СТАБИЛИТРОН НА СТРУКТУРЕ "КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ"
ZENER DIODE ON A SILICON-ON-INSULATOR STRUCTURE

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при создании радиационно-стойких интегральных схем (ИС) с управляемым напряжением стабилизации.
Кремниевые ИС наиболее широко используются в микроэлектронике, так как являются наиболее изученными. Что связано с наличием ряда преимуществ кремния над другими полупроводниковыми материалами: широкое распространение, наличие собственного оксида кремния и др.
ИС изготовленные для гражданского потребления отличаются от схем специального назначения. При ионизирующем воздействии неизбежны явления образования точечных дефектов и кластеров в объеме кремния, а также положительных зарядов в оксиде кремния вблизи и на границе с кремнием, что сказывается на характеристиках элементов ИС, поэтому существует необходимость создания элементов, характеристиками которых можно управлять (корректировать), например, приложенным напряжением.
В патенте SU 137312 А2 «Стабилитрон» авторов В. Есина, М. Ходанича и др, опубликованном 7.02.88, бюл. №5, описано схемотехническое решение стабилизации тока с помощью четырех биполярных транзисторов. В устройстве осуществлена развязка между комплементарными транзисторами 1 и 2 первой пары и комплементарными транзисторами 3 и 4 второй пары. Недостатком данного стабилитрона является большая занимаемая площадь на кристалле и отсутствие возможности регуляции напряжения пробоя.
В патенте SU 156250 А1 «Способ изготовления стабилитрона на основе кремния» от 22.03.1962, авторов А.И. Курносое, А.С. Сущик, опубликованном 21.08.1963, бюл. №15, описан способ изготовления стабилитрона со следующими преимуществами: рабочая область р-n перехода не выходит на поверхность кристалла, что позволяет предотвратить поверхностный пробой; р-n переход можно получить практически любой площади; отсутствуют механические напряжения в р-n переходе. Описанный в патенте способ изготовления управляемого стабилитрона заключается в следующем. На пластине кремния n-типа предварительно создается диффузионный слой р-типа. После этого производится вплавление малой навески алюминия с размерами, обеспечивающими необходимую площадь р-n перехода. Затем алюминий и образовавшийся силумин вытравливаются, что снижает механические напряжения в р-n переходе. Способом гальванического никелирования наносится металлизированный невыпрямляющий контакт. Режим диффузии подбирается таким образом, что напряжение пробоя диффузионного р-n перехода больше сплавного в 2-3 раза. Недостатком данного патента является отсутствие управления напряжением пробоя стабилитрона.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стабилитрон, описанный в патенте RU 2298256 С2 «Стабилитрон с регулировкой рабочего тока» автора А.Ф. Боронецкого H01L 29/68, опубл. 20.01.2013, бюл. №2. Технический результат, заключающийся в возможности регулировки рабочего тока стабилитрона, достигается соединением последовательно между собой источника питания, сопротивления нагрузки и ограничительного сопротивления в цепи нагрузки, снабженной триодным стабилитроном, включенным параллельно сопротивлению нагрузки, и ограничительным сопротивлением, включенным между базой и коллектором триодного стабилитрона. Недостатком данного изобретения является то, что управление током осуществляется посредством схемотехнического решения, что существенно увеличивает не только занимаемую площадь на кристалле, но и количество факторов, влияющих на результат, вследствие необходимости изготовления нескольких элементов схемы. А также увеличение количества факторов, которые необходимо учесть при анализе результата радиационного воздействия. Введение дополнительных элементов управления током (резисторов) приводит к усложнению технологии изготовления ИС и к увеличению влияния внешних факторов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание стабилитрона на структуре КНИ с возможностью регулирования напряжения пробоя, что позволяет регулировать напряжение стабилизации в условиях воздействия внешних факторов, в т.ч. ионизирующего излучения различной природы, приводящих к ухудшению параметров ИС.
Технический результат предлагаемого стабилитрона заключается в возможности управления напряжением стабилизации, повышении рационной стойкости и расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что в стабилитроне на структуре «кремний на изоляторе», включающем анод, катод, контакты, между сильнолегированными областями анода и катода сформирован вертикально расположенный р-n переход, к которому выполнен контакт, соединенный с нижним слоем р-n перехода слаболегированной областью кремния.
Изобретение поясняют следующие фигуры (на примере стабилитрона n+np+ типа).
На фигуре 1 представлен фрагмент топологии предлагаемого стабилитрона.
На фигурах 2, 4, 6 представлены основные этапы изготовления стабилитрона в сечении А на фиг. 1.
На фигурах 3, 5 представлены основные этапы изготовления стабилитрона в сечении В на фиг. 1.
На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения:
1 - катод стабилитрона;
2 - анод стабилитрона;
3 - верхний слой вертикально расположенного р-n перехода - катод;
4 - область контакта к нижнему слою вертикально расположенного р-n перехода - аноду;
5 - слаболегированная область кремния, соединяющая, область контакта с нижним слоем - анодом вертикально расположенного р-n перехода;
6 - металлизированные контакты;
7 - кремниевая подложка структуры «кремний на изоляторе»;
8 - слой захороненного оксида кремния;
9 - слой слаболегированного кремния - приборный слой структуры КНИ;
10 - слой оксида кремния - щелевая изоляция;
11 - нижний слой р-n перехода - анод р-n перехода.
На фигуре 7 приведены вольтамперные характеристики предлагаемого стабилитрона.
Изготовление стабилитрона (на примере стабилитрона n+np+ типа), фрагмент топологии которого представлен на фиг. 1, реализуется следующим образом.
На пластине КНИ (включает поз. 7, 8) методом реактивного ионного травления формируют слой слаболегированного кремния для дальнейшего формирования структуры стабилитрона 9. Посредством последовательных операций осаждения оксида кремния и его полирования формируется щелевая изоляция 10 (фиг. 2, 3).
Затем методом ионной имплантации бора и имплантации фосфора по одной маске и дальнейшего отжига создается необходимый профиль вертикально расположенного р-n перехода (поз. 11, 3) между катодом и анодом стабилитрона (далее средняя область стабилитрона) (фиг. 4,5).
Далее легируется бором область 5, затем - сильнолегированные области 4 и 2 (фиг. 1, 5).
Затем методом ионной имплантации фосфора по маске формируется сильнолегированный катод стабилитрона 1 (фиг. 1, 6) с последующим отжигом.
Процесс изготовления стабилитрона завершается формированием силицида титана стандартным самосовмещенным способом, изоляции и металлизированных контактов 6.
Стоит заметить, что вне зависимости от типа стабилитрона предложенной конструкции (n+np+ или р+pn+), области 4, 5 и 11 в конечной структуре имеют одинаковый тип проводимости.
Устройство работает следующим образом.
Управление напряжением пробоя осуществляется посредством подачи напряжения на выведенный контакт 6 области 4, соединенный с анодом средней области стабилитрона, что равноценно приложению напряжения на анод р-n перехода средней области стабилитрона и приводит к изменению зонной энергетической диаграммы (изменения ширины области пространственного заряда р-n перехода и изменения ширины и концентрации носителей заряда катода р-n перехода средней области стабилитрона), т.е. влияет на значение напряжения пробоя стабилитрона.
Например, при подаче отрицательного напряжения на анод р-n перехода, область пространственного заряда диода расширится, что приведет к увеличению концентрации носителей и уменьшению толщин анода и катода р-n перехода, расположенного вертикально. Так как катод р-n перехода также является частью стабилитрона, результатом такого воздействия будет уменьшение напряжения пробоя стабилитрона. Что и наблюдаем на фигуре 7.
На фигуре 7 приведены вольтамперные характеристики описанного выше стабилитрона n+np+ типа, сформированного на структурах КНИ, с толщиной приборного слоя 0,2 мкм и рассчитанные посредством численного моделирования после проведения калибровки моделей по результатам экспериментально полученных данных на производственной линии. При приложении на анод р-n перехода средней области стабилитрона напряжения -0,5 В, напряжение пробоя на обратной ветви стабилитрона уменьшается на 0,28 В (кривая - а на фиг. 7) по сравнению с нулевым напряжением на контакте к средней области (кривая - 6 на фиг. 7).
Таким образом, подача напряжения на контакт, соединенный с нижней частью диода средней области стабилитрона, позволяет корректировать напряжение его пробоя в процессе эксплуатации с учетом фактического ухода параметров стабилитрона в условиях воздействия внешних воздействующих факторов.
Использование структур КНИ с толщиной приборного слоя 0,2 мкм способствует увеличению радиационной стойкости исследуемого элемента: в ходе ионизирующего воздействия нейтронов в приборном слое малой толщины генерируется меньшее количество дефектов и их кластеров, чем в структурах с толстым приборным слоем. Гамма-воздействие в свою очередь приводит к образованию положительных зарядов в оксиде кремния вблизи границы кремний-оксид кремния. В используемой технологии изготовления приборный слой кремния, в котором сформирован стабилитрон, со всех сторон окружен оксидом кремния, причем граничащий с кремнием оксид получен методом термического окисления в сухом кислороде. Это позволяет минимизировать количество дефектов, образующихся вблизи границы раздела. Положительные заряды, накопленные после гамма - воздействия, приведут к изменениям характеристик стабилитрона, что, в свою очередь, можно скорректировать посредством подачи напряжения на контакт, выполненный к аноду средней области стабилитрона - контакт управления.