DE102016100019A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Bei einigen Ausführungsformen weist ein Halbleiter-Bauelement einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor auf. Der erste Transistor weist einen ersten Source-Bereich in einem ersten Volumenbereich, der eine erste Konzentration hat, und ein erstes Gate auf. Der zweite Transistor weist einen zweiten Source-Bereich in einem zweiten Volumenbereich auf, der eine zweite Konzentration hat, die höher als die erste Konzentration ist. Der zweite Source-Bereich ist mit dem ersten Source-Bereich und dem ersten Gate verbunden.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Heutzutage ist auf Grund der raschen Entwicklung in der Mikroelektronik das Projektieren von Elektroanlagen komplizierter geworden. Es gibt zwei Hauptarten von geregelten Stromversorgungen, und zwar die Schaltmodus-Stromversorgung und die lineare Stromversorgung. Da die Schaltmodus-Stromversorgung effizienter als die lineare Stromversorgung ist, ist die Schaltmodus-Stromversorgung populär geworden und findet breite Anwendung in elektronischen Geräten, wie etwa Personal Computern.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Klarheit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
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1 ist ein Schaltplan gemäß einigen Ausführungsformen. -
2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen. - Die
3A bis3J sind Schaubilder, die ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigen. -
4A ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. -
4B ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. -
5 ist eine schematische Darstellung, die die Ergebnisse der Simulation mit einer Schaltung mit und ohne das in1 gezeigte Umleitungselement zeigt. - Detaillierte Beschreibung
- Die nachstehende Beschreibung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereit. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt ausgebildet werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so ausgebildet werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
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1 ist ein Schaltplan einer Schaltung10 gemäß einigen Ausführungsformen. In1 arbeitet die Schaltung10 in einer Stromdomäne, die zwischen einer Stromquelle VDD und einer Bezugsmasse GND, zum Beispiel dem Erdpegel, definiert ist. Die Schaltung10 weist eine Stromversorgungsschaltung11 und ein Umleitungselement19 auf. Die Stromversorgungsschaltung11 ist so konfiguriert, dass sie den Speisestrom VDD in eine Spannung Vout an einem Ausgang umwandelt, und das Umleitungselement19 ist so konfiguriert, dass es den Strom zu dem Ausgang leitet, wie später näher beschrieben wird. - Die Stromversorgungsschaltung
11 weist einen ersten Transistor M1, einen zweiten Transistor M2, einen Induktor12 , einen Kondensator14 und einen Gate-Treiber16 auf. Der Gate-Treiber16 funktioniert so, dass er ein Impulssignal an ein Gate jeweils des ersten Transistors M1 und des zweiten Transistors M2 ausgibt, um ihren Leitungszustand umzuschalten. Der Spannungspegel der Spannung Vout kann von der Einschaltdauer des Impulssignals abhängig sein. - Das Gate des ersten Transistors M1 ist mit dem Gate-Treiber
16 verbunden. Die Source des ersten Transistors M1 empfängt die Versorgungsspannung VDD. Der Drain des ersten Transistors M1 ist mit einem Ende des Induktors12 verbunden. Der erste Transistor M1 in der vorliegenden Ausführungsform ist ein PMOS-Transistor (PMOS: p-type metal-oxide semiconductor; p-Metall-Oxid-Halbleiter). - Das Gate des zweiten Transistors M2 ist mit dem Gate-Treiber
16 verbunden. Der Drain des zweiten Transistors M2 ist mit dem Drain des ersten Transistors M1 sowie mit einem Ende des Induktors12 verbunden. Die Source des zweiten Transistors M2 ist mit der Bezugsmasse GND verbunden. Die Body-Diode18 hat eine Anode, die mit der Source des zweiten Transistors M2 verbunden ist, und eine Katode, die mit dem Drain des zweiten Transistors M2 verbunden ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Transistor M2 ein NMOS-Transistor (NMOS: n-type metal-oxide semiconductor; n-Metall-Oxid-Halbleiter). Bei einigen Ausführungsformen ist der zweite Transistor M2 ein seitlich ausdiffundierter MOS-Transistor (laterally diffused MOS; LDMOS). - Das Umleitungselement
19 , das zwischen den Drain des zweiten Transistors M2 und die Bezugsmasse GND geschaltet ist, ist so konfiguriert, dass es den Strom von der Bezugsmasse GND zu dem Induktor12 und dem Kondensator14 umleitet. Das Umleitungselement19 weist einen dritten Transistor Mb auf. Der Drain D des dritten Transistors Mb ist mit dem Drain des zweiten Transistors M2 verbunden. Das Gate G des dritten Transistors Mb ist mit der Bezugsmasse GND verbunden. Die Source S des dritten Transistors Mb ist mit der Bezugsmasse GND sowie mit dem Gate G verbunden. Dadurch ist der dritte Transistor Mb ein Dioden-verbundener Transistor. Da die Gate-Source-Spannung (VGS) des dritten Transistors Mb im Wesentlichen gleich null ist und somit kleiner als sein Spannungsgrenzwert ist, wird der dritte Transistor Mb in einem ausgeschalteten (nicht leitenden) Zustand gehalten. Insbesondere arbeitet der dritte Transistor Mb in einem Bereich unterhalb des Schwellenwerts. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der dritte Transistor Mb ein NMOS-Transistor. Bei einigen Ausführungsformen ist der dritte Transistor Mb ein seitlich ausdiffundierter MOS-Transistor (LDMOS). - Um einen Kurzschluss zwischen der Stromquelle VDD und der Bezugsmasse GND zu vermeiden, wird eine als „Totzeit” bezeichnete Zeitdauer eingeführt, sodass der erste Transistor M1 und der zweite Transistor M2 in einem Ausschaltzustand gehalten werden. Während der Totzeit kann jedoch das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode entstehen, das die Spannung Vout beeinträchtigen kann. Bei Betrieb wird in Reaktion auf ein Impulssignal von dem Gate-Treiber
16 der erste Transistor M1 eingeschaltet, während der zweite Transistor M2 ausgeschaltet wird. Strom von der Stromquelle VDD fließt über die Source zu dem Drain des ersten Transistors M1 zu dem Ausgang entlang einem ersten Pfad PA1, wodurch der Induktor12 und der Kondensator14 geladen werden. Anschließend kehrt der Gate-Treiber16 den Leitungszustand des ersten Transistors M1 und des zweiten Transistors M2 um. Bevor der Leitungszustand des ersten Transistors M1 und des zweiten Transistors M2 vollständig umgekehrt worden ist, werden der erste Transistor M1 und der zweite Transistor M2 in der Totzeit ausgeschaltet. Strom von der Bezugsmasse GND lädt den Induktor12 und den Kondensator14 entlang einem zweiten Pfad PA2. Bei einigen bestehenden Ansätzen ohne einen Umleitungsmechanismus fließt der Ladestrom durch die Body-Diode18 , und es kommt zu der unerwünschten Rückwärtserholung der Body-Diode. - Zum Vermindern der Rückwärtserholung der Body-Diode wird das Umleitungselement
19 mit der Body-Diode18 parallel geschaltet, um den Strom von der Bezugsmasse GND umzuleiten. Das Umleitungselement19 hat einen Spannungsgrenzwert, der kleiner als der der Body-Diode18 ist. Zum Beispiel beträgt der Spannungsgrenzwert des Umleitungselements19 etwa 0,3 V, und der Spannungsgrenzwert der Body-Diode18 beträgt etwa 0,7 V. Daher wirkt das Umleitungselement19 als Leiter, bevor die Body-Diode18 als Leiter wirkt. Mit dem Umleitungselement19 fließt ein wesentlicher Teil des Stroms während der Totzeit von der Bezugsmasse GND über den Induktor12 und den Kondensator14 zu dem Ausgang, wodurch der Strom verringert wird, der durch die Body-Diode18 fließt. Auf diese Weise wird das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode abgeschwächt. Praktisch fließt der gesamte Strom von der Bezugsmasse GND durch das Umleitungselement19 und umgeht die Body-Diode18 , sodass das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode eliminiert wird. - Das Umleitungselement
19 ist mit einem Transistor implementiert und hat somit relativ niedrige Kosten je Flächeneinheit. Bei einigen bestehenden Ansätzen wird ein chipexternes Umleitungselement oder eine Schottky-Diode verwendet, um das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode anzugehen. Diese Ansätze können den Nachteil haben, dass sie relativ hohe Kosten je Flächeneinheit haben. - Das Umleitungselement
19 hat eine Durchbruchspannung von z. B. 12 V, 16 V oder 20 V, die von der Halbleiterstruktur des Umleitungselements19 abhängt, die unter Bezugnahme auf2 näher beschrieben wird. Darüber hinaus nimmt die Fläche des Umleitungselements19 mit sinkender Durchbruchspannung des Umleitungselements19 ab. Da die gewünschte Durchbruchspannung und somit die Fläche des Umleitungselements19 vorgegeben werden können, ermöglicht das Umleitungselement19 Flexibilität beim Entwurf der Schaltung. - Wenn zum Beispiel bei einer Anwendung die Schaltung
10 bei einer relativ hohen Versorgungsspannung VDD von z. B. 20 V arbeiten soll, ermittelt der Entwickler, dass entsprechend dem Spannungspegel der Versorgungsspannung VDD, d. h. 20 V, die Durchbruchspannung des Umleitungselements19 20 V beträgt. Wenn bei Betrieb der erste Transistor M1 eingeschaltet wird und der zweite Transistor M2 ausgeschaltet wird, beträgt der Spannungspegel an dem Drain des zweiten Transistors M2 etwa 20 V. Wenn die Durchbruchspannung des Umleitungselements19 5 V beträgt, könnte das Umleitungselement19 die Spannungsdifferenz von 20 V über dem Umleitungselement19 nicht aushalten und es käme zum Ausfall des Umleitungselements19 . Bei einem Ausfall des Umleitungselements19 kann die Schaltung10 nicht richtig funktionieren. - Wenn hingegen bei einer anderen Anwendung die Schaltung
10 bei einer relativ niedrigen Versorgungsspannung VDD von z. B. 5 V arbeiten soll, ermittelt der Entwickler, dass entsprechend der Versorgungsspannung VDD von 20 V die Durchbruchspannung des Umleitungselements19 5 V beträgt. Da die Fläche des Umleitungselements19 mit sinkender Durchbruchspannung des Umleitungselements19 abnimmt, kann das Umleitungselement19 für die 5-V-Anwendung mit einer kleineren Fläche als der des Umleitungselements19 für die 20-V-Anwendung entworfen werden. Dadurch können die Durchbruchspannung und die Fläche des Umleitungselements19 in Abhängigkeit von der Anwendung optimiert werden. - Bei einigen bestehenden Ansätzen, bei denen eine Schottky-Diode als ein Umleitungselement verwendet wird, wird die Durchbruchspannung der Schottky-Diode von den Materialien der Schottky-Diode bestimmt, die Metall und Silicium umfassen können. Die Durchbruchspannung der Schottky-Diode kann nicht geändert werden, ohne das Material zu ändern. Eine Änderung des Materials macht jedoch den Halbleiter-Herstellungsprozess komplex. Im Ergebnis ist die Durchbruchspannung der Schottky-Diode nicht flexibel und die Fläche der Schottky-Diode kann nicht für verschiedene Anwendungen optimiert werden.
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2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiter-Bauelements20 gemäß einigen Ausführungsformen. In2 weist das Halbleiter-Bauelement20 einen ersten Transistor21 und einen zweiten Transistor22 auf. Darüber hinaus ist der dritte Transistor Mb, der unter Bezugnahme auf1 beschrieben und erläutert worden ist, mit dem ersten Transistor21 implementiert, und der zweite Transistor M2, der ebenfalls unter Bezugnahme auf1 beschrieben und erläutert worden ist, ist mit dem zweiten Transistor22 implementiert. Der Einfachheit halber sind in2 nur der zweite Transistor22 (der dem zweiten Transistor M2 von1 entspricht) und der zugehörige erste Transistor21 (der dem dritten Transistor Mb von1 entspricht und als ein Umleitungselement für den zweiten Transistor M2 dient) gezeigt, und der erste Transistor M1 von1 ist nicht dargestellt. - Der erste Transistor
21 hat eine erste Isolierschicht213 auf einem Substrat201 , eine erste Mehrschichtstruktur214 auf der ersten Isolierschicht213 und einen ersten Source-Bereich211 , einen ersten Drain-Bereich und einen ersten Kanal212 in dem Substrat201 . Der erste Source-Bereich211 wird in einem ersten Volumenbereich210 in einer Wanne202 des Substrats201 hergestellt. Der erste Drain-Bereich wird von der Wanne202 und einem dotierten Bereich204 definiert, der sich zwischen flachen Grabenisolationen (shallow trench isolations; STIs)2031 und2032 in der Wanne202 befindet. Der erste Kanal212 ist in dem ersten Volumenbereich210 zwischen dem ersten Source-Bereich211 und der ersten STI2031 definiert und befindet sich unter der ersten Isolierschicht213 . Der erste Volumenbereich210 überlappt einen Teil der ersten Mehrschichtstruktur214 . Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat201 ein p-Substrat, und die Wanne202 ist eine Hochspannungs-n-Wanne (high-voltage n-well; HVNW). Darüber hinaus haben der dotierte Bereich204 und der erste Source-Bereich211 jeweils einen n-Dotanden, während der erste Volumenbereich210 einen p-Dotanden hat. Dadurch hat, wenn die erste Mehrschichtstruktur214 als ein erstes Gate dient, der erste Transistor21 eine NMOS-Transistorstruktur. - Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Isolierschicht
213 eine Oxidschicht. Die erste Isolierschicht213 hat eine erste Dicke W1, die in dem Bereich von etwa 25 Ångstrom bis etwa 60 Ångström liegt. Die erste Dicke W1 ist ein Faktor, der den Spannungsgrenzwert für den ersten Transistor21 bestimmt. - Der erste Volumenbereich
210 dient als ein Body für den ersten Transistor21 . Darüber hinaus hat der erste Volumenbereich210 eine erste Konzentration, die in dem Bereich von etwa 5·1015 bis 1·1016 cm–3 liegt. Die erste Konzentration ist ebenfalls ein Faktor, der den Spannungsgrenzwert des ersten Transistors21 bestimmt. - Die erste STI
2031 zwischen dem ersten Volumenbereich210 und dem dotierten Bereich204 hat eine erste Länge L1 in der Richtung, in der der erste Kanal212 verläuft. Bei einigen Ausführungsformen vergrößert sich der Mittenabstand D1 zwischen dem ersten Source-Bereich211 und dem dotierten Bereich204 , wenn die erste Länge L1 zunimmt, und umgekehrt. Darüber hinaus sind die erste Länge L1 und der zugehörige Abstand D1 Faktoren, die die Durchbruchspannung des ersten Transistors21 bestimmen. - Ebenso hat der zweite Transistor
22 eine zweite Isolierschicht223 auf dem Substrat201 , eine zweite Mehrschichtstruktur224 auf der zweiten Isolierschicht223 und einen zweiten Source-Bereich221 , einen zweiten Drain-Bereich und einen zweiten Kanal222 in dem Substrat201 . Der zweite Source-Bereich221 wird in einem zweiten Volumenbereich220 in der Wanne202 des Substrats201 hergestellt. Wie der erste Drain-Bereich wird auch der zweite Drain-Bereich von der Wanne202 und dem dotierten Bereich204 definiert, der sich zwischen den STIs2031 und2032 in der Wanne202 befindet. Der dotierte Bereich204 dient als der Drain des ersten Transistors21 und des zweiten Transistors22 . Der zweite Kanal222 ist in dem zweiten Volumenbereich220 zwischen dem zweiten Source-Bereich221 und der zweiten STI2032 definiert und befindet sich unter der zweiten Isolierschicht223 . Der zweite Volumenbereich220 überlappt einen Teil der zweiten Mehrschichtstruktur224 . Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist das Substrat201 ein p-Substrat, und die Wanne202 ist eine Hochspannungs-n-Wanne (HVNW). Darüber hinaus haben der dotierte Bereich204 und der zweite Source-Bereich221 jeweils einen n-Dotanden, während der zweite Volumenbereich220 einen p-Dotanden hat. Dadurch hat, wenn die zweite Mehrschichtstruktur224 als ein zweites Gate dient, der zweite Transistor22 eine NMOS-Transistorstruktur. - Bei einigen Ausführungsformen ist die zweite Isolierschicht
223 eine Oxidschicht. Die zweite Isolierschicht223 hat eine zweite Dicke W2, die in dem Bereich von etwa 100 Ångstrom bis etwa 350 Ångström liegt. Die zweite Dicke W2 ist ein Faktor, der den Spannungsgrenzwert für den zweiten Transistor22 bestimmt. - Der zweite Volumenbereich
220 dient als ein Body für den zweiten Transistor22 . Darüber hinaus hat der zweite Volumenbereich220 eine zweite Konzentration, die in dem Bereich von etwa 1,5·1016 bis 2·1017 cm–3 liegt. Die zweite Konzentration ist ebenfalls ein Faktor, der den Spannungsgrenzwert des zweiten Transistors22 bestimmt. - Die zweite STI
2032 zwischen dem zweiten Volumenbereich220 und dem dotierten Bereich204 hat eine zweite Länge L2 in der Richtung, in der der zweite Kanal222 verläuft. Bei einigen Ausführungsformen vergrößert sich der Mittenabstand D2 zwischen dem zweiten Source-Bereich221 und dem dotierten Bereich204 , wenn die zweite Länge L2 zunimmt, und umgekehrt. Darüber hinaus sind die zweite Länge L2 und der zugehörige Abstand D2 Faktoren, die die Durchbruchspannung des zweiten Transistors22 bestimmen. - Um das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode zu mindern, ist der zweite Transistor
22 mit einem größeren Spannungsgrenzwert als der erste Transistor21 konfiguriert. Bei einer Ausführungsform ist die zweite Konzentration höher als die erste Konzentration, sodass der zweite Transistor22 einen Spannungsgrenzwert hat, der größer als der des ersten Transistors21 ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die zweite Dicke W1 größer als die erste Dicke W1, was zu einem größeren Spannungsgrenzwert führt. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Dicke W1 größer als die erste Dicke W1, und die zweite Konzentration ist größer als die erste Konzentration. Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist die zweite Dicke W2 größer als die erste Dicke W1, während die zweite Konzentration gleich der ersten Konzentration ist. Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist die zweite Konzentration höher als die erste Konzentration, während die zweite Dicke W2 gleich der ersten Dicke W1 ist. Das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode wird praktisch gemindert oder ganz eliminiert, ohne dass dies zu Lasten der Kosten je Flächeneinheit geht, die andernfalls bei Schottky-Dioden entstehen würden. - Darüber hinaus kann, wie vorstehend dargelegt worden ist, ein Entwickler die gewünschte Durchbruchspannung für den ersten Transistor
21 und den zweiten Transistor22 entsprechend der Versorgungsspannung VDD bestimmen. Da die Durchbruchspannung des ersten Transistors21 der ersten Länge L1 (oder dem Abstand D1) zugeordnet ist und die Durchbruchspannung des zweiten Transistors22 der zweiten Länge L2 (oder dem Abstand D2) zugeordnet ist, kann der Entwickler durch Einstellen der ersten Länge L1 und/oder der zweiten Länge L2 das Halbleiter-Bauelement20 vor seiner Herstellung konfigurieren. Auf diese Weise wird die Fläche optimiert, die von dem ersten Transistor21 und dem zweiten Transistor22 eingenommen wird. - Auf dem ersten Source-Bereich
211 , dem zweiten Source-Bereich221 , der ersten Mehrschichtstruktur214 , der zweiten Mehrschichtstruktur224 und dem dotierten Bereich204 werden leitende Komponenten206 hergestellt, um als Aufnahmebereiche für eine elektrische Verbindung zu dienen. Außerdem sind in Bezug auf die Transistoren Mb und M2 von1 der erste Source-Bereich211 , die erste Mehrschichtstruktur214 und der zweite Source-Bereich221 elektrisch mit einer Zwischenverbindung207 verbunden. - Die
3A bis3J sind Schaubilder, die ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigen. In3A wird ein Substrat301 bereitgestellt. Das Substrat301 weist einen ersten Bauelementbereich und einen zweiten Bauelementbereich auf, in denen ein erster Transistor bzw. ein zweiter Transistor hergestellt wird. Der erste Bauelementbereich und der zweite Bauelementbereich sind dem ersten Transistor bzw. dem zweiten Transistor zugeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat301 ein p-Substrat. - in
3B werden zum Beispiel durch einen Abscheidungsprozess, einen Ätzprozess, einen Rückziehprozess, einen Ausheilungsprozess und einen chemisch-mechanischen Planarisierungsprozess, die nacheinander in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden, eine erste STI3031 und eine zweite STI3032 in dem Substrat301 hergestellt. Die STIs3031 und3032 werden in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich abgeschieden. - In
3C wird zum Beispiel durch einen Ionenimplantationsprozess, an den sich ein Eintreibprozess anschließt, eine Wanne302 in dem Substrat301 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die Wanne302 eine Hochspannungs-n-Wanne (HVNW). - In
3D wird eine strukturierte Isolierschicht303 auf dem Substrat301 mit einem Abscheidungsprozess hergestellt, an den sich ein Ätzprozess anschließt, der die Wanne302 in dem ersten Bauelementbereich freilegt. Bei einigen Ausführungsformen ist die strukturierte Isolierschicht303 eine Oxidschicht. - In
3E wird eine strukturierte Isolierschicht304 zum Beispiel mit einem Abscheidungsprozess auf dem Substrat301 in dem ersten Bauelementbereich hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist die strukturierte Isolierschicht304 eine Oxidschicht. Wie vorstehend dargelegt worden ist und wie in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist, ist als eine Methode zum Lindern des Problems der Rückwärtserholung der Body-Diode die Dicke der strukturierten Isolierschicht303 größer als die der strukturierten Isolierschicht304 . Bei anderen Ausführungsformen werden die Prozesse zum Herstellen von Isolierschichten mit unterschiedlichen Dicken in den3D und3E durch die Herstellung einer einzigen Isolierschicht auf dem Substrat301 , zum Beispiel mittels eines Abscheidungsprozesses, ersetzt. In diesem Fall hat die Isolierschicht in dem ersten Bauelementbereich und dem zweiten Bauelementbereich eine einheitliche Dicke. Um das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode zu lindern, werden Volumenbereiche, die anschließend in dem ersten und dem zweiten Bauelementbereich hergestellt werden sollen, mit unterschiedlichen Konzentrationen dotiert. - In
3F wird eine strukturierte Mehrschichtstruktur auf den Isolierschichten303 und304 zum Beispiel durch einen Abscheidungsprozess hergestellt, an den sich ein Ätzprozess anschließt, sodass eine erste Mehrschichtstruktur305 in dem ersten Bauelementbereich entsteht und eine zweite Mehrschichtstruktur306 in dem zweiten Bauelementbereich entsteht. Die erste Mehrschichtstruktur305 überlappt einen Teil der ersten STI3031 und dient als ein erstes Gate des ersten Transistors. Die zweite Mehrschichtstruktur306 , die von der ersten Mehrschichtstruktur305 getrennt ist, überlappt einen Teil der zweiten STI3032 und dient als ein zweites Gate des zweiten Transistors. - In
3G wird zum Beispiel durch einen Ionenimplantationsprozess ein erster Volumenbereich307 in der Wanne302 in dem ersten Bauelementbereich definiert, und ein zweiter Volumenbereich308 wird in der Wanne302 in dem zweiten Bauelementbereich definiert. Wie vorstehend dargelegt worden ist, ist als eine weitere Methode zum Lindern des Problems der Rückwärtserholung der Body-Diode die Konzentration des zweiten Volumenbereichs308 größer als die des ersten Volumenbereichs307 . Insbesondere werden der erste Volumenbereich307 in der Wanne302 in dem ersten Bauelementbereich und der zweite Volumenbereich308 in der Wanne302 in dem zweiten Bauelementbereich dadurch hergestellt, dass eine Dotierung mit einem Dotanden einer Dotandenart in der Wanne302 in einer ersten festgelegten Häufigkeit durchgeführt wird, um den ersten Volumenbereich307 zu definieren, und eine Dotierung mit dem Dotanden der Dotandenart in der Wanne302 in einer zweiten festgelegten Häufigkeit durchgeführt wird, um den zweiten Volumenbereich308 zu definieren. Die zweite festgelegte Häufigkeit ist größer als die erste festgelegte Häufigkeit. - Alternativ werden der erste Volumenbereich
307 in der Wanne302 in dem ersten Bauelementbereich und der zweite Volumenbereich308 in der Wanne302 in dem zweiten Bauelementbereich dadurch hergestellt, dass eine Dotierung mit einem Dotanden einer ersten Dotandenart in einer ersten Konzentration und mit einem Dotanden einer zweiten Dotandenart, die der ersten Dotandenart entgegengesetzt ist, in einer zweiten Konzentration, die kleiner als die erste Konzentration ist, in dem ersten Volumenbereich307 durchgeführt wird, und eine Dotierung mit einem Dotanden der ersten Dotandenart in dem zweiten Volumenbereich308 durchgeführt wird. Da ein Teil des Dotanden der ersten Dotandenart durch den Dotanden der zweiten Dotandenart in dem ersten Volumenbereich307 ausgeglichen wird, verbleibt nur der Dotand der ersten Dotandenart in dem ersten Volumenbereich307 . Dadurch ist die Konzentration des Dotanden der ersten Dotandenart in dem ersten Volumenbereich307 kleiner als die Konzentration des Dotanden der zweiten Dotandenart in dem zweiten Volumenbereich308 . Auf diese Weise ist die zweite Konzentration größer als die erste Konzentration. - In
3H werden eine erste Isolierschicht309 und eine zweite Isolierschicht310 auf dem Substrat301 zum Beispiel durch einen Ätzprozess hergestellt, der einen Teil des ersten Volumenbereichs307 , einen Teil des zweiten Volumenbereichs308 und die Grenze zwischen dem ersten Bauelementbereich und dem zweiten Bauelementbereich freilegt. Die erste Isolierschicht309 und die zweite Isolierschicht310 dienen als Gate-Oxide für den ersten Transistor bzw. den zweiten Transistor. - In
3I wird zum Beispiel durch einen Ionenimplantationsprozess ein erster Source-Bereich311 in dem ersten Volumenbereich307 definiert, ein dotierter Bereich312 wird in der Wanne302 zwischen den STIs3031 und3032 definiert, und einer zweiter Source-Bereich313 wird in dem zweiten Volumenbereich308 definiert. - In
3J werden leitende Komponenten314 auf dem ersten Source-Bereich311 , dem dotierten Bereich312 , dem zweiten Source-Bereich313 , der ersten Mehrschichtstruktur305 und der zweiten Mehrschichtstruktur306 zum Beispiel durch einen Abscheidungsprozess hergestellt, an den sich ein Ätzprozess anschließt. Die leitenden Komponenten314 dienen als Aufnahmebereiche für eine elektrische Verbindung mit einer Zwischenverbindung315 . Darüber hinaus sind der erste Source-Bereich311 , die erste Mehrschichtstruktur305 und der zweite Source-Bereich313 gemeinsam mit der Zwischenverbindung315 verbunden. -
4A ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren400A zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. In4A wird in dem Schritt401 ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat weist einen ersten Bauelementbereich und einen zweiten Bauelementbereich auf, in denen ein erster Transistor bzw. ein zweiter Transistor hergestellt werden sollen. Das Substrat ist dem Substrat201 oder dem Substrat301 ähnlich, die unter Bezugnahme auf2 bzw.3A beschrieben und erläutert worden sind. - Im Schritt
402 wird eine Wanne in dem Substrat definiert. Die Wanne ist der Wanne202 oder der Wanne302 ähnlich, die unter Bezugnahme auf2 bzw.3C beschrieben und erläutert worden sind. Bei einer Ausführungsform ist die Wanne eine HVNW. Anschließend werden eine erste STI und eine zweite STI in der Wanne in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich hergestellt. - Im Schritt
403 werden eine erste strukturierte Isolierschicht und eine zweite strukturierte Isolierschicht auf dem Substrat in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich hergestellt. Die zweite strukturierte Isolierschicht hat eine Dicke, die größer als die der ersten strukturierten Isolierschicht ist. Die erste strukturierte Isolierschicht ist der strukturierten Isolierschicht304 ähnlich, die unter Bezugnahme auf3E beschrieben und erläutert worden ist, und die zweite strukturierte Isolierschicht ist der strukturierten Isolierschicht303 ähnlich, die unter Bezugnahme auf3D beschrieben und erläutert worden ist. Bei einer Ausführungsform ist die erste strukturierte Isolierschicht eine Oxidschicht für ein Kernbauelement, und die zweite strukturierte Isolierschicht ist eine Oxidschicht für ein E/A-Bauelement. - Im Schritt
404 wird eine erste Mehrschichtstruktur auf der ersten strukturierten Isolierschicht hergestellt, und eine zweite Mehrschichtstruktur wird auf der zweiten strukturierten Isolierschicht hergestellt. Die erste Mehrschichtstruktur dient als ein erstes Gate des ersten Transistors, und die zweite Mehrschichtstruktur dient als ein zweites Gate des zweiten Transistors. - Im Schritt
405 wird ein erster Volumenbereich in der Wanne in dem ersten Bauelementbereich definiert, und ein zweiter Volumenbereich wird in der Wanne in dem zweiten Bauelementbereich definiert. Der erste Volumenbereich dient als ein Body für den ersten Transistor, und der zweite Volumenbereich dient als ein Body für den zweiten Transistor. Bei einigen Ausführungsformen hat der zweite Volumenbereich eine Konzentration, die größer als die des ersten Volumenbereichs ist. Bei einigen Ausführungsformen hat der zweite Volumenbereich eine Konzentration, die gleich der des ersten Volumenbereichs ist. Der erste Volumenbereich und der zweite Volumenbereich sind dem ersten Volumenbereich307 bzw. dem zweiten Volumenbereich308 ähnlich, die unter Bezugnahme auf3G beschrieben und erläutert worden sind. - Im Schritt
406 wird ein erster Source-Bereich in dem ersten Volumenbereich definiert, ein dotierter Bereich wird in der Wanne definiert, und ein zweiter Source-Bereich wird in dem zweiten Volumenbereich definiert. Ein erster Drain-Bereich des ersten Transistors wird von der Wanne und dem dotierten Bereich definiert, und ein zweiter Drain-Bereich des zweiten Transistors wird ebenfalls von der Wanne und dem dotierten Bereich definiert. - Im Schritt
407 werden leitende Komponenten auf dem ersten Source-Bereich, dem zweiten Source-Bereich, dem dotierten Bereich, der ersten Mehrschichtstruktur und der zweiten Mehrschichtstruktur hergestellt. Die leitenden Komponenten dienen als Aufnahmebereiche für eine elektrische Verbindung mit einer Zwischenverbindung. - Im Schritt
408 werden der erste Source-Bereich, die erste Mehrschichtstruktur und der zweite Source-Bereich gemeinsam mit der Zwischenverbindung verbunden. -
4B ist ein Ablaufdiagramm, das ein weiteres Verfahren400B zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. In4B ist das Verfahren400B , das in4B gezeigt ist, dem Verfahren400A ähnlich, das in4A gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass zum Beispiel der Schritt410 den Schritt403 ersetzt und der Schritt411 den Schritt405 ersetzt. Im Schritt410 werden eine erste strukturierte Isolierschicht und eine zweite strukturierte Isolierschicht auf dem Substrat in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen hat die zweite strukturierte Isolierschicht eine Dicke, die größer als die der ersten strukturierten Isolierschicht ist. Bei anderen Ausführungsformen hat die zweite strukturierte Isolierschicht eine Dicke, die gleich der der ersten strukturierten Isolierschicht ist. - Im Schritt
411 wird ein erster Volumenbereich in der Wanne in dem ersten Bauelementbereich definiert, und ein zweiter Volumenbereich wird in der Wanne in dem zweiten Bauelementbereich definiert. Der zweite Volumenbereich hat eine Konzentration, die größer als die des ersten Volumenbereichs ist. -
5 ist eine schematische Darstellung, die die Ergebnisse der Simulation mit einer Schaltung mit und ohne den dritten Transistor Mb als ein Umleitungselement zeigt. In5 stellt die horizontale Achse die Source-Drain-Spannung (VSD) des zweiten Transistors M2 dar, und die vertikale Achse gibt die Größe des Stroms in Mikroampere (μA) an. Die Kurve601 stellt den Sperrstrom dar, der durch die Body-Diode18 fließt, wenn eine Schaltung nicht den dritten Transistor Mb hat. Die Kurve602 stellt den Sperrstrom dar, der durch den dritten Transistor Mb fließt, wenn eine Schaltung mit dem dritten Transistor Mb versehen ist. - Normalerweise ist der Gesamtmenge des Sperrstroms die Summe aus dem Sperrstrom, der durch die Body-Diode
18 fließt, und dem Sperrstrom, der durch den dritten Transistor Mb fließt. Somit nimmt die Menge des Sperrstroms, der durch die Body-Diode18 fließt, mit steigender Menge des Sperrstroms ab, der durch den dritten Transistor Mb fließt. Nehmen wir zum Beispiel an, dass die Gesamtmenge des Sperrstroms 1 Ampere (A) ist. Wenn der Sperrstrom, der durch den dritten Transistor Mb fließt, 0,6 Milliampere (mA) beträgt, so beträgt der Sperrstrom, der durch die Body-Diode18 fließt, 0,4 mA. Und wenn der Sperrstrom, der durch den dritten Transistor Mb fließt, auf 0,8 mA steigt, sinkt der Sperrstrom, der durch die Body-Diode18 fließt, auf 0,2 mA. Im Ergebnis wird, wenn die Menge des Sperrstroms, der durch die Body-Diode18 fließt, abnimmt, das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode gelindert. Praktisch fließt der gesamte Sperrstrom durch den dritten Transistor Mb und umgeht die Body-Diode18 , sodass das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode beseitigt wird. - Wie in
5 gezeigt ist, ist der in der Kurve602 dargestellte Sperrstrom, der durch den dritten Transistor Mb fließt, offensichtlich größer als der in der Kurve601 dargestellte Sperrstrom, der durch die Body-Diode18 fließt. Insbesondere beträgt bei einer VSD von etwa 0,6 V, die eine Einschaltspannung für die Body-Diode18 ist, die Größe des Sperrstroms, der durch den dritten Transistor Mb fließt, am Punkt P1 etwa das 1000-fache der Größe des Sperrstroms, der durch die Body-Diode18 fließt. Das heißt, es fließt nur etwas Sperrstrom durch die Body-Diode18 . Daher wird das Problem der Rückwärtserholung der Body-Diode wesentlich gelindert. - Einige Ausführungsformen haben eine Kombination der folgenden Merkmale und/oder Vorzüge. Bei einigen Ausführungsformen weist ein Halbleiter-Bauelement einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor auf. Der erste Transistor hat einen ersten Source-Bereich in einem ersten Volumenbereich, der eine erste Konzentration hat, und ein erstes Gate. Der zweite Transistor hat einen zweiten Source-Bereich in einem zweiten Volumenbereich, der eine zweite Konzentration hat, die höher als die erste Konzentration ist. Der zweite Source-Bereich ist mit dem ersten Source-Bereich und dem ersten Gate verbunden.
- Bei einigen Ausführungsformen weist ein Halbleiter-Bauelement einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor auf. Der erste Transistor hat einen ersten Source-Bereich in einem ersten Volumenbereich, eine erste Isolierschicht, die eine erste Dicke hat, und ein erstes Gate auf der ersten Isolierschicht. Der zweite Transistor hat einen zweiten Source-Bereich in einem zweiten Volumenbereich, eine zweite Isolierschicht, die eine zweite Dicke hat, die größer als die erste Dicke ist, und ein zweites Gate auf der zweiten Isolierschicht. Der zweite Source-Bereich ist mit dem ersten Source-Bereich und dem ersten Gate verbunden.
- Bei einigen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Bauelementbereich und einem zweiten Bauelementbereich, die einem ersten Transistor bzw. einem zweiten Transistor zugeordnet sind; Herstellen einer Wanne in dem Substrat; Herstellen einer ersten strukturierten Isolierschicht in dem ersten Bauelementbereich, wobei die erste strukturierte Isolierschicht eine erste Dicke hat; Herstellen einer zweiten strukturierten Isolierschicht in dem zweiten Bauelementbereich, wobei die zweite strukturierte Isolierschicht eine zweite Dicke hat, die größer als die erste Dicke ist; Herstellen eines ersten Gates auf der ersten strukturierten Isolierschicht; Herstellen eines ersten Volumenbereichs und eines zweiten Volumenbereichs in der Wanne in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich; Herstellen eines ersten Source-Bereichs und eines zweiten Source-Bereichs in dem ersten Volumenbereich bzw. dem zweiten Volumenbereich und Verbinden des ersten Source-Bereichs, des ersten Gates und des zweiten Source-Bereichs miteinander.
- Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Claims (20)
- Halbleiter-Bauelement mit: einem ersten Transistor, der Folgendes aufweist: einen ersten Source-Bereich in einem ersten Volumenbereich, der eine erste Konzentration hat, und ein erstes Gate; und einem zweiten Transistor, der Folgendes aufweist: einen zweiten Source-Bereich in einem zweiten Volumenbereich, der eine zweite Konzentration hat, die höher als die erste Konzentration ist, wobei der zweite Source-Bereich mit dem ersten Source-Bereich und dem ersten Gate verbunden ist.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor eine erste Isolierschicht aufweist, die eine erste Dicke hat, und der zweite Transistor eine zweite Isolierschicht aufweist, die eine zweite Dicke hat, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor eine erste Isolierschicht aufweist, die eine erste Dicke hat, und der zweite Transistor eine zweite Isolierschicht aufweist, die eine zweite Dicke hat, wobei die zweite Dicke gleich der ersten Dicke ist.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin eine erste flache Grabenisolation (STI) und eine zweite STI sowie einen dotierten Bereich zwischen der ersten und der zweiten STI aufweist.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, wobei der dotierte Bereich als ein Drain des ersten Transistors und des zweiten Transistors dient.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Konzentration in dem Bereich von etwa 5·1015 bis 1·1016 cm–3 liegt und die zweite Konzentration in dem Bereich von etwa 1,5·1016 bis 2·1017 cm–3 liegt.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Volumenbereich einen Teil des ersten Gates überlappt und der zweite Volumenbereich einen Teil des zweiten Gates überlappt und das Halbleiter-Bauelement weiterhin Folgendes aufweist: einen ersten Kanal, der in dem ersten Volumenbereich definiert ist, und einen zweiten Kanal, der in dem zweiten Volumenbereich definiert ist.
- Halbleiter-Bauelement mit: einem ersten Transistor, der Folgendes aufweist: einen ersten Source-Bereich in einem ersten Volumenbereich, eine erste Isolierschicht, die eine erste Dicke hat, und ein erstes Gate auf der ersten Isolierschicht; und einem zweiten Transistor, der Folgendes aufweist: einen zweiten Source-Bereich in einem zweiten Volumenbereich, wobei der zweite Source-Bereich mit dem ersten Source-Bereich und dem ersten Gate verbunden ist, eine zweite Isolierschicht, die eine zweite Dicke hat, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist, und ein zweites Gate auf der zweiten Isolierschicht.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 8, wobei der erste Volumenbereich eine erste Konzentration hat und der zweite Volumenbereich eine zweite Konzentration hat, die höher als die erste Konzentration ist.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 8, wobei der erste Volumenbereich eine erste Konzentration hat und der zweite Volumenbereich eine zweite Konzentration hat, die gleich der ersten Konzentration ist.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das weiterhin eine erste flache Grabenisolation (STI) und eine zweite STI sowie einen dotierten Bereich zwischen der ersten und der zweiten STI aufweist.
- Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 11, wobei der dotierte Bereich als ein Drain des ersten Transistors und des zweiten Transistors dient.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die erste Dicke in dem Bereich von etwa 25 Ångström bis etwa 60 Ångström liegt und die zweite Dicke in dem Bereich von 100 Ångstrom bis etwa 350 Ångström liegt.
- Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der erste Volumenbereich einen Teil des ersten Gates überlappt und der zweite Volumenbereich einen Teil des zweiten Gates überlappt und das Halbleiter-Bauelement weiterhin Folgendes aufweist: einen ersten Kanal, der in dem ersten Volumenbereich definiert ist, und einen zweiten Kanal, der in dem zweiten Volumenbereich definiert ist.
- Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Bauelementbereich und einem zweiten Bauelementbereich, die einem ersten Transistor bzw. einem zweiten Transistor zugeordnet sind; Herstellen einer Wanne in dem Substrat; Herstellen einer ersten strukturierten Isolierschicht in dem ersten Bauelementbereich, wobei die erste strukturierte Isolierschicht eine erste Dicke hat; Herstellen einer zweiten strukturierten Isolierschicht in dem zweiten Bauelementbereich, wobei die zweite strukturierte Isolierschicht eine zweite Dicke hat, die größer als die erste Dicke ist; Herstellen eines ersten Gates auf der ersten strukturierten Isolierschicht; Herstellen eines ersten Volumenbereichs und eines zweiten Volumenbereichs in der Wanne in dem ersten Bauelementbereich bzw. dem zweiten Bauelementbereich; Herstellen eines ersten Source-Bereichs und eines zweiten Source-Bereichs in dem ersten Volumenbereich bzw. dem zweiten Volumenbereich und Verbinden des ersten Source-Bereichs, des ersten Gates und des zweiten Source-Bereichs miteinander.
- Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin die folgenden Schritte aufweist: Herstellen einer ersten flachen Grabenisolation (STI) und einer zweiten STI in dem Substrat und Herstellen eines dotierten Bereichs in der Wanne zwischen der ersten und der zweiten STI.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei der dotierte Bereich als ein Drain des ersten Transistors und des zweiten Transistors dient.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste Volumenbereich eine erste Konzentration hat und der zweite Volumenbereich eine zweite Konzentration hat, die höher als die erste Konzentration ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste Volumenbereich eine erste Konzentration hat und der zweite Volumenbereich eine zweite Konzentration hat, die gleich der ersten Konzentration ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der erste Volumenbereich einen Teil der ersten strukturierten Isolierschicht überlappt und der zweite Volumenbereich einen Teil der zweiten strukturierten Isolierschicht überlappt.
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