CC BY
20
УДК 621.382.323 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2021.4(125).15-18
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ
В.В.Гаврушко, В.А.Ласткин*, Т.А.Фирсова*
METHOD FOR INCREASING THRESHOLD VOLTAGE OF SILICON DMOS TRANSISTORS
V.V.Gavrushko, V.A.Lastkin*, T.A.Firsova*
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Gawrushko@mail.natm.ru *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, LastkinVA@okbplaneta.ru
Исследовано влияние концентрации примеси в подложке и типа легирующей примеси поликремниевого затвора на пороговое напряжение кремниевых ДМОП-транзисторов с индуцированным n-каналом. Показано, что увеличение средней концентрации примеси в подложке на 50% позволило повысить пороговое напряжение транзистора более чем на 30%. Однако при этом наблюдался рост сопротивления канала транзистора, что повлекло за собой уменьшение тока стока примерно на 25%. Установлено влияние типа проводимости поликремниевого затвора на величину порогового напряжения транзистора. Показано, что замена фосфора на бор при легировании поликремниевого затвора позволяет увеличить пороговое напряжение примерно на 25%. При этом ток стока транзисторов не изменялся, что может представлять практический интерес при разработке помехозащищенных ключей на полевых транзисторах.
Ключевые слова: ДМОП-транзистор, индуцированный канал, пороговое напряжение, легирующая примесь, поликремниевый затвор
Для цитирования: Гаврушко В.В., Ласткин В.А., Фирсова Т.А. Способ повышения порогового напряжения кремниевых ДМОП-транзисторов // Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2021. №4( 125). С. 15-18. DOI: https://doi. org/10.34680/2076-8052.2021.4(125). 15-18
The effect of the impurity concentration in the substrate and the type of dopant in a polysilicon gate on the threshold voltage of silicon DMOS transistors with an induced n-channel has been investigated. It is shown that an increase in the average impurity concentration in the substrate by 50% makes it possible to increase the threshold voltage of the transistor by more than 30%. However, at the same time, an increase in the resistance of the transistor channel is observed, which entails a decrease in the drain current by about 25%. The influence of the conductivity type of the polysilicon gate on the threshold voltage of the transistor has been determined. It is shown that replacing phosphorus with boron when doping a polysilicon gate allows increasing the threshold voltage by about 25%. In this case, the drain current of the transistors does not change, which may be of practical interest in the development of noise-immune switches based on field-effect transistors.
Keywords: DMOS transistor, induced channel, threshold voltage, doping impurity, polysilicon gate
For citation: Gavrushko V.V., Lastkin V.A., Firsova T.A. Method for increasing the threshold voltage of silicon DMOS transistors // Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences. 2021. №4(125). P.15-18. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2021.4(125).15-18
МДП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. Главные области применения мощных МДП-транзисторов — электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнических установок, источники вторичного электропитания и т. п. [1]. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы и тиристоры, они обладают малыми временами переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и вследствие этого малыми потерями на переключение, а также характеризуются более высокими рабочими напряжениями и температурами.
Наибольшую популярность среди МДП-транзисторов получили транзисторы с каналом n-типа в силу большей подвижности носителей заряда в канале. Среди них в последнее время в качестве эффективных ключей хорошо зарекомендовали себя вертикальные ДМДП-структуры (или ДМОП-транзисторы), где сток транзистора находится с обратной стороны кристалла (рис.1). Канал в таких транзисторах создаётся методом двойной диффузии в одно и то же окно: сначала формируется р-карман (подложка), а затем п+-карман (область истока) [2]. Как видно из рис.1,
ток внутри ДМОП-транзистора сначала протекает горизонтально, а затем вертикально - по эпитакси-альному слою (области дрейфа) стока. Современные ДМОП-структуры имеют многоячеистую (многоканальную) конструкцию, где каждая ячейка представляет собой отдельный элементарный полевой транзистор. Все ячейки соединяются между собой параллельно алюминиевой металлизацией.
Рис.1. Вид поперечного сечения элементарной ячейки вертикального ДМДП-транзистора с п-каналом
Как показано на рис.1, канал транзистора образуется в зазоре между двумя карманами р- и п+-типа путём подачи положительного напряжения на поликремниевый затвор, который лежит непосредственно на тонком подзатворном диэлектрике. При этом ток в канале появляется только при подаче на затвор определённого значения напряжения, которое называется пороговым.
Пороговое напряжение является одним из важнейших электрических параметров полевых транзисторов. При подаче порогового напряжения ипор на затвор в р-кармане (подложке) возникает инверсия при выполнении условия [3]:
Фпов = 2ФР,
где Фпов — поверхностный потенциал, являющийся мерой изгиба энергетических зон, и представляет собой потенциал на кремнии у поверхности, измеренный от уровня Ферми Е^ в собственном кремнии; Ф_р — потенциал Ферми.
Выражение для порогового напряжения МОП-транзистора имеет вид [4]:
Цпор = Фмп +-22---+ , (*)
8102 ' 0
где Мпс — плотность поверхностных состояний;
Хч =
_ ( е51 х -о х 2фр
N
12
— ширина обеднённого слоя;
¥Т
ф^ =— 1п Na|ni — встроенный потенциал подлож-
Ч
ки; Na — концентрация примеси в подложке; фМП
— разность работ выхода материалов затвор — подложка, в п-канальном транзисторе имеет значение:
Фмп = -0,6 - ф^ (для А1 затвора), Фмп = -^т - Ф^
(для затвора из п-поликремния); фМП = + ф- - ф^
(для затвора из р-поликремния); фя — потенциал,
определяемый шириной запрещённой зоны кремния.
При работе в ключевом режиме в различных логических схемах зачастую требуется, чтобы транзистор не срабатывал до определённого значения напряжения на затворе (например, вследствие наличия помех). Как видно из выражения (*), повышения порогового напряжения можно достичь увеличением толщины подзатворного диэлектрика (Ч8Ю) или увеличением концентрации примеси в подложке (М,). Примеры зависимости порогового напряжения некоторых полевых транзисторов от концентрации примеси в подложке при различной толщине подзатворного диэлектрика показаны на рис.2 [4].
Из рис.2 видно, что с увеличением толщины подзатворного диэлектрика или концентрации примеси в р-кармане значительно увеличивается пороговое напряжение. Однако увеличение концентрации примеси в подложке транзистора приводит к уменьшению подвижности носителей в канале, что в свою очередь приводит к уменьшению тока стока. Аналогично, если увеличить толщину подзатворного диэлектрика, то напряжённость электрического поля в
диэлектрике уменьшится, что приведёт к уменьшению концентрации носителей в индуцированном канале и, как следствие, нежелательному падению тока стока.
Рис.2. Пороговое напряжение ипор как функция Na „ах в области канала при толщине оксида в канале: 0,3 мкм (кривая 1), 0,2 мкм (кривая 2) и 0,1 мкм (кривая 3) [4]
Одним из интересных вариантов увеличения порогового напряжения является изменение типа проводимости поликремниевого затвора [5]. Так, для создания транзистора с п-каналом обычно используют п+-поликремниевый затвор, легированный фосфором. При этом если легировать поликремниевый затвор бором (примесью р-типа), то изменение энергетической диаграммы поверхности приведёт к увеличению работы выхода из поликремниевого затвора, что в свою очередь позволит увеличить пороговое напряжение [3].
В соответствии с выражением (*), для порогового напряжения транзисторов с поликремниевым затвором п- и р-типа проводимости можно записать:
кя Ч • Ч8Ю2(^Хч - Кс)
' пор_п 2 + ее +ф^,
ьзю -ьп
и = -**
0
для п-поликремниевого затвора;
и = +
пор_р 2
Ч • - Nnc)
" и
пор_р ^ пор_п
Э102 ь0
для р-поликремниевого затвора.
Отсюда следует, что разница ип
= фя «1,1 В. Таким образом, если в качестве затвора
вместо п+-поликремния использовать р+-поликремний, то в идеальном случае пороговое напряжение транзистора может вырасти на 1,1 В. Однако следует учесть, что на его величину могут влиять уровни легирования поликремниевого затвора и подложки, а также другие факторы, определяемые технологией прибора [3].
С целью проверки возможности повышения порогового напряжения были изготовлены транзисторы с разным типом проводимости поликремниевого затвора, которые формировались на эпитаксиаль-ных п-п-структурах кремния с ориентацией кристал-
Рис.3. Поперечное сечение элементарной ячейки изготовленных ДМОП-транзисторов с каналом л-типа
лографических осей <111>, с удельным сопротивлением эпитаксиальной плёнки 6-8 Омхм и толщиной около 30 мкм. Для опытных партий были изготовлены транзисторы с разным уровнем легирования подложки.
На рис.3 изображен эскиз поперечного сечения элементарной ячейки изготовленных транзисторов с индуцированным п-каналом. Карман /»-типа (подложка транзистора) был образован ионной имплантацией бора с последующей разгонкой на глубину порядка 4,0 мкм. Здесь транзисторы были поделены на две группы: после ионной имплантации и разгонки слоевое сопротивление подложки (/-области) транзисторов первой группы составило около 300 Ом/а, второй — около 400 Ом/а Карман п+ образован диффузией фосфора на глубину около 0,6 мкм и слоевым сопротивлением около 15 Ом/а и служил истоком транзистора. Диффузия фосфора осуществлялась в те же окна, что и ионное легирование бора (/-карман), это позволило осуществить операцию самосовмещения канала транзистора.
Для улучшения омического контакта с / -областью и уменьшения влияния вертикального паразитного биполярного п+-р-п-п+-транзистора в центр транзисторных ячеек проводилась диффузия бора на глубину 2,0 мкм и слоевым сопротивлением около 40-70 Ом/а (р-карманы, формирование так называемых «истоковых перемычек» [6]). Одновременно с помощью данной диффузии бора с целью увеличения напряжения лавинного пробоя транзисторов [7] формировались охранные кольца по периферии центральной (активной) части кристалла.
В качестве подзатворного диэлектрика транзистора использовалась комбинация пленок SiO2-SiзN4. При этом плёнка нитрида кремния осуществляла пассивирующую функцию. Пленка SiO2 выращивалась в атмосфере сухого кислорода при температуре 1050°С. Пленка нитрида кремния осаждалась методом взаимодействия газов моносилана и аммиака при температуре 850°С. Пленка поликристаллического кремния толщиной около 0,5 мкм, выполняющая роль затвора, осаждалась поверх затворного диэлектрика методом разложения моносилана при температуре 630°С. Для
уменьшения сопротивления затвора в плёнку поликристаллического кремния проводилась диффузия примеси.
Было сформировано две опытные партии. В первой легирование поликремния осуществлялось фосфором при различной концентрации примеси в подложке. Во второй партии поликремниевый затвор легировался фосфором или бором при одинаковой концентрации примеси в подложке.
Конфигурация поликремниевого затвора в центральной части кристалла между транзисторными ячейками формировалась фотолитографией с последующим плазмохимическим вытравлением поликремния в плазме СF4 в ненужных областях над ячейками и по периферии кристалла. Изоляция между электродами истока и поликремниевым затвором осуществлялась последовательным осаждением диэлектрических плёнок SiзN4-SiO2-SiзN4 с последующим вытравливанием контактных окон к транзисторным ячейкам и поликремниевому затвору. Далее поверх сформированного изолятора напылялась плёнка алюминия толщиной 1-1,4 мкм вакуумно-термическим способом с последующим формированием электродов истока (объединяющего все транзисторные ячейки) и затвора. Для контакта к стоку на обратную сторону пластины напылялась система металлизации Ть№-Аи и осаждалось гальваническое золото толщиной 3-4 мкм. Размеры кристаллов транзисторов составили 1,8*0,8 мм2.
По завершении технологического цикла проводились измерения электрических характеристик транзисторов на измерителе параметров полупроводниковых приборов Л2-56. Контролируемыми параметрами являлись: напряжение лавинного пробоя транзисторов в режиме: изи = 0 В, 1с = 10 мкА; ток стока транзисторов в режиме: изи = 3,5 В, иси = 0,5 В; и пороговое напряжение транзисторов в режиме: изи = иси; 1с = 1,0 мА.
В табл.1 приведены результаты измерений электрических параметров транзисторов первой партии с различной концентрацией примеси бора в /-кармане (подложке). Средняя концентрация примеси в подложке была определена согласно кривым Ирвина [8].
Таблица 1
Результаты измерений электрических параметров транзисторов с различной концентрацией примеси в подложке
Транзисторы Параметры^^^^^ Группа 1 Группа 2
Rs, Ом/^ 304-316 402-412
N, см-3 3,74017 2,4-1017
1с, мА (Un = 0,5 В; изи = 3,5 В) 85-90 105-115
Uпроб, В 260-275 260-275
изи пор, В Ц = изи; 1с = 1 мА) 1,5-1,6 1,1-1,2
Из табл. 1 видно, что увеличение концентрации примеси в подложке примерно в 1,5 раза действительно привело к увеличению порогового напряжения с 1,1-1,2 В до 1,5-1,6 В. Однако при этом наблюдалось негативное снижение тока стока транзисторов в среднем на 25% вследствие уменьшения подвижности носителей заряда в канале.
В табл.2 представлены результаты измерений электрических параметров транзисторов с разным типом проводимости поликремниевого затвора.
Таблица 2
Параметры транзисторов с различным типом проводимости поликремниевого затвора
Транзисторы + с n - + с р -
поликремние- поликремние-
Параметры вым затвором вым затвором
Rs, Ом/^ 402-412 402-412
К, см-3 2,4-1017 2,4-1017
1с, мА (Ци = 0,5 В; Ци = 3,5 В) 105-115 105-115
Uпроб, В 260-275 260-275
изи пор, В (Цси = Цзи; 1с = 1 мА) 1,1-1,2 1,4-1,5
Видно, что при легировании поликремниевого затвора бором вместо фосфора пороговое напряжение транзисторов заметно выросло с 1,1-1,2 В до 1,4-1,5 В. При этом падения тока стока транзисторов не наблюдалось. В отличие от первого варианта, где пороговое напряжение было повышено за счет увеличения уровня легирования подложки, в данном варианте повышение порогового напряжения благодаря увеличению работы выхода из материала затвора не приводило к снижению подвижности носителей заряда в канале.
Таким образом, использование в и-канальных транзисторах в качестве затвора плёнок поликристаллического кремния /-типа проводимости позволяет получать более высокие значения порогового напря-
жения без увеличения сопротивления канала транзистора. Это может быть полезным в логических ключевых схемах при необходимости противодействия срабатыванию транзистора от воздействия ложных помех.
1. Довгун В.П. Электротехника и электроника: учеб. пособие. В 2-х ч. Ч. 2. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 252 с.
2. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 288 с.
3. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / Пер. с англ. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 248 с.
4. Колосницын Б.С., Гапоненко Н.В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем : учеб. пособие. В 2-х ч. Ч.2: Расчет и проектирование полевых транзисторов. Минск: БГУИР, 2012. 96 с.
5. Мустафаев Г.А., Кармоков А.М., Мустафаев А.Г. КНИ-КМОП полевые транзисторы с поликремниевыми затворами // Мат. VI Междунар. конф. «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии». Кисловодск — Ставрополь. Сев-КавГТУ, 2006. 510 с.
6. Керенцев А., Ланин В. Конструктивно-технологические особенности MOSFET-транзисторов // Компоненты и технологии. 2007. №4. С.100-104.
7. Sze S.M., Gibbons G. Effect of junction curvature on breakdown voltage in semiconductors // Solid-State Electron. 1966. Vol.9. Is.9. P.831-845. DOI: https://doi.org/10.1016/0038-1101(66)90033-5
8. Irvin J.C. Resistivity of bulk silicon and of diffused layers in silicon // Bell Syst. Tech. J. 1962. Vol. 41. Is.2. P.387-410. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1962.tb02415.x
References
1. Dovgun V.P. Elektrotekhnika i elektronika [Electronics and electrical engineering]. In 2 parts. Part 2. Krasnoyarsk, KSTU Publ., 2006, 252 p.
2. Oxner E.S. Power FETs and their applications. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, Inc., 1982. (Russ. ed.: Oksner E.S. Moshchnye polevye tranzistory i ikh primenenie. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1985. 288 p.).
3. Blicher A. Field-Effect and Bipolar Power Transistor Physics. New York, Academic Press, 1981. 336 p. (Russ. ed.: Blikher A. Fizika silovykh bipoliarnykh i polevykh tranzis-torov. Leningrad, "Energoatomizdat" Publ., 1986. 248 p.).
4. Kolosnitsyn B. S. Poluprovodniko-vyye pribory i elementy integral'nykh mikroskhem [Semiconductor devices and elements of integrated circuits]. In 2 parts. Part 2: Raschet i proyektirovaniye polevykh tranzistorov [Calculation and design of field-effect transistors]. Minsk: BSUIR, 2012. 96 p.
5. Mustafaev G. A., Karmokov A.M., Mustafaev A. G. KNI-KMOP polevyye tranzistory s polikremniyevy-mi zatvorami [SOI-CMOS Field-effect transistors with polysilicon gates]. Mat. VI Mezhdunar. konf. "Khimiya tverdogo tela i sovremennyye mikro i nanotekhnolo-gii" [6th International Scientific Conference on Solid-State Chemistry and Modern Micro-and Nanotechnologies]. Kislovodsk-Stavropol, NCFU, 2006, 510 p.
6. Kerensky A., Lanin V. Konstruktivno-tekhnologicheskiye osobennosti MOSFET-tranzistorov [Design and technological features of MOSFETs]. Komponenty i tekhnologii, no. 4, 2007, pp. 100-104.
7. Sze S.M., Gibbons G. Effect of junction curvature on breakdown voltage in semiconductors. Solid State Electronics, 1966, vol. 9, no. 9, pp. 831-845. doi: https://doi.org/10.1016/0038-1101(66)90033-5
8. Irvin J.C. Resistivity of bulk silicon and diffused layers in silicon. Bell Syst. Tech. J., 1962, vol. 41, pp. 387-410. doi: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1962.tb02415.x
