Технология изготовления р - n переходов

Характерной особенностью р – n переходов в диодах и транзисторах СВЧ диапазона является их малая емкость, что достигается уменьше­нием площади перехода. Конструкция приборов на основе р – n перехо­дов и технология их изготовления должны обеспечивать точное воспро­изводимое выполнение как поперечных размеров перехода так и тол­щины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уро­вень и профиль легирования.

Первые микроволновые диоды были изготовлены точечно - контактным мето­дом. Для этого к предварительно отполированной и протравленной пластине Si или Ge прижималась игла из вольфрама или фосфори­стой бронзы (часто в виде пружины) с диаметром острия от несколь­ких микрометров до 20–30 мкм. При электроформовке, заключаю­щейся в разогреве области контакта при пропускании мощных корот­ких импульсов тока, образовывался контакт типа барьера Шоттки (контакт типа металл–полупроводник).

Диффузионный метод создания переходов основан на диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твер­дой фазе (Рис. 2.1). В зависимости от глубины залегания перехода он может быть плавным или резким. При малой толщине р – области переход можно считать резким со ступенчатым изменением концент­рации примеси.

Рис. 2.1. Формирование диффузионного р - n перехода и распределение примесей в переходе

Для уменьшения последовательного сопротивления объема полупроводника при изготовлении переходов часто используют эпитаксиальные слои.

Метод эпитаксиального наращивания позволяет получать пленки полупроводникового материала с требуемой концентрацией примеси на поверхности исходного монокристалла (подлож­ки). Структура кристаллической решетки эпитаксиального слоя при этом идентична струк­туре подложки. Для получения эпитаксиального слоя на поверхности монокристалла раз­лагают химические соединения полупровод­никового материала с примесью веществ, необходимых для легирования слоя. Можно получать эпитаксиальные слои как с тем же типом электропроводности, что и исходный материал подложки, но с другим удельным сопротивлением, так и с противоположным типом электропроводности. В первом случае, например, на поверхности сильнолегирован­ной низкоомной подложки формируют слабо­легированный высокоомный слой нужной тол­щины. Во втором — эпитаксиальный р – n переход.

По конструкции переходы делятся на планарные и мезаструктуры. На рисунке 2.2 приведена схема технологического процесса изготовления планарного перехода на эпитаксиальной подложке. Исходная подложка с нанесенным на нее эпитаксиальным слоем (рис. 2.2, а)имеет толщину порядка долей миллиметра, толщина высокоомной пленки, являю­щейся базой перехода, может составлять от долей до нескольких десятков микрометров. Малые площади переходов получают за счет использования прецизионной фотолитографии. Для этого эпитаксиальную пленку окисляют, в результате чего на ее поверхности образуется слой двуокиси кремния толщиной порядка 1 мкм.

Рис. 2.2.Схема технологического процесса изготовления диффузионного планарного р – n перехода на эпитаксиальной подложке

Далее наносят слой фоточувствительного материала — фоторезиста (Фр) (рис. 2.2, б). При освещении фоторезиста ультрафиолетовым светом через маску (фотошаблон) экспонированные участки полимеризуются. После растворения неэкспонированных участков фоторезиста в пленке окисла протравливают окна заданной конфигурации и размеров (рис. 2.2, в). Диаметр окна (или его ширина) при изготовлении приборов СВЧ находятся обычно в пределах от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра. Через полученные окна проводят локальную диффузию акцепторной примеси, например бора, для формирования р – области в эпитаксиальном слое n – Si (рис. 2.2, г).При малых размерах окна следует учи­тывать, что примесь проникает не только вглубь подложки, но и под края окон, образуя краевые области, имеющие обычно сферическую или цилиндрическую форму.

Эпитаксиальная технология позволяет получать переходы с малой толщиной базы. При малой толщине высокоомного n – слоя область, обедненная основными носителями, может перекрыть весь эпитаксиальный слой и достигнуть сильнолеги­рованной подложки (эффект смыкания).

Важное место в изготовлении приборов занимают процессы форми­рования невыпрямляющих (омических) контактов ОК(рис. 2.2, г),служащих выводами прибора. Такие контакты должны иметь малое сопротивление, не зависящее от полярности приложенного напряжения. Омические контакты выполняются чаще всего в виде соединения метал­ла с сильнолегированным полупроводником. В простейшем случае сильнолегированный слой полупроводника образуется при сплавлении металла с полупроводником (при этом металл является донором или акцептором). Омические контакты могут быть многослойными, то есть состоять из различных металлов. Например, омические контакты в приборах из GaAs получают, напыляя вольфрам и никель с последую­щим осаждением золота.

На одной исходной подложке обычно получают несколько десятков и даже сотен переходов. При производстве многослойных приборов, например транзисторов, процессы фотолитографии и локальной диф­фузии повторяют несколько раз.

Планарную технологию применяют также при создании приборов из Ge и GaAs. Пленку SiO₂ в этом случае осаждают на поверхности полупроводника при термическом разложении кремнийорганических соединений.

Рис. 2.3. Эпитаксиальная мезаструктура: а — исходная пластина с р – n переходом и омическими контак­тами; б — устройство диода

Устройство диода с мезаструктурой показано на рисунке 2.3. На под­ложке полупроводника n-типа формируют область р–типа и омические контакты (рис.2.3, а).Затем верхний контакт защищают фоторезистом и через маску формируют вывод р – области требуемого диаметра. После вытравливания металла и полупроводника остается участок диаметром dи высотой h,возвышающийся над подложкой в виде стол­бика (рис.2.3, б). Подложка может быть выполнена по эпитаксиальной технологии, что позволяет изготавливать переходы с толщиной базы составляющей единицы микрометров. Диаметр мезаструктуры d(рис. 2.3, б) определяется емкостью перехода и составляет обычно десятки – сотни, мкм; высота зависит от назначения при­бора и, как правило, равна единицам – десяткам мкм. Боковая поверхность мезаструктуры может быть защищена слоем SiO₂ для уменьшения токов утечки и увеличения пробивного напряжения.

В последние годы для создания переходов с малой толщиной полупроводниковых слоев применяют метод ионного легирования (ионной имплантации), при котором поверхность полупроводника бомбардируют пучком ионов (акцепторов или доноров), сфокусированных и ускорен­ных. Глубина проникновения ионов определяется их энергией, а степень легирования — продолжительностью облучения мишени. При энергии частиц 100 кэВ глубина имплантированного слоя обычно около 1 мкм.

Приборы с выпрямляющим контактом типа барьера Шоттки могут иметь планарную конструкцию (рис. 2.4) или выполняться в виде мезаструктуры. При их создании используется полупроводниковый материал с одним типом электропроводности, поэтому в технологиче­ском процессе отсутствуют операции диффузии (или ионного легирова­ния).

Рис. 2.4. Структура диода с барьером Шоттки, изготов­ленного методами планарной технологии

Основным методом получения выпрямляющего контакта является вакуумное напыление металлических слоев на монокристалл полупровод­ника. Большое значение для получения качественного контакта с барье­ром Шоттки имеют состояние поверхности полупроводника и выбор материала металлического электрода. Металлическую пленку обычно напыляют на полупроводник, после чего ее толщину увеличивают электролитическим осаждением или повторным напылением. Контакты чаще всего бывают многослойными и состоят из различных металлов. Металл для внешнего покрытия выбирают с учетом последующих паек при монтаже прибора.

Рис. 2.5. Планарная (а) и мезаструктура (б) с интегральным теплоотводом; в, г, д — последовательности технологических опе­раций при изготовлении структуры

Уменьшить сопротивление объема полупроводника и улучшить отвод тепла от перехода в планарных структурах и мезаструктурах можно путем уменьшения толщины полупроводниковой подложки и замены ее мате­риалом с большей теплопроводностью, например, медью или золотом. Конструкции таких структур, называемых приборами с интегральным теплоотводом, показаны на рисунке 2.5. Толщина полупроводниковой структуры может быть доведена до 10– 20 мкм. Толщина медной подложки обычно составляет несколько десятков – сотни микрометров.

При изготовлении таких структур на исходной (например, из низкоомного полупроводника n⁺–типа) подложке эпитаксиальным наращиванием получают пленку n–материала, а затем полупроводника р⁺–типа с образованием р⁺–, n–перехода (рисунок 2.5, в). После выполнения на р⁺–материале омического контакта на структуре с этой же стороны гальваническим методом осаждают слой меди большой толщины (рисунок 2.5, г).С противоположной стороны шлифов­кой и селективным травлением уменьшают толщину исходной подложкитак, что толщина всей полупроводниковой структуры становится небольшой (рисунок 2.5, д).Далее методом фотолитографии формируют мезаструктуру (рисунок 2.5, б). При монтаже структуры в корпус медное основание припаивают к массивному держателю, поэтому такие пере­ходы могут рассеивать мощность в десятки ватт.