RU2195747C1 - High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor - Google Patents
High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2195747C1 RU2195747C1 RU2001117187A RU2001117187A RU2195747C1 RU 2195747 C1 RU2195747 C1 RU 2195747C1 RU 2001117187 A RU2001117187 A RU 2001117187A RU 2001117187 A RU2001117187 A RU 2001117187A RU 2195747 C1 RU2195747 C1 RU 2195747C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- grooves
- substrate
- resistance
- conductivity
- layer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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. The invention relates to electronic semiconductor technology, in particular, to designs of high-power silicon MOS transistors designed to amplify and generate power in the HF and microwave wavelength ranges.
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. Known for a powerful silicon n-channel microwave MIS transistor of the Japanese company Fujitsu (article 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), including: a silicon substrate with high-resistance and high-alloy p-type conductivity layers; elementary transistor cells with n + source and nn + drain areas in the volume of the high-resistance substrate layer and metal electrodes of the drain, source, gate on its front surface; end-to-end diffusion p + jumper wires in the high-resistance substrate layer connecting the source electrodes of the transistor cells with a high-alloy substrate layer that performs the functions of a common source region in the transistor; a common source metal electrode on the back of a highly alloyed substrate layer. The disadvantages of this design include the difficulty of implementing small (of the order of 1 .... 1.5 μm) lengths of the induced channel and ensuring a normally closed state of the device at zero gate voltage.
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. The well-known powerful silicon n-channel microwave MIS transistor of the Ericsson company (catalog of the company RF power transistors, June 1997, p. 733-734), in which the above disadvantages are eliminated by changing the configuration of the drain nn + transistor region cells and introducing into their structure an additional p-channel region with an increased concentration of acceptor impurities compared to the high-resistance substrate layer. However, in both of these analog devices, the connecting negative diffusion p + jumpers have the most negative effect on the final electrical parameters. Indeed, being a part of each elementary transistor cell and having decent overall dimensions (not less than 1 ... 1.6 times the thickness of the high-resistance substrate layer) and a noticeable ohmic resistance, the connecting diffusion p + jumpers make a significant additional contribution in a step of the structure and in the total resistance of the source, and this in turn leads to an increase in the total area of the transistor structure, an increase in its interelectrode capacitances, a decrease in the operating current of the drain, and, as a result, to the ear increasing the frequency and energy parameters of the device. In addition, the process of formation of diffusion p + jumper is accompanied by an undesirable redistribution of dopants in the silicon p-p + substrate, which should also be attributed to the disadvantages of the above structures.
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 мкм•15 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.As a prototype, the design of a microwave power high-power silicon MOS transistor was chosen, in which the source electrodes of the elementary transistor cells are connected to a high-alloy substrate layer by means of additional metal buses passing through the through V-grooves formed in the high-resistance substrate layer outside the source regions of the transistor cells opposite one from their ends (article "A 2.45 GHz power LD-MOSFET with reduced source inductance by V-groove connections" in the International Electron Devices Meeting, Washington, 1985, December 1-4, p. 166-169). In the prototype, as well as in analog devices, the high-alloyed substrate layer functions as a common source region, and the metal electrodes of the drain, source, and gate of transistor unit cells are made in the form of narrow longitudinal strips. The absence in the prototype of the connecting diffusion p + jumpers automatically eliminates the associated disadvantages. However, the very configuration of the grooves and their location in the transistor structure of the prototype determine:
- relatively large sizes of the base of the grooves (10 μm • 15 μm), and, for this reason, the inappropriateness of their placement directly in the active zone of the elementary transistor cells;
- lengthening of metal buses connecting the drain electrodes of the elementary transistor cells with common drain contact pads intended for connecting external wire leads to the transistor structure;
- lengthening of metal buses connecting the source electrodes of the elementary transistor cells to the lower highly alloyed substrate layer;
- an increase in the total area of the transistor structure and an increase in its interelectrode capacitances;
- uneven potential transfer from the common metal electrode of the source located on the back side of the highly alloyed substrate layer to different parts of the source electrode of the elementary transistor cells;
- and, as a result, the deterioration of the frequency properties and energy parameters of the device.
Целью настоящего изобретения является улучшение частотных свойств и энергетических параметров прибора. The aim of the present invention is to improve the frequency properties and energy parameters of the device.
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...70o в верхней части высокоомного слоя подложки и 90o 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.This goal is achieved by the fact that in the known design of a high-power microwave MIS transistor containing a semiconductor substrate with high-resistance and high-alloy layers of the first type of conductivity, elementary transistor cells with a source region of the second conductivity type, a drain region of the second conductivity type, a channel region of the first conductivity type in volume high-resistance layer of the substrate and metal electrodes of the drain, source, gate on its front surface, V-grooves in the high-resistance layer of the substrate, m metal buses connecting the source electrodes of the transistor cells through grooves with a highly alloyed substrate layer, the common metal electrode of the source on the back side of the highly alloyed substrate layer, the grooves are formed directly in the source regions of the transistor cells and are made with the angle of the side walls of the grooves with respect to the front surface of the high resistance layer of the substrate 50 ... 70 o at the top of a high-resistance layer and the substrate 90 o in its lower portion, and the inclined and vertical side walls of the grooves conjugate IU a row in a plane spaced from the front surface of the high-resistance layer of the substrate in the region of 0.5 ... 0.7 the thickness of high-resistance substrate layer, and furthermore, a high-resistance layer of the substrate along the vertical side walls of the grooves are formed more highly alloyed region of the first conductivity type.
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". Comparative analysis with the prototype shows that the claimed design is different: a new location of the grooves in the active region of the transistor structure; new groove configuration; a new, strictly regulated, profile of the side walls of the grooves; the presence in the transistor structure of additional diffusion regions located along the vertical side walls of the grooves. Thus, the claimed design meets the criteria of the invention of "novelty."
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.Placing the grooves directly in the source regions of the elementary transistor cells allows:
- reduce the length and inductance of the metal busbar connecting the electrodes of the source of the unit cells through grooves with the lower highly alloyed substrate layer, performing the functions of the common source region in the transistor structure (chip, crystal);
- reduce the length and inductance of the metal busbars connecting the drain electrodes of the unit cells to the common drain contact pads designed to connect external wire leads to the transistor structure;
- reduce the total area of the transistor structure and reduce the values of its interelectrode parasitic capacitances;
- to ensure uniform potential transfer from the common source electrode through a high-alloy substrate layer and shortened metal busbars placed in grooves, simultaneously to all points of the source electrodes of the elementary transistor cells. The result of the above structural changes is the improvement of the frequency and energy parameters of the device.
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. The new configuration of the grooves makes it possible to realize the above advantages of the claimed design. Indeed, as will be shown in the example below, when the profile of the side walls of the grooves is regulated by the claims, their cross section at the front surface of the high-resistance substrate layer tapers 1.5 ... 2 times in comparison with V-grooves identical in depth and size of the bottom, used in the prototype, and such upgraded grooves can already be topologically entered directly into the locations of the source regions of the elementary transistor cells with virtually no change in the structure pitch.
При наклоне боковых стенок канавок по отношению к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки под углом β<50o 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 β≈60..650.When the side walls of the grooves are inclined with respect to the front surface of the high-resistance layer of the substrate at an angle β <50 °, the cross section of the grooves at the front surface of the transistor structure noticeably increases and becomes already comparable with the dimensions of the V-shaped grooves used in the prototype. At the same time, the step of the structure will significantly increase with all the negative consequences ensuing from this, which were mentioned above. The step of the structure will increase to unacceptable sizes even when the inclined and vertical side walls of the grooves are paired in a plane spaced from the front surface of the transistor structure at a distance exceeding 0.7 of the thickness of the high-resistance layer of the substrate, even at the most optimal angle β≈60..65 0 .
При наклоне боковых стенок канавок под углом β>70o 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 β>70o 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.When the side walls of the grooves are inclined at an angle β> 70 o to the front surface of the high-resistance layer of the substrate, there is a possibility of a “shadow effect” when spraying metal on the steep side walls of the grooves, which can lead to breakage of the connecting metal tires in the grooves, as well as to insufficiently tight contact source electrodes of transistor cells with high-alloyed shunt layers. In addition, when the value of the angle β> 70 o , the contact area of the source electrodes with shunt interlayers decreases noticeably, which together can lead to insufficiently effective neutralization of the associated parasitic bipolar structure in the inventive high-power microwave MIS transistor, and, as a result, to reduce the operational device reliability.
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. When the inclined and vertical side walls of the grooves are mated in a plane spaced from the front surface of the transistor structure at a distance of less than 0.5 of the thickness of the high-resistance substrate layer, problems arise with filling the lower parts of the grooves with metal and breaks in the connecting metal bars on the vertical walls of the grooves are possible.
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. Additional high-alloyed regions of the first type of conductivity located in the inventive high-power microwave MIS transistor along the vertical side walls of the grooves are designed to form high-quality ohmic contact between the connecting metal busbars and the high-resistance substrate layer over the entire area of the side walls of the grooves, thereby contributing to a more complete neutralization of the associated parasitic bipolar structure, and therefore, improve the operational reliability of the device. In addition, these areas can maintain the operability of the claimed transistor structure even in the event of breaks in the connecting metal busbars on the vertical walls of the grooves.
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". In the present invention, a new configuration of the grooves, a new topological construction of the transistor structure, the presence of additional high-alloyed areas located along the vertical side walls of the grooves, make it possible to create powerful generator MOS transistors, which have a higher gain in comparison with the prototype and analogs with enhanced functionality, better frequency and energy parameters, higher operational reliability, that is, showed It has a new technical feature. Therefore, the claimed design meets the criterion of "inventive step".
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. This invention is also significant, as it provides a significant technical effect, consisting in the possibility of creating a new generation of microwave power generator MIS transistors with operating frequencies up to 2 ... 3 GHz and the power transferred to the load up to 100 ... 150 W, opening up new perspectives in solving the most important problems of complex microminiaturization of electronic equipment, improving its technical, economic and overall dimensions, in solving the problem of electromagnetic compatibility of radio facilities operating in words is restricted space in the complex jamming environment.
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;
hp- - толщина высокоомного слоя подложки;
Lк - длина индуцированного канала;
Нк - глубина канавок;
dм - расстояние между вертикальными боковыми стенками канавок;
Dк - расстояние между наклонными боковыми стенками канавок в плоскости, совпадающий с лицевой поверхностью транзисторной структуры (ширина основания канавок в направлении оси х);
Yсопр - расстояние между лицевой поверхностью транзисторной структуры и плоскостью сопряжения наклонных и вертикальных боковых стенок канавок;
Yjp - глубина залегания канальных областей элементарных транзисторных ячеек в высокоомном слое подложки;
β - угол между наклонными боковыми стенками канавок и лицевой поверхностью транзисторной структуры;
β* - угол наклона боковых стенок канавок к лицевой поверхности транзисторной струкруры в прототипе (54o44');
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.In figures 1 and 2 shows a cross section of the structure of the inventive high-power microwave MOS transistor and a fragment of the cross section of the inventive transistor structure according to the invention, where the following notation is introduced:
1 - semiconductor substrate;
2 - high resistance layer of the substrate;
3 - highly alloyed substrate layer;
4 - source regions of elementary transistor cells;
5 - stock areas of elementary transistor cells;
6 - channel region of the elementary transistor cells;
7 - high-alloyed shunt layers in transistor cells;
8 - gate insulator (gate insulator);
9 - gate electrode of elementary transistor cells;
10 - source electrode of the elementary transistor cells;
11 - stock electrode of elementary transistor cells;
12 - grooves in the high-resistance layer of the substrate;
13 - inclined side walls of the grooves;
14 - vertical side walls of the grooves;
15 - the plane of conjugation of the inclined and vertical side walls of the grooves;
16 - the bottom of the grooves;
17 - metal busbar connecting the source electrodes of the elementary transistor cells with a highly alloyed substrate layer;
18 - a common electrode of the source of the transistor structure;
19 - additional high-alloyed areas along the vertical side walls of the grooves;
20 - induced channel;
21 is a profile of the side walls of the grooves in the prototype;
h p- is the thickness of the high-resistance layer of the substrate;
L to - the length of the induced channel;
N to - the depth of the grooves;
d m - the distance between the vertical side walls of the grooves;
D to - the distance between the inclined side walls of the grooves in the plane, coinciding with the front surface of the transistor structure (the width of the base of the grooves in the x-axis direction);
Y sopr - the distance between the front surface of the transistor structure and the interface plane of the inclined and vertical side walls of the grooves;
Y jp is the depth of the channel regions of the elementary transistor cells in the high-resistance layer of the substrate;
β is the angle between the inclined side walls of the grooves and the front surface of the transistor structure;
β * - the angle of inclination of the side walls of the grooves to the front surface of the transistor structure in the prototype (54 o 44 ');
a - the deviation of the interface line of the inclined side walls of the grooves with the front surface of the transistor structure from the vertical in the claimed powerful microwave MIS transistor;
b - the deviation of the line connecting the side walls of the grooves with the front surface of the transistor structure from the vertical in the prototype.
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 Lк=0,9...0,95 мкм, рассчитанных на работу при напряжении питания по стоку Uc 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 hp-=7 мкм и ρp-= 15 Ом•см. 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 hp-=7 мкм, Нк=1,0... 1,1 hp-, dм=3±0,1 мкм, реализация шага структуры в 27 мкм возможна лишь при ширине основания канавок Dк≤8,0...8,5 мкм, a Dк=2а+d (см. фиг.2), то для формирования канавок с Dк<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 β=50...70o и сопряжении наклонных и вертикальных боковых стенок канавок на уровне Усопр=0,5...0,7 hp- от лицевой поверхности транзисторной структуры. Наименьший шаг структуры реализуется при β≈70o и Усопр=0,5hp-.EXAMPLE
Based on the proposed design, experimental samples of high-power silicon n-channel MOS transistors with a structure step of 27 μm (in this case, the structure step means the distance between the centers of the source or sink regions of the unit cells) and the induced channel length L k = 0, were developed and manufactured. 9 ... 0.95 microns, designed to operate at a supply voltage of drain U c pit = 28 ... 35 V at frequencies up to 2.0 ... 2.5 GHz and prototype with a similar step structure and the length of the induced channel. Those and other devices fabricated simultaneously in a single technological process, using as starting material oriented along the (100) silicon p-p + -podlozhek the thickness and resistivity of epitaxial high-resistance p - - layer respectively h p- = 7 microns and ρ p - = 15 Ohm • cm. The structural and technological features of the claimed transistor structure and prototype are presented in table 1. The design and topology of the structure were developed on the basis of previously performed calculations, the results of which are shown in table 2. Considering that at optimal values for the devices of this class, h p- = 7 μm, H k = 1.0 ... 1.1 h p- , d m = 3 ± 0.1 μm, the implementation of the structural step of 27 μm is possible only with the width of the base of the grooves D to ≤8.0 ... 8.5 μm, a D k = 2a + d (see figure 2), then for the formation of grooves with D to <8.5 μm, the line of conjugation of their lateral walls with the front surface of the transistor structure should not deviate from the vertical by a distance a> 2.6 μm. The data presented in table 2 (outlined by a contour) clearly show that the value of the parameter a> 2.6 μm is achieved when the side walls of the grooves are tilted to the front surface of the high-resistance substrate layer at an angle β = 50 ... 70 ° and conjugated vertical side walls of the grooves at the level of Y sop = 0.5 ... 0.7 h p- from the front surface of the transistor structure. The smallest step of the structure is realized at β≈70 o and Y sopr = 0.5h p- .
В прототипе боковые стенки канавок выполнены однородными и наклонены к лицевой поверхности высокоомного слоя подложки под углом β*=54o44'. Ширина основания канавок в этом случае при тех же значениях hp-=6...8 мкм, Нк=1,0.. . 1,1 hp-, dg= dм=3 мкм (ширина дна канавки в направлении оси х на фиг.2 ) будет равна: Dк=2b+dg≈2(hp-/tgβ)+3≈13...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 950o 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 β*= 54o44', 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...430oС. 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.In the prototype, the side walls of the grooves are made uniform and inclined to the front surface of the high-resistance substrate layer at an angle β * = 54 ° 44 ′. The width of the base of the grooves in this case with the same values of h p- = 6 ... 8 μm, N k = 1,0 ... 1.1 h p- , d g = d m = 3 μm (the width of the bottom of the groove in the direction of the x axis in FIG. 2) will be equal to: D k = 2b + d g ≈2 (h p- / tgβ) + 3≈ 13 ... 14 microns. With a structure step ≤ 27 μm, it is not possible to enter such grooves directly into the places of dislocation of the source regions of unit cells,
The source (5) and stock (6) regions of the unit cells in the inventive microwave MIS transistor and prototype were created by implantation of arsenic ions into the substrate, and channel p + regions (6) and shunting p + interlayers (7) by boron ion implantation. Additional highly doped p + regions (19) along the vertical side walls of the grooves in the proposed design were also formed by implantation of boron ions with subsequent diffusion acceleration of the introduced impurity at elevated temperature. The gate insulator (8) with a thickness of 0.16 ... 0.18 μm was created by thermal oxidation of silicon in a medium of dry oxygen and water vapor at a temperature of 950 o with subsequent passivation of the formed oxide with phosphor-silicate glass. The gate electrodes (9) of the unit cells in the form of
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+C12и+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 ηc, то есть лучшими частотными и энергетическими параметрами по сравнению с прототипом. Более высокие значения Кур, ηc, S/С11и, S/(С11и+С12и+С22и) 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.The electrical parameters of the manufactured devices are presented in table 3. An analysis of the data given in tables 1 and 3 shows that for the same lengths of the induced channel, the step of the structure, the size of the crystal, the number and size of the contact areas of the drain and the gate on the chip:
- in the proposed transistor structure, 1.5 times greater total channel width (gate length) is realized, 1.6 times higher slope of characteristic S, 1.2 times higher slope to input capacitance (S / C 11 and) 1.3 times higher ratio of steepness to the sum of input, passage and output capacities (S / (C 11 and + C 12i + C22i)) compared to the prototype;
- the samples of the transistors of the proposed design give to the load continuously 1.5 times higher power Rvoh, while having 1.55 times higher gain in power Chickens and about 1.47 times higher efficiency of the drain circuit η c , that is, the best frequency and energy parameters compared to the prototype. The higher values of Chickens, η c , S / C 11i , S / (C 11i + C 12i + C 22i ) in the proposed design are precisely ensured by their shorter length and inductance of metal buses connecting the source electrodes of the unit cells to the lower highly alloyed substrate layer , a shorter length and inductance of metal buses connecting the drain electrodes of the unit cells to common drain contact pads, a more uniform transfer of potential from the common source electrode to the source electrodes of the unit cells.
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.Feasibility study of the proposed design in comparison with the prototype consists of:
a) the possibility of creating powerful generator MOS transistors with improved frequency and energy parameters;
b) the possibility of reducing the size of the transistor structure and thus increasing the number of crystals on the plate at identical levels of power transferred to the load;
c) the possibility of creating a new generation of powerful MIS transistors L and S - a frequency range that opens up new perspectives in solving the most important problems of complex microminiaturization of electronic equipment, improving its technical, economic and overall dimensions, in solving the problem of electromagnetic compatibility of radio facilities operating in limited space in a complex jamming environment.
Источники информации
1 Si UHF MOS high power FET - журнал "IEEE Transactions on Electron Devices", 1974, ED-21, N 11, p. 733-734 (аналог).Sources of information
1 Si UHF MOS high power FET - IEEE Transactions on Electron Devices magazine, 1974, ED-21,
2. RF power transactions - каталог фирмы "Ericsson", June 1997, р.733 - 734 (аналог). 2. RF power transactions - catalog of the Ericsson company, June 1997, p. 733-734 (analogue).
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). 3. A 2.45 GHz power LD - MOSFET with reduced source inductance by V-groove connections - collection of articles "International Electron Devices Meeting". 1985, December 1-4, p. 166-169 (prototype).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001117187A RU2195747C1 (en) | 2001-06-25 | 2001-06-25 | High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001117187A RU2195747C1 (en) | 2001-06-25 | 2001-06-25 | High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2195747C1 true RU2195747C1 (en) | 2002-12-27 |
Family
ID=20250996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001117187A RU2195747C1 (en) | 2001-06-25 | 2001-06-25 | High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2195747C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548058C1 (en) * | 2011-04-19 | 2015-04-10 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Semiconductor device and method of its manufacturing |
-
2001
- 2001-06-25 RU RU2001117187A patent/RU2195747C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A 2,45 GHz power LD - MOSFET with reduced source inductance by V-groove connections. "International Electron Devices Meeting", 1985, December 1-4, p.166-169. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548058C1 (en) * | 2011-04-19 | 2015-04-10 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Semiconductor device and method of its manufacturing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2842871B2 (en) | Power MOS transistor structure | |
| JP2585331B2 (en) | High breakdown voltage planar element | |
| US6586833B2 (en) | Packaged power devices having vertical power mosfets therein that are flip-chip mounted to slotted gate electrode strip lines | |
| JP3280383B2 (en) | MOS transistor and method of manufacturing the same | |
| US4599576A (en) | Insulated gate type field effect semiconductor device and a circuit employing the device | |
| KR100289474B1 (en) | Method for manufacturing a DMOS transistor | |
| JPH0336311B2 (en) | ||
| EP2289099A1 (en) | Electromigration-compliant high performance fet layout | |
| US5719429A (en) | High frequency/high output insulated gate semiconductor device with reduced and balanced gate resistance | |
| US6297533B1 (en) | LDMOS structure with via grounded source | |
| US4408384A (en) | Method of manufacturing an insulated-gate field-effect transistor | |
| US5691555A (en) | Integrated structure current sensing resistor for power devices particularly for overload self-protected power MOS devices | |
| JP2003174167A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
| US20050280087A1 (en) | Laterally diffused MOS transistor having source capacitor and gate shield | |
| RU2195747C1 (en) | High-power microwave metal-insulator- semiconductor transistor | |
| KR100226874B1 (en) | Mosfet structure having reduced gate capacitance and manufacture thereof | |
| KR20040058255A (en) | Lateral isolated gate bipolar transistor device | |
| JP2830744B2 (en) | Integrated device | |
| JPH01140773A (en) | Insulated-gate transistor | |
| JP3216258B2 (en) | Insulated gate semiconductor device | |
| US6046493A (en) | Semiconductor device with special emitter connection | |
| JPH1131816A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| JPH0461509B2 (en) | ||
| JPH0620134B2 (en) | Semiconductor device | |
| KR100257709B1 (en) | Method for manufacturing transistor soi device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20150915 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner |