Интегральная схема

 

Использование: интегральная схема используется в микроэлектронике в качестве фотодетекторной кремниевой матрицы в акустооптических системах обработки сигналов. Сущность изобретения: интегральная схема включает высоколегированную подложку n⁺-типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n-типа проводимости с инжекторными областями p-типа проводимости, базовыми областями p-типа проводимости, образованными в плане прямоугольными областями, расположенными асимметрично друг относительно друга и соединенными так, что вторая прямоугольная область первой базовой области находится на продольной осевой линии с первой прямоугольной областью второй базовой области, коллекторные области n⁺-типа, расположенные в пределах площади базовой области p-типа проводимости, соответственно в одной или другой прямоугольных областях, чередуясь между собой, контактные электроды к коллекторным областям n⁺-типа проводимости, которые выполнены из оптически прозрачного материала, изолирующую область n⁺-типа проводимости, расположенную по периметру схемы и шины межсоединений, которые контактируют с электродами за пределами базовых областей p-типа проводимости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в качестве фотодетекторной матрицы кремниевого типа в акустооптических системах обработки сигналов.

Известна интегральная схема [1] на подложке n-типа которой созданы подслой p-типа и эпитаксиальный слой n-типа. Устройство содержит ключевой транзистор n-p-n-типа, который управляется оптическим сигналом, излучаемым, например, GaAs лазерным диодом или газовым лазером. Под воздействием этого оптического сигнала в объеме полупроводника создаются электронно-дырочные пары, пропорциональные его интенсивности, в результате чего вблизи эмиттерного перехода возрастает концентрация неосновных носителей. При достаточной интенсивности светового потока в цепи база-эмиттер ключевого транзистора будет протекать фототок, который будет смещать его в прямом направлении, если электроды базы и эмиттера не замкнуты. Описанная схема работает по ключевому принципу, а управление ею осуществляется оптическим сигналом. Ключевой транзистор сформирован следующим образом. Омический контакт к коллекторной области p-типа образован диффузией соответствующей примеси. Контакт к базовой области p-типа образован посредством глубокой диффузии p⁺-типа. Глубокая диффузия n⁺-типа при смыкании с n-подложкой обеспечивает изоляцию отдельных приборов и устраняет паразитные эффекты. Отличительной чертой устройства является примерное равенство эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, что обеспечивает максимальный коэффициент передачи тока базы ключевого транзистора.

Первым недостатком данного устройства является его низкая чувствительность к оптическим сигналам малой интенсивности (мощности), т.к. в этом случае генерируемый фототок недостаточен для опрокидывания ключевого транзистора из-за малой активной площади области базы. В конструктивном плане область коллектора и коллекторный контакт в данной схеме значительны, что препятствует доступу большой доли оптического сигнала для генерации фототока в активной области.

Вторым недостатком данного устройства является низкая разрешающая способность при реализации фотодетекторной матрицы за счет наличия зоны нечувствительности между соседними фотодетекторами.

Другой вариант интегральной схемы [2] отличается структурой ключевого транзистора. Устройство реализовано на n⁺-подложке, в эпитаксиальном n-слое которого сформирована p-область. Металл первого типа образует омический контакт с диффузионной p-областью, выполняющей роль базы транзистора. Металл второго типа образует с диффузионной p-областью переход Шоттки и является в данном случае коллекторным переходом. Глубокая диффузия n⁺-типа обеспечивает изоляцию отдельных приборов. Устройство выполняет функции ключевой схемы с фотоэлектрическим питанием.

Первым недостатком данного устройства является также его низкая чувствительность к оптическим сигналам малой интенсивности. Активная область базы мала и ограничена металлическими слоями (контакты базы, коллекторный переход, шины межсоединений).

Вторым недостатком данного устройства также является низкая разрешающая способность при реализации фотодетекторной матрицы за счет наличия зоны нечувствительности между соседними фотодетекторами.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является интегральная схема I²L-вентиль с улучшенным усилением тока инжектора [3] Известное устройство выполнено на высоколегированной n⁺-подложке, подключенной к контакту с нулевым потенциалом. В покрывающем ее эпитаксиальном n-слое созданы инжекторные области p-типа проводимости и базовые области p-типа проводимости. В пределах базовой области создано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости. Для изоляции I²L-вентиля и улучшения усиления тока создана экранирующая зона n⁺-типа проводимости, которая окружает одновременно инжекторную и базовую p-области по периметру Поверхность схемы покрыта защитным слоем. К рабочим областям инжектора, базы, коллектора созданы контактные электроды, а для формирования принципиальной электрической схемы используются шины межсоединений. Рассмотренная схема выполняет функции логического вентиля, но может быть использована и для обработки оптических сигналов значительной мощности.

При использовании известного технического решения в качестве базового элемента фотодетекторной матрицы последняя обладает рядом недостатков. Первым недостатком является низкая фоточувствительность схемы. Вторым недостатком данного устройства является низкая разрешающая способность при реализации фотодетекторной матрицы за счет наличия зоны нечувствительности между соседними фотодетекторами базовыми p-областями.

Проанализируем эти недостатки. В структуре интегральной схемы (фиг.7 описания прототипа) можно выделить пассивную и активную части для базовой p-области вертикального n-p-n-транзистора. Активная часть связана с возможностью генерации фототока в базовой области. Пассивная часть в этом процессе не участвует. Активной является свободная, не закрытая другими областями и элементами, часть поверхности базовой области. Пассивная часть объединяет площади базового и коллекторных контактов, препятствующих доступу светового потока в глубь базовой области.

Очевидно, что для повышения оптической чувствительности схемы следует увеличивать либо ее активную часть (при этом возрастает фототок базы вертикального n-p-n-транзистора), либо площадь коллекторных областей (возрастает коэффициент передачи тока базы). При возможности базовый контакт целесообразно не создавать.

В связи с тем, что между соседними базовыми областями при их расположении в ряд в случае создания фотодетекторной линейки/матрицы имеет место конструктивный зазор, а также находится экранирующая n⁺-область, последнее определяет появление зоны, нечувствительной к оптическому излучению. Это приводит к частичной потере информации при детектировании оптических сигналов, например, в акустооптических спектроанализаторах.

Предлагаемая интегральная схема содержит высоколегированную подложку n⁺-типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n-типа проводимости с инжекторными областями p-типа проводимости, базовыми областями p-типа проводимости, в пределах каждой из которой создано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости, экранирующей областью n⁺-типа проводимости, окружающей одновременно инжекторную и базовую p-области по периметру, а также защитный слой, покрывающий поверхность схемы, шины межсоединений и контактные электроды к областям инжектора и коллектора, причем каждая из соседних базовых p-областей топологически выполнена в виде двух прямоугольников, смещенных и разнесенных друг относительно друга, и параллелограмма, объединяющих их в одно целое. Второй прямоугольник первой базовой p-области и первый прямоугольник второй базовой p-области касаются продольной осевой линии двух соседних базовых p-областей и расположены асимметрично. Коллекторные области n⁺-типа проводимости сформированы в пределах площадей этих взаимно асимметричных прямоугольников, а контактные электроды к ним выполнены из оптически прозрачного материала первого типа. Свободное пространство над базовой p-областью выполнено из оптически прозрачного материала второго типа. Шины межсоединений контактируют с электродами за пределами базовых p-областей.

При практической реализации контактные электроды к коллекторным n⁺-областям созданы из пленки легированного поликремния. Свободное пространство над базовой p-областью выполнено из окиси кремния.

Общим для прототипа и предлагаемой интегральной схемы является наличие высоколегированной подложки n⁺-типа, эпитаксиального слоя n-типа, инжекторных и базовых областей p-типа, коллекторных областей n⁺-типа проводимостей, экранирующей n⁺-типа области, защитного слоя, шин межсоединений и контактных электродов к областям инжектора и коллектора.

Отличительные от прототипа признаки следующие: топологически каждая базовая p-область выполнена в виде двух прямоугольников, смещенных и разнесенных друг относительно друга, и параллелограмма, объединяющего их в одно целое; второй прямоугольник первой базовой p-области и первый прямоугольник второй базовой p-области касаются продольной осевой линии двух соседних базовых p-областей и расположены асимметрично; коллекторные области n⁺-типа проводимости сформированы в пределах площадей взаимно асимметричных прямоугольников; контактные электроды к коллекторным n⁺-областям выполнены из оптически прозрачного материала первого типа; свободное пространство над базовой p-областью выполнено из оптически прозрачного материала второго типа; шины межсоединений контактируют с электродами за пределами базовых p-областей.

Существенное значение имеет топологическая реализация базовых p-областей, которые выполнены в виде двух прямоугольников, смещенных и разнесенных друг относительно друга, и параллелограмма, объединяющего их в одно целое, причем условие, что второй прямоугольник первой базовой p-области и первый прямоугольник второй базовой p-области касаются продольной осевой линии двух соседних базовых p-областей и расположены асимметрично, позволяет устранить зоны нечувствительности между соседними базами.

Реализация оптически прозрачных контактных электродов к коллекторным n⁺-областям, а также создание оптически прозрачной зоны над базовой p-областью, которая остается свободной после формирования контактных электродов к коллекторам, приводит к тому, что оптический информационный сигнал активно облучает теперь всю базовую область и обеспечивает фотогенерацию носителей равномерно во всем ее объеме. Оптическая прозрачность контактных электродов и малые толщины коллекторных n⁺-областей вызывают генерацию основной доли носителей лишь только в базовом слое. Шины межсоединений, контактируя с электродами за пределами области базы, не влияют на процесс фотогенерации в базе.

Если на инжекторную область подать прямосмещающее напряжение, то возможна регулировка фоточувствительности схемы, а так же ранжирование каждого коллектора по чувствительности. Известно, что при ортогональном расположении коллекторов относительно инжектора чувствительность структуры уменьшается с удалением коллектора. В предлагаемом устройстве такой режим использования расширяет его функциональные возможности в плане обработки оптической информации различной интенсивности.

На фиг. 1 показана структура интегральной схемы, вид сверху; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Интегральная схема содержит высоколегированную подложку n⁺-типа 1, подключенную к шине нулевого потенциала, расположенный на ней эпитаксиальный слой n-типа проводимости 2, в котором созданы p-область инжектора 3 и p-область базы 4. В пределах базовой области 4 создано не менее одной коллекторной области 5 n ⁺-типа проводимости, к которым подключены контактные электроды 6, выполненные из оптически прозрачного материала первого типа. Рабочие p-области 3 и 4 окружены по периметру экранирующей областью 7 n⁺-типа проводимости. Поверхность интегральной схемы покрыта защитным слоем 8, на котором сформированы шины межсоединений 9. Диффузионная p-область инжектора 3 контактирует с шиной 9 в зоне 10. Свободное пространство над базовой p-областью 4 выполнено из оптически прозрачного материала 11 второго типа. Шины межсоединений 9 контактируют с электродами 6 за пределами базовой p-области 4.

В совокупности области 3-2-4 образуют латеральный p-n-p-транзистор, выполняющий функции инжектора тока. Соответственно области 2-4-5 образуют вертикальный n-p-n-транзистор, выполняющий функции фототранзистора. Предлагаемая конструкция является устройством функционально-интегрированного типа.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Пусть поверхность интегральной схемы освещается информационным оптическим сигналом от источника 5.

При облучении оптически прозрачной поверхности схемы в объеме базовой p-области 4, свободном от коллекторных n⁺-областей 5, генерируются носители пропорционально мощности информационного оптического сигнала и площади облучения. Поскольку коллекторные n⁺-области 5 являются достаточно тонкими (1,0-1,5 мкм в типовой I²Л-схеме), а контактные электроды 6 специально созданы оптически прозрачными, то информационный оптический сигнал, пронизывая их, также генерирует носители и в тех зонах базы 4, которые находятся под n⁺-областями 5. Суммарные носители образуют фототок в цепи база-эмиттер вертикального n-p-n-транзистора при подключенной к шине нулевого потенциала подложке 1. Это приводит к открыванию n-p-n-транзистора или опрокидыванию ключевой схемы на основе предлагаемой структуры устройства.

Если при заданных геометрических размерах рабочих областей схемы мощности оптического сигнала не достаточно для создания фототока в цепи база-эмиттер, то недостающую долю носителей в базу можно поставлять за счет дополнительной инжекции носителей из p-области 3 при подключении ее к положительному полюсу источника питания +Е. Фактически устройство в данном режиме позволяет обрабатывать оптические сигналы с интенсивностью светового потока ниже порога фоточувствительности. При реализации предлагаемой интегральной схемы необходимо соблюдать следующие требования: концентрация носителей в эпитаксиальном слое n-типа N_d 8·10¹⁵ см^-3; концентрация носителей в p-области N_a 5·10¹⁸ см^-3; концентрация носителей в n⁺-областях N_d 5·10²⁰ см^-3; концентрация носителей в n⁺_скр-слое 5·10¹⁹ см^-3; толщина эпитаксиального n-слоя 2 мкм; толщина пленки поликремния 0,2 мкм; толщина окисной пленки в фотоактивной p-области 0,15 мкм; толщина пленки алюминия 1,2 мкм; глубина залегания эмиттерного перехода 0,8 мкм; глубина залегания коллекторного перехода 0,4 мкм; контактные электроды создаются путем легирования нейтральной пленки поликремния ионами мышьяка с энергией 100 кэВ и дозой 2000 мккул/см².

Схема реализуется на базе биполярной технологии.

Как видно из технического решения, достигается повышение чувствительности схемы, расширяются функциональные возможности схемы, возникает возможность обработки оптических информационных сигналов без потери информации. В итоге количество задач по дешифрации оптических сигналов, например, в акустооптических системах, решаемых с применением предлагаемой схемы, резко возрастает, а алгоритмы обработки за счет распараллеливания по каналам могут быть существенно проще организованы и более быстрыми.

Формула изобретения

1. Интегральная схема, содержащая высоколегированную подложку n⁺-типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n-типа проводимости с инжекторными областями p-типа проводимости, базовыми областями p-типа проводимости, в пределах каждой из которой создано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости, экранирующей областью n⁺-типа проводимости, окружающей одновременно инжекторную и базовую p-области по периметру, а также защитный слой, покрывающий поверхность схемы, шины межсоединений и контактные электроды к областям инжектора и коллектора, отличающаяся тем, что каждая из соседних базовых p-областей топологически выполнена в виде двух прямоугольников, смещенных и разнесенных друг относительно друга, и параллелограмма, объединяющих их в одно целое, причем второй прямоугольник первой базовой p-области и первый прямоугольник второй базовой p-области касаются продольной осевой линии двух соседних базовых p-областей и расположены асимметрично, коллекторные области n⁺-типа проводимости сформированы в пределах площадей этих взаимно асимметричных прямоугольников, а контактные электроды к ним выполнены из оптически прозрачного материала первого типа, области между контактными электродами к коллекторным областям над базовой p-областью заполнены оптически прозрачным материалом второго типа, шины межсоединений контактируют с электродами за пределами базовых p-областей.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптически прозрачного материала первого типа использована пленка легированного поликремния.

3. Схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптически прозрачного материала второго типа использована пленка окиси кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2