DE1948052B2 - Feldeffekt Transistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Gate-Elektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsschicht hervorrufenden Isolationsschicht, bei dem Source und Drain von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone umgeben sind.

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 r- zu p-Leitung, oder umgekehrt, erfolgen kann. Beispielsweise bewirkt eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd auf einem p-leitenden Siliziumsubstrat eine Inversion der Substratoberfläche zur η-Leitung. In ähnlicher Weise hat eine Isolationsschicht aus Aluminiurnoxyd auf einem η-leitenden Siliziumsubstrat zur Folge, daß in der nächsten Nachbarschaft der Oberfläche eine Um-Wandlung von n- zu p-Leitung eintritt.

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

So ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift

ίο 3 400 383 ein Feldeffekt-Transistor bekannt, bei dem die einem ersten Leitungstyp angehörenden, die Drain und Source bildenden Zonen von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone des zweiten Leitungstyps umgeben sind.

Diese Methode, nämlich eine zusätzliche Zone des zur Inversionsschicht entgegengesetzten Leitungstyps in die Oberfläche einzudiffundieren, um so eine Inversionsschicht zu verhindern, ist nachteilig, da ein zusätzlicher Diffusionsschritt erforderlich ist. Dieser Nachteil ist besonders bei der Herstellung von Feldeffekt-Transistoren schwerwiegend, da hier auf das einfache, lediglich einen Diffusionsprozeß für Zonen eines Leitungstyps erfordernde Herstellungsverfahren

»5 Wert gelegt wird.

Bei einem anderen Vorschlag werden auf bestimmte Oberflächenteile der das Halbleitersubstrat bedeckenden Isolationsschicht Metallschichten aufgebracht, die beim Anlegen geeigneter Potentiale die in ihrer Umgebung liegenden Inversionsschichten beeinflussen. Hierbei erweist es sich als nachteilig, daß die aufgebrachten metallischen Zonen Leitungsführungsschwierigkeiten und unerwünschte kapazitive Effekte mit sich bringen.

Insbesondere bei aus Silizium hergestellten Feldeffekt-Transistoren des Verarmungstyps mit n-leitenden Zonen als Source und Drain wirft die Inversion außerordentlich schwierige Probleme auf, da hier die Oberflächen-Leckströme in der Inversionsschicht an

4" der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Isolationsschicht besonders ausgeprägt sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Feldeffekt-Transsitoraufbau 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, zwei in die Substratoberfläche eingebrachten. Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps und einer einen Schutzring bildenden Zone, dadurch gelöst, da3 die als Schutzring ausgebildete Zone vom gleichen Leitungstyp wie Source und Drain ist, 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 Source und Drain andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen. Der Vorteil dieses Transistoraufbaus besteht im wesentlichen darin, daß störende Oberflächen-Leckströme oder Kurzschlüsse auf einfache Weise verhindert werden.

*5 Ein besonders vorteilhafter Feldefl'ekt-Transistoraufbau ergibt sich dadurch, daß das Substrat aus pleitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus η-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus SiIi-

ziumdioxyd besteht und daß Source, Drain und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat positiven Potential liegen.

Ein weiterer vorteilhafter Aufbau besteht darin, daß das Substrat aus η-leitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus p-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd besteht und daß Source, Drain 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 zeigt

Fig. 1 schematische Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Feldeffeki-Transistors in verschiedenen Herstellungsstufen,

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

Fig. 3 den Anstieg des Stromes / zwischen Source und Drain mit steigendem, oberhalb eines Schwellwertes VscMnue liegendem Potential V_a an der Oaie-Elektrode und

Fig. 4 die Erhöhung des eine Oberflächenleitung zum geeigneten vorgespannten Schutzring bewirkenden Schwellwertes V_Srhu._enr in Abhängigkeit vom an das Substrat angelegten Potential V_Subtmi ■

Herstellungsstufe A in Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein p-ieitendes Halbleitersubstrat 10. Das Substrat 10 besteht im betrachteten Ausführungsbeispiel aus SiIizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 2 Ω cm. Das Substrat 10 w<"st beispielsweise eine Dicke von 200 μΐη auf.

In der Herstellungsstufe B wird die Oberfläche des Substrats mit einer isolierenden Siliziumdioxydschidu 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 Schicht vorhandene Fenster die Verbindung zu den Halbleiterzonep des Substrat 10 herstellen.

In Stufe C sind die in bekannter Maskierungs- und Ätztechnik in der Isolationsschicht 12 erzeugten Fenster 14 dargestellt. An Stelle von Siliziumdioxyd kann für die Isolationsschicht auch Siliziumnitrit, Aluminiumoxyd usw. verwendet werden. In Abhängigkeit vom gewählten Material muß für die Herstellung der Fenster 14 lediglich ein geeignetes Ätzmittel ausgewähk werden.

In Stufe D ist eine Diffusion durchgeführt, bei der die die Source und Drain des Feldeffekt-Transistors definierenden η+-leitenden Zonen 16 und 18 im Substrat gebildet werden, !n diesem Diffusionsschritt wird gleichzeitig ein aus einer η+-leitenden Zone gebildeter Schutzring 20 hergesh'lt, der Source und Drain 16 und 18 umgibt. Bei diesem DiffusionsschriU werden als Dotierungsmittel beispielsweise Arsen oder Phosphor verwendet, und die Störstellendiehte beträgi vorzugsweise IO¹⁹ bis 10-° Störstellen/cm¹¹. Die "Diffusionstiefe liegt im Bereich von 2 bis 4 μήκη. Die Länge der Strombahn, also die Entfernung /.wischen Source und Drain, beträgt vorzugsweise 3 bis 50 μινπιι.

In der Herstellungsstufe E sind Source 16 und Drain 18 in einem Metallisierungsprozeü mit ohmschen Kontakten 22 und 24 \ ersehen, wobei vorzugsweise die bereits in der Isolationsschicht 12 anfangs gebildete!) Fenster verwendet werden. Selbstverständlich muß unter Umständen vor der Metallisierung in cinuni 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 Source 16 und Drain 18 wird vor der Metallisierung und Kontaktierung der Halbleiterzonen in einem zusätzlichen Maskierungs- und Ätzprozeß vei mindert. Anschließend wird die Torelektrode 26 aufgebracht. Gleichzeitig mit der Bildung der Kontakte 22, 24 und der Gate-Elektrode 26 wird der im betrachteten Ausführungsbeispiel kreisringförmige Kontakt 28 zum Schutzring 20 hergestellt. In entsprechender Weise wird ein ohmscher Kontakt 30 zum p-leitenden Substrat 10 hergestellt. Als Kontaktmaterial wird vorzugsweise Aluminium verwendet, die Verwendung anderer Metalle ist jedoch auch möglich. Beispielsweise kann als Kontaktmaterial Platin verwendet werden, das Platinsilizide bildet. Stufe E der Fig. I zeigt die fertige Struktur des Feldeffekt-Transistors.

In Fig. 2 ist der in den Ansprüchen gekennzeichnete Feldeffekt-Transistor an geeignet Spannungen gelegt Die einzelnen Elemente der Struktur tragen die gleichen Bezeichnungen wie in der Darstellung gemäß Fig. 1. An die Gate-Elektrode 26 ist eine Spannung 4- V angelegt, so daß sich zwischen Source 16 und Drain 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 -t- V verbunden ist. D'e Aus-Stellung dieses Schalters ist gestrichelt dargestellt, wobei eine Verbindung zu Masse oder einer negativen Spannung hergestellt wird. Source 16 und Schutzring 20 sind mit Masse verbunden, während Drain 18 an einer positiven Spannung · V liegt. Das p-leitende Substrat 10 liegt über dem Ko takt30 an einer negativen Spannung— V, Werden die angegebenen Spannungen angelegt und

befindet sich der Schalter an der Gate-Elektrode in der Ein-Stellung, so bildet sich der Strotnkanai zwischen Source und Drain aus. Außerdem zeigt es sich, daß im Halbleiterbereich zwischen dem Schutzring 20 und Source 16 und Drain 18 eine Verarmung an Ladungsträgern eintritt. Diese Ladungsträgerverarmung verhindert Leckströme oder Kurzschlüsse. Daraus folgt, daß durch geladene Teile der Isolationsschicht auf der Halbleiteroberfläche zwischen Schutzring 20 und Source 16 bzw. Drain 18 bedingte Feldeffekt-Transistorwirkungen in hohem Maße unterdrückt und

5" damit ein Stromfluß in diesem Bereich verhindert wird. Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie 34 zeigt die Abhäng,gkeit des Stromes I von einem oberhalb eines den Ein-Zustand des Feldeffekt-Transistors bewirkenden Schwellwertes V_Schw<._Ue liegenden Potential V_a an der Gate-Elektrode. Der Strom / nimmt beginnend vom Wert 0 mit steigendem Potential V₀ an der Gate-Elektrode zu. Geladene Teile der Isolationsschicht 32 wirken ähnlich wie eine Gate-Elektrode und können Überflächenströme zwischen dem Schutzring 20 und Source 16 bzw. Drain 18 bewirken, wenn ein bestimmter Sehwellwcrt des durch die geladenen Teile der Isolationsschicht 32 entstandenen Potentials überschritten wird.

Wie der Kennlinie 36 der Fig. 4 /ti entnehmen ist, steigt der Schwellwert Vseimriu. hei dem eine geladene Isolationsschicht 32 eine Oberilachenleitung zwischen dem Schutzring 20 und Source 16 bzw. Drain 18 bewirkt, mit steigendem, an das Substrat angelegtem und

zum Potential des Schutzringes entgegengesetztem Potential V_SubslTal an. Daraus ist 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 Source, Drain und Schutzring aus diffundierten Zonen, diese Zonen können in bekannter Wiese auch aus Epitaxiezonen aufgebaut werden. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß auch ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Transistor mit entsprechenden Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen aufgebaut werden kann. Schließlich ist die Erfindung auch anwendbar, wenn an Stelle 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Gate-Elektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsschicht hervorrufenden Isolationsschicht, bei dem Source und Drain von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schutzring (20) ausgebildete Zone vom gleichen Leitungstyp wie Source (16) und Drain (18) ist, 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 Source (16) und Darin (18) andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen.

2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus p-leitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus η-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd besteht und daß Source, Drain und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat positiven Potential liegen.

3. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus n-leitendem Silizium. Source, Drain und Schutzring aus p-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd besteht und daß Source, Drain und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat negativen Potential liegen.

4. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Source und Schutzring auf Masse-Potential, Gate-Elektrode und Drain auf positivem Potential und das Substrat auf negativem Potential liegen.