Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при создании твердотельных многокристальных переключательных и ограничительных элементов (модулей) для применения в гибридно-интегральных переключательных и защитных СВЧ устройствах активного и пассивного типа.

Известен способ изготовления бескорпусных СВЧ приборов на основе p-i-n структур прямоугольной формы, заключающийся в том, что на полупроводниковой пластине, содержащей легированные слои p⁺, n⁺ и i-высокоомный слой, механической обработкой алмазными дисками и проволокой формируют решетку в виде взаимно перпендикулярных двойных канавок, пересекающих границы слоев (p⁺-i)- и (n⁺-i) /1/. Затем на поверхность пластины наносят слой металлизации и с помощью контактной фотолитографии формируют контактные площадки к прямоугольным ячейкам решетки. После чего канавки заполняют защитным слоем диэлектрика и механической резкой разделяют пластину на отдельные приборы.

Недостатком данного способа изготовления приборов является пригодность формирования только крупных по размеру кристаллов - более 100 мкм, для использования в волноводных линиях передачи СВЧ сигнала. Из-за больших геометрических размеров СВЧ приборы имеют низкое быстродействие и большие потери. Кроме того, применение данного способа требует сложного дорогостоящего оборудования для прецизионной резки полупроводниковых пластин алмазными полотнами. Механическая резка приводит к нарушению кристаллической решетки полупроводниковых структур, что в дальнейшем сказывается на надежности работы изделия. Поэтому данный способ технологически сложен и трудоемок.

Известен также способ изготовления бескорпусных кремниевых p-i-n диодов с балочными выводами для применения в микрополосковых устройствах /2/. Согласно этому способу на низкоомной кремниевой подложке n⁺-типа проводимости (кристаллографическая ориентация <100>) с помощью эпитаксиального наращивания создают высокоомный слой кремния n-типа и последующей фотолитографией формируют прямоугольные меза-структуры высотой 5 мкм. После нанесения на пластину защитного слоя диоксида кремния на поверхности меза-структур вскрывают окна в диэлектрическом слое и проводят легирование примесью p⁺-типа на глубину 0,8 мкм. Затем рядом с каждой меза-структурой вытравливают по две поперечные канавки глубиной 40 и 10 мкм. При этом более глубокую канавку заполняют стеклом и с помощью термического распыления металлизации титан-золото в вакууме и последующей электрохимической гальваники золота формируют балочный вывод к p⁺-областям. Затем обратную сторону кремниевой пластины сошлифовывают до появления дна канавки, заполненной стеклом, а под меза-структурой вытравливают углубление до поверхности металлизации в более мелкой канавке.

Данный способ изготовления бескорпусных кремниевых p-i-n диодов также имеет существенные недостатки. Способ основан на использовании эпитаксиальных кремниевых структур, у которых низкоомная подложка имеет сопротивление 0,01 Ом∗см, что обуславливает повышенные потери СВЧ сигнала. С другой стороны, формирование балочных выводов диодов с одной стороны кристалла ограничивает применяемость приборов для параллельного включения в микрополосковые схемы. Существенным недостатком данного способа изготовления СВЧ диодов является применение механической шлифовки, большого количества фотолитографических процессов и прецизионного травления на разные глубины. Эти недостатки усложняют технологию производства, повышают себестоимость изделий и ведут к низкому проценту выхода годных приборов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления полупроводниковых ограничительных диодов сверхвысокочастотного диапазона групповым методом, который включает формирование на сильнолегированной полупроводниковой подложке эпитаксиального слаболегированного полупроводникового слоя одного типа проводимости с подложкой, защиту его слоем диэлектрика, формирование в полупроводниковой структуре со стороны эпитаксиального слоя сетки реперных канавок на глубину, которая превышает толщину эпитаксиального слоя, создание локальных контактов, сплошного слоя металлизации и толстого несущего медного покрытия, стравливание подложки до вскрытия сетки из реперных канавок с ее обратной стороны, удаление толстого несущего слоя меди и разделение полученной структуры на отдельные элементы /3/. Перед формированием сетки из реперных канавок создают в эпитаксиальном слое локальные области с типом проводимости, противоположным типу проводимости эпитаксиального слоя, а перед удалением толстого несущего слоя меди наносят слои металлизации на всю поверхность утоненной подложки и затем формируют интегральный медный теплоотвод заданной толщины. Разделение полученной полупроводниковой структуры выполняют по реперным канавкам с помощью алмазной дисковой резки.

Недостатком способа-прототипа является применение механической резки, большого количества фотолитографических процессов и прецизионного травления. Эти недостатки усложняют технологию производства, повышают себестоимость изделий и ведут к низкому проценту выхода годных приборов.

Усложнение технологического процесса для группового создания приборов на тонкой полупроводниковой пластине за счет необходимости вытравливания сетки реперных знаков-канавок для визуального контроля за процессом утонения подложки, стравливание подложки до вскрытия сетки реперных канавок с ее обратной стороны с помощью плазмохимического травления ввиду слабоконтролируемой избирательности приводит к неоднородному стравливанию подложки до вскрытия сетки реперных канавок по площади подложки и, как следствие, либо к перетравливанию, либо недотравливанию подложки по площади пластины, что дает большой разброс толщины пассивной балластной части кристалла и, соответственно, разброс рабочей емкости диода, снижение съема годных элементов с тонких платин большого диаметра и, соответственно, снижение процента выхода годных.

Необходимость нанесения несущего слоя меди на планарную поверхность пластины до утонения подложки не позволяет в дальнейшем проводить высокотемпературные процессы подлегирования подконтактных областей для снижения сопротивления СВЧ потерь и не гарантирует целостность структуры в процессе выполнения последующих технологических операций из-за деформации рабочей пластины, вследствие различных коэффициентов температурного расширения кремния и меди. Способ основан на использовании эпитаксиальных кремниевых структур, у которых низкоомная подложка имеет сопротивление 0,008 Ом∗см, что обуславливает повышенные потери СВЧ сигнала.

Задачей настоящего изобретения является повышение процента выхода годных приборов за счет упрощения способа их производства.

Это достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового прибора для управления СВЧ мощностью на основе p-i-n структур, включающем равномерное утонение центральной части полупроводниковой пластины, создание на обеих сторонах центральной части пластины пар локальных углублений с плоским дном в местах расположения меза-структур, легирование выделенных областей на обеих сторонах пластины акцепторной и донорной примесями, формирование балочных выводов на противоположных сторонах пластины с областями взаимного перекрытия и получение парных меза-структур приборов, равномерность толщины пластины-мембраны, локальных пар углублений с плоским дном достигается стравливанием низкоомной подложки - высоколегированных областей - с высокоомной эпитаксиальной структуры путем селективного травления - избирательного к концентрации примеси.

Формирование высоколегированных областей в одном технологическом цикле позволяет снизить сопротивление СВЧ потерь приборов.

Создание локальных углублений в местах расположения только правых (левых) меза-структур на верхней стороне пластины, а также в местах расположения только левых (правых) меза-структур на нижней стороне пластины и последующее двухстороннее легирование пластины донорной (акцепторной) примесью позволяет снизить общее количество технологических операций на тонких пластинах-мембранах и существенно увеличить на выходе количество пластин-мембран, прошедших весь технологический цикл.

Предлагаемый способ характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность предложенного способа изготовления полупроводниковых приборов для управления СВЧ мощностью иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена последовательность предлагаемого способа:

а) 1 - исходная полупроводниковая пластина,

б) 2 - пластина-мембрана, полученная из полупроводниковой пластины 1 путем уменьшения ее толщины в центральной области методом изотропного химико-динамического травления, не достигая границы перехода n-n+,

в) 3 - мембрана, полученная из полупроводниковой пластины 2 путем селективного (анизотропного) полного стравливания низкоомной подложки n+ с эпитаксиального n-слоя,

г) 4 - высоколегированный слой путем легирования мембраны,

5 - маскирующий слой, который наносится затем,

д) 6 - фоторезистивный слой, в котором с помощью процессов фотолитографии сформированы окна 7 под диффузию примеси,

е) 8 - локальные углубления в окнах 7 с нижней стороны и с верхней стороны полупроводниковой пластины-мембраны,

ж) 9 - высоколегированные области вторым типом примесей,

з) мембрана 3 с высоколегированными слоями 4, имеющими p⁺-тип проводимости, и слоями 9, имеющими n⁺-тип проводимости, после нанесения защитного покрытия 10, в котором после проведения процессов фотолитографии вскрыты локальные 11 окна в фоторезистивном слое 12 и защитном покрытии 10 под формирование контактов и балочных выводов,

и) мембрана 3, в которой проведено формирование балочных выводов 13 с одной и с другой стороны пластины путем напыления металлизации в вакууме и гальванического наращивания металла,

к) мембрана 3 после сквозного химического травления для формирования меза-структур 14.

На фиг.2 представлен вид полученного предложенным способом СВЧ прибора, имеющего нижний балочный вывод 15, верхний балочный вывод 16 и кристалл в виде меза-структуры 17, расположенной между балочными выводами.

Предлагаемым способом были изготовлены опытные образцы бескорпусных полупроводниковых ограничительных приборов для применения в самоуправляемых микрополосковых защитных СВЧ устройствах. Для изготовления приборов использовались однослойный высокоомные эпитаксиальные структуры диаметра 60 мм 10КЭФ400/400КЭМ 0,002 (111).

После технологических операций химической очистки и отмывки в изотропном полирующем травителе состава 1 ч. HF: 5 ч. HNO₃: 1ч. CH₃COOH химико-динамическим травлением низкоомная подложка в центральной части утоньшалась до минимально возможной толщины 10÷20 мкм, не достигая перехода «низкоомная подложка-эпитаксиальный слой». В результате этой операции кремниевая пластина 1 приобретала профилированную форму с периферийной зоной шириной 5 мм исходной толщины (несущее кольцо) и центральную (мембрана) со слоем низкоомного кремния подложки толщиной 10÷20 мкм. Затем оставшаяся часть низкоомной подложки полностью удалялась травлением в селективном травителе состава 1 ч. НF: 3 ч. HNO₃: 8 ч. CH₃COOH. В результате этой операции создается рабочая часть пластины-мембраны 2 равномерной толщины по всей центральной площади, равной толщине эпитаксиального слоя 10±0,1 мкм. После процессов создания кремниевой пластины-мембраны 2 обе рабочие поверхности легируются примесью бора методом высокотемпературной диффузии при температуре 1100°C в окисляющей среде в течение 10 минут. Были получены легированные слои p⁺ типа проводимости толщиной 1,0 мкм с поверхностной концентрацией ≈3∗10²⁰ см^-3. Следующей технологической операцией является нанесение защитного слоя диоксида кремния толщиной 0,5 мкм методом пиролитического разложения тетраэтоксилана при температуре 320°C.

Затем с помощью фотолитографических процессов в защитном покрытии диоксида кремния 4 травлением в буферном водном травителе состава NH₄F∗HF формировались окна 5 прямоугольной формы таким образом, что окна на одной стороне пластины-мембраны составляли пары с окнами на другой стороне. Размеры окон составляли 50×50 мкм, а расстояние между окнами одной пары с одной и другой стороны пластины составляло 50 мкм. Фоторезистивный слой 5 не снимался. Далее в этих окнах проводился двухстадийный процесс травления высоколегированного слоя p⁺-типа в селективном травителе 1 ч. HF: 3 ч. HNO₃: 8 ч. CH₃COOH до полного стравливания, а затем травление высокоомного кремния в изотропном травителе 1 ч. HF: 5 ч. HNO₃: 1 ч. CH₃COOH на глубину 1,0÷1,5 мкм в течение 5-10 секунд. Фоторезистивный слой 5 после травления удалялся. Таким образом были сформированы окна с одной стороны пластины-мембраны 7 и с другой стороны 8. Оставшийся защитной слой диоксида кремния 4 служит в дальнейшем маской при диффузии примесей. Затем в сформированные окна проводилась диффузия примесей противоположного типа проводимости n⁺ (фосфора). Легирование проводилось при температуре 1000°C в течение 10 минут в атмосфере инертного газа (аргона). Были получены легированные слои n⁺ типа проводимости толщиной 1,1÷1,2 мкм с поверхностной концентрацией ≈1∗10²¹ см^-3, при этом диффузионные параметры ранее сформированных слоев p⁺ типа проводимости при данных температурных воздействиях оставались практически неизменными. Далее защитной слой диоксида кремния 4 полностью удалялся с обеих сторон пластины-мембраны 1, и вновь наносился слой диоксида кремния 10 методом пиролитического разложения тетраэтоксилана толщиной 0,3 мкм при температуре 320°C. Затем во вновь сформированном слое диоксида кремния 10 фотолитографией (совмещение выполнялось по границам локальных углублений) в буферном водном травителе состава NH₄F∗HF вскрывались контактные окна 11, по конфигурации соответствующие форме и размерам балочных выводов приборов. Последующее двухстороннее нанесение контактной металлизации осуществлялось термическим испарением металлизации нихром-золото в вакууме. Толщина напыленных слоев составила 0,5 мкм. Для формирования балочных выводов в окнах 11 применялся метод «взрывного» снятия фоторезистивного слоя 12 путем химической обработки пластины-мембраны 1 в нагретом до температуры 130÷150°C моноэтаноламине в течение 10 минут. Получение объемных балочных выводов 13 и 14 осуществлялось гальваническим наращиванием золота толщиной 7÷10 мкм из цитратного электролита на основе дицианоаурата калия на контактные металлизированные области. Далее проводилось травление защитного слоя диоксида и сквозное травление кремния с обеих сторон одновременно в травителе 1 ч. HF: 8 ч. HNO₃: 1 ч. CH₃COOH. После чего травлением удаляли с внутренней поверхности балочных выводов 13 и 14 подслой нихрома в 20% растворе соляной кислоты при температуре 50÷70°C. В результате представленных технологических операций были сформированы полупроводниковые меза-структуры 15 с размером 40÷50 мкм, расположенные между верхними 13 и нижними 14 балочными выводами.

Созданный по данной технологии СВЧ прибор показан на фиг.2. Прибор содержит два полупроводниковых кристалла с p-i-n структурой 15, заключенные между взаимно перпендикулярными балочными выводами 13 и 14, которые обеспечивают возможность параллельного включения прибора в микрополосковую СВЧ линию.

Предложенный способ по сравнению с известным аналогом содержит меньшее количество технологических операций: нанесения защитных покрытий и процессов фотолитографии; высокоомные эпитаксиальные кремниевые пластины-мембраны, изготовленные двухэтапным изотропным химико-динамическим травлением и селективным травлением, имеют разброс по толщине ±0,5 мкм, что значительно уменьшает разброс электрических параметров приборов, зависящих от толщины полупроводникового кристалла, и, как следствие, повышает процент выхода годных изделий; формирование локальных углублений в пластине-мембране двухэтапным селективным и изотропным химико-динамического травлением также повышает идентичность электрических параметров приборов.

Таким образом, за счет сокращения технологических операций, с одной стороны, и введения технологических операций, повышающих прецизионность формирования элементов пластины-мембраны, увеличивается процент выхода годных приборов.

Источники информации

1. Патент Франции №2341205.

2. Патент США №4097890.

3. Патент РФ №2452057 - прототип.