Патент на изобретение №2195747

(54) МОЩНЫЙ СВЧ МДП – ТРАНЗИСТОР

(57) Реферат:

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. ..70^o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90^o 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.

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 мкм15 мкм), и, по этой причине, нецелесообразность их размещения непосредственно в активной зоне элементарных транзисторных ячеек;
– 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…70^o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90^o 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 <50^o поперечное сечение канавок у лицевой поверхности транзисторной структуры заметно возрастает и становится уже сопоставимым с размерами V-образных канавок, используемых в прототипе. При этом будет существенно возрастать шаг структуры со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, о которых говорилось выше. До неприемлемых размеров возрастет шаг структуры и при сопряжении наклонных и вертикальных боковых стенок канавок в плоскости, отстоящей от лицевой поверхности транзисторной структуры на расстоянии, превышающем 0,7 толщины высокоомного слоя подложки даже при наиболее оптимальном значении угла 60..65⁰.

При наклоне боковых стенок канавок под углом >70^o к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки возникает вероятность проявления “теневого эффекта” при напылении металла на крутые боковые стенки канавок, что может привести к обрыву соединительных металлических шин в канавках, а также к недостаточно плотному контактированию истоковых электродов транзисторных ячеек с высоколегированными шунтирующими прослойками. Кроме того, при значении угла >70^o заметно уменьшается и площадь контактирования истоковых электродов с шунтирующими прослойками, что в совокупности может привести к недостаточно эффективной нейтрализации в заявляемом мощном СВЧ МДП-транзисторе сопутствующей паразитной биполярной структуры, и, как результат, к снижению эксплутационной надежности прибора.

При сопряжении наклонных и вертикальных боковых стенок канавок в плоскости, отстоящей от лицевой поверхности транзисторной структуры на расстоянии меньше 0,5 толщины высокоомного слоя подложки, возникают проблемы с заполнением металлом нижних частей канавок и возможны обрывы соединительных металлических шин на вертикальных стенках канавок.

Дополнительные высоколегированные области первого типа проводимости, расположенные в заявляемом мощном СВЧ МДП-транзисторе вдоль вертикальных боковых стенок канавок, предназначены для формирования высококачественного омического контакта между соединительными металлическими шинами и высокоомным слоем подложки по всей площади боковых стенок канавок, способствуя тем самым более полной нейтрализации сопутствующей паразитной биполярной структуры, а следовательно, улучшению эксплуатационной надежности прибора. Кроме того, данные области могут сохранить работоспособность заявляемой транзисторной структуры даже в случае возникновения обрывов соединительных металлических шин на вертикальных стенках канавок.

В предлагаемом изобретении новая конфигурация канавок, новое топологическое построение транзисторной структуры, наличие дополнительных высоколегированных областей, размещенных вдоль вертикальных боковых стенок канавок, обеспечивают возможность создания мощных генераторных МДП-транзисторов, обладающих по сравнению с прототипом и аналогами с расширенными функциональными возможностями – более высоким усилением, более качественными частотными и энергетическими параметрами, более высокой эксплуатационной надежностью, то есть проявляет новое техническое свойство. Следовательно заявляемая конструкция соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Данное изобретение также существенно, так как оно обеспечивает значительный технический эффект, заключающийся в возможности создания нового поколения СВЧ мощных генераторных МДП-транзисторов с рабочими частотами до 2… 3 ГГц и отдаваемыми в нагрузку мощностями до 100…150 Вт, 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.

На фигурах 1 и 2 изображены поперечное сечение структуры заявляемого мощного СВЧ МДП-транзистора и фрагмент поперечного сечения заявляемой транзисторной структуры согласно изобретению, где введены следующие обозначения:
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;
h_p- – толщина высокоомного слоя подложки;
L_к – длина индуцированного канала;
Н_к – глубина канавок;
d_м – расстояние между вертикальными боковыми стенками канавок;
D_к – расстояние между наклонными боковыми стенками канавок в плоскости, совпадающий с лицевой поверхностью транзисторной структуры (ширина основания канавок в направлении оси х);
Y_сопр – расстояние между лицевой поверхностью транзисторной структуры и плоскостью сопряжения наклонных и вертикальных боковых стенок канавок;
Y_jp – глубина залегания канальных областей элементарных транзисторных ячеек в высокоомном слое подложки;
– угол между наклонными боковыми стенками канавок и лицевой поверхностью транзисторной структуры;
^* – угол наклона боковых стенок канавок к лицевой поверхности транзисторной струкруры в прототипе (54^o44′);
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 L_к=0,9…0,95 мкм, рассчитанных на работу при напряжении питания по стоку U_{c 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 h_p-=7 мкм и _p-= 15 Омсм. Конструктивно-технологические особенности заявляемой транзисторной структуры и прототипа представлены в таблице 1. Разработка конструкции и топологии структуры проводилась на основе предварительно выполненных расчетов, результаты которых приведены в таблице 2. Учитывая, что при оптимальных для приборов данного класса значениях h_p-=7 мкм, Н_к=1,0… 1,1 h_p-, d_м=30,1 мкм, реализация шага структуры в 27 мкм возможна лишь при ширине основания канавок D_к8,0…8,5 мкм, a D_к=2а+d (см. фиг.2), то для формирования канавок с D_к<8,5 мкм линия сопряжения их боковых стенок с лицевой поверхностью транзисторной структуры не должна отклоняться от вертикали на расстояние а>2,6 мкм. Представленные в таблице 2 данные (очерченные контуром) наглядно показывают, что значение параметра а>2,6 мкм как раз и достигается при наклоне боковых стенок канавок к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки под углом =50…70^o и сопряжении наклонных и вертикальных боковых стенок канавок на уровне У_сопр=0,5…0,7 h_p- от лицевой поверхности транзисторной структуры. Наименьший шаг структуры реализуется при 70^o и У_сопр=0,5h_p-.

В прототипе боковые стенки канавок выполнены однородными и наклонены к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки под углом ^*=54^o44′. Ширина основания канавок в этом случае при тех же значениях h_p-=6…8 мкм, Н_к=1,0.. . 1,1 h_p-, d_g= d_м=3 мкм (ширина дна канавки в направлении оси х на фиг.2 ) будет равна: D_к=2b+d_g2(h_p-/tg)+313…14 мкм. При шаге структуры 27 мкм вписать такие канавки непосредственно в места дислокации истоковых областей элементарных ячеек не представляется возможным,
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 950^o 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 ^*= 54^o44′, формировались за пределами истоковых п⁺ – областей элементарных ячеек методом анизотропного травления кремния в щелочном растворе (КОН + изопропиловый спирт + H₂O). Электроды истока (10), стока (11) элементарных ячеек, соединительные шины (17) и контактные площадки стока и затвора изготавливались методом фотолитографии из предварительно нанесенного на лицевую поверхность высокоомного слоя подложки слоя алюминия толщиной 0,8…1,0 мкм или из трехслойного металлического покрытия Ti-Pt-Au. Общий электрод истока (18) формировался при напайке транзисторной структуры (кристалла) на теплоотводящую поверхность металлического корпуса КТ-55 с помощью золотой прокладки толщиной 20 мкм при температуре 400…430^oС. Канал п типа проводимости (20) индуцировался на торцах р-канальных областей (6), примыкающих к лицевой поверхности транзисторной структуры, при подаче положительного напряжения на электрод затвора.

Электрические параметры изготовленных приборов представлены в таблице 3. Анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 3, показывает, что при одинаковых длинах индуцированного канала, шаге структуры, размерах кристалла, количествах и размерах контактных площадок стока и затвора на кристалле:
– 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+C_12и+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 _c, то есть лучшими частотными и энергетическими параметрами по сравнению с прототипом. Более высокие значения Кур, _c, S/С_11и, S/(С_11и+С_12и+С_22и) в предложенной конструкции как раз и обеспечиваются их меньшей протяженностью и индуктивностью металлических шин, соединяющих электроды истока элементарных ячеек с нижним высоколегированным слоем подложки, меньшей протяженностью и индуктивностью металлических шин, соединяющих электроды стока элементарных ячеек с общими контактными площадками стока, более равномерной передачей потенциала от общего электрода истока к истоковым электродам элементарных ячеек.

Технико-экономическая эффективность предложенной констукции по сравнению с прототипом состоит:
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).

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. . . 70^o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90^o 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.

РИСУНКИ