ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР ТИПА МЕТАЛЛ - ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК Российский патент 1999 года по МПК H01L29/775 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к полевым транзисторам типа металл - диэлектрик - полупроводник (МДП).

Известен МДП транзистор, содержащий выполненные в полупроводниковом кристалле области истока и стока, снабженные соответствующими электродами. Между областями истока и стока размещена подзатворная область, на поверхности которой имеется слой подзатворного диэлектрика. На поверхности подзатворного диэлектрика находится электрод затвора (S.R. Hofstein, F.P. Heiman. "The Silicon Insulated-Gate Field - Effect Transistor". Proc. IEEE, V. 51. p. 1198, 1963). Такая конструкция транзистора ограничивает предельную рабочую температуру до 100 - 150^oC вследствие большой площади поверхности истока и стока, больших генерационных токов "p-n" переходов.

Данный недостаток частично устраняется в МДП транзисторе, содержащем диэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены полупроводниковые области истока и стока (Зи С. "Физика полупроводниковых приборов", книга 2, раздел 8.5.7. "Структуры типа "кремний на изоляторе", М.,Мир, стр. 75, 1984).

Кроме того, быстродействие таких транзисторов ограничено проводимостью областей истока и стока и их емкостями.

Известен транзистор, который сформирован на изолирующей подложке, поверх которой сформированы области истока и стока, выполненные металлическими и между ними расположена область канала, а сверху - подзатворный диэлектрик и затвор (EP 0165027 A2, Stauffer Chemical Company, 18.12.85, HolL 29/78).

Однако приведенные выше транзисторы не обеспечивают требуемых значений в отношении быстродействия и рабочей температуры.

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеприведенных недостатков и позволяет значительно повысить рабочую температуру, например до 350 - 400^oC.

Это достигается тем, что в транзисторе согласно изобретению, содержащем диэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены области истока и стока, снабженные электродами и выполненные из материала с металлической проводимостью, полупроводниковую подзатворную область, размещенную между областями истока и стока, слой подзатворного диэлектрика, снабженный электродом затвора и расположенный на поверхности подзатворной области, имеется дополнительная сильнолегированная полупроводниковая область с электродом, выполненная на поверхности диэлектрической подложки и прилегающая к подзатворной области.

Таких дополнительных сильнолегированных полупроводниковых областей, снабженных электродами и прилегающих с противоположных сторон к подзатворной области, может быть две.

В качестве материала для подзатворной области можно использовать полупроводниковый силицид металла, например силицид железа.

Ниже приводится описание настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид сверху на транзистор согласно изобретению;
на фиг. 2 - разрез по линии А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид сверху на транзистор, который имеет две дополнительные полупроводниковые области.

На фиг.1 и 2 изображен транзистор, имеющий диэлектрическую подложку (1), на которой расположены область истока (2) и область стока (3). Область истока снабжена электродом истока (4), а область стока - электродом стока (5). Между областями истока и стока размещена полупроводниковая подзатворная область (6), на поверхности которой нанесен слой подзатворного диэлектрика (7) с электродом затвора (8). Транзистор снабжен одной дополнительной сильнолегированной полупроводниковой областью (9), которая расположена на диэлектрической подложке и прилегает к полупроводниковой подзатворной области. Таких дополнительных областей, прилегающих с противоположных сторон к полупроводниковой подзатворной области, может быть две, как показано на фиг. 3. Вторая дополнительная полупроводниковая область (11) снабжена своим электродом (12).

Принцип действия МДП полевого транзистора основан на переносе носителей заряда из области истока (2) в область стока (3) через полупроводниковую подзатворную область (6) и на управлении этим процессом напряжением, приложенным к электроду затвора (8), изменяющим проводимость полупроводниковой подзатворной области.

При приложении напряжения между истоком и стоком область истока испускает носители заряда в полупроводниковую подзатворную область, которые под действием электрического поля перемещаются к области стока. В зависимости от знака и величины потенциала между электродом затвора (8) и электродом истока (4) электропроводимость полупроводниковой подзатворной области может изменяться как по величине, так и по типу проводимости. Это позволяет управлять величиной тока через транзистор вплоть до почти полного его прекращения.

При нулевом потенциале затвора проводимость приповерхностного слоя полупроводниковой подзатворной области зависит от величины и знака заряда в подзатворном диэлектрике (7). Соответственно этому транзистор может быть нормально открытым (ток исток-сток протекает при нулевом потенциале затвора и может быть прекращен при определенном значении потенциала затвора) или нормально закрытым (для протекания тока от истока к стоку необходимо подать потенциал на затвор). При этом электрические свойства системы исток (сток) - полупроводниковая подзатворная область (т.е. они образуют барьеры Шоттки или омический контакт) влияют на выходные и передаточные характеристики транзисторов и режимы их работы, но не изменяют принципа функционирования приборов.

Транзистор согласно фиг. 1 и 2, в котором области истока и стока выполнены из материала с металлической проводимостью, при достижении напряжения (V_з) на затворе значения величины порогового напряжения (V_n) переходит в открытое или закрытое состояние. В случае, если области истока и стока образуют омические контакты, а заряд в подзатворном диэлектрике и напряжение на затворе равны нулю, то транзистор находится в открытом состоянии. В случае, если эти области образуют барьеры Шоттки, то транзистор переходит в закрытое состояние. Металлическая проводимость областей истока и стока повышает термостойкость до, например, 350 - 400^oC за счет увеличения проводимости транзистора и уменьшения областей термогенерации.

При приложении к затвору напряжения (V_з) меньше (V_n) и к стоку относительно истока напряжения (V_c), в месте контакта полупроводниковой подзатворной области и области из материала с металлической проводимостью образуется барьер Шоттки с соответствующей ему шириной области пространственного заряда (ОПЗ), который при обратном смещении практически не проводит ток. При превышении напряжения на затворе (V_з)>(V_n) концентрация носителей заряда на границе вышеупомянутых областей возрастает и ширина ОПЗ уменьшается. Барьер Шоттки переходит в туннельно-прозрачный барьер, и транзистор начинает проводить ток.

В случае прямого смещения барьера Шоттки напряжением (V_c) происходит изменение проводимости транзистора за счет модуляции напряжением затвора (V_з) вольтамперной характеристики барьера Шоттки. Использование в полевом транзисторе управляемого перехода барьера Шоттки в туннельно-прозрачный барьер позволяет увеличить быстродействие и крутизну, т.к. эффективная длина канала в таком транзисторе соответствует ширине ОПЗ.

Наличие в транзисторе дополнительной области (9), прилегающей к подзатворной области (6), обеспечивает возможность путем подачи напряжения смещения между электродом (10) этой области и электродом затвора (8) изменять проводимость подзатворной области в части, прилегающей к области (9) вплоть до изменения типа проводимости.

В случае, если благодаря выбору напряжения смещения участок подзатворной области (6), прилегающий к области (9), будет характеризоваться пониженной концентрацией носителей заряда, его можно рассматривать как слаболегированную область того же типа проводимости, как и остальная часть подзатворной области (6), которая в данном случае окажется сильнолегированной. В этом случае при приложении напряжения (V_з), близкого к нулевому, и обратного напряжения (V_с) к стоку транзистор закрыт. При достижении (V_з) = (V_n1) транзистор открывается и работает как обычный обогащенный МДП транзистор (например, p-кaнaльный). Однако при перемене знака (V_с) на стоке-истоке и достижении (V_з) = (V_n2) противоположного (V_n1) по знаку, транзистор начинает работать как n-канальный транзистор.

В случае, если выбор напряжения смещения между затвором и дополнительной областью (9) обеспечивает конверсию типа проводимости этой части подзатворной области, транзистор работает как n-канальный или p-канальный. Такой выбор смещения позволяет повысить стабильность порогового напряжения (V_n) транзистора.

Дополнительная сильнолегированная область, прилегающая к подзатворной области, выполняет роль дополнительных областей истоков (стоков), позволяя минимизировать термогенерацию носителей в подзатворной области и влияние утечек тока через диэлектрическую подложку, как за счет уменьшения длины проводящего канала, так и за счет изменения сопротивления канала благодаря приложению напряжения смещения между дополнительной областью и электродами истока, стока и затвора. Благодаря этому повышается термостойкость и быстродействие транзистора. Дополнительно повышение быстродействия осуществляется схематически при использовании дополнительной области в качестве дополнительного истока и подачи на основной и дополнительный истоки сигналов разной частоты.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: полевой транзистор типа металл - диэлектрик-полупроводник содержит диэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены области истока и стока, снабженные электродами и выполненные из материала с металлической проводимостью, полупроводниковую подзатворную область, размещенную между областями истока и стока, слой подзатворного диэлектрика, снабженный электродом затвора и расположенный на поверхности подзатворной области. Транзистор содержит дополнительную сильнолегированную полупроводниковую область с электродом, выполненную на поверхности диэлектрической подложки и прилегающую к подзатворной области. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и рабочей температуры транзистора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полевой транзистор типа металл - диэлектрик-полупроводник, содержащий диэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены области истока и стока, снабженные электродами и выполненные из материала с металлической проводимостью, полупроводниковую подзатворную область, размещенную между областями истока и стока, слой подзатворного диэлектрика, снабженный электродом затвора и расположенный на поверхности подзатворной области, отличающийся тем, что содержит дополнительную сильнолегированную полупроводниковую область с электродом, выполненную на поверхности диэлектрической подложки и прилегающую к подзатворной области. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что на диэлектрической подложке расположены две дополнительные сильнолегированные полупроводниковые области, снабженные электродами и прилегающие с противоположных сторон к подзатворной области. 3. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что подзатворная область выполнена из полупроводникового силицида металла.