DE1514374B1 - Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode

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DE1514374B1 DE19651514374 DE1514374A DE1514374B1 DE 1514374 B1 DE1514374 B1 DE 1514374B1 DE 19651514374 DE19651514374 DE 19651514374 DE 1514374 A DE1514374 A DE 1514374A DE 1514374 B1 DE1514374 B1 DE 1514374B1
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Description

1 2
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor flußbereich leitfähig zu machen. Der Strom wird längs aus einem halbleitenden Grundkörper einer bestimm- der Oberflächenschicht des Scheibchens zwischen ten Leitfähigkeitsart mit Quellen- und Abflußelektro- dem Quellen- und Abflußbereich von freien Elektroden, welche an in Abstand voneinander liegende nen oder Löchern getragen, die unter dem Einfluß leitende Oberflächenbereiche der anderen Leitfähig- 5 des Abfluß-Quellen-Feldes sich durch den Kanal bekeitsart angeschlossen sind, und mit einer Steuerelek- wegen. Im Betrieb geht die unter der positiven Steuertrode, welche die Oberfläche des Grundkörpers zwi- elektrode liegende Oberfläche des Grundkörpers von sehen den beiden leitenden Bereichen der anderen ihrem normalen p-Zustand in einen η-Zustand (Inver-Leitfähigkeitsart überbrückt, gegenüber diesen und sionsschicht) über, wobei ein Stromfluß erfolgt,
dem Grundkörper isoliert ist und welche zur Steue- io Der Grundkörper wird normalerweise aus leicht rung des Stromflusses zwischen den leitenden Berei- gedoptem p-Typ-Material hergestellt, so daß seine chen der anderen Leitfähigkeitsart dient. Umwandlung in dem unter der positiven Steuerelek-
Halbleiterbauelemente, bei denen die Leitfähigkeit trode liegenden Kanalbereich in den n-Typ-Zustand eines Teiles der Oberfläche eines halbleitenden leicht erreicht werden kann. Ein leicht gedopter Scheibchens mittels eines angelegten elektrischen 15 Grundkörper unterzieht sich der Umwandlung bei Feldes geändert werden kann, sind als Feldeffekttran- einem niedrigeren Steuerpotential an der Steuereleksistor bekannt und können aus einem Scheibchen aus trode oder auch lediglich infolge der Quellen-Abflußkristallinem, halbleitendem Material bestehen, bei Spannung, ohne daß eine Steuerspannung an der dem zwei niederohmige Bereiche in der Scheibchen- Steuerelektrode anliegt. Da ein leicht gedoptes Grundoberfläche ausgebildet sind und eine Isolierschicht 20 körpermaterial einen größeren spezifischen Widerauf diese Scheibchenoberfläche zwischen den beiden stand aufweist als ein stärker gedoptes Material, wird im Abstand liegenden Bereichen aufgebracht ist, wo- ferner die Kapazität zwischen Abfluß- und Quellenbei zwei metallische Elektroden jeweils mit den bei- elektrode und die Kapazität zwischen Abflußelektrode den niederohmigen Bereichen und eine metallische und Grundkörper verringert. Die umgekehrten Er-Steuerelektrode mit der Isolierschicht verbunden 25 scheinungen treten bei einem stark gedopten Grundsind und mit Hilfe der Steuerelektrode die Leitfähig- körper auf, welcher höhere Steuerspannungen an der keit des zwischen den beiden Bereichen liegenden Steuerelektrode erfordert, um einen Stromfluß zu »Kanals« gesteuert wird. induzieren, und welcher ferner Kapazitäten im Aus-
Eine Gruppe von Feldeffekttransistoren mit iso- gangskreis des Transistors bewirkt,
lierter Steuerelektrode ist als MOS (Metalloxyd-Semi- 30 Gewisse Nachteile liegen aber auch bei Verwenconductor)-Feldeffekttransistor bekannt und von dung eines leicht gedopten Grundkörpers vor. Die S. R. Hof stein und F. P. Heimaη in »The Oberfläche eines p-Typ-Scheibchens hat die Tendenz, Silicon Insulated-Gate Field-Effect Transistor«, Pro- sich während der Behandlung in ein n-Typ-Material ceedings IEEE, Volume 51, S. 1190, September 1963, umzuwandeln. Dies hat im Betrieb ein unerwünschtes beschrieben. Bei derartigen Halbleiterbauelementen 35 Anwachsen der Oberflächenleckströme zur Folge, besteht die Isolierschicht gewöhnlich aus Silizium- wie diese z. B. zwischen dem Quellen- und Abflußoxyd. Die metallische Elektrode auf der Isolierschicht bereich außerhalb deren geradlinigen Verbindungsist als Steuerelektrode und die beiden unmittelbar an wegen, welche durch die Steuerelektrode gesteuert die niederohmigen Bereiche des Halbleiterscheibchens werden, auftreten. Diese Oberflächenleckströme fühangeschlossenen Elektroden sind als Quellen- und 4° ren zu einem ungesteuerten Stromfluß im Transistor-Abflußelektroden bekannt. Die Ausdrücke Quelle kreis. Die Neigung des Grundkörpermaterials, seine und Abfluß sind an Stelle der Ausdrücke Emitter Leitfähigkeit während der Fertigung zu ändern, macht und Kollektor verwendet, um auszudrücken, daß die Herstellung solcher Halbleiterbauelemente ziemimmer die Majoritätsladungsträger hineingeführt oder lieh kritisch, da es schwierig ist, reproduzierbare herausgeführt werden. 45 Kennlinien von Bauelement zu Bauelement sowie ein
Ein »Verstärkungs«-Feldeffekttransistor (mit Vor- stabiles Betriebsverhalten zu erreichen. Es wurde wärts-Steuerelektrodenspannung und minimalem festgestellt, daß gewisse Metalle, die zum Aufbau der Strom bei Steuerelektrodenspannung Null) kann aus Elektroden auf der Oberfläche des Scheibchens vereinem p-Typ-Kristallscheibchen als Grundkörper wendet werden, dazu neigen, das leicht gedopte hergestellt werden, bei dem die Störstellenoberflächen- 50 Grundkörpermaterial umzuwandeln. Beispielsweise konzentration in der Größenordnung von 1515 Stör- kann Aluminium nicht bei einem Verstärkungs-Feldatomen je Kubikzentimeter ist. Die in Abstand von- effekttransistor als Elektrodenmaterial verwendet einander liegenden, niederohmigen Bereiche werden werden, da auf dem Grundkörper befindliches Alunormalerweise dadurch hergestellt, daß ein η-Typ- minium eine Umwandlung hervorruft.
Störstoff in die Scheibchenoberfläche hineindiffundiert 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unkonwird, so daß stark gedopte, leitende Quellen- und trollierte vagabundierende Oberflächenleckströme Abflußbereiche geschaffen sind, an welchen die Quel- zwischen Quellen- und Abflußelektrode zu vermeiden len- und Abflußelektroden angebracht werden. Auf und reproduzierbare Kennlinien bei der Herstellung die Scheibchenoberfläche wird zwischen Quellen- und gleicher Halbleiterbauelemente zu erhalten.
Abflußbereich ein isolierender Oxydfilm aufgebracht, 60 Diese Aufgabe wird bei einem Feldeffekttransistor und auf diesem wird eine metallische Steuerelektrode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch angebracht, welche die Fläche zwischen Quellen- gelöst, daß der Feldeffekttransistor eine Zone der und Abflußbereich überdeckt. gleichen Leitfähigkeitsart wie der Grundkörper auf-
Bei Verwendung wird der Feldeffekttransistor der- weist, die einen Teil der zwischen den leitenden
art geschaltet, daß die Abflußelektrode positiv gegen- 65 Bereichen der anderen Leitfähigkeitsart liegenden
über der Quellenelektrode gehalten wird, und an die Oberfläche des Grundkörpers bildet und die eine grö-
Steuerelektrode wird eine · positive Steuerspannung ßere Ladungsträgerkonzentration aufweist als der
angelegt, um das Gebiet zwischen Quellen- und Ab- halbleitende Grundkörper und die eine kleinere
Ladungsträgerkonzentration als die leitenden Be- Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode
reiche der anderen Leitfähigkeitsart. aus Metalloxydhalbleitermaterial können in zwei
Ein derartig aufgebauter Feldeffekttransistor besitzt Hauptarten vorliegen, und zwar einmal als »Sperr«- einen Grundkörper aus halbleitendem Material mit Transistor (mit Gegenspannung an der Steuerelekmindestens einer Hauptfläche. In Abstand voneinan- 5 trode und maximalem Strom bei der Steuerelektroder sind zwei niederohmige Bereiche entgegengesetz- denspannung Null) und, wie bereits erwähnt, als ter Leitfähigkeitsart wie der Grundkörper und eine »Verstärkungs«-Transistor. Beim »Verstärkungs«- niederohmige Zone gleicher Leitfähigkeitsart wie der Transistor liegt im wesentlichen kein Stromfluß im Grundkörper in der Hauptfläche des Grundkörpers halbleitenden Körper zwischen Quellen- und Abflußausgebildet, wobei die niederohmige Zone gleicher io bereich vor, wenn an der Steuerelektrode die Span-Leitfähigkeitsart wie der Grundkörper unter Einhai- nung Null anliegt. Wenn die Steuerelektrodenspantung eines Abstandes einen der niederohmigen Be- nung vergrößert wird, werden Ladungen, die gegenreiche der entgegengesetzten Leitfähigkeitsart um- über den Steuerelektrodenladungen entgegengesetzte schließt. Eine Isolierschicht aus dielektrischem Mate- Polarität aufweisen, an die zwischen den beiden rial ist auf der Hauptfläche des Grundkörpers her- 15 niederohmigen Bereichen liegende Fläche des halbgestellt und überdeckt den Spalt zwischen den beiden leitenden Körpers herangezogen, wonach der Stromniederohmigen Bereichen der entgegengesetzten Leit- fluß zwischen diesen beiden Bereichen einsetzt. Wenn fähigkeitsart wie der Grundkörper. An die Isolier- auch die Erfindung an Hand eines »Verstärkungs«- schicht ist eine metallische Steuerelektrode ange- Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode schlossen. Ferner sind zwei metallische Elektroden 20 beschrieben wird, so kann die Erfindung jedoch auch an die beiden in Abstand voneinander liegenden bei anderen Arten von unipolaren Halbleiterbauniederohmigen Bereiche der entgegengesetzten Leit- elementen angewendet werden, welche eine dielektrifähigkeitsart wie der Grundkörper angeschlossen. sehe Schicht auf einer kristallinen, halbleitenden
In Ausgestaltung der Erfindung kann die nieder- Unterlage besitzen.
ohmige Zone gleicher Leitfähigkeitsart wie der 25 Ein kristallines, halbleitendes Scheibchen 10
Grundkörper in Kontakt mit dem Quellenbereich (F i g. 1) wird zumindest mit einer Hauptfläche 11
stehen und unter Einhaltung eines Abstandes den versehen. Die exakte Größe, Gestalt und Leitfähig-
Abflußbereich des Feldeffekttransistors vollständig keitsart des Scheibchens 10 sind nicht kritisch. Das
umschließen. Scheibchen 10 kann aus Silizium, Germanium, SiIi-
Durch die Erfindung werden die Vorteile erreicht, 30 zium-Germanium-Legierung u. dgl. bestehen. Am
daß unkontrollierte Oberflächenleckströme zwischen einfachsten kann das Scheibchen 10 als Würfel mit
Quellen- und Abflußelektrode vermieden werden zwei gegenüberliegenden Flächen 11 und 12 ausge-
und daß reproduzierbare Kennlinien bei der Herstel- bildet werden. Bei diesem Beispiel weist der Würfel
lung gleicher Halbleiterbauelemente erhalten werden. eine Fläche von etwa 1,27 · 1,27 mm2 und eine Dicke
Durch entsprechende Beeinflussung der Leitfähigkeit 35 von etwa 0,15 mm auf und besteht aus leicht gedop-
der niederohmigen Zone gleicher Leitfähigkeitsart tem, monokristallinem Silizium vom p-Leitfähigkeits-
wie der Grundkörper kann ein gewünschter Schwell- typ. Sein spezifischer Widerstand ist vorzugsweise
wert oder Mindestwert der Steuerelektrodenspannung 1 Ohm-cm oder größer.
ausgewählt werden, bei der ein brauchbarer Quellen- Unmittelbar angrenzend an die Hauptfläche 11
Abfluß-Strom fließen kann, ohne daß der Flächen- 4° werden in Abstand voneinander zwei niederohmige
widerstand des stromführenden Kanals verringert Bereiche mit einer Leitfähigkeitsart entgegengesetzt
wird. Da durch die Erfindung überprüfbare und repro- der des Scheibchens ausgebildet, indem ein die Leit-
duzierbare Kennlinien erhalten werden, wird die Her- fähigkeitsart ändernder Störstoff durch eine Maske in
stellung von integrierten Schaltungen, die komple- ausgewählte Abschnitte der Fläche 11 hineindiffun-
mentäre Feldeffekttransistoren der beschriebenen Art 45 diert wird. Wenn das halbleitende Scheibchen wie in
enthalten, erleichtert. diesem Beispiel aus Silizium besteht, kann die Maske
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der aus Siliziumoxydüberzügen 13 und 14 bestehen, die
Erfindung beschrieben und in Verbindung mit der auf den Scheibchenflächen 11 und 12 durch Aufhei-
Zeichnung erläutert, in der zeigen zen des Scheibchens in Dampf während etwa
Fig. 1 bis 6 Querschnitte durch ein Halbleiter- 5° 30 Minuten bei ungefähr 1050° C in einer Dicke von
bauelement in aufeinanderfolgenden Herstellungs- etwa 2000 bis 4000 Angstrom aufgebracht werden,
stufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er- Der Siliziumoxydüberzug 13 wird mit einem Paar
findung, von in Abstand liegenden Öffnungen 15 und 16 ver-
Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch das sehen, so daß vorbestimmte Abschnitte der Scheib-
Halbleiterbauelement nach den F i g. 1 bis 6 zusam- 55 chenfläche 11 freigelegt sind. Die genaue Größe und
men mit einer angeschlossenen Schaltung, Gestalt der Öffnungen 15 und 16 ist nicht kritisch.
Fig. 8 eine Aufsicht auf das Halbleiterbauelement Die Öffnungen können gleiche oder ungleiche Flä-
gemäß den F i g. 1 bis 7 in einer Fertigungsstufe chen aufweisen, aber vorzugsweise soll der Abstand
und zwischen ihnen weniger als 0,025 mm betragen. Beim
Fig. 9a und 9b Darstellungen der elektrischen 60 vorliegenden Beispiel sind die Öffnungen 15 und 16
Kennlinien eines vergleichbaren üblichen Feldeffekt- jeweils 0,254 mm lang, 0,076 mm breit und weisen in
transistors und eines Feldeffekttransistors entspre- ihrer Längsrichtung einen Abstand von 0,0076 mm
chend der vorliegenden Erfindung, wobei die Ände- voneinander auf. Die Öffnungen 15 und 16 können
rung der Kennlinie von Quellen- und Abfluß-Strom in dem Siliziumoxydüberzug 13 hergestellt werden,
gegenüber Quellen- und Abfluß-Spannung für ver- 65 indem durch eine Maske hindurch ein säurefestes
schiedene Steuerelektrodenspannungen gezeigt ist. Material (nicht gezeigt), z. B. ein Überzug aus Paraf-
In den Figuren sind entsprechende Teile stets mit fin wachs oder Apiezonwachs, auf die gesamte Siliziumgleichen Bezugsziffern bezeichnet. oxydschicht 14 und alle Teile der Siliziumoxyd-
größer als die des leicht gedopten p-Typ-Scheibchens 10. Die Grenze 29 zwischen der Zone 27 und der Masse des p-Typ-Scheibchens 10 ist eine p+-p-Trennschicht. Der Teil 27' der Zone 27, der an dem 5 Bereich 17 liegt, behält seine η-Leitfähigkeit, da die Konzentration der negativen Ladungsträger (Elektronen) in diesem Bereich 17 infolge der zuvor erfolgten Donatordiffusion beträchtlich größer ist als die Konzentration der positiven Ladungsträger (Löcher),
schicht 13 mit Ausnahme derjenigen Abschnitte niedergeschlagen wird, die zwecks Bildung der Öffnungen 15 und 16 entfernt werden sollen. Die nicht
überzogenen Abschnitte der Siliziumoxydschicht 13
werden mit einem Ätzmittel entfernt, z. B. mit einer
Flußsäurelösung. Das säurebeständige Material wird
dann mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt,
bevor der anschließende Diffusionsvorgang erfolgt.
Ein Störstoff entgegengesetzter Leitfähigkeitsart
wie das Scheibchen 10 wird jetzt in die durch die io die durch die in die Zone 27 hineindiffundierten Öffnungen 15 und 16 freigebliebenen Abschnitte der Akzeptoren eingebracht sind.
Scheibchenfläche 11 hineindiffundiert. Beim vorlie- Das Scheibchen 10 wird jetzt mit einem Flußsäure
genden Beispiel wird ein Donator wie Arsen, Anti- enthaltenden Ätzmittel behandelt, so daß die Oxydmon, Phosphor od. dgl., verwendet. Die derart un- schichten 23 und 24 vollständig entfernt werden und mittelbar angrenzend an die Fläche 11 hergestellten 15 das Scheibchen, wie in Fig. 5 gezeigt, zurückbleibt. Donatordiffusionsbereiche 17 und 18 des Scheib- Das Scheibchen 10 wird erneut in trockenem Sauerchens sind niederohmig und von n-Typ-Leitfähigkeit. stoff oder in trockener Luft erhitzt, um neue saubere Die Diffusion wird mit einer solchen Störstoff-Quell- Siliziumoxydüberzüge 33 und 34 auf den Flächen 11 dichte und einem solchen Aufheizprofil durchgeführt, und 12 des Scheibchens 10 herzustellen (Fig. 6). daß die Konzentration der Ladungsträger (Elektro- 20 Zwei in Abstand voneinander liegende Öffnungen nen in diesem Beispiel) in der Oberfläche der Diffu- 35 und 36 werden nun in dem Siliziumoxydüberzug sionsbereiche 17 und 18 zumindest 1019 Störatome 33 nach irgendeinem geeigneten Verfahren hergeje Kubikzentimeter ist. Diese Konzentration nimmt stellt, z. B. durch das bereits erwähnte Maskenmit der Tiefe ab, und die die eindiffundierten Dona- abdeck- und Ätzverfahren. Die eine öffnung 35 wird toren aufweisenden Bereiche 17 und 18 sind bei die- 25 hierbei vollständig innerhalb des einen niederohmisem Beispiel weniger als 0,025 mm dick. Die Größe gen Bereiches 17 und die andere Öffnung 36 voll- und Gestalt der Diffusionsbereiche 17 und 18 ent- ständig innerhalb des anderen niederohmigen Besprechen der Größe und Gestalt der Öffnungen 15 reiches 18 (F i g. 6 und 8) ausgebildet. Wenn ein und 16. An den Grenzen zwischen den n-Typ-Diffu- säurefestes Material verwendet wurde, so wird dieses sionsbereichen 17 und 18 und der p-Typ-Masse des 30 durch geeignete Lösungsmittel entfernt, bevor der Siliziumscheibchens 10 entstehen die pn-Übergänge nächste Herstellungsschritt erfolgt. 19 und 20. Danach wird ein Metall, z. B. Aluminium, Palla-
Die übrigen Teile der Siliziumoxydschicht 13 und dium, Chrom, Rhodium od. dgl., nach einem geeigdie gesamte Siliziumoxydschicht 14 werden jetzt neten Verfahren, z. B. durch Aufdampfen durch eine entfernt, so daß das Scheibchen 10 in der in F i g. 3 35 Maske, auf die freigelegten Abschnitte der Scheibschematisch gezeigten Form zurückbleibt. chenbereiche 17 und 18 niedergeschlagen und eine Das Siliziumscheibchen 10 wird nun erneut in metallische Elektrode oder ein Kontakt 41 am Be-Dampf für etwa 30 Minuten bei ungefähr 1000° C reich 17 und eine metallische Elektrode oder Kontakt erhitzt, um neue Siliziumoxydschichten 23 und 24 43 am Bereich 18 ausgebildet. F i g. 8 zeigt eine Auf-(Fig. 4) auf den Hauptscheibchenflächen 11 und 12 40 sieht auf die Fläche 11 des Scheibchens 10 bei dieser auszubilden. Nach bekannten Maskenabdeck-Ätz- Herstellungstufe. Die Siliziumoxydschicht 33, welche verfahren wird eine Öffnung 25 in dem Siliziumoxyd- die gesamte Scheibchenfläche 11 mit Ausnahme der zug 23 hergestellt, um einen entsprechenden Ab- Teile, an denen die Elektroden 41 und 43 niederschnitt der Scheibchenfläche 11 freizulegen. Die Öff- geschlagen sind, bedeckt, ist in Fig. 8 deutlichkeitsnung 25 umschließt unter Einhaltung eines Abstandes 45 halber nicht eingezeichnet. Ein dritter metallischer vollständig den niederohmigen Donatordiffusions- Kontakt 42 wird auf die Siliziumoxydschicht 33 in bereich 18. Beim vorliegenden Beispiel legt die Öff- dem zwischen den Bereichen 17 und 18 liegenden nung25 ebenfalls den Teil des anderen niederohmi- Gebiet aufgebracht. Die drei metallischen Kontakte gen Bereiches 17 frei, welcher dem niederohmigen oder Elektroden 41, 42 und 43 können gleichzeitig Bereich 18 nächstliegt. Ein Akzeptor, wie z. B. Bor, 50 durch Aufdampfen durch eine Maske hindurch aufAluminium, Gallium oder Indium, wird nun in den gebracht werden, oder es kann auch die gesamte durch die Öffnung 25 freigelegten Abschnitt der
Scheibchenflächen 11 hineindiffundiert, um eine
p-Typ-Zone 27 auszubilden, die vollständig den Bereich 18 umschließt und in Abstand von diesem liegt 55
(Fig. 8). Ein Teil der Zone 27 steht hierbei in Kontakt mit einem Teil des Bereiches 17. Dieser Diffusionsschritt wird unter solcher Störstoff-Quelldichte
und mit solchem Aufheizprofil durchgeführt, daß die
Konzentration der Ladungsträger (Löcher) an der 60 mäßig sind die Leitungen 51, 52 und 53 Golddrähte, Oberfläche der Zone 27 geringer als die Konzentra- die mit den Elektroden 41, 42 und 43 durch Thermotion der Ladungsträger (Elektronen) an der Ober- kompression verbunden sind. Das Scheibchen 10 liegt fläche der n-Typ-Bereiche 17 und 18 ist und vor- mit seiner Hauptfläche 12 auf einem metallischen teilhafterweise etwa 1 · 1017 bis 5 · 1018 Ladungsträger Kopfstück 55. Das Element kann dann in bekannter je Kubikzentimeter beträgt. 65 Weise eingekapselt und mit einem Gehäuse versehen Die Konzentration der Ladungsträger in der Zone werden.
ist daher kleiner als die Konzentration der La- F i g. 7 zeigt ferner die Schaltung eines einstufigen
dungsträger in den beiden Bereichen 17 und 18 und Verstärkers mit üblicher Anordnung der Spannungs-
Oberseite des Scheibchens mit einem Metallüberzug versehen werden, wonach die unerwünschten Metallflächenteile weggeätzt werden.
Die Kontakte 41 und 43 werden als Quellen- und Abflußelektroden und der Kontakt 42 als Steuerelektrode des Feldeffekttransistors verwendet. Elektrische Leitungen 51, 52 und 53 können an die Elektroden 41 und 42 und 43 angeschlossen werden. Zweck-
7 8
quellen für den Feldeffekttransistor. Die Leitungen 51 fläche heranziehen muß, um den Leitfähigkeitstyp in und 53 sind als Quellen- und Abflußleitungen und diesem Teil der Scheibchenfläche umzukehren und die Leitung 52 als Steuerelektrodenleitung verwendet. um einen n-Typ-Kanal auszubilden, durch den der Die Fläche 12 und die Quellenleitung 51 sind über Strom zwischen den n-Typ-Quellen- und Abflußdas Kopfstück 55 elektrisch miteinander verbunden. 5 bereichen fließen kann.
Der Abflußbereich 18 wird durch eine Gleichstrom- Die Schwellenwertsteuerelektrodenspannung ist die
quelle wie die Batterie 60 auf einer positiven Vor- Spannung, die zur Umkehr des Oberflächenleitfähigspannung gegenüber dem Quellenbereich 17 gehalten. keitstyps der Zone 27 und zur Herstellung eines Die Batterie 60 ist hierbei zwischen die Abfluß- und Stromflusses zwischen dem Quellen- und Abfluß-Quellenleitung 51 und 53 geschaltet. Der Quellen- io bereich erforderlich ist. Bei dem Ausführungsbeispiel bereich 17 ist über eine an das metallische Kopfstück wird angenommen, daß die Anwesenheit einer p+- 55 angeschlossene Leitung 61 mit der Erde bei 63 Zone 27 zwischen dem Quellen- und Abflußbereich verbunden. Die elektrische Last, die als Widerstand 17 und 18, welche Bereiche stärker gedopt sind als 64 dargestellt ist, liegt zwischen dem positiven Pol das Scheibchen 10, eine größere Konzentration von der Batterie 60 und der Abflußleitung 53. Ein Ein- 15 Ladungsträgern an der Scheibchenoberfläche erforgangssignal an der Steuerelektrode 42 wird in ein derlich macht, als diese von der leicht gedopten verstärktes Signal übersetzt, das zwischen dem Abfluß Fläche 11 zwischen dem Quellen- und Abflußbereich und der Quelle am Lastwiderstand 64 erhalten wird. erfordert wird. Folglich liegt die Schwellwertspan-Die Eingangssignalquelle 62 stellt eine Potentialdiffe- nung des Feldeffekttransistors nach F i g. 7 höher, renz zwischen der Quelle51 und der Steuerelektrode 20 wie durch die Kurven der Fig. 9b angezeigt ist. Das 52 her. In gewissen Anwendungsfällen, bei denen eine bedeutet, daß bei einem Anstieg der Steuerelektrohohe Eingangsimpedanz nicht erwünscht ist, kann denspannung in positiver Richtung zunächst ein ein geeigneter Widerstand parallel zur Eingangsquelle n-Typ-Kanal in der Scheibchenfläche 11 zwischen 62 zwischen die Quelle 51 und die Steuerelektrode 52 dem Quellen- und Abflußbereich an der Stelle ausgegeschaltet werden. 25 bildet wird, die nicht von der stärker p-gedopten Zone
In den Fig. 9 a und 9 bist jeweils auf der Ordinate 27 eingenommen wird. Die Zone 27 verbleibt in der Quellen-Abfluß-Strom in Milliampere und auf einem Stromsperrzustand, bis die Steuerelektrodender Abszisse die Quellen-Abfluß-Spannung in Volt spannung einen genügend hohen positiven Wert erangegeben. Als Parameter ist die Steuerelektroden- reicht, um eine Umwandlung in der Zone 27 zu bespannung in Volt angegeben. 30 wirken, zu welcher Zeit der Stromfluß zwischen dem
In Fig. 9b sind typische elektrische Kennlinien Quellen-und Abflußbereich beginnt,
eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelek- Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der hier behan-
trode in der Schaltung nach Fig. 7 für verschiedene delten Feldeffekttransistoren besteht darin, daß die Steuerelektrodenspannungen dargestellt. Bei einer Schwellwertgröße (die Mindeststeuerspannung, bei Steuerelektrodenvorspannung Null fließt nur ein 35 der ein beträchtlicher Quellen-Abfluß-Strom fließt) geringer Leckstrom zwischen dem Quellen- und Ab- gewählt werden kann, indem man die Leitfähigkeit flußbereich des Feldeffekttransistors. Wenn die der Umgebungszone 27 durch den Grad der Dotie-Steuerelektrodenvorspannung von 0 auf 2VoIt an- rung und die Diffusionsverhältnisse bestimmt. Eine steigt, bleibt der Quellen-Abfluß-Strom gering und stärker gedopte Zone 27 erfordert eine höhere ändert sich praktisch nicht gegenüber dem Quellen- 4° Schwellwertspannung, um einen Stromfluß durch das Abfluß-Leckstrom bei der Vorspannung Null. Wenn Bauelement zu bewirken.
jedoch die Steuerelektrodenvorspannung einen be- Es ist zu beachten, daß bei dem Ausführungs-
stimmten Schwellwert erreicht, beim vorliegenden beispiel der niederohmige Bereich 18, der von einer Beispiel liegt dieser etwa bei 3 Volt, dann tritt ein Zone 27 entgegengesetzter Leitfähigkeitsart umbeträchtlicher Stromfluß zwischen dem Quellen- und 45 schlossen ist, als Abflußbereich verwendet ist. Die Abflußbereich des Feldeffekttransistors auf. Bau- Schaltkreisanschlüsse können jedoch auch ausgeelemente mit solchen Schwellwerten werden in be- tauscht werden, so daß der Bereich 18 der Quellenstimmten Schaltungen verwendet, um eine Messung bereich und der Bereich 17 der Abflußbereich des von guter Unempfindlichkeit zu erhalten. Elementes wird. Die Zone 27 entgegengesetzter Leit-
Zum Vergleich sind in Fig. 9a typische elektri- 50 fähigkeitsart umschließt dann den Quellenbereich, sehe Kennlinien eines Feldeffekttransistors dargestellt, Auch bei dieser abgeänderten Verwendungart zeigt der keine den Abflußbereich 18 umschließende p+- das Element noch verbesserte elektrische Eigenschaf-Zone aufweist, der aber im übrigen dem beschriebe- ten und eine Schwellwertspannung. Da aber die Zone nen Aufbau des vorliegenden Feldeffekttransistors 27 hochohmiger als die übrigen Teile der Scheibchenentspricht. Es ist ersichtlich, daß ein solcher Feld- 55 fläche 11 zwischen Quelle und Abfluß ist, wird die effekttransistor keinen Schwellwert zeigt. Bei einer Zone 27 bevorzugt in Kontakt mit dem Quellenbe-Vorspannung Null fließt ein geringer Leckstrom zwi- reich 17 gehalten, wie bei 27', da festgestellt wurde, sehen Quelle und Abfluß dieses Bauelementes. Ein daß ein Abstand zwischen Zone 27 und Quellenbe-Anstieg der Steuerelektrodenspannung auf plus 1 Volt reich zu einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors reicht jedoch schon für einen beträchtlichen Quellen- 60 der Schaltung führt, was durch die Vergrößerung der Abfluß-Strom aus, der mit zunehmender Steuerelek- Eingangsimpedanz verursacht wird,
trodenspannung wächst. Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
Es wird angenommen, daß bei einem Feldeffekt- sind die Quellen- und Abflußbereiche 17 und 18 transistor mit isolierter Steuerelektrode mit η-Typ- jeweils n-Typ-Bereiche in einem p-Typ-Halbleiter-Quellen- und Abflußbereichen die positive Steuer- 65 scheibchen 10, und die den Abflußbereich 18 seitlich elektrodenspannung zunächst eine ausreichende umschließende Zone 27 besitzt ebenfalls p-Typ-Leit-Menge von negativen Ladungsträgern an die unter- fähigkeit. Es ist aber auch möglich, die Quellen- und halb der Steuerelektrode liegende p-Typ-Scheibchen- Abflußbereiche 17 und 18 als p-Typ-Bereiche in
9 10
einem n-Typ-Halbleiterscheibchen auszubilden und zerstäubung oder nichtelektrische Überziehverfahren, eine n-Typ-Zone 27 rund um die seitliche Peripherie Die von dem leitenden Gebiet des Abflußbereiches des Abflußbereiches vorzusehen. Hierbei wird das gebildete geschlossene Fläche muß nicht rechteckig Scheibchen 10 aus einer n-Typ-monokristallinen SiIi- sein.
zium-Germanium-Legierung in Form eines Würfels 5 Es wurde früher bereits gefunden, daß ein Grundhergestellt. Geeignete monokristalline Silizium-Ger- körper (ein Scheibchen) aus leicht gedoptem halbmanium-Legierungen sind in der USA.-Patentschrift leitendem Material, das nicht mit einer Sperrzone 27 2 997 410 vom 22. 8.1961 beschrieben. Die Abdeck- aus einem stärker gedopten Material versehen ist, überzüge 13 und 14 können airs Silizhimoxyd be- dazu neigt, an seiner Oberfläche die entgegengesetzte stehen, das auf der Oberfläche niedergeschlagen wird, io Leitfähigkeit anzunehmen. Eine solche Neigung verindem eine organische Siloxanverbindung thermisch ursacht eine Instabilität in den Arbeitskennlinien des zersetzt und die Zersetzungsprodukte durch eine Düse Bauelementes und macht es schwierig, derartige EIehindurch auf das Scheibchen bzw. den Würfel gerich- mente mit reproduzierbaren Kennlinien herzustellen, tet werden, wie in der USA.-Patentschrift 3 114 663 Wenn eine Sperrzone 27 vorgesehen ist, wirkt die vom 17. 12. 1963 von J. Kl er er beschrieben ist. 15 Oberfläche der Unterlage im Betrieb mehr als ein Die Öffnungen 15 und 16 (F i g. 2) werden, wie be- passiver Widerstand, und der durch den Feldeffektreits erwähnt, durch Maskenabdeck- und Ätzverfah- transistor fließende Strom n-ird durch die Leitfähigkeit ren hergestellt. Alternativ kann auch ein präzises der Zone 27 bestimmt, welche Leitfähigkeit von der fotolithografisches Verfahren für diesen Zweck ange- Steuerelektrode gesteuert wird. Die mit einer Sperrwendet werden, wobei ein lichtbeständiges Dichro- 20 zone 27 versehenen Bauelemente zeigen eine größere matprotein verwendet wird, z. B. Bichromat-Gummi- Betriebsstabilität, und ihre Arbeitskennlinien neigen arabikum, Chromgelatine od. dgl. Zur Ausbildung nicht zu einem Abwandern.
der beiden niederohmigen Bereiche 17 und 18 kann Feldeffekttransistoren mit einer leicht gedopten
ein p-Typ-Störstoff, und zwar ein Akzeptor wie Bor, Unterlage von hohem spezifischem Widerstand sind Aluminium, Gallium oder Indium, in die Fläche 11 25 bei der Herstellung und im Betrieb gegenüber gewishineindiffundiert werden. sen Metallen empfindlich. Beispielsweise besteht bei
Ein n-Typ-Störstoff von entgegengesetzter Leit- einem Aufsprühen einer Aluminiumelektrode die Gefähigkeitsart wie die niederohmigen Bereiche 17 und fahr, daß sich die Oberfläche einer leicht gedopten 18, z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon, wird in die p-Typ-Unterlage an den Niederschlagstellen des Me-Fläche 11 hineindiffundiert, um unmittelbar angren- 30 tails in ein n-Typ-Gebiet umwandelt. Wenn jedoch zend an die Fläche 11 eine Zone 27 mit eindiffundier- eine stark gedopte Sperrzone 27 oder ein Sperring in ten Donatoren herzustellen, welche vollständig, aber der beschriebenen Weise vorgesehen wird, dann hat unter Einhaltung eines Abstandes den Rand des die Anwesenheit von Aluminium nur geringe oder niederohmigen Bereiches 18 umschließt. Die Zone 27 gar keine Auswirkung beim Betrieb des Transistors, weist hierbei eine größere Konzentration der La- 35 da die Arbeitskennlinien des Transistors hauptsächdungsträger auf als das Scheibchen 10. Die genaue lieh nur durch die hochdotierte Zone 27 bestimmt Tiefe der Zone 27 ist nicht kritisch und kann kleiner, sind. Die Anwesenheit von Aluminium auf der Obergleich oder größer als die Tiefe der niederohmigen fläche der Zone 27 reicht nicht aus, deren Leitfähig-Bereiche 17 und 18 sein. Die Parameter der Störstoff- keitsart abzuändern, und jegliche Änderung in der Quelldichte und des Aufheizprofils bei der Diffusion 40 Oberfläche des Grundkörpers bleibt ohne Ausv/irsind jedoch derart getroffen, daß die Konzentration kung, da, wie bereits erwähnt, der Grundkörper ledigder Ladungsträger (Löcher in diesem Beispiel) in den lieh als ein passiver Widerstand bei höheren Schwellniederohmigen Bereichen 17 und 18 größer ist als die wertspannungen wirkt. Folglich werden durch die Konzentration der Ladungsträger (Elektronen in die- Erfindung die Verwendung und Auswahl einer grösem Beispiel) in der Zone 27. Folglich bleibt der Teil 45 ßeren Anzahl von Metallen bei der Herstellung er-27' der Zone 27, der innerhalb des mit Akzeptoren möglicht.
angereicherten Bereiches 17 liegt, ein p-Typ- Bei integrierten Schaltungsanordnungen ist es erAbschnitt, wünscht, einen gemeinsamen Grundkörper verwenden
Bei dieser Ausführungsform werden die Elektrode zu können, auf dem mittels geeigneter Verfahren 41 als Quellenelektrode, die Elektrode 42 als Steuer- 50 komplementäre Schaltungen mit sowohl p-Typ als elektrode und die Elektrode 43 als Abflußelektrode auch n-Typ-Transistoren ausgebildet sein können. Es verwendet. Da jedoch der Quellen-und Abflußbereich ist jedoch äußerst schwierig, ein einziges Grundkör-17 und 18 hier p-Bereiche sind, ist die Polarität der permaterial in dieser Weise zu verwenden, da der an die Elektroden angelegten Spannungen umgekehrt leicht gedopte Grundkörper dazu neigt, während der derjenigen, die im Zusammenhang mit dem Ausfüh- 55 Herstellung die entgegengesetzte Leitfähigkeitsart anrungsbeispiel I beschrieben und in F i g. 7 gezeigt ist. zunehmen. Wenn bei der Herstellung aber je eine den
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen Abfluß eines jeden n-Typ-Feldeffekttransistors umwurden zunächst die Quellen- und Abflußbereiche 17 schließende Zone und ein stark gedoptes Material und 18 und dann die leitende Zone 27 in dem Scheib- mit geringer Umwandlungsneigung verwendet wird, chen ausgebildet. Die Zone 27 kann jedoch auch vor 60 ist es jedoch möglich, Feldeffekttransistoren mit isoden Quellen-und Abflußbereichen hergestellt werden. lierter Steuerelektrode auf demselben Grundkörper
Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele dienen und mit ähnlichen Herstellungsschritten auszubilden, zur Erläuterung der Erfindung. In allen Fällen kön- Wenn ein Grundkörper aus einem Halbleitermaterial nen auch andere kristalline Halbleitermaterialien mit einer Leitfähigkeitsart besteht, so kann dieser an den geeigneten Akzeptoren und Donatoren verwendet 65 Flächen, an denen dies für die Ausbildung komplewerden. Andere Metalle oder Legierungen können mentärer Transistoren erwünscht ist, in die entgegenfür die Elektroden verwendet und nach anderen Ver- gesetzte Leitfähigkeitsart umgewandelt werden, indem fahren aufgebracht werden, z. B. durch Kathoden- der Grundkörper nach dem Diffusionsverfahren mit
dem Störstoff gedopt wird. Die den Abfluß eines jeden η-Typ-Feldeffekttransistors umschließende Sperrzone 27 bestimmt die Arbeitskennlinien des Transistors und ermöglicht die Ausbildung komplementärer Transistoren auf demselben leicht gedopten Grundkörper. Eine solche Sperrzone kann bei p-Typ-Feldeffekttransistoren verwendet werden, was aber nicht notwendig ist.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht gegenüber den bekannten Ausbildungsarten darin, daß die Oberflächenleckströme bei den beschriebenen Feldeffekttransistoren im wesentlichen eliminiert sind. Derartige Leckströme fließen zwischen der Quellen- und der Abflußelektrode außerhalb der von der Steuerelektrode gesteuerten Fläche des Grundkörpers. Wenn der leicht gedopte Grundkörper, wie erwähnt, seine Leitfähigkeitsart derart ändert, daß die Oberfläche eine gewisse Umwandlung erfährt, dann fällt der spezifische Widerstand solcher Oberflächengebiete auf einen solchen Wert, daß unkontrollierte Leckströme zwischen Quellen- und Abflußbereich fließen. Die stärker gedopte Zone 27 erbringt jedoch eine zusammenhängende Sperrschicht, welche eine der Arbeitselektroden des Feldeffekttransistors einschließt, z. B. die Abflußregion, wie in F i g. 8 gezeigt ist. Wegen der Sperrwirkung der Zone 27 werden Leckströme zwischen dem Quellen- und Abflußbereich unterdrückt. Infolgedessen verringert die Zone 27 einen unkontrollierten Stromfluß zwischen den Arbeitselektroden des Transistors, falls sie diesen nicht vollständig eliminiert.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Feldeffekttransistor aus einem halbleitenden Grundkörper einer bestimmten Leitfähigkeitsart mit Quellen- und Abflußelektroden, welche an in Abstand voneinander liegende leitende Oberflächenbereiche der anderen Leitfähigkeitsart angeschlossen sind, und mit einer Steuerelektrode, welche die Oberfläche des Grundkörpsrs zwischen den beiden leitenden Bereichen der anderen Leitfähigkeitsart überbrückt, gegenüber diesen und dem Grundkörper isoliert ist und welche zur Steuerung des Stromflusses zwischen den leitenden Bereichen der anderen Leitfähigkeitsart dient, gekennzeichnet durch eine Zone (27) der gleichen Leitfähigkeitsart wie der Grundkörper (10), die einen Teil der zwischen den leitenden Bereichen der anderen Leitfähigkeitsart (17, 18) liegenden Oberfläche (11) des Grundkörpers bildet und die eine größere Ladungsträgerkonzentration aufweist als der halbleitende Grundkörper (10) und die eine kleinere Ladungsträgerkonzentration aufweist als die leitenden Bereiche (17,18) der anderen Leitfähigkeitsart.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (27) der Leitfähigkeitsart des Grundkörpers, jedoch mit der größeren Ladungsträgerkonzentration als dieser einen der leitenden Bereiche der anderen Leitfähigkeitsart (17 oder 18) allseitig umschließt.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (27) der Leitfähigkeitsart des Grundkörpers, jedoch mit der größeren Ladungsträgerkonzentration als dieser mit dem nicht von ihr umschlossenen Bereich der anderen Leitfähigkeitsart (17) an der Oberfläche (11) des Grundkörpers (10) in Kontakt steht.
4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone der Leitfähigkeitsart des Grundkörpers, jedoch mit der größeren Ladungsträgerkonzentration als dieser (27) mit dem gesamten Abschnitt (bei 27') des Quellenelektrodenbereiches (17), welcher dem Abflußelektrodenbereich (18) zugewandt ist, an der Oberfläche (11) des Grundkörpers (10) in Kontakt steht.
5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone der Leitfähigkeitsart des Grundkörpers, jedoch mit der größeren Ladungsträgerkonzentration als dieser (27) ein geschlossenes, in Abstand den leitenden Abflußelektrodenbereich (18) umgebendes Gebiet bildet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
DE19651514374 1964-11-25 1965-11-23 Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode Pending DE1514374B1 (de)

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