DE2512373B2 - Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit tiefer Verarmungszone - Google Patents
Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit tiefer VerarmungszoneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit tiefer Verarmungszone, der in einer
dünnen, einkristallinen, auf einem isolierenden Substrat angeordneten Halbleiterschicht ausgebildet ist und der
eine Source- und eine Drain-Zone hoher Leitfähigkeit, einen zwischen diesen Zonen liegenden, sich bis zum
Substrat erstreckenden Kanal vom Leitungstyp der Zonen, jedoch mit geringerer Leitfähigkeit und eine von
der Oberfläche des Kanals durch eine Isolierschicht getrennte Gate-Elektrode aufweist, insbesondere für
eine integrierte Schaltung mit einer Vielzahl von dünnen, einkristallinen Halbleiterschichten, die auf
einem isolierenden Substrat angeordnet sind und ursprünglich alle denselben Leitungstyp haben.
Integrierte Hochleistungsschaltungen mit geringem Rauschen sind bisher in Siliziuminseln hergestellt
worden, die epitaktisch auf isolierenden Substraten, wie Saphier, gebildet wurden. Diese Schaltungen enthalten
gewöhnlich in getrennten Inseln auf dem Substrat gebildete Komplementär-Transistoren mit P- und
N-Kanal. Wenn diese Transistoren als Anreicherungs-Typ zur Anwendung kommen, wie dies in den
meisten Digital-Schaltungen der Fall ist, werden für die P- und N-Kanal-Transistoren getrennte Inseln benötigt,
die ursprünglich N- bzw. P-leitend sind. Eine Möglichkeit,
eine derartige Struktur herzustellen besteht darin, eine erste Siliziumschicht eines Leitungstyps aufzuwachsen.
Teile der Schicht wegzuätzen, wodurch Inseln eines Leitungstyps entstehen, dann eine zweite Siliziumschicht
des entgegengesetzten Leitungstyps in den Zwischenräumen zwischen den ersten Inseln aufzuwachsen
und diese zweite Schicht so zu ätzen, daß andere Inseln entstehen.
Ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor der eingangs
Ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor der eingangs
ίο genannten Art ist in der Zeitschrift »Electronics«, Band
45,1972, Heft 20, Seiten 113 bis 116 beschrieben. Dieser
Transistor besteht aus einem isolierenden Träger, zum Beispiel einem Saphier, mit einer darauf epitaktisch
aufgewachsenen Halbleiterschicht, in der mit Abstand angeordnete Source- und Drainbereiche eines Leitungstyps liegen, die einen Kanalbereich desselben Leitungstyps begrenzen, und einer von dem Kanalbereich durch
eine Isolierschicht getrennten Gate-Elektrode.
Der bekannte Isolierschicht-Transistor ist Bestandteil eines komplementären Transistorpaares mit Siliziuminseln nur eines Leitungstyps. Dabei werden gegenüber Schaltungen dieser Art, die von Siliziuminseln verschiedenen Leitungstyps ausgehen, Herstellungsschritte eingespart und eine verbesserte Ausbeute erzielt. In diesen Bauteilen braucht daher der eine Transistor eines Komplementärpaares Source- und Drain-Bereiche eines den Inseln (wie sie anfänglich gebildet wurden) entgegengesetzten Leitungstyps und arbeitet als echter Anreicherungstyp. Der andere Transistor enthält Source- und Drain-Bereiche des den Inseln (wie sie ursprünglich gebildet wurden) gleichen Leitungstyps und arbeitet im Verarmungsbetrieb, und zwar mit einer tiefen Verarmungszone (deep depletion). Die anfängliche Dotierstoff-Konzentration und die Dicke des
Der bekannte Isolierschicht-Transistor ist Bestandteil eines komplementären Transistorpaares mit Siliziuminseln nur eines Leitungstyps. Dabei werden gegenüber Schaltungen dieser Art, die von Siliziuminseln verschiedenen Leitungstyps ausgehen, Herstellungsschritte eingespart und eine verbesserte Ausbeute erzielt. In diesen Bauteilen braucht daher der eine Transistor eines Komplementärpaares Source- und Drain-Bereiche eines den Inseln (wie sie anfänglich gebildet wurden) entgegengesetzten Leitungstyps und arbeitet als echter Anreicherungstyp. Der andere Transistor enthält Source- und Drain-Bereiche des den Inseln (wie sie ursprünglich gebildet wurden) gleichen Leitungstyps und arbeitet im Verarmungsbetrieb, und zwar mit einer tiefen Verarmungszone (deep depletion). Die anfängliche Dotierstoff-Konzentration und die Dicke des
J5 Halbleitermaterials, das Material der Gate-Elektrode
(d. h. seine Austnttsarbeit) und die Schaltungsbedingungen, d. h. die während des Schaltungsbetriebes verwendeten
Spannungshöhen, werden so gewählt, daß der Kanal dieses Transistors durch die ganze Dicke des
Halbleitermaterials verarmt werden kann, um die »Aus«-Bedingung des Bauteils herzustellen.
Durch diese nach der sogenannten SOS-Methode (silicon-on-sapphire) hergestellten Feldeffektransistoren
konnten die Anwendungsvorteile herkömmlicher bipolarer Transistoren mit den Herstellungsvorteilen
von MOS-Transistoren (MOS = Metall-Oxid-Silicium)
kombiniert werden. Bei der Anwendung der SOS-Methode tritt aber insofern eine erhebliche Schwiergikeit
auf, als eine äußerst genaue Kontrolle der Dicke des
so Halbleitermaterials und seines Dotierniveaus erforderlich ist, um die Bauteile mit einer solchen Ausbeute zu
erzeugen, daß eine wirtschaftliche Produktion möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Herstellung ohne Einbuße an Leistung und Qualität so weit vereinfacht ist, daß der bisher bei der Produktion in Kauf zu nehmende Ausschuß auf ein wirtschaftlich vertretbares Maß herabgedrückt ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Kanal aus einem ersten, an die mit der Isolierschicht abgedeckte Oberfläche angrenzenden, dünner als die Halbleiterschicht ausgebildeten Kanalbereich und aus einem zweiten, unterhalb des ersten Kanalbereichs liegenden und sich über den Rest der Dicke der Halbleiterschicht erstreckenden Kanalbereich besteht und daß die Leitfähigkeit des ersten Kanalbereichs höher als diejenige des zweiten Kanalbe-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Herstellung ohne Einbuße an Leistung und Qualität so weit vereinfacht ist, daß der bisher bei der Produktion in Kauf zu nehmende Ausschuß auf ein wirtschaftlich vertretbares Maß herabgedrückt ist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Kanal aus einem ersten, an die mit der Isolierschicht abgedeckte Oberfläche angrenzenden, dünner als die Halbleiterschicht ausgebildeten Kanalbereich und aus einem zweiten, unterhalb des ersten Kanalbereichs liegenden und sich über den Rest der Dicke der Halbleiterschicht erstreckenden Kanalbereich besteht und daß die Leitfähigkeit des ersten Kanalbereichs höher als diejenige des zweiten Kanalbe-
reichs ist Eine weitere Verbesserung und Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Wenn eine Störstellendichte von ungefähr 1013 Atomen/cm3 im unteren Kanalbereich und von 2 · 10lä
Atomen/cm3 im oberen Bereich gewählt wird, kann gezeigt werden, daß die Verarmungsspannung für den
unteren Kanalbereich um nahezu zwei Größenordnungen geringer ist als für den oberen Kanalbereich. Bei
herkömmlichen, nach der SOS-Methode hergestellten Isolierschicht-Feldeffekttransistoren hängt die Schwellenspannung
in hohem Maße von der Dicke des Halbleitermaterials und der Konzentration der darin
enthaltenden Dotierstoffe im Bereich des Stromkanals ab. Da bei dem erfindungsgemäßen Isolierschicht-Feldeffekttransistor
die Spannung zum vollständigen Verarmen des unteren Kanalbereichs klein gegen die zur
Verarmung des oberen Kanalbereichs erforderliche Spannung ist, wird erreicht, daß die Dicke des unteren
Kanalbereichs praktisch keinen Einfluß mehr auf die Funktionsparameter des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors
hat
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements ist daher mit verbesserter Ausbeute als bisher zu
rechnen, weil eine genaue Einstellung der Dicke eines auf einem isolierenden Träger epitaktisch aufzubringenden
Materials bei gleichzeitiger genauer Einstellung der Dotierstoffkonzentration nicht mehr erforderlich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistor ist die sogenannte Schwellenspannung nur von der Dicke und
der Konzentration des oberen Bereichs des Stromkanals abhängig. Diese Werte können jedoch sehr genau
gesteuert werden.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 einen Teil eines schematischen Querschnitts durch ein integriertes Komplementär-Bauteil gemäß
dem Stand der Technik,
F i g. 2 einen der F i g. 1 ähnlichen Querschnitt eines Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Isolierschicht-Feldeffekttransistor
und
F i g. 3 und 4 Herstellungsstufen eines Verfahrens zum Herstellen des Bauteils mit einem erfindungsgemäßen
Isolierschicht-Feldeffekttransistor anhand von Teilquerschnitten.
Wie bereits erwähnt, sind Halbleiterbauteile bekannt, bei denen komplementäre N-Kanal und P-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
in Halblekerinseln hergestellt sind. Dies sind Bauteile, bei denen einer der
Transistoren als Anreicherungstyp und der andere Transistor als Verarmungstyp arbeitet. Ein typischer
Aufbau eines derartigen Bauteils ist in F i g. 1 dargestellt und mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Das Bauteil 10 besitzt ein Substrat 12 aus irgenoeinem
geeigneten monokristallinem isolierenden Material, vorzugsweise ein Material wie einkristalliner Saphir,
chromdotiertes Galliumarsenid oder Spinell. Auf einer Oberfläche 14 des Substrats kann eine Schicht aus
einkristallinem Halbleitermaterial aufgewachsen werden. Auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 befinden
sich zwei Transistoren 16 und 18. Der Transistor 16 weist einen Halbleiterkörper 20 auf, der sich epitaktisch
auf dem Substrat 12 befindet. Ähnlich weist der Transistor 18 einen Halbleiterkörper 22 epitaktisch auf
dem Substrat 12 auf. Die Körper 20 und 22 besitzen anfänglich denselben Leitfähigkeitstyp und denselben
Grad an Leitfähigkeit. Im vorliegenden Fall sind die Körper 20 und 22 n-leitend.
Der Transistor 16 besitzt weiterhin mit Abstand voneinander angeordnete Source- und Drain-Bereiche
24 und 26, im vorliegenden Fall ρ+-leitend, die im Körper 20 angeordnet sind und zwischen sich einen
Kanal 28 für Ladungsträger einschließen. Der Halbleiterkörper 20 ist mit einer Isolierschicht 30 bedeckt
die vorzugsweise eine für einen Gate-Isolator geeignete Dicke und Zusammensetzung besitzt Eine Source-Elektrode
32 erstrecke sich durch eine öffnung 34 in der
ίο Oxidschicht 30 bis zum Kontakt mit dem Source-Bereich
24. Eine Drain-Elektrode 36 erstreckt sich durch eine Öffnung 38 in der Oxid-Isolierschicht 30 bis zum
Kontakt mit dem Drain-Bereich 26. Eine Gate-Elektrode 40 beispielsweise aus ρ+-leitendem polykristallinem
Silizium liegt auf der Schicht 30 über dem Kanal 28.
Der Transistor 18 besitzt mit Abstand voneinander angeordnete Source- und Drain-Bereiche 42 und 44, die
zwischen sich einen Kanal 46 für Ladungsträger einschließen. Im vorliegenden Beispiel sind Source- und
Drain-Bereiche 42 und 44 η+-leitend. Eine Isolierschicht
48, die der Isolierschicht 30 entspricht bedeckt den Halbleiterkörper 22.
Eine Source-Elektrode 50 erstreckt sich durch eine öffnung 52 in der Schicht 48 bis zum Kontakt mit dem
Source-Bereich 42 des Transistors 18. Im beschriebenen Beispiel erstreckt sich die Drain-Elektrode 36 des
Transistors 16 auch durch eine öffnung 54 in der Schicht 48 bis zum Kontakt mit dem Drain-Bereich 44 des
Transistors 18. Eine Gate-Elektrode 56 liegt auf der Isolierschicht 48 oberhalb des Kanals 46.
Gemäß F i g. 1 sind die beiden Transistoren 16 und 18 durch die schematisch dargestellten Verbindungen zu
den zuvor beschriebenen verschiedenen Elektroden als ein Inverter miteinander verbunden. Dazu gehört ein
Anschluß 58, beschriftet mit Vh, der mit der Source-Elektrode 32 des Transistors 16 verbunden ist. Ein
Anschluß 60, beschriftet mit Vu ist mit der Source-Elektrode
50 des Transistors 18 verbunden. Die Indizes H und L sollen relativ hohe positive bzw. relativ niedrige
negative Spannungen bezeichnen. Ein Eingangs-Anschluß 62, gekennzeichnet mit Vm, ist über einen Leiter
64 mit beiden Gate-Elektroden 40 und 56 verbunden. Ein Ausgangs-Anschluß 66, Vom, ist mit der Drain-Elektrode
36 verbunden. Die Schaltung als Inverter ist nur zur Illustration dargestellt, denn es ist selbstverständlich
daß andere Schaltungskombinationen von zwei oder mehreren Komplementär-Transistoren vorgenommen
werden können.
Die Arbeitsweise des Bauteils 10 als ein Inverter ist folgende: Relativ hohe und relativ niedrige Speisespannungen
werden an den Anschlüssen 58 bzw. 60 angelegt Eine relativ hohe oder niedrige Spannung, d. h. eine
Sprungfunktion, kann dann am Eingangs-Anschluß angelegt werden. Wenn sich der Eingang 62 auf dem
relativ hohen Spannungsniveau Vn befindet, ist der
Transistor 16 ausgeschaltet, während der Transistor 18 eingeschaltet ist. Der Transistor 18 ist in diesem Fall
wegen der relativ hohen Spannung an seiner Gate-Elektrode 56 eingeschaltet, er ist nicht verarmt, und eine
ohmsche Leitung besteht zwischen seinen Source- und Drain-Bereichen. Andererseits führt eine niedrige
Spannung zur Verarmung des Leitungskanals 46 des Transistors 18 und schaltet somit diesen Transistor aus,
wenn der Kanal über die Dicke des Körpers 22 völlig verarmt ist. Mit einer hohe Spannung am Eingangs-Anschluß
62 ist der Ausgangs-Anschluß 66 effektiv mit dem Anschluß 60 gekuppelt und die Ausgangsspannung ist
niedrig.
Sofern eine relativ niedrige Spannung am Eingangs-Anschluß 62 anliegt, wird der Transistor 16 bis zur
»Ein«-Bedingung angereichert, während der Transistor 18 bis zur »Aus«-Bedingung verarmt. In diesem Fall ist
der Ausgangs-Anschluß 66 effektiv mit dem Anschluß 58 gekuppelt, so daß die Ausgangsspannung der
Schaltung hoch ist. Auf diese Weise wird die Eingangsspannung umgekehrt (Inverterfunktion), wie
dies durch die Spannungsniveau-Symbole neben den Bezeichnungen Vwund Vburangedeutet ist.
Die Betriebsweise des Transistors 18 wird durch verschiedene Faktoren bestimmt. Folgende Gleichung
drückt das Verhältnis der Schwellenspannung des Transistors 18 zu diesen Faktoren aus:
E0x
Darin bedeuten:
Vase-
tox:
E0x:
fs:
Es:
Es:
die Schwellenspannung des Transistors 18;
die Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem Material der Gate-Elektrode 56 und dem
Material des Körpers 22;
die Dicke der Isolierschicht 48;
die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht 48;
die Ladung eines Elektrons;
die Konzentration an Leitfähigkeitsmodifizierer im Ladungsträger 46;
die Dicke des Körpers 22 und
die Dielektrizitätskonstante des Körpers 22.
Diese Gleichung berücksichtigt nicht den Einfluß von Oberflächenzuständen auf die Schwellenspannung. Wie
allgemein bekannt ist, können Oberflächenzustände (Qss) die Schwellenspannung eines η-leitenden Bauteils
des Verarmungstyps um einen dem Ausdruck
Ox Qss
proportionalen Betrag reduzieren. Wenn Qss recht klein
gehalten werden kann, wie dies in der Praxis möglich ist, kann dieser Faktor vernachlässigt werden. Die angegebene
Gleichung geht auch davon aus, daß der Halbleiterkörper 22 gleichförmig dotiert ist, wie dies
auch bisher der Fall gewesen ist. Eine Betrachtung dieser Gleichung zeigt, daß die Schwellenspannung in
hohem Maße von der Dicke des Halbleitermaterials und der Konzentration von darin enthaltenen Dotierstoffen
abhängig ist.
In F i g. 2 ist ein Bauteil mit einem erfindungsgemäßen Isolierschicht-Feldeffekttransistor dargestellt, das insgesamt
mit 70 bezeichnet ist. Das Bauteil 70 besteht aus einem Substrat 72 — ähnlich dem Substrat 12 des
Bauteils 10 — auf dessen einer Oberfläche 74 zwei Transistoren 76 und 78 vorgesehen sind. Der Transistor
76 arbeitet als Anreicherungstyp wie der Transistor 16. Er weist einen schichtförmigen Körper 80 aus
Halbleitermaterial auf, in dem mit Abstand voneinander zwei ρ+-Bereiche 82 und 84 vorgesehen sind, die sich
vorzugsweise durch die gesamte Dicke des Körpers 80 erstrecken und zwischen sich einen Ladungsträgerkanal
86 einschließen. Der Kanal 86 besteht aus zwei Teilen 87 und 88. Der Kanalteil 88 ist relativ gering leitend, nahezu
intrinsic; der Teil 87 ist im vorliegenden Beispiel relativ hoch n-leitend.
Ein Isolierüberzug 90 bedeckt den Halbleiterkörper 80. Eine Source-Elektrode 92 erstreckt sich durch eine
öffnung 93 im Überzug 90 bis zum Kontakt mit dem Source-Bereich 82 des Transistors 76. Eine Drain-Elektrode
94 erstreckt sich durch eine öffnung 95 bis zum Kontakt mit dem Darin-Bereich 84 des Transistors 76.
Eine Gate-Elektrode 96 liegt auf dem Überzug 90 über dem Kanalbereich 86. Die Zweiteiligkeit des Kanalbereichs
stellt keine Vorteile für den p-Kanal-Transistor
ίο des vorliegenden Ausführungsbeispiels dar, ist vielmehr
zur Erleichterung der Herstellung vorgesehen, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben wird.
Der Transistor 78 ist im vorliegenden Beispiel ein Bauteil des Verarmungstyps, wie der Transistor 18. Der
Transistor 78 weist einen schichtförmigen Körper 98 aus Halbleitermaterial auf, in dem mit Abstand
voneinander hochdotierte Bereiche 99 und 100 vorgesehen sind, die sich vorzugsweise durch die ganze Dicke
des Körpers 98 erstrecken und zwischen sich einen Ladungsträgerkanal 102 einschließen. Der Kanal 102 ist
in zwei Teile 103 bzw. 104 unterteilt, die in diesem Ausführungsbeispiel die gleiche Dicke und das gleiche
Dotierprofil besitzen wie die Kanalteile 87 und 88. Die Leitfähigkeit im Teil 103 ist geringer als die der Bereiche
99 und 100. Der Teil 104 erstreckt sich vom Teil 103 bis zum Substrat 62. Ein Isolierüberzug 109 bedeckt den
Halbleiterkörper 98. Eine Source-Elektrode 105 erstreckt sich durch eine öffnung 106 im Überzug 109 bis
zum Kontakt mit dem Bereich 100 des Transistors 78.
Die Drain-Elektrode 94 kann sich, wie im vorliegenden Beispiel, ebenfalls durch eine öffnung 107 im Überzug
109 bis zum Kontakt mit dem Bereich 99 des Transistors 78 erstrecken. Eine Gate-Elektrode 108, die wie die
Gate-Elektrode 56 des Transistors 18 aus p+-leitendem
polykristallinem Silizium bestehen kann, befindet sich auf dem Überzug 109 über dem Ladungsträgerkana
102.
Die oberen Kanalteile 87 und 103 der beiden Kanäle 86 bzw. 102 sind relativ hoch dotiert, während die
unteren Kanalteile 88 und 104 nur sehr leicht dotiert sind. Bei einem bekannten Bauteil, wie es in F i g. 1
dargestellt ist, würden die gleichmäßig dotierten Kanalbereiche 28 und 46 gewöhnlich bis zu einem
Niveau von ungefähr 2 · 1015 Atome/cm3 dotiert sein.
Bei dem Bauteil 70 können die oberen Kanalteile 87 und
103 der Kanalbereiche 86 und 102 eine Dotierstoffkonzentration von ungefähr demselben Wert oder sogar
größer, vorzugsweise bis zu ungefähr 1 ■ 1016 Atome/cm3
haben. Die unteren Kanaiteile 88 und 104 der
so Kanalbereiche 86 bzw. 102 enthalten vorzugsweise Leitfähigkeitsmodifizierer in einer Menge von ungefähr
1013 Atome /cm3. Die Dicke der oberen Teile 87 und 103 sollte so gesteuert bzw. gewählt werden, daß sie
zwischen ungefähr 3000 A und ungefähr 6000 A liegt Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben
wird, ist die Gesamtdicke der Körper 80 und 98 im Bauteil 70 nicht kritisch und kann irgendwo zwischen
ungefähr 4000 A und ungefähr 12 000 A liegen. Es sei darauf hingewiesen, daß unter Umständen die unteren
no Teile 88 und 104 sehr dünn sein können. Transistoren,
die in dünnen Epitaxialschichten mit einem »tieferen« Dotierungsprofil hergestellt sind, sind nicht so gut wie
Transistoren mit »flacheren« Dotierungsprofilen, so daß die Teile 88 und 104 vorgesehen sein müssen, auch wenn
sie nur dünn sind.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Konzentration an Leitfähigkeitsmodifizierern in den unteren Teilen 88 und
104 der Kanalbereiche 86 bzw. 102 .ungefähr 10"
Atome/cm3. Die zum Verarmen derartigen Materials erforderliche Gate-Spannung ist verglichen mit der
Spannung, die notwendig ist, um einen Bereich entsprechender Dicke mit Modifizierern auf einem
2 · 1015 Atome/cm3-Niveau zu verarmen, unbedeutend;
es kann gezeigt werden, daß diese Verarmungsspannung nahezu zwei Größenordnungen geringer ist Es ist
daher zulässig, den unteren Teil 104 als Faktor beim Spannungsbedarf zu vernachlässigen. Infolgedessen
kann die Gleichung für die Schwellenspannung beim Transistor 78 folgendermaßen lauten:
Vm = Vc.sc -
ίο*
2ES
wobei Vth, Vgsg Ό* E0x, q und E1 dieselbe Bedeutung
wie in der zuvor angegebenen Gleichung (1) haben; N]03
ist die Dotierkonzentration im Bereich 103 und fit» ist
die Dicke des Bereichs 103. Diese Gleichung ist unabhängig von der Gesamtdicke des Körpers 98. Bei
der Herstellung des Bauteils 70 kann daher mit verbesserter Ausbeute gerechnet werden, weil bisher
die Kontrolle der Dicke von auf einem isolierenden Substrat aufgebrachtem epitaktischem Material sowie
der Dotierkonzentration ein Problem dargestellt hat Dies führte zu unannehmbaren statistischen Unterschieden in der Schwellenspannung. Die Erfindung führt
dazu, daß die Schwellenspannung nur noch von der Dicke und Konzentration des oberen Teils 103 des
Kanals des Transistors 78 abhängt, und es wird aus der folgenden Beschreibung deutlich werden, daß diese
Faktoren sehr genau kontrolliert und gesteuert werden können, indem das Ionenimplantationsverfahren zur
Herstellung des Teils 103 eingesetzt wird
In den Fig.3 und 4 sind einige Schritte zur
Herstellung des Bauteils dargestellt Bei der Herstellung wird vorzugsweise von einem Plättchen oder Substrat
72 ausgegangen, das aus einem Material, wie Saphir besteht, das das epitaktische Aufwachsen von Silizium
unterstützt bzw. beschleunigt Eine Oberfläche 74 des Substrats 72 ist parallel zu den kristallografischen
(1102)-Ebenen im Saphier orientiert, und eine Schicht
110 aus fast eigenleitendem Silizium des η-Typs wird darauf aufgewachsen. Die Oberflächenorientierung des
Saphirs führt dazu, daß das Silizium in der Richtung der (100)- Achse wächst, so daß die obere Oberfläche 111 der
Schicht 110 parallel zu den kristallografischen (100)-Ebenen verläuft Die Bedingungen während des
Aufwachsens sollten so eingestellt werden, daß das Silizium auf ein Niveau von ungefähr 1013 Atome/cm3
dotiert wird. Derartiges epitaktisches Aufwachsen ist grundsätzlich bekannt und kann mittels thermischer
Zersetzung von Silan (SiH4) durchgeführt werden. Es
kann gegebenenfalls eine geringe Menge Phosphin (PH3) der umgebenden Atmosphähre während des
Aufwachsens zugegeben werden, um sicherzustellen, daß das Silizium η-leitend ist
Als nächstes wird eine dünne Siliziumdioxidschicht 112 auf der Oberfläche 111 der Siliziumschicht 110
gebildet. Die Schicht 112 kann beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein, die durch Erhitzen des
Substrats 72 und der darauf befindlichen Schicht 110 auf eine Temperatur von ungefähr 875° C für eine Zeit von
ungefähr 15 Minuten, und zwar in einer oxidierenden Atmosphäre, die Dampf und einen geringen Anteil an
gasförmigem HCl enthält, gebildet wird. Dies führt zu
to einer sauberen Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 250 A.
Das Plättchen mit dem in F i g. 3 dargestellten Aufbau wird sodann einer konventionellen Ionenimplantation
ausgesetzt, wodurch eine Zone 114 aus stärker
leitendem Material an der Oberseite der Schicht 110
nahe der Oberfläche 111 gebildet wird. Das Plättchen wird dabei mit beschleunigten Ionen beschossen, wie
dies durch die Pfeile 115 angedeutet ist Die zum Einlagern erforderliche Energie kann über einen weiten
Bereich variieren; ihre Festlegung richtet sich nach dem speziellen Dotierungsprofil, das für die Zone 114
gewünscht ist. Energien zwischen ungefähr 50 Kev und ungefähr 200 Kev können je nach Wunsch eingesetzt
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde eine
eine Energie von 70 Kev führt zum gewünschten Erfolg.
werden, und die Dosierung kann irgendwo zwischen
ungefähr 1 · 10" Atome/cm2 und ungefähr 5 · 10"
Atome/cm2 liegen. Bei dem im vorigen Absatz erwähnten speziellen Beispiel, bei dem die Energie
150 Kev betrug, führt eine Dosierung von 1,4 · 10" Atome/cm2 zu guten Ergebnissen hinsichtlich der
Erzielung der gewünschten Dotierkonzentration im 2 · 1015 Atome/cm3-Niveau, und zwar ohne bemerkenswerten Schaden für das Silizium. Eine ähnliche Dosis
wurde bei der Implantation mit 70 Kev angewandt
Nachdem die Zone 114 in der Schicht: 110 in der zuvor
beschriebenen Weise hergestellt ist, können bekannte Verfahren angewandt werden, um die Transistoren 76
und 78 des fertigen Bauteils 70 zu bilden. Obgleich die vorstehende Beschreibung sich auf die Herstellung eines
Transistors 78 des n-Verarmungstyps in einem komple
mentären integrierten Bauteil beschränkt hat, sei darauf
hingewiesen, daß auch Transistoren des p-Typs herstellbar sind, wobei dann statt einer n-Epitaxialschicht eine solche des p-Typs verwendet wird. Es muß
jedoch dafür Sorge getragen werden, daß ein Gate-Ma
terial ausgesucht wird, das mit dem p-Silizium
verträglich !st, und zwar wegen der Kritikalität der Differenz der Austrittsarbeit Vase zwischen dem
Gate-Materiial und dem Silizium in den angegebenen Gleichungen. Für Verarmungsbauteile des p-Typs
können als Gate-Materialien Aluminium oder η+-dotiertes polykristallines Silizium verwendet werden.
Verarmungsbauteile des η-Typs können mit verschiedenen Gate-Materialien hergestellt werden, zu denen
beispielsweise polykristallines ρ+-Silizium gehört.
Claims (2)
1. Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit tiefer
Verarmungszone, der in einer dünnen, einkristallinen, auf einem isolierenden Substrat angeordneten
Halbleiterschicht ausgebildet ist und der eine Source- und eine Drain-Zone hoher Leitfähigkeit,
einen zwischen diesen Zonen liegenden, sich bis zum Substrat erstreckenden Kanal vom Leitungstyp der
Zonen, jedoch mit geringerer Leitfähigkeit und eine von der· Oberfläche des Kanals durch eine
Isolierschicht getrennte Gate-Elektrode aufweist, insbesondere für eine integrierte Schaltung mit einer
Vielzahl von dünnen, einkristallinen Halbleiterschichten, die auf einem isolierenden Substrat
angeordnet sind und ursprünglich alle denselben Leitungstyp haben, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kanal (102) aus einem ersten, an die mit der Isolierschicht (109) abgedeckte Oberfläche
angrenzenden, dünner als die Halbleiterschicht (98) ausgebildeten Kanalbereich (103) und aus einem
zweiten, unterhalb des ersten Kanalbereiches liegenden und sich über den Rest der Dicke der
Halbleiterschicht erstreckenden Kanalbereich (104) besteht und daß die Leitfähigkeit des ersten
Kanalbereichs (103) höher als diejenige des zweiten Kanalbereichs (104) ist.
2. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
(72) ein einkristalliner Saphir ist und die Halbleiterschicht aus einkristallinem Silizium besteht, daß die
Source- und Drainbereiche (99, 100) sich über die ganze Dicke der Halbleiterschicht (98) erstrecken
und daß die Störstellendichte in einem wesentlichen Teil des ersten Kanalbereichs (103) in der Größenordnung
1016 Störstellen/cm3 und des zweiten
Kanalbereichs (104) in der Größenordnung von 10'3
Störstellen/cm3 liegt.
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