NMOS-Transistor
ie vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch isolier¬ ten NMOS-Transistor mit optimierten Durchbruchspannungen.
In einem gewöhnlichen NMOS-Transistor ist eine als Body be¬ zeichnete p-dotierte Wanne, in der der Transistor angeordnet ist, mit dem Halbleitersubstrat elektrisch leitend verbunden. Daher kann der in dem Body n-dotierte Source-Bereich nicht auf ein elektrisches Potential gelegt werden, das gegenüber dem Substrat negativ ist. Ein Source-Body-Durchbruch erfolgt dagegen bei hohen Source-Potentialen, typisch etwa bei einem Source-Potential von 8 Volt gegenüber dem Substratpotential.
In der Veröffentlichung von S. Pendharkar et al . in ISPSD 2004, Seiten 419 bis 422, ist ein Bauelement mit einem iso¬ lierten Drain-Bereich beschrieben, bei dem eine vergrabene n- dotierte Schicht als n-Isolationsschicht verwendet wird und der hoch n-leitend dotierte Drain-Bereich in einer epitak¬ tisch aufgewachsenen p-Isolationsschicht angeordnet ist.
Eine ähnliche Anordnung ist in der Veröffentlichung von R. Ramanathan et al . in ISPSD 2003, Seiten 257 bis 260, be¬ schrieben. Auf einem p-Substrat ist eine p-Epitaxieschicht aufgewachsen. Zwischen dem p-leitenden Anteil des Substrates und der p-Epitaxieschicht befindet sich eine vergrabene n- Schicht, die mit einem hoch n-leitend dotierten Anschlussbe¬ reich versehen ist . In der p-Epitaxieschicht sind eine flache und eine tiefe p-Wanne ausgebildet. Die tiefe p-Wanne ist mit einem hoch p-leitend dotierten Anschlussbereich versehen. In der flachen p-Wanne ist der n-leitende Drain-Bereich angeord-
net; in der tiefen p-Wanne ist der n-leitende Source-Bereich angeordnet.
Eine Isolation eines NMOS-Transistors mittels einer p-Epita- xieschicht und einer vergrabenen n-Schicht ist ebenfalls der US 6,033,946 zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten NMOS-Transistor anzugeben, der gegenüber dem Substrat voll¬ ständig isoliert ist, so dass damit sowohl unter dem Sub¬ stratpotential als auch über dem Substratpotential Strom ge¬ schaltet werden kann. Die Durchbruchspannungen zwischen Drain und Source sowie zwischen Drain und Body sollen optimiert werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem NMOS-Transistor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst . Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem NMOS-Transistor befindet sich in dem Substrat mit ei¬ nem p-leitend dotierten Grundbereich eine n-leitend dotierte Wanne, darin eine p-leitend dotierte innere Wanne als Body und darin die Bereiche von Source und Drain des Transistors, die n-leitend dotiert sind. Der Drain-Bereich ist vorzugswei¬ se mit einem niedriger n-leitend dotierten LDD-Bereich (lightly doped drain) umgeben. Zwischen Source und Drain be¬ findet sich an der Oberseite des Substrates der in p-leitend dotiertem Halbleitermaterial vorgesehene Kanalbereich, über dem eine Gate-Elektrode angeordnet ist, die von dem Halblei¬ termaterial durch ein übliches Gate-Dielektrikum getrennt ist. Die innere Wanne ist mit einem elektrischen Anschluss als Body-Anschluss versehen. Die n-leitend dotierte Wanne be¬ sitzt ebenfalls einen elektrischen Anschluss.
Die n-leitend dotierte Wanne wird im Betrieb des Bauelementes auf ein gegenüber der inneren Wanne positives Potential ge¬ legt. Die zwischen der n-leitend dotierten Wanne, der inneren Wanne und dem Drain-Bereich beziehungsweise dem LDD-Bereich gebildeten pn-Übergänge werden so in Sperrrichtung gepolt. Es bilden sich um die pn-Übergänge Verarmungszonen aus, in denen ein erhöhter Potentialabfall auftritt. Die Dicke und die Do- tierstoffkonzentration der inneren Wanne sind so gewählt, dass im Betrieb des NMOS-Transistors die innere Wanne zumin¬ dest unter dem Drain-Bereich vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt ist. Eine geeignete Wahl der Dotierstoffkonzentra¬ tion in der n-leitend dotierten Wanne ermöglicht es, die Durchbruchspannungen zwischen Source und Drain und zwischen Drain und dem Body-Bereich in der gewünschten Weise einzu¬ stellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird so hergestellt, dass die Implantation der inneren Wanne in einem unterhalb des Drain- Bereiches vorgesehenen und die vertikale Projektion des Drain-Bereiches in die innere Wanne rahmenförmig oder kreis¬ förmig umlaufenden streifenförmigen Bereich durch die Implan¬ tationsmaske abgeschirmt wird. Das resultiert nach der Diffu¬ sion des Dotierstoffes in einer lokal verminderten Dotier- stoffkonzentration unter dem Drain-Bereich. Damit wird er¬ reicht, dass nach der vollständigen Verarmung der inneren Wanne an Ladungsträgern der Potentialabfall in der inneren Wanne erhöht ist, aber der Potentialabfall an dem pn-Übergang zum Drain in diesem Bereich verringert ist, woraus sich eine höhere Durchbruchspannung zwischen Drain und Body ergibt.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des NMOS- Transistors anhand der beigefügten Figuren.
ie Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausfüh¬ rungsbeispiel .
Die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausfüh¬ rungsbeispiel .
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausfüh¬ rungsbeispiel des NMOS-Transistors. In einem Halbleiterkörper oder Substrat ist ein p-leitend dotierter Grundbereich 1 vor¬ handen, der durch eine p-leitende Grunddotierung des gesamten Halbleiterkörpers oder Substrates oder auch durch eine darin ausgebildete p-leitend dotierte äußere Wanne gebildet sein kann. Die Transistorstruktur ist an einer Hauptseite des Halbleiterkörpers oder Substrates angeordnet . Dort befindet sich eine n-leitend dotierte Wanne 2 in dem Grundbereich 1, in der wiederum eine p-leitend dotierte innere Wanne 3 ange¬ ordnet ist. Die n-leitend dotierte Wanne 2 ist durch eine tiefe n-Diffusion, in der Figur 1 mit DN bezeichnet, und die innere Wanne 3 durch eine tiefe p-Diffusion DP gebildet . Die innere Wanne 3 stellt den Body-Bereich des Transistors dar und ist mit einem elektrischen Anschluss, in der Figur 1 als Body-Anschluss B bezeichnet, versehen. Für diesen Body- Anschluss B ist vorzugsweise ein hoch p-leitend dotierter Bo- dy-Anschlussbereich in der inneren Wanne 3 vorgesehen. Es kann außerdem eine flache p-Diffusion, in der Figur 1 mit SP bezeichnet, vorhanden sein, in der auch der Source-Bereich 4 angeordnet ist, der hoch n-leitend dotiert ist. Im Abstand zu dem Source-Bereich 4 befindet sich der ebenfalls hoch n- leitend dotierte Drain-Bereich 5 und zwischen den Bereichen von Source und Drain in dem p-leitend dotierten Halbleiterma¬ terial der inneren Wanne 3 der Kanalbereich 8 an der Obersei¬ te des Halbleiterkörpers oder Substrates. Darauf befindet
sich das Gate-Dielektrikum 9 sowie die darauf angeordnete Ga¬ te-Elektrode 10 zur Steuerung des Kanals. Der hoch n-leitend dotierte Drain-Bereich 5 ist vorzugsweise in einen schwach n- leitend dotierten LDD-Bereich eingebettet, der für eine Ver¬ minderung des Unterschieds in der Dotierstoffkonzentration vom Drain zum Kanal hin vorgesehen ist . Die n-leitend dotier¬ te Wanne 2 ist ebenfalls mit einem elektrischen Anschluss T versehen. Dafür kann an der Hauptseite innerhalb der n- leitend dotierten Wanne 2 ein hoch n-leitend dotierter An¬ schlussbereich 12 vorgesehen sein. Für den Grundbereich 1 kann ebenfalls ein elektrischer Anschluss mit einem hoch p- leitend dotierten Anschlussbereich 13 vorgesehen sein. Die pn-Übergänge sind in den Figuren mit durchgezogenen Linien eingezeichnet, während die Übergänge zwischen Bereichen des¬ selben Vorzeichens der Leitfähigkeit gestrichelt eingezeich¬ net sind. Vorzugsweise befinden sich an der Hauptseite zwi¬ schen den elektrisch leitend dotierten Bereichen jeweils O- xidbereiche, die durch ein Feldoxid, in der Figur 1 mit FOX bezeichnet, gebildet sein können.
Im Betrieb des NMOS-Transistors wird das höchste vorgesehene elektrische Potential, typisch zum Beispiel etwa 20 Volt, an die n-leitend dotierte Wanne 2 angelegt. Die innere Wanne 3 und gegebenenfalls der Grundbereich 1 werden auf ein demge¬ genüber niedrigeres Potential gelegt, indem eine entsprechen¬ de elektrische Spannung an den Body-Anschluss B und gegebe¬ nenfalls an den Anschlussbereich 13 angelegt wird. Die zwi¬ schen den durch die innere Wanne 3 gebildeten Body-Bereich des Transistors und den elektrischen Anschluss der n-leitend dotierten Wanne 2 angelegte elektrische Spannung und die zwi¬ schen die innere Wanne 3 und den Drain-Bereich 5 in Sperr¬ richtung angelegten Spannungen verursachen eine Verarmung an Ladungsträgern im Bereich um die jeweiligen pn-Übergänge. Die
innere Wanne 3 verarmt im Betrieb des Bauelementes zumindest unterhalb des Drain-Bereiches 5 vollständig an Ladungsträ¬ gern. Es resultiert eine Anhebung des Potentials in der inne¬ ren Wanne 3. Infolgedessen erhöht sich das Potential unter¬ halb des Drain-Bereiches 5 beziehungsweise des LDD-Bereiches 7, und die Durchbruchspannung ist erhöht. Die Drain-Body- Durchbruchspannung kann auf diese Weise auf Werte von mindes¬ tens 15 Volt erhöht werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2 wurde die Im¬ plantierung von Dotierstoff in die innere Wanne 3 in einem vorzugsweise streifenförmigen Bereich 14 unterhalb des Drain- Bereiches 5 abgeschirmt . Dieser streifenförmige Bereich 14 befindet sich in etwa unter dem lateralen pn-Übergang zwi¬ schen dem LDD-Bereich 7 und der inneren Wanne 3. Die sich da¬ nach durch Diffusion dort einstellende Dotierstoffkonzentra¬ tion für p-Leitung ist schwächer als im Rest der inneren Wan¬ ne 3. Durch eine damit verbundene Anhebung des Bodypotentials unterhalb des Drain-Bereiches wird die Durchbruchspannung zwischen Drain und Body erhöht.
Für den Fall, dass die Konzentration des Dotierstoffes in der n-leitend dotierten Wanne 2 durch andere integrierte Bauele¬ mente desselben Halbleiterchips zu hoch vorgegeben ist, kann bei der Herstellung die Implantation des n-Dotierstoffs der n-leitend dotierten Wanne trotzdem mit derselben Maske erfol¬ gen, wenn die Maske im Bereich der n-leitend dotierten Wanne 2 mit in dichtem Abstand zueinander verlaufenden Streifen versehen wird. Nach der auf diese Weise in parallelen Strei¬ fen modulierten Implantation und der anschließenden thermi¬ schen Diffusion der Dotierstoffe sind die Dotierstoffkonzent¬ ration in der n-leitenden Wanne und damit die Drain-Body- Durchbruchspannung und die Drain-Source-Durchbruchspannung
wie vorgesehen optimiert, wobei gleichzeitig ein möglicher¬ weise vor dem vollständigen Ausräumen der Ladungsträger unter dem Drain-Bereich auftretender Punch-through verhindert ist. Zu diesem Zweck kann auch die Dotierung des LDD-Bereiches 7 geeignet eingestellt werden. Ein Punch-through zwischen dem LDD-Bereich und der n-leitend dotierten Wanne 2 wird bis zu hohen Spannungen vermieden.
Besonders bevorzugt ist die Ausbildung des LDD-Bereiches mit einer zum Kanal hin gradierten, das heißt, allmählich abneh¬ menden Dotierstoffkonzentration. Zur Herstellung wird bei der Implantation des für den LDD-Bereich vorgesehenen Dotierstof¬ fes eine zur Oberseite um mindestens 7° geneigte Implantati¬ onsrichtung gewählt. Die Gradierung der Dotierstoffkonzentra- tion wird durch eine Vergrößerung des Neigungswinkels, zum Beispiel auf Werte von über 7° bis etwa 45°, erhöht (LATID, large angle tilt implanted drain) . Das gradierte Dotierstoff¬ profil kann auch unter Einbeziehung eines LDD-Implants, der für integrierte Niedervolttransistoren optimiert ist, er¬ reicht werden. In diesem Fall wird ein LDD-Bereich entspre¬ chend den Niedervolttransistoren durch die zusätzliche ge¬ neigte Implantation für den erfindungsgemäß vollständig iso¬ lierten NMOS-Transistor optimiert. Die geneigte Implantation erzeugt das gewünschte in der horizontalen Richtung veränder¬ liche Dotierstoffprofil . Diese Maßnahme verbessert ebenfalls die Durchbruchspannung, typisch auf über 15 Volt.
Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass nur ein geringer Anteil des Spannungsabfalls im Bereich unterhalb des Drain-Bereiches 5 auftritt und der hauptsächliche Potential- abfall zwischen Drain D und Body-Anschluss B in die Verar¬ mungszone längs des pn-Überganges zwischen der inneren Wanne 3 und dem LDD-Bereich 7 verlagert wird. Die in dieser Hin-
sieht optimierte Betriebsweise des Bauelementes, bei der ins¬ besondere ein ausreichend hohes positives Potential an den Anschluss T der n-leitend dotierten Wanne angelegt wird, kann vorzugsweise durch eine integrierte elektronische Ansteuer¬ schaltung gewährleistet werden. Damit wird erreicht, dass das Bauelement in einem erweiterten Spannungsbereich betrieben wird, wobei der Body-Bereich unter dem Drain-Bereich voll¬ ständig an Ladungsträgern ausgeräumt ist.
Die Ausgestaltung dieses NMOS-Transistors kann den jeweiligen Anforderungen, insbesondere an die Größe der zu schaltenden Spannungen und Ströme, angepasst werden. Das geschieht zum Beispiel durch ModelIrechnungen, die dem Fachmann an sich ge¬ läufig sind. Es liegt daher im Rahmen der Erfindung, die Di¬ cke der Schichten und deren Dotierstoffkonzentrationen geeig¬ net anzupassen und eine Ansteuerschaltung vorzusehen, die die für die beschriebene Betriebsweise jeweils benötigten elekt¬ rischen Potentiale bereitstellt.
Bezugszeichenliste
1 Grundbereich
2 n-leitend dotierte Wanne
3 innere Wanne
4 Source-Bereich
5 Drain-Bereich
6 weitere Wanne
7 LDD-Bereich
8 Kanalbereich
9 Gate-Dielektrikum
10 Gate-Elektrode
11 Body-Anschlussbereich
12 Anschlussbereich
13 Anschlussbereich
14 streifenförmiger Bereich B Body-Anschluss
D Drain-Bereich
G Gate-Elektrode
S Source-Bereich
T elektrischer Anschluss der n-leitend dotierten Wanne