ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Российский патент 1994 года по МПК H01L29/808 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к полевым транзисторам с управляющим p-n-переходом (ПТУП).

В настоящее время большинство ПТУП создаются по конструкции с двумя затворами (нижним и верхним) [1]. Одной из проблем при этом является соединение нижнего и верхнего затворов. Как правило, для этого используется изолирующая область, с помощью которой соединяются области верхнего затвора и подложка (нижний затвор). Стандартный ПТУП содержит подложку p-типа проводимости со сформированным на ее поверхности эпитаксиальным слоем n-типа. Затем с помощью изолирующей области p-типа в эпитаксиальном слое выделяется изолированная область (карман), в которой формируются области истоков и стоков n⁺-типа, а между ними - области верхнего затвора p⁺-типа, пересекаясь концами с изолирующей областью.

Недостатком такой конструкции является увеличенное значение паразитных сопротивлений истока R_и и стока R_c в областях, примыкающих к пересечению областей верхнего затвора с изолирующей областью.

Известен полевой транзистор, в котором затвор, расположенный на верхней поверхности прибора, соединен с металлическим слоем, расположенным на нижней поверхности этого прибора, с помощью выступов, расположенных по краям поверхности электродов [2].

Недостатки ПТУП следующие: не увеличивается крутизна ВАХ, а несколько расширяется граничная частота f_т из-за небольшого уменьшения паразитных емкостей металл-кристалл; сохраняется значение R_и и R_c, как в стандартном ПТУП; низкий процент выхода годных; необходимость дополнительных технологических операций.

Известен также ПТУП, содержащий первую и вторую области первого типа проводимости, третью область первого типа проводимости, расположенную между указанными областями, низкоомную область второго типа проводимости, которая расположена внутри третьей области, между первой и второй областями, отделена от первой и второй областей и сформирована ионным внедрением. Первая и вторая области являются верхним и нижним затворами, а третья область - каналом транзистора. Между двумя затворами и истоком расположена низкоомная область второго типа проводимости, введение которой снижает паразитное сопротивление истока [3].

Недостатки такого ПТУП следующие: невозможно увеличить крутизну при той же площади изолированной области; уменьшается максимальное напряжение затвор-исток; необходимость дополнительных технологических операций; низкий процент выхода годных.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полевой транзистор с управляющим p-n-перехода, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой второго типа проводимости, изолирующую область первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой и выделяющую в полупроводниковом слое второго типа проводимости изолированную область, в которой сформированы области истока и стока второго типа проводимости, концы n областей затвора первого типа проводимости, где n = 2, 3, ..., контактируют с изолирующей областью. В полупроводниковом слое второго типа проводимости формируют замкнутую (кольцевую или прямоугольную) слаболегированную область первого типа проводимости, которая идет от поверхности полупроводникового слоя второго типа до поверхности подложки. Введение слаболегированной области уменьшает емкость изолирующей области с эпитаксиальным слоем и дислокации от изолирующей области не доходят до p-n-перехода, образованного слаболегированной областью со слоем второго типа проводимости. Уменьшение емкости позволяет расширить f_т или на 5-10% при той же емкости увеличить крутизну на величину, не превышающую 5%, так как емкость изолирующей области со слоем полупроводника второго типа проводимости составляет 10-15% емкости ПТУП. Даже уменьшение этой величины в два раза, что является пределом при введении слаболегированной области первого типа проводимости, дает выигрыш в емкости (крутизне ПТУП) ≈ 5% [4].

Недостатки указанного ПТУП следующие: незначительное увеличение крутизны (до 5%, не более); невозможность уменьшения сопротивлений R_и и R_c; необходимость дополнительного формирования слаболегированной области; усложнение техпроцесса из-за необходимости создания слаболегированной области в слое противоположного типа проводимости.

Целью изобретения является увеличение крутизны транзистора и уменьшение паразитных сопротивлений истока и стока.

Поставленная цель достигается тем, что в полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом, содержащем полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой второго типа проводимости, изолирующую область первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой и выделяющую в полупроводниковом слое второго типа проводимости изолированную область, в которой сформированы области истока и стока второго типа проводимости, концы n областей затвора первого типа проводимости, где n = 2, 3, ..., контактируют с изолирующей областью, согласно изобретению n областей затвора выполнены таким образом, что контактируют с изолирующей областью в одной точке.

На фиг. 1 представлена топология ПТУП в соответствии с прототипом [4], на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - топология предлагаемой конструкции транзистора; на фиг. 4 - увеличенный фрагмент топологии в месте соединения затворов с изолирующей областью (металл условно не показан); на фиг. 5 - варианты конструкций ПТУП в соответствии с предлагаемым решением.

Предлагаемый транзистор содержит полупроводниковую подложку 1 первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой 2 второго типа проводимости, изолирующую область первого типа проводимости, область истока 4 второго типа проводимости, области 5 затвора первого типа проводимости, пересекающиеся концами с изолирующей областью в одном участке на каждой стороне упомянутой области, область стока 6 второго типа проводимости, омические контакты 7 (ОК) к активным элементами структуры, включая металлизацию контактных площадок (КП), окно 8 в диэлектрике.

На фиг. 1 указаны области с увеличенными сопротивлениями R_и и R_c. Эти области занимают значительную часть активной структуры транзистора, а их использование не эффективно. Из-за увеличенных значений R_и и R_c эти участки имеют меньшую удельную крутизну на единицу ширины затвора. Эти участки вносят значительный вклад в ток утечки затвора пропорционально их площади по отношению к всей активной площади транзистора. Увеличенные значения R_и и R_c определяют на этих участках увеличение шумового сопротивления (R_ш), которое определяет шумовой ток и шумовое напряжение (е_ш). В прототипе минимальной размер полосок при контактных областей истока и стока 6 определяется необходимостью вскрытия окон 8 диэлектрике для создания омических контактов 7. Этот размер на краях приконтактных полосок изменять нецелесообразно, так как это не улучшает никаких параметров ПТУП.

В предлагаемом решении все недостатки конструкции - прототипа пропорционально компенсируются.

Так как области с увеличенными значениями R_и и R_c уменьшаются (по форме близки половине круга с каждой стороны - фиг. 3), то соответственно увеличивается крутизна. Дополнительным эффектом является увеличение отношения ширины затвора Z _к его длине L (Z/L) при этом же размере активной части транзистора, что также способствует увеличению крутизны.

Из-за уменьшения области с увеличенным сопротивлением R_и и R_cуменьшается вклад этой области в ток утечки затвора ПТУП.

Происходит уменьшение значений R_и и Rc, что ведет к уменьшению шумового сопротивления R_ш. Это, в свою очередь, способствует, например, уменьшению спектрально плотности шума е_ш.

Появляется возможность уменьшать размеры истока 4 и стока 6 в областях, примыкающих к месту соединения затворов с изолирующей областью, не связывая этот размер с необходимостью вскрытия окна под омический контакт.

Так как уменьшаются области с увеличенным сопротивлением R_и и R_c и теперь они сведены ≈ к половине круга с каждой стороны, уменьшается площадь металла и, следовательно, паразитная емкость на кристалл. Происходит уменьшение паразитной емкости С_зи и С_зс, обусловленные металлической разводкой.

Для изготовления ПТУП на поверхности полупроводниковой кремниевой подложки 1 первого типа проводимости выращивают эпитаксиальный слой 2 второго типа проводимости, в котором стандартными методами маскирования поверхности, фотолитографии, диффузии или ионного легирования формируют изолирующую область 3 первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой 1 и выделяющую в эпитаксиальном слое изолированную область, в которой формируются активные элементы транзистора. Стандартными методами в островной области формируют низкоомные области истока и стока и второго типа проводимости. Завершают изготовление ПТУП формированием омических контактов 7 в окнах диэлектрика 8 к областям истока, стока, затвора (изолирующей области и/или подложке).

П р и м е р. ПТУП изготавливают на пластине монокристаллического кремния 1 ориентации < 111> p-типа проводимости толщиной ≈ 380 мкм и удельным сопротивлением ρ= 0,5 Ом˙ см с эпитаксиальным слоем 2 n-типа проводимости толщиной 3,5-4,2 мкм и ρ= 0,8 Ом˙ см (марка пластины ).

Изготовленный в соответствии с существующим базовым процессом ПТУП имеет следующие геометрические размеры: область n-типа, выделенная к эпитаксиальном слое 2 с помощью изолирующей области 3 p⁺-типа проводимости - 93,4 х 75 (мкм²), длина затвора L ≃ 3,6 мкм, ширина затвора Z - 4 х (75 + 10) ≃ 340 (мкм), 10 мкм - среднее увеличение ширины каждой полоски затвора из-за сведения (скругления) каждой полоски затвора в одном участке с изолирующей областью. Размеры двух областей истока и трех стока - 4,4 х 62 (мкм²) с концами в виде трехугольников (фиг. 4).

На трехугольных участках окна вскрываются только с большей стороны (насколько позволяют размеры для вскрытия окна в диэлектрике). Расстояние затвор-исток (затвор-сток) - 50 мкм. Минимальные размеры окон 8 на полосках истока, стока 2 мкм.

Полученные интегральные ПТУП имеют следующие параметры: спектральная плотность шума е_ш ≅ 18 нВ/ при f = 10 Гц в полосе Δf = 1 Гц при U_си = 2,5 В; I_с = 1 мА; начальный ток стока I_сo = 4-10 мА; входная емкость С_вх ≅ 3,5 пФ; проходная емкость С_пр ≅ 0,8 пФ; крутизна S_o = 3,5-8 мА/В; напряжение отсечки, U_отс = -0,5-3,0 В; ток утечки затвора I_ут.з. ≅ 8˙ 10^-12 А.

По сравнению с прототипом предлагаемый ПТУП имеет следующие преимущества: за счет сведения концов затворных областей 5 с каждой стороны изолирующей области 3 в одну точку автоматически происходит увеличение ширины затвора Z, что при постоянстве размера L обуславливает увеличение отношения Z/L, S_o; упрощается конструкция ПТУП, так как исключается формирование низколегированной дополнительной области; увеличивается граничная частота транзистора, так как увеличение отношения Z/L обеспечивает большую крутизну, чем увеличение емкости из-за исключения низколегированной дополнительной области; увеличивается крутизна из-за уменьшения паразитных величин R_и и R_c, так как концы затворов сводятся в одну точку на изолирующей области; уменьшается шумовое сопротивление R_ш и соответственно напряжение шумов (е_ш), а также токовый шум.

Использование: в полупроводниковых приборах, предназначенных для усиления, генерации электрических сигналов в микроэлектронике. Сущность: полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой второго типа проводимости, изолирующую область первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой и выделяющую в полупроводниковом слое второго типа проводимости изолированную область, в которой сформированы области истока и стока второго типа проводимости, n областей затвора первого типа проводимости, где n = 2, 3, ... , контактируют с изолирующей областью, n-областей затвора выполнены таким образом, что контактируют с изолирующей областью в одной точке. 5 ил.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой второго типа проводимости, изолирующую область первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой и выделяющую в полупроводниковом слое второго типа проводимости изолированную область, в которой сформированы области истока и стока второго типа проводимости, концы n областей затвора первого типа проводимости, где n = 2, 3, ..., контактируют с изолирующей областью, отличающийся тем, что n областей затвора выполнены таким образом, что их концы с обеих сторон объединены.