DE1927645A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements - Google Patents
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Description
Dr. D. Thomsen H. Tiedike G. Bühling
Dipl.-Chem. Dipl.-lng. Dipl.-Chem.
8000 MÜNCHEN 2
TAL 33
TELEFON 0811 /22 68 94
TELEGRAMMADRESSE; THOPATENT
München 30* Mai 1969
case 18307 - T-3139
Matsushita Electronics Corporation Osaka / Japan
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, das auf einem Halbleitersubstrat
angereicherte Bereiche für Quelle und Senke mit gegenüber dem Substrat entgegengesetzter-Leitfähigkeit,und über der Oberfläche
eines Isolierfilms, der zwischen der Quelle und der Senke
auf dem Substrat liegts eine Gatterelektrode aufweist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnets daß zunächst
auf der gesamten Oberfläche des Substrats eine angereicherte Schicht für Quellen- und Senkenbereiche gebildet und anschliessend
die angereicherte Schicht geätzt wird., um das Substrat mit
Ausnahme der Quellen™ und Senkenbereiche freizulegen t wonach man
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auf der freigelegten Oberfläche einen Isolierfilm aufbringt.
Die Erfindung liefert somit ein Verfahren für die Herstellung eines sehr wirkungsvollen Transistorhalbleiterelements,
das durch einen Metall-Isolator-Halbleiter gebildet wird. Die
Hauptmerkmale eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kalbleiterelements, z.B. eines MOS-Transistors, bestehen
darin, daß der Transistor eine kurze Kanallänge und eine geringe Gatterkapazität besitzt. Die kurze Kanallänge bringt
eine hohe Steilheit, während die kleine Gatterkapazität zu einem geringen Verlust führt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Feldeffekttransistor mit zwei isolierten
Gattern oder Toren erläutert':
' Fig. 1-6 sind erläuternde Darstellungen des Prinzips
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
Fig. 7 u.8 sind erläuternde Darstellungen, die ein weiteres
Verfahren für die Herstellung der Form in Fig. 3 verdeutlichen;
Fig.9 u.10 sind Ansichten für die Erläuterung geringer
Abwandlungen der in Fig. 3 gezeigten Ausfüh-■ rungsform-,
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• In Pig. 1 wird das Substrat 1 mit Verunreinigungen angereichert,
um eine Schicht 2 zu bilden, die gegenüber dem Substrat entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt= Erfolgt dieses
Anreichern durch Diffusion, so wird die angereicherte
Schicht auf beiden Oberflächen oder Seiten des Substrats gebildet. Die Schicht auf der Boden- oder Unterseite wird gewöhnlich
bei den weiteren Verfahrensstufen entfernt. Da sie keine unmittelbare Beziehung zur Erfindung hat, wurde die Unterseitenschicht
weggelassen. Gemäß Pie. 2 wird auf der angereicherten
Schicht 2 eine dicke Isolierschicht 3 gebildet. Diese Isolierschicht kann ein Siliciumoxydfilm seins der durch
thermische Oxydation des Siliconsubstrats gebildet wird und gewöhnlich an beiden Seiten des Substrats entsteht. Da die Unterseitenschicht
für die Erfindung ohne Bedeutung ists ist sie
in der Figur weggelassen. Gemäß Figo 3 werden die angereicherte
Schicht 2 und die Isolierschicht 3 durch Fotoätzen teilweise
entfernt. Die Bezugszeichen 1I, 6, 8 undlO zeigen die auf diese
Weise gebildeten freiliegenden Oberflächenabschnitte des Substrats 1. Gemäß Fig» 4- wird auf den freigelegten Abschnitten
1J5 6a 8 und 10 ein weiterer9 mit 11 s 12, 13 und I^ bezeichneter
Isolierfilm aufgebracht, der dünner als die vorgenannte Isolierschicht
3 ist. In Fig- 5 sind bei 15 Teils der Abschnitte 5 und
9 der Isolierschicht 3 entfernt 3 um die Abschnitte 2C und 22
der angereicherten Schicht freizulegen. Gemäß Fig. 6 v;ird auf
die Gesamtoberfläche eine Metallschicht aufgebracht } die mit
Ausnahme der Abschnitte der Quellenelektrode l6, der ersten
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Gatterelektrode 17, der zweiten Gatterelektrode 18 und der Senkenelektrode 19 entfernt wird. Die Metallfilme 16 und 19
stehen mit dem Quellenbereich 20 und dem Senkenbereich 22 in Berührung, die aus der mit Verunreinigung angereicherten
Schicht mit gegenüber dem Substrat entgegengesetzter Leitfähigkeit
bestehen. Das in Fig. 6 gezeigte Plättchen wird an das sog. Kopfstück angeschlossen (nicht gezeigt). Die Elektroden
16, 17, 18 und 19 werden mit Hilfe dünner Drähte an die Anschlußdrähte des Kopfstücks angeschlossen. Die Unterseite des
unmittelbar an das Kopfstück angeklebten Substrats 1 und der an das Kopfstück angeschlossene Draht der Quellenelektrode 16
werden zusammen nach außen geführt. Das Kopfstück wird für luftdichten Abschluß gesockelt. Hier bleibt der Abschnitt· der
angereicherten Schicht 21, die gleichzeitig mit den Quellen-
und Senkenbereichen gebildet wird, ohne jeglichen elektrischen Anschluß. Die Schicht wird als Inselbereich bezeichnet.
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus dem Folgenden: Die nahe der Quellenelektrode 16 befindliche *
erste Gatterelektrode 17 und die nahe der Senkenelektrode 19 befindliche Gatterelektrode 18 überdecken vollständig die Isolierfilme 12 und 13 zwischen dem Quellenbereich 20 und dem Inselbereich 21 sowie zwischen dem Senkenbereich 22 und dem,Inselbereich
21 und erstrecken sich über die dicke Isolierschicht 5, 7 und 9 auf den Quellen-, Insel- und Senkenbereich 20 baw.
21 b,zw. 22. Die Gatterelektroden überdecken somit vollständig
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die leitenden Kanäle. Wenn der Oxydfilm auf den Kanälen nicht vollständig durch das Gatter überdeckt ist, so ist das elektrische
Potential auf diesen Oberflächenabschnitten nicht definiert, so daß der Senkenstrom Unsicherheit besitzt. Es ist daher
notwendig, daß die Kanäle vollständig durch die Gatterelektroden abgedeckt werden. Aus diesem Grunde bildet man die Endabschnitte
jeder Gatterelektrode und die Endabschnitte der Quellen-, Insel- und Senkenbereiche gewöhnlich überlappend aus.
Die überlappenden Bereiche sind vorzugsweise so klein wie möglich,
da sie die elektrische Kapazität der Gatter erhöhen.
Bei dem erfindungsgemäß erhaltenen Halbleiterelement
trägt der dicke Isolierfilm nur wenig' zur Erhöhung der Gatterkapazität
bei, so daß die Abmessung der überlappenden Abschnitte
groß sein kann» Selbst wenn der Abstand zwischen dem Quellenbereich
und dem Inselbereich sowie zwischen dem Inselbereich und dem Senkenbereich klein gewählt wird, kann die Breite der
Gatterelektrode groß gemacht werden. Somit wird die Überlappung des dünnen Oxydfilms und des Gatters, d.h. die Einstellung einer
Maske für das Ätzen der Metallschicht in der Fotowiderstand«*
stufe in Fig. 6 leichter. Es wird möglich, den Abstand zwischen
dem Quellenbereich und dem Inselbereich sowie zwischen dem Inselbereich
und dem Senkenbereich zu verkleinern. Daher wird durch die Erfindung infolge der kleinen Gatterkapazität ein
kleiner dielektrischer Verlust und infolge des geringen Quelle-Insel- und Insel-Senke-Abstands eine große Steilheit erreicht. .
V ,
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Eine Teilabwandlung der vorgenannten Schritte kann ebenfalls Transistoren hoher Leistung hervorbringen. Das zweite
erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach dem Schritt in Eg.1
gem.den Schritten in Fig. 7 und 8 und anschließend nach den Schritten gemäß den Fig. 3 bis 6. Nach der Bildung der angereicherten
Schicht 2 auf dem Halbleitersubstrat 1 wird die Schicht 2 mit Ausnahme des Quellen-, Insel,- und Senkenbereichs
23, 24 und 25 durch Ätzen entfernt, wie es in Fig. 7 angedeu-"
tet ist. Anschießend wird auf der gesamten Oberfläche des Substrats gem. Fig. 8 ein Oxydfilm 26 gebildet. Der Oxydfilm wird
nach einem vorbestimmten Muster im Fotoätzverfahren behandelts
so daß man die Ausführungsform nach Fig, 3 erhält. Darauf folgen
dieselben Verfahrensschritte, wie sie im ersten Verfahren erläutert wurden.
Das zweite Verfahren erfordert bei den beiden Verfahrensschritten gemäß Fig. 7 und 3 Fotowiderstandsbehandlungen und
beim zweiten Fotowiderstandsschritt eine Maskenausrichtiang^ so
daß die Bearbeitung komplizierter als bei dem ersteh Verfahren wird; jedoch hat sich bei der Verfahrensstufe zur Herstellung
einer Form gemäß Fig. 3 bei dem zweiten Verfahren kein Seitenätzen der Oxydkante gezeigt9 während bei dem ersten Verfahren
bei dem dem Oxydätzschritt folgenden Siliciumsubstratätssehriti
Seitenätzen auftreten kann, Darütoerhinaus ist es bei dem zweiten
Verfahren möglichj die Breite der Oxydfilme 27, 28 und 29
etwas größer oder etwas kleiner als diejenige der mit Verunreinigung
angereicherten Schichten 23, 2*} und 25 zu machenj, wie
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es in den Pig. 9 bzw, 10 dargestellt ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden
erläutert:
(1) Als Halbleitersubstrat 1 wurde ein p-Typ Silicium mit
einem spezifischen Widerstand von 3 -Ω-cm verwendet. In die Oberfläche
des Substrats wurde Arsen diffundiert, um dadurch eine angereicherte η-Typ oder η-leitende Schicht 2 (Fig. 1) zu erhalten.
Die Diffusion erfolgte bei 12000C, wobei eine Diffusionstiefe
von 0,3 M und eine Konzentration der Oberflächen-
20
verunreinigung von 10 Atöme/ccm erhalten wurde. Die Oberfläche des Substrats wurde unter Verwendung von feuchtem Sauerstoff
gas bei 12000C oxydiert, um einen thermisch oxydierten
Film 3 einerDicke von 6000 Ä zu erhalten. Der Oxydfilm 3 und
die n-ieitende angereicherte Schicht wurden entsprechend den
Kanälen durch Fotoätzen entfernt, xim das Halbleitersubstrat
gemäß Fig. 3 zu erhalten. Die Abstände 6 und 8 zwischen dem Quellenbereich und dem Inselbereich sowie zwischen dem Inselbereich
und dem Senkenbereich betrugen ^ μ. Anschliessend wurde
.auf den freigelegten Oberflächenabschnitten 1J, 6,8 und 10
(Fig. k) in einer Sauerstoff atmosphäre bei HOO0C ein Oxydfilm
mit einer Dicke von 1000 8 gebildet. Nach den Schritten der Fig. 5 und 6 wurde das Substrat mit einem Kopfstück verklebt.
Durch Anschliessen dünner Drähte und durch Sockeln erhielt man
das fertige Erzeugnis. Zwischen dem Schritt nach Fig. ^ und
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demjenigen nach Fig. β erfolgten Wärmebehandlungen, um die
thermische Stabilität des 'MOS-Feldeffekt-Transistors zu erhöhen.
Ferner erfolgte Wärmebehandlung bei dem Schritt nach Fig. 6, um bei dieser Ausführungsform die Haftfestigkeit des
Metallfilms, z.B. Aluminium, zu erhöhen. Obwohl die Diffusionstiefe des Arsens nach dem Schritt gem. Fig. 1 0,3 .u betrug,
bei den nachfolgenden Erhitzungsvorgängen die endgültige
Tiefe auf 1,5/u gesteuert. Der auf diese Weise erhaltene Dop-
W pelgatter-MOS-Feldeffekt-Transistor besaß ausgezeichnete Kennwerte. Die Umfangslänge der Quelle betrug 5,3 nun; die Kapazität
des ersten Gatters betrug 9 pF; die bei einem Senkenstrom von 8 mA erzielte Steilheit betrug 15000 uV.
r Bei einem weiteren Verfahren wurden aufeinanderfolgend
die Schritte 1, 7, 8, 3» k, 5 und 6 vorgenommen. Auch in diesem
Fall bestand das Halbleitersubötrat aus p-leitendem Silicium
mit einem spezifischen Widerstand von 3 Λ cm. Auf dem Substrat.
wurde in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform 1 eine
Diffusionsschicht mit einer Tiefe von 0,3 M gebildet. Die Abstände
zwischen dem Quellenbereich 23 und dem Inselbereich 2k sowie zwischen dem Inselbereich 2k und dem Senkenbereich .25
betrugen 5,2 u. Anschliessend wurde in einer feuchten Sauerstoff-'
atmosphäre bei 1200°C ein Oxydfilm 26 mit einer Dicke von 6000 j
O -
A gebildet. Nach diesem Oxydierungsschritt wurde das Fotowiderstandsverfahren
angewendet·, um die Form gem. Fig. 3 zu erhalten. ; Die Breite der freigelegten Abschnitte 6 und 8 auf dem Substrat !
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BAD0B1GSNAU
betrug 4 u, wobei berücksichtigt wurde, daß .sich der Quellen-,
Insel- und.Senkenbereich bei der thermischen Oxydation ausdehnt. Anschliessend folgen dieselben Schritte wie bei der
Ausfuhrungsform 1. Um bei dieser Ausführungsform die Form nach
Fig. 7 zu erhalten, ist ein zusätzlicher FotoätzVorgang notwendig.
Mit Ausnahme der Maske für diesen Vorgang wurden dieselben Masken wie bei der Ausführungsform 1 verwendet. Die
Eigenschaften des durch' diese Weise erhaltenen Doppelgatter-MOS-Feldeffekt-Transistors
waren im wesentlichen dieselben wie bei Ausführungsform 1.
Die Erfindung wurde an einem MOS-Feldeffekt-Transistor
mit isoliertem Doppelgatter erläutert; es besteht jedoch keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der Gatter, wie sieh aus
der vorstehenden Beschreibung ergibt. Die Erfindung ist auch
bei Halbleiterelementen mit mehr'als einer beliebigen Anzahl
von Gattern anwendbar. Wenngleich vorstehende Erläuterung an einem einzigen aktiven Element erfolgte, so kann doch die Erfindung
ohne Schwierigkeit bei einer integrierten Schaltung angewendet werden, bei der mehr als zwei*derartiger aktiver Elemente
in ein einziges Substrat integriert sind.
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Claims (1)
- 40 19275 45Patentansprüche(1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, das auf einem Halbleitersubstrat angereicherte Abschnitte für Quelle und Senke mit gegenüber dem Substrat entgegengesetzter Leitfähigkeit und über der Oberfläche eines Isolierfilms, der auf dem Substrat zwischen dem Quellenbereich und Senkenbereich liegt, eine Gatterelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst auf der gesamten Oberfläche des Substrats (1) eine angereicherte Schicht (2) für den Quellen- und Senkenbereich bildet, anschließend die angereicherte Schicht ätzt, um Substrat mit Ausnahme der Quellen- und Senkenbereiche (20; 22) freizulegen und daß man auf diese freigelegte Oberfläche einen Isolierfilm (26) aufbringt.2* Verfahren zur Hersteilung eines Halbleiterelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß man vor dem Ätzen der angereicherten Schicht einen dicken Isolierfilm (35 auf der angereicherten Schicht (1) aufbringt und ansehliessend die angereicherte Schicht und den Isolierfilm ätsjt, um das Substrat (1) mit Ausnahme der Quellen- und Senkenabschnitte freizulegen $ wobei man anschließend auf die freigelegte Oberfläche einen / weiteren Isolierfilm (Ji, 12, 13, i*U aufbringt.3. Verfahren nach Ansprueli 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Ätzen der angereiehesten ScfcicM (2) auf der0098 25/107 21S27645gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats einen dicken Isolierfilm (26) bildet, diesen Isolierfilm zwischen den Quellen- und Senkenbereichen (23, 25) durch Ätzen entfernt, um das Substrat freizulegen und daß man.auf den freigelegten Abschnitt des Substrats einen dünnen Isolierfilm (Ii,12, 13) aufbringt. ·k. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Halbleiterelements mit mehreren isolierten Gatterelektroden y dadurch gekennzeichnet, daß man einen dicken Isolierfilm zwischen jeder Elektrode und einem .Inselabschnitt 21 bildet, der aus demselben Werkstoff wie Quellen- und Senkenabschnitte besteht und unter dem dicken Isolierfilm zwischen den Elektroden angeordnet ist.009 8 25/1072
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8235 | Patent refused |