Малоразмерный планарный диодный датчик температуры на кремнии

Заявляемый малоразмерный планарный диодный датчик температуры (ДТ) на кремнии относится к полупроводниковым приборам, в частности, к полупроводниковым датчикам температуры для охлаждаемых приемников излучения, работающих при температурах 30-250 К. В планарном диодном датчике температуры, состоящем из подложки кристалла кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (1÷4) Ом·см, на одной стороне которой сформированы планарные рабочий p⁺-n переход, омические контакты к базе и эмиттеру, а также омический контакт к базе по всей площади обратной стороны подложки, вокруг рабочего p⁺-n перехода на расстоянии, составляющем не более половины диффузионной длины дырок в базе, сформирован дополнительный планарный p⁺ -n переход, p⁺-область которого электрически соединена с планарным омическим контактом к базе, а приконтактные области омических контактов в подложке выполнены с поверхностной концентрацией легирующих атомов (1÷3)·10¹⁹ см^-3 , образуя области p⁺⁺- и n⁺⁺-типов. В частном случае выполнения рабочий и дополнительный планарные p⁺ -n переходы имеют аналогичные профили распределения концентрации примесных атомов. Снижение разброса величины основного параметра - выходного напряжения ДТ при температуре 77 К и обеспечение стабильности всех изготавливаемых ДТ обеспечиваются за счет минимизации или полного устранения неконтролируемых паразитных потерь напряжения, обусловленные вкладом поверхностной рекомбинации в прямой ток и повышенными контактными сопротивлениями.

Заявляемый малоразмерный планарный диодный датчик температуры на кремнии относится к полупроводниковым приборам, в частности, к полупроводниковым датчикам температуры (ДТ) для охлаждаемых приемников излучения, работающих при температурах 30-250 К, которые должны иметь незначительную тепловую массу (не более 0,005 г) и планарные металлические контакты для удобства проведения гибридной сборки.

Определение температуры производится при измерении выходного напряжения ДТ. При этом рабочая точка диодных ДТ находится на прямой ветви ВАХ за напряжением отсечки. При постоянном токе через диодный ДТ его выходное напряжение U_ДТ имеет линейную зависимость от его абсолютной температуры Т вида:

где A и C - постоянные, зависящие от ширины запрещенной зоны, электрофизических параметров исходного полупроводникового кристалла и конструктивно-технологических факторов, влияющих на качество омических контактов и вклад поверхностной рекомбинации в прямой ток, а T₀ - минимальная абсолютная температура калибровки. При калибровке ДТ величина A определяется как напряжение на ДТ при минимальной температуре калибровки U₀, B, а C - как температурный коэффициент напряжения ТКН, В/град, на линейном участке зависимости (1), который рассчитывается по формуле:

где T_k - комнатная температура калибровки, a U_k - напряжение на ДТ при T=T_k , В частном случае диодного кремниевого ДТ для криогенных температур, начиная с температуры жидкого азота (77 К) и выше, значения этих параметров без учета конструктивно-технологических факторов составляют: U₀=U₇₇1032 В, а ТКН1,6·10^-3 В/К.

В серийном производстве существенное значение имеет изготовление ДТ с воспроизводимыми стабильными параметрами U₀ и ТКН, при этом сокращаются затраты на отбраковку и калибровку отдельных ДТ, уменьшается количество негодных приборов и снижается себестоимость производства. Оценка стабильности ДТ производится по максимальному отклонению величины U₀ при заданной наработке (U₀).

Известен полупроводниковый планарный диод на подложке кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 8 Ом·см, в которой вокруг основного p-n перехода на расстоянии не более диффузионной длины неосновных носителей заряда (дырок) L_д расположен дополнительный короткозамкнутый p-n переход (см. В.П.Астахов и др. «О влиянии дополнительного планарного короткозамкнутого p-n перехода, расположенного вблизи основного». Письма в ЖТФ, 1998, том 24, 6, с.72-76). Однако, описанная структура не является оптимальной для использования в качестве ДТ в охлаждаемых приемниках излучения.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому малоразмерный (0,7×0,7×0,4 мм) планарный диодный ДТ на кремнии для температур (77÷350) К, принятый за прототип (см. Датчик температуры, КД ОАО «МЗ «САПФИР» ЖИ-АЮ.757641.010, 1998 г.), представляющий собой подложку из кристалла кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (1÷4) Ом·см указанных размеров, имеющую рабочий диффузионный планарный p⁺-n переход площадью 0,2×0,2 мм с глубиной залегания (2-5) мкм и поверхностной концентрацией акцепторной примеси (2-3)·10¹⁸cм^-3 (см. фиг.1). Вокруг рабочего планарного p⁺-n перехода имеется планарный диффузионный омический контакт n⁺-n - типа к базе, расположенный на расстоянии 0,125 мм от планарных границ p ⁺-n перехода и имеющий поверхностную концентрацию донорных атомов и глубину залегания n⁺ - области также соответственно (2÷3)·10¹⁸ см^-3 и (2-5) мкм. Аналогичный омический контакт имеется на обратной стороне подложки. Металлическая часть контактов выполнена с помощью системы Cr+Au.

Недостатком такого ДТ является большой разброс выходного параметра U₇₇ ДТ, получаемых на одной пластине и в партии пластин, а также большая доля нестабильных ДТ.

Заявляемая полезная модель решает задачу снижения затрат на производство ДТ.

Техническим результатом при использовании полезной модели является существенное сужение разброса величины выходного напряжения ДТ при температуре 77 К (U₇₇) и обеспечение стабильности всех ДТ в партии.

Указанный технический результат достигается тем, что в планарном диодном датчике температуры, состоящем из подложки кристалла кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (1÷4) Ом·см, на одной стороне которой сформированы планарные рабочий p ⁺-n переход, омические контакты к базе и эмиттеру, а также омический контакт к базе по всей площади обратной стороны подложки, вокруг рабочего р⁺-n перехода на расстоянии, составляющем не более половины диффузионной длины дырок (L_д) в базе, сформирован дополнительный планарный p⁺-n переход, p⁺-область которого электрически соединена с планарным омическим контактом к базе, а приконтактные области омических контактов выполнены с поверхностной концентрацией легирующих атомов (1÷3)·10¹⁹ см^-3, образуя области p⁺⁺- и n⁺⁺-типов. В частном случае выполнения рабочий и дополнительный планарные p⁺-n переходы имеют аналогичные профили распределения концентрации примесных атомов.

В идеальном случае выражение (1) представляет температурную зависимость контактной разности потенциалов р⁺- и n-областей p⁺-n перехода. В реальных случаях характер зависимости (1) сохраняется, но в значения A и C вносятся поправки, определяемые конструктивно-технологическими факторами, влияющими на потери тока за счет поверхностной рекомбинации и контактных сопротивлений. Оба эти фактора увеличивают рабочее напряжение ДТ, которое соответствует прямому падению напряжения U_пр, что может привести к нестабильности ДТ за счет дополнительного выделения энергии и внутреннего разогрева кристалла.

Новым в заявляемом ДТ является наличие дополнительного планарного коротко-замкнутого p⁺-n перехода, окружающего рабочий планарный p⁺-n переход и находящийся от него на расстоянии не более 0,5L_д, а также приконтактных областей с поверхностной концентрацией легирующих атомов (1÷3)·10 ¹⁹ см^-3. Оба фактора снижают имеющиеся в реальных случаях потери прямого тока и соответствующие паразитные прямые падения напряжения. Дополнительный p⁺-n переход делает это за счет уменьшения влияния поверхностной рекомбинации дырок, инжектированных в базу через планарные границы эмиттера, а сильнолегированные приконтактные области с поверхностной концентрацией (1÷3)·10 ¹⁹ см^-3 - за счет снижения потенциальных барьеров между кристаллом и металлическими контактами, приводящего к уменьшению контактных сопротивлений.

Влияние поверхности уменьшается или устраняется за счет того, что дополнительный короткозамкнутый p⁺-n переход является границей с бесконечной скоростью рекомбинации S и нулевой скоростью генерации дырок и поэтому он является для них «насосом», эффективность отбора дырок в который тем выше, чем ближе дополнительный p ⁺-n переход расположен к рабочему, причем эффективность составляет практически 100% при расстоянии d, связанным с L _д соотношением d0,5 L_д для значений S, получаемых на практике (S5-100 см/с). Забирая большую часть дырок, инжектированных через планарные границы p⁺-области рабочего p ⁺-n перехода, p⁺-область дополнительного p ⁺-n перехода через электрическое соединение с планарным омическим контактом к базе практически без потерь передает их во внешнюю электрическую цепь, увеличивая прямой ток и уменьшая U_пр. Положительное влияние дополнительного короткозамкнутого p⁺-n перехода возрастает с уменьшением размеров ДТ (площади рабочего p⁺-n перехода), поскольку вклад периферийного тока в общий ток p⁺-n перехода пропорционален обратной величине линейного размера p⁺-n перехода.

Снижение потенциального барьера и контактных сопротивлений между кристаллом и металлическими контактами пропорционально поверхностной концентрации легирующих атомов. При этом повышается растворимость приконтактного слоя металла в кристалле, что также способствует снижению барьера и уменьшению контактного сопротивления и, кроме того, способствует повышению прочности адгезии металла к кристаллу, уменьшая вероятность отслоения контакта.

Было установлено, что если поверхностная концентрация в приконтактных областях меньше 1·10¹⁹ см^-3, то этого недостаточно для практически полного устранения потенциального барьера, и достаточно при значении этого параметра 1·10 ¹⁹ см^-3 и более. В то же время при поверхностной концентрации выше 3·10¹⁹ см^-3 сильнолегированная приконтактная область имеет повышенные внутренние механические напряжения, сжимающие или растягивающие кристаллическую решетку в зависимости от вида легирующих атомов, которые стимулируют генерацию компенсирующих центров, повышающих поверхностный барьер. Таким образом, для минимизации контактных сопротивлений и паразитных потерь напряжения на них требуется поверхностная концентрация легирующих атомов в контактной области кристалла в пределах (1÷3)·10 ¹⁹ см^-3. Сильнолегированный приконтактный слой с аналогичной поверхностной концентрацией на обратной стороне подложки обеспечивает необходимое снижение сопротивления базы для продольного тока между планарными рабочим p⁺-n переходом и омическим контактом к базе. Так устраняется неэквипотенциальность обратной стороны подложки и вызванная этим неравномерность инжекции дырок по площади рабочего p⁺-n перехода, которая приводит к увеличению последовательного сопротивления и паразитным прямым падениям напряжения.

Выполнение рабочего и дополнительного планарных p⁺-n переходов с аналогичными профилями распределения концентрации примесных атомов позволяет изготавливать их в одном технологическом процессе, что также снижает затраты на их производство.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема прототипа, на фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого ДТ, на фиг.3 и 4 для предлагаемого ДТ и прототипа соответственно - гистограммы результатов измерений выходного напряжения ДТ при температуре 77 К (U₇₇) и зависимости параметра U₇₇ от длительности наработки.

Согласно фиг.2 заявляемый ДТ состоит из подложки 1 кристалла кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (1÷4) Ом-см, в которой на одной стороне сформированы планарные диффузионные области p⁺ -типа проводимости рабочего 2 и дополнительного 3 p⁺ -n переходов с приконтактными сильнолегированными областями p ⁺⁺-типа 4 с поверхностной концентрацией легирующих атомов (1÷3)·10¹⁹ см^-3 и сильнолегированные области n⁺⁺-типа планарного омического контакта 5, окружающего планарные рабочий и дополнительный p⁺-n переходы, а также омического контакта на всей поверхности обратной стороны подложки 6 с поверхностной концентрацией легирующих атомов также (1÷3)·10¹⁹ см^-3. На областях p⁺⁺-типа и n⁺⁺-типа с обеих сторон подложки созданы металлические контакты 7 системы Cr+Au так, чтобы обеспечить планарные выводы от планарной p⁺-области рабочего p⁺-n перехода, электрическое соединение дополнительного p⁺-n перехода 3 с планарным омическим контактом 5 к базе и металлизацию всей обратной стороны подложки.

В процессе измерения температуры за счет введения предложенных конструктивных решений в таком ДТ минимизируются или полностью устраняются неконтролируемые паразитные потери напряжения, обусловленные вкладом поверхностной рекомбинации в прямой ток и повышенными контактными сопротивлениями, приводящими к увеличению значений параметра U₇₇, его разброса и нестабильности.

В процессе работы были изготовлены 2 партии ДТ по 2 пластины кремния в каждой с удельным сопротивлением 4 Ом·см. Партия 1 изготовлена в соответствии с предложением по топологии фиг.2., а партия 2 - в соответствии с топологией прототипа. В обоих случаях площади рабочего p⁺-n перехода и планарного омического контакта одинаковы. Поверхностные концентрации p⁺- и n⁺-областей также одинаковы (~2,2·10¹⁸ см^-3). Расстояние между планарными границами p ⁺-областей рабочего и дополнительного p⁺-n перехода составляет 0,07 мм при значении диффузионной длины дырок в подложке не менее 0,2 мм. Диаметр исходных пластин - 76 мм, площадь отдельного ЧИПа ДТ - 0,7×0,7 мм, площадь рабочего p⁺-n перехода - 0,2×0,2 мм.

Планарные р-области изготавливались загонкой и разгонкой бора через «окна» в термической пленке SiO₂ при температурах 970°C и 1050°C, соответственно. Подконтактные области p⁺⁺-типа создавались локальной имплантацией ионов бора, а n⁺⁺-типа - ионов фосфора в обоих случаях с энергией 60 кэВ и дозой 1,2·10 ¹⁵ см^-2 с последующим одновременным отжигом в потоке азота при температуре 900°C в течение 2 часов. Поверхностная концентрация в приконтактных областях составляла (2-2,5)·10¹⁹ см^-3. В качестве металлических контактов использовалась система Cr+Au. Все операции производились по групповой технологии с применением контактной фотолитографии.

После изготовления пластины разрезались на ЧИПы (0,7×0,7)мм, к планарным золотым контактам термокомпрессией приваривались золотые проводники 30 мкм, которыми ЧИПы присоединялись к цоколю и на цоколе измерялись выходной параметр U₇₇ - напряжение при прямом токе 100 мкА при помещении ДТ на цоколе под крышкой в жидкий азот (Т=77К) и зависимость этого параметра от времени наработки, из которой определялась нестабильность (U₇₇), которая оценивалась как максимальный уход значения U₇₇ в течение 4-х часовой наработки. Измерения производились на 100 шт. ДТ из каждой партии, выбранных произвольно. Результаты измерений в виде гистограмм и зависимости от времени наработки представлены на фиг.3 и 4. Из данных гистограмм видно, что в партии 1, изготовленной по предложению, имеет место наименьший разброс параметра U₇₇, составляющий 0,006 В, при значениях U₇₇ в пределах (1,037÷1,043) В, а также отсутствуют нестабильные ДТ, поскольку значения U₇₇ не превышают ошибки измерения 0,25 мВ при требовании U₇₇1 мВ (см. фиг.4).

В то же время в Партии 2 разброс параметра U₇₇ составляет 0,273 В, что в 45 раз больше чем в Партии 1, а сами значения U₇₇ находятся в интервале (1,052-1,325) В (см. фиг.3). 28% ДТ этой партии нестабильны (см. фиг.3) и для них значения U₇₇ составляют (10-300) мВ (см. фиг.4). При этом нестабильными являются ДТ, для которых значения U₇₇ >1,2 B (см. фиг.3), а значения параметра, характеризующего нестабильность (U₇₇) возрастает при увеличении исходного значения U₇₇. Полученные результаты объясняются тем, что в партии, изготовленной по предложению, устранены причины, приводящие к повышенным значениям скорости поверхностной рекомбинации и контактных сопротивлений, увеличивающих прямое падение напряжения (U_пр) при фиксированном прямом токе через ДТ. Благодаря этому ДТ не испытывают внутреннего разогрева рабочим током, что происходит с ДТ, изготовленными по прототипу. У последних, имеющих значения U_пр>1,2 В при наработке значения U ₇₇ постепенно уменьшаются (см. фиг.4), что соответствуют повышению температуры ДТ, причем при больших исходных значениях U₇₇ нестабильность (уменьшение U₇₇) больше, что соответствует большему разогреву ДТ. О разогреве свидетельствует тот факт, что после перерыва в наработке значение U₇₇ всех нестабильных ДТ восстанавливается до первоначального.

Таким образом, заявленное предложение обеспечивает реализацию технического результата: снижение разброса величины основного параметра - выходного напряжения ДТ при температуре 77 К и обеспечение стабильности всех изготавливаемых ДТ.

1. Малоразмерный планарный диодный датчик температуры, состоящий из подложки кристалла кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 1÷4 Ом·см, на одной стороне которой сформированы планарные рабочий p⁺-n переход, омические контакты к базе и эмиттеру, а также омический контакт к базе по всей площади обратной стороны подложки, отличающийся тем, что вокруг рабочего p⁺-n перехода на расстоянии, составляющем не более половины диффузионной длины дырок в базе, сформирован дополнительный планарный p⁺-n переход, p⁺ -область которого электрически соединена с планарным омическим контактом к базе, а приконтактные области омических контактов выполнены с поверхностной концентрацией легирующих атомов (1÷3)·10 ¹⁹ см^-3.

2. Малоразмерный планарный диодный датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что рабочий и дополнительный планарные p⁺-n переходы имеют аналогичные профили распределения концентрации примесных атомов.