DE2545871B2

DE2545871B2 - Feldeffekttransistor mit verbesserter Stabilität der Schwellenspannung

Info

Publication number: DE2545871B2
Application number: DE2545871A
Authority: DE
Inventors: Igor Pleasant Valley Antipov; Dale Keith Putnam Valley Jadus
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1980-06-19
Also published as: NL7513901A; ES442755A1; DE2545871C3; JPS5168776A; CH591764A5; BE835288A; DE2545871A1; BR7508781A; FR2293795B1; FR2293795A1; SE7513554L

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit einem monokristallinem Halbleiterkörper aus P-Ieitendem Silicium, mit einen Abstand voneinander aufweisenden, zwischen sich einen Kanalbereich definierenden Source- und Drain-Zonen des N-Leitungstyps, wobei mindestens die Drain-Zone aus einem Zentraibereich relativ hoher Störelement-Konzentration und einem diesen Zentralbereich umgebenden Randbereich relativ niedriger Störclement-Konzentration besteht, sowie mit einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebrachten isolierschicht und mit Source-, Gate- und Drain-Elektroden.

Derartige Feldeffekttransistoren sind beispielsweise bereits aus der DE-OS 24 04 184 bekannt

Die Entwicklung von Halbleitervorrichtungen und insbesondere von Feldeffekttransistoren hat ganz allgemein zum Ziel, das Betriebsverhalten zu verbessern, indem man die Dichte erhöht die Kapazität verringert und die Empfindlichkeit heraufsetzt. Durch Verringerung der Dichte wird der Kanalbereich verkürzt, wodurch sich eine größere Packungsdichte und ein schnelleres Ansprechverhalten ergibt Mit der Verkürzung der Kanallänge ergeben sich jedoch Einschränkungen in bezug auf die Betriebsspannung.η des Feldeffekttransistors. Die Störelementgradienten relativ flacher Diffusionszonen niedrigen spezifischen Widerstandes mit N-Ieitenden Störstellen, wie z. B. Arsen oder, zu einem geringeren Grad, Phosphor sind hoch. Die Durchbruchsspannung kurzer, mit N-Ieitendem Kanal versehener Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode kann sehr klein sein- FOr eine gegebene Betriebsspannung hat dies eine Beschränkung der Minimallinge von N-Kanal-Transistoren zur Folge und umgekehrt beschränkt eine vorgegebene minimale Kanaliänge die Höhe der Betriebsspannung. Für einen vorgegebenen Feldeffekttransistor mit sehr kleiner Kanallärige ist das elektrische Feld in der Nachbarschaft der Drain-Zone sehr hoch. Wird die Spannung zwischen Source- und Drain-Zone erhöht, dann tritt ein

ίο Lawinendurchbruch zunächst unmittelbar anschließend an die Drain-Zone in der Nähe der Oberfläche der Halbleitervorrichtung auf. Durch den Lawinendurchbruch werden Elektronen und Löcher erzeugt wobei sich die Elektronen in die dielektrische Schicht zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleiterkörper einlagern. Dadurch ergibt sich aber eine negative Aufladung, die die Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung wesentlich beeinflußt Wenn also die Längen der einzelnen Kanäle von Feldeffekttransistoren immer kurzer werden, dann wird die zulässige Betriebsspannung zwischen Source- und Drain-Zone ebenfalls kleinen

Die Erfindung hat e« sich zur Aufgabe gestellt diese einschränkenden Randbedingungen dadurch etwas zu mildern, daß eine Struktur eines Feldeffekttransistors angegeben wird, wodurch für eine gegebene an sich schon geringe Kanallänge höhere Betriebsspannungen bei stabiler Schweilenspannung benutz; werden können.

Dies wird bei einem Feldeffekttransistor der eingangs

j» genannten Art dadurch erreicht daß die Kanallänge 0,635 bis 234 χ 10~³ mm beträgt daß der Zentralbereich mit Arsen und der den Zentralbereich umgebende Randbereich mit Phosphor dotiert ist und daß die Oberflächen-Störelernentkonzentration im Zentralbe-

r. reich etwa I χ 10» bis 6 χ 10» Atome/cm³ und in dem den Zentralbereich umgebenden Randbereich etwa 3 χ 10" bis 5 χ 10"· Atome/cm³ beträgt

Vorzugsweise zeichnet sich dieser Feldeffekttransistor dadurch aus, daß auch die Source-Zone aus einem

4» mit Arsen dotierten Zentraitrereich und einem mit Phosphor dotierten Randbereich besieht und daß die Oberflächen-Störstellenkonzentration im Zentralbereich 1 χ !O²⁰Ws 6 χ 10²⁰ Atome/cm³ und im Randbereich 3 χ 10¹⁷ bis5 χ 10"Atome/cm³beträgt.

π Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale sind den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

Ί(ΐ In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1—7 eine Folge von Schnittansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Feldeffekttransistors mit einem kurzen Kanal,

t> Fig.8A und 8B eine vergrößerte Teilschnittansicht des Drain-Bereiches des erfindungsgemäß aufgebauten

Transistors und das entsprechende Störelemenlprofil

und

F i g. 9 ein Diagramm zur Darstellung der maximalen

M) Betriebsspannung über der Kanallänge, woraus die erhöhte Betriebsspannung, die sich bei erfind-mgsgcmqß aufgebauten Feldeffekttransistoren ergibt, erkennbar ist.

Die Hauptschwierigkeit, die beim Betrieb von

h'> Feldeffekttransistoren deren Wirksamkeit nachteilig beeinflußt, ist die durch Lawinenzusammenbruch hervorgerufene Injektion heißer Elektronen in das Gate-Dielektrikum. Es kann gezeigt werden, daß die

Stabilität und das Betriebsverhalten von Feldeffekttransistoren, bei denen diese Schwierigkeit auftritt, sich bis auf unannehmbare Werte verschlechtert. Heiße Elektronen werden durch starke elektrische Felder im Verarmungsbereich der Drain-Zone hervorgerufen, die eine Stoßionisation und Vervielfachung der Ladungsträger zur Folge hat, die zu einer lawinenartigen Injektion von Elektronen in das Dielektrikum führt Diese im Verarmungsbereich auftretenden hohen Feldstärken können dadurch herabgesetzt werden, daß man die Dicke des Veiarmungsbereichs der Drain-Zone heraufsetzt

In den F i g. 1 bis 7 ist eine Folge von Querschnittansichten dargestellt, die der Erläuterung eines Herstellungsverfahrens dienen. In F i g. 1 ist eine Maskenschicht 10, vorzugsweise aus Siliciumdioxid gezeigt die beispielsweise durch thermische Oxidation eines monokristallinen Siliciumkörpers 12 in einer oxydierenden Atmosphäre erzeugt wird, wobei die Oxidationszeit so gewählt wird, daß eine Schichtdicke der Schicht 10 im Bereich zwischen 600 und 1000 nm erzielt wird, öffnungen 14 und 16 werden durch übliche photolithographische und Ätzverfahren hergestellt. Die Öffnungen 14 und 16 liegen über den Source- und Drain-Bereichen, die in dem Halbleiterkörper 12 hergestellt werden sollen. Wie aus Fig.2 zu ersehen, wird zunächst ein erstes Störelement eingeführt Dabei wird Phosphor durch die öffnungen 14 und 16 in den Halbleiterkörper 12 zur Bildung der Zonen 18 und 20 eingebracht. Das Störelement kann entweder durch übliche Diffusion oder durch Ionenimplantation eingebracht werden. Falls das Störelement durch Diffusion eingebracht wird, soll die Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 4 χ ΙΟ¹⁸ Atomen/cm³ liegen. Wenn das Störelement durch lonenbeschuß eingebracht wird, sollte die Dosierung der Ionen so gewählt sein, daß sich eine Konzentration auf oder in der Nähe der Oberfläche von 4 χ 10¹⁸ Atomen/cm³ ergibt. Der lonenbeschuß wird normalerweise in der Größenordnung von 50 KeV liegen. Wie in F i g. 3 angedeutet, wird der Halbleiterkörper 12 anschließend für eine so lange Zeit auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, so daß das erste N-leitende Störelement in den Halbleiterkörper 12 hineingetrieben wird und sich dort ausbreitet. Dabei geht man gewöhnlich so vor, daß man den Halbleiterkörper in einer Stickstoffatmosphäre für ein bis vier Stunden auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1100"C aufheizt. Nach diesem Verfahrensschritt zum Eintreiben der Diffusion sollte der spezifische Widerstand auf oder in der Nähe der Oberfläche der Zonen 18 und 20 in der Größenordnung von 340 Ohm/Quadrat liegen, was einer Oberflächen-Störelementkonzentration von 1,6 χ 10" Atomen/cm³ entspricht. Wie aus F i g. 4 zu erkennen, wird anschließend Arsen durch die öffnungen 14 und 16 zur Bildung hoher Störelementkonzentrationcn in den Bereichen 22 und 24 in den Halbleiterkörper 12 eingebracht. Die Bereiche 22 und 24 dienen der Herstellung der elektrischen Kontaktverbindung an die Source- und Drain-Bereiche beim fertiggestellten Feldeffekttransistor. Das Arsen kann durch Kapseldiffusion eingeführt weruen. Andererseits läßt sich das Störelement auch durch lonenbeschuß mit geeigneter Energie und Dosierung einbringen, so daß sich in den Bereichen 22 und 24 eine hohe Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 1 bis 6 χ l0²''Atome/cm³ergibl. Wie aus Fig. 5 zu erkennen, werden dann, falls erforderlich, die Oberflächen und Öffnungen gereinigt, und der Halbleiterkörper wird zur Bildung einer Schicht 26, die eine Dicke in der Größenordnung von 400 nm aufweist, thermisch oxidiert Wie Fig,6 zeigt, wird dann der Teil der dielektrischen Schicht 10 zwischen den öffnungen 14 und 16 entfernt so daß die Oberfläche des Kanalbereichs 28 freiliegt Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man auf der Oberfläche der Schicht 10 eine Photolackschicht aufbringt und entwickelt so daß über dem Kanalbereich 28 eine öffnung verbleibt und daß man die

ίο freiliegende Oxidschicht abätzt Die sich dabei ergebende Struktur zeigt Fig,6. Anschließend wird über dem Kanalbereich 28 durch thermische Oxidation oder durch andere geeignete Verfahren zur Bildung des Gate-Dielektrikums eine Schicht 30 erzeugt und es werden für die Source- und Drain-Kontakte mit den Bereichen 22 und 24 neue öffnungen 32 und 34 hergestellt Durch metallischen Niederschlag und photolithographische Verfahren wird die Metallisierung hergestellt und somit erhält man eine Source-EIektrode 36, ^ine Gate-EIektrode 38 und eine Drain-Elektrode 40. Dieser Aufbau ist in Fig.7 gezeigt Selbstverständlich läßt sich dieses Verfahren zum Herstellen eines iv-zifischen Gate-Dielektrikums in beliebiger Weise abwandeln.
F i g. 8A und 8B zeigen die Art der Störelementvertei-

2*> lung oder des Störelementprofils in den Zonen 20 und 24, d. h, hier wenigstens im Drain-Bereich der dargestellten Halbleitervorrichtung. Die Kurve 42 stellt dabei die Störelementkonzentration im Bereich 24 dar, während die Kurve 44 das Störelement-Konzentra-

ii) tionsprofil im Bereich 20 zeigt Das Profil ist jeweils in den Mittelabschnitten der Bereiche ermittelt

Feldeffekttransistoren mit einem abgestuften Störelementprofil im Drain-Bereich lassen sich bei höheren Betriebsspannungen betreiben. Wenn ein Feldeffekt-

r> transitor in den Sättigungsbereich vorgespannt ist, dann fließen Elektronen durch diesen Kanal in den Raumladungsbereich, die den Drain-Übergang umgibt. Wenn das elektrische Feld im Raumladungsbereich ausreichend stark ist, dann wird ein Kanalelektron so stark

-)() beschleunigt, daß es eine ausreichend hohe kinetische Energie besitzt, um nach einem Zusammenstoß mit einem Siliciumatom ein Löcher-Elektronenpaar freizusetzen. Dieser in dem den Drain-Bereich umgebenden Verarmungsbereich ablaufende Vorgang einer Stoßio-

·»"' nisation wird als Ladungsträger-Vervielfcchung bezeichnet. Die durch diese Stoßionisation erzeugten Elektronen sind auf einem sehr hohen Energieniveau. In Feldeffekttransistoren des Anreicherungstyps zieht eine an der Gate-Elektrode 38 angelegte positive Ladung

ίο das Elektron an. Diese Elektronen können in der dielektrischen Schicht der Gate-Elektrode 30 eingelagert werden, wodurch sich eine permanente negative Aufladung ergibt. Diese negativen Ladungen nahen einen starken Einfluß auf die Schwellenspannung und

">' r!am!t auf den Betrieb des Feldeffekttransistors.

Das nachfolgende Beispiel soll der Erläuterung einer bevorzugten Ausiührungsform der Erfindung dienen und zeigen, daß dieser Feldeffekttransistor tatsächlich betriebsfähig und praktisch herstellbar ist.

Beispiel

Ein Halbleiterplättchen mit einer P-Ieitenden Störelementkonzentration und einem spezifischen Widerstand von 0,6 Ohm cm wurde gereinigt und anschließend »>■> wurde auf der Oberfläche durch thermische Oxidation der Oberfläcne zu S1O2 eine Maskenschicht mit einer Dicke von ungefähr 600 nm aufgebracht. Anschließend wurden fünf verschiedene Gruppen von Source- und

Drain-Öffnungen in dem Halbleiterplättchen durch Maskieren, photolithographische Verfahren und Ätzen hergestellt. Die Abstände zwischen den einzelnen Source- und Drain-Öffnungen waren 2,54, 3,1. 3,8. 4,45 bzw. 5,7 χ iodinin Anschließend wurde in dem Halbleiterplättchen in einer Arsenkapsel eine Arsendiffusion in der Weise durchgeführt, daß das Halbleiterplättchen für 105 min in Arsendampf auf 1050⁰C erhitzt wurde. Die dabei in dem Halbleiterkörper erzeugten Source- und Drain-Bereiche hatten eine Oberflächen-Störelementkonzentration von 5 χ IO²⁰ Atome/cm³ und einen spezifischen Widerstand von 10.2 Ohm/Quadrat. Nach Reoxidation der öffnungen wurden elektrische Kontaktanschlüsse an die Source- und Drain-Bereiche sowie die Source-, Drain- und Gate-Elektrode durch Verdampfen von Metall, photolithographische Verfahren und Abätzen hergestellt. Die effektive Kanalbreite zwischen Source und Drain wurde durch die folgende

- L

wobei L_m„i,_e der Abstand zwischen Source und Drain auf der Maske selbst ist und Un die tatsächliche wirksame Länge des Kanals zwischen Source- und Drain-Bereich und L den Gesamtabstand darstellt, bis zu dem die Störelemente unter dem Abschnitt der Maske, die über dem Kanal liegt, diffundiert sind.
Die folgende Beziehung wurde dabei verwendet:

/,= yW!L_ciJ(V,- V,- V₄Jy)V₄,.

wobei Id der vom Drain-Bereich nach dem Substrat fließende Strom, γ der Leitwert des Halbleitermaterials in dem Kanal, JVdie Tiefe des Substratkörpers, V, die Gate-Spannung, V, die Schwellenspannung und V_A die Spannung zwischen Drain und Source ist. Der obenstehende Ausdruck kann vereinfacht werden, wenn V* viel kleiner ist als V_g— V₁, so daß sich der folgende Ausdruck ergibt

ld wurde über V₁ für jeden der Feldeffekttransistoren für verschiedene Gate-Spannungen aufgetragen. Der Punkt, an dem die Kurve die waagrechte Achse der Kurve schneidet, ist die Schwellenspannung V₁. Verwendet man die Ausdrücke

Steigung (S) = -^₇--

dann wird eine zweite Kurve des Reziprokwertes der Steigung über den Werten von LmAe aufgetragen. Der Schnittpunkt der Kurve mit der waagrechten Achse gibt den Wert für L, d. h, den Abstand, über den sich die Diffusion unter der den Gate-Bereich bedeckenden Oxidschicht ausgebreitet hat Kennt man Lnuitr und L, dann kann mit Hilfe der ersten Gleichung Lrf-berechnet werden. Dasselbe Verfahren wurde mit allen Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichen Kanallängen durchgeführt, jeder der Feldeffekttransistoren wurde dann durchgeprüft um die Spannung Vp zu messen, d. h. die Spannung zwischen Drain und Substrat bei der der

Feldeffekttransistor in die Sättigung übergeht. Vd ist die Spannung, die gemessen wird, wenn ein Strom vom Substrat nach dem Drain-Bereich zu fließen beginnt, wenn die Gate-Spannung für einen Kleinstwert der Spannung Vu eingestellt ist. Die verschiedenen F.rgebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

	I, H
(Sourcc-Drain)
( K) ' nun)	111)
2.54	1.4
3.18	2.0
3.8	2.67
4.45	3,3
5.7	4.57

'/) (Voll

mm) (IO ' mm)

,14 6.5

,14 7.0

,14 7.2

,14 7.4

,14 7.5

Die Ergebnisse wurden in F i g. 9 aufgetragen, in der eine Kurve von Vo dargestellt ist. die ein Maß für die maximale Betriebsspannung des Transistors über der tatsächlich erzielten Länge des Kanals ist. Das Ergebnis zeigt Kurve 50 in F i g. 9.

Das gleiche Verfahren wurde mit einer zweiten Gruppe von Feldeffekttransistoren wiederholt, wobei jedoch die Source- und die Drain-Zone aus einem Zentralttreich relativ hoher Arsen-Konzentration und einem diesen Zentralbereich umgebenden Randbereich relativ niedriger Phosphor-Konzentration bestanden.

Eine Maske mit öffnungen für Source- und Drain-Diffusionen mit einem Abstand zwischen 1,9 χ 10-³mm und 6,3 x 10-³mm wurde in einem Siliciumsubstrat in der zuvor beschriebenen Weise hergestellt. Eine Implantation von Phosphor-Ionen wurde zunächst bei 50 KeV mit einer Dosierung von 1,7 χ 10^M Atomen/cm² durchgeführt. Nach der Phosphor-Ionenimplantation wurde das Substrat für 60 min in einer Stickstoffatmosphäre für eine Dispersion der ersten implantierten Ionen erhitzt Anschließend an diese Aufheizung wurde eine Arsendiffusion durch die gleiche Maske bei 1050⁰C für 30 min in einer Kapsel durchgeführt. Die sich dabei ergebende Oberflächenkonzentration von Arsen betrug 5 χ I0²⁰ Atome/cm³. Die effektive Breite des Kanals wurde für jede Gruppe von Feldeffekttransistoren in der zuvor beschriebenen Weise ermittelt ebenso wurde die Betriebsspannung in gleicher Weise ermittelt Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

l-mtnke	L₁.,, I	.88	1» (Vo.t)
(Source-Drain)		1,88
(Ι(Γ³ mm)		,88
1,95		,88	5,3
2,54	(10''mm) (lO'mm)	,88	6,8
3,18	0,254	,88	7.7
3,8	0,66	8,3
4,45	U9	8,6
6J5	1,93	9,2
2,56
4,47

Die Ergebnisse der Tabelle sind in F i g. 9 als Kurve 52 dargestellt

Aus einer Betrachtung der Kurven 50 und 52 erkennt man, daß für eine gegebene effektive Kanaiiänge in dem dargestellten Bereich eines doppelt diffundierten Source- und Drain-Bereiches, die einen Störelementgra-

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dienten ergibt, der fddeffekttransistor bei einer reich nach der Lrfindung ausgebildet sind. Ls sei hier wesentlich höheren Betriebsspannung betrieben wer- bemerkt, daß für sehr kurze Kanäle, d.h. mit einer den kann. Betrachtet man die Situation etwas anders, so Länge von weniger als 0.653 χ 10-¹ mm, die Durchsieht man, daD für eine gegebene Betriebsspannung die bruchsspannune kleiner sein kann als V/> Unter dieser Kanallänge beträchtlich kurzer sein kann, wenn Source- "> Bedingung ist die Betriebsspannung auf die Durch- und Drain-Bereich, insbesondere aber der Drain-Be- bruchsspannung beschränkt.

.■.j lliei/u 2 Watt Zeichnungen ^:i|

Claims

Patentansprüche;

1. Feldeffekttransistor mit einem monokristalliiiem Halbleiterkörper aus P-Ieitendem Silicium, mit einen Abstand voneinander aufweisenden, zwischen sich einen Kanalbereich definierenden Source- und Drain-Zonen des N-Leitungstyps, wobei mindestens die Drain-Zone aus einem Zentralbereich relativ hoher Störelement-Konzentration und einem diesen Zentralbereich umgebenden Randbereich relativ niedriger Störelement-Konzentration besteht, sowie mit einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebrachten Isolierschicht und mit Source-, Gate- und Drain-Elektroden, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kanallänge 0,635 bis 2^4 χ I Ο-³ mm beträgt, daß der Zentralbereich (24) mit Arsen und der den Zentralbereich umgebende Randbereich (20) mit Phosphor dotiert ist und
daß die Oberflächen-Störelementkonzentration im Zentralbprsich (24) etwa 1 χ 10» bis 6 χ 10» Atome/cm³ und in dem den Zentraibereich umgebenden Randbereich (20) etwa 3 χ 10^I7bis5 χ ΙΟ¹⁸ Atome/cm³ beträgt

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

daß die Source-Zone aus einem mit Arsen dotierten

Zentralbereich und einem mit Phosphor dotierten

Randbereich besteht und

daß die Oberflächen-Störstellenkonzentration im

Zentralbereich 1 χ 10²⁰WsO χ ΙΟ²⁰Atome/cm³und

im Randberoich 3 χ 10¹⁷ bis 5 χ 10" Atome/cm³ beträgt