JPH01503423A - 2端子半導体ダイオード装置 - Google Patents
2端子半導体ダイオード装置Info
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- JPH01503423A JPH01503423A JP63502792A JP50279288A JPH01503423A JP H01503423 A JPH01503423 A JP H01503423A JP 63502792 A JP63502792 A JP 63502792A JP 50279288 A JP50279288 A JP 50279288A JP H01503423 A JPH01503423 A JP H01503423A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は半導体装置に管するものであり、特にオフセットした接続孔を使用す
る2端子ダイオード装置およびその製造方法に関するものである。
2、従来技術の説明
伝統的に2端子半導体装置は直接接続孔の金属化部分を使用されるようにパッケ
ージされている。
半導体装置は、ダイオードチップ、垂直に貫通する接続孔を有する半絶縁性基体
、およびこの接続孔を満たす金属ヒートシンクより構成されている。ダイオード
チップは金属ヒートシンク上に位置し、この金属ヒートシンクはまたダイオード
チップを接地する作用をしている。しかしながら上記のパッケージ装置中におい
て、接続孔のエツチングは非常に制御が困難である。ダイオードは典型的に3層
を有し、その基体と隣接する層の厚さは典型的には5ミクロンに過ぎない。接続
孔はこの5ミクロンの厚さの層をエツチングのときに除去せずに基体を通ってこ
のダイオード層までエツチングしなければならない。さらに金属ヒートシンクは
その寸法が限定されているために効率のよいものではない。
熱除去の問題を解決するために、大きな接続孔形状のものが開発されるようにな
った。孔の大きさが増加するため、ダイオードの下方により多くの金属を配置す
ることが可能になり、熱転送効率を増加させる。しかしながら残念なことに、寄
生インダクタンスもまた増加する。次に発展過程において、集積パッケージ2端
子装置が開発された。ダイオードの活性層は直接ヒートシンク上に配置され、ダ
イオードおよびヒートシンクは厚いポリイミド層中に埋め込まれる。ポリイミド
の熱伝導性が低いために、ダイオードからの熱の除去の効率が悪く、それ故装置
は長時間持続して動作させることができない。さらにパッケージは半絶縁性基体
ではないからモノリシックではなく、それ故このパッケージ方法はモノリシック
回路と両立しない。
発明の概要
それ故、この発明の目的は、低い寄生インダクタンスであり、しかも熱転送効率
の高い2端子半導体ダイオ、−ド装置を提供することである。
この発明の別の目的は、モノリシックな2端子半導体ダイオード装置を提供する
ことである。
この発明のさらに別の目的は、低い製造コストで、高い生産性の2端子半導体ダ
イオード装置を製造する改善された方法を提供することである。
前記のような目的にしたがって、この発明による2端子半導体ダイオード装置は
半導体ダイオードがその上に配置された半絶縁性基体を具備している。半導体ダ
イオードは下部部分と上部部分とを有する。下部部分は上部部分のベースを囲む
環状の上面を有する。第1の金属コンタクトが半導体の上部部分に電気的に接続
され、環状の第2の金属コンタクトが半導体の下部部分の環状上面に電気的に接
続される。−誘電体材料の層がダイオードと2個のコンタクトを覆っている。第
1の外部コンタクトは誘電体層を貫通して第1の金属コンタクトと電気的に接続
される。第2の外部コンタクトは基体および半導体ダイオードの下部部分を貫通
して金属コンタクトリングと電気的に接続される。
この発明の方法によるそのような半導体ダイオード装置の製造においては、まず
前記の半絶縁性基体を形成した後、少なくとも2個の半導体材料の層が成長され
る。半導体材料の第1の層は半絶縁性基体上に成長され、半導体材料の第2の層
は半導体材料の第1の層上に成長される。第1の金属コンタクトは予め定められ
た形状で第2の層上に付着される。マスク部材として1の金属コンタクトより少
し大きいフォトレジストパターンを使用して、第2の層および第1の層の薄いス
ライスがエツチングして除去されて半導体ダイオードの上部部分が形成される。
環状の金属材料が第1の層上に上部部分のベースを囲んで付着され、第2の金属
コンタクトを形成する。第2のエツチングステップにおいて、マスクとして第2
の金属コンタクトより少し大きいフォトレジストパターンを使用して、第1の層
が半絶縁性基体までエツチングされる。
誘電体材料層が半絶縁性基体、半導体材料、および金属コンタクト上に付着され
る。材料が基体層および半導体ダイオードから除去され、金属リングの区域を露
出する第1の孔が形成される。外部金属コンタクトが第1の孔中に延在して金属
リングと電気的に接続されるように付着される。第2の除去ステップにおいて、
材料は誘電体層から除去されて、第1の金属コンタクトの区域を露出するように
延在する孔が形成される。金属が誘電体層および第2の孔を満たしている露出さ
れた金属上に付着される。
この発明の他の、さらに別の目的、利点および特徴は、添附図面を参照に以下の
この発明の好ましい実施例の説明から容易に明らかになるであろう。
図面の簡単な説明
第1図はこの発明による2端子半導体ダイオード装置の断面図である。・
第2図はこの発明による2端子半導体ダイオード装置の斜視図である。
第3a図乃至第3j図はこの発明の方法による装置の製造におけるステップを示
す2端子半導体ダイオード装置の一連の断面図である。
詳細な説明
特に第1図および第2図を参照すると、頂部主面15および底部主面19を有す
る半絶縁性基体11が示されている。半絶縁性基体11は典型的には最終の厚さ
が4ミルであり、ひ化ガリウム、リン化インジュウム或いは任意の他の■−V族
半導体材料から作られる。半導体ダイオード18は半絶縁性基体11の頂部主面
15上に位置している。半導体ダイオード18は上部部分17と下部ベース部分
29を有している。上部部分17は頂面27を有する切頭円錐形状である。下部
ベース部分29はディスク形状である。ディスク形状のベース部分29は環状の
上面22を有し、それは切頭円錐形状の上部部分17のベースの外方に延在して
いる。上部部分17の頂面27と下部ベース部分29の環状上面22は実質上平
行な平面を形成している。
半導体ダイオードは典型的には3個の半導体層から構成されている。すなわち、
半絶縁性基体の頂部面15に隣接して位置している第1の層12(第1の層は典
型的にはN十導電型である)、典型的にはN導電型である第2の中間層14、お
よび所望の最終的なダイオード装置に応じたP十またはN十導電型のいずれかで
ある第3の層16である。例としてガンダイオードを使用すると、第1の層12
はN十導電型であり、第2の層14はN導電型であり、第3の層16はN十導電
型である。ガンダイオードに対しては、第1の層12のドーピング濃度は典 。
型的には1×1018イオン/cm3であり、中間層14に対しては典型的には
1×1016イオン/cm’であり、第3の層16に対してはドーピング濃度は
典型的にはlX1018イオン/cm3である。第1のN十層I2は典型的には
約10ミクロン以上の厚さであり、それはダイオードの直列抵抗を減少させる。
第2の中間層14の厚さは典型的には約1乃至2.5ミクロンであり、第3の層
16は典型的には例えば約0.5ミクロンの厚さである。
第2の中間層14はガン領域がそこに形成される転移層として作用する。例えば
バラクタダイオードまたはインバットダイオードのような他の形式の2端子半導
体ダイオード装置もまた使用できる。
ディスク形状の金属コンタクト20は実質上切頭円錐形状の上部部分17の頂面
27上に位置して電気的に接続されている。
リング状の第2の金属コンタクト25はディスク状のベース部分29の環状上面
22上に位置して電気的に接続されている。第2の金属コンタクトリング25は
実質上切頭円錐形状の上部部分17のベースから間隔を置いている。金属コンタ
クトリングは典型的には内径2.4ミル、外径e、o ミルであり、約0.6
ミクロンの厚さである。
誘電体層30がダイオード18、金属コンタクト2oおよび25および半絶縁性
基体11の頂部主面15上に付着される。誘電体層30は典型的には第1の層1
2の厚さの1.5乃至2倍であり、典型的には約5乃至10ミクロンの厚さであ
る。誘電体層は第1図に示されるようにポリイミドの層3oおよび窒化シリコン
または2酸化シリコンの層32から構成されることができる。
例えばポリイミド層30は典型的には約10乃至20ミクロンの厚さであり、窒
化シリコンまたは2酸化シリコンの層32は典型的には約0.2乃至0.5ミク
ロンの厚さである。誘電体層は半導体ダイオード18を保護し、また後の処理中
に金メッキしたヒートシンクを形成するための平坦な表面33を与える。
オフセット位置の接続孔40は半絶縁性基体11および半導体ダイオード18の
下部ディスク状ベース部分29を貫通して金属リングコンタクト25の一部を露
出させている。接続孔4oは従来普通に設けられていた位置からオフセットして
いる。導電材料からなる伝送ライン45は基体11の底面19に設けられ、接続
孔40を横切っている。伝送ライン45の導電材料は接続孔4゜中に入り込み、
金属リングコンタクト25と電気接続を形成している。伝送ライン45は半導体
ダイオード18と他の回路部品との間の必要な整合を行い、またダイオードのバ
イアスを与える。
第2の接続孔50は誘電体層30および32を貫通し、第1の金属コンタクト2
0を露出させている。金属層51は誘電体の表面33を覆い、第2の接続孔50
中に入り第1の金属コンタクト20と電気的および熱的に良好な接続を形成して
いる。この金属は熱をダイオード18から除去し、またダイオード18に対する
接地平面を与える。金属層51は2〜3ミルの厚さである。
上記図面に示された構造は個々の2端子装置を示すものであり、半絶縁性基体は
実際には多数のそのような構造を含んでおり、前記の製造工程の最終工程中に基
体が小さなチップに切断されて個々の2端子装置が形成されてもよいことを注意
すべきである。さらに例えばショッッキバリアミキサーダイオードおよびPIN
スイッチダイオードのような他の能動装置が基体11の底面19上に形成され、
ダイオード18に電気的に結合されて集積ミリメータ波受信または送信システム
を形成するようにしてもよい。
以上を要約すると、オフセットした位置の接続孔40と金属リングコンタクト2
5を使用した2端子半導体ダイオード装置が説明され、それは処理を簡単にし、
従来の2端子装置パツケージの厳しい公差に対する要求を消滅させることができ
る。
熱転送効率もまた改善される。さらにこの発明を使用する2端子半導体ダイオー
ド装置は比較的低いコストで製造されることができ、生産効率のよい処理が可能
である。
この発明の好ましい実施例の方法を使用した2端子半導体ダイオード装置の製造
過程が第3a図乃至第3j図に示されている。第1図および第2図の実施例にお
ける部分と同一または等価の部分は1の後に同じ2桁の数字を付して示している
。
第3a図乃至第3j図に示す2端子ダイオード装置の連続工程は、例としてガン
ダイオードについて示されている。この製造方法はまた例えばバラクタダイオー
ド或いはインバットダイオードのような他のダイオードに適用することができる
。第3a図を参照すると、2端子ダイオード装置は例えば10乃至15ミルの厚
さのひ化ガリウム基体でよい半絶縁性基体111を使用して製造される。第1の
高ドープ半導体層112が基体111上に形成される。半導体層112は例えば
N生型ひ化ガリウムであることが好ましい。高ドープ半導体層112は通常の気
相エピタキシ(VPE)または分子ビームエピタキシ(MBE)技術によって形
成することができる。その代わりに、高ドープ半導体層112はまたよく知られ
た金属酸化物化で形成されることもできる。半導体層112″のドープレベルは
lX1018乃至2×1018イオン/cn+3の範囲であり、その厚さは典型
的には約10ミクロンである。
第1の層112と同じ導電型である低ドープの第2の半導体層114が第1の層
112の上に形成される。例えば低ドープ半導体層114はn型ひ化ガリウムで
あり、よく知られたVPE。
MOCVD、またはMBE技術によって形成されることができる。第2の半導体
層114は約lX1o16イオン/c1113のドープレベルを有し、その厚さ
は1.0乃至2.5 ミクロンである。
第2の層114はガン領域が形成される転移層として作用する。
高ドープの第3の半導体層116が第2の層114の上に形成される。ガンダイ
オードの場合には高ドープの第3の半導体層118はn生型ガリウム・アルミニ
ウムである。この高ドープの第3の半導体層116は通常のVPE、MOCVD
、またはMBE技術によって形成されることができる。第3の半導体層116は
約0.5ミクロンの厚さを有し、半導体層のドープレベルは約lX1018乃至
2X1018イオン/cm3の範囲である。
が第3の層116上に形成される。通常のフォトリソグラフ技術により、フォト
レジスト層は選択的に露光され、現像されてダイオード装置のための第1の金属
コンタクトを定めるパターン開口が形成される。パターン開口は典型的には円形
である。金・ゲルマニウム、ニッケル、および金のような金属が順次フォトレジ
スト上に付着されて第1のコンタクト120を形成する。フォトレジストおよび
余分な金属はその後アセトンによって除去される。
次に第3b図に示すように、第3の層116、第2の層114、および第1の層
112の薄い一部分(スライス)が除去される。
第1の金属コンタクト120と整列してそれよりもやや大きいフォトレジストパ
ターン(図示せず)がマスクとして使用される。適当な割合いのH2SO4およ
びH20□のような化学的エツチング液が使用されて露出された第3の層116
、第2の層114、および第1の層112の薄い一部分がエツチングされ、第1
の層112のバルクの厚さは維持される。実質上切頭円錐状の半導体材料の上部
部分117がこのエツチング処理によって形成される。
次のステップとして、第2のフォトレジスト層(図示せず)が金属コンタクト1
20を含む半導体材料の第1の層112を覆って供給される。フォトレジスト層
は露光され、現像されて半導体材料の第1の層112上の金属リングコンタクト
125のためのパターン開口が形成される。金・ゲルマニウム、ニッケル、およ
び金のような金属が電子ビーム蒸着によって順次フォトレジスト層上に付着され
る。フォトレジストおよび余分な金属はその後アセトンによって除去される。こ
れは実質上切頭円錐状の上部部分117のベースを取巻く金属リングコンタクト
125を残す。金属リングコンタクト125は第3C図に示すように第1の層1
12に対するオームコンタクトとして作用する。
金属リングコンタクト125の形成に続いて、第1の層112は第3d図に示す
ように半絶縁性基体111までエツチングされる。金属リングコンタクト125
より少し大きいフォトレジストマスクパターンが使用されて第1の層112がエ
ツチングで除去される。半絶縁性基体111にこのエツチングステップでディス
ク形状の基体111上の下部ベース部分129が形成される。
次のステップにおいて、第3e図に示すように、例えばポリイミドのような誘電
体材料の層が半導体ダイオード18、金属コンタクト120および125、半絶
縁性基体111を覆って被着される。ポリイミドの層130は第1の半導体層1
12′の厚さの1.5乃至2倍の厚さを有する。ポリイミド層130の付着およ
びキュア後、2酸化シリコンまたは窒化シリコンの薄い層132がポリイミド層
130上に付着される。層132は典型的には約0.2乃至0.5ミクロンの厚
さであり、本質的に平坦な上部表面133を有する。
この状態まで製造された半導体構造は裏返しにされ、基体層111の底面は研磨
され例えば約4ミルの厚さに研磨される。
第3f図参照。
赤外線マスク整列技術を使用して、フォトレジストマスク(図示せず)が金属コ
ンタクトリング125の部分と一致するパターン開口を有して基体層111の底
面119上に形成される。
基体層111の露出された領域はH2SO4およびH20□を使用した化学的エ
ツチングまたは反応性イオンエツチング(RIE)技術によってエツチングされ
、反応性イオンはフレオン12 (TM)とアルゴンの混合物から発生される。
後者のドライエツチング方法はより均一にエツチングされた接続孔を生成するた
めに好ましい。エツチングは基体111を貫通した接続孔140が金属コンタク
トリング125の区域を露出するまで続けられる。
第3g図に示した次の工程では伝送ラインおよび接続孔140の金属化が行われ
る。フォトレジスト層(図示せず)は基体111上に形成され、それは第3h図
に示されるような伝送ライン142および144および接続孔140のためのパ
ターン開口を有している。チタニウムおよび金の金属層142は例えば電子ビー
ム蒸着によりフォトレジスト開口上に例えばそれぞれ約0.05ミクロンおよび
1ミクロンの厚さに付着される。
その後第3h図に示されるように接続孔140中の金属層142およびバイアス
ライン上の金属は約3乃至5ミクロンの厚さまで金の層144を電気メッキする
ことによって選択的に形成される。
2端子装置の裏側の金属化の後、フォトレジスト層(図示せず)が層132上に
形成され、それは第1の金属コンタクト120と垂直に一致する開口を有してい
る。層132の露出された区域は緩衝されたフッ酸(HF)液を使用して湿式化
学エツチングされる。エツチングは窒化シリコンまたは2酸化シリコン層132
が除去されるまで続けられる。その後乾燥プラズマエツチングを使用して露出さ
れた誘電体層130が除去され、第31図に示すような第1の金属コンタクト1
20に達する孔150が残される。フォトレジストはプラズマエツチング処理中
に除去される。その後チタニウムおよび金が層132上および孔150中にそれ
ぞれ約0.05ミクロンおよび0.2 ミクロ示すように約2乃至3ミルの厚さ
に電気メッキされて金属層151を形成する。
2端子ダイオード装置はこのようにして廉価に高い生産効率の処理技術によって
製造される。オフセットされた接続孔の使用は従来の2端子ダイオード装置の厳
しい接続孔の公差の要求を不要にする。
この発明は特定の図示された実施例を参照して示され、説明されたけれども、こ
の発明に関係する種々の変形、変更がこの発明の技術的範囲に含まれることは当
業者には明白であろう。
国際調査報告
国際調査報告
Claims (22)
- 1.第1および第2の主面を有する半絶縁性基体と、上部部分と、この上部部分 のベースから外側に延在する環状の上面を有する下部ベース部分とを有し、前記 半絶縁性基体の第1の主面上に位置する半導体ダイオードと、前記半導体ダイオ ードの上部部分と電気的に接続された第1の金属コンタクトと、 前記下部ベース部分の環状の上面上に位置しそれと電気的に接続されたリング状 の第2の金属コンタクトと、前記半導体ダイオード、第1および第2の金属コン タクト、および前記基体の第1の主面を覆って配置され、前記第1の金属コンタ クトに達する第1の孔を有する誘電体材料の層と、前記第1の孔を通って前記第 1の金属コンタクトに熱的および電気的に結合される金属ヒートシンク手段とを 具備し、前記半絶縁性基体および下部ベース部分はそれらを貫通して前記リング 状の第2の金属コンタクトに達する第2の孔を有し、 金属バイアスラインが前記第2の孔を通って前記リング状の第2の金属コンタク トに電気的に接続されている2端子半導体ダイオード装置。
- 2.前記上部部分が実質上切頭円錐形状であり、前記下部部分が実質上ディスク 形状である請求項1記載の2端子ダイオード装置。
- 3.前記上部部分が第1の導電型であり、前記下部ベース部分が第2の、反対の 導電型である請求項1記載の2端子ダイオード装置。
- 4.前記半導体ダイオードが3個の層を含み、底部層はN+導電型で前記基体に 隣接し、中間層はN導電型で底部層に隣接し、頂部層はN+導電型で前記中間層 に隣接している請求項1記載の2端子ダイオード装置。
- 5.前記半導体ダイオードが3個の層を含み、底部層はN+導電型で前記基体に 隣接し、中間層はN導電型で底部層に隣接し、頂部層はP+導電型で前記中間層 に隣接している請求項1記載の2端子ダイオード装置。
- 6.前記誘電体層はポリイミドからなる請求項1記載の2端子ダイオード装置。
- 7.前記誘電体層上に2酸化シリコンの層を具備している請求項6記載の2端子 ダイオード装置。
- 8.前記誘電体層上に窒化シリコンの層を具備している請求項6記載の2端子ダ イオード装置。
- 9.前記半導体ダイオードをバイアスする手段を具備している請求項1記載の2 端子ダイオード装置。
- 10.前記半導体ダイオードはIII−V族半導体材料からなる請求項1記載の 2端子ダイオード装置。
- 11.前記半導体ダイオードはひ化ガリウムからなる請求項1記載の2端子ダイ オー ド装置。
- 12.前記半導体ダイオードはリン化インジュウムからなる請求項1記載の2端 子ダイオード装置。
- 13.半絶縁性基体と、 上部部分と、この上部部分のベースから外側に延在する上面を有する下部ベース 部分とを有し、前記半絶縁性基体上に位置する半導体ダイオードと、 前記半導体の上部部分上の第1の電気コンタクトと、前記下部ベース部分の上面 に電気的に接続されたリング状の第2の金属コンタクトと、 前記第2の金属コンタクトに電気的に接続するための外部コンタクト手段とを具 備している2端子ダイオード装置。
- 14.前記下部ベース部分の前記上面は上部部分のベースを囲んで環状に延在し ており前記第2の金属コンタクトは環状の上面に電気的に接続されておりリング 形状である請求項13記載の2端子ダイオード装置。
- 15.前記上部部分は実質上切頭円錐形状であり、前記下部部分が実質上ディス ク形状である請求項13記載の2端子ダイオード装置。
- 16.前記半導体ダイオードが3個の層を含み、N+導電型の基体に隣接する層 と、N導電型の底部層に隣接する中間層と、N+導電型で前記中間層に隣接して いる頂部層とである請求項13記載の2端子ダイオード装置。
- 17.前記半導体ダイオードが3個の層を含み、N+導電型の基体に隣接する層 と、N−導電型の底部層に隣接する中間層と、P+導電型で前記中間層に隣接し ている頂部層とである請求項13記載の2端子ダイオード装置。
- 18.前記半導体ダイオードをバイアスする手段を具備している請求項13記載 の2端子ダイオード装置。
- 19.半絶縁性基体を準備し、 この基体上に第1の導電型の半導体材料の第1の層を成長させ、 前記半導体材料の第1の層上に所定の導電型の半導体材料の第2の層を成長させ 、 前記第2の半導体材料層上に前記第2の半導体材料層とオームコンタクトを形成 するように予め定められた形状の第1の導電性マスク部材を形成し、 このマスク部材をマスクとして使用して半導体材料の上部部分が形成されるよう に前記第2の層および前記第1の層の一部をエッチングし、 半導体材料の上部部分のベースを囲んで前記第1の層上に環状の金属マスク部材 を付着させ、 半導体材料の下部ベース部分が形成されるように前記基体まで前記第1の層をエ ッチングし、 前記第1のマスク部材、環状金属マスク部材、および前記半導体材料、および絶 縁性基体上に誘電体層を付着させ、前記基体層および前記第1の半導体層から材 料を除去して前記基体および半導体下部ベース部分を貫通して前記環状金属マス ク部材上の区域を露出させる孔を形成し、第1の孔中に延在して前記環状金属の 露出した区域と電気的に接続された外部オームコンタクトを前記基体上に付着さ せ、 前記誘電体層から材料を除去して前記金属マスク部材の区域を露出させる垂直に 延在する孔を形成し、前記誘電体層を除去する工程において形成された前記第2 の孔を満たすように前記誘電体層および前記露出された金属マスク部材上に金属 を付着させる工程を含む2端子ダイオード装置の製造方法。
- 20.前記半導体材料の上部部分は実質上切頭円錐形状を有するようにエッチン グされる請求項19記載の2端子装置の製造方法。
- 21.前記下部ベース部分は実質上ディスク形状を有するようにエッチングされ る請求項19記載の2端子装置の製造方法。
- 22.半絶縁性基体を準備し、 この基体上に半導体材料の底部層、中間層、および頂部層を順次成長させ、 頂部半導体層上に第1の金属コンタクトを付着させ、頂部および中間半導体層を エッチングして半導体材料の上部部分を形成し、 底部層の上面に金属コンタクトを付着させ、下部ベース部分が形成されるように 前記半導体材料の底部層をエッチングし、 前記基体および下部ベース部分から材料を除去して前記底部半導体層上の前記金 属コンタクトまで延在する孔を形成し、第1の孔中に延在し、前記底部半導体層 上の金属コンタクトと電気的に接続される外部コンタクトを前記基体上に付着さ せる工程を含む2端子ダイオード装置の製造方法。
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