DE2820331B2 - Dünnschicht-Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Dünnschicht-Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Feldeffekttransistor mit einem Substrat, mit einer auf dem Substrat angeordneten Gate-Elektrode aus einem Material, das Tantal enthält, mit einem auf der Gateelektrode angeordneten Gateoxid, das durch anodische Oxidation von Gatematerial erzeugt ist, mit einer auf der Oberfläche des Gateoxides angeordneten Schicht aus Halbleitermaterial und mit Source- und Drain-Elektroden an der Schicht aus Halbleitermaterial. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Dünnschicht-Feldeffekttransistors.
Ein derartiger Dünnschicht-Feldeffekttransistor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 7, Nr. 4, September 1964, S. 334, 335, bekannt. Bei diesem Dünnschicht-Feldeffekttransistor besteht die Gate-Elektrode aus Tantal.
Die Verwendung von Tantal als Ausgangsmaterial für das durch anodische Oxidation hergestellte Gateoxid führt zu einem Gate-Dielektrikum, welches hohen Tempenemperatüren nicht standhält Diese Temperaturen sind aber für die Temperung des Bauelements zur Erzeugung der gewünschten Transistoreigenschaften unerläßlich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschicht-Feldeffekttransistor zu schaffen, dessen Gate-Oxid einer Temperatung bei hohen Temperaturen standhält Außerdem soll ein Herstellungsverfahren für einen Dünnschicht-Feldeffekttransistör mit einem derartigen Gate-Oxid angegeben werden.
Ausgehend von einem Dünnschicht-Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gate-Material aus mit Stickstoff und Sauerstoff dotiertem Tantal besteht
Dieses Gate-Material hat den Vorteil, daß das bei seiner anodischen Oxidation entstehende Gateoxi'd bis zu Temperaturen von über 3000C bei Temperzeiten von mehr als zwei Stunden stabil ist Mit Stickstoff und Sauerstoff dotieretes Tantal ist als solches bekannt und wird bei H. Baeger »Herstellung von temperaturkompensierten Tantal-Dünnschicht-Widerständen und -Kondensatoren aus einer einzigen Schicht mit definiertem Gaseinbau« Dissertation an der Universität Stuttgart 1978, beschrieben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach der Erfindung sind die Source- und Drain-Elektroden auf dem Substrat
jo angeordnet und die Schicht aus Halbleitermaterial überdeckt diese Elektroden teilweise. Ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor mit einer entsprechenden Anordnung der Elektroden ist aus der US-PS 40 65 781 bekannt.
J5 Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Source- oder die Drain-Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist, daß darüber die Schicht aus Halbleitermaterial liegt, deren Dicke die Kanallänge festlegt, und daß auf der Schicht aus Halbleitermaterial die Drain- oder Source-Elektrode angeordnet ist.
Aus de;· GB-PS 10 84 937 ist zwar bereits ein Feldeffekttransistor bekannt, bei dem die Kanallänge durch die Dicke einer Halbleiterschicht festgelegt ist. Dort besteht diese Schicht jedoch aus einer epitaktischen Halbleiterschicht, die auf einen einkristallinen Halbleiterkörper des entgegengesetzten Leitungstyps aufgebracht und von einer weiteren epitaktischen Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps überdeckt ist. Aus der DE-AS 14 64 363 ist ein Dünnschicht-Feldeffekttransistor bekannt, bei dem die Source-Elektrode auf dem Substrat angeordnet und von der Halbleiterschicht überdeckt ist Bei diesem Dünnschicht-Feldeffekttransistor befinden sich die Gate-Elektroden in der Halbleiterschicht und nicht auf dem Substrat wie bei dem Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach der Erfindung.
Zur Herstellung von Dünnschicht-Feldeffekttransistören sind Verfahren bekannt, bei denen die Bauelemente durch Aufdampfen der verschiedenen Schichten durch Masken hindurch in einem Vakuumsschritt hergestellt werden, vergl. P. K. Weimer, The Insulated-Gate Thin-Film Transistor, Physics of Thin Films, Vol. 2,
ω 1964, S. 147-192. Als Halbleitermaterial wird iveist CdSe, als Gateoxid meist AI2O3 oder Yttriumoxid Y^Oj verwendet. Zur weiteren Erläuterung ist der Aufbau eines derartigen Transistors in Bild 1 der Zeichnungen
dargestellt. Die Bedampfung durch Masken in einem Vakuumschritt hat den Vorteil, daß Verunreinigungen auf den Oberflächen weitgehend vermieden werden. Die Nachteile dieses Verfahrens sind:
■5
1. Präzise Justierung der verschiedenen Masken in der Vakuumkammer ist schwierig.
2. Wegen mangelnder Stabilität der Masken ist die Substratgröße begrenzt auf etwa 15 χ 15 cm.
3. Der Verkleinerung der Strukturen unter etwa 25 μίτι rad Grenzen gesetzt, weil die Maskenöffnungen nicht beliebig verkleinert werden können, siehe auch 1 und 2.
4. Wegen Bedampfong der Masken selbst, was die Genauigkeit der Struktur zerstört ist häufige Reinigung und Neujustage der Masken erforderlich.
Viele Nachteile dieser Verfahren werden bei dem aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, a.a.O.. bekannten Verfahren vermieden, bei dem auf ein Substrat mittels Kathodenzerstäubung eine Schicht aus Tantal aufgebracht wird, bei dem dann mittels einer Photolackmaske und Ätzen die Grundstruktur der Gate-Elektrode erzeugt wird, bei dem anschließend durch anodische Oxidation von Gatematerial das Gateoxid hergestellt wird und bei dem schließlich eine Schicht aus Halbleitermaterial sowie Source und Drain-Elektroden erzeugt werden.
Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsge- jo mäßen Dünnschicht-Feldeffekttransistors, das im Anspruch 4 näher gekennzeichnet ist, lehnt sich an das eben beschriebene Verfahren an. Es unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren vor allem dadurch, daß eine mit Stickstoff und Sauerstoff dotierte Tantalschicht y, mittels reaktiver Kathodenzerstäubung hergestellt wird und daß diese Schicht zur Herstellung der Grundstruktur der Gate-Elektrode verwendet wird. Im weiteren Fortgang des Verfahrens ist es zweckmäßig, wenn vor dem Aufbringen der Schicht aus Halbleitermaterial im selben Vakuum-Schritt wenigstens die Oberfläche des Gateoxids mit Ionen oder ungeladenen Teilchen geätzt wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Bildern 2 und 3 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei sind in Abschnitt I die Herstellung und die Vorteile des erfindungsgemäßen Gateoxids beschrieben, im Abschnitt Il ist ein Beispiel eines vollständigen Herstellungsverfahrens für einen Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach der Erfindung erläutert, während sich Abschnitt III auf die Darstellung einer besonders zweckmäßigen Bauform eines Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach der Erfindung bezieht.
I: Gate- und Gateoxid-Material
55
Als Ausgangsmaterial wird Tantal mit Stickstoff- und Sauerstoffdotierung verwendet, das durch reaktive Kathodenzerstäubung mit einer Schichtdicke von 200 - 300 nm aufgebracht wird.
Das Material wird bei H. Baeger »Herstellung von temperaturkompensierten Tantal-Dünnschicht-Widerständen und -Kondensatoren aus einer einzigen Schicht mit definiertem Gaseinbau« Dissertation an der Universität Stuttgart 1978, beschrieben.
Nach naßchemischem Ätzen der Grundstruktur wird das Gateoxid durch anodische Oxidation des Ta-Gates erzeugt. Die relative Dielektrizitätskonstante beträgt er = 20, was bei einer Anod:sierspannung von LA, = 200 V zu Flächenkapazitäten um 300 pF/mmführt. Bei LA, = 200 V werden Durchbruchspannungen von 100.. .150 V erreicht. Der vergleichbare Wert ist bei AI1O3 bei <50 V. Die wesentlich höhere Dielektrizitätskonstante des Ta gegenüber Al2O3 (er = 8) oder Yttriumoxid Y2O3 führt zu höherer Ladungsträgerinduktion im Halbleiterkanal und damit zu einer höheren Steilheit des Transistors.
Das Dielektrium ist bis zu Temperaturen von über 3000C bei Temperzeiten von mehr als 2 Stunden stabil, was für die nachfolgenden Prozeßschritte entscheidend ist.
II: Herstellungsprozeß
Die Herstellungsschritte sind die folgenden:
1. Tantal mit Stickstoff- und Sauerstoffdotierung durch Kathodenzerstäubung aufbringen.
2. Ätzen des Tantals nach Aufbringen einer Photolackmaske.
3. Anodische Oxidation des Gates nach Aufbringen einer Photolackmaske.
4. Aufdampfen einer Haft- und Leitschicht, z. B. Cr(NiCr)-Au-In.
5. Ätzen der Drain- und Source-Kontakte nach Aufbringen einer Photolackmaske.
6. Aufdampfen des Halbleiters nach vorausgegangenem Reinigen der Oberflächen durch lonenätzen in demselben Vakuum.
7. Ätzen des Halbleiters nach Aufbringen einer Photolackmaske.
8. Temperungz. B.300°C, '/2 h in NrAtmosphäre.
9. Aufbringen einer Schutzschicht, z. B. Si-Nitrid.
Zur weiteren Erläuterung ist ein nach diesem Verfahren hergestellter Transistor in Bild 2 der Zeichnungen da:-gestellt. Bei dem angegebenen Herstellungsprozeß wird zur Erzeugung der Strukturen ausschließlich die in der Halbleiterproduktion und in der Dünnschichttechnik bewährte Photolithographic und Ätztechnik angewandt. Diese Methode erlaubt mit höchster Reproduzierbarkeit auf großen Substraten kleine Strukturen abzubilden. Die dabei eventuell zurückbleibenden Verunreinigungen auf den Oberflächen, z. B. im Bereich des Gateoxids, wo anschließend der Halbleiter aufgebracht werden muß, können vor dem Aufbringen des Halbleiters im selben Vakuum durch Beschüß mit Teilchen, z. B. Ionen oder Neutralteilchen, beseitigt werden (Pkt. II.6). Mit diesem Reinigungsverfahren bleiben die vorteilhaften Reinheitsbedingungen der eingangs erwähnten Bedampfung durch Masken erhalten, und es werden gleichzeitig die genannten Maskenprobleme ausgeräumt.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Prozeßschritte einzeln optimiert werden können, weil Zwischenprüfungen möglich sind.
III: Neuartiger Aufbau des Transistors
Eine wesentliche Verkürzung der Kanallänge auf Werte kleiner als 5—10 μηι ist auch mit Photolithographie bei großen Subsraten nicht zu erreichen. Es wird deshalb eine Transistorstruktur vorgeschlagen, bei der die Kanallänge nicht durch eine photolithographische Maske, sondern durch die Dicke des Halbleiters und die Neigung der Gateoxidkante festgelegt wird. Zur weiteren Erläuterung ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Transistors in Beild 3 der Zeichnungen dargestellt.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Dünnschicht-Feldeffekttransistor mit einem Substrat, mit einer auf dem Substrat angeordnete Gate-Elektrode aus einem Material, das Tantal enthält, mit einem auf der Gate-Elektrode angeordneten Gateoxid, das durch anodische Oxidation von Gatematerial erzeugt ist, mit einer auf der Oberfläche des Gateoxides angeordneten Schicht aus Halbleitermaterial und mit Source- und Drain-Elektroden an der Schicht aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate-Material aus mit Stickstoff und Sauerstoff dotiertem Tantal besteht.
2. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Elektroden auf dem Substrat angeordnet sind und daß die Schicht aus Halbleitermaterial diese Elektroden teilweise überdeckt.
3. Dünnschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- oder Drain-Elektrode auf dem Substrat angeordnet ist, daß darüber die Schicht aus Halbleitermaterial liegt, deren Dicke die Kanallänge festlegt, und daß auf der Schicht aus Halbleitermaterial die Drainoder Source-Elektrode angeordnet ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat durch reaktive Kathodenzerstäubung eine mit Stickstoff und Sauerstoff dotierte Tantalschicht aufgebracht wird, daß mittels einer Photolackmaske und Ätzen die Grundstruktur der Gate-Elektrode erzeugt wird, daß durch anodische Oxidation des Gates das Gateoxid hergestellt wird und daß die Schicht aus Halbleitermaterial und die Source- und Drain-Elektrode angebracht werden.
5. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Feldeffekttransistors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht aus Halbleitermaterial im selben Vakuum-Schritt wenigstens die Oberfläche des Gateoxides mit Ionen oder ungeladenen Teilchen geätzt wird.
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