DE2004576A1 - Feldeffekt-Transistor mit isolierter Steuerelektrode und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Feldeffekt-Transistor mit isolierter Steuerelektrode und Verfahren zu dessen Herstellung

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DE2004576A1 DE19702004576 DE2004576A DE2004576A1 DE 2004576 A1 DE2004576 A1 DE 2004576A1 DE 19702004576 DE19702004576 DE 19702004576 DE 2004576 A DE2004576 A DE 2004576A DE 2004576 A1 DE2004576 A1 DE 2004576A1
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Description

Patentanwalt
^Stuttgart N. MfMtraüü 40 2004576
WESTERN ELECTRIC COMPANY INC. -2, ~"\ {3/0
195 Broadway
'New York. N.Y.. 10007/ÜSA A 31 538
Feldeffekt-Transistor mit isolierter Steuerelektrode und Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Transistor mit isolierter Steuerelektrode, der einen scheibenförmigen Halbleiterkörper mit einer Oberflächenschicht umfasst, welche eine in ihrem Hauptteil einem ersten Leitfähigkeitstyp angehörende Lage sowie mit gegenseitigem Abstand angeordnete Quellen- bzw. öenkenzonen des zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei über der Oberflächenschicht eine Isolierschicht angeordnet ist, weiche über Abschnitten der Quellen- und Senkenzone angeordnete Quellen- bzw. Senkenöffnungen aufweist. Zum Gegenstand der Erfindung gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter steuerelektrode, wobei zunächst eine Halbleitervorrichtung mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper gebildet wird, der eine sich über einen Teil seiner Oberfläche erstreckende, mit zwei in gegenseitigem Abstand angeordneten Öffnungen versehene Isolierschicht aufweist, wobei ferner in diesen Öffnungen mit dem Halbleiterkörper Schottky-Sperrschichten bildende Leitschichten vorgesehen sind, worauf an der Halbleitervorrichtung Anschlußelektroden gebildet werden, von denen zwei teilweise je eine der Leitschichten und eine weitere teilweise die Isolierschicht zwischen den beiden Öffnungen bedecken. - 2 -
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Bei einer AusfUhrungsforra eines Feldeffekt-Traneietore mit isolierter Steuerelektrode ist eine HaIbIeltersohlcht mit Quellen- und Senkenzonen des gleichen Leitfähigkeitstyps vorgesehen, wobei diese Zonen durch einen Zwischenbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps voneinander getrennt sind. Quellen- und Senkenelektroden stellen ohmsche Verbindungen zu den Quellen- bzw. Senkenzonen her, während eine Steuerelektrode über dem Zwischenbereich, jedoch von dem Halbleiter durch eine W Isolierschicht getrennt angeordnet ist. Durch entsprechende Vorspannung der Steuerelektrode werden in dem Zwischenbereich Ladungsträger vom Typ der Majoritätsladungsträger der Quellen- und Senkenzonen eingeführt, so daß ein Strom zwischen diesen Zonen fließen kann.
Im Hinblick auf die Übertragungseinenschaften bei hohen Frequenzen 1st es erwünscht, die Länge des Zwischenbereiches und die Kapazitäten zwischen den Elektroden, d.h. aber die Überlappung der Steuerelektrode mit der Quellen- und Senkenzone so ge/ring wie möglich zu halten. Im Interesse eines zuverlässigen Herstellungsverfahrens ist es ferner vorteilhaft, die Anwendung von hohen
Temperaturen in den weiter fortgeschrittenen Verfahrene-Stadien zu vermeiden, da die Temperatureinwirkung im allgemeinen zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Isolierschicht führen kann. Aufgabe der Erfindung 1st daher die Schaffung eines Feldeffekt-Traneistors mit isolierter Steuerelektrode (IGFET), der eich durch gute Hochfrequenzeigenschaften und zuverlässige Herstell· barkeit auszeichnet, sowie eines Verfahrens zur Her-
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- 3 stellung eines derartigen Transistors.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Feldeffekt-Transistor der eingangserwähnten Art hauptsächlich durch folgende Merkmale:
a) es ist eine Steuerelektrode vorgesehen, die Über einem Teil des sich zwischen der Quellen·» und Senkenöffnung erstreckenden Abschnitts der Isolierschicht angeordnet ist und deren Breite mit der Breite desjenigen Abschnitts der Oberflächenschicht Übereinstimmt, welcher dem ersten Leitfähigkeitstyp angehört und sich zwischen der Quellen- und Senkensone erstreckt;
b) innerhalb einer jeden Quellen- und Senkenöffnung ist eine gesonderte Schicht aus leitfähigem Material vorgesehen, deren jede zwei Abschnitte aufweist, von denen der eine mit dem zum ersten L itfähigkeitstyp gehörenden Abschnitt der Oberflächenschicht eine gleichrichtende Verbindung bildet und deren anderer mit einer dem zweiten Leitfähigkeitstyp angehörenden Zon eine ohmsohe Verbindung bildet;
o) es ist eine einen begrenzten Abschnitt der aus leitfähigem Material bestehenden Schicht innerhalb der Quellenöffnung abdeckende Quellenelektrode und eine einen begrenzten Abschnitt der aus leitfähigem Material bestehenden Schicht Innerhalb der Senkenöffnung abdeckende Senkenelektrode vorgesehen.
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Pernerhin kennzeichnet sich die erfindungegemäese Lösung der gestellten Aufgabe mit Bezug auf ein Verfahren der ebenfalls im Eingang erwähnten Art hauptsächlich dadurch* daß die Halbleitervorrichtung sodann mit geeigneten Ionen zur Umwandlung des LeItfähigkeitstyps des unterhalb der Leitschichten befindlichen Abschnitts des HaIbIelterkörpers und eines von den Elektroden nicht bedeckten Zwischenabschnitts der Isolierschicht beaufschlagt wird, wodurch die Leitschichten selektive Verbindungen geringen Widerstandes zu den mit Ionen angereicherten Bezirken bilden.
Beispielsweise wird erfindungsgemäss zunächst eine Oxidschicht auf einem n-leltenden Siliciumkristall gebildet und in dieser mit gegenseitigem Abstand Kontaktöffnungen für die Quelle und Senke erzeugt. Sodann werden in den Kontaktöffnungen Platlnsllicldschichten abgeschieden, die mit dem darunter befindlichen, n-leltenden Silicium gleichrichtende Sperrschichten bilden. Sodann werden Über gewissen Abschnitten der Platinsilicldschichten Metallschichten für die Bildung von Quellen- bzw. Senkenelektroden sowie über einem Abschnitt der Oxidschicht, und zwar oberhalb des Bereiches zwischen den Quellen- und Senken-Kontaktöffnun^en, für die Bildung der Steuerelektrode abgeschieden. Die Oberfläche wird sodann mit Borionen bestrahlt, wobei diese Ionen selektiv in den Halbleiterkörper eingeführt werden. Die verschiedenen Dicken und die Ionenenergie werden so
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ausgewählt, daß keine wesentliche Ionenmenge In die Abschnitte des HaIbIelterkörpers unterhalb der metallischen Quellen-, Senken- und Steuerelektrode eindringen können, während die Ionen andererseits in die nicht durch diese Elektroden maskierten Abschnitte eindringen. Demgemäss wird in dem Halbleiterkörper ein Paar von pleitenden Zonen gebildet, die voneinander durch die η-leitende Zone unterhalb der Steuerelektrode getrennt sind. Diese beiden p-leitenden Zonen stellen eine ohmsche Verbindung zu der Platinsilicld-schicht innerhalb der Quellen- und Senken-Kontaktöffnungen her und dienen als Quellen- bzw. Senkenzone.
Wesentlich für einen derartigen Herstellungsprozess ist die Vermeidung einer Hochtemperaturbehrandlung nach der Oxidbildung. Die Anforderungen hinsichtlich genauer Ausrichtung der Masken werden dadurch vermindert. Das einzige wirklich kritische Element ist die Steuerelektrode, welche als Maske fUr die Festlegung des Abstandes zwischen der Quellen- und Senkenzone verwendet wird. Auf diese Weise wird eine Anordnung der Quellen- und Senkenzonen mit geringem gegenseitigem Abstand bei vergleichsweise größerem Abstand der Quellen- und Senkenelektroden ermöglicht. DarUberhinaus ergibt sich trotz der Vereinfachung des Herstellungsprozesses der Vorteil gesonderter Quellen- und Senkenzonen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus derfolgenden Beschreibung eines AusfUhrungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Hierin zeigen die - 6 -
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Figuren IA bis ID aufeinander folgende Verarbeitungsstufen eines HaIbIelterkörpers zu einem Feldeffekt-Transistor mit Isolierter Steuerelektrode gemäss der Erfindung, während
Figur 2 eine Draufsicht des gemäss den Figuren IA
bis IL hergestellten Transistors wiedergibt.
Gemäss dem vorliegenden Beispiel wird ein Si liclumkristall mit (100)-orlentIerung und einem spezifischen Widerstand von etwa einem Ohm.cm in einer oxidierenden Athmosphäre erhitzt, wodurch an der Kristalloberfläche eine aus dem Kristall selbst gebildete Sillclumoxidschicht mit einer DrIcke von etwa 1000 Ä entsteht. In dieser Oxidschicht werden dann mit Hilfe eines üblichen Fotolithographie-Verfahrens mit gegenseitigem Abstand Quellen- und Senken-Kontaktöffnungen eingebracht. Diese Verfahrensschritte können der Üblichen Herstellung von Sillcium-Faldeffekt-Transistoren mit isolierter Steuerelektrode entsprechen. Es ergibt sich hiermit ein Halbleiterkörper gemäss Figur IA in Form einer Siliciumsoheibe 11 mit einer Isolierenden Oxidschicht 12 und darin befindlichen Quellen- bzw. Senken-Kontaktöffnungen 13 bzw. 14.
Anschließend wird in Jeder der Kontaktöffnungen eine Schicht eingebracht, die mit dem η-leitenden Silicium in Kontakt tritt und eine Schottky-Sperrschicht bildet. Als sperrschiohtbildendes Matrial kommt z.B. Platin-SiIlcid in Betracht» d.h. eine metallische Substanz« die mit Silicium eine feste, innige Verbindung bildet und bezüglich des η-leitenden Sillciums die erforderlichen sperr-
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schlahtbildenden Eigenschaften aufweist, mit dem pleltenden Sillolum dagegen einen ohmschen Kontakt ergibt. Vorteilhaft wird diese Schicht durch Aufdampfen einer Platinschicht mit einer Dicke von 100 A auf die Kristalloberfläche und anschließendes Erhitzen auf 60O0C für eine Zeitdauer von 5 Minuten hergestellt, wobei das nlt dem innerhalb der Quellen- und Senken-Kontaktöffnung freiliegenden Silicium in Berührung stehende Platin unter Bildung von Platinsillcid angesintert wird, während das Platin auf der umgebenden Oxidschicht nicht anhaftet und daher anschließend leicht entfernt werden kann. In Figur IB sind in der Quellen- und Senken-Kontaktöffnung 13 bzw. 14 PlatinsilicIdschiohten 13 bzw. 16 angedeutet, während die Oxidschicht 12 von Platlnsilicid frei 1st.
Sodann wird die Quellen-, Senken- und Steuerelektrode abgeschieden. Letztere wird auf dem Mittelabschnitt der zwischen Quellen- und Senken-Kontaktöffnung befindlichen Oxidschicht angeordnet, während die Quellen- und Senkenelektroden auf Abschnitten der Platinsilicidschichten abgeschieden wer den. Hierbei bleiben in der aus Figur IC ersichtlichen Weise die der Steuerelektrode benachbarten Abschnitte der Platinsilicidschichten unbedeckt. Die Quellen-, Senken- und Steuerelektrode sind hier mit 17, 18 bzw. 19 bezeichnet. Diese Elektroden bestehen zweckmässig aus verschiedenen Lagen, und zwar z.B. aus einer Titanlage, einer Platinlage und einer QoIdlage, wobei die Titanlage zuunterst angeordnet ist und eine innige Verbindung mit der Oxidschicht herstellt, während die
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Platinlage hauptsächlich die Trennung von Oold und Silicium bewirken soll. Die zuoberst befindliche Ooldlage erleichtert die Verbindung der Elektroden mit den zugehörigen Anschlussleitern. Diese zusammengesetzte Schicht kann beispielsweise vorteilhaft eine Dicke von einem Mikron aufweisen, deren größerer Teil auf die OoIdlage entfällt.
Anschließend wird der Halbleiterkörper in an sich bekannter Weise mit einem Strahl von als Akzeptoren dienenden ^ Ionen beaufschlagt. Die Strahlungsenergie wird so einge-™ stellt, daß die Ionen die vergleichsweise unduchläseigen Elektroden nicht durchdringen, wohl aber in wesentlichem Umfang durch die vergleichsweise durchlässigen Platinsilicid- und Oxidschichten gelangen können. Es ergeben sioh somit im Halbleiterkörper mit Bor angereicherte, p-leitende Zonen 20 und 21 gemäss Figur ID, und zwar unterhalb desjenigen Abschnittes des HaIbleiterkörpers, der sich zwischen der Quellen- und Senkenelektrode erstreckt, jedoch mit Ausnahme des durch die Steuerelektrode bedeckten Abschnitts.
In einer BeispielsausfUhrung betrug die Strahlungsenergie
»150xUr eV, womit eine Gesamtdotierung von 1,5x10 Borp
ionen pro cm erzeugt wurde. Es schloss sich eine Bestrahlung mit 5OxKr eV bis zu einer Gesamtdotierung von 1,0x10 Borionen pro cm an. Die so behandelte Siliciumschelbe wurde für eine Zeitdauer von 30 Minuten auf eine Temperatur von 3500C gebracht. Hierdurch wurden die durch die Ionenbestrahlung erzeugten Schäden vermindert.
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Ee ergaben sich p-leitende Zonen mit einer Dotierung von etwa 10 Boratomen pro cnr mit einer Tiefe von etwa 4000 A . Eine solche Dotierung ergibt einen im wesentlichen ohmschen Kontakt zwischen den Platins!licidschichten und den. mit Bor angereicherten Zonen des Halbleiters, während gegenüber den undotierten, n-leitenden Zonen gleichrichtende Sperrschichten erhalten bleiben. Demgemäss wird die Flächenausdehnung der Quellen- und Senken elektroden in Bezug auf den Halbleiterkörper wirksam durch die Berührungsfläche zwischen der Plat ins i lic idsohicht und der benachbarten, p-leitenden Zone bestimmt, welch letztere sehr schmal sein kann· Hierdurch ergeben sich wiederum äußerst geringe Kapazitäten mit entsprechend gutem Hochfrequenzverhalten.
In dem genannten AusfUhrungsbeispiel hatten die Quellen- und Senken-Kontaktöffnungen eine Breite von etwa 50 Mikron bei einer Länge von etwa 200 Mikron und einem gegenseitigen Abstand von etwa 25 Mikron. Die Steuerelektrode hatte eine Breite von etwa 5 Mikron bei einer Länge von etwa 250 Mikron und war mittig zwischen der Quellen- und Senken-Kontaktöffnung angeordnet. Die Quellen- und Senkenelektroden waren derart angeordnet, daß sich ein unbedeckter Streifen von etwa 10 Mikron Breite innerhalb der Platinsilicidschlcht ergab, so daß eine wirksame ohmsche Kontaktfläche an der Quellen- und Senkenverbindung in Form eines Streifens von 10 Mikron Breite und 200 Mikron Länge ergab.
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Figur 2 zeigt die Anordnung der Quellen-· Senken- und Steuerelektrode 17 bzw. 18 bzw. 19 mit der Quellenbzw. Senke η -K on takt öffnung 13 bzw. 14 mit ihren Platinsilicidschichten.
In manchen Fallen kann es von Vorteil sein, eine Mehrfachanordnung derartiger Transistoren in einer einzigen Halbleiterscheibe in einer geschlossenen Folge von Verfahrensschritten herzustellen, worauf die Halbleiterscheibe dann in eine entsprechende Anzahl von Abschnitten mit je einem Transistor oder auch mehreren derselben zerlegt wird. In anderen Fällen kann es vorteilhafter sein, einen Feldeffekt-Transistor oder mehrere derartiger Transistoren in bestimmten Abschnitten einer Halbleiterscheibe und ferner in anderen Abschnitten der Scheibe unterschiedliche Schaltungselemente zu bilden, beispielsweise Widerstände, Kondensatoren, Ionen, bipolare Transistoren oder dergleichen, die sodann mit den Feldeffekt-Transistoren zu einer Schaltung vereinigt werden, und zwar vorzugsweise mit Hilfe von Metallüberzügen, die zur Bildung der Elektroden 17, 18 und 19 verwendet werden. Weiterhin kann es von Vorteil sein, auf einem p-leitenden Substrat eine n-leitende EpitaxiaIschicht zu erzeugen und danach die Feldeffekt-Transistoren der beschriebenen Art in diese Epitaxialschicht in bestimmter Anordnung anzubringen. Eine solche Verfahrensweise tritt dann an die Stelle der Bildung dieser Transistoren in einem η-leitenden Kristallkörper·
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Gegebenenfalls können auch komplementäre Strukturen unter Verwendung von η-le it enden Quellen- und Setskenzonen gebildet werden, wobei die letztgenannten Zonen durch eine Horn» 1-p-leitende Zone voneinander getrennt sind. Derartige Strukturen können durch Einpflanzung von Donatorionen in Anfang-p-leitendes Material bei Verwendung von geeigneten Metallen« beispielsweise Zirkonium, für die Bildung der gleichrichtenden Sperrschiohtkontakte an dem p-leitenden Material hergestellt werden. In ähnlicher Weise können gegebenenfalls unterschiedliche Materialien für die Bildung der Isolierschicht eingesetzt werden, insbesondere im Bereich unterhalb der Steuerelektrode. Beispielsweise kommt die Verwendung von zusammengesetzten Siliciumoxid- und Aluminiumoxidsohiohten zur Erzielung eines niedrigeren Schwellwertes in Betracht. PUr die Isolierung der Steuerelektrode kommt ferner auch Siliciumnitrid in Betracht, wobei sich die Schwierigkeiten infolge von Vergiftung mit Natrium vermindern. Ähnlich kommt ferner auch die Verwendung unterschiedlicher Elektrodenmaterialien und/ oder von unterschiedlichen Dotierungsionen sowie auch die Verwendung von einer Vielzahl von unterschiedlichen HHi: leitern für die Herstellung von erflndungsgemässen Transistoren in Betracht·
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Claims (5)

  1. WESTERN ELECTRIC COMPANY INC.
    Broadway
    New York, N.Y., 10007/tJSA A 31 538
    ANSPRÜCHE
    Feldeffekt-Transistor mit Isolierter Steuerelektrode, der einen scheibenförmigen Halbleiterkörper mit einer Oberflächenschicht umfaßt, welche eine in ihrem Hauptteil einem ersten Leitfähigkeitstyp angehörende Lage sowie mit gegenseitigem Abstand angeordnete Quellenbzw. Senkenzonen des zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei Über der Oberflächenschicht eine Isolierschicht angeordnet ist, welche Über Abschnitten der quellen- und Senkensone angeordnete Quellen- bzw. Senkenöffnungen aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) es ist eine Steuerelektrode vorgesehen, die Über einem Teil des sich zwischen der Quellen- und Senkenöffnung erstreckenden Abschnitts der Isolierschicht angeordnet ist und deren Breite mit der Breite desjenigen Abschnitts der Oberflächenschicht Übereinstimmt, welcher dem ersten Leitfähigkeitstyp angehört und sich zwischen der Quellen- und Senkenzone erstreckt;
    b) innerhalb einer Jeden Quellen- und Senkenöffnung ist eine gesonderte Schicht aus leltfählgem Material vorgesehen, deren Jede zwei Abschnitte aufweist, von denen der eine mit dem zum ersten Leitfähigkeitstyp gehörenden Abschnitt der Oberflächen-
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    schicht eine gleichrichtende Verbindung bildet und deren anderer mit einer dem zweiten Leitfähigkeitstyp angehörendenZone eine ohmsehe Verbindung bildet;
    c) es ist eine einen begrenzten Abschnitt der aus leitfähigem Material bestehenden Schicht innerhalb der Quellenöffnung abdeckende Quellenelektrode und eine einen begrenzten Abschnitt der aus leitfähigem Material bestehenden Schicht Innerhalb der Senkenöffnung abdeckende Senkenelektrode vorgesehen.
  2. 2. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß jede der aus leitfähigem Material bestehenden Schichten eine mit der zugehörigen Quellen- bzw. Senkenöffnung Übereinstimmende Ausdehnung aufweist und daß jede der gleichrichtenden Verbindungen an einem solchen Abschnitt der dem ersten Leitfähigkeitstyp angehörenden Oberflächenschicht gebildet 1st, welcher nicht zwischen den ^uellen- und Senkenzonen liegt.
  3. 3. Feldeffekt-Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das der Halbleiterkörper aus Silicium und die Isolierschicht aus Siliciumoxid besteht und daß die aus leitfähigem Material bestehenden Schichten durch Platlnsilicid gebildet sind.
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  4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Steuerelektrode, wobei zunäohst eine Halbleitervorrichtung mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper (11) gebildet wird» der eine sich Über einen Teil seiner Oberfläche erstreckende,mit zwei in gegenseitigem Abstand angeordneten Öffnungen (13,14) versehene Isolierschicht (12) aufweist, wobei ferner in diesen Offnungen mit dem Halbleiterkörper Schottky-Sperrschichten bildende Leitschichten (15, 16) vorgesehen sind, worauf an der Halbleitervorrichtung Anschlußelektroden gebildet werden, von denen zwei (17,18) teilweise je eine der Leitschichten (15*16) und eine weitere (19) teilweise die Isolierschicht zwischen den beiden öffnungen (13,12O bedecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung sodann mit geeigneten Ionen zur Umwandlung des Leitfähigkeitstyps des unterhalb der Leitschichten befindlichen Abschnitts des Halbleiterkörpers und eines von den Elektroden nicht bedeckten Zwischenabschnitts der Isolierschicht beaufschlagt wird, wodurch die Leitschichten (15,16) selektive Verbindungen geringen Widerstandes zu den mit Ionen angereicherten Bezirken (21,22) bilden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen aus monokristallinem Silicium bestehenden Halbleiterkörper, dessen Isolierschicht eine Lage aus Siliciumoxid aufweist, und dessen Oberflächenabschnitt η-leitend ist, während die Leitschichten aus Platinsilicid bestehen, ferner dadurch
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    gekennzeichnet· daß die Halbleitervorrichtung mit Borionen beaufschlagt wird und daß die mit Ionen angereicherten Bezirke des HalbleiterkSrpers p-Leitfähigkeit erhalten.
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