ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ САМОСОВМЕЩЕННЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДИОД Российский патент 2013 года по МПК H01L29/861 

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) 6-10¹⁹-10²⁰ см^-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.

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.

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.