Стабилитрон на объемном кремнии Российский патент 2025 года по МПК H10D8/25 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при создании интегральных схем (ИС) с управляемым напряжением стабилизации.

Стабилитрон представляет собой плоскостный диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя [Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с., ил]. Стабилитрон используется в большинстве ИС для стабилизации напряжения. Внешнее воздействие может привести к изменению рабочего напряжения стабилитрона. Таким образом, существует необходимость возможности изменения рабочего напряжения изготовленного стабилитрона в процессе эксплуатации.

В авторском свидетельстве SU 1372312 А2 «Стабилитрон» автора А.Л. Якимаха, опубликованном 07.02.88, бюл. №5, описано схемотехническое решение стабилизации тока с помощью четырех биполярных транзисторов. В устройстве осуществлена развязка между комплементарными транзисторами первой пары и комплементарными транзисторами второй пары. Недостатком данного стабилитрона является большая занимаемая площадь на кристалле и отсутствие возможности регулирования напряжения пробоя.

В авторском свидетельстве SU 156250 А1 «Способ изготовления стабилитрона на основе кремния», авторов А.И. Курносов, А.С. Сущик, опубликованном 21.08.1963, 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.

В патенте RU 2298256 С2 «Стабилитрон с регулировкой рабочего тока» автора А.Ф. Боронецкого H01L 29/68, опубл. 27.04.2007, бюл. №12 предложен схемотехнический вариант управления рабочим напряжением стабилитрона. 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.

Прототипом предложенному стабилитрону является «Стабилитрон на структуре «кремний на изоляторе», описанный в патенте №2783629, опубликованном 15.11.2022, бюл. №32. Авторы патента предлагают конструкцию стабилитрона с дополнительным управляющим контактом. Где посредством приложения напряжения на управляющий контакт можно изменять рабочее напряжение стабилитрона. Недостатком такого стабилитрона является невозможность изготовления на пластинах объемного кремния.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание стабилитрона на объемном кремнии 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 рабочим напряжением в условиях воздействия внешних факторов, расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в стабилитроне на объемном кремнии, включающем анод, катод, контакты, на пластине объемного кремния выполнен легированный примесью 1 типа проводимости слой кремния, соединенный с анодом, на котором сформирована легированная примесью 2 типа проводимости область кремния, часть которой соединена с катодом, примыкающим к аноду, а другая часть соединена с дополнительной областью стабилитрона, представляющей область кремния, легированного примесью 1 типа проводимости, к которой выполнен контакт.

Изобретение поясняют следующие фигуры (на примере стабилитрона с дополнительной областью n+типа).

На фигуре 1 представлен фрагмент топологии предлагаемого стабилитрона.

На фигурах 2, 3, 4 представлены основные этапы изготовления стабилитрона в сечении А на фиг. 1.

На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения:

1 - анод стабилитрона;

2 - дополнительная область стабилитрона;

3 - катод стабилитрона;

4 - силицидированный контакт к дополнительной области стабилитрона;

5 - силицидированный контакт к катоду стабилитрона;

6 - силицидированный контакт к аноду стабилитрона.

7 - пластина объемного кремния;

8 - легированный примесью n-типа слой кремния;

9 - эпитаксиальный слой кремния.

10 - легированный примесью р-типа слой - скрытая область катода;

На фигуре 5 приведены вольтамперные характеристики предлагаемого стабилитрона.

Изготовление стабилитрона (на примере стабилитрона с дополнительной областью n+типа), фрагмент топологии которого представлен на фиг. 1, реализуется следующим образом.

На пластине объемного кремния 7 (фиг. 2) методом ионной имплантации примеси фосфора, дальнейшей эпитаксии кремния 9 (фиг. 2) и высокотемпературного длительного отжига формируется легированный примесью n-типа слой кремния 8 (фиг. 2).

Затем методом ионной имплантации примеси фосфора по маске анода и имплантации примеси бора по маске, с последующим отжигом формируют области анода стабилитрона 1 (фиг. 3) и скрытой области катода 10 (фиг. 3).

Далее посредством имплантации бора по маске катода, имплантации фосфора по маске дополнительной области стабилитрона и дальнейшего высокотемпературного отжига формируют области катода стабилитрона 3 (фиг. 4) и дополнительной области стабилитрона 2 (фиг. 4).

Процесс изготовления стабилитрона завершается формированием контактов 4, 5, 6 (фиг. 1) из силицида титана стандартным самосовмещенным способом.

Устройство работает следующим образом.

Управление напряжением пробоя осуществляется посредством подачи напряжения на силицидированный контакт 4, соединенный с областью 2 (фиг. 1). Это равноценно приложению напряжения на р-n переход, образованный областями 10 и 2 (дополнительная область стабилитрона - скрытая область катода) (фиг. 4). Приложенное напряжение приводит к перераспределению носителей заряда в области 10. Рабочее напряжение стабилитрона определяется напряжением пробоя р-n перехода, образованного слоем 8 и областью 10. Изменение характеристик скрытой области катода 10 приведет к изменению рабочего напряжения всего стабилитрона.

Например, подача отрицательного напряжения на дополнительную область стабилитрона 2 приводит к снижению рабочего напряжения стабилитрона (фиг. 5). На фигуре 5 приведены вольтамперные характеристики стабилитрона с дополнительной областью n-типа при разных значениях приложенного напряжения на дополнительную область, где а - при нулевом напряжении на дополнительной области стабилитрона; b - при минус 0,3 В; с - при минус 0,4 В. Увеличение напряжения на дополнительной области стабилитрона привозит к уменьшению рабочего напряжения стабилитрона.

Таким образом, подача напряжения на контакт, выполненный на дополнительной области стабилитрона, позволяет корректировать напряжение пробоя в процессе эксплуатации с учетом фактического отклонения параметров стабилитрона в условиях влияния внешних воздействующих факторов.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при создании интегральных схем с управляемым напряжением стабилизации. В стабилитроне на объемном кремнии, включающем анод, катод, контакты, на пластине объемного кремния выполнен легированный примесью 1 типа проводимости слой кремния, соединенный с анодом, на котором сформирована легированная примесью 2 типа проводимости область кремния, часть которой соединена с катодом, примыкающим к аноду, а другая часть соединена с дополнительной областью стабилитрона, представляющей область кремния, легированного примесью 1 типа проводимости, к которой выполнен контакт. Технический результат изобретения заключается в возможности управления рабочим напряжением в условиях воздействия внешних факторов, расширения области применения. 5 ил.

Стабилитрон на объемном кремнии, включающий анод, катод, контакты, отличающийся тем, что на пластине объемного кремния выполнен легированный примесью 1 типа проводимости слой кремния, соединенный с анодом, на котором сформирована легированная примесью 2 типа проводимости область кремния, часть которой соединена с катодом, примыкающим к аноду, а другая часть соединена с дополнительной областью стабилитрона, представляющей область кремния, легированного примесью 1 типа проводимости, к которой выполнен контакт.