DE1948052A1 - Feldeffekt-Transistor - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen GcselUchaft mbH

Böblingen, den 10. September I969 gg/du

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. IO5O4

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 968 .053

Peldeffekt - Transistor

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Quelle und Senke bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Steuerelektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsschicht hervorrufenden Isolationsschicht .

Es ist bekannt, daß an Oberflächen von Halbleitern infolge von elektrischen Ladungen in einer die Oberfläche des Halbleiters bedeckenden Isolationsschicht eine Inversion, d.h., eine Umwandlung von N- zu P-Leitung oder umgekehrt erfolgen kann. Beispielsweise bewirkt eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd auf einem P-leitenden Siliziumsubstrat eine Inversion der Substratoberfläche zur N-Leitung. In ähnlicher Weise hat eine Isolationsschicht aus

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.•Aluminiumoxyd auf einem N-leitenden·Siliziumsubstrat zur Folge, daß in der nächsten Nachbarschaft der Oberfläche eine Umwandlung von N- zu P-Leitung eintritt.

Es sind verschiedene Mittel und Wege bekannt, den Inversionseffekt an der Oberfläche von Halbleitern auszuschalten.

Ein Vorschlag besteht darin, in die Oberfläche des Halbleitersubstrats eine kreisringförmige Zone mit zur Inversionsschicht an der Oberfläche entgegengesetzter Leitfähigkeit einzudiffundieren. Diese Zone verhindert eine Ausdehnung der Inversionsschicht über die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats und somit das Auftreten von Kurζschlußproblernen und Oberflächen-Leckströmen.

Bei einem anderen Vorschlag werden auf bestimmte Oberflächenteile der das Halbleitersubstrat bedeckenden Isolationsschicht Metallschichten aufgebracht, die beim Anlegen geeigneter Potentialedie in ihrer Umgebung liegenden Inversionsschxchten beeinflussen.

Insbesondere bei aus Silizium hergestellten Feldeffekt-Transistoren des Verarmungstyps mit N-leitenden Zonen als Quelle und Senke wirft die Inversion außerordentlich schwierige Probleme auf, da hier die Oberflächen-Leckströme in der Inversionsschicht an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Isolationsschicht besonders ausgeprägt sind.

Der Versuch einer Lösung dieses Problems mit Hilfe von auf die Isolationsschicht aufgebrachten metallischen Zonen bringt Leitungsführungsschwierigkeiten und unerwünschte kapazitive Effekte* mit sich. Auch die Methode, zusätzlich Zonen des zur Inversionsschicht entgegengesetzten Leitungstyps in die Oberfläche einzudiffundieren, um so die Inversionsschicht zu unterbrechen, ist nachteilig, da ein zusätzlicher Diffusionsschritt erforderlich ist. Dieser Nachteil ist besonders bei der Herstellung von Feld-

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effekt-Transistoren schwerwiegend» da hier auf das einfache, lediglich einen Diffusionsprozeß für Zonen einer Leitfähigkeit erforderliche Herstellungsverfahren Wert gelegt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Feldeffekt-Transistoraufbau anzugeben, bei dem die störende Wirkung der an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Isolationsschicht auftretenden Inversionsschicht.ganz oder zumindest weitgehend ausgeschaltet wird, und zwar ohne daß das Herstellungsverfahren umständlicher gestaltet werden müßte.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für einen Feldeffekt-Transistor bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratpberfläche eingebrachten, Quelle und Senke bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps dadurch gelöst, daß Quelle und Senke von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone gleichen Leitungstyps umgeben sind, daß eine eine Inversionsschicht des zweiten Leitungstyps bildende Isolationsschicht verwendet ist und daß an Schutzring und Substrat Potentiale angelegt sind, die im Gebiet zwischen Schutzring einerseits und Quelle und Senke andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen. Der Vorteil dieses Transistoraufbaus besteht im wesentlichen darin, daß störende Oberflächen-Leckströme oder Kurzschlüsse auf einfache Weise verhindert werden.

Ein besonders vorteilhafter Feldeffekt-Transistoraufbau ergibt sich dadurch, daß das Substrat aus P-leitendem Silizium, Quelle, Senke und Schutzring aus N-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd besteht und daß Quelle, Senke und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat positiven Potential liegen.

Ein weiterer vorteilhafter Aufbau besteht darin, daß das Substrat aus N-leitendem Silizium, Quelle, Senke und Schutzring aus P-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd

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besteht und daß Quelle, Senke und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat negativen Potential liegen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Pig.l Schematische Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors in verschiedenen Herst ellungstuf en,

Pig. 2 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors im fertigen Zustand,

Fig. 3 den Anstieg des Stromes I zwischen Quelle und Senke

mit steigendem, oberhalb eines Schwellwertes ^schwelle liegenden Potential V_Q an der Torelektrode und

Fig. 4 "die Erhöhung des eine Oberflächenleitung zum geeignet vorgespannten Schutzring bewirkenden Schwellwertes Vg. ,, in Abhängigkeit vom an das Substrat angelegten Potential

Herstellungsstufe A in Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein P-leitendes Halbleitersubstrat 10. Das Substrat 10 besteht im betrachteten Ausführungsbeispiel aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 2iQ»cm. Das Substrat 10 weist beispielsweise eine Dicke von 200 um auf.

In der Herstellungsstufe B wird die Oberfläche des Substrats mit einer isolierenden Siliziumdioxydschicht 12 beschichtet, deren Dicke etwa 5000 A beträgt. Diese Schicht dient sowohl als Diffusionsmaske als auch als Isolationsschicht zwischen den auf ihrer Oberfläche angeordneten metallischen Leitern, die über in dieser

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Schicht vorhandene Fenster die Verbindung zu den Halbleiterzonen des Substrats 10 herstellen.

In Stufe C sind die in bekannter M%kierungs- und Ätztechnik in der Isolationsschicht 12 erzeugten Fenster 14 dargestellt. Anstelle von Siliziumdioxyd kann für die Isolationsschicht auch Si— liziumnitrit, Aluminiumoxyd usw. verwendet werden. In Abhängigkeit vom gewählten Material muß für die Herstellung der Fenster 14 lediglich ein geeignetes Ätzmittel ausgewählt werden.

In Stufe D ist eine Diffusion durchgeführt, bei der die die Quelle und Senke des Feldeffekt-Transistors definierenden N+-leitenden Zonen 16 und 18 im Substrat gebildet werden. In diesem Diffusionsschritt wird gleichzeitig ein aus einer N+-leitenden Zone gebildeter Schutzring 20 hergestellt, der Quelle und Senke 16 und 18 umgibt. Bei diesem Diffusionsschritt werden als Dotierungsmittel beispielsweise Arsen oder Phosphor verwendet und die Störstellendichte beträgt vorzugsweise 10 ^ bis 10 Störstellen/cm . Die Diffusionstiefe liegt im Bereich von 2 bis 4^mHi. Die Länge der Strombahn, also die Entfernung zwischen Quelle und Senke, beträgt vorzugsweise 3 bis 50 limm.

In der Herstellungsstufe E sind Quelle 16 und Senke 18 in einem Metallisierungsprozeß mit ohmschen Kontakten 22 und 24 versehen, wobei vorzugsweise die bereits in der Isolationsschicht 12 anfangs gebildeten Fenster verwendet werden. Selbstverständlich muß unter Umständen vor der Metallisierung in einem erneuten Maskierungs- und Ätzprozeß die Oxydschicht im Bereich der Fenster 14 entfernt werden, die sich während des Diffusionsprozesses bilden kann. Die Dicke der Isolationsschicht im Bereich des Stromkanals zwischen Quelle 16 und Senke 18 wird vor der Metallisierung und Kontaktierung der Halbleiterzonen in einem zusätzlichen Maskierungsund Ätzprozeß vermindert. Anschließend wird die Torelektrode 26 aufgebracht. Gleichzeitig mit der Bildung der Kontakte 22, 24 und der Torelektrode 26 wird der im betrachteten Ausführungsbeispiel kreisringförmige Kontakt 28 zum Schutzring 20 hergestellt. In ent-

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.sprechender Weise wird ein ohmscher Kontakt 30 zum P-leitenden Substrat/"Hergestellt. Als Kontaktmaterial wird vorzugsweise Aluminium verwendet, die Verwendung anderer Metalle ist ja doch auch möglich. Beispielsweise kann als Kontaktmaterial Platin verwendet werden, das Platinsilizide bildet. Stufe E der Pig. I zeigt die fertige Struktur des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors.

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Feldeffekt-Transistor an geeignete Spannungen gelegt. Die einzelnen Elemente der Struktur tragen die gleichen Bezeichnungen wie in der Darstellung gemäß Fig. 1. An die Torelektrode 26 ist eine Spannung +V angelegt, so daß sich zwischen Quelle 16 und Senke 18 ein Stromkanal ausbildet und der Feldeffekt-Transistor eingeschaltet wird. Dieser Zustand ist in der Darstellung gemäß Fig. 2 durch einen sich in der Ein-Stellung befindlichen Schalter wiedergegeben, der mit der Spannung +V. verbunden ist. Die Aus-Stellung dieses Schalters ist gestrichelt dargestellt, wobei eine Verbindung zu Masse oder einer negativen Spannung hergestellt wird. Quelle 16 und Schutzring sind mit Masse verbunden, während Quelle 18 an einer positiven Spannung +V liegt. Das P-leitende Substrat 10 liegt über dem Kontakt 30 an einer negativen Spannung -V.

Werden die angegebenen Spannungen angelegt und befindet sich der Schalter an der Torelektrode in der Ein-Stellung, so bildet sich der Stromkanal zwischen Quelle und Senke aus. Außerdem zeigt es ' sich, daß im Halbleiterbereich zwischen dem Schutzring 20 und Quelle 16 und Senke 18 eine Verarmung an Ladungsträgen eintritt. Diese Ladungsträgerverarmung verhindert Leckströme oder Kurzschlüsse. Daraus folgt, daß durch geladene Teile der Isolationsschicht auf der Halbleiteroberfläche zwischen Schutzring 20 und Quelle 16 bzw. Senke 18 bedingte Feldeffekt-Transistorwirkungen in hohem Maße unterdrückt und damit ein Stromfluß in diesem Bereich verhindert wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinien 34 zeigt die Abhängigkeit des Stromes I von einem oberhalb eines den Ein-Zustand des

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effekt-Transistors bewirkenden Schwellwertes V₅ , ,, liegenden Potential V_Q an der Torelektrode. Der Strom I nimmt beginnend vom Wert 0 mit steigendem Potential V^ an der Torelektrode zu. GeIa-, dene Teile der Isolationsschicht 32 wirken ähnlich wie eine Torelektrode und können Oberflächenströme zwischen dem Schutzring und Quelle 16 bzw. Senke 18 bewirken, wenn ein bestimmter Schwellwert des durch die geladenen Teile der Isolationsschicht 32 entstandenen Potentials überschritten wird.

Wie der Kennlinie 36 der Fig. 4 zu entnehmen ist, steigt der Schwellwert V„ . ,, » ^bei ^dem eine geladene Isolationsschicht eine Oberflächenleitung zwischen dem Schutzring 20 und Quelle 16 bzw. Senke 18 bewirkt, mit steigendem, an das Substrat angelegtem und zum Potential des Schutzringes entgegengesetztem Potential ^Substrat ^an* ^Daraus i^{st zu} ersehen, daß durch Verwendung eines Schutzringes 20 und geeigneter Potentiale der genannte Schwellwert so erhöht werden kann, daß die Isolationsschicht 32 infolge ihrer natürlichen Ladung keine Leckströme an der Oberfläche des Feldeffekt-Transistors hervorrufen kann.

Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel bestehen Quelle, Senke und Schutzring aus diffundierten Zonen, diese Zonen können in bekannter Weise auch aus Epitaxiezonen aufgebaut werden. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß auch ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Transistor mit entsprechenden Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit stypen aufgebaut werden kann. Schließlich ist die Erfindung auch anwendbar, wenn anstelle der im Ausführungsbeispiel verwendeten Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd eine solche aus beispielsweise Aluminiumoxyd verwendet wird, die eine negative Aufladung und damit eine Inversionsschicht entgegengesetzter Leitfähigkeit hervorruft.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   fiU Feldeffekt-Transistor bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Quelle und Senke bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Steuerelektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsschicht hervorrufenden Isolationsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß Quelle (16) und Senke (18) von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring (20) dienenden Zone gleichen Leitungstyps umgeben sind, daß eine eine Inversionsschicht des zweiten Leitungstyps bildende Isolationsschicht (32) verwendet ist und daß an Schutzring (20) und Substrat (10) Potentiale angelegt sind, die im Gebiet zwischen Schutzring (20) einerseits und Quelle (16) und Senke (18) andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen.
2. 2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus P-leitendem Silizium, Quelle, Senke und Schutzring aus N-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd besteht und daß Quelle, Senke und Schutz-· ring auf einem gegenüber dem Substrat positiven Potential liegen.

   3· Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus !!-leitendem Silizium, Quelle, Senke und Schutzring aus P-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd besteht und daß Quelle, Senke und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat negativen Potential liegen.

   ¹J. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Quelle und Schutzring auf Masse-Potential, Torelektroden und Senke auf positivem Potential und das Substrat auf negativem Potential liegen.

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