мощный свч мдп - транзистор
Классы МПК: | H01L29/78 с полевым эффектом, создаваемым при помощи изолированного затвора |
Автор(ы): | Бачурин В.В., Бычков С.С. |
Патентообладатель(и): | Государственное унитарное предприятие "Научно- производственное предприятие "Пульсар" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-06-25 публикация патента:
27.12.2002 |
Использование: в электронной полупроводниковой технике, в частности при конструировании мощных кремниевых МДП-транзисторов, предназначенных для усиления и генерирования мощности в ВЧ и СВЧ-диапазоне длин волн. Сущность изобретения: в конструкции мощного СВЧ МДП-транзистора, содержащего полупроводниковую подложку с высокоомным и высоколегированным слоями первого типа проводимости, элементарные транзисторные ячейки с истоковой областью второго типа проводимости, стоковой областью второго типа проводимости, канальной областью первого типа проводимости в объеме высокоомного слоя подложки и металлическими электродами стока, истока, затвора на его лицевой поверхности, V-образные канавки в высокоомном слое подложки, металлические шины, соединяющие электроды истока транзисторных ячеек через канавки с высоколегированным слоем подложки, общий металлический электрод истока на тыльной стороне высоколегированного слоя подложки, канавки сформированы непосредственно в истоковых областях транзисторных ячеек и выполнены с углом наклона боковых стенок канавок по отношению к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки 50. ..70o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90o в его нижней части, а наклонные и вертикальные боковые стенки канавок сопряжены между собой в плоскости, отстоящей от лицевой поверхности высокоомного слоя подложки на расстоянии 0,5...0,7 толщины высокоомного слоя подложки. В высокоомном слое подложки вдоль вертикальных боковых стенок канавок сформированы дополнительные высоколегированные области первого типа проводимости. Техническим результатом изобретения является улучшение частотных свойств и энергетических параметров мощных генераторных МДП-транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Мощный СВЧ МДП-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с высокоомным и высоколегированным слоями первого типа проводимости, элементарные транзисторные ячейки с истоковой областью второго типа проводимости, стоковой областью второго типа проводимости, канальной областью первого типа проводимости в объеме высокоомного слоя подложки и металлическими электродами стока, истока, затвора на его лицевой поверхности, V-образные канавки в высокоомном слое подложки, металлические шины, соединяющие электроды истока транзисторных ячеек через канавки с высоколегированным слоем подложки, общий металлический электрод истока на тыльной стороне высоколегированного слоя подложки, отличающийся тем, что канавки сформированы непосредственно в истоковых областях транзисторных ячеек и выполнены с углом наклона боковых стенок канавок по отношению к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки 50. . . 70o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90o в его нижней части, а наклонные и вертикальные боковые стенки канавок сопряжены между собой в плоскости, отстоящей от лицевой поверхности высокоомного слоя подложки на расстоянии 0,5. . . 0,7 толщины высокоомного слоя подложки. 2. Мощный СВЧ МДП-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что в высокоомном слое подложки вдоль вертикальных боковых стенок канавок сформированы дополнительные высоколегированные области первого типа проводимости.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности к конструкциям мощных кремниевых МДП-транзисторов, предназначенных для усиления и генерирования мощности в ВЧ и СВЧ-диапазоне длин волн. Известен мощный кремниевый n-канальный СВЧ МДП-транзистор японской фирмы "Fujitsu" (статья Y. Morita, H. Takahashi, H. Matayoshi, M. Fukuta"Si UHF MOS High-Power FET"-IEEE Transactions on Electron Devices, 1974, v. ED-26, 11, p. 733-734), включающий в себя: кремниевую подложку с высокоомным и высоколегированным слоями р-типа проводимости; элементарные транзисторные ячейки с n+-истоковой и n-n+-стоковой областями в объеме высокоомного слоя подложки и металлическими электродами стока, истока, затвора на его лицевой поверхности; сквозные диффузионные р+-перемычки в высокоомном слое подложки, соединяющие электроды истока транзисторных ячеек с высоколегированным слоем подложки, выполняющим в транзисторе функции общей области истока; общий металлический электрод истока на тыльной стороне высоколегированного слоя подложки. К недостаткам данной конструкции следует отнести сложность реализации малых (порядка 1....1,5 мкм) длин индуцированного канала и обеспечения нормально закрытого состояния прибора при нулевом напряжении на затворе. Известен мощный кремниевый n-канальный СВЧ МДП-транзистор фирмы "Ericsson" (каталог фирмы "RF power transistors", June 1997, р. 733-734), в котором указанные выше недостатки устранены за счет изменения конфигурации стоковой n-n+-области транзисторных ячеек и введения в их структуру дополнительной р-канальной области с повышенной по сравнению с высокоомным слоем подложки концентрацией акцепторных примесей. Однако в обоих этих приборах- аналогах наиболее сильное негативное влияние на конечные электрические параметры оказывают соединительные диффузионные р+-перемычки. Действительно, входя в состав каждой элементарной транзисторной ячейки и обладая при этом приличными габаритными размерами (не менее чем в 1...1,6 раза превосходящими толщину высокоомного слоя подложки) и заметным омическим сопротивлением, соединительные диффузионные р+-перемычки вносят существенный дополнительный вклад в шаг структуры и в общее сопротивление истока, а это в свою очередь приводит к увеличению общей площади транзисторной структуры, возрастанию ее межэлектродных емкостей, снижению рабочего тока стока, и, как результат, к ухудшению частотных и энергетических параметров прибора. Кроме того, процесс формирования диффузионных р+-перемычек сопровождается нежелательным перераспределением легирующих примесей в кремниевой р-р+-подложке, что также следует отнести к недостаткам вышеупомянутых конструкций. В качестве прототипа выбрана конструкция СВЧ мощного кремниевого МДП-транзистора, в которой электроды истока элементарных транзисторных ячеек соединены с высоколегированным слоем подложки посредством дополнительных металлических шин, проходящих через сквозные V-образные канавки, сформированные в высокоомном слое подложки за пределами истоковых областей транзисторных ячеек напротив одного из их торцов (статья "А 2,45 GHz power LD-MOSFET with reduced source inductance by V-groove connections" в сборнике "International Electron Devices Meeting", Washington, 1985, December 1-4, p. 166-169). В прототипе, также как и в приборах-аналогах, высоколегированный слой подложки выполняет функции общей области истока, а металлические электроды стока, истока и затвора элементарных транзисторных ячеек выполнены в виде узких продольных полос. Отсутствие в прототипе соединительных диффузионных р+-перемычек автоматически устраняет и связанные с ними недостатки. Однако и сама конфигурация канавок и их местоположение в транзисторной структуре прототипа обуславливают:- относительно большие размеры основания канавок (10 мкм

- удлинение металлических шин, соединяющих электроды стока элементарных транзисторных ячеек с общими контактными площадками стока, предназначенными для присоединения к транзисторной структуре внешних проволочных выводов;
- удлинение металлических шин, соединяющих электроды истока элементарных транзисторных ячеек с нижним высоколегированным слоем подложки;
- увеличение общей площади транзисторной структуры и возрастание ее межэлектродных емкостей;
- неравномерную передачу потенциала от общего металлического электрода истока, размещенного на тыльной стороне высоколегированного слоя подложки, к различным участкам истокового электрода элементарных транзисторных ячеек;
- и, как результат, ухудшение частотных свойств и энергетических параметров прибора. Целью настоящего изобретения является улучшение частотных свойств и энергетических параметров прибора. Поставленная цель достигается тем, что в известной конструкции мощного СВЧ МДП-транзистора, содержащего полупроводниковую подложку с высокоомным и высоколегированным слоями первого типа проводимости, элементарные транзисторные ячейки с истоковой областью второго типа проводимости, стоковой областью второго типа проводимости, канальной областью первого типа проводимости в объеме высокоомного слоя подложки и металлическими электродами стока, истока, затвора на его лицевой поверхности, V-образные канавки в высокоомном слое подложки, металлические шины, соединяющие электроды истока транзисторных ячеек через канавки с высоколегированным слоем подложки, общий металлический электрод истока на тыльной стороне высоколегированного слоя подложки, канавки сформированы непосредственно в истоковых областях транзисторных ячеек и выполнены с углом наклона боковых стенок канавок по отношению к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки 50...70o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90o в его нижней части, а наклонные и вертикальные боковые стенки канавок сопряжены между собой в плоскости, отстоящей от лицевой поверхности высокоомного слоя подложки на расстоянии 0,5...0,7 толщины высокоомного слоя подложки, и, кроме того, в высокоомном слое подложки вдоль вертикальных боковых стенок канавок сформированы дополнительные высоколегированные области первого типа проводимости. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая конструкция отличается: новым местоположением канавок в активной области транзисторной структуры; новой конфигурацией канавок; новым, строго регламентированным, профилем боковых стенок канавок; наличием в транзисторной структуре дополнительных диффузионных областей, размещенных вдоль вертикальных боковых стенок канавок. Таким образом, заявляемая конструкция соответствует критерию изобретения "новизна". Размещение канавок непосредственно в истоковых областях элементарных транзисторных ячеек позволяет:
- уменьшить протяженность и индуктивность металлических шин, соединяющих электроды истока элементарных ячеек через канавки с нижним высоколегированным слоем подложки, выполняющим в транзисторной структуре (чипе, кристалле) функции общей области истока;
- уменьшить протяженность и индуктивность металлических щин, соединяющих электроды стока элементарных ячеек с общими контактными площадками стока, предназначенными для присоединения к транзисторной структуре внешних проволочных выводов;
- сократить общую площадь транзисторной структуры и уменьшить значения ее межэлектродных паразитных емкостей;
- обеспечить равномерную передачу потенциала от общего электрода истока через высоколегированный слой подложки и укороченные соединительные металлические шины, размещенные в канавках, одновременно ко всем точкам истоковых электродов элементарных транзисторных ячеек. Результатом перечисленных выше конструктивных изменений является улучшение частотных и энергетических параметров прибора. Новая конфигурация канавок обеспечивает возможность реализации перечисленных выше преимуществ заявляемой конструкции. Действительно, как будет показано ниже в примере, при регламентируемом формулой изобретения профиле боковых стенок канавок их поперечное сечение у лицевой поверхности высокоомного слоя подложки сужается в 1,5...2 раза по сравнению с идентичными по глубине и размерам дна V-образными канавками, используемыми в прототипе, и такие модернизированные канавки уже можно топологически вписать непосредственно в места дислокации истоковых областей элементарных транзисторных ячеек практически без изменения шага структуры. При наклоне боковых стенок канавок по отношению к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки под углом





1 - полупроводниковая подложка;
2 - высокоомный слой подложки;
3 - высоколегированный слой подложки;
4 - истоковые области элементарных транзисторных ячеек;
5 - стоковые области элементарных транзисторных ячеек;
6 - канальные области элементарных транзисторных ячеек;
7 - высоколегированные шунтирующие прослойки в транзисторных ячейках;
8 - изолятор затвора (подзатворный диэлектрик);
9 - электрод затвора элементарных транзисторных ячеек;
10 - истоковый электрод элементарных транзисторных ячеек;
11 - стоковый электрод элементарных транзисторных ячеек;
12 - канавки в высокоомном слое подложки;
13 - наклонные боковые стенки канавок;
14 - вертикальные боковые стенки канавок;
15 - плоскость сопряжения наклонных и вертикальных боковых стенок канавок;
16 - дно канавок;
17 - металлические шины, соединяющие истоковые электроды элементарных транзисторных ячеек с высоколегированным слоем подложки;
18 - общий электрод истока транзисторной структуры;
19 - дополнительные высоколегированные области вдоль вертикальных боковых стенок канавок;
20 - индуцированный канал;
21 - профиль боковых стенок канавок в прототипе;
hp- - толщина высокоомного слоя подложки;
Lк - длина индуцированного канала;
Нк - глубина канавок;
dм - расстояние между вертикальными боковыми стенками канавок;
Dк - расстояние между наклонными боковыми стенками канавок в плоскости, совпадающий с лицевой поверхностью транзисторной структуры (ширина основания канавок в направлении оси х);
Yсопр - расстояние между лицевой поверхностью транзисторной структуры и плоскостью сопряжения наклонных и вертикальных боковых стенок канавок;
Yjp - глубина залегания канальных областей элементарных транзисторных ячеек в высокоомном слое подложки;


а - отклонение линии сопряжения наклонных боковых стенок канавок с лицевой поверхностью транзисторной структуры от вертикали в заявленном мощном СВЧ МДП-транзисторе;
б - отклонение линии сопряжения боковых стенок канавок с лицевой поверхностью транзисторной структуры от вертикали в прототипе. ПРИМЕР
На основе предложенной конструкции были разработаны и изготовлены экспериментальные образцы мощных кремниевых n-канальных МДП-транзисторов с шагом структуры 27 мкм (в данном случае под шагом структуры подразумевается расстояние между центрами истоковых или стоковых областей элементарных ячеек) и длиной индуцированного канала Lк=0,9...0,95 мкм, рассчитанных на работу при напряжении питания по стоку Uc пит=28...35 В на частотах до 2,0.. . 2,5 ГГц и прототипа с аналогичным шагом структуры и длиной индуцированного канала. Те и другие приборы изготавливались одновременно в едином технологическом процессе с использованием в качестве исходного материала ориентированных по плоскости (100) кремниевых р-р+-подложек с толщиной и удельным сопротивлением высокоомного эпитаксиального р- - слоя соответственно hp-=7 мкм и












Истоковые (5) и стоковые (6) области элементарных ячеек в заявляемом СВЧ МДП-транзисторе и прототипе создавались имплантацией ионов мышьяка в подложку, а канальные р+ - области (6) и шунтирующие р+ - прослойки (7) - имплантацией ионов бора. Дополнительные высоколегированные р+ - области (19) вдоль вертикальных боковых стенок канавок в предложенной конструкции также формировались имплантацией ионов бора с последующей диффузионной разгонкой внедренной примеси при повышенной температуре. Изолятор затвора (8) толщиной 0,16...0,18 мкм создавался посредством термического окисления кремния в среде сухого кислорода и паров воды при температуре 950o с последующей пассивацией образовавшегося окисла фосфорно-силикатным стеклом. Электроды затвора (9) элементарных ячеек в виде металлических полосков шириной 2...2,5 мкм, толщиной 0,2 мкм и длиной 60 мкм в заявляемой конструкции и 40 мкм в прототипе формировались из магнетронного молибдена методом фотолитографии. Канавки (12) в заявляемом СВЧ МДП-транзисторе с наклонными (13) и вертикальными (14) боковыми стенками, сопряженными в плоскости (15), создавались методом ионно-плазменного травления кремния. В прототипе канавки с однородными боковыми стенками, наклоненными к лицевой поверхности транзисторной структуры под углом

- в предложенной транзисторной структуре реализуется в 1,5 раза большая суммарная ширина канала (протяженность затвора), в 1,6 раза более высокая крутизна характеристики S, в 1,2 раза более высокое отношение крутизны к входной емкости (S/С11и), в 1,3 раза более высокое отношение крутизны к сумме входной, проходной и выходной емкостей (S/(С11и+C12и+С22и)) по сравнению с прототипом;
- образцы транзисторов предложенной конструкции отдают в нагрузку в непрерывном режиме в 1,5 раза более высокую мощность Рвых, обладая при этом в 1,55 раза более высоким коэффициентом усиления по мощности Кур и приблизительно в 1,47 раза более высоким коэффициентом полезного действия стоковой цепи


а) в возможности создания мощных генераторных МДП-транзисторов с улучшенными частотными и энергетическими параметрами;
б) в возможности уменьшения размеров транзисторной структуры и увеличения таким образом количества кристаллов на пластине при идентичных уровнях отдаваемой в нагрузку мощности;
в) в возможности создания нового поколения мощных генераторных МДП-транзисторов L и S - диапазона частот, открывающих новые перспективы в решении важнейших задач комплексной микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры, улучшении ее технико-экономических и массогабаритных характеристик, в решении проблемы электромагнитной совместимости радиосредств, работающих в условиях ограниченного пространства в сложной помеховой обстановке. Источники информации
1 Si UHF MOS high power FET - журнал "IEEE Transactions on Electron Devices", 1974, ED-21, N 11, p. 733-734 (аналог). 2. RF power transactions - каталог фирмы "Ericsson", June 1997, р.733 - 734 (аналог). 3. А 2,45 GHz power LD - MOSFET with reduced source inductance by V-groove connections - сборник статей "International Electron Devices Meeting". 1985, December 1-4, р. 166-169 (прототип).
Класс H01L29/78 с полевым эффектом, создаваемым при помощи изолированного затвора