DE2724165A1 - Junction FET with semiconductor substrate of first conduction type - has source and drain zones which reach no deeper in substrate than gate zone - Google Patents
Junction FET with semiconductor substrate of first conduction type - has source and drain zones which reach no deeper in substrate than gate zoneInfo
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Abstract
Description
Oberflächen-FeldeffekttransistorvorrichtungSurface field effect transistor device
Die Erfindung betrifft eine Oberflächen-Feldeffekttransistorvorrichtung.The invention relates to a surface field effect transistor device.
Es ist ein integrierter MOS-Schaltkreis bekannt, bei dem Oberflächen-Feldeffekttransistoren (im folgenden als MOSFETs bezeichnet) auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert sind. Dabei ist wiederholt versucht worden, die Integrationsdichte bei solchen integrierten MOS-Schaltkreisen zu erhöhen. Eine der günstigsten Möglichkeiten hierfür besteht darin, die einzelnen MOSFETs klein auszubilden.An integrated MOS circuit is known in which surface field effect transistors (hereinafter referred to as MOSFETs) integrated on a single semiconductor substrate are. Attempts have been made repeatedly to improve the integration density in such integrated MOS circuits increase. One of the cheapest ways to do this is in making the individual MOSFETs small.
Die einfache Verkürzung der Kanallänge des MOSFETs führt jedoch zu einer ungünstigen Wirkung, die als sog. "Kurzkanaleffekt" (short channel effect) bekannt ist. Bei Verkürzung der Kanallänge hängt die Schwellenwertspannung weitgehend von der Länge des Kanals ab. Zur Vermeidung des entsprechenden Problems empfiehlt es sich, die Source- und Drain-Bereiche flach bzw. dünn auszulegen, wodurch jedoch das elektrische Feld in der Nähe der Hauptflächen des Substrats an den Übergängen oder Sperrschichten zwischen dem Source-Bereich und dem Substrat sowie zwischen dem Drain-Bereich und dem Substrat intensiviert wird. Hieraus resultiert eine Verringerung der Durchbruchspannung an den pn-0bergängen nahe der Hauptfläche des Substrats.However, simply shortening the channel length of the MOSFET leads to an unfavorable effect, known as the so-called "short channel effect" is known. When the channel length is shortened, the threshold voltage largely depends on the length of the canal. Recommends to avoid the problem in question it is preferable to design the source and drain regions flat or thin, which however the electric field near the major surfaces of the substrate the Junctions or barriers between the source region and the substrate as well is intensified between the drain region and the substrate. This results a reduction in the breakdown voltage at the pn junctions near the main surface of the substrate.
Die Einzelheiten dieser Bedingungen sind nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines bisherigen MOSFETs, dessen Source- und Drain-Bereiche im Substrat tief bzw.The details of these conditions are given below with reference to Figs. 1 and 2 explained in more detail. Fig. 1 is a schematic representation of part of a previous MOSFETs, whose source and drain areas are deep or deep in the substrate.
dick ausgebildet sind. Fig. 2 zeigt dagegen schematisch einen Teil eines bisherigen MOSFETs, bei dem die Source- und Drain-Bereiche flach bzw. dünn ausgelegt sind. Diese Figuren veranschaulichen auch die Verteilungen des elektrischen Felds in der Nähe der Source-Bereiche 1o und 11 in den jeweiligen Fällen, wenn eine Gegenvorspannung an die Ubergänge oder Sperrschichten zwischen Source-Bereich und Substrat 12 angelegt ist. Die gestrichelten Linien in den Fig. 1 und 2 geben die Aquipotentiallinien in der Isolierschicht 14 und den Verarmungsschichten 18 an, die zwischen den Source-Bereichen 10 und 11 einerseits und demSubstrat 12 andererseits gebildet sind.are made thick. In contrast, Fig. 2 shows schematically a part of a previous MOSFET in which the source and drain areas are flat or thin are designed. These figures also illustrate the distributions of the electrical Field in the vicinity of the source regions 1o and 11 in the respective cases when a Counter bias at the junctions or barrier layers between the source area and Substrate 12 is applied. The dashed lines in Figs. 1 and 2 indicate the Equipotential lines in the insulating layer 14 and the depletion layers 18, that between the source regions 10 and 11 on the one hand and the substrate 12 on the other hand are formed.
Wie aus einem Vergleich dieser Figuren ersichtlich ist, wird die Verarmungsschicht im Fall der dünnen Source- und Drain-Bereiche bei Annäherung an die Hauptfläche des Substrats schmäler. Das in diesem Bereich herrschende elektrische Feld ist daher im Vergleich zu den anderen Bereichen stark, woraus sich eine Herabsetzung der Durchbruchspannung an den pn-Ubergängen in diesem Bereich ergibt.As can be seen from a comparison of these figures, the depletion layer becomes in the case of the thin source and drain regions when approaching the main surface of the substrate is narrower. The electric field prevailing in this area is therefore strong compared to the other areas, resulting in a reduction in the breakdown voltage at the pn junctions in this area.
Bei den dünnen Source- und Drain-Bereichen werden für Source-und Drain-Bereiche vorgesehene Metallekektroden aus z.B.The thin source and drain areas are used for source and drain areas provided metal electrodes made of e.g.
Aluminium zusammen mit diesen Bereichen aufgeschmolzen, wobei möglicherweise eine Legierung entsteht, die ihrerseits das Substrat erreicht. Dies bedingt eine Verringerung des Ausbringens an Feldeffekttransistoren.Aluminum melted together with these areas, whereby possibly an alloy is formed, which in turn reaches the substrate. this causes a reduction in the output of field effect transistors.
Selbstverständlich ist es möglich, die Fremdatomkonzentratlon des Substrats zu reduzieren, um dadurch die Durchbruchspannung der pn-Ubergänge des MOSFETs zu erhöhen. Hierdurch wird jedoch die Breite des pn-Ubergangs vergrößert, was wiederum dem Bestreben, die MOSFETs mit geringer Größe auszubilden, zuwiderläuft.Of course, it is possible to reduce the foreign atom concentration To reduce the substrate to thereby reduce the breakdown voltage of the pn junctions of the Increase MOSFETs. However, this increases the width of the pn junction, which in turn runs counter to the tendency to make the MOSFETs small in size.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Oberflächen-Feldeffekttransistorvorrichtung, bei welcher die Wirkung eines kurzen Kanals nicht vorhanden ist, die aber dennoch eine geringe Größe besitzt.The object of the invention is thus to create a surface field effect transistor device, in which the effect of a short canal does not exist, but it does has a small size.
Diese Aufgabe wird bei einer Oberflächen-Feldeffekttransistorvorrichtung mit einem Halbleitersubstrat des einen Leit(fähigkeits)typs, im Oberflächenbereich dieses Substrats ausgebildeten Source- und Drain-Bereichen des dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Leit(fähigkeits)typs, einem Gate-Bereich mit einer Gate-Isolierschicht zwischen Source- und Drain-Bereich sowie einer im Halbleitersubstrat um Source-, Drain- und Gate-Bereiche herum ausgebildeten Feldisolier schicht, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hauptgrenzflächen zwischen dem Substrat und dem Source-Bereich sowie zwischen dem Substrat und dem Drain-Bereich, in Richtung der Tiefe des Halbleitersubstrats gesehen, praktisch nicht tiefer liegen als die Hauptgrenzflächen zwischen der Gate-Isolierschicht und dem Substrat sowie zwischen der Feldisolierschicht und dem Substrat.This task is accomplished in a surface field effect transistor device with a semiconductor substrate of one conductivity type, in the surface area This substrate formed source and drain regions of the semiconductor substrate of opposite conductivity type, a gate region with a gate insulating layer between source and drain area as well as one in the semiconductor substrate around source, Drain and gate areas formed around field insulating layer, according to the invention solved in that the main interfaces between the substrate and the source region and between the substrate and the drain region, in the direction of the depth of the semiconductor substrate seen, are practically no deeper than the major interfaces between the gate insulating layer and the substrate and between the field insulating layer and the substrate.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 2 schematische Teildarstellungen bisher üblicher MOSFETs zur Veranschaulichung der Verteilungen des elektrischen Felds in der Nähe der Source-Bereiche, wobei Fig. 1 dicke und Fig. 2 dünne Source- und Drain-Bereiche zeigen, Fig. 3 eine Aufsicht auf eine MOSFET-Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 3 und Fig. 6 bis 11 schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens für den MOSFET gemäß den Fig. 3 bis 5.The following is a preferred embodiment of the invention in Compared to the prior art explained in more detail with reference to the accompanying drawing. 1 and 2 show partial schematic representations of previously common MOSFETs for Illustration of the distributions of the electric field in the vicinity of the source areas, FIG. 1 showing thick and FIG. 2 showing thin source and drain regions, FIG. 3 showing one Top view of a MOSFET device with features according to the invention, FIG. 4 a Section along the line IV-IV in FIG. 3, FIG. 5 a section along the line V-V in Fig. 3 and Fig. 6 to 11 are schematic sectional views for illustration of the manufacturing method for the MOSFET according to FIGS. 3 to 5.
In den Fig. 3 bis 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines MOSFETs gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem in einem Oberflächenbereich eines Substrats 20 aus Silizium vom p-Leit<fähigkeits)typ Drain- und Source-Bereiche 22 bzw. 24 ausgebildet sind. Das Substrat 20 weist zwischen Source-und Drain-Bereich 22 bzw. 24 eine Vertiefung auf. Eine Gate-Isolierschicht 26, z.B. aus Siliziumdioxid, bedeckt die Vertiefung und Teile der Source- und Drainbereiche 22 bzw.3 through 5 is a preferred embodiment of a MOSFET shown according to the invention, in which in a surface area of a substrate 20 made of silicon of the p-conductivity type drain and source regions 22 or 24 are formed. The substrate 20 has between the source and drain regions 22 or 24 a recess. A gate insulating layer 26, such as silicon dioxide, covers the recess and parts of the source and drain regions 22 and
24. Weiterhin ist auf der Gate-Isolierschicht 26 eine Gate-Elektrode 28 z.B. aus Aluminium ausgebildet. Im Feldbereich (field region) ist eine Feldoxidschicht 3o ausgebildet, welche Source- und Drain-Bereich, die Gate-Isolierschicht 26 und die GabsElektrode 28 umgibt.24. Furthermore, the gate insulating layer 26 has a gate electrode 28 made of aluminum, for example. In the field region there is a field oxide layer 3o trained, which source and drain area, the gate insulating layer 26 and surrounding the Gabs electrode 28.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß die im Substrat ausgebildeten Source- und Drain-Bereiche 22 bzw. 24 weniger weit in das Substrat 20 hineinreichen als die Gate-Isolierschicht 26 und die Feldoxidschicht 30.At this point it should be noted that those formed in the substrate Source and drain regions 22 and 24 extend less far into substrate 20 as the gate insulating layer 26 and the field oxide layer 30.
Bei dieser Konstruktion nimmt das im Substrat 20 unter der Gate-Isolierschicht 26 erzeugte elektrische Feld praktisch parallel zur Unterseite der Gate-Isolierschicht 26 verlaufende Xquipotentiallinien ein. Selbst bei Verkürzung des Kanals ist es damit möglich, die nachteilige Wirkung, daß der verkürzte Kanalbereich eine ungleichmäßige Potentialverteilung hervorruft und mithin die Schwellenwertspannung weitgehend von der Änderung der Kanallänge abhängt, zu vermeiden. Mit anderen Worten: mit dem MOSFET gemäß den Fig. 3 bis 5 kann der bei den bisherigen Feldeffekttransistoren mit dünnen Source- und Drain-Bereichen in Erscheinung tretende Kurzkanaleffekt ausgeschaltet werden. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß die Source- und Drain-Bereiche 22 bzw. 24 auf den Plateau- bzw. Mesabereichen des Substrats 20 ausgebildet sind und daher mit beliebiger gewünschter Dicke hergestellt werden können. Hierdurch wird folglich verhindert, daß die Kontaktelektroden durch die Source- und Drainbereiche 22 bzw. 24 in das Substrat 20 hineindringen. Außerdem kann dabei ohne weiteres die bei der Herstellung der dünnen Source-und Drain-Bereiche 22 bzw. 24 nötige Wärmebehandlung durchgerührt werden, während auch der Schlelüwiderstand jedes dieser Bereiche verringert werden kann.With this construction, this takes place in substrate 20 under the gate insulating layer 26 generated electric field practically parallel to the underside of the gate insulating layer 26 running x equipotential lines. Even if the canal is shortened, it is thus possible, the disadvantageous effect that the shortened channel area is uneven Causes potential distribution and therefore the threshold voltage largely of the change in the channel length depends to avoid. In other words: with the MOSFET according to FIGS. 3 to 5, in the previous field effect transistors with thin Source and drain areas appearing short channel effect switched off will. It should also be pointed out that the source and drain regions 22 and 24 are formed on the plateau or mesa regions of the substrate 20 and therefore can be made with any desired thickness. This will thus prevents the contact electrodes from passing through the source and drain regions 22 and 24 penetrate into the substrate 20. In addition, the heat treatment necessary in the production of the thin source and drain regions 22 and 24, respectively can be performed while also reducing the key resistance of each of these areas can be.
Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, verlaufen die Grenzflächen zwischen dem Substrat 20 und dem Source-Bereich 22 sowie zwischen dem Substrat 20 und dem Drain-Bereich 24, nUmlich die Grenzflächen der pn-Übergänge bzw. -Sperrschichten, senkrecht zu den Seitenwänden der Gate-Isolierschicht 26 und der Feldoxidschicht 30, d.h. zu den Grenzschichten zwischen Source-Bereich, Feldoxidschicht und Gate-Isolierschicht sowie zwischen Drain-Bereich, Feldoxidschicht und Gate-Isolierschicht. Hierdurch wird folglich die Konzentration des elektrischen Felds in der Nähe der Hauptfläche des Substrats 20 gemäß Fig. 2 beseitigt. Als Ergebnis wird eine Verbesserung der Durchbruchspannung zwischen dem Substrat einerseits und den Source- und Drain-Bereichen andererseits erzielt.As can be seen from FIGS. 4 and 5, the interfaces run between the substrate 20 and the source region 22 and between the substrate 20 and the Drain area 24, namely the interfaces of the pn junctions or Barrier layers, perpendicular to the sidewalls of the gate insulating layer 26 and the Field oxide layer 30, i.e. to the boundary layers between the source region, field oxide layer and gate insulating layer and between the drain region, field oxide layer and gate insulating layer. This consequently increases the concentration of the electric field in the vicinity of the Major surface of the substrate 20 according to FIG. 2 eliminated. As a result, there will be an improvement the breakdown voltage between the substrate on the one hand and the source and drain regions on the other hand achieved.
Die Fig. 6 bis 11 veranschaulichen das Verfahren zur Herstellung der MOSFET-Vorrichtung gemäß den Fig. 3 bis 5.Figures 6-11 illustrate the method of making the MOSFET device according to FIGS. 3 to 5.
Gemäß Fig. 6 wird zunächst eine erste Schicht loo aus Siliziumoxid (silo2) auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats 20 vom p-Typ mit einer Fremdatomkonzentration von etwa 1015 Atome cm3 ausgebildet, worauf auf dieser Schicht eine zweite Schicht 1o2 aus Siliziumnitrid (Si3N4) geformt wird. Sodann werden gemäß Fig. 7 die beiden Schichten loo und 102 auf dem Substrat 20 bis auf die den Source- und Drain-Bereichen entsprechenden Abschnitte weggeätzt. Ein p+-Bereich mit einer Fremdatomkonzentration von etwa lo18 Atome cm3 wird durch Diffusion oder Ioneneinsatz an den Feldbereichen im Substrat ausgebildet, um die Bildung einer Inversionsschicht zu verhindern. Danach werden Oxidschichten 30 und 104 jeweils mit einer Dicke von etwa 2 um in den Feldbereichen und im Gate-Bereich geformt. Durch den Ioneneinsatz wird beispielsweise Phosphor in die Bereiche des Substrats 20 injiziert> auf welche die erste und die zweite Schicht aufgebracht sind, wodurch Source- und Drain-Bereiche 22 bzw. 24 vom n+-Typ gebildet werden, deren Fremdatomkonzentration etwa 1 o19 Atome;cm3 und deren Tiefe etwa o,8 tm beträgt.According to FIG. 6, a first layer 100 made of silicon oxide is first made (silo2) on the surface of a p-type silicon substrate 20 having an impurity concentration of about 1015 atoms cm3, whereupon a second layer is formed on this layer 1o2 is formed from silicon nitride (Si3N4). Then, as shown in FIG. 7, the two Layers 100 and 102 on substrate 20 except for the source and drain regions corresponding sections etched away. A p + region with an impurity concentration of about lo18 atoms cm3 is produced by diffusion or the use of ions in the field areas formed in the substrate to prevent the formation of an inversion layer. Thereafter For example, oxide layers 30 and 104 each have a thickness of about 2 µm in the field areas and formed in the gate area. The use of ions, for example, makes phosphorus injected into the areas of the substrate 20 on which the first and second Layer are applied, whereby source and drain regions 22 and 24 of the n + type are formed whose foreign atom concentration is about 1 o19 atoms; cm3 and the depth of which is about 0.8 tm.
Beim nächsten Verfahrensschritt wird die Oxidschicht 104 auf dem Gate-Bereich durch ätzen abgetragen, während die Oxidschichten 30 in den Feldbereichen airückbleiben, wodurch im Gate-Bereich, d.h. zwischen Source- und Drain-Bereich 22 bzw. 24, eine Rille mit einer Breite von etwa 2 /um und einer Tiefe von etwa 1,2 Pm geformt wird. Bei diesem Vorgang werden die beiden Schichten 100 und 1o2 ebenfalls durch litzen abgetragen. Der entsprechende Zustand ist in Fig. 9 dargestellt. Gemäß Fig. 10 wird eine Gate-Oxidschicht 26 mit einer Dicke von etwa o,1 /um auf der Oberfläche des nach dem Verfahrensschritt gemäß Fig. 9 erhaltenen Halbleitergebildes ausgebildet, wofUr die Fertigungstechniken für übliche polykristalline Siliziumgate-MOSFETs angewandt werden. Im letzten Verfahrensschritt gemäß Fig. 11 werden eine pQlykristalline Siliziumelektrode 28 auf der Gate-Isolierschicht 26 und eine polykristalline Siliziumgate-Elektrode 28 auf der Gate-Oxidschicht 26 hergestellt. Danach wird beispielsweise durch chemisches Aufdampfen weiterhin eine Oxidschicht 34 ausgeoildet, die zur Herstellung von Kontaktlöchern mit Bohrungen versehen wird, durch welche hindurch Source- und Drain-Hlektroden auf den betreffenden Bereichen gebildet werden. Die Gate-Elektrode 28 wird mit einer nicht dargestellten Kontaktelektrode im Feldbereich verbunden.In the next process step, the oxide layer 104 is placed on the gate area removed by etching, while the oxide layers 30 remain in the field areas, whereby in the gate region, i.e. between the source and drain regions 22 and 24, a Groove with a width of about 2 / um and a depth of about 1.2 .mu.m is formed. During this process, the two layers 100 and 1o2 are also stranded through worn away. The corresponding state is shown in FIG. According to FIG. 10, a gate oxide layer 26 with a thickness of about 0.1 / µm on the surface of the formed according to the method step according to FIG. 9 obtained semiconductor structure, for which the manufacturing techniques for common polycrystalline silicon gate MOSFETs are used will. In the last method step according to FIG. 11, a pQlycrystalline silicon electrode 28 on the gate insulating layer 26 and a polycrystalline silicon gate electrode 28 is made on the gate oxide layer 26. Then, for example, by chemical Vapor deposition also forms an oxide layer 34 which is used to produce contact holes is provided with bores through which source and drain electrodes be formed on the areas concerned. The gate electrode 28 is with a Contact electrode not shown connected in the field area.
Wie die üblichen MOSFET-Vorrichtungen kann der auf die beschriebene Weise hergestellte MOSFET als Bauteil einer sog.Like the usual MOSFET devices, the Way manufactured MOSFET as a component of a so-called.
Bucket-Brigade-Vorrichtung sowie als Schalt- und Verstärkerelement Verwendung finden.Bucket brigade device and as a switching and amplifier element Find use.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise sind bei der beschriebenen Ausführungsform die Source- und Drain- Bereiche mit ihren Unterseiten auf einer Höhe über den Unterseiten der Gate-Isolierschicht 26 und der Feldoxidschicht 30 angeordnet. Die Unterseiten dieser Source- und Drain-Bereiche können jedoch auch geringfügig unterhalb sowohl der Isolierschicht 26 als auch der Feldoxidschicht 30 liegen. Hierdurch werden die Eigenschaften des Feldeffekttransistors nur wenig verändert.Of course, the invention is not limited to that described above Embodiment limited. For example, in the embodiment described the source and drain Areas with their bases on one Height above the undersides of the gate insulating layer 26 and the field oxide layer 30 arranged. However, the undersides of these source and drain regions can also slightly below both the insulating layer 26 and the field oxide layer 30 lying. As a result, the properties of the field effect transistor are only slightly changes.
Weiterhin können die Source- und Drain-Bereiche im Verfahrensschritt gemäß Fig. 9 auch durch Diffusion anstatt durch Ioneneinsatz bzw. -implantation hergestellt werden.Furthermore, the source and drain regions in the method step according to FIG. 9 also by diffusion instead of ion use or ion implantation getting produced.
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