DE19617166C1

DE19617166C1 - Ldd-mosfet

Info

Publication number: DE19617166C1
Application number: DE19617166A
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Ing Tihanyi
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: WO1997041604A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement bestehend aus einem Halb leiterkörper vom ersten Leitungstyp mit einer Sourcezone und einer Drainzone vom zweiten Leitungstyp, mit einer zwischen der Sourcezone und der Drainzone liegenden Driftzone vom zweiten Leitungstyp, die schwächer dotiert ist als die Sourcezone und die Drainzone, mit einer gegen die Oberfläche des Halbleiterkörpers isolierten Gate-Elektrode, die die Driftzone auf ihrer gesamten Breite überdeckt, wobei der zwi schen der Gate-Elektrode und der Drainzone liegende Teil der Driftzone eine Driftstrecke für die Ladungsträger bildet.

Ein solcher Feldeffekttransistor ist zum Beispiel in der EP- B-0011879 beschrieben worden und unter dem Namen LDD-MOSFET (LDD= "lightly doped drain") bekannt geworden. Feldeffekttran sistoren dieser Art sind mittlerweile für Betriebsspannungen oberhalb 100 Volt ausgelegt. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung treten bei solchen lateralen MOS- Transistoren größere Stabilitätsprobleme auf, da es vermehrt zur Bildung von heißen Elektronen ("Hot-Electrons") aufgrund der hohen Feldstärken im Drainbereich kommt. Bei hohen elektrischen Feldstärken treten Abweichungen vom ohmschen Gesetz auf, d. h. die Geschwindigkeit der Ladungsträger ist nicht mehr proportional zur elektrischen Feldstärke. Der Begriff "heiße Elektronen" bedeutet, daß die kinetische Energie der Elektronen deutlich von der thermischen Energie der Gitterschwingungen abweicht. In dieser Situation erfolgt sehr rasch ein Energieausgleich zwischen den Elektronen und dem Gitter. Mit anderen Worten: Die Elektronengeschwindigkeit nimmt nicht mehr zu; sie erreicht die Sättigungsdriftge schwindigkeit.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Feld effekttransistor gemäß der eingangs genannten Art so weiter zubilden, daß er bei höheren Betriebsspannungen einsetzbar ist und daß bei ihm die Feldstärke im Drainbereich deutlich reduziert werden kann, um die Entstehung von heißen Elektronen zu vermeiden. Der Feldeffekttransistor soll außerdem eine ohne großen Aufwand integrierbare Struktur aufweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch ge löst, daß im Bereich der Driftstrecke zumindest ein Ablenkbe reich vorgesehen ist, mit der der Strompfad der Ladungsträger in die Tiefe verlegbar ist. Durch dieses einfache aber sehr wirksame Mittel wird der Strompfad der Elektronen in der Drainzone aus der Oberfläche in die Tiefe verlagert. Dadurch werden die Elektronen abgebremst und verlieren durch diese Abbremsung an kinetischer Energie, was zur Reduktion der Feldstärke führt.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Ablenk bereich als eine in die Driftzone eingebettete Ablenkzone vom ersten Leitungstyp ausgebildet. Diese Ablenkzone ist dann ty pischerweise mit der Isolierdiffusionszone seitlich verbun den, welche bei jedem MOS-FET vorhanden ist.

In einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist als Ablenkbereich eine gegen die Oberfläche des Halbleiter körpers isolierte Ablenkelektrode vorgesehen, die auf negati verem Potential als das Drainpotential liegt. Diese Ablenk elektrode ist typischerweise unter einem drainseitigen SiO₂- Spacer angeordnet und besteht vorzugsweise aus dotiertem Polysilicium.

Bei allen Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist es zweckmäßig, daß der Querschnitt der Driftstrecke senkrecht zur Driftrichtung ausgehend von der Gate-Elektrode in Rich tung zur Drainzone eine zunehmende Anzahl von Dotierstoffato men enthält. In einer Ausführung kann dabei die Driftstrecke eine im wesentlichen konstante Breite haben. Die Dotierungs konzentration in der Driftstrecke erhöht sich dann von der Gate-Elektrode zur Drainzone.

Zweckmäßigerweise ist unter der Gate-Elektrode eine die Driftzone unterbrechende, von der Gate-Elektrode mindestens teilweise überdeckte weitere Zone vom ersten Leitungstyp mit mindestens gleichhoher, vorzugsweise aber höherer Dotierungs konzentration wie der Halbleiterkörper angeordnet.

Das Halbleiterbauelement kann symmetrisch, also mit gleicher Struktur von Sourcezone und Drainzone, oder asymmetrisch auf gebaut sein.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau licht und im folgenden im einzelnen anhand der Zeichnung be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit ei ner Ablenkungszone,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit ei ner Ablenkungszone und alternativ ausgeführten Lightly-Doped-Drain,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit ei ner Ablenkelektrode.

In allen vier Figuren ist der Halbleiterkörper des Halblei terbauelements mit 1 bezeichnet. Dieser Halbleiterkörper 1 besteht hier aus schwach p-dotiertem Silicium. Der Feldef fekttransistor wird durch zum Beispiel eine stark p-dotierte Isolierdiffusionszone oder Isolationszone 14 begrenzt. Im Halbleiterkörper 1 ist eine Sourcezone 4 und eine Drainzone 5 mit starker n-Leitfähigkeit angeordnet. Zwischen der Sourcezone 4 und der Drainzone 5 liegt eine schwach n dotierte Driftzone 6 (lightly doped drain). Die Oberfläche des Halbleitersubstrats wird von einer aus SiO₂ bestehenden Isolierschicht 3 bedeckt. In der Nähe der Sourcezone 4 ist auf der Isolierschicht 3 eine Gate-Elektrode 9 angeordnet, die hier aus dotiertem polykristallinem Silicium besteht.

Die schwach n-dotierte Driftzone 6 ist in der Nähe der Sour cezone 4 durch eine stark p-dotierte weitere Zone 8 unterbro chen. Die Zone 8 und die Sourcezone 4 können durch Doppel ionenimplantation hergestellt werden. Für die Funktion des Feldeffekttransistors ist diese Zone 8 nicht unbedingt erfor derlich, wenn man auf eine vollständige Sperrung des zwischen Sourcezone 4 und Drainzone 5 liegenden, stromführenden Kanals verzichtet.

Die Driftzone 6 bildet zwischen der Gate-Elektrode 9 und der Drainzone 5 eine Driftstrecke 7, für die von der Sourcezone 4 ausgehenden Elektronen.

Wird an die Drainelektrode 15 und die Sourceelektrode 16 eine Spannung angelegt, so beginnt abhängig von der Größe der an die Gate-Elektrode 9 gelegten Steuerspannung ein Strom von der Sourcezone 4 an die Drainzone 5 zu fließen. Die Ladungs träger nehmen dabei die durch die Pfeile angedeuteten Strompfade 13 zur Drainzone 5. Es ist evident, daß der Strompfad 13 in Fig. 1 nur an der Oberfläche verläuft (Stand der Technik).

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird dieser Strompfad 13 durch eine Ablenkzone 10, die mit der Isolierdiffusionszone 14 seitlich verbunden ist, in die Tiefe verlegt, so daß die Elektronen abgebremst werden und die Bildung von heißen Elek tronen deutlich vermindert wird.

Die Fig. 2 und 3 zeigen dabei unterschiedliche Ausfüh rungsformen der Driftzonen 6. Das in Fig. 2 dargestellte Lightly-Doped-Drain-Dotierprofil (LDD) ist hier in der soge nannten SiO₂-Spacer-Technik hergestellt. Sie dient zur Redu zierung der Feldstärkespitzen an der Drainkante. Die schwä chere n-Dotierung (10¹³-10¹⁴ pro cm²) wird vor der Spacer- Bildung, die stärkere n⁺-Dotierung danach implantiert.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung, bei der die Lightly-Doped-Drainkanäle unterhalb der n⁺-dotierten Drain zone liegen.

Die Fig. 4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ebenfalls in SiO₂-Spacer-Technik ein LDD-Dotierprofil hergestellt worden ist und unter den SiO₂-Spacer eine Ablenk elektrode 11 aus dotiertem Polysilicium integriert ist, die auf dem selben Potential liegt wie die Sourcezone. Sie ist demnach mit der Sourceelektrode 16 verbunden. Auch hier wird der Strompfad 13 in die Tiefe verlegt.

Die in allen vier Figuren gezeigten LDD-MOSFET′s sind symmetrisch aufgebaut, d. h. Sourcezone und Drainzone weisen dieselbe Struktur auf.

Alle vier Figuren zeigen lediglich Ausschnitte aus größer strukturierten Halbleiterkörpern.

Claims

1. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement beste hend aus einem Halbleiterkörper (1) vom ersten Leitungstyp

a) mit einer Sourcezone (4) und einer Drainzone (5) vom zwei ten Leitungstyp,
b) mit einer zwischen der Sourcezone (4) und der Drainzone (5) liegenden Driftzone (6) vom zweiten Leitungstyp, die schwächer dotiert ist, als die Sourcezone (4) und die Drainzone (5),
c) mit einer gegen die Oberfläche (2) des Halbleiterkörpers (1) isolierten Gate-Elektrode (9), die die Driftzone (6) auf ihrer gesamten Breite überdeckt, wobei der zwischen der Gate-Elektrode (9) und der Drainzone (5) liegende Teil der Driftzone (6) eine Driftstrecke (7) für die Ladungs träger bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
d) im Bereich der Driftstrecke (7) zumindest ein Ablenk bereich vorgesehen ist, mit der der Strompfad (13) der La dungsträger in die Tiefe verlegbar ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkbereich eine in die Driftzone (6) eingebettete Ablenkzone (10) vom ersten Leitungstyp vorgesehen ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkbereich eine gegen die Oberfläche (2) des Halb leiterkörpers (1) isolierte Ablenkelektrode (11) vorgesehen ist, die auf negativerem Potential als das Drainpotential liegt.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrode (11) unter einem drainseitigen SiO₂- Spacer (12) angeordnet ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrode (11) und/oder die Gate-Elektrode (9) aus dotiertem Polysilicium oder Metall besteht.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Driftstrecke (7) senkrecht zur Drift richtung ausgehend von der Gate-Elektrode (9) in Richtung zur Drainzone (6) eine zunehmende Anzahl von Dotierstoffatomen enthält.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftstrecke (7) eine im wesentlichen konstante Breite hat und das sich ihre Dotierungskonzentration von der Gate-Elektrode (9) zur Drainzone (5) hin erhöht.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine die Driftzone (6) unterbrechende, von der Gate-Elektrode (9) mindestens teilweise überdeckte weitere Zone (8) vom ersten Leitungstyp mit mindestens gleich hoher Dotierungskonzentration wie der Halbleiterkörper.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drainseite gleiche Struktur haben (symmetrisch).