DE1948052C3

DE1948052C3 - Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE1948052C3
Application number: DE19691948052
Authority: DE
Inventors: Dale Laverne Lincolndale Critchlow; Stanley Everett Granite Springs Schuster
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-11
Filing date: 1969-09-23
Publication date: 1975-03-06
Also published as: NL6914376A; NL164159B; DE1948052A1; CH494474A; NL164159C; SE359403B; GB1251732A; BE740085A; FR2020370B1; FR2020370A1; DE1948052B2; JPS4941957B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Gate-Elektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsichicht hervorrufenden Isolationsschicht, bei dem Source und Drain von einer gleichfalls in die Substratoberflächc eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone umgeben sind.

Es ist bekannt, daß an Oberflächen von Halbleitern infolge von elektrischen Ladungen in einer die Oberfläche des Halbleiters bedeckenden Isolationsschicht eine Inversion, d. h. eine Umwandlung von n- zu p-Leitung, oder umgekehrt, erfolgen kann. Beispielsweise bewirkt eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd auf einem p-leitenden Siliziumsubstrat eine Inversion der Substratoberfläche zur η-Leitung. In ähnlicher Weise hat eine Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd auf einem η-leitenden Siliziumsubstrat zur Folge, daß in der nächsten Nachbarschaft der Oberfläche eine Um-Wandlung von n- zu p-Leitung eintritt.

Es sind verschiedene Mittel und Wege bekannt, den Inversionseffekt an der Oberfläche von Halbleitern auszuschalten.

So ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift

ίο 3 400 383 ein Feldeffekt-Transistor bekannt, bei dem die einem ersten Leitungstyp angehörenden, die Drain und Source bildenden Zonen von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone des zweiten Leitungstyps umgeben sind.

Diese Methode, nämlich eine zusätzliche Zone des zur Inversionsschicht entgegengesetzten Leitungstyps in die Oberfläche einzudiffundieren, um so eine Inversionsschicht zu verhindern, ist nachteilig, da ein zu-

»0 sätzlicher Diffusionsschritt erforderlich ist. Dieser Nachteil ist besonders bei der Herstellung von Feldeffekt-Transistoren schwerwiegend, da hier auf das einfache, lediglich einen Diffusionsprozeß für Zonen eines Leitungstyps erfordernde Herstellungsverfahren

»5 Wert gelegt wird.

Bei einem anderen Vorschlag werden auf bestimmte Oberflächenteile der das Halbleitersubstrat bedeckenden Isolationsschicht Metallschichten aufgebracht, die beim Anlegen geeigneter Potentiale die in ihrer Um-

gebung liegenden Inversionsschichten beeinflussen. Hierbei erweist es sich als nachteilig, daß die aufgebrachten metallischen Zonen Leitungsführungsschwierigkeiten und unerwünschte kapazitive Effekte mit sich bringen.

Insbesondere bei aus Silizium hergestellten Feldeffekt-Transistoren des Verarmungstyps mit n-leitenden Zonen als Source und Drain wirft die Inversion außerordentlich schwierige Probleme auf, da hier die Oberflächen-Leckströrne in der Inversionsschicht an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Isolationsschicht besonders ausgeprägt sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Feldeffekt-Transsitoraufbau anzugeben, bei dem die störende Wirkung der an der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Isolationsschicht auftretenden Inversionsschicht ganz oder zumindest weitgehend ausgeschaltet wird, und zwar ohne daß das Herstellungsverfahren umständlicher gestaltet werden müßte.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für einen

Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten, zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps und einer einen Schutzring bildenden Zone, dadurch gelöst, daß die als Schutzring ausgebildete Zone vom gleichen Leitungstyp wie Source und Drain ist, daß eine eine Inversionsschicht des zweiten Leitungstyps bildende Isolationsschicht verwendet ist und daß an Schutzring und Substrat Potentiale angelegt sind, die im Gebiet zwischen Schutzring

einerseits und Source und Drain andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen. Der Vorteil dieses Transistoraufbaus besteht im wesentlichen darin, daß störende Oberflächen-Leckströme oder Kurzschlüsse auf einfache Weise verhindert werden.

Ein besonders vorteilhafter Feldeffekt-Transistoraufbau ergibt sich dadurch, daß das Substrat aus pleitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus η-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus SiIi-

ziumdioxyd besteht und daß Source, Drain und Schutz- erneuten Maskierungs- und Ätzprozeß die Oxydschicht

ring auf einem gegenüber dem Substrat positiven im Bereich der Fenster 14 entfernt werden, die sich

Potential Hegen. während des Diffusionsprozesses bilden kann. Die

Em weiterer vorteilhafter Aufbau besteht darin, daß Dicke der Isolationsschicht im Bereich des Strom-

das Substrat aus η-leitendem Silizium, Source, Drain 5 kanals zwischen Source 16 und Drain 18 wird vor der

und Schutzring aus p-leitenden Zonen und die Isoia- Metallisierung und Kontaktierung der Halbleiterzonen

üonsschicht aus Alummiumoxyd besteht und daß in einem zusätzlichen Maskierungs- und Ätzprozeß

Source Dram und Schutzring auf einem gegenüber vermindert. Anschließend wird die Torelektrode 26

dem Substrat negativen Potential liegen. aufgebracht. Gleichzeitig mit der Bildung der Kon-

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung » takte 22, 24 und der Gate-Elektrode 26 wird der im

ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des betrachteten Ausführungsbeispiel kreisringförmige

in der Zeitung dargestellten Ausführungsbeispiels. Kontakt 28 zum Schutzring 20 hergestellt. In ent-

Es zeigt sprechender Weise wird ein ohmscher Kontakt 30

f-ig. ι schematische Schnittansichten eines erfin- zum p-leitenden Substrat 10 hergestellt. Als Kontakt-

dungsgemaben Foldcffekt-Transistors in verschiedenen 15 material wird vorzugsweise Aluminium verwendet, die

Herstellungsstufen, Verwendung anderer Metalle ist jedoch auch möglich.

i-ig. 2 eine schematische Schnittansicht des erfin- Beispielsweise kann als Kontaktmaterial Platin verwen-

dungsgemaßen Feldeffekt-Transistors im fertigen Zu- det werden, das Platinsilizide bildet. Stufe E der

^st"i?' , , . . Fig. 1 zeigt die fertige Struktur des Feldeffekt-Tran-

Fig. 3 den Anstieg des Stromes / zwischen Source ao sistors.

und Drain mit steigendem, oberhalb eines Schwell- In Fig. 2 ist der in den Ansprüchen gekennzeichnete wertes V_Schwau hegendem Potential V₀ an der Gate- Feldeffekt-Transistor an geeignete Spannungen gelegt. Elektrode und _Dj_e einzelnen Elemente der Struktur tragen die glei-Fig. 4 die Erhöhung des eine Oberflächenleitung chen Bezeichnungen wie in der Darstellung gemäß zum geeigneten vorgespannten Schutzring bewirkenden 35 Fig. 1. An die Gate-Elektrode 26 isi eine Spannung Schwellwertes V_Sehwelle in Abhängigkeit vom an das + V angelegt, so daß sich zwischen Source 16 und Substrat angelegten Potential V_Suk«_rat . Drain 18 ein Stromkanal ausbildet und der Feldeffekt-Herstellungsstufe A in Fig. 1 zeigt im Querschnitt Transistor eingeschaltet wird. Dieser Zustand ist in der ein p-leitendcs Halbleitersubstrat 110. Das Substrat 10 Darstellung gemäß Fig. 2 durch einen sich in der Einbesteht im betrachteten Ausführungsbeispiel aus SiIi- 30 Stellung befindlichen Schalter wiedergegeben, der mit zium mit einem spezifischen Widerstand von etwa der Spannung + V verbunden ist. Die Aus-Stellung 2 Ω cm. Das Substrat 10 weist beispielsweise eine dieses Schalters ist gestrichelt dargestellt, wobei eine Dicke von 200 ₍xm auf. Verbindung zu Masse oder einer negativen Spannung In der Herstellungsstufe B wird die Oberfläche des hergestellt wird. Source 16 und Schutzring 20 sind mit Substrats mit einer isolierenden Siliziumdioxydschicht 35 Masse verbunden, während Drain 18an einer positiven 12 beschichtet, deren Dicke etwa 5000 A beträgt. Spannung + V liegt. Das p-leitende Substrat 10 liegt Diese Schicht dient sowohl als Diffusionsmaske als über dem Kontakt30 an einer negativen Spannung -V. auch als Isolationsschicht zwischen den auf ihrer Ober- Werden die angegebenen Spannungen angelegt und fläche angeordneten metallischen Leitern, die über in befindet sich der Schalter an der Gate-Elektrode in der dieser Schicht vorhandene Fenster die Verbindung zu 40 Ein-Steilung, so bildet sich der Stromkanal zwischen den Halbleiterzonen des Substrat 10 herstellen. Source und Drain aus. Außerdem zeigt es sich, daß im In Stufe C sind die in bekannter Maskierungs- und Halbleiterbereich zwischen dem Schutzring 20 und Atztechnik in der Isolationsschicht 112 erzeugten Fenster Source 16 und Drain 18 eine Verarmung an Ladungs-14 dargestellt. An Stelle von Siliziumdioxyd kann für trägern eintritt. Diese Ladungsträgerverarmung verdie Isolationsschicht auch Siliziumnitrit, Aluminium- 45 hindert Leckströme oder Kurzschlüsse. Daraus folgt, oxyd usw. verwendet werden. In Abhängigkeit vom daß durch geladene Teile der Isolationsschicht auf der gewählten Material muß für die Herstellung der Fen- Halbleiteroberfläche zwischen Schutzring 20 und ster 14 lediglich ein geeignetes Ätzmittel ausgewählt Source 16 bzw. Drain 18 bedingte Feldeffekt-Tranwerden, sistorwirkungen in hohem Maße unterdrückt und In Stufe D ist eine Diffusion durchgeführt, bei der 5« damit ein Stromfluß in diesem Bereich verhindert wird, die die Source und Drain des Feldeffeki-Transistors Die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie 34 zeigt die definierenden n+-leitenden Zonen 16 und 18 im Sub- Abhängigkeit des Stromes / von einem oberhalb eines strat gebildet werden. In diesem Diffusionsschritt wird den Ein-Zustand des Feldeffekt-Transistors bewirkengleichzeitig ein aus einer η+-leitenden Zone gebildeter den Schwellwertes V_SchmUe liegenden Potential Vg an Schutzring 20 hergestellt, der Source und Drain 16 55 der Gate-Elektrode. Der Strom / nimmt beginnend und 18 umgibt. Bei diesem Diffusionsschritt werden vom Wert 0 mit steigendem Potential V₀ an der Gateais Dotierungsmittel beispielsweise Arsen oder Phos- Elektrode zu. Geladene Teile der Isolationsschicht 32 phor verwendet, und die Störstellendichte beträgt vor- wirken ähnlich wie eine Gate-Elektrode und können zugsweise ΙΟ¹⁹ bis 10²⁰ Störstellen/cm³. Die Diffu- Oberflächenströme zwischen dem Schutzring 20 und sionstiefe liegt im Bereich von 2 bis 4 μπιπι. Die Länge ^6o Source 16 bzw. Drain 18 bewirken, wenn ein bestimmder Strombahn, also die Entfernung zwischen Source ter Schwellwert des durch die geladenen Teile der und Drain, beträgt vorzugsweise 3 bis 50 μηιηι. Isolationsschicht 32 entstandenen Potentials über-

In der Herstellungsstufe E sind Source 16 und Drain schritten wird.

18 in einem Metallisierungsprozeß mit ohmschen Kon- Wie der Kennlinie 36 der Fig. 4 zu entnehmen ist, takten 22 und 24 versehen, wobei vorzugsweise die 65 steigt der Schwellwert V_Schcau, bei dem eine geladene bereits in der Isolationsschicht 12 anfangs gebildeten Isolationsschicht 32 eine Oberflächenleitung zwischen Fenster verwendet werden. Selbstverständlich muß dem Schutzring 20 und Source 16 bzw. Drain 18 beunter Umständen vor der Metallisierung in einem wirkt, mit steigendem, an das Substrat angelegtem i'nd

zum Potential des Schutzringes entgegengesetztem Potential VsxUutnu ^an· Daraus ist zu ersehen, daß durch Verwendung eines Schutzringes 20 und geeigneter Potentiale der genannte Schwellwert so erhöht werden kann, daß die Isolationsschicht 32 infolge ihrer natürlichen Ladung keine Leckströme an der Oberfläche des Feldeffekt-Transistors hervorrufen kann.

Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel bestehen Source, Drain und Schutzring aus diffundierten Zonen, diese Zonen können in bekannter Wiese auch aus Epitaxiezonen aufgebaut werden. Es ist auch daraul hinzuweisen, daß auch ein erfindungsgemäßei Feldeffekt-Transistor mit entsprechenden Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen aufgebaut werden

.5 kann. Schließlich ist die Erfindung auch anwendbar wenn an Stelle der im Ausführungsbeispiel verwendeter Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd eine solche au: beispielsweise Aluminiumoxyd verwendet wird, di( eine negative Aufladung und damit eine Inversions

ίο schicht entgegengesetzter Leitfähigkeit hervorruft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekt-Transistor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat eines ersten und zwei in die Substratoberfläche eingebrachten, Source und Drain bildenden Zonen eines zweiten Leitungstyps, einer über dem Stromkanal isoliert aufgebrachten Gate-Elektrode und aus einer die Substratoberfläche bedeckenden und darin eine Inversionsschicht hervorrufenden Isolationsschicht, bei dem Source und Drain von einer gleichfalls in die Substratoberfläche eingebrachten, als Schutzring dienenden Zone umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schutzring (20) ausgebildete Zone vom gleichen Leitungstyp wie Source (16) und Drain (18) ist, daß eine eine Inversionsschicht des zweiten Leitungstyps bildende Isolationsschicht (32) verwendet ist und daß an Schutzring (20) und Substrat (10) Potentiale angelegt sind, die im Gebiet zwischen Schutzring (20) einerseits und Source (16) und Darin (18) andererseits eine Verarmungszone entstehen lassen.

2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus p-leitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus η-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Siliziumdioxyd besteht und daß Source, Drain und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat positiven Potential liegen.

3. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus n-ieitendem Silizium, Source, Drain und Schutzring aus p-leitenden Zonen und die Isolationsschicht aus Aluminiumoxyd besteht und daß Source, Drain und Schutzring auf einem gegenüber dem Substrat negativen Potential liegen.

4. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Source und Schutzring auf Masse-Potential, Gate-Elektrode und Drain auf positivem Potential und das Substrat auf negativem Potential liegen.