DE2023557A1

DE2023557A1 - Metall-Isolator-Halbleiter-Baueleinent, insbesondere MIS-Feldeffekt-Transistor, für hohe Spannungen und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2023557A1
Application number: DE19702023557
Authority: DE
Inventors: Kenneth John Los Altos Hills; Madden Lee Phillip Sunnyvale; Calif. ]Moyle (V.St.A.)
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1969-05-15
Filing date: 1970-05-14
Publication date: 1970-11-19
Also published as: FR2042655A1; US3631312A; FR2042655B1; GB1316442A

Description

N. 69 221 Pl.

National Semiconductor Corporation, Santa Clara, Kalif. (V.St.A.).

Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement, insbesondere MIS-FeIdeffekt-Transistor, für hohe Spannungen und Verfahren zu dessen Herstellung.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial-No. 82*i 878 vom 15. Mai 1969 in Anspruch genommen. .

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Metall-Isolator-Halbleiter(abgekürzt: MIS) -Bauelemente und insbesondere auf ein neuartiges MIS-Feldeffekt-Transistor (abgekürzt: FET) -Bauelement, dessen Durchbruchspannung von Entzugszone zu Quellzone wesentlich höher ist als die von bekannten Bauelementen ähnlichen Aufbaus.

Die Verwendungsmöglichkeiten typischer MIS-Transistoren als Hochspannungsbauelemente werden durch wenigstens vier Eigenschaften der Bauelemente eingeengt, die sich aus dem Aufbau der Elemente ergeben. Die vier Problembereiche, welche den Einsatz bekannter MIS-Transistoren als Hochspannungsbauelemente beschränken, ergeben sich aus der Formgebung der Verarmungs-

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zone, der Durchbrucheigenschaft des Steuerelektrodenoxids, der Durchgriffseigenschaft und dem Durchbruchverhalteη in der Masse. Aufgrund wenigstens einer dieser Eigenschaften erfolgt in den meisten derzeit gebräuchlichen MIS-Transistoren und integrierten Schaltungen ein Durchbruch bereits bei Spannungen von weniger als 5o Volt zwischen Entzugszone und Quellzone.

Die Formgebung der Verarmungszone wird sehr stark durch das Feld beeinflußt, das zwischen der Steuerelektrode und der Verarmungszone besteht» Bei MJS-Bauelementen., bei denen zwischen der Steuerelektrode und der Kanalzone eine dünne Oxidschicht vorhanden sein muß_s ruft das Steuerelektrodenfeld an der Oberfläche der Unterlage eine Biegung der Verarmungsschicht zu dem pn-übergang hervor_s so daß das elektrische Feld an der Oberfläche der Unterlage stärker ist als in deren Masse und daher ein Durchbruch in der Nähe der Oberfläche bei einer Sperrspannung auftritt ₉ die niedriger ist als die der Durchbruchspannung in der Masse des Uoterlagenmaterials entsprechende Spannung» Die genaue Berechnung der Gestalt des Feldes und der Verarmungszone an der Oberfläche des Plättehens erfordert die Lösung der Poisson⁹sehen Gleichung für das Silizium und der Laplace'sehen. Gleichung In der Oxidschicht entsprechend den bekannten Rechenverfahren»

Bei bekannten MIS-Vorrichtungen ist das DmOhbruehverhal·= ■ ten des Stouerelektrodenoxids bei verhältnismäßig niedrig®]? Spannung darauf suräeksufuhren_s öaH eleh die äüsm® Oxidschicht

infolge der hochdotierten Entzugszone und der damit verbundenen geringen Ausdehnung der Verarmungsschicht in die Entzugszone typischerweise so weit über die Entzugszone erstreckt, daß sie über den Rand der Verarmungszone hinausragt, so daß die an der "Ecke" auftretende Feldkonzentration unter der dünnen Oxidschicht liegt. Die verhältnismäßig hohe Feldstärke in der dünnen Oxidschicht kann je nach dem angewandten Oxidationsverfahren und der Schichtdicke des Oxids bei Spannungen ™ von 5o bis Ho Volt zwischen Steuerelektrode und Entzugszone zu einem Durchbrueh führen.

Das Durchgriffsproblem wird in erster Linie durch den Abstand zwischen Entzugszone und Quellzone hervorgerufen. Wenn · sich bei bekannten Bauelementen das Potential zwischen Entzugszone und Quellzone einem Wert von 5o Volt nähert, kann es vorkommen, daß sich die Verarmungszone_s die nahezu völlig außerhalb der Entzugszone liegt, durch die Kanalzone hindurch erstreckt und zu der hochdotierten Quellzone durchgreift (so- ^ genanntes "puneh-through") und somit die Durchbruchspannung begrenzt. Wenn zur Beseitigung dieses Problems der Abstand von Entzugszone zu Quellzone vergrößert wird, resultiert daraus ein erheblicher Verlust an Verstärkung, da dieser Abstand in einem umgekehrten Verhältnis zum Verstärkungsgrad steht (Gegenwirkleitwert).

Das Durchbruchverhalten der Masse wird in erster Linie ■ durch den spezifischen Bahnwiderstand des Unterlagenmaterials

und .die Feldkonzentration an jeder Stelle dieses Materials bestimmt. Wenn es an irgendeiner Stelle der Verarmungsschicht zur Ausbildung des kritischen Feldes kommt, werden die Ladungsträger auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit beschleunigt, so daß es zu einem Lawinen-Durchbruchszustand und dem sich daraus ergebenden Durchbruch kommt. Ein Durchbruch in der Masse tritt normalerweise an den verhältnismäßig scharfen Krümmungen des pn-überganges auf, die durch die geringe Tiefe" der Entzugszone verursacht werden. Dieses Problem ließe sich offensichtlich durch Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Unterlage lösen, wodurch jedoch wiederum das Durchreichoder punch-through-Fotential des Bauelementes verringert werden würde.

Es ist bereits vielfach versucht worden, die vorstehenden Schwierigkeiten auszuräumen, jedoch haben diese Versuche im allgemeinen nicht zu dem gewünschten Ergebnis geführt, da sie in erster Linie auf die offensichtlichen Lösungen gerichtet waren und darin bestanden, eine dickere Oxidschicht, eine Oxidschicht anderer Formgebung, einen größeren Abstand von Quell- zu Entzugszone und/oder einen anderen spezifischen Widerstand für das Unterlagenmaterial zu verwenden. Ein derartiges Vorgehen kann typischerweise nicht von Erfolg beschieden sein, da Veränderungen der Formgebung oder der Dicke des Oxids normalerweise die Verstärkungseigenschaften eines bestimmten Bauelementes zerstören, und andere Abänderungen wie z.B. eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes des Unter-

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lagenmaterials im allgemeinen zu einer ungünstigen Beeinflussung der anderen Betriebseigenschaften des Bauelementes führen,

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelementes, insbesondere eines MIS-Feldeffekt-Transistors zu schaffen, das bzw. der bessere Spannungsdurchbrucheigenschaften im Vergleich zu ähnlichen bekannten Bauelementen aufweist. Weiterhin soll durch die Erfindung ein neuartiges Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement, insbesondere ein MIS-Feldeffekt-Transistor angegeben werden, das bzw. der eine Durchbruchspannung zwischen Entzugszone und Quellzone von mehr als 60 Volt besitzt. Das MIS-FET-Bauelement soll wesentlich höhere Spannungen zwischen Quellzone und Entzugszone aushalten können als bekannte Bauelemente von ähnlicher FET-Topologie und Oxiddicke, stabile Betriebseigenschaften besitzen und bei Betrieb mit Spannungen zwischen Quellzone und Entzugszone von wenigstens loo Volt über längere Betriebszeiten hinweg keinen Durchbruch an dem Dielektrikum der Steuerelektrode . zeigen. Schließlich soll das MIS-FET-Bauelement in der Lage sein, bei Spannungen von wenigstens loo Volt betrieben zu werden, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung des Bauelementes aufgrund einer Verzerrung des elektrischen Feldes durch den Feldplatteneffekt, eines Durchbruchs des Steuerelektrodenoxids, Durchgriffs (punch through) oder eines Durchbruchs in der Masse besteht.

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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein MIS-Bauele.-ment vorgeschlagen, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine Unterlage von einem ersten Leitfähigkeitstyp ₃ eine in der Unterlage ausgebildete Entzugszone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einem linearen Profil der Fremdstoffkonzentration, eine in einem Abstand von der Entzugszone in der Unterlage ausgebildete Quellzone, und durch eine oberhalb der Unterlage angeordnete und die Quell- und die Entzugszone voneinander trennende Steuerelektrode, die gegenüber der Unterlage durch eine dünne Oxidschicht getrennt ist, welche auf einer Strecke-von weniger als o,oo25 mm über die diffundierte Entzugszone hinaus vorsteht.

Das neuartige MIS-FET-Bauelement nach der Erfindung wird in der Weise hergestellt, daß die Lage der Steuerelektrodenöffnung in bezug auf die Quell- und die Entzugszone sorgfältig in ein vorbestimmtes Verhältnis gebracht und in der Quell- und in der Entzugszone eine niedrige Fremdstoffkonzentration verwendet wird, so daß tiefe pn-übergänge mit einem linearen Gradienten erhalten werden» Daher wird die Grenze der Yerarmungszone innerhalb der Entzugszone bei einem Potential zwischen Entzugszone und Quellzone in der Nähe von loo Volt über die Grenzen des Abschnitts des Steuerelektrodenmetalls hinaus ausgedehnt, das sich innerhalb der Kanalzone oberhalb des dünnen Oxids befindet. Wenn das FET-Bauelement entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, wird das zwischen der Steuerelektrode und der Entzugszone gebildete

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. Feld verteilt und nimmt daher in der dünnen Oxidzone keinen kritischen Wert an» auch wenn die tatsächliche Potentialdifferenz zwischen der Steuerelektrode und der Entzugszone das Durchbruchpotential der dünnen Oxidschicht erreicht oder überschreitet. · -

Entsprechend der Erfindung werden die vorgenannten vier Schwierigkeiten umgangen, und das Durchbruchverhalten des MIS- * Bauelementes wird,wesentlich verbessert. Aufgrund dieser Neuerung wird der Anwendungsbereich der MIS-Bauelemente auf Gebiete erweitert, in denen es erforderlich ist, mit höheren Potentialen als 5o Volt zu arbeiten.

Feldeffekt-Transistoren wurden seither beispielsweise dazu verwendet, Informationen zum Antrieb von Neonröhren zu speichern. Da die Spannungen bei dieser Anwendung hoch genug⁵sein müssen, um die Röhren in der Sperrichtung abgeschaltet zu halten, und da diese Spannungen im allgemeinen höher liegen als a die Durchbruchspannungen bekannter FET-Bauelemente, wurden zwischen den Neonröhren und den MIS-FET-Bauelementen äußere Transistoren mit höheren Durchbruchspannungen benötigt. Die entsprechend der Erfindung hergestellten MIS-Bauelemente erfordern dagegen nicht langer die Verwendung äußerer Transistoren und können unmittelbar mit der Hochspannungs-Last verbunden werden. Das erfindungsgemässe Bauelement eignet sich infolge der Verbesserung seines Spannungs-Durchbruchverhaltens· auch für Anwendungen, bei denen der Einsatz lediglich von

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FET-Bauelementen aufgrund ihrer verhältnismäßig niedrigen Durchbruchpotentiale seither unmöglich gemacht wurde.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich die Topologie oder die Oxiddicke des Bauelementes nicht ändert und somit die Betriebseigenschaften des neuartigen Bauelementes im wesentlichen die gleichen sind wie die bekannter Vorrichtungen gleichen Aufbaus. Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, daß das neuartige Verfahren die Ausbildung mehrfacher FET-Bauelemente auf ein und demselben Plättchen gestattet, wobei jedes Bauelement die gleiche Oxiddicke der Steuerelektrode aufweist, jedoch einige eine höhere Durchbruchspannungseigenschaft als andere Elemente aufweisen. Weitere Merkmale der Erfindung sind anhand der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich, in welcher bekannte Verfahren und das Bauelement und das Verfahren nach der Erfindung beispielsweise näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Halbleiterunterlage und zeigt Maskenöffnungen bekannter Ausführung für die Quell- und die Entzugszone eines MIS-FET-Bauelementes.
Fig. 2 zeigt die Entzugs- und die Quellzone nach der Diffusion, sowie die Maskenöffnung für die Steuerelektrode bei der Herstellung eines bekannten MIS-FET-Bauelementes.

Fig. 3 zeigt die Maskenöffnungen für die Quellzonen- und Entzugszonenkontakte bei der Herstellung

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eines bekannten Bauelementes.

Pig, H ist eine Draufsicht auf ein nach bekannten Verfahren hergestelltes fertiges FET-Bauelement.

Fig. 5 ist ein Querschnitt entlang der Linie 5~5 durch das bekannte FET-Bauelement der Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein Plättchen aus einer Halbleiterunterlage und zeigt die zur Herstellung der Quell- und der Entzugszone eines MIS-FET-Bauelementes nach der Erfindung dienenden Maskenöffnungen.

Fig. 7 zeigt die Grenzen der Quell- und der Entzugszone des neuartigen Bauelementes nach der Diffusion, sowie die Maskenöffnung für die Steuerelektrode.

Fig. 8 zeigt die Maskenöffnungen für die Quell- und die Entzugszonenkontakte bei der Herstellung des neuartigen MIS-FET-Bauelementes.

Fig. 9 ist eine Draufsicht auf ein fertiges FET-Bauelement nach der Erfindung.

Fig.Io ist ein Querschnitt durch das neuartige Bauelement entlang der Linie lo-lo 'der Fig. 9·

In den Figuren 1 - 5 der Zeichnung ist zum Zwecke der Veranschaulichung ein typisches Herstellungsverfahren für ein bekanntes MIS-FET-Bauelement dargestellt. Wie Fig. 1 zeigt, wird über einem Plättchen aus einer Siliziumunterlage 12 eine Oxidmaskierung Io ausgebildet, und über den Maskenöffnungen lH und 16 werden Fremdstoffe hoher Konzentration vorabgelagert,

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- Io -

bevor vermittels Diffusion eine Quellzone und eine Entzugszone (auch als Senke bezeichnet) ausgebildet werden. Das Plättchen 12 wird dann einem Diffusionsverfahren bei hoher Temperatur ausgesetzt, wodurch die über den Öffnungen 14 und 16 vorabgelagerten Fremdstoffe über eine vorbestimmte Strecke in die Unterlage 12 eingetrieben werden und eine Quell- und eine Entzugszone bilden, die in Pig. 2 jeweils durch die gestrichelten Linien 18 bzw. 2o angedeutet sind.

Es läßt sich ersehen, daß die Oberflächenerstreckungen der Zonen 18 und 2ο etwas größer sind als die Flächen der Maskenöffnungen 14 und 16, da die Fremdstoffe während der Diffusion von dem geometrischen Ort der ursprünglichen Vorablagerung sowohl nach außen als auch in senkrechter Richtung nach unten in die Unterlage diffundiert werden. Die senkrechte Tiefe und die seitliche Ausbreitung werden jedcoh mit Absicht gering gehalten, damit sich in der Quell- und in der Entzugszone eine hohe Fremdstoffkonzentration ergibt.

Dann wird über der oberen Oberfläche des Plättchens 12 ein Oxid zur Ausbildung gebracht, und anschließend ein Maskierungs- und Ätz-Arbeitsgang ausgeführt, um das Feldoxid aus der Steuerelektrodenzone 22 (die auch als Torelektrodenzone bezeichnet werden kann) zu entfernen, welche die Quellzone 18 und die Entzugszone 2o etwas überlagert. Nachdem das dicke Oxid von 'der Steuerelektrodenzone 22 entfernt worden ist, wird an dieser ein reines, stabiles Oxid von angenähert 1 ooo Ä Dicke zur

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- li -

Ausbildung gebracht. Dann wird das Plättchen 12 einem weiteren Maskierungs- und Ätzschritt ausgesetzt, um das Oxid in der in Fig. 3 dargestellten Weise von den Kontaktflächen 24. und 26 zu entfernen. Dann wird auf die gesamte Oberfläche des Plättchens 12 ein geeignetes Anschlußmetall aufgedampft. Im Anschluß an die Aufdampfung des Metalls wird das Plättchen wiederum maskiert und das Metall so weit weggeätzt, daß nur die Abschnitte in den Flächen 28, 3o und'32 zurückbleiben, welche in der in Fig. 4 dargestellten Weise den Quellzonenanschluß 28 und den Entzugszonenanschluß 3o, sowie eine Steuerelektrode (oder: Tor) 32 bilden.

Fig. 5 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie 5~5 und zeigt die Zuordnung der einzelnen Elemente der Vorrichtung in senkrechter Richtung. Obwohl dieser Querschnitt nicht maßstabsgetreu -ist, läßt sich aus ihm ersehen, daß die Oxidschicht 34, welche die Steuerelektrode 32 gegenüber der Kanalzone 36 trennt, eine wesentlich geringere Dicke aufweist als das Feldoxid 38, welches das Plättchen 12 bedeckt . Eine typische Dicke der Oxidschicht 34 an der Steuerelektrode beträgt 1 000 S, während das Feldoxid 38 typischerweise Io 000 8 dick ist.

Wenn die Entzugszone 2o in Sperrichtung vorgespannt ist, wird eine Verarmungszone 4o an dem pn-übergang 42 zwischen der Entzugszone 2o und der Silizium-Unterlage 12 ausgebildet, die sich infolge der Konzentrationsunterschiede der p-Fremdstoffe

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und der n-Premdstoffe in den entsprechenden Plättchenabschnitten viel weiter in die Unterlage 12 als in die höher dotierte Entzugszone 2o erstreckt. Wie Fig. 5 zeigt, liegt die äußere Grenze 44 der Verarmungszone 4o in der Entzugszone 2o unmittelbar unterhalb der Steuerelektrode 32 und der dünnen Oxidschicht 34.

Bei einer Prüfung dieses typischen MIS-Transistoraufbaus lassen sich wenigstens die vier oben bereits genannten Probleme erkennen, welche die Verwendbarkeit dieser Vorrichtung für hohe Spannungen begrenzen. Erstens wird die Gestalt der Verarmungszone 4o, die in Fig. 5 dargestellt ist, sehr stark durch den "Feldplatteneffekt" beeinflußt, durch den die Verarmungszone 4o an der Oberfläche 48 des Plattchens nach innen gezogen wird, so daß dann, wenn das Potential zwischen Entzugs- und Quellzone in die Nähe des oberen Endes des Arbeitsbereiches kommt, eine kritische Feldstärke erreicht sein kann, bevor das Durchbruchpotential in der Masse erreicht worden ist.

Die genaue Berechnung des Feldes und der Gestalt der Verarmungszone an der Oberfläche 48 erfordert die Lösung der Poisson'sehen Gleichung in dem Silizium und der Laplace'sehen Gleichung in der Oxidschicht. Bei den in Fig. 5 dargestellten Verhältnissen biegt das Feld 46 der Steuerelektrode die Verarmungszone an der Oberfläche 48 zu dem pn-übergang 42 hin, so daß das kritische Feld für das Auftreten eines Lawinen-Durchbruchs an der Oberfläche schneller erreicht wird, als es bei nicht vorhandener Steuerelektrode 32 der Fall wäre.

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Da für geeignete Schwellwerte und einen geeigneten Gegenwirkleitwert dünne Oxidschichten in der Größenordnung bis zu 1 ooo A erforderlieh sind, begrenzt dieser Feldplatteneffekt die bekannten MIS-Bauelemente auf eine Durchbruchspannung von etwa 45 Volt zwischen Entzugszone und Quellzone.

Zweitens erstreckt sich die dünne Oxidschicht 34 der meisten bekannten Bauelemente wenigstens o,.oo5o mm über die Entzugszone 2o. Da jedoch bei bekannten Bauelementen höhere Fremdstoffkonzentrationen verwendet werden, erstreckt sich die Verarmungszone 4o typischerweise über eine etwas kleinere Strecke in die Entzugszone hinein, so daß in der dünnen Oxidschicht an der "Ecke" 5o eine hohe Feldstärke erzeugt wird, die bei Spannungen zwischen 5o und Ho Volt in Abhängigkeit von dem angewandten Oxidationsverfahren und der tatsächlichen Dicke der Schicht 34 zu einem nicht umkehrbaren Durchbruch (rupture) an dem Oxid führen kann.

Drittens kann das an die Entzugszone 2o angelegte Betriebspotential so hoch sein, daß sich die Verarmungszone 4o durch die Kanalzone 36 hindurch erstreckt und zu der hochdotierten Quellzone 18 "durchgreift" ("punch-through"), und damit ebenfalls die Durchbruchspannung begrenzt. Wenn der Abstand zwischen Quell- und Entzugszone vergrößert wird, um dieses Problem zu beseitigen, ergibt 3ich ein hoher Verstärkungsverlust.

Schließlich kann es sein, daß der Durchbruch in der Masse der Entzugszone auch dann nicht zur Aufrechterhaltung einer,

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höheren Spannung ausreicht, wenn die anderen Probleme in irgendeiner Weise gelöst worden sind. Wenn der spezifische Widerstand der Unterlage gesteigert wird, um diese Schwierigkeit auszuräumen, nimmt die Breite der Verarmungsschicht zu, und das Durchgriffsproblem wird ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung des Durchbruchpotentials des Bauelementes.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird anhand der ^ Figuren 6 - Io der Zeichnung ausführlich erläutert. Wie aus

Fig. 6 ersichtlich, sind die Maskenöffnungen 6o und 62 zur Ausführung der Vorablagerungen für die Quell- und die Entzugszone kleiner und haben auf dem Plättchen 64 einen etwas größeren gegenseitigen Abstand als die entsprechenden Maskenöffnungen für die Herstellung der bekannten Bauelemente. Der Abstand zwischen den öffnungen 6o und 62 für die Quell- und die Entzugszone kann beispielsweise o,o21 mm betragen, im Vergleich zu dem wesentlich geringeren Abstand der entsprechenden öffnun-φ gen für die in Fig. 1 dargestellten bekannten Bauelemente.

Außerdem hat die zur Ausbildung der Vorablagerungeη verwendete Dotierung äne niedrigere Konzentration als die typischerweise zur Herstellung bekannter Bauelemente verwendete Dotierung. Nach der Vorablagerung des gewünschten Fremdstoffs, beispielsweise Bor, über dem Plättchen 64, wird das Plättchen einer verhältnismäßig langen Diffusionszeit ausgesetzt, damit die Fremdstoffe durch die öffnungen 6o und 62 in die Unterlage des Plättchens 64 eindiffundieren und eine Quell- und eine Entzugszone 66 bzw. 68 ausbilden, die bei Beendigung angenähert die

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gleiche Oberflächenerstreckung wie die der bekannten Bauelemente aufweisen, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Die durch die lange Diffusionszeit erzeugten, gering dotierten Quell- und Entzugszone haben tiefe pn-übergänge mit einem linearen Gradienten. Die Diffusionszeit ist so gewählt, daß die sich für die Steuerelektrode ergebende Länge, d.h. der Abstand zwischen Quell- und Entzugszone trotz der kleineren Ausgangsflächen der Vorablagerungen und ihres größeren gegenseitigen Abstandes im Vergleich zu bekannten Verfahren immer noch auf angenähert o,oo5o mm gehalten wird.

Nachdem die Quell- und die Entzugszone 66 bzw. 68 in das Plättchen 64 eindiffundiert worden sind und auf dessen Oberfläche, ein geeignetes Feldoxid zur Ausbildung gebracht worden ist, wird das Plättchen maskiert und geätzt, um das Feldoxid von der Steuerelektrodenzone 7 ο zu entfernen. Dabei ist zu beachten, daß die Maskenöffnung 72 im wesentlichen innerhalb des Raumes liegt, welcher die zur Herstellung der Quell- und der Entzugszone dienenden Maskenöffnungen 6o und 62 voneinander trennt. Bei dnem typischen Ausführungsbeispiel liegt die Maskenöffnung 72 für die Steuerelektrode auf jeder Seite um o,oo5o mm innerhalb der Öffnungen 6o und 62 für die Quell- und die Entzugszone, so daß die anschließend ausgebildete Steuerelektrode die Quell- und die Entzugszone nur um etwa o_sool2 mm überlagert. Dieser Wert ist im Vergleich zu bekannten Verfahren zu sehen, bei denen die Maskenöffnung für die Steuerelektrode die Maskenöffnungeh für die Quell- und die Entzugszone um etwa o,oo25 bis o,oo51 mm

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überlagert.

Nachdem die Steuerelektrodenzone 7o geätzt worden ist, wird über dieser ein sauberes, stabiles Oxid von angenähert 1 ooo 8 Dicke zur Ausbildung gebracht. Dann wird das Plättchen erneut maskiert und geätzt, um das Feldoxid von den Kontaktflächen 74 und 76 zu entfernen, wonach zur Ausbildung eines Anschlußnetzes ein geeignetes Metall auf die Oberfläche des Plättchens P aufgedampft wird. Nach dieser Metallisierung wird das Plättchen 64 erneut maskiert und geätzt, so daß Metall nur in den Zonen 78 und 80, welche als Anschlüsse für die Quell- und die Entzugszone 66 bzw.68 dienen, und in der Zone 82 verbleibt, welche die Steuerelektrode (Tor) und den zugehörigen Anschluß bildet.

Wie sich anhand der Fig. Io der Zeichnung ersehen läßt, entspricht das entsprechend der Erfindung hergestellte Bauelement in seinem körperlichen Aufbau dem in Fig. 5 dargestellten Bauelement, mit der Ausnahme, daß die Fremdstoffkonzentrationen " in der Quellzone 66 und in der Entzugszone 68 weniger hoch dotiert und die entsprechenden pn-übergänge wesentlich tiefer sind als in der bekannten Vorrichtung. Die Arbeitsgänge der Vorablagerung und der Diffusion werden so abgestimmt, daß in der Quell- und in der Entzugszone eine Fremdstoffkonzentration mit einem linearen Profilverlauf erhalten wird. Aufgrund dieses linear verlaufenden Konzentrationsprofils in der Entzugszone 68 erstreckt sich die Verarmungszone 84 bei negativer Vorspannung der Entzugszone 68 in bezug auf die Plättchenmasse 64 wesentlich weiter in die Entzugszone 68 als bei der höher do- ·

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tierten Entzugszone des bekannten Bauelementes.

Folglich erstreckt sich die Grenze 86 der Verarmungszone 84 in der in Fig. Io dargestellten Weise von einer Stelle unterhalb der dünnen Oxidschicht 88 nach außen unter die Steuerelektrode 82, und befindet sich somit unterhalb einer dicken Oxidzone. Daher befindet sich die Konzentration des elektrischen Feldes an der "Ecke" 94 außerhalb der dünnen Oxidschicht 88 und unterhalb des dickeren Feldoxids, so daß zwischen der Steuerelektrode 82 und der Entzugszone 68 eine wesentlich höhere Potentialdifferenz zulässig ist, ohne daß ein nicht umkehrbarer Durchbruch des Oxids stattfindet. Somit wird eine der kritischen Beschränkungen für den Betrieb des Bauelementes beseitigt, indem das Durchbruchpotential des Oxids effektiv auf ene wesentlich höhere Spannung angehoben wird. Entsprechend der Erfindung kann das Durchbruchpotential bis zu 4oo Volt betragen gegenüber den 5o bis loo Volt der bekannten Bauelemente.

Außerdem hat die durch den Feldplatteneffekt hervorgerufene Verzerrung der Verarmungszone an der Oberfläche 9o einen geringeren Einfluß, da die Breite der Verarmungszone in der Steuerelektrodenzone 92 erheblich verringert ist. Die durch Durchbruch in der Masse auferlegte Beschränkung wird dadurch umgangen, daß der übergang tiefer diffundiert wird. Die geringere Krümmung des tiefer reichenden Überganges gestattet die Aufrechterhaltung einer höheren Durchbruchspannung in der Masse für einen vorgegebenen spezifischen Widerstand der Masse (spe-

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zifischer Bahnwiderstand). Wie der Fachmann weiß, ermöglicht außerdem ein linear verlaufender Übergang für einen vorgegebenen spezifischen Massenwiderstand eine höhere Durchbruchspannung als ein steiler Übergang der in Fig. 5 dargestellten Ausbildung.

Bei diesem Aufbau ist außerdem die Möglichkeit, daß die Verarmungsschicht bei genormten Steuerelektrodenlängen zur Quellzone 66 durchgreift, wesentlich herabgesetzt, da etwa die Hälfte der Verarmungsschicht 84 nicht in die Steuerelektrodenzone 92, sondern in die Entzugszone 68 hineinreicht.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für MIS-FET-Bauelemente kann im einzelnen aus den folgenden Verfahrensschritten bestehen:

1. Ein Siliziumplättchen 64 wird zunächst gesäubert, und dann auf seiner Oberfläche eine Oxidschicht von angenähert 3 ooo 8 Dicke zur Ausbildung gebracht.

^ 2. Dann wird das Plättchen photolithographisch maskiert

(abgedeckt), und das Oxid weggeätzt, um die Betten 6o und 62 für die Quell- und die Entzugszone zu öffnen. Der ursprüngliche Abstand zwischen Entzugs:- und Quellzone beträgt vorzugsweise o,o21 mm, d.h. 21 μ.

3. Wenn die Unterlage 64 vom η-Typ ist, wird über der Quell- und der Entzugszone 6o bzw. 62 eine Vorablagerung von Bor (ein p-Fremdstoff) aufgebracht. Dann wird das Plättchen einer Diffusionsumgebung ausgesetzt, wobei die Verfahrensbedingungen so gewählt sind, daß eine Oberflächenkonzentration von 1,8 · Atomen pro Kubikzentimeter (- 10 %) und eine übergangstiefe

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yon 0,008 mm (+ 0,0οί mm) erreicht werden.

H. Anschließend wird das Plättchen einem Oxidationsschritt ausgesetzt, um auf diesem ein dickes Feldoxid in einer Dicke von angenähert Io 000 8 zur Ausbildung zu bringen. Diese Oxidation erfolgt typischerweise in einer nassen Sauerstoffatmosphäre bei ausreichend niedrigen Temperaturen, so daß keine erhebliche weitere Diffusion auftritt. Infolge der Neuverteilung der Fremdstoffe während der Wärmeoxidation wird die Oberfläehenkonzentration von Bor in der Entzugs- und in der Quellzone weiter verringert. In diesem Zeitpunkt sind die Quellzone 66 und die Entzugszone 68 bereits voll ausgebildet, wie in Fig. 7 dargestellt ist, und die Kanalzone 70 ist auf eine Länge von angenähert 0,0076 mm verkleinert worden.

5. Als nächstes wird das Plättchen wieder photolithographisch maskiert, und die Steuerelektrodenzone wird ausgeätzt, um das Feldoxid oberhalb der Steuerelektrodenzone 72 zu entfernen.

Die Breite der Maskenöffnung für die Steuerelektrode beträgt ο,οIo mm.

6. Es wird eine Steuerelektrodenoxidation ausgeführt, um ein sauberes, stabiles Oxid 88 von angenähert 1 000 8 Dicke in der Steuerelektrodehzone 7o auszubilden.

7. Das Plättchen wird erneut photolithographisch maskiert und geätzt, um das Oxid von den Kontaktzonen 74 und 76 der Quell- und der Entzugszonenbetten 66 bzw. 68 zu entfernen.

8. Dann wird reines Aluminium auf die Oberfläche des Plättchens bis zu einer Dicke von angenähert Io 000 8 aufgedamp ft.

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- 2ο -

9. Das Plättchen wird wiederum photolithographisch maskiert und geätzt, um die metallischen Anschlüsse 78 und 8o, sowie die Steuerelektrode 82 auszubilden.

10. Zu Schluß wird das Plättchen legiert, um zwischen den Aluminium-Anschlussen 78 und 8o und den Betten der Quell- und der Entzugszone jeweils ohmsche Kontakte auszubilden. Mit dem Legieren ist die Herstellung des Plättchens beendet. '

Bei dem neuen Verfahren ist der Abstand zwischen den ursprünglichen Maskenöffnungen für die Quell- und die Entzugszone o,o21 mm groß, und die Breite der Maskenöffnung für die Steuerelektrode beträgt ο,οΐο mm, so daß die Maskenöffnung für die Steuerelektrode in den Zwischenraum zwischen die öffnungen für die Quell- und die Entzugszone fällt und auf jeder Seite einen Abstand von o,oo5o mm von diesen aufweist. Das steht im Gegensatz zu den seither angewandten Verfahren zur Herstellung der derzeit verfügbaren MIS-Bauelemente,. bei denen die Maskenöffnung für die Steuerelektrode die Maskenöffnungen für die Quell- und die Entzugszone typischerweise um etwa o,oo25 bis o,oo5o mm überlagert.

Zur Integration dieses Aufbaus kann es" wünschenswert sein, die vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge für die Vorablagerung von Quell- und Entzugszonen und für die Diffusion nur für Transistoren zu verwenden, die einen hohen Durchbruch aufweisen. Auf diese Weise wird der sich aus diesem Verfahren ergebende Scheibenwiderstand für die Masse der Schaltung vermieden.

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Zur Herstellung eines' MIS-Transistors des beschriebenen Typs in einer integrierten Schaltung können zwischen den vorgenannten Verfahrensschritten 3 und 4 eine zusätzliche Oxidation und eine photolithographische Maskierung, sowie eine Que11zonen-Vorablagerung bei höheren Oberflächenkonzentrationen ausgeführt werden.

Um außerdem den Kontaktwiderstand in den p-Zonen zu verringern, können die p-Zonen in den Kontaktflächen 74 und 76 hoch dotiert sein. Somit gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung eines neuartigen MIS-FET-Bauelementes, das zwischen Quell- und Entzugszone höhere Spannungen als die Durchbruchspannung für das Oxid der Steuerelektrode aushalten kann. Das Diffusionsprofil ist in bezug auf die Geometrie der Steuerelektrode so beschaffen, daß das Bauelaient während seines Betriebes die Ausdehnung der Verarmungsschicht in die Entzugszone unter einer dünnen Oxidschicht gestattet, so daß in der dünnen Oxidschicht der Steuerelektrodenzone keine übergroße Konzentration des elektrischen Feldes auftritt.

Unter diesen Umständen und infolge der gegenseitigen Einwirkung der zwischen der Steuerelektrode 82 und der Grenze 86 der Verarmungszone 84 erzeugten elektrischen Felder, und aufgrund der Tatsache, daß die vier vorgenannten Hauptprobleme bekannter Bauelemente aus dem Wege geräumt worden sind, ermöglicht die Erfindung die Herstellung eines MIS-FET-Bauelementes für hohe Spannungen. Beispielsweise kann ein nach diesem

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Verfahren hergestellter Feldeffekt-Transistor mit einer dünnen Oxidschicht 88, deren Durchbruchpotential angenähert loo Volt beträgt, so ausgebildet werden, daß er eine Spannung bis zu I4o Volt zwischen Quell- und Entzugszone aushalten kann, ohne daß ein Durehbruch in der dünnen Oxidschicht 88, ein Durchgriff oder ein Durchbruch in der Masse stattfindet.

Wenngleich die Erfindung anhand eines Bauelementes mit einem p-Kanal beschrieben worden ist, läßt sich das Verfahren gleichermaßen auch zur Herstellung eines Bauelementes mit einem η-Kanal verwenden. Außerdem können jedes metallische Verbindungssystem und jedes dielektrische Material für die Steuerelektrode verwendet werden. In entsprechender Weise dienen die hier angegebenen Zahlenwerte nur zur Veranschaulichung, und die Erfindung läßt sich selbstverständlich in einer für den Fachmann ohne weiteres ersichtlichen Weise abwandeln oder weiter ausgestalten.

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Claims

Patentansprüche

l.ketall-Isolator-Halbleiter-Bauelement, insbesondere Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor, dessen Durchbruchspannung zwischen Quellzone und Entzugszone mehr als 60 Volt beträgt, gekennzeichnet durch eine Unterlage (64) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine in der Unterlage ausgebildete Entzugszone (68) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einem linearen Profil der Fremdstoffkonzentration, eine in einem Abstand von der Entzugszone in der Unterlage ausgebildete Quellzone (66), und durch eine oberhalb der Unterlage angeordnete und die Quell- und die Entzugszone voneinander trennende Steuerelektrode (82), die gegenüber der Unterlage durch eine dünne Oxidschicht (88) getrennt ist, welche auf einer Strecke von weniger als o,oo25 mm über die diffundierte Entzugszone hinaus vorsteht.

2. MIS-FET-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übergangstiefe der Entzugszone wenigstens 0,005 mm beträgt.

3. MIS-FET-Bauelement nach Anspruch 2₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Unterlage einen n-Fremdstoff, und die Entzugszone einen p-Fremdstoff von einer Oberflächenkonzentration von weniger als 2 ·■ 10 Atomen pro Kubikzentimeter aufweist.

k. MIS-FET-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement in der Weise hergestellt ist, daß über

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einer Zone eines Unterlagenmaterials (64) eines ersten Leitfähigkeitstyps eine Maskierung für eine Quell- und eine Entzugszone angeordnet wird, in der die Maskenöffnungen (6o, 62) für die Quell- und die Entzugszone um eine erste vorbestimmte Strecke voneinander entfernt sind, durch die Maskierung für die Quell- und die Entzugszone ein Fremdstoff von einem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Unterlage eindiffundiert wird und die Quell- und die Entzugszone (66, 68) mit linear verlaufenden Übergängen ausgebildet werden, über den die Quell- und die Entzugszone trennenden Unterlagenbereich eine Maskierung für die Steuerelektrode angeordnet wird, in der die Länge der Masken-

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Öffnung (72) für die Steuerelektrode einer zweiten vorbestimmten Strecke entspricht, die kleiner ist als die erste vorbestimmte Strecke, im Bereich der Steuerelektrodenöffnung über der Unterlage ein Oxid (88) für die Steuerelektrode zur Ausbildung gebracht und über dem Oxid für die Steuerelektrode durch Metallablagerung eine metallische Steuerelektrode (82) ausgebildet wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Isolator-Halb- leiter-Bauelernentes, insbesondere eines Metall-Isolator-Halbleiter-Peldeffekt-Transistors, dessen Durchbruchspannung von Quellzone zu Entzugszone mehr als 6o Volt beträgt, nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterunterlage (64) von einem ersten Leitfähigkeitstyp zur Diffusion einer Quell- und einer Entzugszone in die Unterlage vorbereitet und über der Unterlage eine Maskierung mit Öffnungen (6o, 62)

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für eine Quell- und eine Entzugszone angeordnet wird, wobei die öffnungen um eine erste vorbestimmte Strecke voneinander getrennt sind, ein Fremdstoff von einem zweiten Leitfähigkeitstyp in einer solchen Weise in die Quell- und in die Entzugszone eindiffundiert wird, daß eine Entzugszone von einer Fremdstoffkonzentration entsteht, die angenähert gleich ist der Fremdstoffkonzentration der Unterlage, und zwischen diesen ein linear verlaufender pn-übergang entsteht, über" der Unterlage eine Steuerelektrodenmaskierung vorgesehen wird, in der die Länge der öffnung (72) für die Steuerelektrode kleiner als die erste vorbestimmte Strecke ist, das Oxid unterhalb der öffnung für die Steuerelektrode entfernt, über der unterhalb der Steuerelektrodenöffnung befindlichen Unterlage eine dünne, im wesentlichen idne Oxidschicht (88) einer vorbestimmten Dicke aufgebracht und über der dünnen Oxidschicht eine metallische Steuerelektrode (82) ausgebildet wird. ■·■.'■

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorbestimmte Strecke- wenigstens o,ol5 mm beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Oberflächenkonzentration der Fremdstoffe in der Entzugszone

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weniger als 2 · 10 Atome pro Kubikzentimeter, und die Tiefe des pn-übergangs wenigstens 0,005 mm beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der sich von der Entzugszone zur Quellzone erstreckenden dünnen Oxidschicht (88) weniger als ο,οΐο mm beträgt.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Oxidschicht so ausgebildet wird, daß sie die diffundierte Entzugszone um weniger als o,oo25 mm überlagert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Oxidschicht weniger als 2 ooo S dick ausgebildet wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelementes, insbesondere eines Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekt-Transistors, dessen Durchbruchspannung von Quellzone zu Entzugszone mehr als 6o Volt beträgt, nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß über einer Unterlage (64) von einem ersten Leitfähigkeitstyp eine Maskierung mit Öffnungen (6o, 62) für eine Quell- und eine Entzugszone angeordnet wird, wobei die Öffnungen um eine erste vorbestimmte Strecke voneinander getrennt sind, ein Fremdstoff von einem zweiten Leitfähigkeitstyp durch die Öffnungen für die Quell- und die Entzugszone in die Unterlage eindiffundiert und eine Quell- und eine Entzugszone {66, 68) ausgebildet werden, die im wesentlichen die gleiche Fremdstoffkonzentration wie die Unterlage aufweisen, über der die Quell- und die Entzugszone trennenden Unterlagenzone (92) eine Maskierung mit einer Öffnung (72) für die Steuerelektrode angeordnet wird, wobei die Länge der Öffnung für die Steuerelektrode in der Maskierung einer zweiten vorbestimmten Strecke entspricht, die kleiner ist als die erste vorbestimmte Strecke, über der Unterlage innerhalb der Öffnung für die Steuerelektrode ein Oxid (88) ausgebildet und über dem Oxid der Steuerelektrode eine metallische Steuer-

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elektrode (82) durch Metallablagerung ausgebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkonzentration der Fremdstoffe in der Entzugszone weniger als 2 · 10 Atome pro Kubikzentimeter, und die Tiefe des pn-übergangs wenigstens o,oo5 mm beträgt.

13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Oxidschicht so ausgebildet wird, daß sie die diffundierte Entztigszone um weniger als o,oo25 mm überlagert.

14. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorbestimmte Strecke wenigstens o,ol5 mm beträgt.

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