Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

(и) 1812891 29 808 1,19 51 6 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИ ОСУДАР ЕДОМСТ ЕНН ОЕ ПАТЕНТНО СССР (ГОСПАТЕНТ г) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ к авторскому свидетельству(56) Заявка Японии й 60-11985. ательскии прибо 1).29/8 97 867,кл. Н 011.29/80 ОР С УПРАВЛЯЮэлектрони дниковой и армирован а проводи ипа провод а Сущность одложке перл олупро водмости С поимости, смыЗаявка Японии И 58-101983,(57) Использование: микроизобретения: на полупровового типа проводимости сфниковый слой второго типмощью области первого т кающейся 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 (и) горизонтальных каналов толщиной .,приэтом). и). 2 Ю,Л(п) р 1 р 2 р(п) р 0,3 где Чч - ширина области пространственного зао,эряда р-п-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 иэолирукнцей областью. Конструкция позволяет реализовать и изломов - (и+1) участков с различной крутизной. 5 ил.Изобретение относится к микроэлект- затвором и подложкой. Это позволяет какронике, а именно к конструкции полевых сократить технологический цикл изготовлетранзисторов с управляющим р-п-перехо- ния, так и обеспечить существенное повыдом (ПТУП), шение выхода годных.Цель изобретения - получение и изло- б Известны технические решения, в котомов(п+1) участков с различной крутизной на рых формируются дополнительные затворывольт-амперной характеристике. для уменьшения проходной емкости, увелиПоставленная цель достигается тем, что Чения выходного сопротивления, сниженияв полевомтранзисторе суправляющим р-и- зависимости тока утечки От напряженияпереходом, содержащем полупроводнико сток-затвор. Конструкции этих транзисто-.вую подложку первого типа проводимости, ров не позволяют получить излома на ВАХ,на поверхности которой сформирован полу- а направленц на решение иных задач.проводниковый слой второго типа проводи- Другие технические решения, содержамости, изолирующую область первого типа щие ПТУП сдополнительными эатворамидляпроводимости, смыкающуюся с подложкой 16 получения и иэломов-(и+1)участков с различи выделяющую в полупроводниковом слое нойкрутизнойнаВАХ,издоступныхисточнивторого типа проводимости изолированную ков информации, автору не известны.На фиг. 1 изображена топология заявляистока и стока второго типа проводимости, емого ПТУП с двумя изломами; на фиг, 2 область затвора первого типа проводимо поперечный разрез ПТУП с двумя изломасти, в соответствии с предлагаемым изобре- ми; на фиг. 3- входная(а) и выходная (б) ВАХтением исток выполнен в виде двух заявляемого ПТУП; на фиг; 4 - топологияобластей, одна из которых окружена обла- заявляемого ПТУП с тремя изломами; настью затвора, выполненной дискретной, об- фиг.5- входная (а) и выходная (б) ВАХ эаявразуя (п- ) горизонт( -1) ризонталъных .каналов с 26 ляемого ПТУП с тремя изломами.Заявляемый ПТУП содержит подложкутолщиной 1 р(п 1), при згом р 1 р 2 " р(п( 2 ч" 9 Ч - ширина области 1 первого типа проводимости; полупроводим типространственного заряда р аряда р-и-перехода со- никовцй слой 2 второго типа провод осй б и затвора и изолиру- сформированный на поверхности подложющей области первого типа проводимости, 30 ки; изолирующую область 3 первог тобразованногосполупроводниковымслоем проводимосте, смыкающуюся с подложкойвторого типа проводимости ви в горизонталь- и выделяющую в полупроводниковом слоеной части перехода, а вторая о ласая область истока второго типа проводимости изолированнуюрасположена в замкнутом контуре,ре образо- . область, в которой сформированы дискрет-.ванном областью второго эванно б рого затвора соеди ные области истока (первая и вторая), и4 область стока 5- все второго типа провоненной с изолирующей областью.ПТУП имости две дискретные области затвора 6Наиболее существенное отличие димоВАХ заклю- и 7, вторая область 7 выполнена замкнутойпо изобретению с изломами на заклчается в том, что вместо скрытой затворной с одним дискретом (разрывом) ,1, между верхним 40 лические контакты 8 к областям истока 4 иобласти, располагающейся между взатвором и подложкой (нижним зат( жним затвором) . 4.1,стока 5, первойобластиэатвора ( рва а иск етная замкнутая вто- изолирующуюобласть), второйразрыв 1 2 тительно од во второй дискретной области затвора,П б б б4 е 1, При подаче на сток 5 ПТУП напряжеве хним затвором, которая ри арра отокружае д ут о н область истока, Дискретнаяится по "плаваю- ния положительной полярности, по отношеОбласть эатвоРа нахоД иД "4 41(0 ) н"ервуюобластьтен иалом, т.е. не имеет электриче- нию к истоку а ищим потенциал м,б затвора 6 - напряжения отрицательной поского конта кта с остальными о ластями. Н рности по отношению к контакту истокар " 80 (О ) р-и-переходканал 2 (полупроводникоепями питания. Наличие в лярнго изон- вый слой второго типа проводимости - подй бласти по крайней мере (,и), р одного разрыва с образованием горизонтального ка нала позволяет реализовать на ложка 1 смещается . вб направлении, а вторая затворная областья иск етная область за- находится под плавающим потенциалом,ин излом, Первый излом образо 5 б Р ссматрива ПТУП двум мпво(бласти 1 и 6) без замкнутой дискретной эапотенциалом.типомп едлагае- творной области 7, в случае резкихсправедливо следующее сляет, исключить технологи- р -и-переходов смый ПТУП позволяет, и, отношение для толщины области пространчески очень сло фсложное формированиеве хним .ственного заряда (ОПЗ) Яскрытой ввтворной совести между верхним с(8) ее1/2и = (1)Чид где я - диэлектрическая проницаемость полупроводника, для кремния (г 12);ео - диэлектрическая проницаемостьвакуума (о,84 104 п/см);О-ози+ УФ у к - контактная раэ остьпотенциалов р -п-перехода ( р ы 0,8 В);ц - заряд электрона (р=1,6 10 1 Кл);Й - концентрация подвижных носителей в канале.При увеличении напряжения между стоком и истоком (0,) и при О -0 В величинаЧЧ возрастает, пока ОПЗ обоих р+-и-переходов не сомкнутся вблизи стока приО=О . В этой точке толщина М/ будет равна половине толщины д канала(полупроводникового слоя 2 второго типапроводимости), т.е. б/2, тогда2 ее .) +р ) 1/гЫ 2 =(р ПРи= ОВ Р)К зио оПри приложении обратного напряжения О,и, смыкание ОПЗ р -и-переходов произойдет раньше, т.е. при меньшемнапряжении О,и,ЧУ = - рУ (4)си 8 сс к зио оНапряжение О,и, при котором происходит перекрытие канала областями пространственного заряда и выполнениеусловия О,и=0, является напряжением отсечки 0 оОз(4) при О,и =, находим:гЧф) й= и = - " - р (5).зи зи. отс. 8 ЕЕ коЕсли бы не было второй дискретной затворнойобласти 7 приО,и Ози токстокастремился бы к нулю. Однако в нашем случае будет протекать ток между первой областью истока 4,1 и стоком 5, в промежуткепод второй затворной областью 7. И толькопри приложении дополнительного обратного напряжения 0, 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 случаеу нас будет однозатворный ПТУП (работаетр+-и-переход; нижний затвор (подложка) -канал (1), затворная область 7 находится под плавающим, малоизменяющимся близким к нулю, потенциалом,Напряжение отсечки Оз о у двухзатворного ПТУП (затворы 6 и 1) обозначим 5 0,1, тОГДа НаПРЯжЕНИЕ ОТСЕЧКИ Оэи отс о.однозатворного ПТУП с потенциалом затворной области 7 равным нулю, определится иэ соотношения: ее (р 1 г ее1/г 10 о к о з и.отс,2 Ф Ч Л АЦ 1/2 о э и. отс. 1 Ч) й 15 откуда--- , 1 20 зи.отс,1 кк Р)При длинах затворных областей 6 и 7(.1 и2) отношение начальных крутизн в области насыщения Яо 1/Ясг участков с нанряжениЯми Ози отс 1 и Оэи отс 2 (фиг. 3) 25 определится следующим соотношением: Я 21. 2 (1-) -у )/1) ) ) от г зи к зи. отс.1,где 21, 22 - ширина первой замкнутой области затвора и второй дискретной области 35 затво)а соответственно;0 зи.отс,1 Оэи.отс.1 т" к 0 зи.отс,2-Отсо + р- приведенные напряжения отсечки участков с крутизнами 31 и 82 на ВАХ соответственно.40 Таим образом формируется ПТУА, обладающий на ВАХ изломом с О и отсД,2- -2,5) О , ,1. Однако при О,и=О, , 2 ток не стремится к нулю, т.к. остается участок протекания тока через разрыв - 9 во второй 45 замкнутой дискретной области затвора 7.Рассмотрим, что происходит далее в ПТУП при увеличении обратного напряжения Оэи.После перекрытия канала под второй дискретной областью затвора 7 областью про странственного заряда р-и-переходаподложка (нижний затвор) - канал, происходит "смыкание по напряжению" с плавающей областью 7. "Смыкание по напряжению" в трехслойной структуре р -и р+(нижний затвор - канал - верхний затвор7) происходит следующим образом, При приложении обратного смещения только к одному р -п-переходу (нижний затвор - канал), после обеднения подвижными носителями среднего слоя и смыкания областей пространственного заряда обоих р -и-переходов, происходит следующий физический процесс. ОПЗ плавающей области (область второго дискретного затвора 7) после смы- б кания по напряжению увеличивается. 8 режиме смыкания по напряжению происходит увеличение высоты потенциального барье+ра обоих р -п-переходов, но на разную ве- личину, Потенциал области затвора (ф) 10 повторяетобратное напряжение подложка- канал с отставанием на величину смыкания по напряжению 0,(0,= 02);Рпл Ози Осм,н Ози Ози,отс,2 (9) 15Однако из-за рекомбинации плавающий потенциал изменяется медленнее (5);Р плф (0,4-0,6)(Оэи Ози,отс.2) (10) 20Таким образом, после смыкания по напряжению происходит дальнейшее увели. чение ОПЗ не только р-п-,перехода нижнийзатворканал, но и р-и-перехода вторая дис кретная затворная область 7- канал, Учитывая, что размер разрыва . 12 Яо, удвоенной величины ОПЗ р-и-перехода область 7- канал в горизонтальной части, размер разрыва канала будет уменьшаться с 30 трех сторон; снизу ОПЗ р-и-перехода подложка - канал и с боков ОПЗ р-и-переходов затворная область 7 - канал. Перекрытие ОПЗ разрыва второй дискретной затворной области при 0,=03 И от 3 определит оконча тельную отсечку в ПТУП и ток стока будет стремиться к нулю. А на ВАХ появится излом с.напряжениями затвор-исток О отс о и Ози,отс,з и крутизнами Я 2 и Яз. Причем ПТУП с каналом в разрыве будет иметь следую щие размеры; длина затвора одно- и двух- затворных ПТУП является его шириной Е, глубина залегания затворной области 7 - определяет длину затвора - 1., а горизонтальный размер разрыва - .р 1, является его 45 толщиной - б. Таким образом, чтобы увеличить отношение ЕК необходимо увеличитьколичество разрывной в затворной области р 7 - возрастает величина Ъ а также уменьшить глубину залегания области 7,: 50Таким образом формируется ПТУП, обладеющий на ВАХ двумя изломами - тремя участками.с различной крутизной Я 1, Яэ, Язпри напряжеииях отсечки Ои,отсл Ози.отс.2 О з. Исключение скрытой затворной об- бб о ласти как упрощает конструкцию, так и снижает длйтельность технологического цикла при формировании на ВАХ трех участков с т 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 -рг-рз -рп, то при .рпА и А = с к ви макс ЧЦ6 где Ози,макс - максимальное напряжение затвор-исток, будут . на ВАХ дополнительные изломы с отсечками Ози.отс,4.0 зи,отс.п кру- тИЗНаМИ Я 4.Яп.На фиг. 5(а, б) представлены входная (а) и выходная (б) ВАХ ПТУП с двумя разрывами 1 р 1 и 1.р 2, Для увеличения Яз горизонтальный канал . 1 выполнен иэ 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 эатворчых (верхний затвор и подложка) ПТУП. Пример конкретной реализации, Прибор изготовлен на пластине 1 монокристаллического кремния ориентации 111 р-типа проводимости толщиной380 мкм и удельным сопротивлением О,5 Ом см с эпитаксиальной пленкой 2 л-типа проводимости толщиной 3,5 - 4,0 мкм и р =0,8 Ом см4 КЭЧ 08 (марка пластины )380 ЗКД 0511В эпитаксиальной пленке путем локальной диффузии бора в две стадии при температуре Т=1000 С длительностью г=27-30 мин на первой стадии и при Т=1200 оС и длительностью 4 ч на второй стадии создают изолирующую область Зр+-типа проводимости с поверхностным сопротивлением 333 и глубиной залегания.4-4,2 мкм, Последующей локальной диффузией бора в две стадии при Т=950 С и т=27-30 мин на первой стадии и при Т=1100 оС и с=60 мин на второй стадий" одновременно создают первую затворную область 6 и вторую замкнутую затворную область 7 р+-типа проводимости с= 80 Омlо и глубиной залегания х =1-1,5 мкм. Затем путем локальной диффузйи фосфора при ТоС и 1=30 мин одновременно создают области 4,4,1 и бп-типа проводимости.с глубиной залегания Хп=0,7-1,2 мкм, Р= 20-28 ом"о пРичем области 4,4,1 выполняют роль второй и первой бластей истока, б - стока,К областям 3, 4, 4.1 и 5 изготавливают омические контакты 8 иэ пленки алюминияолщиной 1 мкм. Область верхнего затво-, ра 6 не имеет собственного электрического1812898 10 контакта; т.к. она, через изолирующую область 3, контактирует с подложкой (фиг, 1),выполняющей функцию нижнего затвора,Получена толщина канала б 1,5 мкм, Толщина кремния уменьшалась за счет окислительных операций на 1 мкм.Изготовленный таким образом ПТУПимеет следующие геометрические размеры;область канала и-типа 2, выделенная в эпитаксиальном слое с помощью изолирующей 10области 3 р+-типа 140 х 118(мкм ), длина первой затворной области 6-1.-4 мкм, для второй дискретной затворной области сразрывом 7-1;-5 мкм, размеры двух вторыхобластей истока 4, двух областей стока 5 - 15120 х 4,4 (мкм ), первой области истока 4.1,окруженной второй затворной областью 798 х 4,4 (мкм ), ширина двухзатворного ПТУП.(области 1 и 6) 21=3 140 420 мкм, с учетомбокового ухода изолирующей области 20. 3 - 21 =400 мкм, внешние размеры первойзамкнутой затворной области 7- 120 х 26,4(мкм ) с двУмЯ РазРывами по 1.р 1 юЗ мкмвнутренние размеры - 110 х 16,4 (мкм ). Отношение 21/1.1;Е 2 П.2.,231(з= 5:2, где Е 2 2590,мкм - ширина затворной области; Язв4 5 ы 20 мкм - суммарная ширина двух разрывов, (.з 1,5 мкм - глубина залегания затворной области,Полученные ПТУП имеют следующие 30параметры: напряжение отсечкиОзи.отс.1=1,5-2,5 В, Ози.отс.2 3 5 6 5 .О ,э=10-16 В, начальная крутизна участка с ОЗГОзи 301,.-3,8-4,5 мА/В, второго участка ВАХ, ЗО 2 н,=0,31-0,34 мА/В, 35 сти, отличающийся тем, что, с целью получения и изломов - (и + 1) участков с различной крутизной на ВАХ, исток выполнен в виде двух областей, одна из которых окружена областью затвора, состоящей из и - 1 горизонтальных каналов толЩиной (-р(п, пРи этом 1 р 11 р 2р(пИ 1.р 12 Яо,з, ГДЕ Яо,э - ширина области пространственного заряда р - и - 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. 40 Формула изобретенияПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п-ПЕРЕХОДОМ, содержащий полупроводниковую подложку перваго типа проводимости, на поверхности которой сформирован 11 олупроводниковый 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 проводимотретьего участка Яоз ,-9,05-0,08 мА/В, отношение 01,ч 502,ч,рэ.нч. (11 12 Л 4 6). Ток утечки, 1, э 1 10 А при О 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 1. 1 и один с размерами 1.р 1 ы 3 мкм, 1.рз сх 3,5 мкм. Отношение 1(.1 22 3(-3 4("4 ф :21 где 4 2 5 ы 10 мкм - суммарная ширина двух размеров, 1 зы 1,5 мкм. Начальная крутизна Яо,=0,02 - 0,04 мА/В, Оо,4= 15-21 В. Остальные параметры как в примере 1. Изготовленный таким образом прибор имеет характеристики, представленные нз фиг. 5.По сравнению с прототипом предлагаемый прибор имеет следующие преимущества: обладает и изломами на ВАХ с (и+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 професс изготовления, но и значительно уменьшает процент выхода годных, увеличивает разброс параметров всего ПТУП.