СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДА С ВИСКЕРОМ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
METHOD OF MANUFACTURING DIODE WITH TERAHERTZ RANGE WHISKER

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, к приборам с объемными и балочными выводами, и предназначено для создания как дискретных сверхвысокочастотных (СВЧ), крайне высокочастотных (КВЧ) и терагерцовых (ТГц) диодов, так и монолитных интегральных схем (МИС) модуляторов, смесителей, умножителей, переключателей, аттенюаторов, фазовращателей, детекторов и др. на их основе.
В общем случае, для повышения рабочей частоты и расширения рабочего диапазона частот прибегают к уменьшению значений параметров активных и пассивных составляющих конструктивных частей диода (далее - частей). Следует отметить, что в современных СВЧ, КВЧ и ТГц диодах значения параметров основного активного нелинейного элемента - выпрямляющего контакта, часто бывают соизмеримы, или даже меньше значений параметров пассивных конструктивных частей. Уменьшение значений параметров активных и пассивных частей таких диодов (емкости С, сопротивления R и индуктивности L) осуществляется уменьшением диаметров D выпрямляющих контактов, увеличением площади омических контактов, использованием более тонких и высоколегированных активных эпитаксиальных слоев, утолщением, уширением и сокращением объемных или балочных выводов и т.д.
+
+
2
br
br
Известен способ создания СВЧ-диодов по планарным технологиям с балочными и объемными выводами к анодным контактам микронных размеров [1]. В способе [1] на поверхности n-слоя эпитаксиальной n-n-i арсенид-галлиевой GaAs{100} структуры формируется маскирующий слой диэлектрика (например, SiO), в котором методами фотолитографии создаются два окна необходимой формы - резистивная маска. Затем по резистивной маске формируются окна в диэлектрике и в барьерном n-слое к высоколегированному контактному n-слою полупроводниковой структуры, в которых затем одновременно формируются сплавные низкоомные омические контакты (ОК), один из которых имеет U-образную форму и является катодом, а второй - прямоугольную и является основанием для формирования на нем анодной контактной площадки. После этого в том же слое диэлектрика между U-выступами катода методами литографии формируется окно диаметром D к барьерному n-слою, в котором и создается выпрямляющий анодный контакт Шоттки. После этого формируют катодные и анодные контактные площадки. Катодная контактная площадка обычно формируется непосредственно на катоде, а анодная - на основании из второго омического контакта, что и повышает ее прочность. Одновременно с формированием контактных площадок происходит формирование анодного вывода к выпрямляющему контакту в виде балки длиной l и шириной W, лежащей на слое диэлектрика, или на полупроводниковой поверхности n-слоя. Изоляция анодного вывода от катода осуществляется обтравливанием структуры по маске диэлектрика, сформированной вокруг анодных и катодных контактных площадок с обеих сторон от узкого анодного вывода. Травление мезы глубиной по крайней мере до полуизолирующего i-слоя приводит к растраву полупроводникового материала с обеих сторон анодного вывода и формированию воздушного канала в полупроводниковой структуре под его узкой частью как можно ближе к анодному контакту.
Данный способ изготовления планарного диода с балочными и объемными выводами имеет существенный недостаток, связанный со сложностью контроля процессов травления воздушного канала под лежащим на поверхности барьерного слоя или диэлектрика анодным выводом и связанным с этим ограничением по ширине узкой части анодного вывода. Обычно ширина анодного вывода не превышает 5-6 мкм. При этом величина подтрава под анодный вывод сильно влияет на величину паразитной МДП емкости.
+
+
Известен способ создания диодов по планарным технологиям с не лежащими на поверхности, а нависающими над ней выводами в виде воздушных мостов, соединяющих расположенный на верхней площадке мезы анод с его контактной площадкой, расположенной на полуизолирующем i-слое у основания мезы - способ "Меза-подложка" [2]. В этом способе на поверхности n-слоя эпитаксиальной n-n-i кремниевой Si структуры по маске фоторезиста или диэлектрика формируется окно U-образной формы в барьерном n-слое к высоколегированному катодному n-слою, в котором затем методом взрывной литографии формируется сплавной низкоомный омические контакт на основе сплава AuGeNi. Затем, по маске резиста вокруг омических контактов обтравливается меза глубиной как минимум до полуизолирующего i-слоя. После этого на поверхность i-слоя полупроводниковой структуры наносится толстый (>5 мкм) слой резиста, в котором на поверхности мезы к анодному n-слою методами литографии между U-выступами омического контакта формируется прямоугольное 2×10 мкм окно анодного контакта, а на i-слое у основания мезы - окно анодной контактной площадки. После этого на маску резиста напыляется тонкий слой барьерной TiW-Au металлизации, наносится резистивная маска для гальванического наращивания воздушного моста и контактной площадки. После гальванического наращивания удаляется верхний резист, гравируется TiW-Au металлизация и в завершение из-под мостиков удаляется нижний резист.
Данный вариант изготовления планарного диода имеет существенный недостаток, связанный с использованием толстых (>5 мкм), превышающих высоту мезы резистивных масок. Такие маски необходимы для формирования грибообразного металлического вывода к аноду для соединения с воздушным мостом по сильно неровному при наличии мез рельефу поверхности и не совместимы с технологией формирования микронных и субмикронных контактов металл-полупроводник с барьером Шоттки СВЧ, КВЧ и ТГц диапазонов. Хорошо известно, что для воспроизведения микронных и субмикронных топологических норм толщина резистивной маски не должна значительно превышать топологическую норму.
br
br.
В качестве прототипов, рассмотрим способы изготовления планарных диодов с выводами к аноду в виде воздушных мостов по способу "Меза-подложка" [3]. Рассматриваемый прототип лишен недостатков, присущих известному способу [2], так как позволяет создавать выводы к анодным контактам микронных и субмикронных размеров в виде воздушных мостов практически любой ширины W и длины l
2
R
+
+
По способу изготовления планарного диода "Меза-подложка" [3] с воздушным мостом известно решение этой проблемы путем формирования маскирующего слоя диэлектрика (например, SiO) на поверхности n-слоя эпитаксиальной n-n-i структуры, в котором методами фотолитографии создавалось окно (маска) U-образной формы. Затем по массе диэлектрика формировалось окно в барьерном n-слое к высоколегированному контактному n-слою полупроводниковой структуры, в котором затем формировался низкоомный омический контакт (ОК) - катод с последующим отжигом и гальваническим утолщением. После этого в том же слое диэлектрика между U-выступами на расстоянии Δx от катодного контакта методами литографии формировалось окно диаметром D к барьерному n-слою, в котором и создавался выпрямляющий анодный контакт. Затем по маске резиста, или диэлектрика вокруг площадки с расположенными на ней анодом и U-образным катодом травили мезу как минимум до полуизолирующего i-слоя подложки и формировали анодную и катодную контактные площадки на i-слое у основания мезы. Соединение анода со своей контактной площадкой металлическим воздушными мостом, а соединение катода со своей контактной площадкой - либо металлическим воздушным мостом, либо металлической шиной, лежащей на боковой поверхности мезы или на пассивирующем слое диэлектрика [4, 5], осуществляется в одном технологическом цикле.
p
При этом место соединения воздушного моста с анодом представляет собой расширенный контакт, выступы (поля) l шляпки которого опираются на слой диэлектрика.
p
R
S
Недостатком известного способа "Меза-подложка" - аналога, является наличие вокруг анода опирающихся на диэлектрик полей шляпки l≈3-10 мкм расширенного контакта. С одной стороны, эти поля образуют заметную паразитную МДП емкость, а, с другой стороны, не позволяют сократить расстояние между выпрямляющим и омическим контактами Δx и тем самым снизить последовательное сопротивление диода R.
Известен способ, исключающий эти недостатки, заключающийся в том, что для соединения с выпрямляющим контактом микронных и субмикронных размеров используется не расширенный контакт балки или воздушного моста, а заостренные тонкие металлические выводы - вискеры ("Whisker", далее - вискер) [6, 7]. Электрический контакт вискером осуществляется механическим прижимом его острия к металлизации, расположенного в окне в диэлектрике выпрямляющего контакта (рис. 1). Основным недостатком данного способа является сложность, связанная с попаданием острием вискера в микронный, или субмикронный анодный контакт с регулируемой силой прижима при сборке и настройке модульных конструкций. При этом всегда существует опасность стряхивания и размыкания такого контакта при возрастании внешних периодических нагрузок.
W
Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе изготовления диода - аналоге соединение анода со своей контактной площадкой осуществляется воздушным мостом не напрямую, а через вискер, формируемый на анодном контакте непосредственно в процессе изготовления диода. Вискер представляет собой хорошо проводящий обычно металлический острый усеченный конус (или усеченную пирамиду) высотой h, соединенный своим сечением с металлизацией анодного контакта, а основанием - с нависающим над анодом краем воздушного моста.
2
W
Технический результат достигается тем, что в известном способе "Меза-подложка" изготовления диода, включающем нанесение на поверхность гетероэпитаксиальной структуры диэлектрической пленки (например, SiO) толщиной 0.1-0.5 мкм, в которой по маске фоторезиста химическим или физическим травлением до высоколегированного катодного слоя создается окно катодного контакта U-, или О-образной формы, формирование в нем металлизации низкоомного омического катодного контакта с последующим удалением резиста, отжигом и гальваническим утолщением, формирование с использованием тонких (<1 мкм) резистивных масок анодного контакта микронного, или субмикронного диаметра D между U-выступами катода, или в центра О-образного катода, формирование резистивной маски или маски диэлектрика для травления мезы, отличающийся тем, что перед травлением мезы и формированием соединенных с контактными площадками воздушных мостов на анодном контакте микронных или субмикронных размеров формируется металлический вискер высотой h, представляющий собой усеченный конус, или усеченную пирамиду сечением, лежащим на анодном контакте, травление мезы по резистивной или диэлектрической маске не менее, чем до полуизолирующего слоя, формирование воздушного моста и контактных площадок анода и катода на полуизолирующем слое у основания мезы, отличающегося наличием сформированного ребра жесткости (рис. 2, 15) на внешней стороне воздушного моста с использованием толстых (>5 мкм) резистивных масок. Соединение катода со своей контактной площадкой осуществляется либо металлическим воздушным мостом, либо металлической шиной, лежащей на боковой поверхности мезы или на пассивирующем слое диэлектрика. Затем пластину утоняют и разделяют на отдельные кристаллы.
На рисунке 2 показаны основные ключевые моменты возможного варианта предлагаемого способа изготовления планарных диодов с вискерами по технологии "Меза-подложка" (рис. 2).
+
+
2
x
На рис. 2a) показана схема поперечного сечения А-А эпитаксиальной n-n структуры, содержащей полуизолирующий i-слой подложки 1, эпитаксиальный контактный n-слой 2, барьерный n-слой 3, диэлектрик SiO или SiN 4, фоторезист 5, окно в фоторезисте 6, металлизация омического катодного контакта (ОК) 7.
+
2
x
На рис. 2б) показана схема поперечного сечения А-А эпитаксиальной n-n структуры со сформированным катодным контактом 7 и гальваническим утолщением золотом 8 в окнах в диэлектрике SiO или SiN толщиной d=0.1-0.5 мкм.
R
На рис. 2в) показана схема поперечного сечения А-А гетероструктуры после формирования в диэлектрической пленке выпрямляющего анодного контакта 9 на расстоянии Δx от омического катодного контакта и диэлектрической маски 10.
M
V
p
br
br
OC
OC
M
OC
На рис. 2г) показана схема поперечного сечения А-А гетероструктуры после травления мезы глубиной h по маске диэлектрика, формирования вискера 13 высотой h и шляпкой с полями l, анодной 11 и катодной 12 контактными площадками на полуизолирующем слое 1, формирования воздушного моста 14 длиной l, усиленного ребром жесткости 15, шириной W к анодному контакту и воздушного моста или шины длиной l шириной W к катодному 16 контакту. Расстояние между анодной контактной площадкой и основанием мезы Δx, а между катоднодной контактной площадкой и основанием мезы Δx.
На рис. 2d) показана схема вида сверху на сформированный планарный диод, выполненный по технологии "Меза-подложка".
+
Пример: Изготавливали планарные диоды Шоттки с вискерами, выполненные по способу "Меза-подложка" (рис. 3) на основе полупроводниковых эпитаксиальных n-n-i структур, основные технологические этапы изготовления которых показаны на рисунке 2.
+
+
18
-3
16
-3
Для изготовления диодов по технологи "Меза-подложка" использовалась эпитаксиальная структура, представляющая собой полуизолирующую подложку арсенида галлия i-GaAs{001} (рис. 2, 1) с выращенными на ней методом МОС-гидридной эпитаксии контактным n-GaAs слоем толшиной 5 мкм (рис. 2, 2) и барьерным n-GaAs слоем толщиной 0.1 мкм (рис. 2, 3). Концентрация электронов в слое n-GaAs составляла 2×10 см, а в слое n-GaAs - 7×10 см [8].
2
M
M
OC
W
br
br
OC
OC
+
По способу "Меза-подложка" технологический маршрут изготовления диодов Шоттки включал в себя следующий набор технологических операций: нанесение на поверхность барьерного слоя n-GaAs (рис. 2,I, 3) диэлектрической пленки SiO толщиной d=0,1-0,5 мкм (рис. 2,I, 4), в которой по маске фоторезиста (рис. 2,I, 5) химическим травлением до высоколегированного катодного слоя n-GaAs создается окно катодного контакта (рис. 2,I, 6) U-образной формы (маска), формирование в нем методом взрывной литографии металлизации низкоомного омического катодного контакта (рис. 2,I, 7) на основе сплава AuGeNi+Au с последующим гальваническим утолщением золотом (рис. 2,I, 8), формирование анодного контакта диаметром D=3 мкм на основе металлизации RhPt+Au (рис. 2,I, 9) к барьерному n-слою между U-выступами на расстоянии Δх от катода, формирование маски диэлектрика для травления мезы (рис. 2,I, 10), отличающийся тем, что перед травлением мезы глубиной h=6-7 мкм и формированием на полуизолирующем слое i-GaAs на расстоянии Δx от основания мезы анодной контактной площадки (рис. 2,I, 11) и на расстоянии Δx катодной контактной площадки (рис. 2,I, 12) на анодном контакте формируется вискер (рис. 2,I, 13) высотой h=5 мкм, после чего по маске диэлектрической пленки травится меза как минимум до полуизолирующего слоя i-GaAs и формируются анодные и катодные контактные площадки. После этого анодную контактную площадку соединяли золотым воздушным мостом толщиной 3 мкм, длиной l=24 мкм и шириной W=12 мкм (рис. 2,I, 14) с вискером анода, а катод - со своей контактной площадкой золотым воздушным мостом толщиной 3 мкм, длиной l=26 мкм и шириной W=36 мкм (рис. 3,I, 16). В результате получаются кристаллы диодов Шоттки с вискером, выполненные по способу 1 "Меза-подложка", электронно-микроскопическое изображение которых представлено на рис. 4,а и рис. 4,б.
T
Таким образом, была достигнута поставленная цель и в результате были получены планарные умножительные GaAs диоды Шоттки с вискерами, выполненные по технологии "Меза-подложка", способные обеспечить более высокие предельные частоты f>3 ТГц и большие конструктивные возможности, позволяющие более эффективно оптимизировать приборные характеристики диодов, а также параметры их компактных моделей.
R
R
R
W
Преимущество предлагаемого способа изготовления диодов с воздушными мостами по способу "Меза-подложка" с анодными контактами микронных и субмикронных размеров заключается в том, что формирование вискера - высокопроводящего высокого острого усеченного конуса или пирамиды расположенного своим сечением на анодном контакте, позволяет увеличить воздушный зазор между шляпкой анодного контакта и поверхностью полупроводника или диэлектрика и, тем самым, уменьшить паразитную емкость, а также в несколько раз уменьшить последовательное сопротивление структуры за счет уменьшения расстояния Δx между анодом и катодом, поднять над поверхностью структуры воздушный мост, что обеспечивает хороший приток и отток травителя при химическом травлении меза-изоляции. В отличие от аналога расстояние Δx практически можно сделать сколь угодно малым (Δx→0). Этого можно достичь за счет того, что высота вискера h превышает толщину d гальванического утолщения катодного контакта. В результате этого нависающая над анодом шляпка не упирается в гальваническое утолщение омического контакта, а нависает над ним.
Второе преимущество предлагаемого способа изготовления диодов заключается в возможности одновременного использования тонких (<1 мкм) и толстых (>5 мкм) резистивных масок, что позволяет формировать микронные и субмикронные контакты СВЧ, КВЧ и ТГц диапазонов на фоне сильно развитого (>5 мкм) рельефа поверхности.
T
Предлагаемый способ изготовления диода с вискером отличается конструкцией с более высокими предельными частотами в терагерцовом диапазоне f>3 ТГц и большими конструктивными возможностями, позволяющими более эффективно оптимизировать приборные характеристики диодов в СВЧ, КВЧ и ТГц диапазонах.
Источники информации
[1]. Божков В.Г., Табакаева Т.М., Курман Н.И. СВЧ-диод с барьером Шоттки и способ его изготовления. Заявка на изобретение №94018447/25 от 20.05.1994.
[2]. U.K. Mishra, S.C. Palmateer, S.J. Nightingale, M.A.G. Upton, P.M. Smith. Surface-oriented low-parasitic Mott diode for EHF mixer applications. Electronics Letters, v. 21, N. 15 652-653 (1985).
[3]. JOHN W. ARCHER, ROBERTA. BATCHELOR, AND C.J. SMITH. Low-Parasitic, Planar Schottky Diodes for Millimeter-Wave Integrated Circuits. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 38, NO. 1, JANUARY 1990 15-22.
[4].Walter Fabian, Frank H. Spooner. Deep mesa process for fabricating monolithic integrated Schottky barrier diode for millimeter wave mixers. Патент США US 4499656 A.
[5]. U.R. Mishura, S.C. Palmateer, S.J.N. Nichtingalt, M.A.G. Upton, P.M. Smith. Surface oriented lou-parasitic Mott. diode for EMF mixer applications. Electron. Lett. 1985, v. 21, N 15, p. 652.
[6]. Bishop W.L., McLeod K.A., Mattauch R.J., Whiskerless Schottky diode. US Patent: 5,041,881. Filed March 6, 1989.
th
[7]. O. Cojocari, S. Biber, B. Mottet, C. Sydlo, H.-L. Hartnagel, L.-P. Schmidt. IF-noise improvement of the GaAs Schottky diodes for THz-frequency mixer applications. 12 GaAs Symposium, Amsterdam, 2004, 211-214.
[8]. Торхов Н.А., Божков В.Г., Гущин С.М., Новиков В.А. Оптимизация умножительного диода Шоттки миллиметрового диапазхона. 2012 22st International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology. Conference Proceedings September 10-14, 2012. Sevastopol, Crimea, Ukraine. 635-636.