МДП-ТРАНЗИСТОР НА СТРУКТУРЕ КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ

Полезная модель относится к области микроэлектроники и может быть использована при изготовлении интегральных схем на базе структур «кремний на сапфире» (КНС), широко используемых для создания цифровых, цифро-аналоговых и аналого-цифровых КМОП БИС, а также КМОП БИС повышенной надежности и устойчивых к радиационным воздействиям.
Наиболее распространенное применение указанная элементная база получила в специальной радиоэлектронной аппаратуре для космических исследований, радиолокации, связи и телекоммуникаций, ликвидации последствий радиационных и других экологических катастроф, утилизации ядерных и химических отходов, а также в аппаратуре специального и гражданского назначения.
Известен МДП - транзистор на КНС с индуцированным каналом, в котором сформирована дополнительная инверсионная область, делящая канал в приповерхностной области на две части: одна - между истоком и инверсионной областью, другая - между инверсионной областью и стоком. Таким образом, эффективная длина канала уменьшается на длину инверсионной области, что позволяет получать короткоканальные транзисторы. (В.Федоров «За бугром - хуже» в разделе «Комиссионка». Научно-технический журнал «Техника молодежи», 1998 г, №2, стр.42)
Недостатком описанной структуры МДП - транзистора на КНС является сложность воспроизведения геометрических параметров запирающих областей канала и, соответственно, выходных характеристик транзистора при размере канала менее 1,5 мкм, что ухудшает надежность устройства и ограничивает возможности его применения при реализации субмикронных транзисторов с длиной канала менее 1,5 мкм.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является
МОП - полевой транзистор (МОП-ПТ) с индуцированным каналом на базе структуры КНС. (Патент США №4106045, МКИ 2 Н 01 L 29/78, опубл. 08.08.1978 г.)
+
+
МОП - полевой транзистор (МОП-ПТ) с индуцированным каналом на базе структуры КНС содержит планарно сформированные в островке слоя кремния области истока и стока п-типа проводимости, а также расположенную между ними область р-типа проводимости, в которой индуцируется канал. С целью увеличения быстродействия прибора в режиме переключения, в слое кремния у границы с сапфировой подложкой между п-областью истока и р-областью, в которой индуцируется канал, создается р+ - область. Дополнительная р+ - область поддерживает потенциал подложки равным потенциалу истока, тем самым препятствует накоплению дырок в области канала и исключает «кинк эффект».
Недостатком описанной структуры является применение ее только для п-канальных транзисторов. При этом заметного увеличения быстродействия формирование дополнительной р+ - области не обеспечивает, так как эффективная длина канала транзистора не уменьшается.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание МДП-транзистора, структура канала которого позволяет значительно уменьшать его эффективную длину при сохранении размеров затвора и толщины подзатворного диэлектрика.
Поставленная техническая задача решается тем, что в МДП-транзисторе на структуре кремний на сапфире, содержащем сформированные планарно в островке слоя кремния на подложке из сапфира области истока и стока и расположенный между ними канал с изолированным затвором, согласно предложенному изобретению, пограничная с истоком часть канала выполнена из кремния собственного типа проводимости.
Выполнение пограничной с истоком части канала транзистора из кремния собственного типа проводимости, далее которую для краткости можно называть «вставкой», позволяет без изменения размера затвора уменьшать эффективную длину
канала за счет повышенной подвижности и скорости носителей тока в части канала с собственным типом проводимости кремния, обеспечивая при этом высокую надежность воспроизведения запирающей части канала.
Кроме того, отсутствие легирующей примеси в области «вставки» снижает количество центров рассеяния носителей заряда. «Вставка» позволяет также понизить пороговое напряжение транзистора за счет низкой концентрации носителей заряда в области «вставки» и одновременно увеличить подвижность, что резко увеличивает выходные характеристики по току более, чем в 1,5 раза при одинаковом размере длины канала транзистора по затвору.
Кроме того, сохранение размеров затвора за счет выполнения части канала из Si собственного типа проводимости обеспечит получение выходных характеристик короткоканального транзистора при большей толщине подзатворного диэлектрика, что позволит повысить устойчивость к пробою от статического электричества, а также не снижать напряжение питания и тем самым повысить помехозащищенность транзистора.
Техническим результатом от использования предложенной полезной модели является реализация и обеспечение выходных характеристик короткоканального транзистора при относительно больших размерах затвора, что позволяет использовать большую толщину подзатворного диэлектрик, повысить устойчивость к пробою от статического электричества, сохранить прежнее напряжение питания, повысить помехозащищенность транзистора, увеличить выходные характеристики (коэффициент усиления, быстродействие) более чем в 1,5 раза при одинаковом размере длины канала транзистора по затвору за счет увеличения подвижности носителей заряда в области канала транзистора, изготовленного из кремния собственной проводимости и уменьшения эффективной длины канала транзистора. Для достижения вышеописанных технических результатов в стандартном варианте исполнения транзистора (без «вставки» в канале) необходимо было бы уменьшить длину канала транзистора по затвору не менее, чем в 1,3 раза.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг.1 представлена структура р(п) - канального МДП-транзистора на КНС в разрезе;
на фиг.2 приведены выходные вольтамперные характеристики известного п-канального МДП-транзистора на КНС с длиной канала L=1,5 мкм (III) и предлагаемого исполнения п-канального МДП-транзистора на КНС при размерах маскированной области, составляющей 1/2 L канала (I) и 3/4 L канала (II) соответственно.
2
3
2
2
3
4
МДП-транзистор на КНС (фиг.1) содержит подложку 1 из сапфира (АLО); островок полупроводникового кремния (Si) 2 со сформированными в нем сильнолегированными областями 3 и 4, слаболегированными областями 5 и 6 истока и стока соответственно. Между областями 5 и 6 истока и стока расположена область индуцируемого канала 7, который разделен на легированную (запирающую) часть 8 и часть с собственной (i) проводимостью 9. Устройство содержит подзатворный диэлектрик 10, например из двуокиси кремния (SiO); затвор 11, например из легированного поликремния; контактные площадки 12, 13, 14 с выводами к областям 3, 4 истока и стока и к каналу 7 соответственно; межслойную изоляцию 15, например, из слоев двуокиси кремния SiO и нитрида кремния (SiN). Длина канала 7 определяется длиной L затвора 11. Длина l части с собственным типом проводимости 9 канала 7 для р- и п-канальных МДП-транзисторов выбирается с учетом требуемых характеристик р- и п-канальных МДП-транзисторов, в зависимости от режимов работы. Например, в КМОП схеме желательно иметь одинаковый коэффициент усиления. Если используется один тип транзистора, то возможно использование конструкции с максимальным коэффициентом усиления.
Предлагаемый МДП-транзистор на КНС с любым типом канала работает следующим образом. При отсутствии напряжения питания (фиг.1) на затворе 11 канал 7 длиной L запирается в основном его частью 8, поскольку для транзисторов с любым типом канала, часть с собственным типом проводимости 9 в канале 7 имеет пониженное значение порогового напряжения. При подаче смещения на затвор 11 в части 9 канала 7
BX
BX
уже при малых значениях U (например, 1В) из-за малого порогового напряжения благодаря низкой концентрации носителей заряда в этой области наступает заметная инверсия заряда и появляется большое количество носителей тока соответствующего типа. При дальнейшем увеличении входного напряжения на затворе 11 открывается запирающая часть 8 канала 7 и значение тока Iвых достигает практически при пониженном питании (например, ≤ЗВ) таких значений, которые в известных транзисторах (с каналом без пограничной с истоком части собственного типа проводимости) могут не всегда быть достигнуты при U=5В (см. фиг.2). Такие результаты обеспечиваются благодаря повышенной подвижности носителей тока в части 9 канала 7 и малого количества центров рассеяния из-за отсутствия легирующей примеси в части 9 канала, а также существенному уменьшению эффективной длины канала 7, так как запирающей областью в канале 7 является лишь его часть 8, поэтому увеличивается быстродействие прибора, что подтверждено на фиг.2 увеличением крутизны (см. выходные характеристики) вольтамперных характеристик n-канальных МДП-транзисторов предложенной конструкции.
При использовании предлагаемой конструкции р- и п-канальных МДП-транзисторов на КНС достигаются следующие технические преимущества:
1. Увеличивается быстродействие устройства, путем выполнения пограничной с истоком части канала из кремния собственной проводимости за счет повышения подвижности и скорости носителей тока, а также уменьшения эффективной длины канала;
2. Увеличивается коэффициент усиления за счет снижения центров рассеяния и числа столкновений носителей тока с дефектами собственного типа проводимости.
3. Увеличивается надежность и помехозащищенность устройств за счет возможности использования в субмикронных транзисторах подзатворного диэлектрика с большей толщиной оксида кремния, так как предлагаемая конструкция обеспечивает возможность сохранения повышенного напряжения питания.
4. Увеличивается экономичность предлагаемых устройств, поскольку не требуется
больших затрат на модернизацию производственных мощностей для уменьшения проектных норм, а также у потребителей появляется возможность сохранения прежнего напряжения питания в устройствах, так как снижение напряжения питания требует дополнительных затрат.
ус
∧
Установлено, что коэффициент усиления (К) 1,5 для n-канального транзистора с длиной затвора L=1,5 мкм достигается при размере l «вставки», выполненной из Si собственного типа проводимости в части 9 канала 7 равном 1/2 (0,75 мкм) от длины L затвора. Для р-канального транзистора коэффициент усиления 1,5 достигается при размере l части 9 из Si собственного типа проводимости равном 3/4 от длины L затвора (≤1 мкм). Увеличение размера части 9 канала 7 для n-канального транзистора более 1/2 до 3/4 от длины L затвора 11 приводит к увеличению коэффициента усиления до значений 1,8  2. Применение таких n-канальных транзисторов возможно в схемах, когда они не работают в паре с р-канальными транзисторами, чтобы не приводить к нарушению стабильности работы схемы, поэтому, в случае КМОП схем, когда одновременно работают п- и р-канальные транзисторы для n-канальных целесообразно значение £ «вставки» 9 ограничить размером 1/2 L. Размер l части 9 канала 7 равный 3/4 от длины L затвора 11 для р-канального транзистора не ухудшает характеристики р-канального транзистора по входным токам потребления и пробивному напряжению стокового перехода. Для того, чтобы получить одинаковый коэффициент усиления у п- и р-канальных транзисторов с одинаковыми проектными нормами (по затвору) из-за разной подвижности носителей тока (дырок и электронов) для n-канальных транзисторов маскируемая область «вставки» l должная составлять, например 1/2 от области L, а для р-канальных транзисторов маскируемая область «вставки» l должна составлять 3/4 от области L.