия в области «зуба» составляет около 4мкм. Эти образцы позволяют сделать заключение о причинах повышенного процента брака (менее 10% годных) по пробивному напряжению (U_проб) на данной пластине вследствие недостаточной толщины диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-кристалла.

На Рисунках 13 изображен образец с более толстым защитным покрытием (около 14мкм в области «зуба»). У меза-кристаллов с более толстым диэлектрическим покрытием наблюдался повышенный процент выхода годных приборов с пластины (более 50 %).

Рис.13 а) сечение в виде полоски меза-структур, объединённых общим слоем подложки до разделения пластины на кристаллы



б) увеличенный фрагмент рис. 13а у верхнего основания меза-структуры в области образования «зуба», где толщина диэлектрического покрытия минимальна и составляет около 14мкм

Рис.13 Фрагменты сечения меза-кристалла с нанесенным на боковую поверхность меза-структур с более толстым диэлектрическим покрытием

Рассмотрим случай, когда пластина со сформированной системой металлизации разделена на кристаллы и произведена их разбраковка по параметрам. В этом случае использованная методика получения сечений меза-кристаллов позволяет провести анализ произвольной выборки меза-структур и оценить качество их исполнения.

Выделенные образцы сечений кристаллов, необходимо зафиксировать на основание-держатель. Этот держатель, должен позволить производить всевозможные манипуляции с образцами и в частности производить обработку сечений кристаллов в различных составах химических травителей. В данном случае фиксирование образцов на торец кристалла (сечением вверх) производилось на кремниевую пластину с помощью химически стойкого лака типа ХВ-784. Важно зафиксировать образец сечением строго параллельно основанию, без чего невозможно обеспечить одинаковую глубину резкости по всей площади изображения и высокую точность измерения. Особенно трудно это сделать в случае анализа отдельной выборки кристаллов. Для получения их сечений необходимо зафиксировать на носитель отдельные кристаллы точно вдоль линии предполагаемого реза. Далее после резки кристаллов необходимо осторожно отделить половинки меза-структур от одного носителя и зафиксировать их на торец меза-кристалла на другой носитель. Это также надо сделать сечениями вверх, параллельно основанию пластины держателя. На Рисунке 9 представлен и описан анализ сечения отдельного прибора, забракованного после разделения пластины на кристаллы. Прибор не соответствовал нормативам по причине низкого значения пробивного напряжения. Согласно описанию этого рисунка причина низкого значения пробивного напряжения может быть связана с наличием остаточной части i-слоя, в результате чего отсутствует диэлектрическая изоляция нижнего n⁺-i перехода стеклом марки GP601/W020.

Рассмотрим еще одну проблему, возникшую при анализе брака кремниевых Si СВЧ p⁺-i-n⁺ диодов. Данный вид брака, как будет показано далее, оказался связан с ошибками, допущенными на входном контроле исходных полупроводниковых структур.

Определяющими параметрами годности или брака данного прибора является величина динамического сопротивления(R_d) диода, величина U_проб и его рабочей емкости (С_d). На Рисунке 14 представлена эквивалентная схема диода, из которой следует, что R_d зависит от величины переходного сопротивления.



Рис.14. Эквивалентная схема диода металлизации прибора к сильнолегированным p⁺ и n⁺областям (r_s) и от сопротивления базы диода (R_i), определяемой её удельным сопротивлением и длиной.

На Рисунке 15 представлен общий вид меза-кристалла СВЧ p⁺-i-n⁺ диода. Данный прибор представляет собой меза-структуру, которая сформирована внутри окружающего её цельного кремниевого каркаса, отделенного от него свободным пространством в виде замкнутой полости.



Рис.15 Общий вид меза-кристалла Si СВЧ p⁺-i-n⁺ диода дециметрового диапазона.

Особенности конструкции этого диода обусловливают трудности контроля глубины травления меза-структуры и воспроизведения размеров её верхнего основания. Это связано с тем, что существующая для других типов приборов методика контроля глубины травления не приемлема из-за отсутствия свободного доступа в пространство между соседними меза-кристаллами. Это пространство занято внешним каркасом прибора, придающим необходимую механическую прочность исходной полупроводниковой пластине.

Прямое динамическое сопротивление диода (R_d) напрямую зависит от длины i-слоя, пробивное напряжение (U_проб) зависит от толщины i-слоя, формы и глубины травления меза-структуры, наличия диэлектрической изоляции по всей боковой поверхности p⁺-i-n⁺ диода. емкость диода (С_d) -зависит от толщины i-слоя и площади p⁺-i-n⁺ переходов прибора.

Для определения причин производственного брака прибора, изображенного на Рисунке 9 по прямому динамическому сопротивлению R_d и пробивному напряжению U_проб, были исследованы кристаллы со сформированными металлизационными системами, на которых предварительно были измерены их электрические параметры на пластине.

Вдоль предварительно вырезанного ряда было проведено измерение по прямому динамическому сопротивлению (R_d) и пробивному напряжению (U_проб) и емкости (С_d) меза-кристаллов от одного края полоски до другого. Данные по прямому динамическому сопротивлению (R_d) были сведены в Таблицу №2 согласно нумерации кристаллов в вырезанном образце. Далее тот ряд был рассечен вдоль верхних контактов на установке алмазной дисковой резки (с шириной реза 50мкм). Одна из половинок полученной полоски с меза-кристаллами была зафиксирована с помощью лака ХВ-784 торцом вверх на поверхности пластины-держателя. Далее полоска с меза-кристаллами на поверхности пластины держателя была обработана в травителе для проявления p-n переходов HF (10мл): HNO₃ (40мл): дистиллированная H₂О (50мл) в течении 1 минуты.

...