Способ изготовления планарного диода с анодным вискером и воздушным выводом по технологии "Меза-Меза" Российский патент 2023 года по МПК H01L29/47 

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.

Известен способ создания СВЧ пленарного диода, изготовленного по способу "Меза-Меза" с анодным выводом в виде воздушного моста [1]. Известный способ "Меза-Меза" реализовывался путем формирования на поверхности планарно-легированной (ПЛ) гетроэпитаксиальной структуры (Heterostructure-Barrier) локальной области путем стравливания слоя n-GaAs по маске резиста до расположенного снизу слоя высоколегированного n⁺-GaAs. Затем, методами фотолитографии создавались окна к n⁺- GaAs слою. Первое окно U-образной формы формировалось в маске резиста на поверхности слоя n⁺-GaAs вокруг локальной области n-GaAs, второе окно прямоугольной формы формировалось на слое n⁺-GaAs напротив локальной области n-GaAs на заданном расстоянии от нее определяющем впоследствии длину воздушного моста l_br. После этого в окнах резистной маски одновременно формировались низкоомные омические контакты (ОК) к слою n⁺-GaAs с последующим удалением резистной маски и высокотемпературным отжигом. Затем в центре локальной области n- GaAs между выступами U-контакта - катода, на расстоянии Δx_R от края U-образного контакта с использованием методов литографии формировался выпрямляющий барьерный контакт - анод, круглой формы заданного диаметра D. Изоляция анодной и катодной контактных площадок от анода и катода осуществлялась путем травления мезы по маске резиста или диэлектрика в n⁺-GaAs слое как вокруг прямоугольной контактной площадки (Меза 1), так и вокруг площадки с расположенными на ней барьерным и омическим U-образным контактами (Меза 2), как минимум до полуизолирующего слоя i-GaAs. После формирования меза-изоляции соединение барьерного контакта с расположенной на соседней мезе своей катодной контактной площадкой в виде прямоугольного контакта осуществлялось металлическим воздушным мостом, формируемым с использованием толстослойных резистных масок. Данный способ предполагает образование расширенного контакта (равного, или превышающего его диаметр) в месте соединения барьерного контакта с воздушным мостом. Соединение анода со своей контактной площадкой осуществлялось либо металлическим воздушным мостом, либо металлической шиной, лежащей на поверхности пассивирующего слоя диэлектрика, покрывающего боковые поверхности мезы и поверхность полуизолирующего слоя i-GaAs.

Недостатком известного способа "Меза-Меза" с выводом в виде воздушного моста и расширенным контактом, является необходимость использования при их изготовлении толстослойных резистов обычно превышающих высоту мезы (например, h_M>5 мкм), что не совместимо с технологией формирования микронных и субмикронных контактов и приводит по этой причине к формированию расширенного контакта протяженные поля l_p≈3-10 мкм шляпки которого, во-первых, формируют паразитную МДП-емкость (МДП - металл-диэлектрик-полупроводник) C_mis, а, во-вторых, не позволяют сократить расстояние Δx_R между анодным и катодным контактами во многом определяющем последовательное сопротивление R_s~R_s(Δx_R) планарной диодной конструкции.

В качестве прототипа рассматривается способ изготовления планарного диода с вискером и анодным выводом в виде воздушного моста, изготовленного по способу "Меза-Подложка" [2]. Рассматриваемый прототип лишен вышеперечисленных недостатков присущих известному способу [1], так как его конструкция и способ изготовления практически исключают возможность появления расширенного контакта и возникновение паразитной емкости C_mis. Кроме этого, способ изготовления прототипа позволяет создавать к анодным контактам микронных и субмикронных размеров воздушные выводы различной толщины d_br, ширины W_br и длины l_br, а также позволяет значительно сократить расстояние Δx_R между барьерным (анодным) и омическим (катодным) контактами. Данный способ изготовления планарных диодов характеризуется тем, что соединение анода со своей контактной площадкой, лежащей на подложке в параллельной плоскости расположенной ниже плоскости поверхности мезы, осуществляется посредством нависающего над поверхностями обоих уровней воздушного моста через вискер ("Whisker"). Вискер представляет собой металлический острый усеченный конус меньшее основание которого соединено с барьерным контактом, а противоположное ему широкое основание соединено с нависающим над ним концом воздушного моста. Диаметр меньшего основания обычно соизмерим с диаметром барьерного контакта, что предотвращает образование выступающих краев - полей, и предотвращает формирование шляпки расширенного контакта и предотвращает появление паразитной емкости C_mis, а также позволяет сократить расстояние Δx_R между анодным и катодным контактами и значительно уменьшить последовательное сопротивление R_s~R_s(Δx_R) планарной диодной конструкции "Меза-Подложка".

Способ изготовления диода с вискером "Меза-Подложка", включающий нанесение на поверхность гетероэпитаксиальной структуры диэлектрической пленки толщиной 0.1-0.5 мкм в которой по маске фоторезиста химическим, или физическим травлением до высоколегированного катодного слоя создается окно катодного контакта U-образной формы, формирование в нем металлизации низкоомного омического катодного контакта с последующим удалением резиста, отжигом и гальваническим утолщением, формирование с использованием тонких резистных масок на поверхности активных слоев окна анодного контакта микронного, или субмикронного диаметра D между U-выступами катода, удаление в окне анодного контакта слоя диэлектрика, проведение финишных химических обработок, формирование металлизации анодного контакта, удаление резиста, формирование на анодном контакте металлического вискера высотой h_W, представляющего собой перевернутый усеченный металлический конус сечением соединенным с анодным контактом, формирование диэлектрической маски для травления мезы вокруг площадки с расположенными на ней анодом и катодом, травление мезы как минимум до полуизолирующего i-слоя гетероэпитаксиальной структуры, формирование на нем с разных сторон основания мезы анодной и катодной контактных площадок, соединение вискера с анодной контактной площадкой металлическим воздушными мостом толщиной d_br, шириной W_br и длиной l_br, а катода с катодной контактной площадкой металлическим воздушным мостом или лежащей на поверхности шиной толщиной d_oc, шириной W_oc и длиной l_oc, гальваническое утолщение анодной и катодной контактных площадок до толщины d_c, наклеивание пластины лицом вниз на механический носитель, утонение пластины со стороны полуизолирующей подложки до приблизительно 50 мкм, проведение литографии на просвет и растравливание на отдельные кристаллы, удаление резиста и отклейка кристаллов с механического носителя, отмывка.

Недостатком прототипа является то, что анод и катод, а также их контактные площадки расположение в разных плоскостях с достаточно большим (несколько микрон) зазором между ними, что затрудняет согласование такого планарного диода в монолитной интегральной схеме (МИС). Данный нежелательный эффект значительно усиливается с повышением рабочей частоты до миллиметрового частотного диапазона и выше. Этот же недостаток является причиной невозможности осуществлять "Flip chip"- монтаж планарного диода в перевернутом виде при необходимости его использования в гибридных интегральных схемах.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков. Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе изготовления диода - прототипе, анод и катод вместе со своими контактными площадками располагаются в одной плоскости. Такой способ изготовления позволяет использовать более тонкие слои резистов для формирования барьерных контактов микронных и наноразмеров, так как формирование меза-изоляции осуществляется после формирования вискера и воздушного вывода - моста. Предлагаемый способ сочетает в себе конструктивные, технологические и функциональные преимущества изготовленных как по известному способу "Меза-Меза" планарных диодов с расширенным контактом и анодным воздушным выводом, так и преимущества прототипа, изготовленного по другой известной технологии "Меза-Подложка" с вискером и анодным воздушным выводом. Данные преимущества обеспечивают более легкое согласование диода в СВЧ тракте, формирование к микронным и нано-контактам надежных выводов, снижают значения паразитных параметров, а также позволяют осуществлять "Flip chip''-монтаж планарного диода с вискером и анодным воздушным выводом в перевернутом виде.

Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления диода - прототипе, включающем нанесение на поверхность гетероэпитаксиальной структуры диэлектрической пленки в которой по маске резиста химическим, или физическим травлением как минимум до высоколегированного катодного слоя создаются окна омического контакта U-образной формы - катода, и соосно с ним окно прямоугольной формы для формирования в этой же плоскости анодной контактной площадки, одновременное формирование в обоих окнах методом взрывной литографии, или методами электрохимии металлизации низкоомных омических контактов с последующим отжигом и их гальваническим утолщением, формирование с использованием тонких (<<1 мкм) резистных масок микронного, или субмикронного выпрямляющего барьерного контакта - анода, диаметра D между U-выступами катода, формирование вокруг катода и анодной контактных площадок диэлектрической маски для травления мез, отличающийся тем, что формирование на анодном контакте вискера и воздушного моста с заданными толщиной d_br, длиной l_br, шириной W_br и высотой h_W и соединяющего вискер с анодной контактной площадкой осуществляется перед травлением меза-изоляции, а травление меза-изоляции как минимум до полуизолирующего i-слоя осуществляется по диэлектрической маске под уже под сформированным воздушным мостом. Затем осуществляется гальваническое утолщение анодной и катодной контактных площадок до толщины d_c. В завершении технологического процесса пластина наклеивается лицом вниз на механический носитель и утоняется со стороны полуизолирующей подложки до 50 мкм. После проведения литографии на просвет, растравливания на отдельные кристаллы, осуществляется отклейка кристаллов с механического носителя и их отмывка.

На Фиг. 1 показаны основные ключевые моменты возможного варианта предлагаемого способа изготовления планарного диода с вискером по технологии "Меза-Меза" исключающего недостатки прототипа

На Фиг. 1а) показана схема поперечного сечения А-А эпитаксиальной полупроводниковой n-n⁺-структуры, содержащей полуизолирующей i-слой подложки с буферным слоем 1, расположенным на нем эпитаксиальным высоколегированным катодным n⁺-слоем 2, барьерным n-слоем 3, защитным слоем диэлектрика SiO₂ или SiN_x 4, фоторезистной маски 5, окон в резисте для формирования катодной 6 и анодной 7 контактных площадок, металлизаций омических контактов (ОК) 8.

На Фиг. 1б) показана схема поперечного сечения А-А эпитаксиальной n- n⁺- структуры с со сформированной металлизацией 8 омического контакта катода и такой же металлизацией 8 анодной контактной площадки с гальваническими утолщениями катодной 9 и анодной 10 контактных площадок.

На Фиг. 1в) показана схема поперечного сечения А-А гетероструктуры после формирования металлизации выпрямляющего барьерного контакта Шоттки (анода) 11 расположенного на расстоянии Δx_R от гальванического утолщения катодной металлизации 9, окна 12 в диэлектрической маске SiO₂ или SiN_x определяющего латеральные (в плоскости (х,у)) размеры мезы (показано пунктиром) протяженностью Δx_M.

На Фиг. 1г) показана схема поперечного сечения А-А гетероструктуры после формирования над металлизацией выпрямляющего контакта вискера 13 высотой h_W, формирования воздушного моста 14 толщиной d_br, длиной l_br и шириной W_br и выступом l_p соединяющего верхний расширенный свободный конец вискера 13 с металлизацией анодной контактной площадки 10 и одновременным аналогичным утолщением 14-1 металлизации катодной контактной площадки 9, травления под воздушным мостом мезы глубиной h_M по в окне 12 диэлектрической маски как минимум до полуизолирующего i- слоя 1, гальванического утолщения анодной 15 и катодной 16 контактных площадок до заданной толщины d_c.

На Фиг. 1д) показана схема вида сверху планарного диода с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером в соответствии со способом изготовления "Меза-Меза".

Пример. Изготавливали планарные диоды Шоттки с вискерами, выполненные по способу "Меза-Меза" (Фиг. 2) на основе полупроводниковых эпитаксиальных n-n⁺ InP структур на полуизолирующей подложке i-GaAs{100}, основные технологические этапы изготовления которых показаны на Фиг. 1.

Для изготовления планарных диодов Шоттки по технологи "Меза-Меза" с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером использовалась эпитаксиальная структура, представляющая собой полуизолирующую подложку арсенида галлия i-GaAs{001} толщиной 450 мкм (Фиг. 1, а, 1) с выращенными на ней методом МОС-гидридной эпитаксии контактным n⁺-InP слоем толщиной не менее 5 мкм (Фиг. 1, а, 2) и барьерным n-InP слоем фосфида индия толщиной 0.2 мкм (Фиг. 1, а, 3). Концентрация электронов в слое n⁺-InP составляла 2×10¹⁸ см^-3, а в слое n-InP - 6×10¹⁶ см^-3.

По способу "Меза-Меза" технологический маршрут изготовления диодов Шоттки с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером включал в себя следующий набор технологических операций: нанесение на поверхность барьерного слоя n-InP (Фиг. 1, а, 3) диэлектрической пленки SiO₂ толщиной d=0.2 мкм (Фиг. 1, а, 4), формирование на пленки SiO₂ маски резиста (Фиг. 1, а, 5) с окном определяющим место расположение катодного контакта (Фиг. 1, а, 6), отличающийся тем, что одновременно с окном (Фиг. 1, а, 6) в маске резиста формировалось другое окно определяющее расположение анодной контактной площадки (Фиг. 1, а, 7), в которых по маске резиста химическим травлением как минимум до высоколегированного катодного слоя n⁺-InP одновременно создавались окно катодного контакта U-образной формы и анодной контактной площадки прямоугольной формы, формирование в них методом взрывной литографии металлизаций низкоомных омических контактов на основе сплава AuGeNi толщиной 0.15 мкм и Au толщиной 0.3 мкм (Фиг. 1, а, 8) с последующим отжигом в атмосфере водорода при температуре 400°С и гальваническим утолщением золотом толщиной 0.5 мкм катода (Фиг. 1, 6, 9) и анодной контактной площадки (Фиг. 1, 6, 10), формирование анодного контакта Шоттки диаметром D=2 мкм к барьерному слою n-InP в окне диэлектрической маски между U-выступами катода на расстоянии Δx_R=5 мкм путем электрохимического осаждения металлизации палладия Pd толщиной 0.1 мкм и Au толщиной 0.2 мкм (Фиг. 1, в, 11), формирование вокруг контактных площадок окон в маске диэлектрика для формирования мезоизоляции (Фиг. 1, в, 12), формирование на анодном контакте вискера (Фиг. 1, г, 13) высотой h_W=2 мкм, формирование электрического соединения свободного расширенного конца вискера с анодной контактной площадкой золотым воздушным мостом толщиной 3 мкм, длиной l_br=150 мкм и шириной W_br=21 мкм (Фиг. 1, в, 14) с одновременным утолщением катодной контактной площадки (Фиг. 1, в, 14-1), отличающийся тем, что формирование мезоизоляции путем химического травления мезы на глубину h_M=6 мкм по диэлектрической маске SiO₂ осуществлялось под воздушным мостом (Фиг. 1, г, 14). После этого осуществлялось гальваническое утолщение анодной (Фиг. 1, г, 15) и катодной (Фиг. 1, г, 16) контактных площадок на d_c=3 мкм, наклеивание пластины лицом вниз на механический носитель, ее утонение со стороны полуизолирующей подложки до 50 мкм, проведение литографии на просвет и растравливание на отдельные кристаллы, удаление резиста и отклейка кристаллов с механического носителя, отмывка.

Таким образом, была достигнута поставленная цель и в результате были получены планарные InP/GaAs диоды Шоттки с вискерами и анодными выводами в виде воздушных мостов выполненные по технологии "Меза-Меза" (Фиг. 2).

Преимущество предлагаемого способа изготовления диода с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером к анодному контакту по способу "Меза-Меза" заключается в том, что анодные и катодные контактные площадки располагаются в одной плоскости с анодным контактом. Такой способ изготовления позволяет использовать более тонкие слои резистов для формирования барьерных контактов микронных и наноразмеров, так как формирование меза-изоляции осуществляется после формирования вискера и воздушного вывода. Предлагаемый способ сочетает в себе конструктивные, технологические и функциональные преимущества изготовленных как по известному способу "Меза-Меза" планарных диодов с расширенным контактом и анодным воздушным выводом [1], так и преимущества прототипа, изготовленного по другой известной технологии "Меза-Подложка" с вискером и анодным воздушным выводом [2]. Данные преимущества обеспечивают более легкое согласование диода в СВЧ тракте, формирование к микронным и нано-контактам надежных выводов, снижают значения паразитных параметров, а также позволяют осуществлять "Flip chip''-монтаж планарного диода с вискером и анодным воздушным выводом в перевернутом виде.

Источники информации:

[1]. B. Thomas, P. Landry, A. Maestrini, G. Beaudin. HBV DIODE MULTIPLIER DEVELOPMENTS FOR THZ APPLICATIONS. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-00392239/file/Annexe_D_These_HBV_report.pdf

[2]. Торхов H.A. Способ изготовления диода с вискером терагерцового диапазона. Патент №2635853 от 16.11.2017 г., заявка №2016102531 от 26.01.2016 г.

По способу "Меза-Меза" предлагается изготовление планарного диода с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером, включающее нанесение на поверхность гетероэпитаксиальной структуры диэлектрической пленки, в которой по маске резиста химическим или физическим травлением как минимум до высоколегированного катодного слоя создаются окна омического контакта катода U-образной формы и соосно с ним окно прямоугольной формы для формирования в этой же плоскости анодной контактной площадки, одновременное формирование в обоих окнах методом взрывной литографии или методами электрохимии металлизации низкоомных омических контактов с последующим отжигом и их гальваническим утолщением, формирование с использованием тонких (<<1 мкм) резистных масок микронного или субмикронного выпрямляющего барьерного анодного контакта. Преимущество предлагаемого способа изготовления диода с анодным выводом в виде воздушного моста с вискером к анодному контакту по способу "Меза-Меза" заключается в том, что анодные и катодные контактные площадки располагаются в одной плоскости с анодным контактом. 2 ил.

Способ изготовления планарного диода с анодным вискером и воздушным выводом по технологии "Меза-Меза", включающий нанесение на поверхность n- или р-слоя гетероэпитаксиальной n-n⁺- или р-р⁺-структуры диэлектрической пленки, в которой по маске резиста химическим или физическим травлением как минимум до высоколегированного катодного n⁺- или р⁺-слоя создается окно катодного контакта заданной формы и на определенном расстоянии от него в той же плоскости создается другое окно заданной формы для формирования анодной контактной площадки, одновременное формирование в обоих окнах методом взрывной литографии или методами электрохимии металлизации низкоомных омических контактов с последующим отжигом, формирование анодного контакта микронного или субмикронного размера, формирование диэлектрической маски для травления мезы, отличающийся тем, что формирование на анодном контакте вискера и воздушного моста заданных толщины, длины, ширины и высоты осуществляется перед травлением мезаизоляции, а травление мезаизоляции осуществляется под сформированным воздушным мостом, соединяющим вискер с анодной контактной площадкой.