DE4323814A1

DE4323814A1 - MIS-Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE4323814A1
Application number: DE4323814A
Authority: DE
Inventors: Rene Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1994-03-31
Also published as: JPH06196686A; US5382822A

Description

Feldeffekttransistoren (FET) sind Halbleiterbauelemente mit drei Anschlüssen, nämlich einem Source-Anschluß, einem Drain-Anschluß und einer Gateelektrode. Der zwischen Source und Drain durch den Halbleiter fließende Strom wird durch Anlegen eines senkrecht zum Stromfluß gerichteten elektrischen Feldes an die Gateelektrode gesteuert. Das Feld bewirkt eine Anreicherung bzw. Verarmung von Ladungs trägern und verändert damit die Größe eines den Strom lei tenden Kanals in dem Halbleiter. Wenn keine Steuerspannung an der Gateelektrode anliegt, ist dieser Kanal entweder offen (normally-on) oder geschlossen (normally-off).

Es gibt drei Grundtypen von FET:

- MESFET (MES = Metal-Semiconductor), bei denen die Gateelektrode direkt auf dem Halbleiter angeordnet ist;
- JFET (J = Junction), bei denen zwischen Gateelektrode und leitendem Kanal ein p-n-Ubergang angeordnet ist und
- MISFET (MIS = Metal-Insulator-Semiconductor), bei denen zwischen der Gateelektrode und dem Halbleiter eine Isolationsschicht angeordnet ist.

Ein Sonderfall der letztgenannten MISFET sind MOSFET (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor), bei denen die Isolations schicht aus einem Oxid des Halbleiters besteht. FET und insbesondere MISFET werden überwiegend mit Silizium (Si) hergestellt. Jedoch ist Si wegen seines schon bei Raum temperatur verhältnismäßig kleinen Bandabstands zwischen Valenzband und Leitungsband von 1,1 eV bei Temperaturen über 200°C nicht mehr funktionsfähig.

Als Material für elektronische Hochtemperaturbauelemente ist Siliziumkarbid (SiC) bekannt. SiC ist in seinen elek tronischen Eigenschaften bis zu Temperaturen von etwa 1300°C einsetzbar. Besondere Vorteile des Halbleitermate rials SiC gegenüber dem elementaren Halbleiter Si sind neben seiner größeren Bandlücke zwischen 2,2 eV und 3,4 eV entsprechend dem verwendeten Polytyp gegenüber 1,1 eV bei Silizium seine um einen Faktor 13 höhere Durchbruchfestig keit von etwa 4×10⁶ V/cm, die dreimal größere thermische Leitfähigkeit und die um einen Faktor 2,3 größere Sätti gungsdriftgeschwindigkeit.

Es ist ein MOSFET auf SiC-Basis bekannt, bei dem ein dün ner n-leitender SiC-Film auf einem p-leitenden 6H-SiC- Substrat aufgebracht ist. An der Oberfläche des n-SiC- Films sind zwei stärker dotierte n⁺-Gebiete als Source und dazwischen ein n⁺-Gebiet als Drain angeordnet. Diese n⁺- Gebiete sind mit entsprechenden Elektroden aus TaSi₂ kon taktiert. Zwischen den beiden Sourcegebieten und dem Draingebiet ist jeweils eine Gateelektrode aus polykri stallinem Silizium angeordnet. Zwischen diesen Gateelek troden und dem n-SiC-Film ist jeweils eine Oxidschicht aus SiO₂ angeordnet, die auch die entsprechende Gateelektrode von den anderen Elektroden isoliert. Diese Oxidschicht kann durch thermisches Oxidieren der SiC-Schicht verhält nismäßig einfach erzeugt werden ("J. Appl. Phys.", Vol. 64, No. 4, 15. August 1988, Seiten 2168 bis 2177). Bei einem solchen SiC-MOSFET müssen wegen des höheren Bandab stands von SiC im Vergleich zu Si an der Gateelektrode höhere Gatespannungen angelegt werden als bei einem ver gleichbaren Si-MOSFET, um eine Inversionsschicht zu er zeugen. Die Durchbruchsfestigkeit von SiO₂ liegt jedoch lediglich bei etwa 3×10⁶ V/cm. Bei einer Gatespannung von beispielsweise 50 V muß die SiO₂-Schicht daher so dick gewählt werden, daß wegen der damit verbundenen kleineren Kapazität der Kanal nicht mehr gesteuert werden kann. Ein weiterer Nachteil von SiO₂ ist seine zunehmende Ionenleit fähigkeit bei höheren Temperaturen. Im Hochtemperaturbe reich über 200°C entstehen deshalb zwischen Gate und Drain bei der beschriebenen MOS-Struktur Leckströme, die die Funktion des MOSFET beeinträchtigen.

Für den Einsatz im Hochtemperaturbereich kommen allgemein alle Halbleiter mit einem entsprechend größeren Bandab stand als Si in Frage. Beispiele sind Galliumarsenid (GaAs) mit einem Bandabstand von 1,4 eV, Galliumphosphid (GaP) mit 2,3 eV, Galliumnitrid (GaN) mit 3,4 eV, Alumi niumphosphid (AlP) mit 3,12 eV, Aluminiumnitrid (AlN) mit 6,2 eV oder Bornitrid (BN) mit 7,5 eV (jeweils bei 300 K). Diese Materialien bilden im Gegensatz zu SiC kein natür liches Oxid, das durch thermisches Oxidieren erzeugt wer den könnte. Eine SiO₂-Isolationsschicht für einen MISFET auf Basis dieser Halbleiter müßte deshalb beispielsweise durch Sputtern aufgebracht werden. Die Isolationseigen schaften einer derartig erzeugten SiO₂-Schicht sind aller dings im allgemeinen noch schlechter als die einer ther misch aufgewachsenen SiO₂-Schicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen MISFET auf Basis eines Halbleiters mit einem größeren Bandabstand als Si anzugeben, bei dem auch bei hohen Tem peraturen von über 200°C Leckströme zwischen Gate und Drain klein gehalten werden und überdies eine große Steil heit der Steuerkennlinie erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Als Isolationsschicht zwischen Gateelektrode und Halbleiter ist eine Schicht aus Dia mant vorgesehen. Diamant ist sehr hitzebeständig und hat eine etwa 3,3 mal höhere Durchbruchsfestigkeit sowie eine etwa 1,5 mal höhere relative Dielektrizitätskonstante als SiO₂. Weiterhin tritt im Diamant auch bei höheren Tempe raturen keine Ionenleitung auf. Durch die Verwendung von Diamant für die Isolationsschicht des MISFET können des halb die Steilheit der Steuerkennlinie im Vergleich zu SiO₂ erhöht und die Leckströme in der Isolationsschicht außerdem erheblich reduziert werden.

Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration n_i im Diamant in Abhängigkeit von der Temperatur T ist durch die Bezie hung
n_i (T) = 2 (2m*kT Pi/h²)^1,5 exp(-E_G/2kT)
gegeben, wobei k die Boltzmannkonstante, h das Plancksche Wirkungsquantum, E_G der Bandabstand zwischen Valenzband und Leitungsband und m* die effektive Masse der Ladungs träger sind. Der spezifische Widerstand von intrinsischem Diamant ist gegeben durch (en_iµ)^-1 mit der Elementarladung e und der Beweglichkeit µ der Ladungsträger, die nähe rungsweise folgendermaßen von der Temperatur in Kelvin (K) abhängt:
µ(T) = 2200 (T/290)^-2,9
("Material Science and Engineering", B 11, 1992, S. 257- 263).

Bei einer Temperatur von 1300 K oder etwa 1027°C ergibt sich beispielsweise eine Ladungsträgerkonzentration n_i von etwa 10¹⁰ cm^-3 und ein spezifischer Widerstand von etwa 3×10⁷ Ohm cm. Bei einer Dicke von 1 µm der Diamant schicht und einer an der Schicht anliegenden Gatespannung von 10 V hat der Leckstrom einen vernachlässigbaren Wert von etwa 3 µA.

Für die Steuereigenschaften des MISFET hat die Verwendung von Diamant für die Isolationsschicht gleich zwei Vortei le. Zum einen liegt die Durchbruchsfeldstärke von Diamant bei wenigstens etwa 10⁷ V/cm ("Mat. Res. Soc. Symp. Proc.", Vol. 162, 1990, S. 15-22). Zum anderen ist die relative Dielektrizitätskonstante von Diamant mit 5,7 deutlich größer als die relative Dielektrizitätskonstante 3,9 von SiO₂("Materials Science and Engineering", a.a.O.). Bei gleicher Dicke der Isolationsschicht können somit wegen der höheren Durchbruchfeldstärke an die Diamant schicht um einen Faktor 3,3 höhere Gatespannungen angelegt werden im Vergleich zu einer SiO₂-Schicht, da die Gate spannung im wesentlichen gleich dem Produkt aus Dicke und angelegter Feldstärke ist. Umgekehrt kann bei gleicher Gatespannung die Dicke der Isolationsschicht erheblich reduziert werden. Außerdem ist wegen der höheren relativen Dielektrizitätskonstanten die Kapazität der Isolations schicht aus Diamant bei gleicher Dicke um einen Faktor von 1,5 größer als die Kapazität einer SiO₂-Schicht. Die Kapa zität ist proportional dem Quotienten aus relativer Di elektrizitätskonstanten und Dicke der Schicht. Nun wird aber durch die Kapazität auch die Steilheit der Steuer kennlinie des MISFET bestimmt. Der Source-Drain-Strom I_D ist nämlich im wesentlichen proportional zum Produkt aus Kapazität der Isolationsschicht und Gatespannung. Somit kann also wegen der kleiner wählbaren Dicke der Isola tionsschicht aus Diamant und ihrer höheren relativen Dielektrizitätskonstanten die Steilheit der Steuerkenn linie um einen Faktor von etwa 4,8 erhöht werden.

Die Dicke der Diamantschicht wird im allgemeinen zwischen 0,001 µm und 10 µm und insbesondere zwischen 0,01 µm und 2 µm gewählt.

Als Verfahren zum Herstellen der Diamantschicht für den MISFET können prinzipiell alle bekannten Verfahren ver wendet werden. Eine Übersicht über diese bekannten Ver fahren gibt "Proceedings of the IEEE", Vol. 79, No. 5, May 1991, Seiten 621 bis 646. Die Diamantschicht wird vorzugsweise aus der Gasphase auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden. Die Strukturierung kann dabei beispielsweise durch selektives Abscheiden mit Hilfe einer Maske aus Siliziumdioxid oder auch durch Ätzen einer zunächst ganz flächigen abgeschiedenen Diamantschicht im Sauerstoff plasma mit Hilfe bekannter Lithographieverfahren erzeugt werden.

Als Halbleiter ist in einer bevorzugten Ausführungsform SiC, vorzugsweise in den 3 C-, 4 H- und 6 H-Polytypen, vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der MISFET mit einer Überschlagsschutzschicht aus Diamant überzogen zum Schutz vor elektrischen Überschlägen zwischen dem MISFET und seiner Umgebung.

Durch seinen hohen Bandabstand von 5,4 eV bei 300 K hat Diamant auch bei hohen Temperaturen über 200°C (= 473 K) noch hervorragende Isolationseigenschaften.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist eine n-Kanal- normally-off-Ausführungsform eines MISFET gemäß der Erfin dung schematisch dargestellt mit folgenden Teilen:

2 = Halbleiter
4 = Isolationsschicht aus Diamant
6 = Gateelektrode
8 = Drain
10 = Source.

Claims

1. MIS-Feldeffekttransistor mit einer Isolationsschicht (4) aus Diamant zwischen einer Gateelektrode (6) und einem Halbleiter (2) mit einem größeren Bandabstand als Silizium (Si).

2. MIS-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß als Halb leiter (2) ein Material aus der Gruppe folgender Materia lien vorgesehen ist: Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN), Alu miniumphosphid (AlP), Bornitrid (BN), Siliciumcarbid (SiC).

3. MIS-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolationsschicht (4) aus Diamant zwischen 0,001 µm und 10 µm gewählt ist.

4. MIS-Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolationsschicht (4) aus Diamant zwischen 0,01 µm und 2 µm gewählt ist.

5. MIS-Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diamantschicht zum Überschlagsschutz vorgesehen ist.