КРЕМНИЕВЫЙ КОНДЕНСАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники, а именно к конструкции кремниевых конденсаторов, применяемых в СВЧ-технике.
Известен кремниевый конденсатор, состоящий из кремниевой подложки, слоев диэлектрика и слоев металлизации с выводами верхней и нижней обкладки (см., например, Белоус А.И. СВЧ-электроника в системах радиолокации и связи Белоус А.И., Мерданов М.К., Шведов СВ. Техническая энциклопедия. В 2-х книгах. Книга 1, Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2018., с. 797).
В данном аналоге в качестве несущего элемента конденсатора используется кремний. Кремний выбран из-за того, что технология его обработки известна и широко используется в микроэлектронике.
В качестве диэлектриков в таких конденсаторах используется оксид и/или нитрид кремния. Эти материалы по своим физическим характеристикам хорошо согласуются с кремнием и металлами. Однако емкость таких конденсаторов не превышает 1000 пф.
Также известен кремниевый конденсатор, состоящий из кремниевой подложки, в рабочей стороне которой сформирован массив колодцев, поверхность которых покрыта слоем диэлектрика и участками сильнолегированного поликремния, слоем металлизации с выводами верхней и нижней обкладки (см. презентацию Ultrahigh-density trench capacitors in silicon, First Int. Workshop on Power Supply On Chip, Sept. 22-24, 2008, Cork, Ireland, p. 15). Формирование колодцев повышает удельную емкость конденсатора.
Основным недостатком таких конденсаторов является большая вероятность короткого замыкания верхней и нижней обкладки при монтаже конденсатора на плату с помощью гибких выводов или пайки к слоям металлизации.
Указанный недостаток частично устранен в кремниевом конденсаторе, состоящем из подложки на основе кремния, в рабочей стороне которой сформирован массив колодцев, поверхность которых покрыта слоем диэлектрика и участками сильнолегированного поликремния, слоем металлизации с выводами верхней и нижней обкладки и частичной изоляции, из канавки, вытравленной вокруг конденсатора и покрытой слоем оксида кремния (см. например патент RU №195783 кл. H01L 29/02).
Выполнение защитного элемента, изолирующего линию разделения в виде канавки, по дну которой проходит линия разделения, позволяет исключить короткое замыкание выводов на кристалл, так как все грани кристалла с рабочей стороны покрыты изолирующим слоем подложки и изолирующим слоем конденсатора.
Однако в этом конденсаторе существует вероятность замыкания между другими элементами электронной схемы и материалом подложки.
Техническим результатом данной полезной модели является обеспечение полной изоляции конденсатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных кремниевых конденсаторов, в предлагаемом кремниевом конденсаторе, состоящем из пластины на основе кремния, в рабочей стороне которой сформирован массив колодцев, поверхность которых покрыта слоем диэлектрика и участками сильнолегированного поликремния, слоем металлизации с выводами верхней и нижней обкладки, массив колодцев сформирован в изолированном кармане кремниевой пластины с диэлектрической изоляцией глубиной d в интервале h+2σ ≤ d≤h+5σ, где h - глубина колодца, σ - точность вскрытия кремниевой пластины с диэлектрической изоляцией.
Формирование массива колодцев в изолированном кармане кремниевой пластины полностью изолирует его от подложки, что исключает вероятность замыкания между элементами электронной схемы и материалом подложки.
Минимальная глубина d в интервале h+2σ обусловлена тем, что меньшая глубина кармана может уменьшить глубину колодцев за счет попадания части колодца на диэлектрическую изоляцию кармана.
Максимальная глубина d в интервале h+5σ обусловлена тем, что при большей глубине кармана необходимо увеличивать затраты на изготовление кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией, что экономически нецелесообразно.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рис. 1, 2, 3. На рис. 1, 2 показана последовательность изготовления кремниевого конденсатора. На рис. 3 изображен разрез кремниевого конденсатора.
Позициями на рис. 1, 2, 3 обозначены:
1 - кремниевая монокристаллическая подложка для формирования карманов;
2 - изолирующая канавка кармана;
3 - изолирующий диэлектрик (двуокись кремния);
4 - опорный слой из поликремния;
5 - колодцы;
2
3
4
6 - слой изолятора конденсатора (SiО, SiN);
7 - слой легированного поликристаллического кремния;
8 - контакт из алюминия к верхнему электроду;
9 - контакт из алюминия к нижнему электроду;
d - глубина монокристаллического кармана;
h - глубина колодца.
Ниже описаны основные этапы изготовления и использования предлагаемого конденсатора.
Пластины монокристаллического кремния ориентации [100] n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0.002 Ом⋅см, легированные мышьяком, 1 окисляют 15 мин при температуре 1150°С в сухом кислороде, затем 35 мин в водяном паре и 20 мин снова в сухом кислороде. В полученной пленке двуокиси кремния методом фотолитографии формируются окна, через которые вытравливаются изолирующие канавки кармана 2 глубиной 41-43 мкм путем анизотропного травления в растворе КОН.
Далее на полученном рельефе кремниевой пластины выращивают изолирующий диэлектрик двуокиси кремния 3 методом термического окисления при 1200°С по следующему режиму: 60 мин в сухом кислороде, 270 мин в парах воды и 20 мин в сухом кислороде. Для получения опорного слоя 4 на пластинах проводится осаждение поликристаллического кремния, из которого получается поликремниевая подложка при температуре 1180-1200°С до толщины не менее 380 мкм. Затем поверхность поликремния пластин шлифуется до получения ровной поверхности. Кремниевые монокристаллические области изолируют путем удаления монокристалла за пределами рельефа с обратной стороны рабочих пластин на глубину d=36±3 мкм, точность вскрытия кармана σ=3 мкм.
Далее на рабочей поверхности методами фотолитографии и анизотропного травления в индуктивно связанной плазме формируются «колодцы» 5 глубиной 30 мкм, диаметр колодца 2,5 мкм, шаг расположения колодцев составляет 6 мкм.
2
Затем поверхность окисляют до толщины слоя изолятора конденсатора SiO 6 равной 0,2 мкм. На полученный рельеф осаждают слой легированного поликристаллического кремния 7 толщиной 1,4 мкм с поверхностным сопротивлением 4 Ом/.
Далее проводят фотолитографию по поликремнию, формируя контакт из алюминия к верхнему электроду 8. Затем вытравливают контакт из алюминия к нижнему электроду 9. Далее наносят слой алюминия толщиной 2,5 мкм, проводят фотолитографию по алюминию, при этом алюминий повторяет конфигурацию верхнего (поликремниевого) электрода из алюминия и контакт из алюминия к нижнему электроду. Было проверено напряжение пробоя кармана с конденсатором на опорный слой из поликремния. Напряжение пробоя составило не менее 1100 В.
Для проверки эффективности полезной модели были изготовлены конденсаторы емкостью 3000 пф с глубиной колодца h=30 мкм. В таблице 1 приведены результаты изготовления конденсаторов в зависимости от глубины монокристаллического кармана кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией.
Как видно из таблицы, при глубине кармана больше 36 мкм, d=(30+2⋅3) глубина монокристаллического кармана не влияет на точность получения емкости конденсаторов.