Высоковольтный самосовмещенный интегральный диод

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2492552:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (RU)

Использование: микроэлектроника, полупроводниковая электроника. Сущность изобретения: интегральный диод содержит область, состоящую из сильно легированной области первого типа проводимости, расположенную над диэлектриком, сформированным в подложке, и слабо легированную область того же типа проводимости, расположенную над сильно легированной областью, эти области окружены щелевой комбинированной изолирующей областью, включающей разделительные диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненной изолирующим слоем, смыкающейся с диэлектриком, расположенным в подложке, в едином цикле с щелевой комбинированной изолирующей областью выполнен щелевой контакт к области первого типа проводимости и к области второго типа проводимости, примыкающих к изолирующей области, включающие разделительные диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненных проводящим слоем, первый контактирует в донной части изолированного контакта с областью первого типа проводимости, второй контактирует в донной части изолированного контакта с областью второго типа проводимости, соответственно. Щелевые контакты к областям диода выполнены из легированного поликремния, полицида никеля и алюминия. Изобретение обеспечивает повышение плотности компоновки структур, увеличение их быстродействия и повышение выхода годных. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к формированию самосовмещенных высоковольтных диодов.

Существует несколько причин, которые приводят к уменьшению пробивных напряжений p-n переходов при изготовлении планарных интегральных транзисторов. В планарной диодной структуре p-n переходы, формируемые методом локальной диффузии в окна, вскрытые в диоксиде кремния, имеют сложную конфигурацию, состоящую из плоской части, где вскрыт диоксид кремния, цилиндрической части под диоксидом кремния у линейного края окна и сферической части в углах окна. Цилиндрическая и сферические части р-n переходов выходят на поверхность подложки, находящейся под диоксидом кремния. Пробивные напряжения цилиндрических и сферических p-n переходов уменьшают общее пробивное напряжение p-n переходов. Способ уменьшения этого эффекта заключается в формировании охранного кольца вокруг базовой области одного типа проводимости с базовой областью. Наиболее эффективным способом повышения напряжения пробоя является «метод делительных колец» (Кремниевые планарные транзисторы. Под. ред. А.Я. Федотова. Москва, «Советское радио», 1973 г. с.204-216) [1].

Известен интегральный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою, патент РФ №2024995, МПК H01L 29/72 [2], содержащий коллектор-подложку первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости, расположенной в коллектор-подложке с образованием р-n-перехода база - коллектор, эмиттерную область первого типа проводимости, расположенной в базовой области с образованием p-n-перехода база - эмиттер, эмиттерную область первого типа проводимости, расположенной в охранном диффузионном кольце второго типа проводимости, вокруг базовой области с образованием p-n-перехода база - эмиттер.

Интегральному транзистору, описанному в патенте РФ №2024995, присущи следующие недостатки:

- увеличение площади транзисторной структуры из-за наличия охранного кольца вокруг базовой области;

- уменьшение быстродействия транзистора из-за увеличенной емкости коллектор-база при присутствии в коллекторной области охранного кольца;

- на р-n-переходы, выходящие на поверхность подложки, защищенную диоксидом кремния, существенное влияние оказывают условия на поверхности подложки на уменьшение напряжения пробоя. Наличие на поверхности p-n-перехода диоксида кремния влечет за собой два нежелательных фактора. Во-первых, диоксид кремния, сформированный на подложке кремния, имеет положительный заряд, во-вторых, легированные поверхностные слои кремния изменяют свою проводимость из-за перераспределения примеси (коэффициента сегрегации) при термическом окислении. Оба эти фактора снижают пробивные напряжения p-n - переходов диода, сужая подвижного заряда в приповерхностном слое.

Наиболее близким аналогом предлагаемого самосовмещенного высоковольтного интегрального диода, принятого за прототип, является патент РФ №2175461, H01L 29/72 [3], включающего полупроводниковую меза-структуру, изолированную диэлектриком, область первого типа, состоящую из сильно легированной n⁺⁺ и слабо легированной n-области с образованием р-n-перехода коллектор-подложка, область второго типа проводимости, расположенную в слабо легированной n-области с образованием р-n-перехода коллектор - база, область первого n⁺⁺-типа проводимости, расположенную в области второго типа проводимости с образованием р-n-перехода эмиттер-база. В меза-структуре выполнены ступеньки, горизонтальные поверхности которых расположены на поверхности меза-структуры в области р-n-переходов: эмиттер-база; база-коллектор; коллектор-подложка. Контакты к областям структуры выполнены поликремнием, легированными примесями, соответствующими типу проводимости областей. Поликремниевые контакты и вертикальные стенки меза-структуры изолированы электриком, который выполнен также в виде ступенек, вертикальные и горизонтальные поверхности которых расположены на трех уровнях, соответствующих по высоте месту расположения р-n-переходов к поликремниевым контактам формируется металлизированная разводка.

Интегральной струкруре, описанной в патенте РФ №2175461, H01L 29/72, присущи следующие недостатки:

- сложность реализации данного транзистора;

- трехслойная разводка структуры увеличивает емкость, приводящую к снижению быстродействия;

- сформированный в подложке р - типа p-n⁺⁺-переход увеличивает емкость структуры, что снижает быстродействие;

- трехкратное травление меза-структуры с фотохемографическими допускми на совмещение уменьшает плотность компоновки структур;

- повышенный микрорельеф меза-структуры способствует утонению или обрыву металлизированной разводки на вертикальных ступеньках микрорельефа, снижая выход годных структур.

Задачей изобретения является повышение плотности компоновки структур, увеличение их быстродействия и повышение выхода годных.

Технический результат достигается тем, что самосовмещенный высоковольтный интегральный диод, включающий полупроводниковую подложку со сформированным в подложке диэлектрическим слоем, состоящую из сильно легированной области первого типа проводимости, расположенную над диэлектриком, и слабо легированную область того же типа проводимости, расположенную над сильно легированной областью, являющиеся базой диода, над слабо легированной областью первого типа проводимости сформирована область второго типа проводимости, являющаяся эмиттером, области первого и второго типа проводимости, окруженные щелевой комбинированной изолирующей областью, включающей разделительные диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненной изолирующим слоем, смыкающимся с диэлектриком, расположенным в подложке, контакт к области первого типа проводимости в виде щели, на вертикальных стенках которой сформированы изолирующие диэлектрики и заполнена проводящим слоем, который донной частью контактирует с областью первого типа проводимости, примыкающей с одной стороны к изолирующей области, над областью первого типа проводимости расположена область второго типа проводимости, контакт к области второго типа проводимости в виде щели, на вертикальных стенках которой сформированы изолирующие диэлектрики и заполнена проводящим слоем, который донной частью контактирует с областью второго типа проводимости, примыкающей к изолирующей области, диодная структура защищена диэлектрическими слоями, металлизацию к контактам областей диодной структуры, содержащаю контакт к области первого типа проводимости, состоящий из полицида тугоплавкого металла и алюминия, а к области второго типа проводимости также состоящий из полицида тугоплавкого металла и алюминия.

Суть изобретения состоит в том, что присутствие диэлектрика под областью первого типа проводимости способствует уменьшению: емкости р-n перехода n⁺⁺-подложка; уменьшения емкости металлизированной разводки из-за ее однослойности, что повышает быстродействие, отсутствие микрорельефа на структуре предотвращает обрывы металлизированной разводки, что увеличивает выход годных, самосовмещение комбинированной щелевой изоляции, областей диодной структуры и щелевых контактов к областям диодной структуры в едином процессе, за счет экранирующих слоев в окнах изоляции, контактных окнах, способствующих повышению плотности компоновки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено поперечное сечение конструкции диода, где: исходным материалом является структура кремния на диэлектрике (СКНД); 1 - подложка; 2 - диоксид кремния, сформированный в подложке; 3 - сильно легированная область n⁺⁺-типа; 4 - слабо легированная область n - типа (области 3 и 4 являются базой); 5 - область р⁺- типа (эмиттерная область); 6, 7 - маскирующие диэлектрики; 8, 9 - изолирующие диэлектрические слои изолирующих и контактных щелей; 10 - изолирующая область; 11, 12, 13 n-контакт к р⁺ области, состоящий из легированного поликремния второго типа проводимости, полицида тугоплавкого металла, алюминия, соответственно; 14, 15, 16 - контакт к n⁺⁺области, состоящий из легированного поликремния первого типа проводимости, полицида тугоплавкого металла, алюминия, соответственно;

Работает диод следующим образом. При прямом смещении эмиттерного р-n-перехода концентрация дырок на границе перехода повышается и избыточные носители - дырки диффундируют через р-n-переход в базовую область, нарушая ее электронейтральность. Это вызывает приток электронов из внешней цепи, которые компенсируют электрическое поле дырок. В установившемся режиме концентрация дырок превалирует над концентрацией электронов и в базе протекает диффузионный дырочный ток и дрейфовый электронный ток. При обратном смещении эмиттерного р-n-перехода отсутствует инжекция дырок через р-n-переход и наличие тока в цепи определяется термогенерацией в области р-n-перехода и поверхностными утечками.

Пример конкретного выполнения. Диод изготовлен на подложке со структурой кремния на диэлектрике (СКНД), на которой последовательно сформированы слои n⁺⁺-типа проводимости (толщиной 1,5-2 мкм с концентрацией примеси (сурьма) 6-10¹⁹-10²⁰см^-3 и n^--типа (толщиной 2,0-2,5 мкм с концентрацией примеси (сурьма) 7·10¹⁵-10¹⁶ см^-3. Ионной имплантацией бора в слое n^--типа формировали слой р-типа ρ_S=250-300 Ом/кв, глубиной 1,2-1,25 мкм. С использованием планарной технологии, с использованием экранирующих слоев в окнах контактов к областям диода и изолирующей области, в едином цикле была изготовлена плазмохимическим травлением кремния щелевая изоляция активной области транзисторной структуры и щелевые контакты к области первого типа проводимости с последующим формированием на вертикальных стенках щелей разделительных диэлектриков и заполнение щелей поликремнием. Под защитой фоторезиста ионной имплантацией вводили фосфор в щелевой поликремниевый контакт к области первого типа проводимости, под защитой фоторезиста ионной имплантацией вводили бор в щелевой контакт к области второго типа проводимости с последующим термическим отжигом, в результате чего формировались щелевые контакты к областям диода. Далее на поликремниевых щелевых контактах формировали полицид никеля, напыляли алюминий и с помощью фотолитографии формировали разводку из алюминия.

Как следует из рассмотренного технического решения присутствие диэлектрика под коллекторной областью способствует уменьшению емкости р-n перехода база-подложка, присутствие однослойной планарной металлизированной разводки диодной структуры способствует уменьшению емкости данной разводки, формирование изолирующих областей, областей диодной структуры и контактов к областями в одном цикле способствует увеличению компоновки структур, отсутствие микрорельефа на подложке повышает выход годных при формировании металлизированной разводки. Данная совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу - повышения плотности компоновки диодных структур, увеличения их быстродействия и повышения выхода годных.

Источники информации.

1. Кремниевые планарные транзисторы. Под. ред. А.Я.Федотова. Москва, «Советское радио», 1973, с.204-216.

2. Пат. РФ №2024995, МПК: H01L 29/72.

3. Пат. РФ №2175461, МПК: H01L 29/72 - прототип.

1. Самосовмещенный высоковольтный интегральный диод, включающий полупроводниковую подложку со сформированным в подложке диэлектрическим слоем, состоящую из сильно легированной области первого типа проводимости, расположенную над диэлектриком, и слабо легированную область того же типа проводимости, расположенную над сильно легированной областью, над слабо легированной областью первого типа проводимости сформирована область второго типа проводимости, области первого и второго типа проводимости, окруженные щелевой комбинированной изолирующей областью, включающей разделительные диэлектрики на вертикальных стенках щели, заполненной изолирующим слоем, смыкающимся с диэлектриком, расположенным в подложке, контакт к области первого типа проводимости в виде щели, на вертикальных стенках которой сформированы изолирующие диэлектрики, и заполнена проводящим слоем, который донной частью контактирует с областью первого типа проводимости, примыкающей с одной стороны к изолирующей области, над областью первого типа проводимости расположена область второго типа проводимости, контакт к области второго типа проводимости в виде щели, на вертикальных стенках которой сформированы изолирующие диэлектрики, и заполнена проводящим слоем, который донной частью контактирует с областью второго типа проводимости, примыкающей к изолирующей области, диодная структура защищена диэлектрическими слоями, металлизацию к контактам областей диодной структуры, содержащую контакт к области первого типа проводимости, состоящий из полицида никеля и алюминия, а к области второго типа проводимости также состоящий из полицида никеля и алюминия.

2. Самосовмещенный высоковольтный интегральный диод по п.1, отличающийся тем, что контакт к области второго типа проводимости выполнен в планарном исполнении.

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов. .

Импульсный лавинный s-диод // 2445724

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, системах сверхширокополосной локации.

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2415494

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и системах.

Диод на основе одностенной углеродной нанотрубки и способ его изготовления // 2414768

Изобретение относится к технологическим процессам производства компонентов микроэлектроники и вычислительных схем. .

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2412898

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2412897

Диод силовой низкочастотный выпрямительный непланарный и способ его изготовления // 2411611

Изобретение относится к области силовой промышленной электронной техники. .

Мощный кремниевый диод с улучшенной термостабильностью // 2352022

Изобретение относится к области конструирования полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых диодов с улучшенной термостабильностью.

Высоковольтный диод на основе 6н карбида кремния // 2340041

Изобретение относится к промышленной электронике и может быть использовано в электрических устройствах, эксплуатируемых в экстремальных условиях: космос, повышенная радиация, высокие температуры.

Высоковольтный полупроводниковый ограничитель напряжения (варианты) // 2318271

Изобретение относится к области полупроводниковых ограничителей напряжения и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений, а также при конструировании и технологии создания названных приборов.

Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе галлия и мышьяка // 2531551

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе соединений галлия и мышьяка содержит высоколегированную монокристаллическую подложку p+-типа проводимости, с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·1018 см-3 и толщиной не менее 200 мкм, выполненный на ней эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости толщиной не менее 5,0 мкм и изменяющейся разностной концентрацией донорной и акцепторной легирующих примесей от концентрации в подложке до значений не более чем , p-n-переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой толщиной 5÷100 мкм, содержащий область пространственного заряда и внутрирасположенную мультиэпитаксиальную металлургическую переходную зону, и эпитаксиальный GaAs слой на p-n переходном эпитаксиальном i-слое, выполненный n+-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 1·1017 см-3 и толщиной не менее 0,1 мкм. Изобретение обеспечивает снижение прямого падения напряжения, повышение плотности тока прямого включения и повышение быстродействия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением // 2550310

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В диоде с отрицательным дифференциальным сопротивлением согласно изобретению объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру с параллельно расположенными каналами, между которыми образуется электрический переход, при этом исток р-канала расположен напротив стока n-канала, а сток р-канала - напротив истока n-канала. Истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n+-типом проводимости, на которой расположен исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы. Изобретение позволяет уменьшить размеры, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность диода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полупроводниковый диод // 2561779

Изобретение относится к полупроводниковым электронным приборам. В полупроводниковом диоде на полупроводниковой GaAs подложке расположены катодный слой, обедненный слой, барьерный слой, обедненный узкозонный слой, анодный узкозоный слой, анодный слой. Металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к катодному слою. Металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к анодному слою. На границе анодного слоя и анодного узкозонного слоя и на границе барьерного слоя и обедненного узкозонного слоя сформированы гетеропереходы. Технический результат - снижение обратного тока и увеличение пробивного напряжения диода. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Полупроводниковый конструктивный элемент с оптимизированным краевым завершением // 2564048

Изобретение относится к полупроводниковым приборам. В полупроводниковом конструктивном элементе, имеющем полупроводниковое тело (21) с первой стороной (22), второй стороной (23) и краем (24), внутреннюю зону (27) с основным легированием первого типа проводимости, расположенную между первой стороной (22) и внутренней зоной (27) первую полупроводниковую зону (61) первого типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше концентрации легирования внутренней зоны (27), расположенную между второй стороной (23) и внутренней зоной (27) вторую полупроводниковую зону (29) второго типа проводимости, с концентрацией легирования выше концентрации легирования внутренней зоны (27), по меньшей мере один первый краевой скос, который проходит под первым углом (30) к плоскости прохождения перехода от второй полупроводниковой зоны (29) к внутренней зоне (27) по меньшей мере вдоль края (24) второй полупроводниковой зоны (29) и внутренней зоны (27), второй краевой скос со вторым углом (71), величина которого меньше величины первого угла, который проходит вдоль края (24) первой полупроводниковой зоны (61) или скрытой полупроводниковой зоны (41), при этом по меньшей мере одна скрытая полупроводниковая зона (41) второго типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше, чем во внутренней зоне (27), предусмотрена между первой полупроводниковой зоной (61) и внутренней зоной (27) и проходит по существу параллельно первой полупроводниковой зоне (61). Изобретение позволяет исключить повышенные пики силы поля в краевой области, возникающие во время процесса выключения полупроводникового конструктивного элемента, а также обеспечивает повышенную воспроизводимость и меньший разброс электрических свойств. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Импульсный лавинный s-диод // 2609916

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, полученным легированием GaAs хромом или железом, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники. Техническим результатом являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания. В S-диоде, выполненном на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, между n- и π-областями введена дополнительная область p-типа проводимости, толщина этого p-слоя не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области. 2 ил.

Диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (мпм) // 2632256

Изобретение относится к быстродействующим диодам. Диод содержит полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителей заряда, эмитированного в полупроводниковый слой. Диод содержит первый металлический слой, осажденный на первой стороне полупроводникового слоя, второй металлический слой, осажденный на второй стороне полупроводникового слоя, первый гетеропереход между полупроводниковым слоем и первым металлическим слоем или между полупроводниковым слоем и вторым металлическим слоем, причем полупроводниковый слой, первый металлический слой и второй металлический слой выполнены с возможностью осуществления баллистической проводимости носителя заряда из первого металлического слоя через полупроводниковый слой во второй металлический слой. Изобретение обеспечивает получение диода с высокой плотностью тока термоионной эмиссии, высокой нелинейностью и выпрямлением. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.