专利名称：包含用于高频应用的场效应晶体管的电子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子器件，该器件包含配备了具有彼此不同阈值电压的多个并联晶体管段的场效应晶体管。本发明特别涉及一种场效应晶体管，其适用于高功率电平和高频。
从WO-A 02/07223中了解了这种晶体管。在现有技术的晶体管中，所述晶体管段中至少一组的阈值电压不同于其余晶体管段的阈值电压。在本申请的上下文中，术语段被理解成指的是具有指状栅电极的晶体管的一部分，每一个指为一个段。通过改变阈值电压改善了线性和效率。特别是，设置了一个LDMOS型晶体管，其中该晶体管的一半的阈值电压不同于另一半的阈值电压。这两个阈值电压之间的差值大约为0.3V。作为结果，当晶体管工作在1.8-2.0GHz的频率下以及输出功率电平为17dB时，互调失真提高了大约3dB。互调失真是线性的一个量度标准。在非常简单的LDMOS模型中，只考虑了失真的主要来源，即，转移特性中的非线性(Ids-Vgs特性)。在那种情况下，失真由多个项组成，所述多个项是跨导的高阶导数。尤其从Van der Heijden等人的IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，Vol.50，No.9，2002九月，pp 2176-2184中了解了互调失真概念更详细的解释。
在导致本发明的实验中，发现了第一段组具有不同于第二段组的阈值电压的这个事实不足以得到改善的线性同时保持或改善效率水平。尤其是发现包括第一，第二及第三段组的LDMOS晶体管根本未表现出关于线性或效率的任何相关改善，其中每一个组具有其各自的阈值电压。在这些实验中，与非分布式的(non-distributed)器件相比较，所述器件各个段中的阈值电压间的差值通常在0.1V-1.5V间变化。
为此，本发明的一个目的是提供在介绍中所提到的类型的晶体管，在该晶体管中实现了后退(back-off)区内的线性改善同时保持或改善效率水平，并且其中得到的器件可以被提升(upscale)到更高的功率电平。结果，后退区的特征在于使用低于最大功率电平的功率电平。作为在后退区使用的结果是，即使在峰值负载的情况下，也可以获得足够线性的晶体管特性。
目标的达到在于，晶体管段中的每一个都包含第一区域和第二区域，第一区域具有第一阈值电压，而第二区域具有第二阈值电压。
令人惊讶地，已经发现如果在保持相同效率水平的同时减少后退区中的互调失真，，那么晶体管段需要包含具有不同阈值电压的不同区域。这也是在讨论中的器件容易调节到更高的功率电平的条件。
非一致段的栅电极的并联对于栅-漏特性具有积极作用。特别是这里涉及漏极电流(Id)作为栅极电压(Vg)的函数的依赖关系。作为这种积极作用的结果，在与期望的应用相关的栅极电压范围内，互调失真的奇数高阶项被最小化。作为振幅传输特性(AM-AM变换)线性化的结果，其导致了后退区中互调性能显著改善。不仅涉及三阶互调，还涉及五阶和七阶互调。已经发现，AM-AM变换会受到影响，尤其是受一个段内不同区域之间所选择的阈值电压的差值的影响。
已经发现，当每个段中使用两个区域时，已经可以观察到改善的线性。优选地，一个段包含三到五个区域，更优选地是三个区域。使用多于五个区域的缺点是生产成本将急剧增加。
根据本发明的晶体管的一个有利的方面是其设计是可调节的这一事实。毕竟，核心元件是单个段，而且其机能看来并不依赖于特定相邻段的存在。因此，在设计中例如为了可以处理更高的功率电平而增加大量的段是可行的。优选地，至少存在20个段，更优选地，40-100个，以便使得超过5W的输出功率电平成为可能，特别是超过30W。
特别是，可调节性要比具有至少三个阈值电压的晶体管的可调节性好得多，其中阈值电压在段(即，第一、第二和第三段组)间变化。为了特性的优化，各组具有不同的表面面积是必要的。根据在段间阈值电压的变化，其意味着每组有不同数量的段。不损失任何质量而提升到更高的输出功率电平只有在具有那种类型的晶体管的特定环境下才能实现；即，当提升因子使得导致每组的段的总数翻倍时。在提升因子为例如1.15或1.33的情况时，获得此提升的机会非常小。然而，在根据本发明的器件中，可以如期望地增加晶体管段。
为了实现进一步的改善，必须使相位传输特性(AM-PM变换)线性化。此特性显示出受到两种方式的强烈影响，即，不同段连接的方式和栅电极的总宽度分布在存在的区域上的方式。阈值电压在10和40％之间变化是特别有利的，优选在平均阈值电压的20和30％之间。在本申请的上下文中，阈值电压的变化被理解成意味着在存在的最低和最高阈值电压之间的差值。
进一步，如果具有最高阈值电压的区域还包括最大的表面面积则是有利的。在包含三个区域的段中，具有最高阈值电压的第一区域的面积包含30至70％，具有最低阈值电压的第三区域的面积包含20至50％，第二区域的面积包含10至30％。
如本质上已知的，可以使用各种技术用于产生阈值电压的差值。这种技术的例子是改变栅介质，特别是栅氧的厚度；改变沟道中的掺杂浓度；以及改变栅电极和栅介质的材料。
根据本发明的场效应晶体管是，例如，基于Si或SiC半导体衬底的横向扩散的金属一氧化物半导体(LDMOS)类型的晶体管。另外，本发明的概念可以以所谓的III-V材料，例如GaN、GaAs、InP形成的晶体管来实现；以及以各种晶体管类型来实现，例如MESFET，特别是HEMT和反相HEMT、JFET、MODFET和MISFET晶体管。所述晶体管非常适合于在例如从0.9到3GHz的范围内的高频及例如在20到30V的量级的更高的电源电压下使用。此外，一个或多个晶体管段可以设置一个附加的栅电极，所述栅电极连接到一个或多个接触上。已经发现，利用这种接触可以显著改善器件的线性。
优选地，根据本发明的器件还包括一个模块衬底，在该衬底上装配晶体管，且设置一个阻抗匹配电路，用于调整晶体管的输出阻抗。根据本发明的晶体管非常适合用作例如在移动通信和光网络通信应用中的放大器。通常，使用滤波器和用于调节阻抗的电路，以保证晶体管完全适合于天线或者连接到晶体管下游的其他元件。在根据本发明的晶体管中，无论是跨导(AM-AM传输)还是相位(AM-PM传输)均被优化。因此，无论是真实的还是虚构的阻抗分量都很容易预测，这简化了阻抗匹配过程。优选地，提供一个散热片用于耗散任何过多的热量。滤波器和其他无源元件设置在模块衬底上或集成在模块衬底内。
现在将参照若干附图更加详细地说明该电子器件的上述及更多的方面，在这些图中
图1是一个半导体器件的平面图；图2是沿着线II-II截取的图1所示的器件的剖面示意图；图3是现有技术晶体管的剖面示意图；图4是根据本发明的晶体管中的一些段的平面图；图5示出了在图4中所示的器件的等效电路图；图6-9是示出了根据本发明的器件和现有技术的器件的电气特性的曲线图。
这些图并没有忠实于比例，具体地说，为了清楚起见，厚度尺寸夸大了。彼此对应的区域尽可能地用相同的附图标记来表示。
图1是在根据本发明的器件中描述的晶体管的平面图。图2示出了沿图1中的线II-II截取的相应的剖面图。该器件包括一个半导体主体1，其在本例中由硅制成，当然其也可以由其他适合的半导体材料制成。半导体主体由低阻抗、高掺杂的p-型衬底2和邻接硅主体表面的相对弱掺杂、高阻抗区域3组成，晶体管容纳在区域3中。在本例中，区域3由p-型外延层形成，该外延层具有大约7μm的厚度和每cm3大约5.1015原子的掺杂浓度。用作源区的连接的衬底2的掺杂浓度较高，例如每cm3在1019到1020原子之间。在外延层中限定了一个有源区6，该区域在横向上以厚场氧7为界。晶体管的源区和漏区分别以高掺杂n-型表面区域4和5的形式设置在有源区中。该晶体管包括段结构，该段结构包括大量相邻的源/漏指。可以以简单的方式，例如通过将图1和图2中示出的部分向左和向右延伸直到得到期望的沟道宽度来获得此结构。为了增大击穿电压，漏区5设置了一个在漏区5和晶体管的沟道之间的高阻抗n-型漏区延伸部分8。该延伸部分的长度在本例中为3.5μm。晶体管沟道由延伸部分8和源区4之间的p-型区域13形成。栅电极9设置在沟道上方，所述栅电极通过具有厚度如70nm的栅氧10与沟道相分隔。栅电极9由高掺杂的、覆盖有0.2μm的硅化钛的大约0.3μm厚的多晶硅(poly)带形成，在表面上看，该栅电极在源区4和漏区延伸部分8之间的有源区6上横向延伸。源区(或多个区)4通过一个深的、高掺杂的p-型区11与p-型区域短路，该p-型区11从表面向下扩展至高掺杂的衬底，并且该p-型区11通过衬底2将源区4连接到在衬底下侧的源电极12。该晶体管具体化为LDMOST，从而其可以在足够高的电压下工作，为此目的，以扩散的p-型区域13的形式在沟道中提供了额外的p-型掺杂，从而，与弱外延掺杂相比较，局部增加了掺杂浓度。
表面涂上一层厚玻璃层，其中在源和漏区之上设置了接触窗口，通过该接触窗口，源和漏区分别连接到金属源和漏电极15和16。所述电极15和16由在玻璃层表面上相互平行延伸的金属带形成。源极接触15不仅连接到源区(多个源区)，而且连接到深p-型区域11，并且因而将源区和衬底下侧的接头(connection)12互连。通过这个接头，源区可以连接到外部接头或电路元件。漏电极16连同基底部分形成了梳状结构，而且它们可以通过公共部分17连接到在晶体上的其他处存在的许多键合区。
器件的栅电极9也设置了一个金属接触，该金属接触在金属带15和16之间、且在氧化层之上以条带18的形式延伸，并且通过氧化层14中的接触窗口与栅极9局部连接。金属轨道(track)18并不是在整个长度上都与栅极9相连，而只是在许多间隔开的位置19相连，在该处多晶栅极9具有适合于连接部分的加宽的部分。如果接头19之间的间隙足够小，由于金属轨道18的存在，栅电阻会显著减小。由于其上有硅化钛的存在，栅电极的电阻也会减小。通过使用具有低电阻率的金属，例如金或铝，可以得到非常低的栅电阻。在金属或者，在这种情况下，是在金属硅化物轨道18和漏极接触轨道间设置另外的金属轨道20，这个另外的金属轨道在栅极9、18和漏电极16间形成了电容屏蔽。屏蔽轨道20通过接线21越过金属轨道18的顶端连接到源电极15，并通过所述电极连接到源区的接头。
图3是根据现有技术的器件的进一步的剖面图，示出了许多具有相互不同阈值电压的并行段A、B、C。在这种情况下，通过改变栅氧10(10A、10B、10C)的厚度实现了阈值电压之间的不同。为了简化附图的原因，并没有示出连接接触孔。
图4是根据本发明的器件的平面示意图，在图中示出了一个包含几个段A、B、C的晶体管1。
图5示出了相应的电气图。栅电极Vg和漏电极Vd的连接接触孔在2GHz的频率下表现出自感。漏电极通过电容和阻抗ZL连接到地。源电极通过阻抗Zs连接到接触孔。
在示出的实施例中，所有的段具有相同的布局，包括第一区域51、第二区域52和第三区域53。在本实施例中，基础阈值电压为3-3.5V的量级，在区域间有10-15％的变化。第一区域包含40-50％的表面面积，第二区域包含15-25％的表面面积，而第三区域包含30-40％的表面面积，其总和为100％。在30dBm的平均功率P0-avg下，对互调失真发现有以下值IMD3-52dBc；IMD5-72dBc且IMD7＜-80dBc。获得了13dB的增益。在2GHz的频率、T＝20℃、Idq＝270mA以及46dBm(40W)的负载线和26(V)的源-漏电压Vds下进行该测量。在基础阈值电压为4.5-5.0V的量级和更大的栅氧厚度下进行相同的测量，并且得到相当的结果。
作为对比，在上述条件下对一个具有一致的4.9V阈值电压的可比较的晶体管进行测量。得到以下的值IMD3-46dBc；IMD5-53dBc且IMD7-65dBc。得到了13dB。
图6示出了对于根据本发明的器件，作为输入功率函数的AM-AM变换和AM-PM变换。图7示出了对于现有技术的器件，特别是具有上述索引号的晶体管的相同数据。描述线性的复数大小为S21，定义为输出端的前向波和输入端的前向波之间的比率的大信号传感增益可以用r.ei*描述。增益Mag S21(以dB为单位)的大小绘制在一个y-轴上，而增益Arg S21(以度数为单位)的归一化辐角(角度)绘制在另一个y-轴上。经过比较，很明显在从-6到15dBm间很大的输入功率电平(依靠网络分析仪(NWA)确定的Pin)范围内，无论是在大小还是在角度上，根据本发明的晶体管的增益都更线性。
图8示出了对于根据本发明的器件，作为平均输出电压的函数的奇数阶互调IMD3、IMD5、IMD7。图9示出了对于现有技术的器件的相同数据。从比较可以看出，很明显地在根据本发明的器件中的互调失真显著地较低。尽管在现有技术的器件中，23dBm时IMD3电平已经增加到超过了-50dB，而在根据本发明的器件中，直到39dBm的数值时，IMD3、IMD5和IMD7电平仍保持低于-50dB。
权利要求
1.一种包含具有多个并联晶体管段的场效应晶体管的电子器件，所述多个并联晶体管段具有相互不同的阈值电压，该电子器件的特征在于，所述晶体管段中的每一个都包含第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一阈值电压，且所述第二区域具有第二阈值电压。
2.如权利要求1中所述的电子器件，其特征在于，所述晶体管段中的每一个还包含具有第三阈值电压的第三区域，所述第三阈值电压低于所述第二阈值电压。
3.如权利要求1中所述的电子器件，其特征在于，所述第一和所述第二阈值电压间的差值达到平均阈值电压的5-20％。
4.如权利要求2中所述的电子器件，其特征在于，所述第二和所述第三阈值电压间的差值达到平均阈值电压的5-20％。
5.如权利要求3或4中所述的电子器件，其特征在于，所述阈值电压间的差值达到平均阈值电压的10-15％。
6.如权利要求2中所述的电子器件，其特征在于，所述第一区域包含了所述段的表面面积的40-60％。
7.如权利要求1中所述的电子器件，其特征在于，所述场效应晶体管是MOS晶体管，该晶体管限定在半导体主体中，包括高掺杂的源和漏区以及在该源区和该漏区间延伸的沟道区，且存在一个栅电极，该栅电极在该沟道区上垂直投影的话将覆盖该沟道区，其中所述源区、所述漏区和所述栅电极在表面上分别连接到金属源极接触、漏极接触和栅电极接触，其中所述半导体主体包含一个邻接该表面的第一传导类型的相对弱掺杂的区域，该区域包含了相反的、第二传导类型的高掺杂的源区和漏区，以及在所述漏区和所述沟道区之间的弱掺杂漏区延伸部分，其中所述栅电极与所述沟道区电绝缘，并且其中在该表面上覆盖电绝缘层，该层在所述源区、所述漏区和所述栅电极上有接触窗口，通过所述接触窗口，所述源区、所述漏区和所述栅电极分别连接到所述接触上。
8.如权利要求7中所述的电子器件，其特征在于，在所述栅电极接触和所述漏极接触间存在另一个金属带，所述金属带与所述半导体主体电绝缘，且所述金属带通过电连接局部地连接到源极带，并且所述金属带在所述栅电极接触和所述漏极接触间形成屏蔽。
9.如权利要求1中所述的电子器件，其特征在于，所述场效应晶体管用作放大器，且装配在设置了阻抗匹配电路的载体上，该阻抗匹配电路连接到所述场效应晶体管的输出端。
10.如权利要求1或9中所述的电子器件，其特征在于，所述场效应晶体管可以作为甲乙类放大器工作。
全文摘要
一种包含场效应晶体管的电子器件，该晶体管具有交指型结构，适用于高频功率应用，且具有在交指型结构的每一个段的不同区域中提供的多个阈值电压。在甲乙类信号操作情况下，这导致了在后退区内、在大功率范围对线性的显著改善。
文档编号H01L29/808GK1781193SQ200480011788
公开日2006年5月31日 申请日期2004年4月28日 优先权日2003年5月2日
发明者拖马斯·C·勒德尔, 亨德里克斯·F·F·约斯, 斯蒂芬·J·C·H·特厄温, 彼得拉·C·A·哈梅斯, 拉德因德佩塞德·加亚德哈尔申 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司