DE1944280A1 - Monolithisch integrierte Festkoerperschaltung aus Feldeffekttransistoren - Google Patents

Monolithisch integrierte Festkoerperschaltung aus Feldeffekttransistoren

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Description

Belegexemplar
Deutsche ITT Industries GmbH. ' uarf nicht geändert werden | c.Obermeier - 1
Belegexemplar . ς-
Darf nicht geändert werden j c.Obermeier - 1 ** Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19 · 29. August 1969 Pat.Mo/Wi
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DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG5 FREIBURG i. Br.
Monolithisch integrierte Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistoren
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistorstrukturen vom Anreicherungstyp, die an der Oberfläche eines hochohmigen Substrats aus einkristallinem Silicium gebildet sind und deren Zonen, bzw. Elektroden durch Leitbahnen kontaktiert sind, die auf einer auf derselben Oberfläche aufgebrachten Isolierschicht verlaufen.
Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp sind mit ihrer Wirkungsweise und ihren Eigenschaften aus "Proc. of the IEEE", Sept. 1963, Seiten 1190 bis 1202 bekannt. Sie werden an der Oberfläche eines sehr hochohmigen Substrats des einen Leitungstyps dadurch gebildet, daß als Quellen- und Senkenzonen nahe benachbarte Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps, etwa durch Diffusion, erzeugt v/erden. Zwischen den Senken- und Quellenzonen wird die Steuerelektrode über einer sehr dünnen, üblicherweise in der Größenordnung von 0,1 ,um liegenden, thermisch erzeugten Siliciumdioxydschicht und/oder einer sonstigen, anderweitig aufgebrachten dünnen Isolierschicht aufgebracht, wobei es für Feldeffekttransistoren nach dem Anreicherungstyp wesentlich ist, daß diese Elektrode und die darunterliegende Isolierschicht sich über die einander gegenüberliegenden Ränder der Quellen- und der Senkenzone erstrecken. Die unter der Steuerelektrode und zwischen der Quellen- und der Senkenzone liegende Oberflächenzone aus hochohmigem Halbleitermaterial wird üblicherweise als Kanalzone bezeichnet. Wird an die Quellen- und die
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Senkenzone über Kontaktelektroden eine Potentialdifferenz angelegt, so fließt in der hochohmigen Kanalzone kein Strom. Erst durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode wird bei Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp die Kanalzone leitfähig. Der Strom zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode beginnt in der Kanalzone oberhalb einer bestimmten Schwellspannung, der sogenannten Steuerelektroden-Schwellspannung zu fließen. Für viele Anwendungen ist es erwünscht, daß die Steuerelektroden-Schwellspannung möglichst niedrig liegt. Dies kann z.B. durch Verwendung von (lOO)-orientiertem Silicium als Substrat-Material erreicht werden, da Material dieser Kristallorientierung eine niedrigere Steuerelektroden-Schwellspannung ergibt als z.B. Material von (111)-0rientierung.
Werden monolithisch integrierte Festkörperschaltungen nach diesem Prinzip hergestellt, d.h. besteht also die Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistorstrukturen vom Anreicherungstyp, die auf einem halbleitenäen Substrat aus Silicium, das eine niedrige Steuerelektroden-Schwellspannung ergibt, gebildet sind, so erkauft man sich diesen Vorteil andererseits mit dem Nachteil, daß auch zwischen den einzelnen Transistorstrukturen, die im Gegensatz zu bipolaren Halbleiterfestkörperschaltungen aufgrund des sehr hochohmigen Substrats und der zwischen den Zonen und dem Substrat bestehenden pn-Übergänge keine Isolierwannen benötigen, vergleichbare Oberflächenleitfähigkeitskanäle an solchen Stellen entstehen können, über denen unter Zwischenschaltung der die Oberfläche passivierenden Isolierschicht kontaktierende Leitbahnen, die auf irgendwelchen Betriebspotentialen liegen, verlaufen. Für die Ausbildung dieser unerwünschten Oberflächenleitfähigkeitskanäle läßt sich ebenfalls eine Schwellspannung, die sogenannte Feldschwellspannung angeben. Diese Feldschwellspannung ist bei z.B. (100)-orientiertem Silicium ebenfalls niedriger als bei anders orientiertem Silicium. Der Vorteil der niedrigen Steuerelektroden-Schwellspannung wird also durch den Nachteil der Erniedrigung der Feldschwellspannung erkauft.
Zur Verhinderung von solchen störenden Oberflächenleitfähigkeitskanälen an unerwünschten Stellen einer monolithisch integrierten Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistorstrukturen kann man die Dassivierende Isolierschicht
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wesentlich dicker als die unter der Steuerelektrode angeordnete Isolierschicht machen, indem man z.B. auf diese während des Herstellungsverfahrens der nicht nur am Ort der Kanalzone, sondern auf dem gesamten Substrat gebildete Siliciumdioxydschicht weiteres Isoliermaterial, z.B. Siliciumnitrid mit Ausnahme im Eereich der Kanalzone aufbringt. Es ist auch, wie.durch die Offenlegungsschrift 1 807 570 bekannt, möglich, eine dünne Siliciumdioxydschicht durch Aufbringen von- Titandioxyd weiter zu verstärken.
Es wäre auch möglich, hochdotierte Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps am Ort der unerwünschten Oberflächenleitfähigkeitskanäle zu erzeugen, wie dies bei bipolaren Transistoren,allerdings zu einem anderen Zweck, aus der Auslegeschrift 1 194 501, die der brit. Patentschrift 1 007 entspricht, bekannt geworden ist. Diese Maßnahme erforderte jedoch während des Herstellimgsverfahrens einen weiteren Diffusions- und damit Hochtemperaturprozeß und beanspruchte auch zusätzliche Fläche.
Die Erfindung gibt eine weitere Lösungsmöglichkeit zur Beseitigung der geschilderten Nachteile an, die erfindungsgemäß darin besteht, daß zur Erhöhung der Feldschwellspannung und zur Unterbindung von unerwünschten Leitfähigkeitskanälen unter den nicht auf Bezugs- oder Substratpotential liegenden Leitbahnen im Bereich zwischen den einzelnen Transistorstrukturen eine in die Isolierschicht eingebettete Metallschicht angebracht ist und daß die Metallschicht mit Substrat- oder Bezugspotential verbunden ist.
Bei Feldeffekttransistoren ist es zwar bereits zur Ausschaltung von einen pn-Überrrang kurzschließenden Oberflächenleitfähigkeitskanälen aus der Offenlegunpsschrift 1 539 070, die der USA-Patentschrift 3 363 152 entspricht, bekannt, die flächenhafte Kontaktelektrode mit einer Erweiterung zu versehen, die sich auf der Isolierschicht bis über den an die Oberfläche tretenden, kurzgeschlossenen pn-übergang hin erstreckt. Diese Lösunnsr.öglichkeit des angegebenen Problems läßt sich wohl bei einzelnen Feldeffekttransistoren realisieren, ist jedoch bei monolithisch integrierten Festkörperschaltungen
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aus Feldeffekttransistoren deshalb nicht durchführbar, weil damit nur in der unmittelbaren Nähe der Kontaktelektrode liegende Oberflächenleitfähigkeitskanäle ausgeschaltet werden können, dagegen weiter entfernt liegende Kanäle
aus Gründen der optimalen Verteilung der Leitbahnen und aus Platzgründen,
bzw. aus Gründen von notwendigen Überkreuzungen nicht beseitigt werden
können. Außerdem hat diese Lösungcmöglichkeit den Nachteil, daß sie eine zusätzliche Kapazität bildet, was nach der erfindungsgemäßen Ausbildung gerade dadurch vermieden wird, daß die in die Isolierschicht eingebettete Metall-
ψ schicht außerhalb der eindiffundierten Zonen angebracht ist. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei einem Substrat aus (lOO)-orientiertem Silicium anwendbar.
Nach der Lehre der Erfindung ist es möglich, die in die Isolierschicht eingebettete Metallschicht entweder unter den die Steuerelektroden oder den die Senkenzonen oder den die Quellenzonen der einzelnen Feldeffekttransistorstrukturen kontaktierenden Leitbahnen anzubringen. Es ist jedoch auch möglich, entweder die Leitbahnen der Steuerelektroden und Senkenzonen oder diejenigen der Steuerelektroden und der Quellenzonen oder diejenigen der Quellen- und Senkenzcnen mit der in die Isolierschicht eingebetteten Metallschicht
zu versehen.
Die zwischen dem Substrat und der Metallschicht und zwischen der Metallschicht und der Leitbahn liegenden Teile der Isolierschicht bestehen zweckmäßigerweise aus demselben Material, beispielsweise Siliciumdioxyd. Es kann aber
auch von Vorteil sein, die beiden genannten Teile der Isolierschicht aus
unterschiedlichen Materialien herzustellen. So kann beispielsweise der
zwischen dem Substrat und der Metallschicht liegende Teil aus Siliciumdioxyd und der zwischen Metallschicht und Leitbahn liegende Teil aus Siliciumnitrid oder Aluminiuuioxyd oder einem anderen von Siliciumdioxyd verschiedenen Isoliermaterial bestehen.
Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert, die in perspektivischer Darstellung den Ausschnitt aus einer
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monolithisch integrierten Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistorstrukturen vom Anreicherungstyp zeigt. Dieser Ausschnitt umfaßt zwei benachbarte Feldeffekttransistorstrukturen, deren beide Steuerelektroden mittels eines Metallbelags miteinander verbunden sind. Dieses Beispiel wurde lediglich deshalb gewählt, um die Zeichnung nicht unanschaulich werden zu lassen. Selbstverständlich ist das Anbringen der in die Isolierschicht erfindungsgemäß eingebetteten Metallschicht nicht auf zwischen zwei benachbarten Feldeffekttransistorstrukturen liegende Stellen beschränkt , sondern kann'an allen denjenigen Stellen der Festkörperschaltung vorgesehen werden, an denen im Betrieb aufgrund des von einer Leitbahn geführten Potentials ein von dieser induzierter Oberflächenkanal zu erwarten ist.
Das gemeinsame Substrat 1 der beiden in der Figur gezeigten Feldeffekttransistoren besteht aus (100)-orientiertem, einkristallinen, n-leitenden Silicium. Von seiner einen Oberfläche her sind die beiden Feldeffekttransistorstrukturen 2 und 3 nach bekannten Techniken darin erzeugt. Die Quellenzonen 2a und 3a sowie die Senkenzonen 2c und 3c sind eingelassene p-lertende Zonen, zwischen deren einander gegenüberliegenden Berandungen sich die Kanalzonen 2b und 3b ausbilden. Da sich die Kanalzonen bei Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp erst während des Betriebs, d.h. bei Anlegen von Betriebs- und Steuerpotentialen ausbilden, sind in der Figur die Kanalzonen 2b und 3b lediglich als stark gezeichnete Striche dargestellt.
Über der Kanalzone und einem Teil der Quellen- und Senkenzone ist eine dünne Isolierschicht 4, im Ausführungsbeispiel eine etwa 0,1 ,um starke, während des Herstellungsverfahrens von Quellen- und Senkenzonen thermisch gewachsene SiliciuTT.dioxydschicht vorhanden. Auf dieser Isolierschicht verlaufen die Steuerelektroden 2d und 3d, die durch die Leitbahn 5 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Leitbahn 5 verläuft, durch eine Isolierschicht davon getrennt, auf der Oberfläche des Substrats zwischen den beiden Feldeffekttransistorstrukturen 2 und 3. An dieser Stelle kann sich während des Betriebs
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der monolithischen Festkörperschaltung aufgrund der Tatsache, daß die Steuerelektrcdenko'ntakte 2d, 3d und somit auch die Leitbahn 5 ein Potential führen, im Substrat ein Oberflächenleitfähigkeitskanal ausbilden, der die Senkenzone 2c mit der Quellenzone 3a der anderen Feldeffekttransistorstruktur leitend verbinden und.damit eine Fehlfunktion hervorrufen kann.
Zur Verhinderung dieses Oberflächenleitfähigkeitskanals und damit auch zur Erhöhung der Feldschwellspannung in diesem Bereich ist nun nach der Lehrender Erfindung die Metallschicht 6 vorgesehen, die in die Isolierschicht 7 eingebettet ist. Die zwischen der Metallschicht 6 und der Substratoberfläche liegende Teilschicht 7a der Isolierschicht 7 besteht aus der ursprünglichen dünnen Siliciumdioxydschicht 4, die während des nachfolgenden Herstellungsverfahrens verstärkt wurde. Die zwischen Metallschicht 6 und Leitbahn 5 liegende Teilschicht 7b der Isolierschicht 7 kann ebenfalls aus 'Siliciumdioxyd bestehen, es kann jedoch aber auch ein anderes Isoliermaterial, wie z.B. Siliciumnitrid oder Aluminiumoxyd hierfür verwendet werden. Die Metallschicht 6 ist außerhalb des in der Zeichnung dargestellten Ausschnitts mit Substrat- oder Bezugspotential elektrisch verbunden. Die kontaktierenden Leitbahnen der Quellen- und Senkenzonen sind aus Gründen der Anschaulichkeit ebenfalls nicht gezeichnet. Selbstverständlich kann die Metallschicht 6 auch unter solchen Leifbahnen angeordnet werden.
Wird die in die Isolierschicht 7 eingebettete Metallschicht 6 an mehreren Stellen der integrierten Festkörperschaltung vorgesehen, so ist es besonders zweckmäßig, alle diese Metallschichten zu einer netzartigen Metallschicht zu ergänzen und diese an einer geeigneten Stelle mit dem Substrat-, oder mit Bezugspotential zu verbinden.
Die beschriebene Anordnung einer abschrimenden Metallschicht kann auch auf anderem als (lOÖ)-orientiertem Material, z.B. auf (Hl)- oder (llO)-orientiertem Material angewandt v/erden, wenn auf Grund besonders hoher Betriebsspannungen oder herstellungsbedingter niedriger Feldschwellspannung dort die Gefahr störender oder unerwünschter Transistoreffekte (Kanalbildung) besteht.
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Claims (9)

pi 609 C. Obermeier - 194428C PATENTANSPRÜCHE
1. Monolithisch integrierte Festkörperschaltung aus Feldeffekttransistorstrukturen vorn Anreicherungstyp, die an der Oberfläche eines hochohmigen Substrats aus einkristallinem Silicium gebildet sind und deren Zonen, bzw. Elektroden durch Leitbahnen kontaktiert sind, die auf einer auf derselben Oberfläche aufgebrachten Isolierschicht verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Feldschwellspannung und zur Unterbrechung von unerwünschten Leitfähigkeitskanälen unter den nicht auf Bezugs- oder Substratpotential liegenden Leitbahnen (5) im Bereich zwischen den einzelnen Feldeffekttransistorstrukturen (2, 3) eine in die Isolierschicht (7) eingebettete Metallschicht (6) angebracht ist und daß die Metallschicht mit Substrat- oder Bezugspotential leitend verbunden ist.
2. Festkörperschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (5) unter den die Steuerelektroden (2d5 3d) der einzelnen Feldeffekttransistorstrukturen kontaktierenden Leitbahnen angebracht ist.
3. Festkörperschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht unter den die Senkenzonen (2c, 3c) kontaktierenden Leitbahnen angebracht ist.
U. Festkörperschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht unter den die Quellenzonen (2a, 2b) kontaktierenden Leitbahnen angebracht ist.
5. Festkörperschaltung nach den Ansprüchen 2 und 3 oder nach den Ansprüchen 2 und H oder nach den Ansprüchen 3 und 4.
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6. Festkörperschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der zwischen Substrat und Metallschicht liegende Teil (7a) als auch der zwischen Metallschicht und Leitbahn liegende Teil (7b) der Isolierschicht (7) aus Siliciumdioxyd besteht. "
7. Festkörperschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 59 dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Substrat und Metallschicht liegende Teil der Isolierschicht aus Siliciumdioxyd und der zwischen Metallschicht und Leitbahn liegende Teil aus Siliciumnitrid oder Aluminiumoxyd oder einem anderen von Siliciumdioxyd verschiedenen Isoliermaterial besteht.
8. Festkörperschaltung nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, an.verschiedenen Stellen der Festkörperschaltung angeordnete Metallschichten zu einem Netz zusammengefaßt sind und daß das Netz an einer geeigneten Stelle mit dem Substrat- oder mit Bezugspotential elektrisch leitend verbunden ist.
9. Festkörperschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus (lOO)-orientiertera Silicium besteht.
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