RU2686450C1 - Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире - Google Patents
Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686450C1 RU2686450C1 RU2018115779A RU2018115779A RU2686450C1 RU 2686450 C1 RU2686450 C1 RU 2686450C1 RU 2018115779 A RU2018115779 A RU 2018115779A RU 2018115779 A RU2018115779 A RU 2018115779A RU 2686450 C1 RU2686450 C1 RU 2686450C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microcircuit
- output
- rectifier
- input
- integrated
- Prior art date
Links
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 title claims abstract description 30
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 35
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 44
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 19
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 7
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 22
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 6
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 18
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 101100440985 Danio rerio crad gene Proteins 0.000 description 2
- 101100440987 Mus musculus Cracd gene Proteins 0.000 description 2
- 101100467905 Mus musculus Rdh16 gene Proteins 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 boron ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам гальванической развязки, предназначенным для коммутации тока силовых реле в системах с резервированием систем управления, в частности, для аппаратуры ракетно-космической техники. Интегральная микросхема гальванической развязки содержит вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем. К выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора. Интегральная микросхема выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира. Способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки включает в себя нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы. На сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор, при этом во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и с контактной площадкой земли выхода. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов интегральной микросхемы гальванической развязки при повышении показателей ее надежности и радиационной стойкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к области полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам гальванической развязки, предназначенным для коммутации тока силовых реле в системах управления.
Гальваническая развязка в системах управления выполняет функцию разрыва общей цепи заземления и защиты системы от высоковольтных переходных процессов с целью уменьшения помех и искажений сигналов, а также повышения электробезопасности.
Из уровня техники известно, что основными средствами обеспечения гальванической развязки, позволяющими блокировать протекание тока от одного устройства к другому и при этом обеспечивать передачу информации, являются трансформаторы, развязывающие конденсаторы, оптопары и устройства гальваноразвязки цифрового сигнала типа «iCouplers».
Кроме прочих требований к устройствам гальванической развязки, например, для использования в области ракетно-космической техники, предъявляются также высокие требования по радиационной стойкости, в частности, к дозовым эффектам более 150 крад для гражданского применения и более 1000 крад для военного применения с обеспечением ресурса не менее 120 тыс. часов. В облегченном режиме эксплуатации ресурс составляет от 150 тыс. часов с последующим доведением до 200 тыс. часов.
В отношении радиационной стойкости слабым местом гальванической развязки электрических цепей управляющего сигнала и коммутируемого сигнала может являться оптрон (оптопара светодиод – фотодиод/фототранзистор). Альтернативой оптопаре является электромагнитная развязка – трансформатор.
Существенным недостатком оптрона является его относительно низкая стойкость к ионизирующему излучению (ИИ), под воздействием которого могут изменяться параметры работы полупроводниковых приборов, составляющих оптрон, особенно в процессе длительной эксплуатации. В зависимости от схемы подключения деградация оптрона под действием ионизирующего излучения может спровоцировать невозможность вовремя передать управляющий сигнал ключевому элементу, при этом ключ не сработает либо, наоборот, может вызвать срабатывание ключа без управляющего сигнала, что еще опаснее.
При этом следует отметить, что устройства развязки на базе фототранзисторов более чувствительны к радиации, чем соответствующие устройства на базе фотодиодов.
Фирма Avago Technologies предлагает для применения в военной и космической электронике высоконадежные герметичные оптроны на базе фотодиодов, в частности, для гальванической развязки. Подтвержденная испытаниями радиационная стойкость этих оптронов составляет 30–35 крад. (А. Буданова «Радиационная устойчивость оптронов компании Avago Technologies», Компоненты и технологии №5, 2010 г. стр.108–110). Недостатком гальванической развязки на основе оптронов фирма Avago Technologies являются высокие показатели энергозатрат.
Известно твердотельное реле RDHA720SF06A1NK фирмы International Rectifier (опубликовано в мае 2012 г. на сайте www.irf.com. См.: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/rdha720sf06a1nk.pdf). В конструкции твердотельного реле RDHA720SF06A1NK использована оптронная гальваническая развязка. Радиационная стойкость интегральных схем RDHA720SF06A1NK, заявленная производителем, составляет 100 крад. Трансформатор интегральной схемы изготовлен из металла и диэлектрика, то есть из материалов, которые имеют на порядки более высокую радиационную стойкость, чем полупроводники. Поэтому в условиях действия ИИ трансформатор способен длительно работать без существенной деградации электрофизических параметров.
Упомянутые устройства оптоэлектронной развязки просты в реализации, однако их применение увеличивает затраты энергии в цепях управления, что нежелательно в радиоэлектронной аппаратуре с автономным питанием. Несмотря на то что применение устройств трансформаторной гальванической развязки усложняет схему управления, потери энергии в такой схеме могут быть сведены к минимуму, и поэтому схемотехнические решения с электромагнитной развязкой для аппаратуры ракетно-космической техники особенно актуальны.
Из патента РФ на полезную модель RU74021 (МПК H03K17/78, опубликован 10.06.2008) известно электронное реле с гальванической развязкой, содержащее входы управления реле, коммутирующее устройство, выполненное на n-МОП транзисторе, устройство разряда, выполненное на резисторе, первый и второй выводы которого являются первым и вторым выходами устройства разряда, подключены соответственно к затвору и истоку n-МОП транзистора, являющимися первым и вторым входами коммутирующего устройства, выходами которого являются сток и исток n-МОП транзистора, служащие выходами реле. Узел гальванической развязки состоит из генератора импульсов, импульсного трансформатора, имеющего первичную и вторичную обмотки, и выпрямительного диода, причем первичная обмотка импульсного трансформатора подключена к выходу генератора импульсов, входами которого являются входы управления электронным реле, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, при этом катод выпрямительного диода и второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены соответственно к первому и второму входам устройства разряда и коммутирующего устройства, являющимися соответственно первым и вторым выводами резистора, затвором и истоком n-МОП транзистора коммутирующего устройства.
Данное устройство обладает рядом недостатков. Устройство реализовано на дискретных элементах (в качестве элементов для реализации устройства использованы логические элементы, полевые n-МОП транзисторы, импульсные трансформаторы), а кроме того, устройство имеет крупные габариты и использует элементы с большой потребляемой мощностью.
Из уровня техники известна интегральная схема устройства управления силовым ключом с гальванической трансформаторной развязкой, раскрытая в описании патента США US6862196 (H02M3/335, 01.03.2005). Для уменьшения размеров и снижения стоимости в схеме устройства предлагается использовать трансформатор в форме планарных витков, размещенных на изолирующей подложке вместе с пассивными компонентами высокочастотного контура, подключенными со стороны первичной обмотки трансформатора. В схеме, раскрытой в описании патента, на стороне управляемого силового ключа отсутствует размещение каких-либо элементов управления ключом, а в качестве силового ключа выступает тиристор, сигнал на который подается через диод. Согласно описанию, планарный трансформатор обеспечивает передачу сигналов на частоте более 40 МГц, однако показатели надежности и радиационной стойкости в описании не раскрыты.
Из описания патента США US9166499 (H02M7/537, 20.10.2015) известно устройство управления силовыми ключами, в том числе МОП-транзисторами, включающее трансформаторы гальванической развязки, размещенные на полупроводниковой подложке вместе с другими элементами устройства управления. Размещение трансформаторов гальванической развязки на кремниевой или кварцевой подложке в составе электронного устройства также известно, например, из патента США US8519506 (H01L29/02, 27.08.2013) и заявки на патент США US20120002377 (H05К7/02, 05.01.2012). Однако радиационная стойкость и надежность указанных устройств является недостаточной для использования в области космической техники.
Из уровня техники известна технология iCoupler фирмы Analog Devices, согласно которой устройства гальванической развязки на основе трансформаторов выполнены на кристалле кремния (см. Скотт Вейн «Применение устройств гальванической развязки цифрового сигнала iCoupler®», Компоненты и технологии, №9, 2005, стр. 74–78). Согласно технологии iCoupler, планарный трансформатор изготавливается в ходе технологического процесса КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) на этапе металлизации. Одну «обмотку» трансформатора от другой изолирует слой электрически прочного синтетического полимера на основе полиимида. Эти «обмотки» подключены к быстродействующим КМОП-схемам, обеспечивающим интерфейс между трансформатором и внешними сигналами. Следует отметить, что синтетические полимерные материалы, которыми изолируют «обмотки» трансформатора, не обеспечивают требуемого уровня радиационной стойкости гальванической развязки.
Согласно информации, изложенной в патентах США US7495498 (H03K17/687, 24.02.2009) и US6982883 (H02H5/00, 03.01.2006), улучшению радиационной стойкости силового ключа способствует повышение управляющего напряжения, формируемого схемой управления, в частности, через повышающий трансформатор. Однако известные технические решения не обеспечивают достаточного уровня надежности.
В патенте РФ RU108250 (H03K17/00, 10.09.2011), раскрывается электронное реле в виде интегральной микросхемы с трансформаторной развязкой, включающее N-канальный ДМОП транзистор (МОП-транзистор с двойной диффузией), подключенный к драйверу через трансформаторную развязку и два диода Шоттки. Однако данная полезная модель реализует схему управления силовым ДМОП-транзистором, которая не обеспечивают достаточного уровня надежности и радиационной стойкости.
Из патента РФ RU2185685 (H01L21/784, 20.07.2002) известен способ создании структур «кремний на сапфире», предназначенных для изготовления дискретных приборов и интегральных микросхем, стойких к воздействию радиации. Способ включает нанесение на сапфировую подложку пленки кремния путем наращивания эпитаксиальной пленки кремния с заданными кристаллографической ориентацией, типом проводимости и толщиной, а также последующую циклическую обработку полученной пленки для снижения ее дефектности.
В качестве наиболее близкого аналога заявленной интегральной микросхемы гальванической развязки может быть выбрана микросхема гальванической развязки, раскрытая в схеме управления силового ключа, представленной в интегральном исполнении с трансформаторной развязкой в описании упомянутого выше патента США US6862196. Недостатком данного технического решения является некомпактное взаимное расположение планарных витков трансформатора и других элементов в объеме кристалла микросхемы.
Изобретение направлено на решение задачи создания интегральной микросхемы, обеспечивающей гальваническую развязку по входу силового МОП-транзистора без использования навесных компонентов. Интегральная микросхема гальванической развязки при минимальных габаритах должна надежно обеспечивать функцию разрыва общей цепи заземления, защиты от высоковольтных переходных процессов, уменьшения помех и искажений сигналов, а также повышения электробезопасности.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов интегральной микросхемы гальванической развязки при повышении показателей ее надежности и радиационной стойкости.
Для решения данной задачи разработана схема управления затвором внешнего силового МОП-транзистора на основе входного генератора, спирального трансформатора и выпрямителя.
Заявлена интегральная микросхема гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем. К выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора, при этом интегральная микросхема гальванической развязки выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира.
Спиральный трансформатор заявленной интегральной микросхемы реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей.
Топологическая конфигурация многовиткового спирального трансформатора может быть реализована в нескольких вариантах: квадратная, круглая или меандровая, когда вся схема блока формирования высокочастотного сигнала (драйвера) и блока выпрямителя (схема управления) расположены внутри многовитковых спиралей (катушек трансформатора). Указанные варианты различаются между собой коэффициентами связи катушек. Предпочтительной топологической конфигурацией коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей оказалась их меандровая конфигурация с образованием на подложке контура Н-образной фигуры.
Заявленная интегральная микросхема в предпочтительном варианте содержит спиральный трансформатор, который реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, образующих на подложке контур Н-образной фигуры, перекладина которой расположена в центральной части подложки, а ножки Н-образной фигуры выполнены в форме двух прямоугольных петель, охватывающих периферийные участки подложки с формированием окна во внутренней части каждой петли. При этом в первом окне размещен вход гальванической развязки, контактная площадка земли входа и блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а во втором окне размещен выпрямитель, выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора, контактная площадка земли выхода и высокоомный резистор.
Выпрямитель заявленной интегральной микросхемы выполнен на основе полноволнового выпрямительного моста Грейтца из четырех диодов Р+-n-–типа.
Блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала заявленной интегральной микросхемы включает в себя высокочастотный кольцевой генератор и формирователь импульсов. При этом кольцевой генератор выполнен в виде нескольких сопряженных колец с количеством замкнутых в кольцо инверторов, выбранным из группы, включающей 25 инверторов, 75 инверторов, 125 инверторов.
Также заявлен способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки, включающий нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы. При этом на одной сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор. Во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактной площадкой земли выхода. Спиральный трансформатор выполняют в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, лежащих одна над другой в верхнем и нижнем слоях металлизации микросхемы, изолированных друг от друга слоем двуокиси кремния, а управляющий выход силового МОП-транзистора соединяют с контактной площадкой земли выхода через высокоомный резистор.
В соответствии с заявленным способом на сапфировой подложке сначала формируют эпитаксиальную пленку кремния n-типа толщиной 2–3 мкм, а ее последующая обработка включает операции формирования активной структуры кристалла микросхемы и финишные операции, предусматривающие нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение следующей межслойной изоляции и нанесение и формирование рисунка второй металлизации, после чего осуществляют нанесение пассивирующего слоя.
Операции формирования активной структуры кристалла микросхемы включают в себя разделение эпитаксиальной пленки кремния n-типа на островки, дополнительное легирование заданных областей полученных островков, последующее затворное окисление, осаждение поликристаллического кремния (поликремния), его легирование фосфором, травление и термообработку.
В соответствии с заявленным способом выпрямитель выполняют на эпитаксиальных островках кремния на сапфире в виде четырех диодов Р+- n-–типа, из которых составляют полноволновой выпрямительный мост Грейтца, а блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала выполняют на основе высокочастотного кольцевого генератора, который размещают в верхнем слое металлизации микросхемы и формируют одновременно с верхней спиралью трансформатора.
В соответствии с заявленным способом в качестве материала для нанесения первого и второго слоя металлизации интегральной микросхемы выбирают чистый алюминий или сплав на основе алюминия.
Далее изобретение более подробно описывается со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 представлена структурная схема интегральной микросхемы гальванической развязки.
На фиг. 2 представлена условная схема блока формирования высокочастотного синусоидального сигнала.
На фигурах 3А, 3B, 3C, 3D, 3E показана приблизительная последовательность операций формирования активных областей.
На фиг. 4 представлена топология кристалла микросхемы трансформаторной развязки.
На фиг. 5 представлен макет интегральной микросхемы силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора.
На фигурах 1–5 приняты следующие обозначения основных позиций, показанных на схемах:
1 – вход гальванической развязки;
2 – выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора;
3 – контактная площадка земли входа;
4 – контактная площадка земли выхода;
100 – блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала;
101 – спиральный трансформатор;
102 – выпрямитель;
103 – высокоомный резистор;
104 – условная схема гальванической развязки в составе коммутатора;
200 – условная схема силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора.
На фиг. 1 приведена структура гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки (1) и контактную площадку (3) земли входа, связанные с блоком (100) формирования высокочастотного сигнала, который через спиральный трансформатор (101) связан с выпрямителем (102). К выпрямителю (102) подключены выход (2) управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка (4) земли выхода, между которыми включен высокоомный резистор (103) для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора.
Контактные площадки (3) и (4) представляют собой металлизированные участки, служащие для соединения выводов элементов, а также для контроля электрических параметров и режимов функционирования микросхемы.
Блок (100) формирования высокочастотного сигнала состоит из задающего генератора и выходного мощного формирователя сигнала, связанного с первичной спиралью трансформатора. В качестве задающего генератора используются кольцевые генераторы с разным возможным числом замкнутых в кольцо инверторов, например, 25 инверторов, 75 инверторов, 125 инверторов. В интегральной схеме варианты коммутации реализуются в верхнем слое металлизации из алюминия одновременно с верхней спиралью трансформатора, в зависимости от требований к потребляемой мощности и уровню выходного сигнала конкретного устройства, что позволяет широко варьировать частоты в первичной цепи трансформатора и задавать таким образом оптимальную частоту «накачки» первичной цепи трансформатора. Пример реализации блока (100) формирования высокочастотного сигнала приведен на фиг. 2.
Спиральный трансформатор (101) реализован в виде двух коаксиальных плоских многовитковых спиралей, опирающихся на сапфировую подложку. Первичная обмотка включена между выходом кольцевого генератора блока (100) формирования высокочастотного синусоидального сигнала и контактной площадкой (3) земли входа. Вторичная обмотка трансформатора подключается к блоку (102) выпрямителя, включающему в себя полноволновой выпрямительный мост Грейтца из 4-х диодов Р+- n—типа, изготовленных на эпитаксиальных островках кремния на сапфире. Выходы выпрямителя (102) подключены к выходу (2) управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и выходу (4) контактной площадки земли выхода. Между выходными контактами (2) и (4) включен высокоомный резистор (103) с величиной сопротивления порядка 1 МОм.
Устройство работает следующим образом.
При поступлении на вход (1) гальванической развязки импульса напряжения управления силовым транзистором амплитудой от 2,4 до 7 В запускается работа кольцевого генератора блока (100) формирования высокочастотного сигнала, формирующего импульсы с частотой от 10 до 60 МГц, которые через спиральный повышающий трансформатор (101) поступают на вход выпрямителя (102), на выходе (2) которого формируется коммутирующий сигнал импульса постоянного напряжения с амплитудой не менее 8 В, обеспечивающий открывание внешнего силового МОП-транзистора. По заднему фронту входного импульса управления схема развязки выключается, и потенциал затвора силового МОП-транзистора разряжается через высокоомный резистор (103) между затвором и истоком.
Гальваническая трансформаторная развязка сконструирована следующим образом.
В качестве подложки для формирования интегральной микросхемы гальванической развязки выбрана подложка из сапфира (монокристаллический Al2O3). Сапфир при использовании в качестве изолирующей подложки имеет целый ряд преимуществ по сравнению с подложками из кремния или оксида кремния. Он обладает весьма малыми диэлектрическими потерями в СВЧ-диапазоне, высокой теплопроводностью, механической прочностью, устойчивостью к воздействию высокой температуры, влаги, излучений. Микросхемы на сапфировой подложке характеризуются повышенной долговечностью и имеют высокую устойчивость к радиации, что делает их наиболее подходящими для оборудования космической связи и навигации, а также инфраструктуры атомной промышленности. Кроме того, микросхемы на сапфировой подложке характеризует очень малый ток утечки, что обеспечивает их высокое быстродействие и малое энергопотребление.
На фиг. 3А, 3B, 3C, 3D, 3E показан один из возможных вариантов осуществления последовательности операций формирования активных областей интегральной микросхемы коммутатора с гальванической развязкой.
Интегральная микросхема коммутатора с гальванической развязкой выполнена по технологии «кремний на сапфире» в рамках следующей последовательности технологических операций, которые осуществляют после получения исходной структуры в виде эпитаксиальной пленки кремния n-типа, выращенной на сапфировой подложке, после чего осуществляют последовательные операции фотолитографии:
1-ая фотолитография – формирование Р-карманов;
2-я фотолитография – формирование N-карманов;
3-ая фотолитография – формирование островков;
4-ая фотолитография – формирование контактных окон;
5-ая фотолитография – первая металлизация;
6-ая фотолитография – формирование контактных окон;
7-ая фотолитография – вторая металлизация;
8-ая фотолитография – формирование окна в пассивации.
На фиг. 3A показана исходная структура – эпитаксиальная пленка кремния n-типа на сапфировой подложке. Сапфир, представляющий собой монокристаллический Al2O3, имеет одинаковую кристаллографическую структуру с кремнием (Si), причем постоянные решеток Al2O3 и Si также близки между собой, поэтому кремний образует на сапфире монокристаллическую пленку при высокой прочности адгезионной связи с подложкой.
На всей поверхности сапфировой подложки выращивают слой n-Si толщиной 2–3 мкм. После формирования Р-кармана и дополнительного легирования областей канала перед формированием N-канальных транзисторов получают структуру, показанную на фиг. 3B. Затем через маску в слое n-Si вытравливаются канавки и области до Al2O3. В результате образуются островки, отделенные друг от друга воздушными промежутками. В этих островках формируют активную часть схемы: диоды и транзисторы схемы входного драйвера – блока формирования высокочастотного синусоидального сигнала (102) и схемы управления, представленной выпрямителем (102) и резистором (103). Спиральный трансформатор (101) Н-образной фигуры формируют непосредственно на поверхности Al2O3 в области ранее удаленного слоя n-Si.
На фиг. 3C показана структура после разделения эпитаксиальной пленки на островки.
Далее проводится затворное окисление и осаждение поликристаллического кремния, его легирование фосфором до уровня удельного поверхностного сопротивления 20÷25 Ом∙на квадрат.
После проведения операции фотокопии и последующего реактивно-ионного травления поликремния получают структуру, показанную на фиг. 3D.
Далее проводятся фотокопии, имплантации ионов фосфора и бора и последующая термообработка для разгонки примеси в истоковых и стоковых областях МОП-транзисторов. Полученная структура показана на фиг. 3Е.
После формирования активной структуры матрицы проводятся финишные операции: нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение межслойной изоляции, вскрытия контактов между металлизациями, нанесение и формирование рисунка второй металлизации и нанесение пассивирующего слоя.
Спираль первичной обмотки трансформатора (101), выполненная из алюминия на этапе первой металлизации, лежит на сапфировой подложке. Толщина слоя алюминия в витках спирали первичной обмотки составляет приблизительно 0,45 мкм и имеет удельное поверхностное сопротивление 0,075 Ом∙на квадрат.
Количество витков спирали варьируется предпочтительно от 12 до 30.
Следует отметить, что прямоугольная форма спирали первичной и вторичной обмотки трансформатора (см. фиг. 4) предпочтительней, чем круглая, как более технологичная и обеспечивающая более высокую интегральную плотность микросхемы.
Как показано на фиг. 4, спиральный трансформатор в топологии интегральной микросхемы реализован в виде двух коаксиально расположенных в первом и втором слоях металлизации плоских многовитковых спиралей, приблизительно выполненных в форме двух прямоугольников, сопряженных перемычкой, при этом прямоугольники выполнены со скошенными углами при вершинах на внешней периферии многовитковых спиралей.
Между нижней спиралью первичной обмотки трансформатора (101) и верхней спиралью вторичной обмотки трансформатора (101) расположен изолирующий слой двуокиси кремния толщиной 0,9–1,2 мкм, сформированный на этапе нанесения межслойной изоляции Верхняя спираль вторичной обмотки трансформатора (101) коаксиально расположена над нижней спиралью первичной обмотки трансформатора (101) и сформирована на этапе формирования рисунка второй металлизации одновременно с формированием кольцевого генератора. Толщина слоя алюминия в витках верхней спирали вторичной обмотки трансформатора (101) составляет приблизительно 1,05 мкм при величине удельного поверхностного сопротивления 0,03 Ом∙на квадрат.
Количество витков верхней спирали вторичной обмотки трансформатора (101) составляет предпочтительно от 24до 60 витков.
Завершается процесс изготовления интегральной микросхемы вскрытием контактных площадок кристалла микросхемы.
На фиг. 5 представлен макет интегральной микросхемы силового радиационно-стойкого твердотельного коммутатора (200), который разработан на основе заявленного изобретения. Силовой радиационно-стойкий твердотельный коммутатор (200) предназначен для использования в качестве компонента системы управления силовыми блоками в системах с резервированием систем управления. Он включает в себя гальваническую развязку (104), выполненную на подложке из сапфира, и силовой МОП-транзистор. Контактные площадки (2) и (4) выхода схемы гальванической развязки (104) соединяется с затвором и истоком внешнего силового МОП-транзистора путем термокомпрессионной или ультразвуковой сварки. Макет интегральной микросхемы коммутатора (200) для защиты от внешних воздействий изготовлен в планарном металлокерамическом корпусе со следующими основными параметрами: амплитуда управляющего сигнала от 3,3 до 5,0 В; максимальный входной ток 8,0 мА; сопротивление открытого ключа 0,05 Ом; время срабатывания 0,1 мс; ток утечки закрытого ключа 2 мА; напряжение коммутируемого сигнала на активную нагрузку от 3 до 45 В; ток коммутируемого сигнала в проверочном режиме от 5 до 20 мА; диапазон рабочих температур от -60 до +85°С. Интегральная микросхема гальванической развязки соответствует требованиям по радиационной стойкости в отношении дозового эффекта более 150 крад с обеспечением ресурса не менее 120 тыс. часов.
Claims (14)
1. Интегральная микросхема гальванической развязки, содержащая вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, связанные с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, который через спиральный трансформатор связан с выпрямителем, отличающаяся тем, что к выпрямителю подключен выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и контактная площадка земли выхода, между которыми подключен высокоомный резистор для сброса потенциала затвора внешнего силового МОП-транзистора, при этом интегральная микросхема гальванической развязки выполнена в виде пленочной интегральной микросхемы на подложке из сапфира.
2. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что спиральный трансформатор реализован в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей.
3. Интегральная микросхема по п. 2, отличающаяся тем, что указанные две коаксиально расположенные плоские многовитковые спирали образуют на подложке контур Н-образной фигуры, перекладина которой расположена в центральной части подложки, а ножки Н-образной фигуры выполнены в форме двух прямоугольных петель, охватывающих периферийные участки подложки с формированием окна во внутренней части каждой петли, при этом в первом окне размещен вход гальванической развязки, контактная площадка земли входа и блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала, а во втором окне размещен выпрямитель, выход управления затвором внешнего силового МОП-транзистора, контактная площадка земли выхода и высокоомный резистор.
4. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что выпрямитель выполнен на основе полноволнового выпрямительного моста Грейтца из четырех диодов Р+-n-–типа.
5. Интегральная микросхема по п. 1, отличающаяся тем, что блок формирования высокочастотного синусоидального сигнала включает в себя высокочастотный кольцевой генератор и формирователь импульсов.
6. Способ изготовления интегральной микросхемы гальванической развязки, включающий нанесение на сапфировую подложку пленки кремния и ее последующую обработку с формированием элементов интегральной микросхемы, отличающийся тем, что
на сапфировой подложке одновременно формируют входную и выходную части микросхемы, которые выполняют изолированными друг от друга с возможностью индукционного взаимодействия через спиральный трансформатор,
во входной части микросхемы формируют вход гальванической развязки и контактную площадку земли входа, которые соединяют с блоком формирования высокочастотного синусоидального сигнала, и
выходную часть микросхемы снабжают выпрямителем, соединенным с выходом управления затвором внешнего силового МОП-транзистора и с контактной площадкой земли выхода,
причем спиральный трансформатор выполняют в виде двух коаксиально расположенных плоских многовитковых спиралей, лежащих одна над другой в верхнем и нижнем слоях металлизации микросхемы, изолированных друг от друга слоем двуокиси кремния, а управляющий выход силового МОП-транзистора соединяют с контактной площадкой земли выхода через высокоомный резистор.
7. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 6, отличающийся тем, что на сапфировой подложке формируют эпитаксиальную пленку кремния n-типа, предпочтительно толщиной 2–3 мкм, а ее последующая обработка включает операции формирования активной структуры кристалла микросхемы и финишные операции, предусматривающие нанесение межслойной изоляции, вскрытие контактных окон, формирование рисунка первой металлизации, нанесение межслойной изоляции, нанесение и формирование рисунка второй металлизации, после чего осуществляют нанесение пассивирующего слоя.
8. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 7, отличающийся тем, что операции формирования активной структуры кристалла микросхемы включают в себя разделение эпитаксиальной пленки кремния n-типа на островки, дополнительное легирование заданных областей полученных островков, последующее затворное окисление, осаждение поликристаллического кремния, его легирование фосфором, травление и термообработку.
9. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 8, отличающийся тем, что выпрямитель выполняют на эпитаксиальных островках кремния на сапфире в виде четырех диодов Р+-n--типа с формированием полноволнового выпрямительного моста Грейтца.
10. Способ изготовления интегральной микросхемы по п. 7, отличающийся тем, что первый и второй слои металлизации интегральной микросхемы выполняют на основе алюминия.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018115779A RU2686450C1 (ru) | 2018-04-26 | 2018-04-26 | Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018115779A RU2686450C1 (ru) | 2018-04-26 | 2018-04-26 | Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686450C1 true RU2686450C1 (ru) | 2019-04-25 |
Family
ID=66314581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018115779A RU2686450C1 (ru) | 2018-04-26 | 2018-04-26 | Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686450C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6862196B2 (en) * | 2000-12-21 | 2005-03-01 | Stmicroelectronics S.A. | Integrated switch with RF transformer control |
| RU74021U1 (ru) * | 2008-02-01 | 2008-06-10 | Открытое акционерное общество "Специальное конструкторско-технологическое бюро по релейной технике" (ОАО "СКТБ РТ") | Электронное реле с гальванической развязкой |
| RU108250U1 (ru) * | 2010-09-28 | 2011-09-10 | Открытое акционерное общество "Протон" | Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой |
| RU122813U1 (ru) * | 2012-08-09 | 2012-12-10 | Открытое акционерное общество "Протон" (ОАО "Протон") | Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой и схемой разряда |
| US9166499B2 (en) * | 2012-10-01 | 2015-10-20 | Denso Corporation | Electronic circuit operating based on isolated switching power source |
-
2018
- 2018-04-26 RU RU2018115779A patent/RU2686450C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6862196B2 (en) * | 2000-12-21 | 2005-03-01 | Stmicroelectronics S.A. | Integrated switch with RF transformer control |
| RU74021U1 (ru) * | 2008-02-01 | 2008-06-10 | Открытое акционерное общество "Специальное конструкторско-технологическое бюро по релейной технике" (ОАО "СКТБ РТ") | Электронное реле с гальванической развязкой |
| RU108250U1 (ru) * | 2010-09-28 | 2011-09-10 | Открытое акционерное общество "Протон" | Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой |
| RU122813U1 (ru) * | 2012-08-09 | 2012-12-10 | Открытое акционерное общество "Протон" (ОАО "Протон") | Реле интегральное электронное с трансформаторной развязкой и схемой разряда |
| US9166499B2 (en) * | 2012-10-01 | 2015-10-20 | Denso Corporation | Electronic circuit operating based on isolated switching power source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9318784B2 (en) | Isolator and isolator manufacturing method | |
| US9761545B2 (en) | Isolator and method of manufacturing isolator | |
| US9929038B2 (en) | Insulating structure, a method of forming an insulating structure, and a chip scale isolator including such an insulating structure | |
| JP4024990B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US9337253B2 (en) | Method and apparatus for constructing an isolation capacitor in an integrated circuit | |
| US7202152B2 (en) | Semiconductor device with inductive component and method of making | |
| TW201624669A (zh) | 整合式位準移位器 | |
| US20190363188A1 (en) | Laterally diffused metal oxide semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| EP2974189A1 (en) | Integrated high voltage isolation using low value capacitors | |
| US7148553B1 (en) | Semiconductor device with inductive component and method of making | |
| US12119343B2 (en) | Semiconductor structure having a semiconductor substrate and an isolation component | |
| CN110197826A (zh) | 半导体装置及其制造方法以及电力变换装置 | |
| EP0870321A1 (en) | Esd-protected thin film capacitor structures | |
| JP2000323707A (ja) | 半導体装置 | |
| TWI222191B (en) | Semiconductor switch circuit device and manufacturing method therefor | |
| RU2686450C1 (ru) | Интегральная микросхема гальванической развязки на структурах кремний на сапфире | |
| US6107674A (en) | Isolated multi-chip devices | |
| US10998305B2 (en) | Semiconductor die | |
| US11031388B2 (en) | Semiconductor structure and driving chip | |
| US11177253B2 (en) | Transistor with integrated capacitor | |
| CN112701158A (zh) | 一种功率器件及电子设备 | |
| US9741601B2 (en) | Semiconductor component with regions electrically insulated from one another and method for making a semiconductor component | |
| JP2010050333A (ja) | 出力制御用半導体装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200427 |