專利名稱：制造垂直pin型二極管的方法及垂直pin型二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及包括本征(intrinsic)半導體材料的區(qū)域的二極管， 所述本征半導體材料的區(qū)域略有摻雜或根本沒有摻雜、包含在P型摻雜半導體材料的區(qū)域與N型摻雜半導體材料的區(qū)域之間，并且上述二極管通常被稱作正本負二極管 (Positive-Intrinsic-Negative diode)或簡單地被稱作 PIN 型二極管(PIN diode)。特別地，本發(fā)明涉及一種制造垂直PIN型二極管的方法，本方法在單片微波集成電路(MMIC)的制造中找到了有利的但非唯一的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
眾所周知，基于PIN型二極管的單片微波集成電路(MMIC)廣泛地用于制造換向器、衰減器、調(diào)頻器、調(diào)相器、功率限幅器等。通常，根據(jù)已知技術(shù)，從這樣的硅(Si)或砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)的晶片開始制造垂直PIN型二極管，S卩，使用外延生長技術(shù)而在上述晶片上沉積N型摻雜半導體材料層、本征半導體材料I層以及P型摻雜半導體材料層，并且本征半導體材料I層介于N型摻雜半導體材料層與P型摻雜半導體材料層之間。特別地，圖1至圖3示意性地示出了根據(jù)已知的制造工藝制造的垂直PIN型二極管的橫截面。詳細地，在圖1中，參考數(shù)字10從整體上表示垂直PIN型二極管，其包括依靠外延生長技術(shù)、通過在半導體材料的(例如，GaAs的)晶片上沉積一系列層而制得的外延晶片， 這些層從底部到頂部包括 半絕緣襯底11; 形成在半絕緣襯底11上的N+型層12 ； 形成在N+型層12上的本征層I 13 ；以及 形成在本征層I 13上的P+型層14。此外，始終參考圖1，為了形成垂直PIN型二極管10的陽極觸點，在P+型層14的限定陽極區(qū)域14a的一部分上形成陽極敷金屬(metallization) 15。在已制得陽極觸點之后，在P+型層14中且在本征層I 13中形成第一溝槽，以暴露N+型層12的一部分的表面。特別地，通過與陽極敷金屬15自對準的第一干蝕刻來形成第一溝槽。詳細地，第一干蝕刻，即使是各向異性蝕刻(即，主要在與外延晶片的上表面垂直的方向上起作用的蝕刻)，在任何情況下都同樣會去除陽極區(qū)域14a的一部分和本征層I 13的位于陽極區(qū)域1 下方的一部分，而不管這些部分是否被陽極敷金屬15保護起來，從而，在所述第一干蝕刻結(jié)束時，陽極敷金屬15的一部分從沒有通過第一干蝕刻而去除的剩余的陽極區(qū)域Ha和剩余的本征層I 13側(cè)向地延伸被稱作切底(under-cut) (UC)的程度。另外，在執(zhí)行第一干蝕刻之后，為了形成垂直PIN型二極管10的陰極觸點，在N+型層12的限定陰極區(qū)域的第一暴露部分上形成陰極敷金屬。
最后，為了使垂直PIN型二極管10與形成在相同MMIC中的其它部件(諸如其它 PIN型二極管和/或像電容器、電感器以及電阻器之類的無源元件)電絕緣，在導電層的暴露部分中形成第二溝槽，從而使得用不導電的半導體材料制得的下層的一部分暴露。特別地，與陰極區(qū)域不同，在N+型層12的第二暴露部分中形成第二溝槽，從而使半絕緣襯底11的下部的表面暴露。詳細地，通過第二干蝕刻來形成第二溝槽。因此，參考圖2，在已制得第二溝槽之后，垂直PIN型二極管10從底部到頂部包括 半絕緣襯底11; 部分地覆蓋半絕緣襯底11的N+型層12，使得所述半絕緣襯底11的從N+型層 12側(cè)向地延伸的一部分暴露； 沒有通過第一干蝕刻而去除的剩余的本征層I 13，所述剩余的本征層部分地覆蓋N+型層12，使得所述N+型層12的從剩余的本征層113側(cè)向地延伸的一部分暴露； 形成在N+型層12的限定陰極區(qū)域的暴露部分上的陰極敷金屬16 ； 沒有通過第一干蝕刻而去除的剩余的陽極區(qū)域14a，所述剩余的陽極區(qū)域完全地覆蓋剩余的本征層I 13;以及 陽極敷金屬15，所述陽極敷金屬完全地覆蓋剩余的陽極區(qū)域14a，并包括從剩余的陽極區(qū)域Ha側(cè)向地延伸一定UC程度的一部分。此外，參考圖3，為了形成陽極觸點連接和陰極觸點連接，與陽極敷金屬15相對應(yīng)地制造第一高厚度金屬風橋(air-bridge) 17，并與陰極敷金屬16相對應(yīng)地制造第二高厚度金屬風橋18。然而，本申請人已注意到，已知的用于垂直PIN型二極管的制造工藝具有幾個技術(shù)缺陷。特別地，本申請人已注意到，第一干蝕刻，尤其是當其主要具有各向異性特性時， 即，當其主要在與外延晶片的上表面垂直的方向上起作用時，引發(fā)機械損壞和/或剩余的沉積，特別是在與蝕刻方向正交的壁上，這導致對半導體的暴露于等離子體的表面的損壞， 特別是對本征層I 13的那些表面的損壞，并且，當切斷垂直PIN型二極管時，或者更確切地，當沒有使垂直PIN型二極管極化或使垂直PIN型二極管反向(inversely)極化時，常常引起高泄漏電流，帶來以下問題1)在較低以及較高的射頻信號(RF)下，電流的傳導在切斷二極管時導致絕緣的損失，還在應(yīng)用其的電路中引發(fā)噪聲源；2)在損害電路本身的能量效率的情況下，通過二極管的電流使能量被二極管消耗，尤其是當在高壓下使二極管相反地極化時；以及3)由這些表面效應(yīng)引發(fā)的電流又會導致其它缺陷的產(chǎn)生，從而引發(fā)會影響電路的可靠性的退化。此外，當在蝕刻過程中使用的活性等離子體處于化學-物理狀態(tài)中以對與其接觸的半導體晶體產(chǎn)生較小的損害并且這通常對其最小壓力及其最大加速度能量強加極限值時，蝕刻具有更大的各向同性作用，即，其甚至在不平行于與外延晶片的上表面垂直的方向的方向上也對半導體具有較弱的蝕刻作用。由于此原因，即，在各向同性或部分各向同性蝕刻的狀態(tài)中，第一干蝕刻在任何情況中都同樣會去除陽極區(qū)域14a的位于陽極敷金屬15下方的一部分，從而導致形成有陽極觸點的區(qū)域的側(cè)向收縮(shrinkage)，并且這在制造具有低寄生電容和電阻的二極管中造成實際的限制，其中，與本征層I 13的高厚度相關(guān)的有限最小側(cè)向尺寸使得低損壞蝕刻工藝的使用更加必不可少。在通過高厚度金屬風橋形成陽極觸點連接的情況中，如在圖3所示的情形中，由于與用于制造具有最小接觸面積的橋的最小平版印刷分辨率相關(guān)的困難，此問題進一步加重。因此，在剛剛已描述的內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本申請人已得出這樣的結(jié)論已知的用于垂直PIN型二極管的制造工藝不允許對陽極觸點的寬度具有精確的控制。在％711101^D. J.等人的“單片 MBE GaAs PIN 型二極管限幅器(MONOLITHIC MBE GaAs PIN DIODE LIMITER) ”，IEEE 1987微波和毫米波單片電路論文集，報紙摘要(目錄No. 87CH2478-6) IEEE紐約，NY, USA, 1987，第；35頁至第37頁中以及在美國專利US 5，213，994中描述了具有上述缺陷的已知的用于垂直PIN型二極管的制造工藝。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種制造垂直PIN型二極管的方法，其使得能夠克服前述已知的制造工藝的技術(shù)缺陷，特別是使得能夠?qū)﹃枠O觸點的寬度具有精確的控制，并且不會導致對本征層的位于陽極區(qū)域下方的側(cè)面的損壞。上述目的通過本發(fā)明來實現(xiàn)，本發(fā)明涉及一種根據(jù)在所附權(quán)利要求中定義的制造垂直PIN型二極管的方法，并涉及一種根據(jù)在所附權(quán)利要求中定義的垂直PIN型二極管。特別地，根據(jù)本發(fā)明的制造垂直PIN型二極管的方法包括 提供包括垂直地堆疊的N型層、本征層以及P型層的外延襯底；以及 通過在P型層的限定陽極區(qū)域的第一部分上形成陽極敷金屬來形成垂直PIN型二極管的陽極觸點；并且，其特征在于，進一步包括 圍繞陽極區(qū)域形成電絕緣層，從而使得本征層的第一部分在N型層與陽極區(qū)域之間垂直地延伸，并從而使得本征層的第二部分在N型層與電絕緣層之間垂直地延伸； 在電絕緣層中且在本征層的第二部分中形成溝槽，從而使N型層的限定陰極區(qū)域的一部分暴露，并從而限定由電絕緣層的在溝槽與陽極區(qū)域之間側(cè)向地延伸的且側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域的一部分構(gòu)成的犧牲性側(cè)保護環(huán)(sacrificial side-guard ring)；以及 通過在N型層的限定陰極區(qū)域的暴露部分上形成陰極敷金屬來形成垂直PIN型二極管的陰極觸點。優(yōu)選地，通過在P型層的第二部分中執(zhí)行離子注入來形成電絕緣層，所述第二部分與P型層的限定陽極區(qū)域的第一部分不同，并且P型層的所述第二部分側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域。特別地，通過將離子選擇性地注入到P型層的第二部分中來執(zhí)行離子注入，以使P 型層的第二部分電絕緣。這樣，在P型層的其中已選擇性地注入離子的所述第二部分中形成電絕緣層。詳細地，選擇性地注入到P型層的第二部分中的離子會損壞P型層的第二部分的晶格，從而使P型層的第二部分電絕緣。此外，根據(jù)本發(fā)明的垂直PIN型二極管包括· N 型層； 形成在N型層的限定陰極區(qū)域的第一部分上的陰極觸點； 形成在N型層的第二部分上的本征層；· P型層的形成在本征層的第一部分上的且限定陽極區(qū)域的一部分；以及 形成在P型層的限定陽極區(qū)域的部分上的陽極觸點；并且，其特征在于進一步包括 形成在本征層的第二部分上的保護結(jié)構(gòu)，以側(cè)向地保護P型層的限定陽極區(qū)域的部分免于旨在使N型層的限定陰極區(qū)域的第一部分暴露的蝕刻。優(yōu)選地，保護結(jié)構(gòu)具有形成在本征層的圍繞陽極區(qū)域的第二部分上的電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán)的形狀，以防止所述蝕刻蝕刻P型層的位于陽極觸點下方的部分。有利地，電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán)通過將離子注入到P型層的側(cè)向地環(huán)繞P型層的限定陽極區(qū)域的所述部分的另一部分中而制得。優(yōu)選地，電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán)還圍繞本征層的第一部分的在陽極區(qū)域下方延伸的子部分而形成。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖(不是成比例的)說明一些僅以非限制性實例的方式提供的優(yōu)選實施方式，其中圖1至圖3是根據(jù)已知的制造工藝制造的垂直PIN型二極管的示意性橫截面圖； 以及圖4至圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式制造的垂直PIN型二極管的示意性橫截面圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖詳細地描述本發(fā)明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā)明。對于這些技術(shù)人員來說，對所描述的實施方式的各種改變將是顯而易見的，并且在不背離如在所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的保護范圍的前提下，可將所描述的一般原理應(yīng)用于其它實施方式和應(yīng)用場合。因此，本發(fā)明不應(yīng)被視為是限于所描述和圖示的實施方式，而應(yīng)被視為是與根據(jù)本文中所描述和要求保護的原理和特性的最寬泛的保護范圍相一致。圖4至圖12示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式制造的垂直PIN型二極管的橫截面。特別地，在圖4中，參考數(shù)字30從整體上表示包括外延晶片的垂直PIN型二極管， 所述外延晶片從底部到頂部包括 半絕緣襯底31 ； 形成在半絕緣襯底31上的N+型層32 ； 形成在N+型層32上的本征層I 33 ；以及·形成在本征層I 33上的P+型層；34。
優(yōu)選地，外延晶片使用這樣的砷化鎵(GaAs)的晶片來制造，即，依靠外延生長技術(shù)而在上述晶片上沉積N+型層32、本征層I 33以及P+型層34。特別地，· N+型層32可以是摻雜有施主雜質(zhì)(例如，硅(Si))的砷化鎵(GaAs)層； 本征層I 33可以是并非有意摻雜或摻雜有補償雜質(zhì)的砷化鎵(GaAs)層，從而提供電荷載體(電子或空穴)的濃度小于IXlO16cnT3的所述本征層I 33 ；并且· P+型層34可以是摻雜有受主雜質(zhì)(例如，碳(C)或鈹(Be))的砷化鎵(GaAs) 層或具有大于GaAs的禁帶能量的層，例如，鋁鎵砷化物(Alx^vxAs)層，或摻雜有受主雜質(zhì) (例如，碳(C)或鈹(Be))的銦鎵磷化物(InxGi^xP)層。在一個可替代實施方式中，外延晶片能使用這樣的磷化銦αηΡ)的晶片來制造， 即，能通過沉積半導體材料(諸如hP)的層，或適于MP晶片的點陣化合物(諸如銦鎵砷磷化物(IrvxGaxAsyPh)或銦鎵鋁磷化物(IrvxAlxAsyP1I))層而在上述磷化銦的晶片上制造 N+型層32、本征層I 33以及P+型層；34。在兩個實施方式中，外延晶片有利地還能進一步包括其它在N+型層32、本征層I 33以及P+型層34之前沉積在半絕緣襯底31上的并非有意摻雜的“緩沖”層，以改進依靠外延生長而沉積的晶體的特性。因此，在這種情況中，所述緩沖層介于半絕緣襯底31與N+ 型層32之間。有利地，PIN型二極管30的外延晶片的N+型層32、本征層I 33以及P+型層34能具有以下的表1中所顯示的垂直厚度(單位是μ m)、摻雜材料的組成和濃度(單位是cm—3) 以及摻雜的類型表 1
層垂直厚度(μιη)組成摻雜材料濃度 (cm"3)摻雜的類型320.75GaAsl+3e18N+331.0 + 2.0GaAs^le15N"340.2+0.4GaAs 或 Al0.2Ga0.8As3+4e19P+另外，如圖5所示，為了形成垂直PIN型二極管30的陽極觸點，在P+型層34的限定陽極區(qū)域34a的第一部分上形成陽極敷金屬35。特別地，為了形成陽極觸點，在P+型層34上形成第一掩模(圖5中未示出)，從而使得僅陽極區(qū)域3 暴露。有利地能由通過光刻法而圖案化的光致抗蝕劑層來形成第一掩模，以形成與陽極區(qū)域3 相對應(yīng)的孔。然后，可通過第一掩模在陽極區(qū)域3 上的孔來沉積陽極敷金屬35。
優(yōu)選地，陽極敷金屬35包括鉬(Pt)層。有利地，陽極敷金屬35還能包括重疊在鉬(Pt)層上的其它金屬阻擋層，例如鈦 (Ti)層和金(Au)層。優(yōu)選地，然后，例如在320°C下在60秒內(nèi)，使PIN型二極管30受到熱循環(huán)，以使陽極敷金屬35與下面的陽極區(qū)域3 粘合。隨后，如圖6所示，形成側(cè)向地環(huán)繞陽極區(qū)域3 的電絕緣層36。特別地，通過在P+型層34的第二部分中執(zhí)行離子注入來形成電絕緣層36，所述第二部分與限定陽極區(qū)域34a的第一部分不同，并且所述第二部分側(cè)向地環(huán)繞陽極區(qū)域34a， 從而使得P+型層34的所述第二部分電絕緣。詳細地，以這樣的方式來執(zhí)行離子注入，即，使得將離子選擇性地注入到P+型層34 的第二部分中，以使其電絕緣，并且根據(jù)用來執(zhí)行離子注入的能量和摻雜，還可能將離子選擇性地注入到本征層I 33的在P+型層34的第二部分下方延伸的一部分中，但是沒有到達 N+32層，且由此使其電絕緣。選擇性地注入到P+型層34的第二部分中的離子導致對P+型層34的第二部分的晶格的損壞，從而使得P+型層34的所述第二部分電絕緣。優(yōu)選地，與陽極觸點自對準地執(zhí)行離子注入，或者更確切地，使用陽極敷金屬35 作為陽極區(qū)域34a的保護掩模來進行離子注入，從而使得僅將離子注入到P+型層34的第二部分中，即，陽極區(qū)域34a外。在使用陽極敷金屬35作為離子注入的保護掩模的可替代方案中，有利地，能通過使用形成在垂直PIN型二極管30上的第二掩模(圖6中未示出)來執(zhí)行所述離子注入，從而保護陽極區(qū)域3 免于離子注入，或者更確切地，使P+型層34的第二部分暴露于離子注入。詳細地，有利地能通過形成在垂直PIN型二極管30上的且通過光刻法而圖案化的光致抗蝕劑層來形成第二掩模，從而使P+型層34的第二部分暴露于離子注入。有利地，在P+層34具有表1中所顯示的垂直厚度、組成和摻雜材料濃度的情況中， 為了有效地使P+層34電絕緣，可通過在能量為300KeV且摻雜等于Ie13CnT3的情況下注入氟離子施主(F+)來執(zhí)行離子注入。再次參考圖6，在形成電絕緣層36之后，本征層I 33包括 在N+型層32與陽極區(qū)域3 之間垂直地延伸的第一部分；以及 在N+型層32與電絕緣層36之間垂直地延伸的第二部分。隨后，在電絕緣層36中且在本征層I 33中形成第一溝槽，從而使N+型層32的限定陰極區(qū)域的一部分暴露，并且使得限定由電絕緣層36的在第一溝槽與陽極區(qū)域3 之間側(cè)向地延伸的且側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域34a的一部分構(gòu)成的犧牲性側(cè)保護環(huán)。特別地，如圖7所示，為了制造第一溝槽，在垂直PIN型二極管30上形成第三掩模 37，所述第三掩模至少覆蓋電絕緣層36的限定犧牲性側(cè)保護環(huán)的第一部分36a，并使電絕緣層36的從第一部分36a側(cè)向地延伸的且側(cè)向地環(huán)繞所述第一部分36a的第二部分36b 暴露。詳細地，電絕緣層36的第一部分36a在電絕緣層36的第二部分36b與陽極區(qū)域 34a之間側(cè)向地延伸，并側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域34a。有利地，能由通過光刻法而圖案化的光致抗蝕劑層來形成第三掩模37，從而形成與電絕緣層36的第二部分36b相對應(yīng)的孔37a。然后，如圖8所示，依靠第一蝕刻(優(yōu)選地是濕蝕刻)、通過選擇性地去除電絕緣層36的通過第三掩模37而暴露的第二部分36b以及本征層133的在電絕緣層36的所述第二部分36b下方延伸的第二部分來形成第一溝槽38，以使對本征層I 33的表面的損壞減到最小，從而使N+型層32的限定陰極區(qū)域的一部分暴露。特別地，第一溝槽38側(cè)向地環(huán)繞犧牲性側(cè)保護環(huán)36a以及沒有通過第一蝕刻而去除的且在N+型層32與陽極區(qū)域3 及犧牲性側(cè)保護環(huán)36a之間垂直地延伸的本征層I 33 ；陰極區(qū)域與陽極區(qū)域34a以及與沒有通過第一蝕刻而去除的且在N+型層32與陽極區(qū)域3 及犧牲性側(cè)保護環(huán)36a之間垂直地延伸的本征層I 33側(cè)向地且垂直地隔開。如圖8所示，犧牲性側(cè)保護環(huán)36a側(cè)向地保護陽極區(qū)域3 免于用于形成陰極觸點的第一蝕刻，這是因為陽極觸點的區(qū)域依靠層36的電絕緣工藝通過陽極區(qū)域3 來限定，而非通過陽極觸點的從此減去UC寬度頂?shù)膮^(qū)域來限定，由于蝕刻的各向同性貢獻而等同于下部蝕刻，與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的情況一樣。換句話說，始終如圖8所示，即使去除犧牲性側(cè)保護環(huán)36a的在第三掩模37下方延伸的側(cè)向部分，用于產(chǎn)生使用第三掩模37來形成的陰極觸點的第一蝕刻在任何情況中都不能侵蝕陽極區(qū)域3 正是由于所述犧牲性側(cè)保護環(huán)36a所確保的保護，且因此不能側(cè)向地收縮陽極觸點的電有源區(qū)域。特別地，將側(cè)保護環(huán)36a稱作是犧牲性的，正是因為犧牲了其側(cè)向部分，以保護陽極區(qū)域3 免于第一蝕刻。換句話說，犧牲性側(cè)保護環(huán)36a是用來側(cè)向地保護陽極區(qū)域免于第一蝕刻的保護結(jié)構(gòu)。另外，電有源區(qū)域距第一溝槽38的壁的更大距離具有另一技術(shù)優(yōu)點PN結(jié)在其最弱點(與GaAs表面相對應(yīng)，在此通常存在用作電子-空穴對的重組和/或產(chǎn)生中心的電子“阱”狀態(tài))的電路徑能顯著地大于摻雜層之間的距離，例如在使用已知技術(shù)所獲得的情況中，因為其實際上通過存在于陽極觸點與陰極觸點之間的絕緣GaAs層的寬度而“延長”， 即，通過環(huán)繞陽極區(qū)域34a的犧牲性側(cè)保護環(huán)36a的寬度而“延長”。此特性確保了，對于相同的二極管極化電壓，根據(jù)本發(fā)明制造的垂直PIN型二極管具有與表面相對應(yīng)的平均更小的電場。這導致，當二極管處于切斷狀態(tài)中時以及當接通二極管時，該表面上的少數(shù)載體 (minority carrier)的噴射更小，且因此導致通過存在于其上的阱的電荷重組速度更低， 結(jié)果是通過該表面的泄漏電流更小。由于相同的原因，犧牲性側(cè)保護環(huán)36a的存在能有助于增大擊穿電壓，這限制了 PIN型二極管在高功率射頻(RF)信號下以O(shè)FF狀態(tài)工作的能力。現(xiàn)在回到對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的詳細描述，在已形成第一溝槽38之后，在N+ 型層32的限定陰極區(qū)域的暴露部分上形成垂直PIN型二極管30的陰極觸點。特別地，如圖9所示，為了形成垂直PIN型二極管30的陰極觸點，在N+型層32的限定陰極區(qū)域的暴露部分上形成陰極敷金屬39。有利地，能通過第三掩模37的孔37a并通過第一溝槽38在陰極區(qū)域上沉積陰極
敷金屬39。有利地，陰極敷金屬39能包括金(Au)層、鍺(Ge)層以及鎳(Ni)層。優(yōu)選地，然后例如在390°C下在60秒內(nèi)使垂直PIN型二極管30受到熱循環(huán)，以使陰極敷金屬39與下面的陰極區(qū)域粘合。
隨后，如圖10所示，為了使垂直PIN型二極管30絕緣，形成第二垂直溝槽40，從而使半絕緣襯底31的表面暴露且因此環(huán)繞PIN型二極管30，使其與存在于相同MMIC的表面上的其它部件和/或裝置電絕緣。第二垂直溝槽40與第一溝槽38、與陽極區(qū)域34a以及與沒有通過第一蝕刻而去除的且在N+型層32與陽極區(qū)域3 及犧牲性側(cè)保護環(huán)36a之間垂直地延伸的本征層I 33側(cè)向地隔開。特別地，依靠被稱作絕緣蝕刻的第二蝕刻、通過選擇性地去除N+型導電層32的在垂直PIN型二極管30的陽極觸點和陰極觸點外部且在半絕緣襯底31上延伸的特定部分來形成第二溝槽40，以在垂直PIN型二極管30與相同MMIC的其它部件之間獲得期望的電絕緣。有利地，為了使垂直PIN型二極管30絕緣，且由此為了產(chǎn)生第二溝槽40，能在形成于垂直PIN型二極管30上之后使用例如由圖案化的光致抗蝕劑層形成的第四掩模(圖10 中未示出)，以使N+型層32和I型層33以及電絕緣層36的處于陽極觸點和陰極觸點外部的部分暴露于絕緣蝕刻。替代地，能通過以下步驟來進行形成陰極觸點以及隨后的N+層32的絕緣的工藝 在外延晶片的除電絕緣層36的圍繞受其周圍的圖案化的適當掩模保護的陽極觸點的區(qū)域以外的所有表面中執(zhí)行去除電絕緣層36和本征層I 33的蝕刻，直到暴露N+型層32的表面為止； 形成另一掩模以沉積陰極敷金屬39，并如前所述地執(zhí)行熱粘合循環(huán)；以及 形成另一掩模以保護陽極觸點和陰極觸點，并去除N+型層32的特定部分，以在垂直PIN型二極管30與相同匪IC的其它部件之間產(chǎn)生電絕緣。隨后，如圖11所示，能沉積由介電層(例如Si3N4和/或SiO2)構(gòu)成的鈍化層41， 以保護半導體的表面。隨后，如通常為了制造MMIC裝置所執(zhí)行的，并如已知技術(shù)用文件充分證明的，接著進行形成軌道、互連、塊形觸點(bump contact)、金屬橋以及經(jīng)由在襯底中制得的空穴而與背襯敷金屬的連接，這能有助于形成基于PIN型二極管和其它部件(諸如電感器、電容器、電阻器和其它無源組件)的單片集成電路。優(yōu)選地，參考圖12，通過沉積金(Au)以及隨后的所沉積的金的流電生長來形成通過金屬橋的連接，例如在圖12中用參考標號42和43表示的那些，這些連接分別將陽極觸點和陰極觸點與存在于相同MMIC上的剩余部件和軌道相連接。關(guān)于通過金屬橋的陽極接觸連接，本發(fā)明允許即使當制造亞微米尺寸的觸點時也能夠便于制造，因為可將金屬橋擱置在沉積于側(cè)保護環(huán)36a的頂部上的鈍化層41上，與圖 12所示的鈍化層相似，上述鈍化層能具有比陽極區(qū)域3 更大的尺寸，由此有助于進一步減小寄生電容。另外，圖12還示出了包括陽極端子44和陰極端子45的二極管30的電路符號30，。特別地，如圖12所示，電路符號30’的陽極端子44與二極管30的陽極敷金屬35 相對應(yīng)，而電路符號30’的陰極端子45與二極管30的陰極敷金屬39相對應(yīng)。從前面的描述中能立即理解本發(fā)明的優(yōu)點。特別地，希望強調(diào)根據(jù)本發(fā)明的制造垂直PIN型二極管的方法與已知的制造工藝有如何不同，據(jù)此與陽極觸點自對準地進行干蝕刻，以產(chǎn)生陰極觸點，在蝕刻各向異性與對本征層I 33的存在于陽極觸點與陰極觸點之間的側(cè)壁表面的機械損壞之間采取折衷處理。事實上，根據(jù)本發(fā)明，通過作用在電絕緣層36的與陽極區(qū)域3 側(cè)向地隔開的且由此不會導致陽極觸點的側(cè)向收縮的部分上的蝕刻來制得用于形成陰極觸點的第一垂直溝槽38，從而限制由于對陽極區(qū)域3 的側(cè)面的機械損壞所產(chǎn)生的負面效應(yīng)。如前所述，相反地，對陽極區(qū)域和下面的本征層的側(cè)面的這種機械損壞存在于使用已知的制造工藝(例如，在先前引用的文章“單片MBE GaAs PIN型二極管限幅器(MONOLITHIC MBE GaAs PIN DIODE LIMITER)”中所描述的制造方法)制得的垂直PIN型二極管中。特別地，所述文章的圖Ι-b至圖l_f清楚地表明了所執(zhí)行的用于使N+型層的限定陰極區(qū)域的部分暴露的蝕刻如何還去除了 P+型層的限定陽極區(qū)域的的側(cè)向部分以及本征層I的位于所述陽極區(qū)域下方的側(cè)向部分，結(jié)果對相應(yīng)的側(cè)面產(chǎn)生機械損壞。在這點上，強調(diào)這樣一個事實是很重要的 即使是美國專利US 5，213，994中所描述的方法也受上述技術(shù)缺陷影響。事實上，雖然US 5，213，994中沒有描述也沒有示出，但是此技術(shù)缺陷必然會存在，因為根據(jù)US 5，213，994， 執(zhí)行指定用于在P+和N—型層中形成第一溝槽的蝕刻，不管以任何方式都不能保護P+型層的限定陽極區(qū)域的部分的側(cè)面以及N—型層的位于所述陽極區(qū)域下方的部分的側(cè)面。此外，由使用具有更多各向同性特性的蝕刻的本發(fā)明所提供的可能性(例如，基于濕法溶液(wet solution)(例如，由1份H2SO4、1份H2O2以及12份H2O構(gòu)成)中的浸沒、 用于在不影響二極管的結(jié)面積的情況下形成陰極觸點)提供了更好的減輕在半導體的表面上形成電子“阱”狀態(tài)的機會。關(guān)于第一方面，本發(fā)明的優(yōu)點表現(xiàn)為這樣的事實由于使用陽極敷金屬35作為用于離子注入的掩模這一事實，能夠?qū)㈥枠O觸點的面積限制在更小的尺寸，從而以可再現(xiàn)的方式使寄生電容和寄生電阻減到最小。在本發(fā)明中，確保了這種再現(xiàn)性，避免對陽極觸點的非可控減小具有反應(yīng)的第一蝕刻的工藝公差的危險。因此，本發(fā)明的另一主要技術(shù)優(yōu)點表現(xiàn)為這樣的事實根據(jù)本發(fā)明制得的垂直 PIN型二極管在直接或反向極化時具有非常低的泄漏電流。因此，根據(jù)本發(fā)明制得的垂直PIN型二極管減輕了與剩余沉積物的存在和/或機械損壞相關(guān)的問題，這些問題能使PIN型裝置的性能和可靠性無效。最后，應(yīng)該理解的是，在不背離所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的保護范圍的前提下，可對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種制造垂直PIN型二極管(30)的方法，包括提供包括垂直地堆疊的N型層(32)、本征層(3 以及P型層(34)的外延晶片；以及通過在所述P型層(34)的限定陽極區(qū)域的第一部分(34a)上形成陽極敷金屬(35)來形成所述垂直PIN型二極管(30)的陽極觸點；其特征在于，進一步包括圍繞所述陽極區(qū)域(34a)形成電絕緣層(36)，從而使得所述本征層(3 的第一部分在所述N型層(3 與所述陽極區(qū)域(34a)之間垂直地延伸，并從而使得所述本征層(33)的第二部分在所述N型層(3 與所述電絕緣層(36)之間垂直地延伸；在所述電絕緣層(36)中且在所述本征層(3 的所述第二部分中形成溝槽(38)，從而使所述N型層(3 的限定陰極區(qū)域的一部分暴露，并從而限定由所述電絕緣層(36)的在所述溝槽(38)與所述陽極區(qū)域(34a)之間側(cè)向地延伸的且側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域(34a) 的一部分構(gòu)成的犧牲性側(cè)保護環(huán)(36a)；以及通過在所述N型層(3 的限定所述陰極區(qū)域的暴露部分上形成陰極敷金屬(39)來形成所述垂直PIN型二極管(30)的陰極觸點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，形成電絕緣層(36)包括在所述P型層(34)的第二部分中執(zhí)行離子注入，所述P型層的所述第二部分與所述P 型層(34)的限定所述陽極區(qū)域(34a)的所述第一部分(34a)不同，并且所述P型層的所述第二部分側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域(3 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，在所述P型層(34)的第二部分中執(zhí)行離子注入包括將離子選擇性地注入到所述P型層(34)的所述第二部分中，以使所述P型層的所述第二部分電絕緣，所述電絕緣層(36)包括所述P型層(34)的已選擇性地注入所述離子的所述第二部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，選擇性地注入到所述P 型層(34)的所述第二部分中的所述離子會損壞所述P型層(34)的所述第二部分的晶格， 從而使所述P型層(34)的所述第二部分電絕緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，與所述陽極敷金屬 (35)自對準地執(zhí)行所述離子注入。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，使用形成在所述垂直 PIN型二極管(30)上從而使所述P型層(34)的所述第二部分暴露于離子注入的第一掩模來執(zhí)行所述離子注入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，形成溝槽(38)包括選擇性地去除所述電絕緣層(36)的第一部分(36b)以及所述本征層(3 的在所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)下方延伸的所述第二部分，從而使所述N型層(32)的限定所述陰極區(qū)域的部分暴露，所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)與所述陽極區(qū)域 (34a)側(cè)向地隔開，從而使得所述電絕緣層(36)的限定所述犧牲性側(cè)保護環(huán)(36a)的第二部分(36a)在所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)與所述陽極區(qū)域(34a)之間側(cè)向地延伸并側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域(3 ),所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)側(cè)向地環(huán)繞所述電絕緣層(36)的所述第二部分(36a)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，選擇性地去除所述電絕緣層(36)的第一部分(36b)以及所述本征層(3 的在所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)下方延伸的所述第二部分包括執(zhí)行低損壞的且主要為各向同性的蝕刻，從而去除所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)以及所述本征層(3 的在所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)下方延伸的所述第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造垂直PIN型二極管的方法，其中，使用形成在所述垂直 PIN型二極管(30)上從而使所述電絕緣層(36)的所述第一部分(36b)暴露于所述低損壞的且主要為各向同性的蝕刻的第二掩模來執(zhí)行所述低損壞的且主要為各向同性的蝕刻，。
10.一種垂直PIN型二極管(30)，包括N型層(32)；形成在所述N型層(3 的限定陰極區(qū)域的第一部分上的陰極觸點(39)；形成在所述N型層(3 的第二部分上的本征層(33)；P型層(34)的形成在所述本征層(3 的第一部分上的且限定陽極區(qū)域的一部分；以及形成在所述P型層(34)的限定所述陽極區(qū)域的部分上的陽極觸點(35)；所述垂直PIN型二極管(30)的特征在于，其還包括形成在所述本征層的第二部分上的保護結(jié)構(gòu)(36a)，以側(cè)向地保護所述P型層(34)的限定所述陽極區(qū)域的部分免于旨在使所述N型層(3 的限定所述陰極區(qū)域的所述第一部分暴露的蝕刻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直PIN型二極管(30)，其中，所述保護結(jié)構(gòu)具有形成在所述本征層(3 的圍繞所述陽極區(qū)域(34a)的所述第二部分上的電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán) (36a)的形狀，以防止所述蝕刻蝕刻所述P型層(34)的位于所述陽極觸點(35)下方的部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的垂直PIN型二極管(30)，其中，所述電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán)(36a)通過將離子注入到所述P型層(34)的側(cè)向地環(huán)繞所述P型層(34)的限定所述陽極區(qū)域的所述部分的另一部分中而制得。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的垂直PIN型二極管(30)，其中，所述電絕緣犧牲性側(cè)保護環(huán)(36a)還圍繞所述本征層(3 的所述第一部分的在所述陽極區(qū)域(34a)下方延伸的子部分而形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直PIN型二極管(30)，其中，所述N型層(3 的限定所述陰極區(qū)域的所述第一部分從所述N型層(3 的所述第二部分側(cè)向地延伸，其中，所述本征層(3 的所述第一部分在所述N型層(3 的所述第二部分與所述P型層(34)的限定所述陽極區(qū)域的部分之間垂直地延伸，并且其中，所述本征層(3 的所述第二部分在所述 N型層(32)的所述第二部分與所述保護結(jié)構(gòu)(36a)之間垂直地延伸。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的垂直PIN型二極管(30)，其中，所述N型層(3 的限定所述陰極區(qū)域的所述第一部分側(cè)向地環(huán)繞所述N型層(3 的所述第二部分。
全文摘要
制造垂直PIN型二極管的方法及垂直PIN型二極管，本方法包括提供包括垂直地堆疊的N型層、本征層及P型層的外延晶片；通過在P型層的限定陽極區(qū)域的第一部分上形成陽極敷金屬來形成二極管的陽極觸點；圍繞陽極區(qū)域形成電絕緣層，從而使得本征層的第一部分在N型層與陽極區(qū)域之間垂直地延伸，并使得本征層的第二部分在N型層與電絕緣層之間垂直地延伸；在電絕緣層中且在本征層的第二部分中形成溝槽，從而使N型層的限定陰極區(qū)域的一部分暴露，并限定由電絕緣層的在溝槽與陽極區(qū)域之間側(cè)向地延伸的且側(cè)向地環(huán)繞所述陽極區(qū)域的一部分構(gòu)成的犧牲性側(cè)保護環(huán)；以及通過在N型層的限定陰極區(qū)域的暴露部分上形成陰極敷金屬來形成二極管的陰極觸點。
文檔編號H01L29/06GK102299069SQ20111017762
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者艾里斯修·潘特利尼, 馬爾科·佩羅尼 申請人:塞萊斯系統(tǒng)集成公司