ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА Российский патент 1997 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области микроэлектроники 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 n-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.

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.

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. Металла 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.

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). Наиболее близкой по техническому решению к заявляемому 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 инжекторная область p-типа проводимости и базовая область p-типа проводимости. В пределах базовой области создано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости. Для изоляции I²L-вентиля и улучшения усиления тока экранирующая зона n⁺-типа проводимости, которая окружает одновременно инжекторную и базовую p-области по периметру (см. фиг. 7), 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 обладает рядом недостатков, основным из которых является низкая фоточувствительность схемы.

Проанализирует этот недостаток. В структуре интегральной схемы (см. фиг. 7) можно выделить пассивную и активную части для базовой 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 вглубь базовой области.

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

Следует отметить, что известная схема в данном структурно-технологическом базисе не может иметь более четырех коллекторных областей. Это приводит к сложностям при решении задач обработки оптической информации в реальном масштабе времени, достигаемых обычно путем распараллеливания информации по N каналам (целесообразно N>4). В конечном итоге, алгоритмы обработки информационных потоков оказываются сложными и недостаточно эффективными.

Заявляемая интегральная схема содержит высоколегированную подложку n⁺-типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n-типа проводимости с инжекторной областью p-типа проводимости, базовой областью p-типа проводимости, в пределах которой создано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости, и 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 контактные электроды к коллекторным n⁺-областям выполнены из оптически прозрачного материала первого типа, свободное пространство над базовой областью выполнено из оптически прозрачного материала второго типа, а шины межсоединений контактируют с электродами за пределами этой базовой области.

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

Общим для прототипа и заявляемой интегральной схемы является наличие высоколегированной подложки n⁺-типа, эпитаксиального слоя n-типа, инжекторной и базовой областей p-типа, коллекторный областей n⁺-типа проводимостей, экранирующей n⁺-типа области, защитного слоя, шин межсоединений и контактных электродов к областям инжектора и коллектора, а также их взаимное расположение в конструкции.

Отличительные от прототипа признаки следующие:
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 базовой p-области.

Существенное значение имеет 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. Это 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. При регулярном расположении коллекторных n⁺-областей доля фототока, приходящаяся на каждый коллектор будет одинакова, что теперь позволяет создавать число коллекторов N>4, а, следовательно, без сложностей распараллеливать каналы обработки информации.

Отсутствие базового контакта в схеме в этом случае увеличивает степень интеграции. Его надобность при обработке информационных оптических сигналов уже нецелесообразна.

Если на инжекторную область подать прямосмещающее напряжение, то возможна регулировка фоточувствительности схемы, а также ранжирование каждого коллектора по чувствительности. Известно, что при ортогональном расположении коллекторов относительно инжектора, чувствительность структуры уменьшается с удалением коллектора. Данное положение и ограничивает число коллекторов в классической I²L-схеме. В заявляемом 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 - поперечный топологический разрез по А-А.

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. Поверхности 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. Заявляемая конструкция является устройством функционально-интегрированного типа.

Рассмотрим работу заявляемого устройства. Пусть поверхность интегральной схемы освещается информационным оптическим сигналом от источника S.

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 I²L-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 по n⁺-областями 5. Суммарные носители образуют фототок в цепи база-эмиттер вертикального n-p-n-транзистора при подключенной к шине нулевого потенциала подложки 1. Это приводит к открыванию n-p-n-транзистора или опрокидыванию ключевой схемы на основе заявляемой 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 +E. 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 0,05 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 мкКл/см².

Схема реализуется на базе биполярной технологии.

Как видно из технического решения, наблюдается существенное уменьшение площади кристалла и на топологическом уровне достигается существенный качественный результат повышается чувствительность, увеличивается степень интеграции и расширяются функциональные возможности схемы. 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.

Использование: изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в качестве фотодетекторной матрицы кремниевого типа в акустооптических системах обработки сигналов. Сущность изобретения: интегральная схема содержит высоколегированную подложку n⁺ типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n-типа проводимости с инжекторной областью p-типа проводимости, базовой областью p-типа проводимости, в которой сформировано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости, и экранирующей областью n⁺-типа проводимости, окружающей одновременно инжекторную и базовую области по периметру, а также защитный слой, шины межсоединений и контактные электроды. Контактные электроды к коллекторным областям выполнены из оптически прозрачного материала первого типа, области между контактными электродами к коллекторным областям над базовой областью заполнены оптически прозрачным материалом второго типа, а контактные электроды соединены с шинами межсоединений за пределами базовой области. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Интегральная схема, содержащая высоколегированную подложку п⁺ - типа проводимости, расположенный на подложке эпитаксиальный слой n типа проводимости с инжекторной областью р-типа проводимости, базовой областью р-типа проводимости, в которой сформировано не менее одной коллекторной области n⁺-типа проводимости, и экранирующей областью n⁺-типа проводимости, окружающей одновременно инжекторную и базовую области по периметру, а также защитный слой, покрывающий поверхность схемы, шины межсоединений и контактные электроды к областям инжектора и коллектора, отличающаяся тем, что контактные электроды к коллекторным n⁺-областям выполнены из оптически прозрачного материала первого типа, области между контактными электродами к коллекторным n⁺-областям над базовой областью заполнены оптически прозрачным материалом второго типа, а контактные электроды соединены с шинами межсоединений за пределами базовой области. 2. Cхема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптически прозрачного материала первого типа использована пленка легированного поликремния. 3. Cхема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве оптически прозрачного материала второго типа использована пленка окиси кремния.