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Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode Die Erfindung
bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektro de, bei
welchem Schottkylsche Sperr 5 chichtkont akte für die Quellen- und Saugkontakte
vorgesehen sind, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Transistors.
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Feldeffekttr ansistoren mit isolierter Steuerelektro de sind für zahlreiche
Anwendungsfälle in der elektronischen Industrie vielversprechend, und zwar wegen
ihrer Pentoden-Kennlinie und wegen der hohen Eingangsimpedanz ihrer isolierten Steuerelektrode,
was eine Gleichstromkopplung zwischen Mehrfach- Tr ansistor stufen ermöglicht.
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Der typische Transistor der in Rede stehenden Art weist im wesentlichen
ein Siliziumplättchen mit einem Kanal niedrigen spezifischen Widerstandes zwischen
einem Paar pn-Übergangskontakten sowie eine Steuerelektrode auf, die benachbart
zum Kanal sowie hiergegen mit Hilfe eines dünnen Isolierfilms isoliert ist. Die
beiden pn-Übergangskontakte werden häufig als Quellen- und Saugelektrode bezeichnet.
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Beim Betrieb wird die Grösse des durch den Kanal auf eine zwischen
die
Quellen- und die Saugelektrode angelegte Spannung hin fliessenden Stromes durch
eine der Steuerelektrode zugeführte Spannung moduliert.
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Diese Modulation ist möglich, weil die Anzahl der freien Ladungsträger
im Kanal (folglich die spezifische Kanalleitfähigkeit) eine Funktion der Steuerspännung
ist.
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Eine Reihe Probleme treten jedoch- bei der Anordnung sowie bei der
Herstellung desselben auf. Eines dieser Probleme ist, dass die Erzeugung der pn-Übergangskontakte
auf dem Diffusionswege häufig auch die Entstehung von nadellochartigen Kurzschlüssen
zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal verursacht. Zusätzlich beschädigen die
bei der Diffusionsbehandlung zur Anwendung gelangenden hohen Temperaturen, typischerweise
oberhalb 10000C, den dünnen Isolierfilm oberhalb des Kanals, wobei Defekte entstehen,
wie Rekrtistarnsations zentren, die zu Nadelloch-Kurzschlüssen führen, wenn die
Steuerelektrode auf dem Isolator nieder geschlagen wird. Nadelloch-Kurz schlüsse
sind generell ein Problem für praktisch alle Isolierschichten mit einer Dicke von
einigen wenigen Mikrometern oder darunter-.
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Ein weiteres Problem ist die Erzeugung des Steuerelektro den- Metallfilms
und dessen genaue Ausrichtung zum Kanal und zu den pn-Ubergangskontakten. Typischerweise
kann die Steuerelektrode erst dann auf
den Isolator niedergeschlagen
werden nachdem die pn-Übergangskontakte eindiffundiert worden sind. Folglich muss
der Steuerelektro -denfilm mit den Kontakten ausgerichtet werden. Dieser Ausrichtungsschritt
ist jedoch umständlich und vdn nur begrenzter Genauigkeit.
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Darüberhinaus werden, wenn der Film zu breit oder zu schmal ist, die
Eigenschaften des Transistors geändert. Ist einerseits die Steuerelektrode zu breit
im Vergleich zum Kanal, so entsteht zusätzliche Streukapazität, die den Frequenzgang
des Transistors reduziert. Ist andererseits die Steuerelektrode gegenüber dem Kanal
zu schmal und bedeckt nicht das ganze Kanalgebiet, so treten zusätzliche Ohm'sche
Verluste auf, und eine geringere Steilheit ist die Folge. Zusätzlich begrenzt das
Problem der Ausrichtung die praktisch erreichbare minimale Kanallange auf zumindest
einige Mikrometer. Diese Minimallänge begrenzt ihrerseits wiederum sowohl die Ansprechzeit
als auch die Steilheit des Transistors.
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Die vorstehenden Probleme sind entsprechend der Erfindung durch einen
Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode vermieden, der statt pn-Übergangszonen
Schottky'sche Sperrschichtkontakte für die Quellen- und Saugelektrode verwendet.
Da Schottky'sche Sperrschichtkontakte bei relativ niedrigen Temperaturen (6500C
oder darunter) hergestellt werden können, ist die Anzahl von Nadelloch-Kurzschlüssen
stark
reduziert, und da die Steuerelektrode gleichzeitig mit der Definition der Quellen-
und Saug-Elektrodenbereiche hergestellt werden kann, entfällt praktisch das Problem
der Ausrichtung der Steuerelektrode mit der Quelle- und Saugelektrode.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es
zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Feldeffekttr ansistor s mit isolierter Steuerelektrode, Fig. 2, 3 und 4 Schnittansichten
wie nach Fig. 1' zur Darstellung verschiedener Herstellungsstufen, Fig. 5 eine Schnittansicht
einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Transistors und Fig. 6 und
7 Schnittansichten entsprechend Fig. 5 zur Darstellung verschiedener F abrikations
stufen.
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In der Zeichnung sind ähnliche Teile mit ähnlichen Bezugsziffern versehen.
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Die Transistorausführung nach Fig. 1 -Weist eine-Hatbleiterunterlage
10 auf, ferner eine Kanalzone 11 die zwischen einem Paar Schottky'scher Sperrschichtkontakte
als den Quellen- und Saugelektroden 12 bzw. 13
gelegen ist, sowie
eine Steuerelektrode 14. Nach einer Ätzbehandlung liefert ein dünner isolierender
Film 15 (fig. 2) die Teile 15A, 15B und 15C, die den Quellen- und Saugelektroden
12, 13 bzw. der Steuerelektrode 14 zugeordnet sind.
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Die Halbleiterunterlage 10 kann aus irgendeinem der bekannten Halbleitermaterialien
bestehen, beispielsweise aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid. Sie ist typischerweise
entweder mit Donatoren oder Akzeptoren dotiert, je nach dem ob die Steuerelektrode
mit positiven oder negativen Steuerspannungen beaufschlagt werden soll. Im allgemeinen
ist die Dotierstoffkonzentration von der gewünschten Einschalt-Spannung bestimmt.
Wie bekannt, nimmt die Einschalt-Spannung mit abnehmender Dotirrstoffkonzentration
zu. Typische Dotierstoffkonzentrationen liegen zwischen 10-14 und 1017 Atome/cm³
Die Schottky'schen Sperrschichtkontakte 12 und 13 weisen dünne Schichten 16A und
16B aus Metall oder metallähnlichem Material auf, die auf der Halbleiter oberfläche
angeordnet und in der Lage sind gleichrichtende SchottkyXsche Sperrschichten zu
bilden. Die Schichten 16A.
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und 16B liegen dicht beieinander, so dass die Kanalzone 11, die das
hierzsbhen liegende Halbleitermaterial umfasst, schmal ist. Im allgemeinen gilt,
dass, je kürzer die Kanallänge zwischen der Quellen-und
Saugelektrode
ist, desto schneller die Ansprechzeit des Transistors.
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und desto grösser die Steilheit sind. Zusätzliche Metallschichten
1 7A und 17B können in elektrischem Kontakt mit den Schichten 16A bzw.
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16B stehen, um den elektrischen Anschluss an die äussere Schaltungzu
erleichtern.
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Die Schichten 16A und 16B sind aus Metall oder metallähnlichem Mate
-rial, das in der Lage ist, eine geeignete Schottky'sche Sperrschicht mit dem Halbleiter
zu erzeugen. Nicht alle Schottky'sche Sperrschichten sind geeignet. Ist die Höhe
der Potentialschwelle zwischen dem Metall und dem Halbleiter zu klein, so wird der
thermionische Leckstrom relativ gross sein und eine auslöschende Spannung in der
Kennlinie des Transistors erzeugen. Im allgemeinen ist die Potentialschwelle vorteilhaft
zumindest zwei Drittel der Bandlücke des Halbleiters, um solche Auslöschspannungen
zu vermeiden. -Beispiele geeigneter Materialien für die Schichten 16A und 16B sind
Platinsilicid für n-Silizium, Cesium für p-Silizium, Palladium für n-Germanium und
Gold für n-Galliumarsenid.
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Die ausserhalb der durch die Schichten 16A und 16B gebildeten Sperrschichtgebiete
gelegenen Teile der Oberfläche der Unterlage 10 sind typischerweise mit den Teilen
15A, 15B und 15C eines dünnen Isolierfilms
beschichtet. Der Isolierfilm
kann aus jeglichem Isoliermaterial sein, das mit der Unterlage verträglich ist und
hierauf in Form eines dünnen Films aufgebracht oder erzeugt werden kann. Siliziumoxyde
(SiO und SiO2), Siliziumnitrid (Si2N3) und Aluminiumoxyd (A12O3) sowie Kombinationen
hiervon sind typische, für diesen Zweck brauchbare Isolatoren. Der Teil 15C des
Isolierfilms oberhalb des Kanals 11 ist hinreichend dünn, so dass Oberflächenfeldeffekte
in der darunterliegenden Unterlage induziert werden können, aber hinreichend dick,
um einen grossen Leckstrom zu vermeiden. Eine 1000 bis 10 000 2 dicke Siliziumdioxydschicht
ist ein Beispiel einer eigneten Schicht in Verbindung mit einer Siliziumunterlage.
Für Niederspannungsvorrichtungen ist auch eine zusammengesetzte Schicht aus Siliziumdioxyd
und Aluminiumoxyd speziell brauchbar.
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Die Steuerelektrode 14 befindet sich auf dem Teil 15C des Isolierfilms
oberhalb der Kanalzone 11. Sie ist eine dünne Schicht, typischerweise weniger' als
i Mikrometer dick, eines mit dem Isolator verträglichen Metalles. Als Folge der
bevorzugten Herstellungsmethode für die dargestellte Vorrichtung werden sich Schichten
des gleichen Materials, das zur Erzeugung der Steuerelektrode 14 verwendet wird,
auch über die Bereiche der Unterlage benachbart den Quellen- und Saugzonen erstrecken.
Diese Schichten sind als Schichten 14A und 14B dargestellt.
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Eine einige Tausend Å dicke Molybdänschicht ist ein beispiel einer
geeigneten Steuerelektrodenschicht, wenn Siliziumdioxyd als Isolator verwendet wird.
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Weitere Metallschichten 17A und 17B liegen auf den Schichten 14A und
14B und stehen in elektrischem Kontakt mit den Übergangsschichten 16'A'und 16B.
Die Funktion dieser Schichten, ist, einen leichten elektrischen Zugriff zu den Sperrschichtzonen
zu haben. Für diesen Zweck eignet sich, beispielsweise eine einige Tausend Å dicke
Aluminiumschicht.
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Der Transistor nach Fig. 1 kann bequem hergestellt werden durch' aufeinanderfolgendes
Aufbringen von Isoliermaterial- und Metallschichten auf die Halbleiterunterlage,
durch formgebendes Durchätzen dieser Schichten zum Freilegen der Unterlage-Oberfläche
nur in den Kontaktgebieten und durch Erzeugen der Schottky'schen Sperrschichtkontakte
mit dem freigelegten Halbleiter.
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Fig.2,3 und 4 zeigen die Anordnung nach Fig. 1 während verschiedener
Herstellungsstadien. Als ein allgemeines Beispiel wird auf der Halbleiter unterlage
10 ein Isoliermaterialfilm mit der für den Isoliert film 15 erforderlichen Dicke
und Eigenschaft erzeugt oder niedergeschlagen. Auf den Isolierfilm wird zur Erzeugung
der Steuerelektrode 14
eine Metallschicht geeigneter Art und Dicke
niedergeschlagen. Die resultierende Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Dann werden
sowohl die Metallschicht als auch die Isolierschicht formgebend durchgeätzt, um
die darunterliegende Halbleiterfläche nur in denjenigen Gebieten freizulegen, wo
die Schottky1 5 chen Sperrschichtkontakte herzustellen sind. Die geätzte Anordnung,
ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses formgebende Ätzen kann beispielsweise mit Hilfe
üblicher Photolackmethoden erfolgen. Als nächstes werden die Metallfilme 16A und
16B> die für die Schottky'schen Sperrschichtkontakte geeignet sind, auf der freigelegten
Unterlage niedergeschlagen. Die resultierende Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt.
Sodann werden Metallschichten 17A und 17B niedergeschlagen, um die Anschlüsse für
die äussere Schaltung zu bewerkstelligen, und man hat die Anordnung nach Fig. 1.
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Nachfolgend ist ein spezielles Herstellungsbeispiel im einzelnen
beschrieben. Zunächst wird eine annähernd 1000 Å dicke SiO2-Isolierschicht auf einer
einkristallinen n-Siliziumunterlage nach üblichen thermischen Züchtungsmethoden
erzeugt. Auf das Oxyd wird ein einige Tausend dicker Molybdänfilm gleichförmig niedergeschlagen
Ein Paar parallel zueinander liegender Rechteckfenster der ungefähren Grösse von
1 x 5 Mikrometer und mit einem ungefähren Abstand von 1 Mikrometer zwischen ihren
langen Seiten werden durch die beiden
Schichten nach üblichen Photoätzmethoden
durchgeätzt, um die Siliziumoberfläche freizulegen. Sodann wird Platin auf der ganzen
Fläche gleichförmig einige Hundert k dick niedergeschlagen und bei 650°C gesintert,
um einen Schottky'schen Platinsilicid-Sperrs chichtkontakt mit der Siliziumoberfläche
an den beiden vorher eröffneten Bereichen zu erzeugen. Das ungesinterte Platin wird
durch Rückzerstäubung von den Bereichen entfernt, in welchen es auf Molybdän niedergeschlagen
worden war. Sodann wird ein einige Tausend 2 dicker Aluminiumfilm auf die Oberfläche
niedergeschlagen und formgebend geätzt, um die elektrischen Anschlüsse zu den Schottky'schen
Silicid- Sperrschichtkontakten zu erzeugen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist praktisch identisch mit der
der üblichen Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode.
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Jedoch sind der Anordnung eine Reihe Vorteile eigen, ebenso auch der
Herstellungsweise.
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Wie erwähnt ist ein Vorteil des solcherart hergestellten Transistors
eine wesentliche Verringerung der Anzahl Nadello ch-Kurz 5 chus se.
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Dies rührt von dem Umstand her, dass wegen des Entfallens einer bei
hoher Temperatur stattfindenden Diffusionsbehandlung eine Isolierschicht hoher Qualität
zwischen der Steuerelektrode und dem Kanal
erhalten bleibt. Da
Nadelloch-Kurzschlüsse die Hauptursache für den Ausfall der bekannten Halbleiterbau-ele'm-e-nte
sind, ist dieser Vorteil nicht unwesentlich. Ausserdem entfällt praktisch das Steuerelektroden-Ausrichtungsproblem.
Die Steuerelektrode wird während des ersten Photoätzprozesses hergestellt und es
ist keine nachfolgende erneute Ausrichtung erforderlich. F olgli.cii kann eine Submikrorn-eter
-Kanallänge erhalten werden, und der Transistor kann bei Mikrowellenfrequenzen betrieben
werden Fig. 5 zeigt zeine Sch"nittansicht' einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Transistors. Die Anordnung nach Fig. 5 ist im wesentlichen die gleiche wie in Fig.
1, ausgenommen, dass eine zweite Isolierschicht 13 auf dem Isolierteil 15C und auf
benachbarten Teilen der Schottky-Sperrschichtkontakte 16A und 16B gelegen ist. Die
Isolierschicht 30 kann jegliches Isoliermaterial sein, das für Dünnfilmniederschlag
geeignet und mit dem Rest des angewandten Verfahrens verträglich ist. Die Dicke
der Schicht 30 liegt typischerweise zwischen einigen Hundert und einigen Tausend
Å. Siliziumoxyd kann verwendet werden und wird zu diesem Zweck nach der allgemein
bekannten Silanniederschlag-Methode niedergeschlagen. Durch die Verwendung der zweiten
Isolierschicht wird es möglich, die Steuerelektrode 14 auf der Isolierschicht 13
anzuordnen, so dass diese die Kanten der Kontakte 16A
und 1613
überlappt, von diesen aber durch die Schicht 30 isoliert ist.
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Als spezielles Beispiel für eine solche Vorrichtung kann die Unterlage
10 Silizium sein, das ausreichend mit Donatoren dotiert ist, um einen spezifischen
Widerstand von 1 Ohm cm zu haben. Die Schottky'schen Sperrs chichtkontakte 16A und
1613 können 1000 i Platinsilicidschichten sein, die 12 Mikrometer voneinander entfernt
sind. Die erste Isolierschicht 15 kann 1000 Ä dickes, thermisch gewachsenes SiO2
sein, während die zweite Isolierschicht 30 700 Å dickes, aus Silan niedergeschlagenes
Siliziumoxyd sein kann. Die Schichten 14, 17A und 17B können sämtlich 3000 i dicke
Aluminiumschichten- sein.
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Der Vorteil der die Kontaktkanten überlappenden Steuerelektrode ist
der, dass eine hohe Steilheit und kleine Ohmsche Verluste auf Kosten einer kleinen
Zunahme der Kapazität erhalten werden kann., Der yorteil verringerter Nadelloch-Kurzschlüsse
ist auch dieser Anordnung, eigen, weil keine Diffusionsbehandlung bei hohen Temperaturen
erforderlich ist.
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Der Transistor nach Fig. 5 kann zweckmässig hergestellt werden durch
Erzeugen der ersten Isolierschicht 1,5 auf der Halbleiterunterlage 10, durch Erzeugen
der Schottky-Sperrschichtkontakte 16A und 16B, durch Niederschlagen der zweiten
Isolierschicht 30 und durch gleichzeitiges
Erzeugen der Steuerelektrode
14 und der Metallkontakte 17A und 17B.
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Fig. 6 und 7 zeigen Querschnitte der Anordnung in verschiedenen Herstellungsstadien.
Nachdem die Isolierschicht 15 auf einer geeignet dotierten Halbleiterunterlage 10
aufgebracht worden ist, wird sie nach üblichen Photoätzmethoden formgebend durchgeätzt,
um die Unterlage nur in den Kontakt gebieten freizulegen. Die geätzte Anordnung
ist in Fig. 6 dargestellt.
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Ein dünner Film eines geeigneten Metalls wird auf dem freigelegten
Halbleiter niedergeschlagen und es werden Schottkylsche Sperrschichtübergänge 16A
und 16B erzeugt. Sodann wird eine zweite Isoliermaterialschicht 30 auf dem Teil
15C der ersten Isolierschicht oberhalb des Kanals 11 und auf den hierzu benachbarten
Teilen der Sperrschichtübergänge 16A und 16B niedergeschlagen; Wiederum kann hierbei
nach üblichen Maskier- und Xtzmethoden gearbeitet werden. Die resultierende Anordnung
ist in Fig. 7 dargestellt.
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Die Steuerelektrode 14 und die Metallkontakte 17A und 17B können durch
Niederschlagen einer Metallschicht auf der ganzen Oberfläche der Anordnung nach
Fig. 7 gleichzeitig erzeugt werden, wonach sich dann ein Ätzen zwischen den Kontakten
und der Steuerelektrode derart anschliesst, dass die Steuerelektrode die Kanten
der Ubergänge überlappt,
jedoch von diesen isoliert ist, und die
Kontakte 17A und 17B die Schichten 16A bzw. 16B kontaktieren. Das Endergebnis ist
dann die in Fig. 5 dargestellte Anordnung.