DE19755868C1

DE19755868C1 - Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor

Info

Publication number: DE19755868C1
Application number: DE19755868A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Ing Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: JP2001511955A; EP0968534A1; WO1999031734A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvolt-SOI-Dünn filmtransistor mit einer Halbleiter-Dünnschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die in eine auf einem Halbleiterkörper angeordnete Isolatorschicht eingebettet ist, und mit einer Drainzone sowie einer Sourcezone, die beide in der Halblei ter-Dünnschicht ausgebildet sind und den zum einen Leitfähig keitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufwei sen, und einer in oder auf der Isolatorschicht vorgesehenen Gateelektrode.

Hochvolt-Bauelemente die für hochfrequente Netzanwendungen in der Größenordnung von mehreren hundert Kilohertz beispiels weise in Lampenvorschaltgeräten geeignet sind, setzen bevor zugt eine dielektrische Isolationstechnik mit dünnen Isolier schichten ein.

So ist beispielsweise schon in der DE 27 06 623 C2 eine MIS- Feldeffekttransistoranordnung für hohe Source-Drain-Spannun gen über 100 Volt beschrieben, bei der der Abstand zwischen einer Gateelektrode und einem Kanalgebiet kontinuierlich oder stufenförmig in Richtung auf die Drainzone zunimmt. Hierzu ist bei dieser bekannten MIS-Feldeffekttransistoranordnung die unter der Gateelektrode vorgesehene Isolatorschicht aus Siliziumdioxid so gestaltet, daß diese mit zunehmendem Ab stand von der Sourceelektrode auf die Drainelektrode hin dic ker wird.

Weiterhin ist aus der DE 28 52 621 C3 ein Isolierschicht- Feldeffekttransistor mit einer Driftstrecke zwischen Gate elektrode und Drainzone bekannt, bei dem die Driftstrecke ausgehend von der Gateelektrode in Richtung zur Drainzone hin eine zunehmende Anzahl von Dotierstoffatomen enthält, so daß sich ihre Dotierungskonzentration von der Gateelektrode zur Drainzone hin erhöht. Damit ist dieser Feldeffekttransistor bei höheren Betriebsspannungen einsetzbar, ohne daß Hilfs elektroden und Hilfsspannungsquellen erforderlich sind.

Schließlich ist noch aus der EP 0 497 427 B1 eine Halbleiter anordnung für Hochspannungsverwendung bekannt, bei der die Driftstrecke als dünne, in eine aus Siliziumdioxid bestehende Isolatorschicht eingebettete Siliziumschicht ausgebildet ist, welche ausgehend von der Gateelektrode in Richtung auf die Drainzone eine linear ansteigende Dotierungskonzentration aufweist.

Die Dotierungskonzentration einer als Halbleiter-Dünnschicht ausgebildeten Driftstrecke kann wesentlich höher als die ei ner "Durchbruchsladung" entsprechende Dotierungskonzentration von etwa 10¹² cm^-2 sein. Geeignete Werte für die Dotierungs konzentration der Driftstrecke liegen so im Bereich von 5 × 10¹² bis 2 × 10¹³ cm².

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochvolt- SOI-Dünnfilmtransistor zu schaffen, der einfach herstellbar ist und sich für hochfrequente Anwendungen bis in den Bereich von einigen hundert Kilohertz eignet.

Diese Aufgabe wird bei einem Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch min destens eine Feldplatte, die zwischen Gateelektrode und Drainzone angeordnet ist und deren Abstand von der Halblei ter-Dünnschicht mit steigender Entfernung von der Gateelek trode größer ist, und hochdotierte Zonen des zweiten Leitfä higkeitstyps in der Halbleiter-Dünnschicht, die mit der we nigstens einen Feldplatte verbunden sind.

In bevorzugter Weise hat die Halbleiter-Dünnschicht eine Schichtdicke von 0,1 bis 1 µm und ist homogen mit 10¹² bis 5 . 10¹³ Atomen/cm² dotiert. Der Abstand zwischen der mindestens einen Feldplatte und der Halbleiter-Dünnschicht kann kontinu ierlich oder stufenartig anwachsen. Der eine Leitfähig keitstyp ist in bevorzugter Weise der n-Typ, so daß die Driftstrecke homogen n-dotiert ist, während die Sourcezone und die Drainzone eine p-Dotierung enthalten.

Bei mehreren Feldplatten wird der Abstand der einzelnen Feld platten von der Halbleiter-Dünnschicht mit zunehmender Ent fernung von der Gateelektrode immer größer, so daß die von der Gateelektrode entfernten Enden der einzelnen Feldplatten auf der Strecke von der Gateelektrode zur Drainzone mit zu nehmender Entfernung von der Gateelektrode immer weiter von der Halbleiter-Dünnschicht entfernt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor ist also auf einem als Halbleiterkörper dienenden Siliziumsub strat eine dünne Siliziumschicht als Halbleiter-Dünnschicht inselartig in eine Isolatorschicht eingebettet. Die Dotie rungskonzentration der Driftstrecke in der Siliziumschicht ist im wesentlichen gleichmäßig und weist einen Wert von 10¹² Atomen/cm^-2 bis 5 × 10¹³ Atomen/cm^-2 auf. Eine zweckmäßige Schichtdicke der Siliziumschicht liegt bei 0,1 bis 1 µm.

Zwischen der Gateelektrode und der Drainzone sind im Abstand von der Siliziumschicht oberhalb von dieser Feldplatten ange ordnet, die in Richtung von der Gateelektrode zur Drainzone einen stetig steigenden Abstand von der Siliziumschicht ha ben. Die Steigung der Feldplatten kann dabei kontinuierlich oder stufenartig erfolgen.

Wird bei dem erfindungsgemäßen Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransi stor die Sourceelektrode an Masse gelegt und eine positive Spannung an die Drainelektrode angelegt, so steigt die Span nung der einzelnen Feldplatten zuerst mit der an der Drain elektrode liegenden Spannung an. Dabei dehnt sich die Raumla dungszone von der Sourceelektrode in die beispielsweise n- leitende Siliziumschicht, die die Halbleiter-Dünnschicht bil det, aus. Sobald nun diese Raumladungszone die erste hochdo tierte Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps, also eine p⁺- dotierte Zone erreicht, bleibt die Spannung auf der dieser hochdotierten Zone zugeordneten Feldplatte stehen.

Wird nun die Spannung an der Drainelektrode weiter erhöht, dann dehnt sich die Raumladungszone von dem Bereich unterhalb der ersten Feldplatte weiter in der Siliziumschicht in Rich tung auf die Drainzone aus. Bei entsprechend hoher Spannung wird sodann die der zweiten Feldplatte zugeordnete hochdo tierte Zone erreicht, wobei die Spannung der zweiten Feld platte sodann ebenfalls bei diesem Wert stehenbleibt.

Durch die Anordnung der mehreren "schräg" gestellten Feld platten wird erreicht, daß der Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransi stor mit hohen Betriebsspannungen arbeiten kann, ohne übermä ßig dicke Oxidschichten für die Isolatorschicht zu erfordern. Vielmehr können Isolatorschichten aus Siliziumdioxid mit ei ner Schichtdicke von einigen µm eingesetzt werden.

Der aus der bereits erwähnten DE 28 52 621 C3 bekannte Iso lierschicht-Feldeffekttransistor kann beispielsweise mit ei ner Schichtdicke von etwa 10 µm für die Gate-Isolatorschicht eine Spannungsfestigkeit von ca. 1000 Volt erreichen. Eine derartige Dicke der Gate-Isolatorschicht ist aber nur schwie rig herstellbar. Dagegen können mit dem erfindungsgemäßen Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor Spannungsfestigkeiten in der Größenordnung von 1000 Volt bereits mit einer Schichtdicke von etwa 3 µm für die Isolatorschicht erzeugt werden.

Die Feldplatten selbst können aus n⁺-dotiertem polykristalli nem Silizium oder Metall, wie beispielsweise Aluminium, oder auch aus elektrisch miteinander verbundenen Teilen verschie dener Materialarten zusammengesetzt sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistors, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Hochvolt-SOI-Dünnfilm transistor von Fig. 1, wobei eine Isolatorschicht zur Verdeutlichung der Anordnung der Gateelektroden weg gelassen ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Siliziumdioxidschicht 2 vorgesehen, in die eine einkri stalline Siliziumschicht 3 eingebettet ist. Die Silizium schicht 3 enthält eine p-leitende Sourcezone 4, eine p-lei tende Drainzone 5, ein n-leitendes Gebiet 6 und p⁺-leitende Zonen 7. Die p⁺-leitenden Zonen 7 sind jeweils mit einer Feldplatte 8 bzw. 9 bzw. 10 verbunden, welche "schräg" ge stellt sind, so daß diese Feldplatten 8, 9, 10 mit steigender Entfernung von einer oberhalb der Sourcezone 4 vorgesehenen Gateelektrode 11 einen größerwerdenden Abstand von der Sili ziumschicht 3 aufweisen. Mit steigender Entfernung von der Gateelektrode 11 werden dabei die Feldplatten 8, 9, 10 bei ansteigender Neigung breiter bzw. in Richtung der Source- Drain-Strecke länger, so daß sie mit ihrem zu der Gateelek trode 11 entgegengesetzten Ende immer weiter von der Silizi umschicht 3 beabstandet sind.

Die Sourcezone 4 ist mit einer Sourceelektrode 5 verbunden, die gewöhnlich geerdet ist, während die Drainzone 5 an eine Drainelektrode D angeschlossen ist, an der eine positive Spannung +U_D anliegt.

Die Schichtdicke der Siliziumschicht 3 liegt zwischen 0,1 und 1 µm. Die Dotierungskonzentration der Siliziumschicht 3 be trägt etwa 10¹² Atome/cm^-2 bis 5 × 10¹³ Atome/cm^-2. Wie bereits erwähnt wurde, weisen die Feldplatten 8, 9, 10, die jeweils mit den p⁺-leitenden Zonen 7 verbunden sind, einen in Rich tung auf die Drainzone 5 stetig oder auch stufenweise stei genden Abstand von der Siliziumschicht 3 auf.

Wird eine ansteigende Spannung an die Drainelektrode D ange legt, so steigt die Spannung an den Feldplatten 9, 10 zuerst mit der Drainspannung an. Sobald die sich von der Sourcezone 4 mit anwachsender Drainspannung ausbreitende Raumladungszone die mit der Feldplatte 9 verbundene hochdotierte p⁺-leitende Zone 7 erreicht, bleibt die Spannung der Feldplatte 9 auf dem gerade vorliegenden Wert stehen. Breitet sich sodann die Raumladungszone bei noch höherer Spannung an der Drainelek trode D weiter aus, so wird auch die nächste, mit der Feld platte 10 verbundene p⁺-leitende Zone 7 erreicht, wobei so dann die Spannung an der Feldplatte 10 ebenfalls stehen bleibt.

Mit dieser Mehrfach-Feldplattenanordnung ist es so möglich, eine hohe Betriebsspannung an die Drainelektrode D anzulegen und dennoch die Schichtdicke der Isolatorschicht 2 im Bereich von einigen µm, beispielsweise 3 µm zu halten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Spannungen bis etwa 1000 Volt an die Drainelektrode D gelegt werden können, obwohl die Schichtdic ke der Isolatorschicht 2 nur ca. 3 µm beträgt.

Die Feldplatten 8, 9, 10 können aus polykristallinem, n⁺-lei tendem Silizium oder aus Metall, wie beispielsweise Alumini um, bestehen oder aber auch aus elektrisch miteinander ver bundenen Teilen verschiedener Materialarten zusammengesetzt sein.

Bezugszeichenliste

1

Siliziumsubstrat

2

Isolatorschicht

3

Siliziumschicht

4

Sourcezone

5

Drainzone

6

n-leitendes Gebiet

7

p⁺

-leitende Zonen

8

Feldplatte

9

Feldplatte

10

Feldplatte

11

Gateelektrode
SSourceelektrode
GGate
DDrainelektrode

Claims

1. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor mit:

1. einer Halbleiter-Dünnschicht (3) des einen Leitfähig keitstyps, die in eine auf einem Halbleiterkörper (1) ange ordnete Isolatorschicht (2) eingebettet ist, und
2. einer Drainzone (5) sowie einer Sourcezone (4), die bei de in der Halbleiter-Dünnschicht (3) ausgebildet sind und den zum einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfä higkeitstyp aufweisen, und einer in oder auf der Isolator schicht (2) vorgesehenen Gateelektrode (11),

gekennzeichnet durch

1. mindestens eine Feldplatte (8; 9, 10), die zwischen Ga teelektrode (11) und Drainzone (5) angeordnet ist und deren Abstand von der Halbleiter-Dünnschicht (3) mit steigender Entfernung von der Gateelektrode (11) größer ist, und
2. hochdotierte Zonen (7) des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Halbleiter-Dünnschicht (3), die mit der wenigstens einen Feldplatte (8; 9, 10) verbunden sind.

2. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Dünnschicht (3) eine Schichtdicke von 0,1 bis 1,0 µm aufweist und homogen mit 10¹² bis 5 × 10¹³ Ato men/cm² dotiert ist.

3. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der mindestens einen Feldplatte (8; 9, 10) und der Halbleiter-Dünnschicht (3) kontinuierlich oder stufenartig anwächst.

4. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist.

5. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Feldplatten (8; 9, 10) der Abstand der ein zelnen Feldplatten von der Halbleiter-Dünnschicht (3) mit zu nehmender Entfernung von der Gateelektrode (11) größer wird.

6. Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatten (8; 9, 10) aus hochdotiertem polykri stallinem Silizium bestehen.