DE2729658A1 - Feldeffekttransistor mit extrem kurzer kanallaenge - Google Patents
Feldeffekttransistor mit extrem kurzer kanallaengeInfo
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Description
272965Θ
Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit extrem kurzer Kanallänge nach der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Art.
Solche Transistoren sind beispielsweise aus der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-state Circuits», Vol. SC-10, No. 5, Okt.
1975, S. 322 - 331, bekannt. Zur Erzeugung einer hohen "punchthrough-Spannung",
die als derjenige Wert der Drainspannung definiert ist, bei dem das drainseitige Verarmungsgebiet das Sourcegebiet
erreicht, und zur gleichzeitigen Vermeidung eines nennenswerten Einflusses der Drainspannung auf den lansistor-Innenwiderstand
werden die in dieser Veröffentlichung beschriebenen Transistoren als sogenannte DMOS-Feldeffekttransistören ausgeführt, worunter
eine MOS-Transistorstruktur zu verstehen ist, die durch eine
Doppel-Diffusionstechnik erhalten wird. Hierbei werden die Source- und Draingebiete an der Oberfläche einer dotierten Halbleiterschicht
in einem normalen Abstand voneinander eindiffundiert,wobei
jedoch diesem Diffusionsvorgang ein anderer vorausgeht, bei dem im Sourcebereich eine die Dotierung der Halbleiterschicht wesentlich verstärkende Diffustonswanne gebildet wird, in die dann das
Sourcegebiet eindiffundiert wird.
Bei der DMOS-Technik entsteht ein Transistorkanal, dessen überwiegender
Teil zwischen dem Rand der Diffusionswanne und dem Rand des Draingebietes verläuft, während nur ein sehr kleiner Teil desselben
zwischen dem Rand der Diffusionswanne und dem Rand des in diese eingebetteten Sourcegebietes liegt. Dieser letztere Teil
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bestimmt die wirksame Kanallänge des Transistors, innerhalb der
eine Steuerung des Ladungsträgertransports mittels einer gegen die Halbleiteroberfläche isolierten Gateelektrode und einer dieser zugeführten
Steuerspannung erfolgt,während die "punch-through-Spannung"
Werte annimmt, die auch bei MOS-Feldeffekttransistören
mit einer dem Source-Drain-Abstand entsprechenden Kanallänge auftreten.
Bei den in DMOS-Technik hergestellten Feldeffekttransistoren tritt
jedoch der Nachteil auf, daß die wirksame Kanallänge von dem Verlauf des Doppel-Diffusionsprozesses abhängt. Da im allgemeinen
eine Vielzahl von gleichartigen Transistoren, die insbesondere auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, diesem Prozeß gleichzeitig
unterworfen werden, sind die wirksamen Kanallängen sowie die Sättigungsspannungen aller dieser Transistoren, letztere unter
der Voraussetzung gleicher Gatespannungen, untereinander gleich
groß oder stehen zumindest in einem prozeßabhängigen Verhältnis zueinander.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransistor
der eingangs genannten Art mit extrem kurzer Kanallänge anzugeben,
bei dem die vorstehenden Nachteile der bekannten Transistoren nicht auftreten. Das wird erfindungsgemäß durch eine Ausbildung
nach den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmalen erreicht.
Der Feldeffekttransistor nach der Erfindung zeichnet sich vor allem
dadurch aus, daß seine wirksame Kanallänge durch die geometrischen Abmessungen von geätzten Bereichen bestimmt wird, die für jeden
einzelnen der einem gemeinsamen Diffusionsprozeß unterworfenen Transistoren individuell definierbar sind. Außerdem ist die sich
an der Drainelektrode ergebende Sättigungsspannung der einzelnen Feldeffekttransistoren in einfacher W„ise wählbar bzw. einstellbar.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand der Zeichnung näher erläutert. Dargestellt ist ein Feldeffekttransistor,
dessen Kanalbereich an der Oberfläche einer pdotierten Halblei"erschicht 1, z.B- aus Silizium, zwischen den η dotierten
Source- und Draingebieten 2 und 3 liegt. Die Halbleiter-
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oberfläche ist dabei von einer ersten Isolierschicht 4, z.B. aus
SiO , bedeckt, über der eine zweigeteilte, erste Gateelektrode 5a,
5b angeordnet ist. Die beiden Elektrodenteile 5a und 5b sind durch einen im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung der zwischen dem
Source- und Draingebiet transportierten Ladungsträger verlaufenden, engen Spalt 6 voneinander getrennt. Über der ersten Gateelektrode 5a, 5b befindet sich eine zweite Isolierschicht 7, die
diese Elektrode auch im Bereich der den Spalt 6 begrenzenden Elektrodenflächen abdeckt. Eine oberhalb des Spaltbereiches angeordnete, zweite Gateelektrode 8, die so geformt ist, daß sie in
den Spalt 6 hineinragt, ist mit einem Steuerspannungsanschluß 9 versehen, der mit einer steuernden Gatespannung Uq2 beschaltet ist.
Wie in der Zeichnung schematisch angedeutet, weisen die Elektrodenteile 5a und 5b jeweils Anschlüsse 10 und 11 auf, die mit Vorspannungen U-. und Uß1. bestelltet sind. Das Sourcegebiet 2 ist
über einen Anschluß 12 mit einem Bezugspotential verbunden, das
Draingebiet über einen Anschluß 13 mit einer Drainspannung U^. Die
Halbleiterschicht 1 ist über einen Anschluß 1a an ein Substratpotential U_b gelegt.
Bei Zuführung positiver Vorspannungen UQ1a und U^. an die Teile
5a und 5b der ersten Gateelektrode.und beim Anlegen einer positiven
Drainspannung an den Anschluß 13 erfolgt eine Steuerung des Ladungsträgertransports zwischen dem Sourcegebiet 2 und dem Draingebiet 3 in Abhängigkeit von einer im allgemeinen positiven Gatespannung Uq2» die der zweiten Gateelektrode 9 zugeführt wird. Die
Steuerung erfolgt innerhalb des wirksamen Kanalbereiches 14, dessen Länge etwa der Breite des Spalts 6 entspricht. Das elektrische Verhalten entspricht dabei dem eines Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp (enhancemen^-Typ). Die Spaltbreite ist geometrisch
festlegbar, beispielsweise durch Wahl der Abmessungen einer Maskenöffnung, die bei einer Spaltätzung benutzt wird. Daher ist es möglich, bei einer Mehrzahl derartiger, in gemeinsamen Arbeitsgängen
hergestellter Transistoren die Spaltbreiten und damit die wirksamen Kanallängen derselben unterschiedlich zu bemessen. Die
Breite des Spaltes 6 und damit die wirksame Kanallänge 14 der einzelnen Transistoren kann z.B. 1 ,um oder noch weniger betragen.
Durch die Wahl der Vorspannung U_. ist die Sättigungsspannung Unc
am Drainanschluß 13 ingej-ijijjqjigr/ ffgicpg wählbar und zwar unabhängig
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von der steuernden Gatespannung UG2· Zweckmäßigerweise wird die
dem Elektrodenteil 5b zugefUhrte Vorspannung UQ1b größer gewählt
als Up1 , um eine gut kontrollierbare Kanalsteuerung mittels U^2
zu erreichen. Mit besonderem Vorteil ist die Vorspannung UG1&
variabel, wobei dann die Sättigungsspannung des Transistors auch im Betrieb individuell den jeweiligen Erfordernissen angepaßt
werden kann.
Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die Halbleiterschicht 1 nicht, wie oben beschrieben, p-dotiert, sondern
p"-dotiert oder F-dotlert, wobei gleichzeitig der Kanalbereich
in seiner oberflächenseitigen Dotierung auf einen p-Wert angeheben wird, beispielsweise durch eine lokale Implantation von
Akzeptor-Ionen. Damit wird eine Verringerung der Störkapazitäten an den pn-übergängen der Source- und Draingebiete 2 und 3 und eine
Erhöhung der Durchbruchspannungen an den übergängen erreicht, ohne
daß sich die übrigen elektrischen Eigenschaften des Transistors hierdurch ändern. Auch bei einer p-Dotierung der Halbleiterschicht
1 ist eine Anhebung der oberflächenseitigen Dotierung des Kanalbereiches I4auf einen etwas höheren Wert zweckmäßig, um eine
sichere Kanalsteuerung mittels U-~ zu erzielen.
Bei der Herstellung des Feldeffekttransistors nach der Erfindung
wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, daß auf der Halbleiterschicht 1 zunächst die erste, die Halbleiteroberfläche abdeckende Isolierschicht 4 aufgebracht wird, über die dann eine
erste leitende Beschichtung gelegt wird. Aus dieser wird die geteilte, erste Gateelektrode 5a, 5b in der Weise gebildet, daß
der Spalt 6 durch eine selektive Herausätzung eines schmalen Streifens dieser Beschichtung entsteht, wobei der Umriß der Elektroden 5a und 5b durch gleichzeitiges Wegätzen weiterer randseitiger Teile dieser Beschichtung bestimm* werden kann. Schließlich wird nach dem Aufbringen einer weiteren, die erste Gateelektrode 5a, 5b auch im Bereich des Spaltes 6 abdeckenden Isolierschicht 7 oberhalb des Spaltbereiches 6 eine zweite elektrisch leitende Beschichtung vorgesehen, aus der nittels an sich
bekannter, beispielsweise photolithographischer Schritte die zweite Gateelektrode 8 gebildet wird. Ein entsprechender Umriß
der ersten Gateelektrode 5a, 5b führt dann dazu, daß diese Teile
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bei einer anschließenden Implantation von Donator-Ionen zur
Bildung der Source- und Draingebiete 2 und 3 als Masken verwendet werden.
Zur Anhebung der oberflächenseitigen Dotierung im Kanalbereich 14
wird vorzugsweise nach dem Ausbilden des Spaltes 6 in der ersten leitenden Beschichtung eine Ionenimplantation mit Akzeptor-Ionen
vorgenommen, die durch Wahl einer entsprechenden Beschleunigungsspannung mit einer solchen Ionenbeschleunigung erfolgt, daß die
erste Gateelektrode 5a, 5b nicht mehr durchdrungen wird, so daß sie als Dotierungsmaske dient.
Die genannten Halbleiterdotierungen des Ausführungsbeispiels können auch so abgeändert werden, daß sich die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Halbleiterbereiche jeweils umkehren,wobei auch
Betriebsspannungen der entgegengesetzten Polarität vorzusehen sind. Die erste Gateelektrode 5a, 5b und/oder die zweite Gateelektrode 8 kann aus stark dotiertem Halbleitermaterial, insbesondere aus Polysilizium, bestehen oder als metallische Beschichtung, insbesondere aus Aluminium, ausgeführt sein.
9 Patentansprüche
1Figur
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-t-
Claims (9)
- Patentansprüche77 P 7 077 BRDί1.JFeldeffekttransistor mit extrem kurzer Kanallänge, der eine dotierte Halbleiterschicht mit oberfBshenseitig eingefügten entgegengesetzt dotierten Source- und Draingebieten und eine von der Halbleiteroberfläche durch eine Isolierschicht getrennte, erste Gateelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Gateelektrode (5a, 5b) durch einen im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung der zwischen dem Source- und Draingebiet (2 und 3) transportierten Ladungsträger verlaufenden, engen Spalt (6) zweigeteilt ist, daß oberhalb des Spaltbereiches eine zweite Gateelektrode (8) vorgesehen ist, die durch eine zweite Isolierschicht (7) gegen die erste Gateelektrode (5a, 5b) isoliert ist, und daß beide Teile (5a, 5b) der ersten Gateelektrode mit jeweils einer Vorspannungsquelle (10, 11) verbunden sind, während die zweite Gateelektrode (8) mit einem Steuerspannungsanschluß (9) versehen ist.
- 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gateelektrode (8) so geformt ist, daß sie in den Spalt (6) der ersten Gateelektrode (5a, 5b) hineinragt.
- 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem drainseitigen Teil (5a) der ersten Gateelektrode zugeführte Vorspannung (Uq-J81) einstellbar ist.
- 4. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die dem sourceseitigen Teil (5b) der ersten Gateelektrode zugeführte Vorspannung (UG1b) größer ist als die dem drainseitigen Teil (5a) zugeführte Vorspannung (UQ1a).
- 5. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnex, daß die Halbleiterschicht (1) in einem unterhalb des Spalts (6) liegenden, oberflächenseitigen,'streifenförmigen Gebiet (14) eine erhöhte Dotierung aufweise.
- 6. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Gateelektrode (5a, 5b bzw. 8) aus stark dotiertem Halbleitermaterial,809882/0392l 77 P 7 O 7 7 BRDinsbesondere Polysilizium, besteht.
- 7. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Gateelektrode (5a, 5b bzw. 8) als metallische Beschichtung, insbesondere aus Aluminium, ausgeführt ist.
- 8. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dotierten Halbleiterschicht (1) zunächst die erste, die Halbleiteroberfläche bedeckende Isolierschicht (4) aufgebracht und über derselben eine erste leitende Beschichtung vorgesehen wird, aus der die erste Gateelektrode (5a, 5b) in der Weise gebildet wird, daß durch selektives Wegätzen eines zwischen demSource- und Draingebiet (2 und 3) liegenden Streifens dieser Beschichtung und ggf. weiterer randseitiger Teile derselben eine den Halbleiterbereich zwischen dem Source- und Draingebiet (2 und 3) mit Ausnahme eines unterhalb des genannten Streifens liegende; streifenförmigen Halbleitergebiets (14) überdeckende, zweiteilige Elektrodenform entsteht, daß nach dem Aufbringen einer die erste Gateelektrode (5a, 5b) abdeckenden Isolierschicht (7) auf dieser oberhalb des weggeätzten StrelÄns der ersten leitenden Beschichtung eine zweite elektrisch leitende Beschichtung vorgesehen wird, aus der die zweite Gateelektrode (8) gebildet wird, und daß eine Ionenimplantation vorgenommen wird, die unter Verwendung der ersten Gateelektrode (5a, 5b) als Dotierungsmaske zur Bildung der Source- und Draingebiete (2 und 3) führt.
- 9. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung der oberflächenseitigen Dotierung der Halbleiterschicht (1) innerhalb des streifenförmigen Gebiets (14) durch eine Ionenimplantation vorgenommen wird, die nach dem Wegätzen des Streifens der ersten leitenden Beschichtung mit einer solchen Ionenbeschleunigung erfolgt, daß die erste leitende Beschichtung als Dotierungsmaske dient.809882/0392
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