DE1439740A1 - Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode

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DE1439740A1 DE19641439740 DE1439740A DE1439740A1 DE 1439740 A1 DE1439740 A1 DE 1439740A1 DE 19641439740 DE19641439740 DE 19641439740 DE 1439740 A DE1439740 A DE 1439740A DE 1439740 A1 DE1439740 A1 DE 1439740A1
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Description

Telefunken latent Verwertungsgesellschaft Ul / Donau, Elisabethenstr.T
Heilbronn, den 2.11.1964 FE/Pt-La/Ra Hn 46/64
"Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrodetf
Ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode besteht bekanntlich aus einem Halbleiterkörper mit einer Quell- und Zugelektrode - in der angelsächsischen Literatur Source- bzw. Drain-Elektrode genannt - sowie einer Steuerelektrode, die von der Oberfläche des Halbleiterkörpers isoliert ist.
Bei Feldeffekttransistoren dieser Art sind Typen bekannt, bei denes, zwischen der Quell- und der Zugelektrode auch bei fehlender Vorspannung an der Steuerelektrode (Gate) ein leitender Kanal vorhanden ist, so daß beim Anlegen einer Spannung zwischen Quell- und Zugelektrode ein Strom fließt. Dieser Stroa läßt sich durch Anlegen von Steuerspannungen - wobei im allgemeinen Steuerapannungen beiderlei Vorzeichens möglich sind - in kontrollierbarer Weise vergrößern oder verkleinern· Speziell ist es möglich, durch geeignete Wahl der Steuerspannung den leitenden Kanal zwischen Quell- und Zugelektrode zum Verschwinden zu bringen
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und damit den Stromfluß zwischen diesen beiden Elektroden zu sperren. Außerdem sind Typen von Feldeffekttransistoren bekannt, bei denen ein leitender E=nal zwischen Quell— und Zugelektrode erst durch Anlegen einer Steuerspannung bestimmter Polarität an der Steuerelektrode erzeugt wird. Auch bei diesem Typ kann der Stromfluß über den so erzeugten leitenden Kanal zwischen Quell-und Zugelektrode durch Änderung der Steuerelektrodenspannung gesteuert werden.
In der Schaltungstechnik sind Transistoren erwünscht, bei denen die Aussteuerung bei beliebig vorgegebener Steuerspannung einsetzt, Ber Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransistor aufzuzeigen« bei dem diese Forderung erfüllt ist. Zur Lösung der gestellten < Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei einem | Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode die j Energiebänder an der Oberfläche ä.es Halbleiterkörpern einen solchen Verlauf aufweisen., daß die Aussteuerung bei einer vorgegebenen Staierspannung einsetzt.
Den Verlauf der Energiebänder. - hier kommt es int wesentlichen auf den Verlauf des Valenz- und Leitungsbandes an kann man beispielsweise durch Einbringen von Störstellen
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BAD ORIGINAL ' * '"
in den Halbleiterkörper beeinflussen bzw. steuern. Durch Einbringen von Störstellen, die im Halbleiterkörper den p-Leitungstyp erzeugen, werden beispielsweise die Energiebänder- an der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu höheren Energien hin verschoben. Dies gilt sowohl für Halbleiterkörper vom n-als auch vom p- Leitungstyp. Beim Einbringen von Störstellen, die im Halbleiterkörper den n- Leitungstyp erzeugen, werden die Bänder dagegen zu niedrigeren Energien hin verschoben. Dies gilt ebenfal s sowohl für Halbleiterkörper vom p- Leitungstyp als auch für Halbleiterkörper vom n- Leitungstyp.
Ein Feldeffekttransistor ■ it isolierter Steuerelektrode besteht beispielsweise aus einem Halbleiterkörper vom p- Leitungstyp, in dessen eine Oberflächenseite zwei n- Zonen eingebracht sind. Die Steuerelektrode befindet sich zwischen ät r Quell- und Zugelektrode und ist von der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch eine Isolierschicht getrennt. Wird der Verlauf der Energiebänder durch Einbringen von Störstellen beeinflußt, so werden diese Störstellen bei einer solchen Anordnung in den Oberflächenbereich zwischen Quell- und Zugelektrode eingebracht. Während bei einer solchen Anordnung mit p- leitendem Halbleitergrundkörper durch Einbringen von Akzeptoren das Potential der
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Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, in positiver Richtung verschoben Wird, wird beim Einbringen von Donatoren in denselben Bereich des p- leitenden Grundkörpers das Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, in negativer Richtung verschoben. Als Bezugspunkt für die Steuerspannung gilt dabei die Quellelektrode; die Zügelektrode liegt bei diesem Transistor gegenüber der Quellelektrode auf positivem Potential. Hat "man also beispielsweise einen Eeldeffekttransistor mit p- leitendem Halbleitergrundkörper, bei dem das Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, vor dem Einbringen von Störstellen zur Beeinflussung des Energiebänderverlaufs gegenüber der Quellelektrode als Bezugselektrode z.B. O Volt beträgt, so wird dieses Potential, durch Einbringen von Akzeptoren in Abhängigkeit von der Konzentration in positiver Richtung, beispielsweise auf + 3 Volt verschoben, während beim Einbringen von Donatoren das Potential, bei der die Aussteuerung einsetzt, in negativer Richtung, beispielsweise auf. - 3 Volt verschoben wird.
Entsprechende Überlegungen gelten, wenn der Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode anstelle eines p- leitenden Grundkörpers einen n- leitenden Halbleiterkörper hat.
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Die Quell- und Zugelektrode werden bei einem solchen Transistor durch p- Zonen im n- leitenden Halbleitergrundkörper gebildet, zwischen denen die Steuerelektrode durch eine Isolierschicht von der Oberfläche des Halbleiterkörpers getrennt angeordnet ist. Während bei einem Feldeffekttransistor mit p- leitendem Halbleiterkörper die Zugelektrode posistiv gegenüber der Quellelel:trode vorgespannt ist, wird die Zugelektrode bei Verwendung eines n- leitenden Salbleiterkörpers negativ gegenüber der Quellelektrode vorgespannt. Bei einer Anordnung mit nleitendem Halbleitergrundkörper wird durGh Einbringen vor. Donatoren in den Oberflächenbereich zwischen Quell- und Zugelektrode das gegenüber der Quellelektrode als Bezugselektrode vorhandene Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, in negativer Richtung verschoben, Während beim Einbringen von Akzeptoren, in denselben Bereich des n- leitenden Grundkörpers das Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, in positiver Richtung verschoben wird.
Das Einbringen der Störstellen in die Oberfläche des Halbleiterkörpers kann beispielsweise durch Diffusion erfolgen. Eine Beeinflussung des Bänderverlaufs an der Ober-
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BAO
fläche des Halbleiterkörpers kann auch durch Entfernen von Störstellen der Grunddotierung,' beispielsweise, durch Ausdiffusion erfolgen. Der Bandverlauf wird dabei in umgekehrter Weise wie beim Einbringen yon. Störstellan beeinflußt. ■·::.
Der Bänderverlauf kann beispielsweise auch noch durch folgende Maßnahmaibzw. Faktoren, beei n.fIu3t werden:
Wahl des Isoliermatarials 2wxsch,e^ Halbleiter-:^ material und SteuejcelekcrodÄ (hier..sp.ielen bei^. spielsweiae die Beimischung zum Isoliermater-Λ^ ial sowie die Struktur des isQÜerniateriais,,-.■,r.,-,,' eine Rolle), :.- ; . *■"...,._- „ >.,-...,-,.,,
Art der Aufbringung 40S- isolieraiaterials,, ^:...._..-
... Vahl des Materials der Steuerelektrode (,hier. , spielen beispielsweise die BaiaischurLg zum Ma^, terial sowie die Struktur des Materials der Steuerelektrode eins
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Art der Aufbringung der Steuerelektrode,
Behandlung der Oberfläche des Halbleiterkörpers (hierbei spielen beispielsweise Beiz- und Poliervorgänge und das Spülen der Halbleiteroberfläche in wässrigen oder organischen Lo- Λ sungen, die bestimmte Beimengung wie z.B. Schwennetallionen enthalten, eine Rolle).
In Weiterentwicklung der Erfindung besteht außerdem die Möglichkeit, zur Beeinflussung des Bänderverlaufs an der Halbleiteroberfläche vor der Herstellung der Transistorstruktur auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Epitaxieschicht abzuscheiden. Man hat nela-lich beim Epitaxieprozeß die Möglichkeit, das Dotierungsprofil in der Nähe der Oberfläche und damit auch in gewissen Grenzen die Bandverbiegung frei zu wählen. Speziell kann man eine sehr dünne Epitaxieschi *ht abscheiden, durch deren frei wählbare Dotierung die Bandverbiegung an der Halbleiteroberfläche verändert werden kann.
Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich beispielsweise nach der Planartechnik oder nach der Dünnfilmtechnik herstellen. Als Ausführungsbeispiel wird im folgenden die
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Herstellung eines Silizium-Feldeffekttransistors nach der Planartechnik beschrieben.
Dabei geht man nach Fig. 1 beispielsweise von einem n- dotierten Si-Scheibchen 1 der Leitfähigkeit 1o OHMcm aus. Das Si-Scheibchen wird an der Oberfläche thermisch mit einer Siliziumdioxydschicht 2 von ungefähr 1 Ai Dicke überzogen. Nach dem Photoresistverfahren werden zwei nebeneinander liegende rechteckige Fenster 3 und 4 aus der Oxydscb'tcht herausgeätzt. Die Breite des Steges 5 zwischen den Fenstern beträgt z.B. 15/U. Durch die Fenster 3 und 4· wird eine Bordiffusion durchgeführt. Die hierbei entstehenden p-leitenden Diffusionszonen 6 und 7 sollen spätei als Quell- und Zugelektroden dienen.
Hiernach wird ebenfalls mit Hilfe eines Photoresistverfahrens das Oxyd über d^em Steg 5 weggeätzt und im Anschluß daran gemäß Fig. 2 auf die Halbleiteroberfläche erneut eine etwa o, 2 η dicke Oxydschicht 8 aufgebracht. Diese Oxydschicht wird durch Oxydation in Sauerstoff hergestellt.
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H39740
- 9 Ober der Quell- und Steuerelektrode werden schließlich die
Fenster 9 und 1o zur Kontaktirrung dieser Elektroden aus der Oxydschicht 8 herausgeätzt. Die Kontaktierung der Quell- und Zugelektrode erfolgt durch Aufdampfen von Aluminium(i1, 12)in den Bereich der Fenster 9 und 1o. Dabei wird gleichzeitig auch die Steuerelektrode 13 durch Aufdampfen auf die Isolierschicht δ hergestellt. An den sich auf die Oxydschicht erstreckenden Teilen der Metallflecke werden in üblicher Weise Kontaktdrähte angebracht.
Die erfindungsgemäße Beeinflussung des Bänderverlaufs kann beispielsweise durch Oxydation des Ίο OHMcm-n- Siliziums in feuchten Sauerstoffstrom erfolgen, wobei eine n+- Anreicherungs^2h/-cht 14 an der Siliziumoberfläche zwischen Quell- und Zugelektrode 6 und 7 erzeugt wird. Der Feuchtigkeitsgehalt des Sauerstoffe beeinflußft die Band- f verbiegung in dem Sinne, daß bei größeren Wasserdampfkonzentrationen eine stärker ausgebildete n+- Schicht entsteht und umgekehrt. Je ausgeprägter die Anreicherungsrandschicht ißt , um so größere negative Steuerelektroden sind notwendig, um einen p- leitenden Kanal zwischen der Quell- und der im Betrieb ebenfalls negativ vorgespannten Zugelektrode zu erzeugen. Bei welcher Steuerelektrodenspannung der Stromfluß in diesem Feldeffekttransistor beginnt,
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kann, wie leicht ersichtlich ist, in reproduzierbarer Weise durch Wahl der OxydationsbediQgungen (Feuchtigkeitsgehalt) eingestellt werden. Außerdem kann durch eine zusätzliche Bordiffusion vor dem Aufbringen der die Steuerelektrode isolierenden Oxydschicht S die Bildung der Anreicherungsrandschicht teilweise oder ganz kompensiert, oder sogar überkompensiert werden. Wie stark diese Kompensation ausfällt, kann durch die Wahl der Oberflächenkonzentration» Temperatur und Dauer dieser zweiten Bordiffusion reproduzierbar eingestellt werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Bänderschema im Bereich "Halbleiteroberfläche - Isolierschicht - Steuerelektrode" sowie die Beeinflussung dieses Bänderverlaufs durch die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Bordiffusion. Die Oxydationsverhältnisse wurden dabei nicht geändert, da die Oxydation bei der unterschiedlichen Bordiffusion stets in trockener Atmosphäre erfolgte. Die Diffusionstemperatur beträgt in allen Fällen ungefähr 85o°G. Wie aus der Fig. hervorgeht, werden die Bänder mit zunehmender Diffusionszeit nach oben verbogen. Dies hat zur Folge, daß der Oberflächenbereich des Halbleiterkristalls (Kanal) vom n- Typ
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(ohne Diffusion) in den p- Typ (5 Minuten Diffusion) Uugewfindelt wird. Die Fig. 4 zeigt die Verschiebung des Einsatzpunktes in Abhängigkeit von der Diffusionszeit bei einer Diffusionstemperatur von ungefähr 85o°C und trockener Oxydation.
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Claims (1)

  1. H39740
    - 12 Patentansprüche
    1) Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebänder an der Oberfläche des Halbleiterkörpers einen solchen Verlauf aufweisen, daß die Aussteuerung bei einer vorgegebenen Stmierspannung einsetzt.
    2) Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierte Steuerelektrode zwischen der Quell- und der Zugelektrode auf der gleichen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers wie dieee Elektroden angeordnet ist*
    3) Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die eine Oberflächeneeite eines Halb--*· leiterkörpers vom bestimmten Lcitungstyp zwei Zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp zur Verwendung als Quell- und als Zugzone eingebracht sind,und daß die Steuerelektrode auf der gleichen Oberflächenseite zwischen den Zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp angeordnet ist.
    - 13 -
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    4·) Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder im Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers zwischen der Quell- und Zugelektrode beeinflußt ist.
    5)Feldeffekttransistor nach Anspruch 4·, dadurch gekenn- M zeichnet, daß zur Beeinflussung des Energiebänderverlaufs Störstellen in den Oberflächenbereich zwischen Quell- und Zugelektrode eingebracht sind.
    6) Feldeffekttransistor nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß bei einem p- leitenden Halbleitergrundkörper das gegenüber der Quellelcktrode als Bezugspunkt vorhandene Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, durch Einbringen von Akzeptoren
    in die Halbleiteroberfläche in positiver Sichtung ver- " schoben wird.
    7) Feldeffekttransistor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei einem p- leitenden Halbleitergrundkörper das gegenüber der Quellelektrode als Bezugselektrode vorhandene Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, durch Einbringen von Akzeptoren in die
    - 14 -
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    H39740
    Halbleiteroberfläche in negativer Richtung verschoben wird,
    8) Feldeffekttransistor nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Zugelektrode gegenüber der Quell elektrode auf positivem Potential liegt.
    9) Feldeffekttransistor nach Anspruch 5} dadurch gekennzeichnet, daß bei einem n- leitenden Halbleitergrundkörper das gegenüber der Quellelektrode als Bezugselektrode voi~.rMsne Potential der Steuerelektrode,, bei dem die Aussteuerung einsetzt, durch Einbringen von Akzeptoren in die Halbleiteroberfläche in positiver Richtung verschoben wird.
    1o) Feldeffekttransisior nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß bei einem n- leitenden Halbl-jitergrundkörper das gegenüber der Quellelektrode als Bezugselektrode vorhandene Potential der Steuerelektrode, bei dem die Aussteuerung einsetzt, durch Einbringen von Donatoren in die Halbleiteroberfläche in negativer Richtung verschoben wird π
    509884/0448 BAD ORtÖINAL
    11) Feldeffekttransistor nach Anspruch S oder Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugelektrode gegenüber der Quellelektrode auf negativem Potential liegt.
    12) Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch die Wahl des Isoliermaterials beeinflußt wird.
    13) Feldeffekttransistor nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch eine Beimischung zum Isoliermaterial beeinflußt wird.
    Feldeffekttransistor nach Anspruch Ί2, dadurch gekenn- ä zeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch die Struktur des Isoliermaterials beeinflußt wird.
    15) Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch die Wahl dos Steuerelektrodenmaterials beeinflußt wird.
    - 16 -
    909884/0448 BAD ORIGINAL
    U397A0
    16) Feldeffekttransistor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch eine Beimischung zum Steuerelektrodenmaterial beeinflußt wird,
    17) Feldeffekttransistor nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Energiebänder durch die Struktur des Steuerelektrodenmaterials beeinflußt wird«
    18) Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode und Isolierschicht einerseits und der Oberfläche des HalbHeitergrundkörpeis andererseits eine epitaktische Schicht vorgesehen ist, die zur Beeinflussung des Bänderverlaufs entsprechend dotiert ist.
    19) Verfahren nur Herstellung eines Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 5 tis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen zur Beeinflussung des Energiebänderverlaufs durch Diffusion in die Halbleiteroberfläche eingebracht werden.
    20) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebänderverlauf durch Ausdiffundieren von Störstellen beeinflußt wird.
    - 17 -
    909884/0448 BAD ΑΪΓ
    H39740
    •21) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebänderverlauf durch die Art der Herstellung des zwischen Steuerelektrode und Halbleiteroberfläche erforderlichen Isoliersaterials beeinflußt wird.
    22) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht durch thermische Oxydation aufgebracht wird.
    23) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebänderverlauf durch die Art der Aufbringung der Steuerelektrode beeinflußt wird.
    24) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebänderverlauf durch eine Behandlung der Oberfläche des Halbleiterkörpers beeinflußt wird.
    25) Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebänderverlauf durch Beizen oder Polieren der Halbleiteroberfläche beeinflußt wird.
    - 18
    909884/0448 BAD ORIGINAL
    26) Verfahren nach Anspruch 2Lv oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebändervorlauf durch Spülen der Halbleiteroberfläche in wässrigen oder organischen Lösungen beeinflußt wird.
    27) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Encrgicbänderverlauf durch thermische Oxydation der Halbleiteroberfläche in feuchter Atmosphäre aufgrund einer dabei entstehenden n- Dotierung beeinflußt wird.
    90988 4 /0448 BAD ORIGfNAt
    Leerseite
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