СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ НА ВСТРЕЧНО-ВКЛЮЧЕННЫХ P-I-N СТРУКТУРАХ
METHOD OF MANUFACTURING THE LIMITER MODULE AT THE COUNTER-SWITCHED P-I-N STRUCTURES

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при создании твердотельных ограничительных модулей для применения в гибридно-интегральных защитных и стабилизирующих СВЧ-устройствах пассивного типа.
В современной СВЧ-технике широкое применение получили управляющие устройства на p-i-n диодах, с помощью которых решаются многие функциональные задачи в радиоэлектронике, в частности задачи защиты входных цепей приемника от высокого уровня излучаемой СВЧ-мощности передатчика. В этом случае используют ограничительные устройства как активного, так и пассивного типа. Пассивные ограничители, или иначе, самоуправляемые, выгодно отличаются от управляемых отсутствием схем управления ими, так как их собственный импеданс в рабочем диапазоне мощностей существенно зависит от величины СВЧ-сигнала, подаваемого на них. В микроэлектронных вариантах защитных СВЧ-устройств находят применение бескорпусные p-i-n диоды, отличающиеся удобством включения в передающий тракт микросхемы. Однако все эти конструкции требуют определенных решений, связанных с необходимостью введения конструктивных элементов для замыкания по постоянному току. Значительно проще в использовании ограничительные элементы, состоящие из пары p-i-n диодов, включенных встречно-параллельно друг к другу. В этом случае p-i-n диоды по постоянному току замкнуты друг через друга, и постоянный ток автосмещения циркулирует по замкнутому контуру.
+
+
+
+
Известна конструкция и способ изготовления бескорпусных СВЧ-приборов на основе p-i-n структур прямоугольной формы [1], заключающийся в том, что на полупроводниковой пластине, содержащей легированные слои р, 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/. Для получения канавок используют механическую обработку пластины алмазными дисками или проволоками. Затем на поверхность пластины наносят слой металлизации и с помощью контактной фотолитографии формируют контактные площадки к прямоугольным ячейкам решетки. Потом канавки заполняют защитным слоем диэлектрика и с помощью механической резки разделяют пластину на отдельные приборы.
Недостатком данного изобретения является его 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 другой 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 р-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 р 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 бескорпусных p-i-n диодов [3], в котором используют предварительно подготовленные высокоомные монокристаллические кремниевые пластины, у которых на начальном этапе технологического цикла выполняют уменьшение исходной толщины в центральной области методом химико-динамического травления. Перед проведением операции легирования на противоположных сторонах центральной части пластины создают слой диэлектрика, затем с помощью процессов фотолитографии и травления на обеих сторонах пластины формируют последовательность совмещенных между собой пар локальных углублений, после чего все левые (или правые) углубления в каждой паре на нижней стороне пластины, а также все правые (или левые) углубления в каждой паре на верхней стороне пластины закрывают маскирующим покрытием. Далее открытые участки пластины одновременно с обеих сторон легируют одним типом примеси, например акцепторным. После этого удаляют прежнее маскирующее покрытие и повторно закрывают таким же покрытием все правые (или левые) углубления в каждой паре на верхней стороне пластины, а также все левые (или правые) углубления в каждой паре на нижней стороне пластины, затем открытые участки полупроводника одновременно с обеих сторон легируют противоположным первому (т.е. донорным) типом примеси. После чего вновь удаляют маскирующее покрытие и формируют балочные выводы приборов на противоположных сторонах пластины с зоной перекрытия в области расположения каждой пары локальных углублений. В конце технологического цикла получают меза-структуры приборов в областях между совмещенными с противоположных сторон пластины локальными углублениями путем травления полупроводникового слоя в центральной части пластины.
Данный способ не требует сложных нестандартных процессов в цикле их производства и обеспечивает высокую точность размеров и воспроизводство полупроводниковых кристаллов приборов минимальных размеров (менее 50 мкм), а также удобство включения приборов в микрополосковую линию. Недостатком данного способа является необходимость проведения большого количества технологических операций (9 фотолитографий и 4-х процессов нанесения маскирующих покрытий), что при использовании тонкой кремниевой пластины (толщина 5÷7 мкм) приводит к низкому проценту выхода годных и удорожанию изготавливаемого прибора.
Задачей настоящего изобретения является создание ограничительных модулей на встречно-включенных p-i-n структурах, упрощение способа их производства.
Техническим результатом является повышение процента выхода годных приборов.
Для получения такого технического результата в предлагаемом способе изготовления ограничительных модулей на встречно-включенных p-i-n структурах, включающем утонение центральной части полупроводниковой пластины, создание на обеих сторонах центральной части пластины пар локальных углублений в местах расположения меза-структур, легирование локальных углублений на обеих сторонах пластины акцепторной и донорной примесями, создание ленточных выводов на противоположных сторонах пластины с областями взаимного перекрытия и получение парных меза-структур приборов, после процесса утонения пластины обе ее стороны по всей поверхности легируют акцепторной (донорной) примесью, затем создают локальные углубления на глубину, превышающую глубину залегания легирующей примеси, 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, после чего обе стороны пластины, кроме углублений, закрывают маскирующим слоем диэлектрика и проводят двухстороннее легирование пластины донорной (акцепторной) примесью.
Сущность предложенного способа изготовления ограничительного модуля на встречно-включенных p-i-n структурах иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1÷10 представлена последовательность предлагаемого способа.
На фиг. 11÷12 представлен вид получаемых предложенным способом СВЧ-приборов управления СВЧ-мощностью.
На фиг. 1 показана исходная полупроводниковая пластина 1.
На фиг. 2 показана полупроводниковая пластина 1 после уменьшения ее толщины в центральной области, то есть создания полупроводниковой мембраны 2.
+
На фиг. 3 показана полупроводниковая мембрана 2 после легирования ее первым типом примеси, например Р, и получения высоколегированного слоя 3.
На фиг. 4 показана полупроводниковая мембрана 2 с высоколегированными слоями после нанесения маскирующего слоя 4 (например, диоксида кремния).
На фиг. 5 показана полупроводниковая мембрана 2 с высоколегированными слоями 3, защитным покрытием 4 и фоторезистивным слоем 5, в котором с помощью процессов фотолитографии сформированы окна 6.
На фиг. 6 показана полупроводниковая мембрана 2 с высоколегированными слоями 3, в которой протравлены локальные углубления 7 с нижней стороны и углубления 8 с верхней стороны полупроводниковой пластины.
На фиг. 7 показана полупроводниковая мембрана 2 после создания высоколегированных областей 9 легированных вторым типом примесей, например акцепторным типом (фосфор) в окнах 7 и 8.
На фиг. 8 показана полупроводниковая мембрана 2 после нанесения защитного покрытия 10 фотолитографии, в результате которой были вскрыты окна 11 в защитном покрытии и оставлен фоторезист.
На фиг. 9 показана полупроводниковая мембрана 2 после напыления слоев металлизации и формирования ленточных (балочных) выводов 12 с одной стороны пластины и 13 с другой стороны пластины.
На фиг. 10 показана полупроводниковая мембрана 2 после формирования полупроводниковых меза-структур 14 приборов путем сквозного химического травления.
На фиг. 11 показан вид изготовленного ограничительного модуля на встречно-включенных p-i-n структурах в плане, имеющего нижний балочный вывод 15, верхний балочный вывод 16 и полупроводниковую зону 17, расположенную между ленточными (балочными) выводами.
На фиг. 12 показан боковой вид конструкции изготовленного ограничительного модуля на встречно-включенных p-i-n структурах.
Заявленным способом были изготовлены макетные образцы бескорпусных ограничительных модулей на встречно-включенных p-i-n структурах для применения в самоуправляемых микрополосковых защитных СВЧ-устройствах. Последовательность замкнутого цикла технологических операций представлена на фиг. 1÷10.
4
Для изготовления приборов использовались кремниевые высокоомные пластины диаметра 60 мм 60БЕ 400 (фиг. 1).
3
3
После технологических операций химической очистки и отмывки в изотропном полирующем травителе состава 1 ч. HF: 5 ч. HNO: 1 ч. СНСООН химико-динамическим травлением низкоомная подложка в центральной части утоньшалась до толщины 7÷10 мкм. В результате этой операции кремниевая пластина 1 приобретала профилированную форму (фиг. 2) с периферийной зоной шириной 5 мм исходной толщины (несущее кольцо), и центральную (мембрана) с слоем низкоомного подложки кремния толщиной 7÷10 мкм.
+
20
-3
После процессов создания кремниевой пластины-мембраны 2 обе рабочие поверхности легируется примесью бора методом высотемпературной диффузии (фиг. 3) 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*10 см.
Следующей технологической операцией является нанесение защитного слоя диоксида кремния толщиной 0,5 мкм (фиг. 4) методом пиролитического разложения тетраэтоксилана при температуре 320°C.
4
3
3
+
Затем с помощью фотолитографических процессов (фиг 5) в защитном покрытии диоксида кремния 4 травлением в буферном водном травителе состава NHF*HF формировались окна 6 таким образом, что окна на одной стороне пластины-мембраны составляли пары с окнами на другой стороне. Фоторезистивный слой 5 не снимался. Далее в этих окнах (фиг. 6) проводился процесс травления высоколегированного слоя p-типа и части высокомного кремния в изотропном травителе 1 ч. HF: 5 ч. HNO: 1 ч. СНСООН на глубину 2,0÷3,0 мкм в течение 20-30 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.
+
+
21
-3
+
Затем в сформированные окна (фиг. 7) 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*10 см, 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 (фиг. 8) и вновь наносился слой диоксида кремния 10 методом пиролитического разложения тетраэтоксилана толщиной 0,3 мкм при температуре 320°C.
4
Затем во вновь сформированном слое диоксида кремния 10 методом фотолитографии (совмещение выполняется по границам локальных углублений) в буферном водном травителе состава NHF*HF вскрываются контактные окна 11, по конфигурации соответствующие форме и размерам балочных выводов приборов (фиг. 8). 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 путем химической обработки пластины-мембраны 2 в нагретом до температуры 130÷150°C моноэтаноламине в течение 10 минут.
Получение объемных балочных выводов (фиг. 9) 12 и 13 осуществлялось гальваническим наращиванием золота толщиной 7÷10 мкм из цитратного электролита на основе дицианоаурата калия на контактные металлизированные области.
3
Далее проводилось (фиг. 10) травление защитного слоя диоксида и сквозное травление кремния с обеих сторон одновременно в травителе 1 ч. HF: 8 ч. HNO: 1 ч. CH3COOH. После чего травлением удаляли с внутренней поверхности балочных выводов 12 и 13 подслой нихрома в 20% растворе соляной кислоты при температуре 50÷70°C.
В результате представленных технологических операций (фиг. 11) были сформированы полупроводниковые меза-структуры 17 с размером 40÷50 мкм, расположенные между верхними 16 и нижними 15 балочными выводами.
Созданный по данной технологии СВЧ-прибор показан на фиг. 12. Прибор содержит два полупроводниковых кристалла с p-i-n структурой 17, заключенные между взаимно-перпендикулярными балочными выводами 16 и 15, 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;
- формирование локальных углублений в пластине-мембране методом изотропного химико-динамического травления 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.
Предложенный способ изготовления ограничительных модулей на встречно-включенных p-i-n структурах для управления СВЧ-мощностью обеспечивает достижение поставленной цели за счет общего сокращения технологических операций, с одной стороны, и введения новых технологических операций, повышающих прецизионность формирования элементов пластины.
Действительно, способ, описанный в прототипе, требует 4 технологических процесса нанесения защитного покрытия и 9 фотолитографических процессов. Значительные механические воздействия, присущие процессам высокотемпературной обработки (нанесения защитного покрытия) и контактной фотолитографии, в некоторых случаях приводят к повреждению пластин-мембран. Поэтому сокращение количества технологических операций с пластинами-мембранами позволит существенно увеличить на выходе количество пластин-мембран, прошедших весь технологический цикл.
Предложенный способ изготовления ограничительных модулей на встречно-включенных p-i-n структурах также позволяет за счет сокращения количества технологических операций и введения новых технологических операций, повышающих прецизионность формирования элементов пластины, повысить процент выхода годных и уменьшить их себестоимость. При этом электротехнические параметры приборов при этом не ухудшаются, а идентичность их повышается.
Источники информации
1. Патент Франции №2341205.
2. Патент США №4097890.
3. Патент Российской Федерации №2546856.