DE1614156B2 - Feldeffekt Halbleiterbauelement mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents

Feldeffekt Halbleiterbauelement mit isolierter Steuerelektrode

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Description

Der direkt unter der Steuerelektrode 2 liegende Teil oder Bereich 5 des Substrats 6 ist beispielsweise als η-leitender Bereich ausgebildet, wenn das Substrat 6 aus einem p-leitenden Halbleiter besteht. Wenn daher die Siliziumdioxidschicht 3 an dieser Stelle beschädigt wird und die Steuerelektrode 2 mit dem Bereich 5 verbunden ist, wird ein p-np-Übergang zwischen der Steuerelektrode 2 und dem Substrat 6 gebildet. Somit ist die Steuerelektrode 2 durch die Sperrcharakteristik des p-n-Übergangs vom Substrat 6 elektrisch isoliert, wenn das Substrat 6 unter negativer und die Steuerelektrode 2 unter positiver Vorspannung liegt.
Der direkt unter der Steuerelektrode 2 liegende Bereich 5 wird als p-leitender Bereich ausgebildet, wenn das Substrat 6 aus einem η-leitenden Halbleiter besteht. Auf diese Weise kann die Steuerelektrode 2 bei positiver Vorspannung des Substrats 6 und negativer Vorspannung der Steuerelektrode 2 von den anderen Elektroden durch die Sperrschichteigenschaft des p-n-Übergangs elektrisch isoliert werden, selbst wenn die Siliziumdioxidschicht 3 beschädigt sein sollte.
Der Leckstrom in einem solchen unter Sperrvorspannung stehenden p-n-Übergang kann sich in Abhängigkeit von der Größe des Übergangs, der Störstoffdichte des den Übergang bildenden Halbleiters, der Lebensdauer des Trägers und anderen Faktoren verändern, er kann jedoch auf einen kleinen Wert von 10"8 bis 10~9 Ampere in einem Spannungsbereich, der kleiner ist als die dielektrische Durchbruchsspannung, verringert werden, wenn der Durchmesser des Übergangs 100 Mikron beträgt und das Substrat aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω cm besteht. Wenn beispielsweise eine Potentialdifferenz von 10 V zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat vorhanden ist, beträgt der Widerstand etwa 1O+9 bis 1O+10 Ω und ein solcher Widerstand genügt praktisch in den meisten Fällen als Eingangswiderstand für einen Feldeffekttransistor. Es ist auch klar, daß ein solcher Transistor ohne Beschädigung oder Durchschlag der Siliziumdioxidisolierschicht als gewöhnlicher MIS-Transistor störungsfrei arbeiten kann.
Wie durch obige Tatsache, daß durch Umwandeln eines Teils des Substrats in einen Abschnitt mit einem Leitungstyp, der von dem des Substrats verschieden ist, ein p-n-Übergang zwischen diesem Teil und dem Substrat gebildet wird, ersichtlich ist, wird die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat nicht mehr durch die Siliziumdioxidschicht unter der Steuerelektrode und dem Halbleitersubstrat geometrisch gebildet, und die Kapazität des dazwischenliegenden p-n-Ubergangs bewirkt eine wesentliche Verringerung der Kapazität zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat. Daher kann man eine merkliche Verringerung der Eingangskapazität erwarten, wenn ein solcher MIS-Transistor mit geerdeter Quelle arbeitet.
Es ist ferner leicht zu verstehen, daß die Erfindung ein wirksames Mittel darstellt, um einen Kurzschluß zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat zu verhindern, der durch Bruch der Siliziumdioxidschicht unter der Drahtanschlußstelle in einem MIS-Transistor auftreten kann, der wiederholt unter harten Temperaturbedingungen arbeitet.
In den folgenden Beispielen ist die Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
Ein η-leitender Störstoff wird in vorbestimmte Bereiche eines p-leitenden Siliziumsubstrats mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω cm diffundiert, wobei gleichzeitig im p-leitenden Substrat ein Quellenbereich und ein Abflußbereich sowie ein isolierter pn-Übergang ausgebildet werden. Auf diese Weise wird ein MIS-Transistor hergestellt, wie ihn Fig. 1 zeigt. Der Isolierbereich hat die Form eines Quadrats
ίο mit einer Seitenlänge von 100 μ. Die Tiefe der Diffusion und die Oberflächenkonzentration des Isolierbereichs betragen 2,0 μ bzw. 1022 Atome pro cm3. Dies sind die gleichen Maße wie beim Quellen- bzw. Abflußbereich. Die Isolierschicht ist eine Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 3000 A, die mit einem als Steuerelektrode dienenden Metall versehen ist, das oberhalb des genannten Isolierbereichs mit einem Anschlußdraht verbunden ist. Messungen wurden an zweihundert solcher Versuchstransistoren unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Quellenelektrode mit dem Substrat verbunden war, die Spannung an der Quellen- und an der Abflußelektrode Null war und eine Spannung von 10 V an der Steuer- und an der Quellenelektrode lag. Der Leckstrom betrug unter diesen Bedingungen etwa zwischen einem Mindestwert von weniger als 10 ~12 Ampere und einem Höchstwert von 0,7 X 10~8 Ampere. Es wird angenommen, daß sich der Leckstrom in der Größenordnung von 10~8 Ampere bei dem dielektrischen Durchschlag der Siliziumdioxidschicht ergibt. Der Mindestwert des Eingangswiderstands betrug 1,4 X ΙΟ9 Ω, berechnet auf der Basis der obigen Leckstromwerte.
Beispiel 2
Ein p-Kanal-MIS-Transistor mit einer Siliziumdioxidschicht einer Dicke von 500 A wurde hergestellt und eine p-leitende Diffusionsschicht in Form eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 100 μ, wie im Beispiel 1, einer Tiefe von 3 μ und einer Oberflächenstörstoffkonzentration von 1020/cm2 wurde unmittelbar unter der Drahtanschlußstelle einer Steuerelektrode ausgebildet. Messungen wurden an 200 solcher Versuchstransistoren durchgeführt, bei denen die Quellenelektrode mit dem Substrat verbunden war und wobei eine Spannung von 0 V zwischen die Abfluß- und die Quellenelektrode und eine Spannung von — 10 V zwischen die Steuer- und die Quellen-
elektrode gelegt wurde. In diesem Fall betrug der Mindestwert des Eingangswiderstands 2,5 X ΙΟ9 Ω.
Beispiel 3
Ein n-Kanal-MIS-Transistor mit einer Siliziumdioxidschicht von 1000 Ä Dicke aus einem p-leitenden Siliziumsubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 30 Ω cm wurde hergestellt und ein n-leitender Phosphordiffusionsbereich einer Oberfläche von 100 zu 100 Mikron (100 X 100 μ im Quadrat), einer Tiefe von 2 Mikron und einer Oberflächenstörstoffkonzentration von 1022/cm2 wurde unmittelbar unter der Drahtanschlußstelle einer Steuerelektrode ausgebildet. Die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat in diesem Transistor hatte einen mittleren Wert von 4,5 pF, während der mittlere Kapazitätswert 7,5 pF betrug, wenn der η-leitende Bereich
nicht vorhanden war. Demnach konnte die Eingangskapazität stark verringert werden.
Das Halbleitersubstrat des in den Ansprüchen gekennzeichneten Feldeffekt-Transistors ist keineswegs auf ein bestimmtes Material beschränkt und kann aus Silizium, Germanium oder einem Verbindungs-Halbleiter bestehen. Der zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat angeordnete elektrische Isolator muß nicht unbedingt Siliziumdioxid sein, sondern kann aus jedem elektrisch isolierenden Material bestehen, das eine gute elektrische Isolierung zwischen diesen Teilen bewirkt. Ein solches Isoliermaterial kann beispielsweise Siliziummonoxid oder Magnesiumfluorid sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Eingangswiderstand aus. Es gibt jedoch eine große Patentansprüche: Anzahl von Funktionen, bei denen der praktische Eingangswiderstand des MIS-Feldeffekttransistors
1. Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit isolier- höher ist als erforderlich. Der Eingangswiderstand ter Steuerelektrode, mit einem Halbleitersubstrat 5 wird jedoch zu gering, wenn die Isolierschicht auf die (6), in dem ein Quellenbereich und ein Abflußbe- oben erläuterte Weise zerstört wird.
reich eines dem Leitfähigkeitstyp des Halbleiter- Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, die durch
Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine Zerstörung der Isolierschicht bei Verbinden des ausgebildet sind und auf dem, vom Halbleitersub- Anschlußdrahtes der Steuerelektrode mit dieser verstrat durch eine Isolierschicht (3) getrennt, die io ursachten Leckverluste zu beseitigen.
Steuerelektrode (2) zwischen den beiden genann- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
ten Bereichen angeordnet ist, dadurch ge- Feldeffekt-Halbleiterbauelement der eingangs gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (6) nannten Art dadurch gelöst, daß das Halbleitersubunmittelbar unterhalb des Abschnittes der Steuer- strat unmittelbar unterhalb des Abschnittes der elektrode (2), mit dem der Anschlußdraht (1) der 15 Steuerelektrode, mit dem der Anschlußdraht der Steuerelektrode verbunden ist, einen gesonderten Steuerelektrode verbunden ist, einen gesonderten Bereich (5) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Bereich des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Quel-Quellen- bzw. der Abflußbereich aufweist. len- bzw. der Abflußbereich aufweist.
2. Feldeffekt-Halbleiterbaueiement nach An- Bei einer Zerstörung der Isolierschicht gelangt spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geson- 20 nunmehr die Steuerelektrode nicht mehr unmittelbar derte Bereich (5), der Quellenbereich und der in elektrische Verbindung mit dem Halbleitersubstrat. Abfiußbereich bei p-leitendem Halbleitersubstrat Die Steuerelektrode kann vielmehr allenfalls in elek-(6) durch Schichten diffundierten Störstoffs mit trischen Kontakt mit dem gesonderten Bereich gelann-Leitfähigkeit gebildet sind. gen, das einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
3. Feldeffekt-Halbleiterbauelement nach An- 25 aufweist wie das Halbleitersubstrat und mit Quellen spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geson- bzw. Abflußbereich im Leitfähigkeitstyp übereinderte Bereich (5), der Quellenbereich und der stimmt. Bei der im Betrieb des MIS-Feldeffekttransi-Abflußbereich bei η-leitendem Halbleitersubstrat stors an die verschiedenen Bereiche und insbesondere (6) durch Schichten diffundierten Störstoffs mit an die Steuerelektrode bzw. das Halbleitersubstrat p-Leitfähigkeit gebildet sind. 30 angelegten Spannungen wird nun bei zerstörter Isolierschicht ein pn-Übergang zwischen dem gesonderten Bereich und dem Halbleitersubstrat als Sperr-
schicht wirken, so daß selbst bei Beschädigung der
Isolierschicht die Steuerelektrode von den anderen
35 Elektroden zuverlässig isoliert ist. Der Eingangswi-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldeffekt- derstand sinkt dabei zwar um eine Größenordnung
Halbleiterbauelement mit isolierter Steuerelektrode, ab. Ein Eingangswiderstand von ausreichender Größe
mit einem Halbleitersubstrat, in dem ein Quellenbe- für die Funktion des Feldeffekttransistors bleibt je-
reich und ein Abflußbereich eines dem Leitfähigkeits- doch vorhanden.
typ des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitfä- 40 Es ist besonders zweckmäßig, den gesonderten Behigkeitstyps ausgebildet sind und auf dem, vom reich, den Quellenbereich und den Abflußbereich je-Halbleitersubstrat durch eine Isolierschicht getrennt, weils im Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitfädie Steuerelektrode zwischen den beiden genannten higkeitstyps durch Schichten eindiffundierten Stör-Bereichen angeordnet ist. Stoffs mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp auszu-
Derartige Feldeffekt-Halbleiterbauelemente sind 45 bilden. Da bei der Herstellung des Feldeffekttransi-
bekannt (IEEE Transactions on Electron Devices, stors Quellenbereich und Abfiußbereich in jedem Fall
Band ED-13, März 1966, Heft 3, Seiten 379 und 380). hergestellt werden müssen, kann der gesonderte Be-
Es handelt sich dabei um MOS-Feldeffekttransistoren reich, der mit diesen im Leitfähigkeitstyp überein-
mit isolierter Steuerelektrode. Die Steuerelektrode stimmt, gleichzeitig und ohne zusätzlichen Aufwand
wird hierfür durch eine Isolierschicht, beispielsweise 50 hergestellt werden.
eine Siliziumdioxydschicht von der Quellen- und der Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise
Abflußelektrode elektrisch isoliert. Derartige Feldef- veranschaulicht. Es zeigt
fekt-Transistoren werden auch als MIS (metal insula- Fig. 1 eine Draufsicht auf einen MIS-Feldeffekt-
tion semiconductor)-Feldeffekttransistoren bezeich- transistor gemäß der Erfindung und
net. 55 Fig. 2 einen Schnitt in einer Ebene gemäß Linie
Bei der Herstellung derartiger MIS-Feldeffekt- A-A' der Fig. 1.
transistoren treten häufig auf Grund mechanischer In der Zeichnung umfaßt ein MIS-Feldeffekttransi- oder thermischer Beschädigungen der Isolierschicht stör eine Steuerelektrode 2, eine Quellenelektrode 7 Störungen am MIS-Feldeffekttransistor auf. Es ist und eine Abflußelektrode 8, die auf einem Substrat 6 eine Folge der Tatsache, daß beim Verbinden des An- 60 angeordnet sind. Die Steuerelektrode 2 ist von der schlußdrahtes mit der Steuerelektrode auf Grund der Quellenelektrode 7 und der Abflußelektrode 8 durch Beschädigung der Isolierschicht eine elektrische Ver- eine Siliziumdioxidschicht 3 elektrisch isoliert, sie bindung zwischen der Steuerelektrode und dem Halb- wird jedoch mit dem direkt unter ihr liegenden Teil leitersubstrat entszht, wodurch ein Kurzschluß zwi- des Substrats 6 elektrisch verbunden, wenn die Silizischen der Steuerelektrode und der Quellen- bzw. der 65 umdioxidschicht 3, wie bei 4 dargestellt, durch Hitze-Abflußelektrode auftritt mit dem Ergebnis, daß der einwirkung während des Anschließens eines Lei-Feldeffekttransistor nicht mehr arbeitet. Der MIS- tungsdrahts 1 an die Steuerelektrode 2 beschädigt Feldeffekttransistor zeichnet sich durch einen hohen wird.
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