ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ Советский патент 1995 года по МПК H01L29/808 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к конструкции полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (ПТУП).

Цель изобретения - получение n изломов (n+1) участков с различной крутизной на вольт-амперной характеристике.

Поставленная цель достигается тем, что в полевом транзисторе с управляющим р-n-переходом, содержащем полупроводниковую подложку первого типа проводимости, на поверхности которой сформирован 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, область затвора первого типа проводимости, в соответствии с предлагаемым изобретением исток выполнен в виде двух областей, одна из которых окружена областью затвора, выполненной дискретной, образуя (n-1) горизонтальных каналов с толщиной L_p(n-1), при этом L_p1<L_p2<. . . <L_p(n-1)и L_p1>2 W_o.з., где W_о.з. - ширина области пространственного заряда p-n-перехода соответствующей области затвора и изолирующей области первого типа проводимости, образованного с полупроводниковым слоем второго типа проводимости в горизонтальной части перехода, а вторая область истока расположена в замкнутом контуре, образованном областью второго затвора, соединенной с изолирующей областью.

Наиболее существенное отличие ПТУП по изобретению с изломами на ВАХ заключается в том, что вместо скрытой затворной области, располагающейся между верхним затвором и подложкой (нижним затвором) сформирована дискретная замкнутая вторая область затвора, предпочтительно одновременно с верхним затвором, которая окружает одну область истока. Дискретная область затвора находится под "плавающим" потенциалом, т.е. не имеет электрического контакта с остальными областями транзистора и цепями питания. Наличие в замкнутой второй области по крайней мере одного разрыва с образованием горизонтального канала позволяет реализовать на ВАХ еще один излом. Первый излом образован тем, что вторая дискретная область затвора находится под плавающим потенциалом.

По сравнению с прототипом предлагаемый ПТУП позволяет исключить технологически очень сложное формирование скрытой затворной области между верхним затвором и подложкой. Это позволяет как сократить технологический цикл изготовления, так и обеспечить существенное повышение выхода годных.

Известны технические решения, в которых формируются дополнительные затворы для уменьшения проходной емкости, увеличения выходного сопротивления, снижения зависимости тока утечки от напряжения сток-затвор. Конструкции этих транзисторов не позволяют получить излома на ВАХ, а направлены на решение иных задач.

Другие технические решения, содержащие ПТУП с дополнительными затворами для получения n изломов - (n+1) участков с различной крутизной на ВАХ, из доступных источников информации, автору не известны.

На фиг. 1 изображена топология заявляемого ПТУП с двумя изломами; на фиг. 2 - поперечный разрез ПТУП с двумя изломами; на фиг. 3 - входная (а) и выходная (б) ВАХ заявляемого ПТУП; на фиг. 4 - топология заявляемого ПТУП с тремя изломами; на фиг. 5 - входная (а) и выходная (б) ВАХ заявляемого ПТУП с тремя изломами.

Заявляемый ПТУП содержит подложку 1 первого типа проводимости; полупроводниковый слой 2 второго типа проводимости, сформированный на поверхности подложки; изолирующую область 3 первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой и выделяющую в полупроводниковом слое второго типа проводимости изолированную область, в которой сформированы дискретные области истока (первая и вторая) 4,1 и 4, область стока 5 - все второго типа проводимости, две дискретные области затвора 6 и 7, вторая область 7 выполнена замкнутой с одним дискретом (разрывом) L_p1 9, металлические контакты 8 к областям истока 4 и 4.1, стока 5, первой области затвора 6 (через изолирующую область), второй разрыв L_p2 - 10 во второй дискретной области затвора.

Прибор работает следующим образом.

1. При подаче на сток 5 ПТУП напряжения положительной полярности, по отношению к истоку 4, 4.1 (U_сп), на первую область затвора 6 - напряжения отрицательной полярности, по отношению к контакту истока (U_зи), р-n-переход канал 2 (полупроводниковый слой второго типа проводимости) - подложка 1 смещается в обратном направлении, а вторая затворная область находится под плавающим потенциалом. Рассматривая ПТУП с двумя затворами (области 1 и 6) без замкнутой дискретной затворной области 7, в случае резких р⁺-n-переходов справедливо следующее соотношение для толщины области пространственного заряда (ОПЗ) W
W ≈ , (1) где ε- диэлектрическая проницаемость полупроводника, для кремния (ε≃12);
ε_о - диэлектрическая проницаемость вакуума ( ε_о=8,84 ˙10^-14пФ/см);
U= U_зи+ ϕ_к, ϕ_к - контактная разность потенциалов р⁺-n-перехода ( ϕ_к≃0,8 В);
q - заряд электрона (q=1,6 10^-19 Кл);
N_д - концентрация подвижных носителей в канале.

При увеличении напряжения между стоком и истоком (U_си) и при U_зи=0 В величина W возрастает, пока ОПЗ обоих р⁺-n-переходов не сомкнутся вблизи стока при U=U. В этой точке толщина W будет равна половине толщины d канала (полупроводникового слоя 2 второго типа проводимости), т.е. d/2, тогда
d/2 = , (2) отсюда
U = - ϕ_к при U_зи = O B. (3)
При приложении обратного напряжения U_зи, смыкание ОПЗ р⁺-n-переходов произойдет раньше, т.е. при меньшем напряжении U.

U = - ϕ_к + U_зи. (4)
Напряжение U_зи, при котором происходит перекрытие канала областями пространственного заряда и выполнение условия U_си=0, является напряжением отсечки U_зи.отс. U₃(4) при U= , находим:
U_зи = U_зи.отс.= - - ϕ_к. (5)
Если бы не было второй дискретной затворной области 7 при U_зи=U_зи.отс., ток стока стремился бы к нулю. Однако в нашем случае будет протекать ток между первой областью истока 4.1 и стоком 5, в промежутке под второй затворной областью 7. И только при приложении дополнительного обратного напряжения U_зи, чтобы произошло перекрытие канала под дискретной областью 7, произойдет отсечка тока, он будет стремиться к нулю. Пока рассматриваем замкнутую область 7 без разрывов. В этом случае у нас будет однозатворный ПТУП (работает р⁺-n-переход: нижний затвор (подложка) - канал (1), затворная область 7 находится под плавающим, малоизменяющимся близким к нулю, потенциалом.

Напряжение отсечки U_зи.отс у двухзатворного ПТУП (затворы 6 и 1) обозначим U_{зи.отс.1}, тогда напряжение отсечки U_{зи.отс.2} однозатворного ПТУП с потенциалом затворной области 7 равным нулю, определится из соотношения:
+ = 2, (6) откуда
U_{зи.отс.2}= 4U_{зи.отс.1}- + ϕ_к.

При длинах затворных областей 6 и 7(L₁ и L₂) отношение начальных крутизн в области насыщения S₀₁/S₀₂ участков с напряжениями U_{зи.отс.1} и U_{зи.отс.2} (фиг. 3) определится следующим соотношением:
= , (8) где Z₁, Z₂ - ширина первой замкнутой области затвора и второй дискретной области затвора соответственно;
U¹_{зи.отс.1}= U_{зи.отс.1}+ϕ_кU¹_{зи.отс.2}= = U_{зи.отс.2} + ϕ_к- приведенные напряжения отсечки участков с крутизнами S₁ и S₂ на ВАХ соответственно.

Таким образом формируется ПТУА, обладающий на ВАХ изломом с U_{зи.отс.2}≃(2,2- -2,5) U_{зи.отс.1}. Однако при U_зи=U_{зи.отс.2} ток не стремится к нулю, т. к. остается участок протекания тока через разрыв - 9 во второй замкнутой дискретной области затвора 7. Рассмотрим, что происходит далее в ПТУП при увеличении обратного напряжения U_зи. После перекрытия канала под второй дискретной областью затвора 7 областью пространственного заряда р-n-перехода подложка (нижний затвор) - канал, происходит "смыкание по напряжению" с плавающей областью 7. "Смыкание по напряжению" в трехслойной структуре р⁺-n-р⁺ (нижний затвор - канал - верхний затвор 7) происходит следующим образом. При приложении обратного смещения только к одному р⁺-n-переходу (нижний затвор - канал), после обеднения подвижными носителями среднего слоя и смыкания областей пространственного заряда обоих р⁺-n-переходов, происходит следующий физический процесс. ОПЗ плавающей области (область второго дискретного затвора 7) после смыкания по напряжению увеличивается. В режиме смыкания по напряжению происходит увеличение высоты потенциального барьера обоих р⁺-n-переходов, но на разную величину. Потенциал области затвора >(ϕ_пл) повторяет обратное напряжение подложка-канал с отставанием на величину смыкания по напряжению U_см.н(U_см.н ≈U_{зи.отс.2}):
ϕ_пл=U_зи-U_см.н=U_зи-U_{зи.отс.2} . (9)
Однако из-за рекомбинации плавающий потенциал изменяется медленнее (5):
ϕ_пл=(0,4-0,6)(U_зи-U_{зи.отс.2}). (10)
Таким образом, после смыкания по напряжению происходит дальнейшее увеличение ОПЗ не только р-n-перехода нижний затворканал, но и р-n-перехода вторая дискретная затворная область 7 - канал. Учитывая, что размер разрыва L_р1>2W_о.з. - удвоенной величины ОПЗ р-n-перехода область 7 - канал в горизонтальной части, размер разрыва канала будет уменьшаться с трех сторон: снизу ОПЗ р-n-перехода подложка - канал и с боков ОПЗ р-n-переходов затворная область 7 - канал. Перекрытие ОПЗ разрыва второй дискретной затворной области при U_зи=U_{зи.отс.3} определит окончательную отсечку в ПТУП и ток стока будет стремиться к нулю. А на ВАХ появится излом с напряжениями затвор-исток U_{зи.отс.2} и U_{зи.отс.3} и крутизнами S₂ и S₃. Причем ПТУП с каналом в разрыве будет иметь следующие размеры: длина затвора одно- и двухзатворных ПТУП является его шириной Z, глубина залегания затворной области 7 - определяет длину затвора - L, а горизонтальный размер разрыва - L_р1, является его толщиной - d. Таким образом, чтобы увеличить отношение Z/L необходимо увеличить количество разрывной в затворной области 7 - возрастает величина Z, а также уменьшить глубину залегания области 7.

Таким образом формируется ПТУП, обладающий на ВАХ двумя изломами - тремя участками с различной крутизной S₁, S₂, S₃ при напряжениях отсечки U_{зи.отс.1}, U_{зи.отс.2}, U_{зи.отс.3}. Исключение скрытой затворной области как упрощает конструкцию, так и снижает длительность технологического цикла при формировании на ВАХ трех участков с различной крутизной.

Прибор работает так же, как рассмотрено выше, т.е. на ВАХ имеются изломы, участки с различной крутизной и отсечкой. Так как имеются и дополнительные разрывы L_р2<L_p3<...<L_рn, то при L_рn<A и
A = , (11) где U_{зи.макс} - максимальное напряжение затвор-исток, будут на ВАХ дополнительные изломы с отсечками U_{зи.отс.4}... U_{зи.отс.n} крутизнами S₄...S_n.

На фиг. 5 (а, б) представлены входная (а) и выходная (б) ВАХ ПТУП с двумя разрывами L_p1 и L_р2. Для увеличения S₃ горизонтальный канал L_р1выполнен из двух разрывов.

При изготовлении затворной области 7 одновременно с затворной областью в ПТУП выполняется по базовому технологическому процессу с процентом выхода годных, обеспечиваемым процессом для стандартных двух затворных (верхний затвор и подложка) ПТУП.

Пример конкретной реализации.

Прибор изготовлен на пластине 1 монокристаллического кремния ориентации <111> р-типа проводимости толщиной 380 мкм и удельным сопротивлением ρ=0,5 Ом˙см с эпитаксиальной пленкой 2n-типа проводимости толщиной 3,5-4,0 мкм и ρ= 0,8 Ом˙см (марка пластины ). В эпитаксиальной пленке путем локальной диффузии бора в две стадии при температуре Т=1000^оС длительностью t=27-30 мин на первой стадии и при Т=1200^оС и длительностью 4 ч на второй стадии создают изолирующую область 3р⁺-типа проводимости с поверхностным сопротивлением ρ_□ = 70 Ом/□ и глубиной залегания 4-4,2 мкм. Последующей локальной диффузией бора в две стадии при Т=950^оС и t=27-30 мин на первой стадии и при Т=1100^оС и t=60 мин на второй стадии одновременно создают первую затворную область 6 и вторую замкнутую затворную область 7 р⁺-типа проводимости с ρ_□ = 80 Ом/□
и глубиной залегания х_jp= 1-1,5 мкм. Затем путем локальной диффузии фосфора при Т= 1000^оС и t= 30 мин одновременно создают области 4,4.1 и 5n⁺-типа проводимости с глубиной залегания Х_jn=0,7-1,2 мкм, ρ_□ = 20-25 Ом/□ , причем области 4, 4.1 выполняют роль второй и первой областей истока, 5 - стока.

К областям 3, 4, 4.1 и 5 изготавливают омические контакты 8 из пленки алюминия толщиной ≈1 мкм. Область верхнего затвора 6 не имеет собственного электрического контакта; т.к. она, через изолирующую область 3, контактирует с подложкой (фиг. 1), выполняющей функцию нижнего затвора. Получена толщина канала d ≈1,5 мкм. Толщина кремния уменьшалась за счет окислительных операций ≈на 1 мкм.

Изготовленный таким образом ПТУП имеет следующие геометрические размеры: область канала n-типа 2, выделенная в эпитаксиальном слое с помощью изолирующей области 3 р⁺-типа 140х118 (мкм²), длина первой затворной области 6-L= 4 мкм, для второй дискретной затворной области с разрывом 7-L=5 мкм, размеры двух вторых областей истока 4, двух областей стока 5 - 120х4,4 (мкм²), первой области истока 4.1, окруженной второй затворной областью 7-98х4,4 (мкм²), ширина двухзатворного ПТУП (области 1 и 6) Z₁=3˙ 140=420 мкм, с учетом бокового ухода изолирующей области 3 - Z₁ ≈400 мкм, внешние размеры первой замкнутой затворной области 7- 120х26,4 (мкм²) с двумя разрывами по L_р1 ≃ 3 мкм внутренние размеры - 110х16,4 (мкм²). Отношение Z₁/L₁: Z₂/L₂: Z₃/L₃≈ 5:2, где Z₂ ≈90.мкм - ширина затворной области ; Z₃ - 4˙5≃20 мкм - суммарная ширина двух разрывов, L₃ ≃1,5 мкм - глубина залегания затворной области 7.

Полученные ПТУП имеют следующие параметры: напряжение отсечки U_{зи.отс.1}=1,5-2,5 В, U_{зи.отс.2}=3,5-6,5 U_{зи.отс.3}=10-16В, начальная крутизна участка с U_зи= U_{зи.отс.1}, S_01нач. = 3,8-4,5 мА/В, второго участка ВАХ, S_02нач.=0,31-0,34 мА/В, третьего участка S_03.нач.=9,05-0,08 мА/В, отношение S_01.нач/S_02.нач./S_03.нач.= (11-12)/(4-6). Ток утечки, I_ут.3<1 ˙10^-10 А при U_зи=-10 В. Пробивные напряжения более 30 В.

Изготовленный таким образом прибор имеет характеристики, представленные на фиг. 3.

Аналогично изготовленный ПТУП с первой затворной областью, имеющий два разрыва 2˙ L_р1 и один с размерами L_р1 ≃3 мкм, L_р3 ≃3,5 мкм. Отношение Z₁/L₁: Z₂/L₂: Z₃/L₃: Z₄/L₄ ≈5: 2: 1, где Z₄ - 2˙5≃10 мкм - суммарная ширина двух размеров, L₃=L₄≃1,5 мкм. Начальная крутизна S_оч.нач.=0,02-0,04 мА/В, U_{зи.отс.4}=15-21 В. Остальные параметры как в примере 1. Изготовленный таким образом прибор имеет характеристики, представленные на фиг. 5.

По сравнению с прототипом предлагаемый прибор имеет следующие преимущества: обладает n изломами на ВАХ с (n+1) участками различной крутизны: изготовление ПТУП полностью совместимо с базовым технологическим процессом и требует дополнительных операций, обеспечивая процент выхода как у ПТУП без дополнительной скрытой затворной области; в разработанной конструкции ПТУП исключена скрытая дополнительная затворная область, формирование которой значительно усложняет не только процесс изготовления, но и значительно уменьшает процент выхода годных, увеличивает разброс параметров всего ПТУП.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: на полупроводниковой подложке первого типа проводимости сформирован полупроводниковый слой второго типа проводимости. С помощью области первого типа проводимости, смыкающейся с подложкой, сформирована изолированная область, в которой расположены области истока, затвора, стока полевого транзистора. Исток выполнен в виде двух областей, одна из которых окружена областью затвора, выполненной дискретной, образуя (n-1) горизонтальных каналов толщиной L_p(n-1), при этом L_p1<L_p2<...<L_p(n-1) и L_p1>2W_0.3, где W_0.3 - ширина области пространственного заряда p-n-перехода, образованного областями первого типа проводимости затвора и изолирующей, с полупроводниковым слоем второго типа проводимости. Вторая область истока расположена в замкнутом контуре, образованном областью второго затвора, соединенной с изолирующей областью. Конструкция позволяет реализовать n изломов - (n+1) участков с различной крутизной. 5 ил.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, на поверхности которой сформирован 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, область затвора первого типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью получения n изломов - (n + 1) участков с различной крутизной на ВАХ, исток выполнен в виде двух областей, одна из которых окружена областью затвора, состоящей из n - 1 горизонтальных каналов толщиной L_p(n-1), при этом L_р1 < L_р2 < ... < L_p(n-1) и L_р1 > 2 W_о.з, где W_о.з - ширина области пространственного заряда p - n - перехода соответствующей области затвора и изолирующей области первого типа проводимости, а вторая область истока расположена в замкнутом контуре, образованном областью второго затвора, соединенной с изолирующей областью.