DE10004387A1 - CMOS-kompatibler lateraler DMOS-Transistor und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transitors - Google Patents

CMOS-kompatibler lateraler DMOS-Transistor und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transitors

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transistors. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen CMOS-kompatiblen DMOS-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transistors vorzuschlagen, der durch eine geeignete Layoutgestaltung wahlweise für sehr hohe Drainspannungen oder für die Leistungsverstärkung bei sehr hohen Frequenzen ausgelegt werden kann und der mit geringem Zusatzaufwand im Vergleich zu einer üblichen sub-mum-Fertigungstechnologie für CMOS-Schaltkreise herstellbar ist. DOLLAR A Ein Gate-Isolator des erfindungsgemäßen CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors weist unter einem Steuergate im gesamten stromdurchflossenen (aktiven) Bereich eine einheitliche Dicke auf. Unter dem Steuergate ist eine die Transistorschwellspannung bestimmende oberflächennahe Zone mit erhöhter Dotierungskonzentration (Wellbereich) so angeordnet, dass sie die gesamte Fläche unter dem auf aktivem Gebiet liegenden Steuergate einnimmt und innerhalb eines sogenannten Driftraumes zwischen dem Steuergate und einem hochdotierten Draingebiet endet. Die gesamte Oberfläche des Driftraums ist von einer im Vergleich zum hochdotierten Draingebiet niedrig dotierten Zone vom Leitungstyp des Draingebietes (VLDD) bedeckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transistors.
Es sind eine Vielzahl von lateralen DMOS-Transistorkonstruktionen sowohl für den Einsatz als Hochspannungsbauelement mit mehr als 100 V Drainspannung, als auch für die Hochfrequenzleistungsverstärkung bei mittleren Betriebspannungen, z. B. im Bereich zwischen 10 V und 20 V bekannt. Ein bekannter Typ von LDMOS-Konstruktionen verwendet einen abgestuften Gateisolator zur Reduzierung der Feldstärke an der drainseitigen Kante des Steuergates. Ein Beispiel sind die besonders für hohe Drainspannungen geeigneten sogenannten Fieldgap oder Thick-Field-Drift Region Anordnungen, beispielsweise beschrieben in LYoshida u. a., IEDM Tech. Dig. 1997, p. 51-53 sowie in T. R. Efland u. a., IEDM Tech. Dig. 1998, p. 679-­ 682. Letztere Konstruktion ist aber bei typischen Feldoxiddicken von ca. 0,5 µm nicht ohne weiteres skalierbar für sehr hohe Grenzfrequenzen (Länge des Drifigebietes < 0,5 µm für ft < 20 GHz) und nur bedingt kompatibel mit einer standardmäßigen CMOS-Technologie. Trotz zusätzlicher Lackmaske für eine LDD-Implantation unter dem Feldgebiet ist bei modernen Isolationstechniken, z. B. bei der sogenannten "Shallow Trench"-Technologie, die Dotierung der Randbereiche des Feldgebietes problematisch. Andere Konstruktionen verwenden anstelle des normalen dünnen Gate-Dielektrikums der Standardtransistoren einen gesondert erzeugten dickeren Gateisolator für die DMOS-Strukturen im gesamten Steuergatebereich oder in einem Teil desselben, vgl. T. R. Efland u. a., IEDM Tech. Dig. 1998, p. 679-682, was ebenfalls mit einem erheblichen Zusatzaufwand verbunden ist und im ersteren Falle zusätzlich die Sättigungssteilheit der Transistoren verringert. Weitere bekannte Konstruktionen (sogenannte Activgap oder Low Voltage Planar Anordnungen, wie in I. Yoshida u. a., IEDM Tech. Dig. 1997, p. 51-53 und T. R. Efland u. a., IEDM Tech. Dig. 1998, p. 679-682 beschrieben, vermeiden die obengenannten technologischen Nachteile, indem sie im Wesentlichen nur den standardmäßigen CMOS-Prozess zu ihrer Herstellung benötigen, erreichen aber keinen optimalen Kompromiss zwischen der Drain-Durchbruchspannung, dem On-Widerstand (Ron) und der Grenzfrequenz. Insbesondere ist die Gewährleistung einer ausreichenden Langzeitstabilität infolge verstärkter Heißelektroneneffekte durch zu hohe Feldstärken an der drainseitigen Gatekante erschwert. Kürzlich wurde vorgeschlagen, die Dotierung des LDD-Gebiets im Driftraum durch einen sogenannten Splitt-LDD-Prozess abzustufen und dabei die LDD-Dotierung in Nähe der Gatekante soweit zu verringern, dass in diesem Bereich bei hinreichender Drainspannung eine vollständige Verarmung an freien Ladungsträgern erreicht wird und dadurch die Heißelektroneneffekte und die Drain/Gate-Kapazität reduziert werden, vgl. S. Xu u. a., IEDM Tech. Dig. 1999, p. 201-204. Bei diesem Vorschlag ist jedoch in jedem Falle eine zusätzliche Lackmaske im Vergleich zum CMOS-Standardprozess erforderlich. Trotz dieser Maßnahme ist der On-Widerstand Ron durch die notwendigerweise extrem geringe LDD-Dotierung in Drainnähe verhältnismäßig hoch und eine gleichzeitige Realisierung von optimierten HF-DMOS- Transistoren zusammen mit DMOS-Transistoren für sehr hohe Draindurchbruchspannungen und niedrigem On-Widerstand Ron ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die o. g. Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen CMOS-kompatiblen DMOS-Transistor und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Transistors vorzuschlagen, der durch eine geeignete Layoutgestaltung wahlweise für sehr hohe Drainspannungen oder für die Leistungsverstärkung bei sehr hohen Frequenzen ausgelegt werden kann und der mit geringem Zusatzaufwand im Vergleich zu einer üblichen sub-µm- Fertigungstechnologie für CMOS-Schaltkreise herstellbar ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand für eine gegebene Durchbruchspannung den On-Widerstand Ron weiter zu verringern und die gleichzeitige Herstellung optimierter DMOS-Transistoren für höchste Drainspannungen und andererseits für höchste Grenzfrequenzen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Ein Gate-Isolator des erfindungsgemäßen CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors weist unter einem Steuergate im gesamten stromdurchflossenen (aktiven) Bereich eine einheitliche Dicke auf. Unter dem Steuergate ist eine die Transistorschwellspannung bestimmende oberflächennahe Zone mit erhöhter Dotierungskonzentration (Wellbereich) so angeordnet, dass sie die gesamte Fläche unter dem auf aktivem Gebiet liegenden Steuergate einnimmt und innerhalb eines sogenannten Driftraumes zwischen dem Steuergate und einem hochdotierten Draingebiet endet, wobei mindestens der gesamte Halbleiterbereich unmittelbar unter dem hochdotierten Draingebiet eine deutlich geringere Dotierungskonzentration im Vergleich zu der Dotierung im Wellbereich besitzt. Die gesamte Oberfläche des Driftraums ist von einer im Vergleich zum hochdotierten Draingebiet niedrig dotierten Zone vom Leitungstyp des Draingebietes (VLDD) bedeckt, in welcher eine Nettodotierungsmenge von 6 × 1012 cm2 nicht überschritten ist und in welcher die gesamte Oberfläche des Driftraums im Wellbereich bei einer anliegenden Drainspannung, die unter der Durchbruchsspannung des Gate-Isolators liegt, im Wellbereich total an freien Ladungsträgern verarmt ist.
In einer Ausführungsform ist die Dotierung des VLDD-Gebietes auch außerhalb des Driftraums des DMOS-Transistors auf allen nicht von dem Steuergate bedeckten Teilflächen der aktiven, von Feldoxid freien Gebiete vorhanden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Nettodotierungsmenge im VLDD-Gebiet im Wellbereich in Nähe der drainseitigen Kante des Steuergates höher als außerhalb des Wellbereichs in unmittelbarer Nähe des hochdotierten Draingebietes.
Zur Herstellung eines derartigen CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors wird das VLDD-Gebiet großflächig durch eine Ionenimplantation dotiert.
In einer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens erfolgt die Ionen-Implantation zur Dotierung mindestens eines Teiles des VLDD-Gebietes durch eine Lackmaske.
Weiterhin wird die Herstellung des VLDD-Gebiets durch die Kombination einer durch eine Lackmaske maskierten und einer großflächigen Ionenimplantation so erfolgen, dass bei der maskierten Ionenimplantation der unmittelbar an das hochdotierte Draingebiet angrenzende Bereich des Driftraumes abgedeckt wird.
Zur Maskierung der Dotierung des Wellbereichs ist die benutzte Lackmaske innerhalb des Driftraumes an einer Maskenkante und/oder in der Nähe derselben mit kleinstmöglichen Perforationen versehen, wobei die Implantationsenergie und die nach der Implantation wirksame Wärmebelastung für den Wellbereich so gewählt sind, dass die Eindringtiefe des Wellbereichs im Gebiet des Driftraumes mit den Abmessungen der Perforationen mindestens vergleichbar ist. In einer speziellen Ausführungsform werden der Gate-Isolator, das Steuergate, der Sourcebereich und die unmittelbar unter dem Steuergate liegende, die Schwellspannungen und andere die Transistoreigenschaften bestimmende Zonen mit erhöhter Dotierungskonzentration (Wellbereich) des DMOS-Transistors gemeinsam mit den entsprechenden Bestandteilen von auf dem gleichen Halbleitersubstrat integrierten MOS-Transistoren für vergleichsweise niedrige Betriebsspannungen erzeugt und weisen die gleichen Parameter auf wie die MOS-Transistoren. Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird.

Claims (8)

1. CMOS-kompatibler lateraler DMOS-Transistor, bei welchem ein Gate-Isolator unter einem Steuergate im gesamten stromdurchflossenen (aktiven) Bereich eine einheitliche Dicke aufweist dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Steuergate eine die Transistorschwellspannung bestimmende oberflächennahe Zone mit erhöhter Dotierungskonzentration (Wellbereich) so angeordnet ist, dass sie die gesamte Fläche unter dem auf aktivem Gebiet liegenden Steuergate einnimmt und innerhalb eines sogenannten Driftraumes zwischen dem Steuergate und einem hochdotierten Draingebiet endet, wobei mindestens der gesamte Halbleiterbereich unmittelbar unter dem hochdotierten Draingebiet eine deutlich geringere Dotierungskonzentration im Vergleich zu der Dotierung im Wellbereich besitzt und dass die gesamte Oberfläche des Driftraums von einer im Vergleich zum hochdotierten Draingebiet niedrig dotierten Zone vom Leitungstyp des Draingebietes (VLDD) bedeckt ist, in welcher eine Nettodotierungsmenge von 6.1012/cm2 nicht überschritten ist und in welcher die gesamte Oberfläche des Driftraums im Wellbereich bei einer anliegenden Drainspannung, die unter der Durchbruchsspannung des Gate-Isolators liegt, im Wellbereich total an freien Ladungsträgern verarmt ist.
2. CMOS-kompatibler lateraler DMOS-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des VLDD-Gebietes auch außerhalb des Driftraums des DMOS- Transistors auf allen nicht von dem Steuergate bedeckten Teilflächen der aktiven, von Feldoxid freien Gebiete vorhanden ist.
3. CMOS-kompatibler lateraler DMOS-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nettodotierungsmenge im VLDD-Gebiet im Wellbereich in Nähe der drainseitigen Kante des Steuergates höher ist als außerhalb des Wellbereichs in unmittelbarer Nähe des hochdotierten Draingebietes.
4. Verfahren zur Herstellung eines CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors, im Wesentlichen wie im Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass das VLDD- Gebiet großflächig durch eine Ionenimplantation dotiert wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors, im Wesentlichen wie im Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen­ implantation zur Dotierung mindestens eines Teiles des VLDD-Gebietes durch eine Lackmaske erfolgt.
6. Verfahren zur Herstellung eines CMOS-kompatiblen lateralen DMOS-Transistors, im wesentlichen wie im Anspruch 3 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, dass das VLDD- Gebiet durch die Kombination einer durch eine Lackmaske maskierten und einer großflächigen Ionenimplantation so erfolgt, dass bei der maskierten Ionenimplantation der unmittelbar an das hochdotierte Draingebiet angrenzende Bereich des Driftraumes abgedeckt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Maskierung der Dotierung des Wellbereichs benutzte Lackmaske innerhalb des Driftraumes an einer Maskenkante und/oder in der Nähe derselben mit kleinstmöglichen Perforationen versehen ist, wobei die Implantationsenergie und die nach der Implantation wirksame Wärmebelastung für den Wellbereich so gewählt sind, dass die Eindringtiefe des Wellbereichs im Gebiet des Driftraumes mit den Abmessungen der Perforationen mindestens vergleichbar ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Isolator, das Steuergate, der Sourcebereich und die unmittelbar unter dem Steuergate liegende, die Schwellspannungen und andere die Transistoreigenschaften bestimmende Zone mit erhöhter Dotierungskonzentration (Wellbereich) des DMOS- Transistors gemeinsam mit den entsprechenden Bestandteilen von auf dem gleichen Halbleitersubstrat integrierten MOS-Transistoren für vergleichsweise niedrige Betriebsspannungen erzeugt werden und die gleichen Parameter aufweisen wie die MOS- Transistoren.
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