DE19755868C1 - Hochvolt-SOI-Dünnfilmtransistor - Google Patents
Hochvolt-SOI-DünnfilmtransistorInfo
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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 +UD 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.
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
SSourceelektrode
GGate
DDrainelektrode
Claims (6)
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),
- 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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |