КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 2002 года по МПК H01L27/92 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и микроэлектронике, классу многофункциональных приборов, может быть использовано в двухтактных цифровых и аналогичных устройствах, в частности отказоустойчивых.

Многофункциональные приборы могут реализовать на базе одной полупроводниковой структуры функции нескольких активных элементов, в том числе биполярных и МОП транзисторов, что сокращает номенклатуру приборов, унифицирует их технологию, повышает отказоустойчивость электронных устройств.

Известны электронные устройства, использующие взаимодополняющие (комплементарные) активные приборы. Требования к этим приборам - различные виды основных носителей и идентичность приборов.

Биполярные устройства используют пары дискретных транзисторов n-p-n и р-n-р типов с идентичными параметрами. Реализация комплементарных элементов в биполярных интегральных микросхемах технологически затруднена, параметры n-р-n и р-n-р элементов микросхем существенно различаются между собой. Комплементарные МОП устройства реализуют на КМОП структурах микросхем или реже на дискретных n-МОП и р-МОП транзисторах с каналами соответственно n- и р-проводимостей. Информация о реализации в одной полупроводниковой структуре функций комплементарных как биполярных, так и МОП транзисторов в известных авторам источниках не обнаружена.

В качестве прототипа принята наиболее близкая по технической сущности известная КМОП полупроводниковая структура микросхемы, в р-подложке которой сформирована n-область ("карман", в этом кармане - две расположенные рядом р-области [1] ). Кроме того, в р-подложке сформированы две рядом расположенные n-области. Поверхность структуры содержит слой диэлектрика и два металлических затвора. Структура имеет выводы от двух затворов, двух р-областей и двух n-областей, а также вспомогательные выводы р-подложки и n-кармана [1] .

Признаки прототипа - подложка, карман, р- и n-области, слой диэлектрика, два затвора, выводы от восьми областей - совпадают с признаками заявляемого объекта.

Однако на базе структуры прототипа реализуют только два комплементарных р-МОП и n-МОП транзистора, являющихся активными элементами КМОП микросхемы. Возможности работы структуры прототипа в качестве биполярных элементов -вертикального р-n-р транзистора - весьма ограничены. Они рассматриваются в [1] как недопустимые и применяют ряд конструктивных мер для снижения возможности перехода работы структуры в указанные выше режимы.

Техническим результатом изобретения является создание универсальной полупроводниковой структуры, которая могла бы выполнять функции как биполярных, так и МОП комплементарных транзисторов, а также других активных элементов и приборов, т.е. повышение функциональных возможностей полупроводниковых приборов. Данный технический результат достигается прибором, структура которого состоит из полупроводниковой подложки первого типа проводимости, в которой сформирована область другого типа проводимости - карман, и в нем расположены две области первого типа проводимости. В отличие от прототипа, расстояние между этими двумя областями меньше длины диффузионного пробега неосновных носителей кармана, а концентрация легирующей примеси в кармане меньше, чем в расположенных в нем областях. В подложке сформированы также две области другого типа проводимости. В отличие от прототипа, расстояние между этими областями меньше длины диффузионного пробега неосновных носителей подложки. Концентрация легирующей примеси в подложке меньше, чем в расположенных в ней двух областях. Все области структуры и подложки имеют омические (невыпрямляющие) контакты.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом. Примеры осуществления предлагаемого полупроводникового прибора приведены на фиг.1. Данная структура содержит области n-подложки 1', р-карман 2', n+ области 3' и 5', расположенные в кармане 2 на малом расстоянии одна от другой, р-области 6' и 8', расположенные в подложке 1' на малом расстоянии одна от другой, металлические затворы 4' и 7' и слой диэлектрика 9'. Электроды 1...8 - выводы областей 1'. . . 8' соответственно. На основе предлагаемой полупроводниковой структуры могут быть реализованы следующие активные элементы:
n-МОП и р-МОП комплементарные транзисторы (фиг.2 и фиг.3); n-p-n и р-n-р комплементарные биполярные транзисторы (фиг.4 и фиг.5);
новые комплементарные элементы, каждый из которых имеет два управляющих электрода (фиг.6 и фиг.7).

Кроме того, возможно известное включение структуры прибора в качестве:
двухэмиттерного биполярного транзистора (фиг.8),
тиристора (фиг.9),
элемента интегральной инжекционной логики И² Л (фиг.10).

Схемотехнические изображения указанных выше приборов и соответствующие им электроды (фиг.1) приведены на фиг.2....10 соответственно. Прибор работает в различных режимах следующим образом. При подаче управляющих электрических сигналов на электроды затворов 4 и 7, контакты 3, 6 и 5, 8 используются как выводы стоков и (или) истоков n-МОП и р-МОП транзисторов соответственно, прибор выполняет функции КМОП. При работе прибора в биполярном транзисторном режиме контакты 1 и 2 соответствуют выводам баз двух горизонтальных комплементарных симметричных транзисторов р-n-р и n-p-n типов соответственно с эмиттерными выводами 6 и 3, коллекторными 5 и 8. При подаче двух управляющих сигналов на затвор 4 и базу 2 или на затвор 7 и базу 1, прибор реализует функцию двух комплементарных полупроводниковых тетродов, каждый из которых имеет по два управляющих электрода. Первый из тетродов n-p-n типа имеет эмиттерный электрод 3, коллекторный 5, управляющие электроды 2 и 4, второму тетроду р-n-р типа соответствуют выводы эмиттера 6 и коллектора 8, управляющие электроды 7 и 1.

Прибор может работать в функции двухэмиттерного вертикального n-р-n транзистора (фиг.8) и тиристора (фиг.9). Кроме того, если подать на электрод 6 положительное питание инжектора и использовать контакт 2 для входных сигналов, прибор может реализовать функцию элемента интегральной инжекционной логики И²Л (фиг.10). Благодаря вышесказанному, предлагаемый прибор может служить в отличие от прототипа не только для реализации КМОП блока на двух комплементарных n-МОП и р-МОП транзисторах, но и для реализации блока на двух комплементарных биполярных n-р-n и р-n-р горизонтальных транзисторах с идентичными параметрами и, что особенно важно, может использоваться в качестве двух новых комплементарных активных элементов, каждый из которых имеет по два управляющих электрода. За счет уменьшения расстояний между областями стоков и истоков (эмиттеров и коллекторов) и снижения концентраций легирующих примесей в подложке и кармане получены новые свойства полупроводниковой структуры по сравнению с прототипом.

Ниже приводятся основные технологические параметры прибора с учетом современного состояния отечественных разработок [2]:
минимальная ширина затвора составляет 4....6 мкм и определяется возможностями современной фотолитографии;
толщина слоя диэлектрика под затвором равна 0,4 мкм;
легирующие примеси: донорные - фосфор, акцепторные - бор.

В приборе используется подложка n-типа, с концентрацией донорной примеси 10¹². ..10¹³ см^-3. В ней формируют карман р-типа с концентрацией акцепторных примесей 10¹⁶ см. Концентрация донорных примесей в n-областях кармана 10¹⁸.. .10²⁰ см^-3 . Концентрация акцепторной примеси в двух р-областях, сформированных в подложке, 10¹⁸ см^-3. Минимальное расстояние между диффузионными областями исток-сток в КМОП приборах составляет 2...4 мкм. Длина диффузионного пробега носителей заряда для кремния при Т=300 К и табличных коэффициентах диффузии, равных 36 см²/сек для электронов и 13 см²/сек для дырок [3, с.13], и времени жизни носителей - 10^-6....10^-4 сек [4] составляет:
для электронов
для дырок
что и подтверждает возможность передачи тока между двумя областями р-типа и между двумя областями n-типа рассматриваемого прибора при частотах 10⁴...10⁶ Гц.

Возможность трансформации функций структуры при отказе (обрыве вывода затвора или базы) обеспечивает высокую отказоустойчивость устройства. Разработка отказоустойчивых комплементарных устройств очень актуальна в настоящее время для применения в электронной аппаратуре железнодорожного транспорта. Прибор может быть отнесен к новому классу многофункциональных активных элементов интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Использование изобретения позволит значительно расширить функциональные возможности комплементарного полупроводникового прибора, структура которого в зависимости от коммутации выводов может выполнять функции различных пар комплементарных элементов - биполярных транзисторных, КМОП и тетроидных с двумя управляющими электродами.

Источники информации
1. Д. Ферри и др. Электроника ультрабольших интегральных схем. М.: Мир, 1991, с. 282, рис.6.3.

2. И.Е. Ефинов и др. Микроэлектроника. М.: Высшая школа, 1987, с.136.

3. Ф. Я. Либерман. Электроника на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1987, с.13, табл.2.1.

4. Т. Г. Агаханян. Измерение импульсных параметров полупроводниковых триодов в ключевом режиме. Сб.статей "Полупроводниковые приборы и их применение"/ Под. ред. Я.А. Федотова. Вып. 10. М.: Сов. радио, 1963.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и микроэлектронике, классу многофункциональных приборов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей прибора. Предложен полупроводниковый прибор, структура которого в зависимости от коммутации выводов прибора может выполнять функции комплементарных n-МОП и р-МОП транзисторов, или комплементарных биполярных транзисторов n-p-n и р-n-р типов, или двух новых комплементарных элементов, каждый из которых имеет по два управляющих электрода, а также может работать в качестве двухэмиттерного транзистора, тиристора и элемента инжекционной логики И²Л. 10 ил.

Комплементарный полупроводниковый прибор, содержащий подложку первого типа проводимости, выполненные в ней две области второго типа проводимости и карман второго типа проводимости, в котором сформированы две области первого типа проводимости, слой диэлектрика на поверхности подложки, два затвора и выводы от всех областей, отличающийся тем, что расстояние между двумя областями первого типа проводимости, расположенными в кармане второго типа проводимости и расстояние между двумя областями второго типа проводимости, выполненными в подложке, меньше длин диффузионного пробега неосновных носителей в кармане и подложке соответственно, а концентрация легирующих примесей в кармане меньше, чем в расположенных в нем двух областях второго типа проводимости.