DE1913053B2 - Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode - Google Patents
Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-ElektrodeInfo
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Description
stör mit isolierter Gate-Elektrode entsprechend dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Unter einem Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode ist hier ein Bauelement zu verstehen,
bestehend aus einem Halbleiterkörper oder Teil
desselben mit hohem spezifischem Widerstand vom
einen Leitungstyp, zwei voneinander getrennten Zonen mit niedrigem spezifischem Widerstand vom entgegengesetzten Leitungstyp, die sich im Halbleiterkörper
oder Teil desselben von einer ersten Oberfläche her
erstrecken, einer Kanalzone im Körper oder Teil
desselben in der Nähe der ersten Oberfläche und zwischen den beiden Zonen mit niedrigem spezifischem
Widerstand in der den entgegengesetzten Leitungstyp bestimmende Ladungsträger zwischen den Zonen mit
niedrigem spezifischem Widerstand fließen können, einer über der ersten Oberfläche zwischen den beiden
Zonen mit niedrigem spezifischem Widerstand angebrachten und durch Isoliermaterial von dieser ersten
Oberfläche getrennten Gate-Elektrode und aus Elektro
den, die mit den Zonen mit niedrigem spezifischem
Widerstand auf der ersten Oberfläche ohmsche Kontakte herstellen. Die beiden Zonen mit niedrigem
spezifischem Widerstand werden als Source- und Drain-Zonen bezeichnet Der Feldeffekttransistor mit
isolierter Gate-Elektrode kann einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung bilden.
Eine allgemein bekannte Form eines derartigen Transistors ist der Metall-Oxyd-Halbleitertransistor,
der gewöhnlich als MOST bezeichnet wird. Bei diesem
Bauelement besteht im allgemeinen der Halbleiterkörper oder Teil desselben aus Silizium und die
Gate-Elektrode ist durch eine isolierende Siliziumoxydschicht von der Siliziumoberfläche getrennt.
so weisen mehrere Eigenschaften auf, wegen deren sie zur Anwendung als Hochfrequenzleistungsverstärker, insbesondere für linearen Betrieb und bei einer hohen
anzulegenden Speisespannung, geeignet sind.
der Kanalzone erforderlich. Dies kann z. B. dadurch
erzielt werden, daß die Source- und Drain-Zonen in Form eines Kammes ausgebildet werden, wobei die
fingerförmigen Teile der Sourcu-Zone und die der Drain-Zone ineinander eingreifen und die Kanalzone an
dem Oberflächenteil zwischen benachbarten ineinander eingreifenden fingerförmigen Teilen der Source- und
Drain-Zonen angebracht ist. Dadurch wird ein Transistor mit großer Kanalbreite erhalten, wobei die
erwähnte Kanalzone zwischen den ineinander eingrei
fenden fingerförmigen Teilen der Source- und Drain-
Zonen einen mäanderförmigen Verlauf hat. Beim Aufbau eines derartigen Transistors ergeben sich
Probleme in bezug auf die Geometrie und die Definition
der Source-, Drain- und Gate-Elektroden. Die aus einer
Metallschicht bestehende Gate-Elektrode kann derart angebracht werden, daß sie völlig Ober den fingerförmigen Teilen der Source- und Drain-Zonen und der
zwischenliegenden Kanalzone liegt. Eine derartige Form ist jedoch nicht völlig befriedigend, weil infolge
der Tatsache, daß die Gate-Elektrode über den fingerförmigen Teilen der Drain-Zone liegt, die
Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Zone hoch ist, was unerwünscht ist, da diese ι ο
Kapazität beim Betrieb Rückkopplung herbeiführt Auch kann die aus einer Metallschicht bestehende
Gate-Elektrode derart angebracht werden, daß sie sich nahezu völlig über der Kanalzone befindet und
gleichfalls einen mäanderförmigen Verlauf hat Das Ende einer derartigen die Gate-Elektrode bildenden
Metallschicht bildet einen Anschlußteil, mit dem z. B. mittels eines Drahtes eine elektrische Verbindung
hergestellt wird. Diese Form eignet sich nicht immer für
Hochfrequenzvorrichtungen, weil zwischen dem AnschluBteil und von diesem Anschiußieii entfernten
Teilen der Gate-Elektrode ein ziemlich hoher Widerstand auftreten wird. Dieser Widerstand kann z. B. sogar
100 Ω betragen, was bei Hochfrequenzvorrichtungen
nicht erwünscht ist, weil dieser Gate-Reihenwiderstand mit der Gate-Kapazität eine parasitäre Zeitkonstante
bildet So wird bei einem MOST mit einem P-leitenden Kanal mit einer Länge von ΙΟμπι und einer
Grenzfrequenz von etwa 250MHz und mit einem Gate-Reihenwiderstand von nur 10 Ω und einer
Gate-Kapazität von 200 pF eine parasitäre Grenzfrequenz von etwa 80 MHz auftreten.
Vollständigkeitshalber wird noch bemerkt, daß aus der FR-PS 13 86 206 Dünnschichtfeldeffekt-Transistoren bekannt sind, bei denen auf einer Seite eines
Halbleiterkörpers fingerförmige, ineinander greifende Source- und Drain-Elektroden angeordnet sind und auf
der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers eine Gate-Elektrode, die aus einem Basisteii und
fingerförmigen, langgestreckten Teilen besteht. Eine solche Elektrodenkonfiguration eignet sich jedoch nicht
für einen Transistor der eingangs genannten Art, dessen Elektroden sich auf derselben Seite des Halbleiterkörpers befinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Feldeffekttransistor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß der Widerstand der
Gate-Elektrode verringert wird, ohne daß die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Zone
wesentlich erhöht wird. so
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch d;p, im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit dieser Konfiguration eines Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode wird ein verhältnismäßig
niedriger Gate-Reihenwiderstand erhalten, was auf das
Anbringen des Basisteiles der Gate-Elektrode zurückzuführen ist, der die gesonderten langgestreckten Teile so
der Gate-Elektrode miteinander verbindet.
Gemäß der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 sind die langgestreckten Teile der
Gate-Elektrode seitlich gegen die fingerförmigen Teile der Drain Zone verschoben, derart, daß der unmittelbar r.s
neben den fingerförmigen Teilen der Drain-Zone liegende Teil der Kanalzoue nicht unter der Gate-Elektrode liegt. Ein derartiges Bauelement wird als ein
Feldeffekttransistor mit isolierter verschobener Gate-Elektrode bezeichnet und eignet sich zur Anwendung
bei einem mit einer Verarmungsschicht arbeitenden Transistor für hohe Leistung, insbesondere einem mit
einer Verarmungsschicht arbeitenden Silizium-Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode für hohe
Leistung, wobei die Isolierschicht aus der im Anspruch 9 erwähnten Struktur von Siliziumoxyd und Siliziumnitrid
besteht Ein derartiges Bauelement wird als ein MNOST bezeichnet
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf einen mit einer Verarmungsschicht arbeitenden Silizium-MNOST für hohe
Leistung nach der Erfindung,
Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie HI-HI der
Fig. 1.
F i g. 3 in vergrößertem Maßstab eine Draufsicht auf ein Detail ^ines Teiles der Elektrodenstruktur eines
Feldeffekttransistors nach den F i g.' *jnd 2, wobei die
Metaiischichtteiie der Deutlichkeil halber schraffiert
dargestellt sind, und
F i g. 4 in vergrößertem Maßstab eine Draufsicht auf ein Detail eines Teiles der Elektrodenstruktur einer
Abändering des Feldeffekttransistors nach den F i g. 1
bis 3.
Der Silizium-MNOST für hohe Leistung nach den F i g. 1 bis 3 enthält einen P-leitenden Halbleiterkörper 1
mit hohem spezifischem Widerstand und mit Abmessungen von 2,65 mm χ 1,05 mm χ 250 μηι. Die Source-Elektrode 2 wird mittels eines Drahtes 5 angeschlossen,
der an einem Ende durch Wärmedruckverbindung auf einem Anschlußteil 6 der Source-Elektrode des
Transistors befestigt ist. Die Drain-Elektrode 3 wird über einen Draht 7 angeschlossen, der an einem Ende
durch Wärmedruckverbindung auf einem Anschlußteil 8 befestigt ist, während die Gate-Elektrode 4 über einen
Draht 9 angeschlossen wird, der an einem Ende durch Wärmedruckverbindung auf einem Anschlußteil 10
befestigt ist.
Fig. 1 und 4 zeigen schematisch die N-Ieiienden
diffundierten Source- und Drain-Zonen. Die Source-Zone enthält einen Basisteil 12 mit einem rechteckigen
Außenumfang und einem nahezu rechteckigen Innenumfang. Vom Basisteil 12 her erstrecken sich eine
Anzahl fingerförmiger Teile 13 der Source-Zone nach innen (siehe Fig.2 und 3). In Fig. 1 ist der
Außenumfang des PN-Übergangs zwischen der N-leitenden Source-Zone und dem P-leitenden Substrat 1 mit
einer gestrichelten Linie 14 dargestellt. In F i g. 3 ist der Innenumfang des PN-Übergangs zwischen den fingerförmigen Teilen 13 der N-Ieitenden Source-Zone und
dem P leitenden Substrat 1 mit einer gestrichelten Linie 15 dargestellt. Die Drain-Zone enthält einen zentral
angeordneten Baskteil 16 mit einem rechteckigen Umfang. Vom Basisteil 16 der Drain-Zone her
erstrecken sich eine Anzahl fingerförmiger Teile 17 der Drain-Zone. Die fingerförmigen Teile 13 der Source-Zone und die fingerförmigen Teile 17 der Drain-Zone
greifen ineinander ein, wobei diese Teile in einer Richtung quer zu ihrer Längsrichtung eine Bre:le von
etwa 19μιη haben. In den Fig. 1 und 3 ist der
PN-Übergang zwischen den fingerförmigen Teilen 17 der N-Ieitenden Drain-Zone und dem P-leitenden
Substrat 1 mit einer gestricnelten Linie 18 dargestellt. Im Halbleiterkörper liegt zwischen den ineinander
eingreifenden fingerförmigen Teilen 13 und 17 der Source- bzw. der Drain-Zone eine mäanderförmige
Kanalzone 19. Die Länge dieses Kanals, d. h. in einer
Richtung quer zu der Längsrichtung der fingerförmigen Teile 13 und 17 der Source- bzw. der Drain-Zone, ist
11 μπι, während die Gesamtbreite des Kanals 4,08 cm
beträgt.
Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist eine Isolierschicht angebracht, deren erster Teil 21 aus
Siliziumoxyd mit einer Dicke von 0,1 μπι besteht und sich auf der Halbleiteroberfläche befindet, während ein
zweiter Schichtteil 22 aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von 0,1 μπι besteht und sich auf dem Teil 21 aus
Siliziumoxyd befindet (F i g. 2).
Die Source- und Drain-Elektroden 2 bzw. 3 erstrecken sich in Öffnungen in dieser zusammengesetzten
Isolierschicht und stellen mit Oberflächenteilen der Source- und Drain-Zonen ohmsche Kontakte her, wie
nachstehend beschrieben wird. Die Source-Elektrode 2 b?S'.eh· au? einer AJiirniniiimsrhirht mit pinpr Dirkp von
0,4 μπι, die einen Basisteil 24 enthält, der sich in einer
öffnung in der Isolierschicht 21,22 befindet und der mit
dem Basisteil 12 der Source-Zone einen ohmschen Kontakt herstellt und in den Anschlußteil 6 übergeht,
auf dem der Draht 5 befestigt ist. Die Drain-Elektrode besteht aus einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von
0.4 um, die einen Basisteil 25 enthält, der sich in einer Öffnung in der Isolierschicht 21, 22 befindet und der mit
dem Basisteil 16 der Drain-Zone einen ohmschen Kontakt herstellt und in den Anschlußteil 8 übergeht,
auf dem der Draht 7 befestigt ist.
Die Gate-Elektrode 4 besteht aus einer Aluminiumschicht mit einer Dicke von 0,4 μιη, die sich auf der
Oberfläche des Siliziumnitridteiles 22 der Isolierschicht befindet und die einen Basisteil 27 und eine Anzahl sich
an diesen Basisteil 27 anschließender langgestreckter Teile 28 enthält. Die langgestreckten Teile 28 erstrecken
sich über der Kanalzone 19 zwischen den ineinander eingreifenden fingerförmigen Teilen 13 und 17 der
Source- bzw. der Drain-Zone und bilden einen Teil geschlossener Schleifen, wobei benachbarte Schleifen
mittels des Basisteiles 27 miteinander verbunden sind. Die Abmessung der langgestreckten Teile 28 in einer
Richtung quer zur Längsrichtung der fingerförmigen Teile der Source- und Drain-Zonen ist ΙΟμπι. Der
Basisteil 27 der Gate-Elektrode geht in den Anschlußteil 10 über, auf dem der Draht 9 befestigt ist und der über
dem Basisteil 12 der Source-Zone angebracht ist.
Der Basisteil 27 der Gate-Elektrode liegt völlig innerhalb des Basisteiles 24 der Source-Elektrode und
verbindet alle durch die benachbarten Paare langgestreckter Teile 28 der Gate-Elektrode gebildete
Schleifen. Aus Fig.3 ist ersichtlich, daß kein einziger
Teil der Gate-Elektrode über der Drain-Zone liegt, so daß sich ein Transistor mit einer sehr niedrigen
Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Zone ergibt. Außerdem hat der Transistor eine
verschobene Gate-Elektrode, da die langgestreckten Teile 28 die fingerförmigen Teile 13 der Source-Zone
überlappen, aber gegen die fingerförmigen Teile 17 der Drain-Zone über 3,0 μπι verschoben sind. Bei diesem
Transistor ist der Gate-Reihenwiderstand etwa 6 Ω und ist die Kapazität zwischen Gate-Elektrode und Drain-Zone
etwa 5 pF.
Der Stromweg vom Basisteil 24 der Source-Elektrode zu den fingerförmigen Teilen 13 der Source-Zone liegt
in Teilen der Source-Zone, die sich unter dem Basisteil 27 der Gate-Elektrode befinden. Auch ist aus Fig.3
ersichtlich, daß die Kapazität zwischen Gate-Elektrode und Source-Zone auf ein Mindestmaß beschränkt wird,
wenn eine Konfiguration der Gate-Elektrode verwendet wird, bei der der größte Teil des Basisteiles 27 der
Gate-Elektrode die Kanalzone bedeckt, während nur ein kleinerer Teil des Basisteiles 27 diejenigen Enden
der fingerförmigen Teile 13 der Source-Zone bedeckt, die an dem Basisteil 12 der Source-Zone angrenzen.
Der Transistor nach den F i g. 1 bis 3 ist ein mit einer Verarmungsschicht arbeitender MNOST mit verschobener
Gate-Elektrode für hohe Leistung, bei dem die stromführende Kanalzone aus einer N-Ieitenden Oberflächeninversionsschicht
besteht, die zwischen den ineinander eingreifenden fingerförmigen Teilen 13 und 17 der Source- bzw. der Drain-Zonen beim Aufwachsen
der Siliziumoxydschicht 21 auf die Siliziumoberfläche gebildet wird.
Die Isolierschicht zwischen der Gate-Elektrode und der Halbleiteroberfläche braucht nicht unbedingt aus
einer Struktur von Siliziumoxyd und Siliziumnitrid zu bestehen und kann z. B. nur aus einer Siliziumoxydschicht
mit einer Dicke von 0,2 μιη bestehen. Die Gestalt der Source- und Drain-Zonen kann von den
Beispielen abweichen. Bei der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Struktur sind die Source-, Drain- und
Gate-El"ktroden derart gestaltet, daß zwischen den ineinander eingreifenden fingerförmigen Teilen der
Source- und Drain-Zonen eine große Kanalzonenober-
M fläche pro gegebene Oberfläche des Halbleiterkörpers
erhalten wird. Die besondere Gertalt der Source- und Drain-Elektroden ist wichtig, weil durch die Abwesenheit
von Metallisierungen auf den fingerförmigen Teilen der Source- und Drain-Zonen die Abmessung dieser
fingerförmigen Teile in einer Richtung quer zu ihrer Längsrichtung klein gewählt werden kann. Sollten
Metallschichtteile auf den fingerförmigen Teilen der Source- und Drain-Zonen angebracht werden, so wäre
es erforderlich, ihre Abmessungen zu vergrößern, damit unter Verwendung bisher bekannter Fotomaskierungstechniken
zum Definieren der Metallschichtelektroden ein auf befriedigende Weise wirkender Transistor
erhalten wird.
Fig.4 zeigt eine Abänderung des Feldeffekttransistors
nach den F i g. 1 bis 3 und ist praktisch der Ansicht nach F i g. 3 ähnlich. Bei dieser Abänderung sind auf der
Oberfläche der fingerförmigen Teile 13 der Source-Zone isolierte Aluminiumschichtteile 31 angebracht,
während auf der Oberfläche der fingerförmigen Teile 17
so der Drain-Zone Aluminiumschichtteile 32 angel: acht
sind, wobei die Aluminiumschichtteile 32 sich vom Basisteil 25 der Drain-Elektrode her erstrecken. Bei
diesem Transistor sind die Kanallänge (Abstand zwischen den fingerförmigen Teilen der Source- und
Drain-Zonen) und die Querabmessungen der fingerförmigen Teile der Source- und Drain-Zonen verschieden,
weil die fingerförmigen Teile 13 und 17 vergrößert werden müssen, um die Aluminiumschichtteile 31 und 32
anbringen zu können. Eine derartige Konfiguration kann vorteilhaft sein, wenn es erwünscht ist, die
Reihenwiderstände der Source- und Drain-Zonen auf ein Mindestmaß herabzusetzen und die Gleichmäßigkeit
der Stromverteilung über sämtliche Teile der Kanalzone zu vergrößern.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode mit einem Halbleiterkörper, in dem die Source-
und die Drain-Zone als Oberflächenzonen ausgebildet sind, die je einen Hauptteil und eine Anzahl sich
an diesen Hauptteil anschließender fingerförmiger Teile umfassen, wobei die fingerförmigen Teile der
Source-Zone und die der Drain-Zone ineinander greifen und der Kanal zwischen benachbarten
fingerförmigen Teilen der Source- und Drain-Zonen liegt, bei dem die Gate-Elektrode aus einer
Metallschicht mit einer Anzahl langgestreckter Teile besteht, die über dem Kanal liegen und sich nahezu
parallel zur Längsrichtung der Fingerförmigen Teile der Source- und Drain-Zonen erstrecken, und wobei
die Source- und die Drain-Zone je mit einer Elektrode in Form einer Metallschicht mit einem
Hauptteil versehen sind, der auf dem Hauptteil der Source- bzty. Drain-Zone liegt, und bei dem die
Elektroden und die Gate-Elektrode auf derselben Seite des Halbleiterkörpers liegen, dadurch
gekennzeichnet, daß die langgestreckten Teile (28) der Gate-Elektrode (4) durch einen
Basisteil (27) der Gate-Elektrode miteinander verbunden sind, der wenigstens teilweise über dem
Hauptteil der Source-Zone (12, 13) und den zur Source-Zone (12, 13) gehörenden fingerförmigen
Teilen (13) angeordnet ist (F i g. 1 bis 4).
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Teile (28)
und der Basisteil (27) der O'te-Elektrode Teile
geschlossener Schleifen bilden, wobei benachbarte Schleifen durch den Basisteir mim' iander verbunden
sind.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußteil (10) der
Gate-Elektrode über der Source-Zone liegt (Fig. 1).
4. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil (12) der Source-Zone an der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein
Gebiet umgrenzt und daß die Gate-Elektrode völlig innerhalb dieses Gebietes liegt
5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Elektrode (24) nahezu völlig auf dem Hauptteil (12)
der Source-Zone liegt (F i g. 3).
6. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Elektrode (24,31) Separatmetallschichtteile (31) auf
den fingerförmigen Teilen (13) der Source-Zone enthält (F ig. 4).
7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode (25)
nahezu völlig auf dem Hauptteil (16) der Drain-Zone liegt (F ig. 3).
8. Feldeffekttransistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektrode (2S1 32)
Teile (32) enthält, die auf den fingerförmigen Teilen (17) der Drain-Zone liegen und sich vom Hauptteil
(25) der Drain-Elektrode her erstrecken (Fig. 4).
9. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) oder Teil desselben aus Silizium besteht,
während das die Gate-Elektrode von der Halbleiteroberfläche trennende Isoliermaterial einen ersten
Teil (21) aus Siliciumoxid auf der Halbleiteroberfläche und einen zweiten Teil (22) aus Siliciumnitrid auf
dem zuerst erwähnten Teil enthält (F i g. 2).
10. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
langgestreckten Teile (28) der Gate-Elektrode gegen die fingerförmigen Teile (17) der Drain-Zone
seitlich verschoben sind, derart, daß der unmittelbar neben den fingerförmigen Teilen der Drain-Zone
, liegende Teil der Kanalzone nicht unter der Gate-Elektrode liegt (F i g. 2).
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