ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ Советский патент 1996 года по МПК H01L29/808 

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

Цель изобретения уменьшение геометрических размеров, исключение зависимости напряжения защиты от напряжения отсечки.

На фиг.1 представлено сечение; на фиг.2 топология конструкции; на фиг.3 сечение конструкции с защитой как промежутка затвор-исток, так и затвор-сток.

Перечень позиций на фиг.1-3: полупроводниковая подложка 1 первого типа проводимости; сформированный на ее поверхности полупроводниковый слой 2 второго типа проводимости; изолирующая область 3 первого типа проводимости; область 4 элемента защиты первого типа проводимости, располагающаяся под центральной частью истока и имеющая электрический контакт с подложкой; область 5 истока второго типа проводимости; область 6 затвора, пересекающаяся концами с изолирующей областью первого типа проводимости; область 7 стока второго типа проводимости; металлические контакты 8 к активным элементам структуры, включая металлизацию контактных площадок; область 9 элемента защиты первого типа проводимости; располагающаяся под центральной частью стока.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Так как наиболее инжектирующей частью истока являются боковые стенки и часть дна, располагающиеся ближе всего к затвору, то размещение области 4 первого типа проводимости элемента защиты под центральной частью истока незначительно увеличивает паразитное сопротивление истока R_и (незначительно снижает крутизну S ПТУП) при одинаковых размерах области истока. В то же время при перенапряжении промежутка затвор-исток пробой в элементе защиты является объемным, что резко снижает влияние элемента защиты на параметры ПТУП после его многократного срабатывания. Локализация пробоя в объеме полупроводника снижает утечки, шумы и деградационные явления в элементе защиты данной конструкции-стабилитроне. При превышении напряжения затвор-исток свыше пробивного в элементе защиты U_защ и выполнении условия U_защ< U_зимакс, где U_зимакс максимальное напряжение затвор-исток ПТУП; происходит пробой (срабатывание элемента защиты) и стабилизируется напряжение (не происходит его дальнейшее увеличение) затвор-исток. Разброс напряжения U_защ по пластине не зависит от разброса напряжения отсечки U_отс толщины слоя второго типа проводимости, а только от разброса поверхностной концентрации областей первого и второго типа проводимостей, образующих элемент защиты, и от глубины залегания области второго типа проводимости, в данном случае истока. Суммарное изменение U_защ по пластине много меньше изменения U_защ, связанного с U_отс. Уменьшение площади всей структуры связано с тем, что элемент защиты выполняется под центральной областью истока и выполняется в одном кармане с ПТУП. В прототипе площадь подложки увеличивается на величину проекции области элемента защиты первого типа проводимости, в предлагаемом решении такого увеличения нет.

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. Одновременно с областью 3 формируются области 4, 9 первого типа проводимости. Стандартными методами в островной области формируют низкоомные области 5, 7 истока и стока. Завершают изготовление ПТУП формированием металлических контактов 8 к области истока, стока, затвора (изолирующей области и/или подложке). Рассмотрен режим работы ПТУП с элементом защиты промежутка затвор-исток. Аналогично работает и элемент защиты в виде области 9, расположенный под центральной частью стока. На фиг.3 представлена конструкция ПТУП с защитой как промежутка затвор-исток, так и затвор-сток.

Пример конкретной реализации.

ПТУП изготавливают на пластине монокристаллического кремния ориентации <111> р-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
В эпитаксиальном слое 2 путем локальной диффузии бора в две стадии при температуре Т 1000^оС длительность t 27-30 мин на первой стадии и при Т 1200^оС и t 4 ч на второй стадии создают изолирующую область 3 р⁺-типа проводимости и с ρ_□= 70 Ом/□ и глубиной 3,7-4,3 мкм. Одновременно с изолирующей областью 3 формируют области 4,9 элемента защиты первого типа проводимости. Последующей локальной диффузией бора в две стадии при Т 950^оС с t 27-30 мин на первой стадии и при Т 1100^оС и t 1 час на второй стадии создают область 6 затвора р⁺-типа проводимости с ρ 80 Ом/□ и глубиной 1,3-1,8 мкм. Затем путем локальной диффузии фосфора при Т 1000^оС с t 30 мин одновременно создают область 5 и 7 истока и стока n⁺-проводимости с глубиной залегания 1-1,5 мкм с поверхностной концентрацией донорной примеси N_as≈2 ·10²⁰ см^-3.

К областям 5, 7, 6 (и/или 3) формируют металлические контакты 8 из пленки алюминия толщиной ≈1,0 мкм. Область 6 затвора может не иметь собственно омического контакта, т. к. она контактирует через область 3 с подложкой 1, выполняющей функцию нижнего затвора ПТУП.

Полученные интегральные ПТУП имеют следующие параметры: спектральная плотность шума f_ш≅ 20 нВ/ при f 10 Гц в полосе Δf 1 Гц при U_си 2,5 В, ток стока I_с 1 мА; начальный сток стока I_со 2-8 мА; входная емкость, С_вх≅5 пФ; проходная емкость С_пр ≅1 пФ (элемент защиты отсутствует) и С_пр ≅2 пФ (с областью 9 элемента защиты); напряжение отсечки U_отс -0,5-3,0 В; напряжение защиты U_защ 6-7 В; ток утечки затвора I_ут.з. ≅1·10^-11 А при U_зи -5 В; ток защиты I_защ ≥10 мА. По сравнению с такой же конструкцией ПТУП без элементов защиты все параметры не изменяются, за исключением С_вх ≅3,5 пФ, С_пр≅0,8 пФ.

По сравнению с прототипом ПТУП по изобретению имеет следующие преимущества:
за счет уменьшения площади уменьшается ток утечки затвора (увеличивается входное сопротивление) ПТУП;
так как лавинный пробой происходит в объеме полупроводника, проводимость в режиме пробоя при лавинном процессе выше, чем при использовании эффекта токового смыкания, то уменьшаются размеры элемента защиты при сохранении I_ут.з и t_ш после многократного срабатывания;
существенно (до 4 раз) уменьшается разброс напряжения защиты и исключается зависимость напряжения защиты от напряжения отсечки.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: полевой транзистор включает элементы защиты, который выполнен из части подложки, непосредственно примыкающей к центральной части области истока и/или стока. 3 ил.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, полупроводниковую область второго типа проводимости, окруженную изолирующей областью первого типа проводимости, смыкающуюся с подложкой, в области второго типа проводимости сформированы области истока и стока второго типа проводимости, область затвора первого типа проводимости, контактирующая с изолирующей областью, элемент защиты, выполненный в виде области первого типа проводимости, металлические контакты к областям истока, стока, изолирующей области и/или подложки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения геометрических размеров, исключения зависимости напряжения защиты от напряжения отсечки, элемент защиты выполнен из части подложки, непосредственно примыкающей к центральной части области истока и/или стока.