Полупроводниковая интегральная схема (варианты)

Полупроводниковая интегральная схема (варианты)

Реферат

Изобретения относятся к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых интегральных схем (ИС), и могут быть использованы в цифровых, аналоговых и запоминающих устройствах микроэлектроники.

Известны кремниевые полупроводниковые интегральные схемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), изготовленные планарно-эпитаксиальной технологией с изоляцией p-n-переходом методом коллекторной изолирующей диффузии (КИД-технология), методами «Изопланар», «Полипланар» или методом «V-ATE» и др. технологиями (И.Е.Ефимов, И.Я.Козырь. «Основы микроэлектроники» (проектирование)» М., Высшая школа, 1978 г., с.266-298, И.Е.Ефимов, И.Я.Козырь. «Основы микроэлектроники» (физические и технологические основы)» М., Высшая школа, 1986 г., с.329-339).

Недостатками указанных полупроводниковых ИС планарно-эпитаксиальной структуры являются низкая надежность Р≤0,98, низкая предельная степень интеграции (составляет величину порядка N=2,5·10⁷ эл/см²), высокий уровень межэлектродных соединений, по объему соизмеримый с рабочим объемом активных транзисторных элементов, высокий уровень потребляемой мощности на одно переключение (Р_потр≈8·10^-8 Вт или фактор качества Q>10^-15 Дж) и др.

Наиболее близким аналогом является кремниевая полупроводниковая ИС NMOS-структуры, сформированная на непланарной сферической подложке из кремния диаметром 1-1,2 мм, получаемой в специальной плазменной печи. На поверхности кремниевых полуизолирующих сфер p-типа с использованием стереофотолитографии сформированы «ЧИП» (или вентиль) MOS транзистора с изолированным затвором, вырожденные монокристаллические кремниевые n⁺ типа слои стока и истока с металлическими контактами, а также слои диэлектрика SiO₂, на котором образован металлический контакт затвора (патент США №5945725, кл. H01L 29/06, публ. 1999 г.).

Недостатками указанной кремниевой полупроводниковой ИС NMOS-структуры являются:

1. Размер интегрального MOS «ЧИПА» составляет значительную величину порядка Δ≈5 мкм;

2. Степень интеграции ограничивается поверхностью сферы диаметром 1-1,2 мм и составляет величину N<10⁶ эл/см;

3. При формировании кристаллов сверхбольших, например, СБИС возникает необходимость соединения кремниевых сфер-гранул в блоки с помощью специального монтажа на единых платформах, существенно отличающихся от стандартных габаритов корпусов ИС, что ухудшает показатели надежности (P≤0,95 и рассеиваемая мощность P>10^-7 Вт на одно переключение).

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении изобретений, являются увеличение степени интеграции ИС, уменьшение топологического размера элемента, снижение уровня межэлектродных соединений, снижение потребляемой мощности на одно переключение, повышение надежности.

Указанный технический результат в первом варианте изобретения достигается тем, что содержащийся в полупроводниковой интегральной схеме высокоомный монокристаллический кремниевый слой выращен в виде полого цилиндра, в котором сформированы области разного типа проводимости, образующие биполярные транзисторы, резисторы и конденсаторы, на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя сформированы эмиттерные и базовые контакты, прилегающие к соответствующим областям соответствующих транзисторов, соединенные с резисторами и конденсаторами токоведущими дорожками, сформированными на поверхности диэлектрика, размещенного на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, а на внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован коллекторный контакт в виде полого цилиндра, прилегающий к коллекторным областям транзисторов.

Во втором варианте изобретения указанный технический результат достигается тем, что содержащийся в полупроводниковой интегральной схеме высокоомный монокристаллический кремниевый слой выращен в виде полого цилиндра, в котором сформированы области разного типа проводимости, образующие биполярные транзисторы, резисторы и конденсаторы, на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя сформированы коллекторные и базовые контакты, прилегающие к соответствующим областям соответствующих транзисторов, соединенные с резисторами и конденсаторами токоведущими дорожками, сформированными на поверхности диэлектрика, размещенного на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, а на внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован эмиттерный контакт в виде полого цилиндра, прилегающий к эмиттерным областям транзисторов.

Кроме того, как в первом, так и во втором вариантах изобретений токоведущие дорожки и эмиттерные, базовые и коллекторные контакты могут быть выполнены из двух слоев из разных немагнитных металлов, причем слои формируются таким образом, что слой, расположенный со стороны высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, имеет меньшую удельную проводимость в направлении протекания электрического тока, чем удельная проводимость другого слоя в том же направлении.

На чертеже представлена ИС типа ТТЛ на кремниевой цилиндрической подложке.

Полупроводниковая интегральная схема содержит высокоомный монокристаллический кремниевый p-типа слой, выращенный в виде тонкостенного полого цилиндра 1, в котором сформированы эмиттерные (n-типа) 2, коллекторные (n-типа) 3 и базовые (p-типа) 4 области, образующие биполярные (n-p-n) транзисторы, и области, образующие пассивные элементы 5 (резисторы и конденсаторы).

На внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого p-типа слоя сформированы эмиттерные 6 и базовые 7 контакты, прилегающие к соответствующим областям соответствующих транзисторов.

Эмиттерные 6 и базовые 7 контакты соединены с пассивными элементами 5 (резисторами и конденсаторами) межэлектродными соединениями - токоведущими дорожками 8, сформированными на поверхности изолирующего диэлектрика 9 - слоя двуокиси кремния, размещенного на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого p-типа слоя.

На внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован коллекторный контакт 10 в виде тонкостенного полого цилиндра, прилегающий к коллекторным областям 3 транзисторов.

Контакт 10 может прилегать к коллекторным областям 3 транзисторов не непосредственно, а через подложку - кремниевый слой p-типа.

Токоведущие дорожки 8 и эмиттерные 6, базовые 7 и коллекторный 10 контакты состоят из двух слоев 11 и 12 из разных немагнитных металлов, например титана, платины, золота, серебра, меди, алюминия, молибдена или вольфрама.

Слои 11 и 12 сформированы таким образом, что слой, расположеный со стороны высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, имеет меньшую удельную проводимость в направлении протекания электрического тока, чем удельная проводимость другого слоя в том же направлении. Это обеспечивается подбором металлов для выполнения слоев.

Эмиттерные 2, базовые 4 и коллекторные 3 области, а также пассивные элементы 5 сформированы методами стереофотолитографии или другими известными способами.

Принцип действия полупроводниковой цилиндрической кремниевой интегральной схемы, например типа ТТЛ, заключается в следующем.

При приложении внешнего напряжения U₀≤5 В входной интегральный транзистор n-p-n-типа элементарной ячейки ТТЛ интегральной схемы пропускает большой ток, а падение напряжения на нем мало и составляет величину ΔU₀≤0,8 В.

В режиме насыщения оба p-n перехода интегрального транзистора смещены в прямом направлении, вследствие чего в областях базы и коллектора накапливаются заряды неосновных носителей. При переводе транзистора из открытого состояния в закрытое необходимо затратить определенное время на рассасывание зарядов, после чего транзистор элементарной ячейки выключается, т.е. переходит в режим отсечки. Время рассасывания зарядов играет основную роль в определении времени задержки распространения входного сигнала, т.е. в быстродействии схемы, оно равно t_з<10 нс при средней мощности потребления на один элемент цилиндрической ИС Р≤10^-8 Вт, а произведение времени задержки на мощность Q=Р·t_з находится в интервале 10π Дж<Q<50π Дж, так как степень интеграции увеличивается в 2π раз на поверхности цилиндрической подложки, а число токоведущих дорожек при наличии управляющего внутреннего цилиндрического (трубчатого) контакта, в силу цилиндрической симметрии, уменьшается в 2π раз.

При подаче во внутреннюю полость коллекторного контакта 10 охлаждающего агента обеспечивается дополнительная возможность принудительного охлаждения ИС, что приводит к повышению ее мощности и надежности в эксплуатации.

Особенностью второго варианта изобретения является то, что в виде полого цилиндра 1 выращен высокоомный монокристаллический кремниевый слой n-типа, в котором сформированы эмиттерные (p-типа) 2, коллекторные (p-типа) 3 и базовые (n-типа) 4 области, образующие биполярные (p-n-p) транзисторы, а на внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован эмиттерный контакт 10 в виде полого цилиндра, прилегающий к эмиттерным областям 3 транзисторов.

1. Полупроводниковая интегральная схема, содержащая высокоомный монокристаллический кремниевый слой p-типа, выращенный в виде полого цилиндра, в котором сформированы области разного типа проводимости, образующие биполярные транзисторы, резисторы и конденсаторы, на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя сформированы эмиттерные и базовые контакты, прилегающие к соответствующим областям соответствующих транзисторов, соединенные с резисторами и конденсаторами токоведущими дорожками, сформированными на поверхности диэлектрика, размещенного на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, а на внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован коллекторный контакт в виде полого цилиндра, прилегающий к коллекторным областям транзисторов или к примыкающему к ним кремниевому слою p-типа.

2. Полупроводниковая интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что токоведущие дорожки и эмиттерные, базовые и коллекторный контакты состоят из двух слоев из разных немагнитных металлов, причем слои сформированы таким образом, что слой, расположенный со стороны высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, имеет меньшую удельную проводимость в направлении протекания электрического тока, чем удельная проводимость другого слоя в том же направлении.

3. Полупроводниковая интегральная схема, содержащая высокоомный монокристаллический кремниевый слой n-типа, выращенный в виде полого цилиндра, в котором сформированы области разного типа проводимости, образующие биполярные транзисторы, резисторы и конденсаторы, на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя сформированы коллекторные и базовые контакты, прилегающие к соответствующим областям соответствующих транзисторов, соединенные с резисторами и конденсаторами токоведущими дорожками, сформированными на поверхности диэлектрика, размещенного на внешней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя, а на внутренней поверхности высокоомного монокристаллического кремниевого слоя образован эмиттерный контакт в виде полого цилиндра, прилегающий к эмиттерным областям транзисторов или к примыкающему к ним кремниевому слою n-типа.