ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1998 года по МПК H01L23/48 H01L29/06 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно - к микроэлектронным приборам различного типа и интегральным схемам.

Известна структура, лежащая в основе большинства полупроводниковых планарных приборов, представляющая собой кремниевый кристалл с контактными площадками и гибкими проволочными выводами, приваренными к ним [1]. Эта структура, наиболее распространенная в промышленности, имеет следующие недостатки: наличие сварного соединения снижает надежность; большая площадь контактных площадок, чтобы противостоять отрывному усилию со стороны изогнутой проволоки и чтобы при необходимости была возможна повторная сварка; увеличенная монтажная толщина структуры из-за наличия изогнутых проволочных проводников, выступающих над поверхностью кристалла.

Ближайшим прототипом является конструкция кристалла с балочными выводами [2] , в которой соединительные проволочные выводы заменены металлическими шинами-балками, один конец которых нанесен на контактные площадки, а другой выступает за пределы кристалла на 0,15 - 0,2 мм. Использование структур с балочными выводами существенно упрощает технологию сборки и контроля качества, а также позволяет снизить монтажный объем. Однако сам способ их получения - травление подложки кремния на всю ее толщину вплоть до металлической шины настолько нетехнологичен, что конструкция оказалась совершенно не способной конкурировать со стандартной.

Этому способствовали также следующие недостатки кристаллов с балочными выводами: низкая точность обработки поверхностей кристалла при глубинном травлении и необходимость оставлять запас по площади; в качестве материалов балочных выводов пригодно только золото, так как все неблагородные металлы растворяются в составах, используемых для высокоскоростного травления кремния; излишний кремний, выполняющий роль механического основания и не участвующий в выполнении основной функции прибора, не удаляется одновременно с травлением балочных выводов, что вынуждает изолировать приборную область от подложки p-n-перехода, а также увеличивать тепловую инерционность, массу и габариты.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать полупроводниковую кремниевую структуру, обеспечивающую повышенную надежность и плотность монтажа, быстродействие и точность приборов при одновременном упрощении процесса сборки и замене золота неблагородными металлами.

Поставленная задача решается в устройстве на основе полупроводниковой структуры, содержащей кристалл кремния, в котором сформирована приборная область с контактными площадками и с балочными выводами, причем объем приборной области совпадает с объемом кристалла, а балочные выводы могут быть изготовлены из материалов на основе неблагородных металлов.

В литературе не были обнаружены приборы с балочными выводами, выполненными из неблагородных металлов, и объем приборной области которых совпадал бы с объемом кристалла, т.е. практически не имеющих подложки как таковой. Поэтому можно считать, что предложенная разработка обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

Осуществить изобретение можно следующим образом. Объем кристалла уменьшается вплоть до объема приборной области путем селективного травления пленки SiO₂, разделяющей монокристаллические карманы и опорный слой поликремния, например в структуре КСДИ (кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией). Одновременно с отделением карманов от опорного слоя формируются балочные выводы, которые благодаря использованию не содержащих окислителей травителей могут быть изготовлены не из золота, как в прототипе, а из неблагородных металлов и сплавов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены три разновидности полупроводниковых структур, готовых для монтажа на коммутационную плату или в навес.

На фиг. 1 изображена структура с балочными выводами на основе неблагородных металлов (предлагаемое изобретение), где 1, 2 - кристалл и приборная область, занимающая весь объем кристалла; 3 - контактные площадки; 4 - балочные выводы; на фиг. 2 - стандартная структура с гибкими проволочными выводами согласно [1] , где 1 - кристалл кремния; 2 - приборная область; 3 - контактная площадка; 4 - соединительный провод; на фиг. 3 - структура с балочными выводами на основе золота [2], где 1 - кристалл кремния; 2 - приборная область; 3 - контактная площадка; 4 - балочные выводы.

Примеры реализации.

1. Терморезистор. Заявляемая полупроводниковая кремниевая структура представляет собой кристалл кремния 1 толщиной 10 - 50 мкм, причем в отличие от аналога и прототипа весь его объем 2 используется как тело резистора. Отсутствие подложки исключает необходимость в разделительной диффузии, что позволяет выбрать для прибора любую марку кремния исходя лишь из требований высокой чувствительности и линейности R-T характеристики в заданном диапазоне температур. Структура содержит контактные площадки 3 и балочные выводы 4, изготовленные из Ni (никеля).

Резистор изготовляется без травления кремния, а путем химического ее разделения по изолирующей пленке SiO₂ в исходной структуре типа КСДИ. Поэтому все геометрические размеры выполнены с точностью, типичной для фотолитографии, а габариты прибора сведены к предельному минимуму, что обеспечивает постоянную времени (тау=1 - 5 мс) и возможность выпуска на его основе различных приборов автоматики с существенно улучшенными характеристиками - точностью, быстродействием, стабильностью.

2. Тензорезистор. Тензорезисторы, изготовленные на основе структур, имеющих толщину монокристаллической области 1 30 - 50 мкм, обладают повышенной гибкостью благодаря высокой чистоте обработки поверхности (R_z=0,02 мкм). Радиус изгиба увеличивается на порядок по сравнению с датчиками, изготовленными по мембранной технологии, а вследствие этого разрешающая способность, например, электронных весов увеличена с 1 г до 0,1 при предельном грузе в 1 кг. Благодаря точности геометрических размеров и отсутствию p-n-перехода повышены воспроизводимость параметров и выход годных изделий. Балочные выводы из Cu (меди), контактные площадки из сплава Ti-Cu.

3. Многоуровневая интегральная схема. Сверхмалая толщина кремниевой пластины, содержащей интегральную схему, позволяет осуществить вертикальный монтаж таких пластин, причем длина коммутационных шин сокращается в десятки раз по сравнению с монтажом в одном уровне.

4. Солнечные батареи космического назначения имеют выигрыш по массе в 10 - 15 раз за счет меньшей толщины и повышенного КПД благодаря возможности создания тыльного изотопного p-p⁺ барьера на обратной стороне тонкой структуры.

5. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) имеют повышенную в 3 - 5 раз чувствительность при подсветке с обратной стороны, свободной от контактов и защитной пленки SiO₂.

6. Малоинерционные микронагреватели, используемые, например, для предварительного подогрева ИС, эксплуатируемых в наружных условиях.

Обобщая изложенное, можно заключить, что предлагаемое изобретение способно дать разнообразный положительный эффект применительно ко многим приборам микроэлектроники и используется при разработке изделий нового поколения.

Используется в производстве микроэлектронных приборов, повышает технологичность, надежность, быстродействие при предельном снижении габаритов и массы. Сущность: структура состоит из тонкого кристалла кремния, объем которого совпадает с объемом приборной области, контактных площадок и балочных выводов, которые могут быть изготовлены из неблагородных металлов - Cu, Ni, и др. 3 ил.

Полупроводниковая кремниевая структура, содержащая кристалл кремния, в котором сформирована приборная область с контактными площадками и балочными выводами к ним, отличающаяся тем, что объем приборной области совпадает с объемом кристалла и балочные выводы сформированы из материалов на основе неблагородных металлов.