OPIS PATENTOWY. Patent dodatkowy do patentu. Zgłoszono: (P ) Pierwszeństwo: Stany Zjednoczone. Zgłoszenie ogłoszono:

Transkrypt

1 POLSKA RZECZPOSPOLITA LUDOWA OPIS PATENTOWY Patent dodatkowy do patentu Zgłoszono: (P ) C2*:ELNłA URZĄD PATENTOWY Pfil Pierwszeństwo: Stany Zjednoczone Ameryki Zgłoszenie ogłoszono: Opis patentowy opublikowano: Int. Cl.3 H01L 29/78 Twórcy wynalazku: Uprawniony z patentu: Alvin Malcolm Goodman, Ramon Ubaldo Martinelli RCA Corporation, Nowy Jork (Stany Zjednoczone Ameryki) Przyrząd MOSFET o strukturze pionowej Przedmiotem wynalazku jest przyrząd MOSFET o strukturze pionowej, zwłaszcza tranzystor polowy z izo lowaną bramką, taki jak tranzystor polowy MOS, a w szczególności tranzystor polowy MOS o strukturze piono wej wytworzony przy zastosowaniu metody podwójnej dyfuzji. Znany tranzystor polowy z izolowaną bramką przedstawia sobą tranzystor unipolarny, w którym prąd płynie z obszaru źródła przez kanał w obszarze podłoża do obszaru drenu. Obszary źródła, kanału i drenu są obszarami o przewodnictwie typu n lub p, natomiast podłoże stanowi obszar o przewodnictwie przeciwnego typu. Kanał jest indukowany (w przyrządzie typu wzbogaconego) lub eliminowany (w przyrządzie typu zubożo nego) na skutek wytworzenia pola elektrostatycznego, wywołanego przez ładunki elektryczne gromadzone na usytuowanej w pobliżu bramce. Zwykle bramka jest usytuowana między źródłem i drenem, wytworzonymi odpowiednio na obszarze źródła i na obszarze drenu. W przyrządzie MOSFET bramka jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika przez warstwę tlenku. W przyrządach MOSFET o strukturze pionowej źródło i dren są usytuowane na przeciwległych powierzch niach półprzewodnika. Powodują one przepływ prądu przez przyrząd w kierunku zasadniczo prostopadłym do powierzchni półprzewodnika. W przyrządach MOS wytworzonych przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji bramka jest zwykle usytuowana na tej samej powierzchni półprzewodnika, na której jest usytuowane źródło. Tastruktu ra powoduje wytworzenie składowej prądu przepływającej w kierunku poziomym, to znaczy przez kanał utwo rzony pod bramką. Jednakże zmiana kierunku przepływu prądu z poziomego na pionowy powoduje załamanie się linii prądu i zahamowanie przemieszczania się ładunków, wynikiem czego jest pogorszenie się charakterystyk, przejawiające się w zmniejszeniu maksymalnego osiągalnego wzmocnienia napięciowego. Poza tym w znanych przyrządach MOS wytworzonych przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji bramka jest zwykle usytuowana nad tą częścią obszaru drenu, która przylega do kanału, tworząc pojemność CGd- Pojem ność ta przemnożona przez współczynnik wzmocnienia przyrządu równy: \l5vg / RD/ jest nazywana pojemnością sprzężenia zwrotnego Millera. Pogarsza ona własności przyrządu przy dużych napię ciach i przy dużych szybkościach działania.

2 Przyrządy półprzewodnikowe MOS o strukturze pionowej, wytwarzane przy zastosowaniu podwójnej dyfu zji i sposób ich wytwarzania są przedstawione na przykład w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Amery ki nr Przyrząd według wynalazku zawiera elektrodę ekranową pokrywającą jedynie wydłużoną część obszaru drenu na pierwszej powierzchni. Korzystnie obszar drenu zawiera planarną część o stosunkowo dużej przewod ności właściwej, przylegającą do drugiej powierzchni. W innym wykonaniu wynalazku przyrząd zawiera również elektrodę ekranową pokrywającą jedynie wydłużoną część obszaru drenu na pierwszej powierzchni, przy czym korzystnie zawiera warstwę tlenku leżącą pod bramką i elektrodą ekranową i parę źródeł usytuowanych na pierwszej powierzchni. Zaletą wynalazku jest to, że przyrząd według wynalazku zapewnia większą sprawność działania przy większych częstotliwościach i przy większych napięciach dzięki zastosowaniu struktury, która zmniejsza pojem ność sprzężenia zwrotnego Millera oraz efekt gromadzenia się ładunków w miejscu załamania się linii przepływu prądu. Elektroda ekranowa zmniejsza pojemność między obszarem drenu i obszarem bramki. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta wia w przekroju strukturę znanego przyrządu MOS o strukturze pionowej, wytworzonego przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji i fig. 2 w przekroju strukturę według wynalazku przyrządu MOS o strukturze pionowej, wytworzonego przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji. Na fig. 1 jest przedstawiona znana struktura przyrządu półprzewodnikowego MOS 10 o strukturze piono wej, wytworzonego przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji. Przyrząd półprzewodnikowy MOS 10 zawiera planarne podłoże 12 mające pierwszą powierzchnię 14 i drugą powierzchnię 16, które są przeciwległe. W podłożu 12 wytworzony jest obszar 18 źródła, obszar 20 bazy i obszar 22 drenu o naprzemiennym typie przewodnictwa. Obszar 22 drenu zawiera zwykle część 24 o stosunkowo dużej przewodności właściwej, przylegającą do drugiej powierzchni 16 i wydłużoną część 26 o mniejszej przewodności właściwej, sięgającą do pierwszej powierzch ni 14. W typowej strukturze para obszarów 20 bazy, oddzielonych od siebie wydłużoną częścią 26 obszaru drenu, rozciąga się w podłożu od pierwszej powierzchni 14 i tworzy parę złącz pn 23 baza-dren. Odpowiednia para obszarów 18 źródła rozciąga się w podłożu od pierwszej powierzchni 14 w granicach obszarów 20 bazy. Obsza ry 18 źródła są usytuowane względem wydłużonej części 26 obszaru drenu tak, że zostaje określona para części 28 kanału przy pierwszej powierzchni każdego obszaru 20 bazy. Dren 30 leży przy drugiej powierzchni 16 i styka się z częścią 24 obszaru drenu, mającą stosunkowo dużą przewodność właściwą. Umieszczone na pierwszej powierzchni 14 źródło 32 styka się z każdym obszarem 18 źródła i obszarem 20 na powierzchni oddalonej od części 28 kanału. Bramka 34 jest umieszczona na pierwszej powierzchni zarówno nad parą części 28 kanału jak i wydłużoną częścią 26 obszaru drenu między częściami 28 kanału. Bramka 34 zawiera zwykle warstwę tlenku 36 na pierwszej powierzchni 14 podłoża or^z elektrodę 38 na warstwie tlenku. Na fig. 2 jest przedstawiony przyrząd półprzewodnikowy MOS 50 o strukturze pionowej według wynalaz ku, wytworzony przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji. Z punktu widzenia struktury wewnętrznej, przyrząd półprzewodnikowy MOS 50 jest podobny do znanego przyrządu półprzewodnikowego MOS 10 z fig. 1. Zgodnie z tym zastosowano takie same oznaczenia liczbowe do oznaczenia podobnych obszarów półprzewodnikowych. Przyrząd półprzewodnikowy MOS 50 zawiera również dren 30 stykający się z częścią 24 obszaru drenu o stosun kowo dużej przewodności właściwej przy drugiej powierzchni 16 oraz źródło 2 stykające się z każdym obsza rem 18 źródła i obszarem 22 bazy na pierwszej powierzchni 14. Bramka 52 jest usytuowana nad każdą częścią 28 kanału i odizolowana od pierwszej powierzchni przez warstwę tlenku 54. W przyrządzie według wynalazku wprowadzono odizolowaną elektrodę ekranową 56, usytuowaną nad pierwszą powierzchnią 14 tak, że pokrywa ona część wydłużonej części 26 obszaru drenu, przylegającej do części 2Q kanału. W korzystnym wykonaniu wynalazku krawędź każdej bramki 58 pokrywa bezpośrednio złącze 23 baza-dren, natomiast elektroda ekranowa 56 jest usytuowana w pobliżu tej krawędzi lecz jest odizolo wana od niej. Elektroda ekranowa 56 jest odizolowana od pierwszej powierzchni 14 przez warstwę tlenku 54 stosowaną do odizolowania bramek 52, jednakże nie jest konieczne, żeby elektroda ekranowa i bramka były usytuowane na jednej ciągłej warstwie tlenku. W typowym przyrządzie półprzewodnikowym MOS 50 długość kanału wynosi około 5 mikrometrów a grubość warstwy tlenku 54 wynosi około 1000 A, natomiast odległość między bramką i elektrodą ekranową wynosi w przybliżeniu od 1000 A do 5 mikrometrów. Przyrząd półprzewodnikowy MOS 50 może być wytworzony w technologii powszechnie stosowanej przy wytwarzaniu przyrządów półprzewodnikowych. W celu uzyskania struktury przyrządu według wynalazku wyma ga się dodatkowo przeprowadzenia operacji kształtowania elektrody ekranowej 56, która może być wytworzona w taki sposób, jak znormalizowana bramka. Należy zaznaczyć, że opisany przyrząd półprzewodnikowy MOS 50 o strukturze pionowej, wytworzony przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji, zawierający parę obszarów bazy i źródła, stanowi korzystne wykonanie wynalazku. Przyrząd mający pojedynczy obszar bazy i źródła może również działać prawidłowo. Poza tym, chociaż na rysunku są przedstawione obszary półprzewodnikowe

3 o określonym typie przewodnictwa (przyrząd z kanałem typu n), będzie również działać przyrząd (z kanałem typu p), gdy wszystkie obszary półprzewodnikowe będą miały zmienione przewodnictwo na przeciwnego typu. Należy również zaznaczyć, że przyrząd półprzewodnikowy MOS o strukturze pionowej, wytworzony przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji, może stanowić część składową większego przyrządu. Ma przykład taki większy - przyrząd może składać się z dużej liczby części, z których każda ma taką strukturę, jaka jest przedstawiona na fig. 2 dla przyrządu półprzewodnikowego MOS 50. Tak duża liczba przyrządów może tworzyć strukturę grzebieniową, siatkową lub falistą pod względem rozmieszczenia bramek. Przyrząd MOS o strukturze pionowej, wytwarzane przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji, takie jak przyrządy półprzewodnikowe MOS 50 przedstawione na fig. 2, w szczególności są przydatne dó wykorzystywa nia przy dużych mocach, dużych szybkościomierzach działania i mogą być wykorzystane do wytwarzania przyrządów z kanałami zubożonymi lub wzbogaconymi. Na przykład, w warunkach roboczych, typowych dla przyrządów z kanałem wzbogaconym n, źródło 32 jest uziemione, dren 16 jest pod napięciem 400 V, a bram ka 52 znajduje się pod napięciem zmieniającym się od 0V do 30 V przy częstotliwości rzędu do 100 MHz. Elektroda ekranowa 56 jest utrzymywana na stałym, dodatnim napięciu polaryzacji, porównywalnym lecz zwykle większym od napięcia polazyzacji bramki. W opisanym przykładzie elektroda ekranowa powinna być utrzymywana na napięciu w zakresie od 30 do 60 V. Prąd przepływa przez przyrząd zasadniczo w kierunku pionowym, jak pokazują linie przerywane 60, to znaczy prostopadle do głównych powierzchni 14 i 16, chociaż ma również składową poziomą. Nośniki ładun ków elektrycznych przemieszczają się w kierunku poziomym na odcinku między obszarami 18 źródła, przez części 28 kanału i do wydłużonej części 26 obszaru drenu, następnie w kierunku pionowym przez obszar 22 drenu do drenu30.. Obecność elektrody ekranowej 56 znacznie polepsza własności przyrządu półprzewodnikowego MOS 50. Jak podkreślono powyżej, w znanym przyrządzie półprzewodnikowym MOS 50 bramka 38 pokrywa wydłużoną część 26 obszaru drenu na pierwszej powierzchni 14, tworząc pojemność pasożytniczą sprzężenia zwrotnego Millera w czasie działania przyrządu. W przyrządzie półprzewodnikowym MOS50 pojemność sprzężenia zwrot nego Millera jest zmniejszona do minimum, ponieważ bramki 58 są w istocie usytuowane tylko nad częściami 28 kanału. Chociaż elektroda ekranowa 56 pokrywa wydłużoną część 26 obszaru drenu, jest utrzymywana pod stałym napięciem, anie pod napięciem zmiennym bramki 34 i nie bierze udziału w tworzeniu pojemności sprzężenia zwrotnego. / Ponadto elektroda ekranowa 56 powoduje zmniejszenie do minimum zjawiska załamania się linii przepły wu prądu i zwiększenie poziomu prądu ograniczonego przez ładunek przestrzenny, który może być wprowadzo ny do wydłużonej części 26 obszaru drenu. Załamanie się linii przepływu prądu, któremu towarzyszy zwiększe nie natężenia pola elektrycznego, powstają przy zmianie kierunku przepływu prądu ż poziomego (przez ka nał 28) na pionowy (przez wydłużoną część obszaru 26 drenu). Z największą ostrością* przejawia się to w obsza rach, w których złącza pn 23 wychodzą na pierwszą powierzchnię 14. Prąd ograniczony przez ładunek przes trzenny w wydłużonej części 26 obszaru drenu jest funkcją liczby większościowych nośników ładunków w tym obszarze. W czasie pracy przyrządu półprzewodnikowego MOS 50 obecność elektrody ekranowej 56 nad wydłużonej Części 26 obszaru drenu indukuje stałe pole elektrostatyczne przy powierzchni 14 wydłużonej części 26 obszaru drenu. Pole to przyciąga większościowe nośniki ładunków do tego obszaru, zwiększając przewodność właściwą i wzbogacając prąd ograniczony przez ładunek przestrzenny przy powierzchni 14 wydłużonej części 26 obszaru drenu. Elektroda ekranowa 56 zmniejsza gromadzenie się ładunków w wydłużonej części 26 obszaru drenu w takim stopniu, że wytworzone zostaje pole elektrostatyczne o większym natężeniu niż natężenie pola wytwo rzonego przez zmieniające się napięcie bramki. Wynalazek został opisany w odniesieniu do tranzystora MOS o strukturze pionowej, wytworzonej przy zastosowaniu podwójnej dyfuzji. Jednakże należy zaznaczyć, że wynalazek nie ogranicza się jedynie do takiego przyrządu. Elektroda ekranowa może być zastosowana w strukturach pionowych, rowkowanych z rowkami w kształcie litery V (tranzystory VMOS), jak również w strukturach planarnych MOS. W strukturach VMOS i w strukturach planarnych MOS elektroda ekranowa również pokrywa część wydłużonego obszaru drenu, sąsia dującą z częścią kanału obszaru bazy. Elektroda ta w takich przyrządach będzie również zmniejszała do mini mum pojemność sprzężenia zwrotnego Millera oraz gromadzenie się ładunków elektrycznych w miejscu załama nia się linii przepływu prądu, a przez to będzie powodowała zwiększenie poziomu prądu ograniczonego przez ładunek przestrzenny w obszarze drenu. Zastrzeżenia patentowe 1. Przyrząd MOSFET o strukturze pionowej, zawierający podłoże półprzewodnikowe mające pierwszą usytuowany na drugiej powierzchni i zawierający wydłużoną część rozciągającą się do powierzchni pierwszej.

4 obszar bazy o przewodnictwie drugiego typu, rozciągający się w podłożu od pierwszej powierzchni i ograniczony przez wydłużoną część obszaru drenu, obszar źródła o przewodnictwie pierwszego typu, rozciągający się w podłożu od pierwszej powierzchni w granicach obszaru bazy, część kanału, określoną przy pierwszej powierz chni przez obszar źródła i wydłużoną część obszaru drenu, źródło stykające się z obszarem źródła i obszarem bazy na pierwszej powierzchni, dren stykający się z obszarem drenu na drugiej powierzchni, odizolowaną bramką usytuowaną na pierwszej powierzchni nad częścią kanału i oddaloną od wydłużonej części obszaru drenu, znamienny tym, że zawiera elektrodę ekranową (56) pokrywającą jedynie wydłużoną część (26) obsza ru drenu na pierwszej powierzchni (14). 2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar (22) drenu zawiera planarną część (24) o stosunkowo dużej przewodności właściwej, przylegającą do drugiej powierzchni (16). 3. Przyrząd MOS FET o strukturze pionowej, zawierający podłoże półprzewodnikowe mające pierwszą usytuowany na drugiej powierzchni i zawierający wydłużoną część rozciągającą się do pierwszej powierzchni, parę obszarów bazy o przewodnictwie drugiego typu, rozciągających się w podłożu od pierwszej powierzchni, przy czym obszary bazy są oddalone od siebie przez wydłużoną część obszaru drenu, parę obszarów źródła ^o przewodnictwie pierwszego typu, z których każdy rozciąga się w podłożu od pierwszej powierzchni w grani cach obszaru bazy, parę części kanału, określonych przy pierwszej powierzchni przez parę obszarów źródła i wydłużoną część obszaru drenu pomiędzy nimi, źródło stykające się z obszarem źródła i obszarem bazy na pierwszej powierzchni, dren stykający się z obszarem drenu na drugiej powierzchni, parę odizolowanych bramek usytuowanych na pierwszej powierzchni nad parą części kanału i oddalonych od wydłużonej części drenu, znamienny tym, że zawiera elektrodę ekranową (56) pokrywającą jedynie wydłużoną część (26) obsza ru drenu na pierwszej powierzchni(14k <* 4. Przyrząd według zastrz.3, z r\a mienny tym, że zawiera warstwę tlenku (54) leżącą pod bram ką (52) i elektrodą ekranową (56) i parę źródeł (32) usytuowanych na pierwszej powierzchni. 5. Przyrząd MOSFET o strukturze pionowej, zawierający podłoże półprzewodnikowe mające pierwszą usytuowany na drugiej powierzchni i zawierający wydłużoną część rozciągającą się do pierwszej powierzchni, parę obszarów bazy o przewodnictwie drugiego typu, rozciągających się w podłożu od pierwszej powierzchni, przy czym obszary bazy są oddalone od siebie przez wydłużoną część drenu, parę obszarów źródła o przewod nictwie pierwszego typu, z których każdy rozciąga się w podłożu od pierwszej powierzchni w granicach obszaru bazy, parę części kanału, określonych przy pierwszej powierzchni przez parę obszarów źródła i wydłużoną część obszaru drenu pomiędzy nimi, źródło stykające się z obszarem źródła i obszarem bazy na pierwszej powierzchni, dren stykający się z obszarem drenu na drugiej powierzchni, odizolowaną bramkę usytuowaną na pierwszej powierzchni, nad parą części kanału i oddaloną od wydłużonej części obszaru drenu, znamienny ty m, że zawiera elektrodę ekranową (56) pokrywającą jedynie wydłużoną część (26) obszaru drenu na pier wszej powierzchni (14).

5 Fig. I , \i '. ip 12-»- Nł rt^60 ł ł Fig. 2.