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Feldeffekt-Transistor Die Erfindung betrifft ein Feldeffekt-Transistor,
bei dem sich ein leitender Kanal zwischen einem Quellen- und einem Senkengebiet
mit jeweils gleichartiger Dotierung in einem entgegengesetzt dotierten Halbleitergebiet
unterhalb einer Isolierschicht in Abhängigkeit vom Potential einer auf der gegenüberliegenden
Seite der Isolierschicht angeordneten, die Kanal zone überdeckenden Steuerelektrode
ausbilden kann.
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Es ist bei Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren bekannt, die Kanalbreite
durch die Ausbildung der Isolierschicht festzulegen.
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Dort, wo der Kanal entstehen soll, wird die Isolierschicht sehr dünn
gemacht, während an den Stellen, wo trotz einer Metallisierung der Isolierschicht
kein Kanal auftreten soll, die Isolierschicht um ein Vielfaches dicker ist. Die
seitliche Begrenzung eines Kanals erhält man somit durch eine möglichst schnelle
änderung der Isolierschichtdicke. Damit man auf diese Weise eine eindeutige, von
der Größe der Steuerelektrode unabhändige Kanalbegrenzung erhält, wird die Steuerelektrode
stets so groß ausgeführt, daß sie über den Bereich der dünnen Isolierschicht hinaus
auf die dickere Isolierschicht ragt.
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Bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial besteht die Isolierschicht
in der Regel aus Siliziumdioxyd. Bei den bekannten Feldeffekt-Transistoren läßt
sich die Breite der dünnen Oxydschicht und damit auch die Kanalbreite nicht kleiner
als 5 machen. Der Widerstand eines Kanals ist proportional zum Verhältnis aus Kanallänge
zu Kanalbreite. In besonderen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, den Kanaiwiderstand
eines Feldeffekt-Transistors möglichst groß zu machen, damit dessen Verlustleistung
gering ist. Wenn die Kanalbreite den aus fertigungstechnischen Gründen kleinsten
Wert bereits besitzt, dann kann eine Widerstandserhöhung nur durch eine entsprechende
Vergrößerung der Kanallänge erfolgen. Dies bringt Jedoch eine unerwünschte Vergrößerung
des Flächenbedarfs des Feldeffekt-Transistors mit sich.
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Es wurde auch der Vorschlag gemacht, den Halbleiter mit einer gleichmäßig
dicken Isolierschicht zu versehen. Hierdurch werden verschiedene Nachteile vermieden,
die sich durch die Abstufungen in der Isolierschicht ergeben. So wird an den Stellen,
an denen sich die dünne Isolierschicht befinden soll, diese zuerst vollständig entfernt
und dann wieder in der gewünschten Dicke gebildet. An den Übergangsstellen zwischen
der dünnen und der relativ dicken Isolierschicht können dabei feine Risse auftreten,
die sich bis zur Halbleiteroberfläche erstrecken und durch das anschließend aufgebrachte
Metall der Steuerelektrode gefüllt werden. Auf diese Weise entstehen Kurzschlüsse
zwischen der Steuerelektrode und dem Quellen- bzw. Senkengebiet. Hierdurch wird
die Ausbeute an brauchbaren Feldeffekt-Transistoren bei der Herstellung beträchtlich
heribgesetzt. Weiterhin können an dXl.
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genannten Ubergangsstellen srche im Metallbelag der Steuerelektrode
auftreten.
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Die Verwendung einer gleichinaßig dicken Isolierschicht erfordert
andere Maßnahmen zur Begrenzung der Kanaibreite. Diese kann beispielsweise durch
die Dreite des Metallbelages der Steuerelektrode
bestimnt sein.
Jedoch auch hier läßt sich die Kanalbreite nicht in gewünschter Weise verringern.
Als Material für die Steuerelektrode wird gewöhnlich Aluminium benutzt. Das aufgedampfte
Aluminium ist ein polykristallines Material mit einer relativ großen Korngröße von
etwa 0,8 g . Die Steuerelektrode muß daher eine Breite von mehreren Zm aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Feldeffekt-Transistor mit einer extrem kleinen, bei den herkömnlichen Feldeffekt-Transistoren
nicht erreichbaren Kanalbreite zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten
Feldeffekt-Transistor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Begrenzung der Breite
des leitenden Kanals das zwischen dem Quellen- und Senkengebiet liegende dotierte
Halbleitergebiet zwei in bestimmtem Abstand voneinander angeordnete Bereiche mit
gleichartiger, jedoch wesentlich stärkerer Dotierung als der der Kanalzone enthält,
die bis unter die Steuerelektrode reichen und mindestens je eine in Kanallängsrichtung
verlaufende Kante aufweisen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1A eine Draufsicht auf einen Feldeffekt-Transistor
mit durch stark dotierte Gebiete begrenztem Kanal, Fig. 1B einen Querschnitt durch
den Feldeffekt-Transistor nach Fig. 1A, und Fig. 2 eine Speicherzelle, die sechs
Feldeffekt-Transistoren enthält.
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In Fig. 1B ist ein senkrecht zur Kanallängsrichtung liegender Querschnitt
aus dem Gebiet zwischen Quelle 6 und Senke 7 eines Feldeffekt-Transistors dargestellt.
Ein beispielsweise P-dotiertes Halbleitersubstrat 1 ist mit einer gleichmäßig dicken
Isolierschicht 2 überzogen. Auf der Isolierschicht 2 befindet sich eine Steuerelektrode
3. In der Regel bestehen das Substrat 1 aus Silizium, die Isolierschicht 2 aus Siliziumdioxyd
und die Steuerelektrode 3 aus Aluminium. Unterhalb der Isolierschicht 2 sind im
Halbleitersubstrat 1 zwei gleichartig, jedoch wesentlich stärker dotierte P+-Gebiete
4 und 5 enthalten. Diese Gebiete liegen zu beiden Seiten der Steuerelektrode 3 und
reichen bis unter diese. Die unterhalb der Steuerelektrode 3 angeordneten Kanten
der Gebiete 4 und 5 verlaufen in der Längsrichtung des Kanals zwischen Quelle 6
und Senke 7. Diese Kanten sind in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet,
so daß sich unterhalb der Steuerelektrode 3 ein sich in Kanallängsrichtung erstreckender
Streifen aus dem schwächer dotierten P-Substrat befindet.
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Zur Herstellung eines leitenden Kanals zwischen den in Fig. 1A gezeigten,
stark dotierten N+-Gebieten der Quelle 6 und der Senke 7 wird an die Steuerelektrode
3 ein entsprechendes Potential gelegt, so daß unterhalb dieser in bekannter Weise
im P-Substrat durch Inversion ein N-leitender Kanal gebildet wird.
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Bedingt durch die starke Dotierung der P+-Gebiete 4 und 5 tritt in
diesen jedoch keine Inversion auf, sondern nur in dem durch sie begrenzten P-dotierten
Streifen. Die seitliche Begrenzung des leitenden Kanals erfolgt somit bereits unterhalb
der Steuerelektrode 3 durch den Übergang vom P- zu einem der P+ -Gebiete 4 bzw.
5.
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Die kanalbegrenzende P+-Dotierung kann durch einen zusätzlichen Prozeßschritt
z.B. vor der Herstellung der N+-Gebiete der Quelle 6 und der Senke 7 gebildet werden.
Die P+ -dotierten Gebiete können den gesamten Feldeffekt-Transistor umschließen,
damit durch die
Einwirkung weiterer Metallbeläge auf der Isolierschicht
2 keine leitenden Kanäle vom Quellen- oder Senkengebiet zu anderen im Substrat 1
enthaltenen dotierten Bereichen entstehen können und somit parasitäre Ströme vermieden
werden. Nach Fig. 1A werden die den Kanal begrenzenden P -Gebiete 4 und 5 bis an
die Senke 6 und die Quelle 7 herangeführt. Sie erstrecken sich somit über die gesamte
Kanallänge. Es ist natürlich auch möglich, daß der Kanal nur zu einem Teil seiner
Länge durch die P+-Gebiete und zum restlichen Teil in anderer Weise in seiner Breite
begrenzt wird.
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Bei dem gezeigten Feldeffekt-Transistor kann ähnlich wie bei lateralen
bipolaren Transistoren ein Diffusionsabstand zwischen den beiden Gebieten 4 und
5 von etwa einem in erreicht werden.
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Entsprechend schmal ist auch die Kanalzone des Transistors. Man erhält
somit gegenüber den herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren etwa um den Faktor 5 bis
10 kleinere Werte für das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge bei gleich großem
Flächenbedarf.
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In dem gleichen Maße kann auch die Verlustleistung reduziert werden,
was besonders bei der Anordnung einer großen Anzahl derartiger Transistoren auf
einem Halbleiterplättchen von Bedeutung ist.
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Die Fig. 2 zeigt eine an sich bekannte Speicherzelle mit sechs Feldeffekt-Transistoren.
Zwei kreuzgekoppelte Transistoren T1 und T2 dienen zur Speicherung der binären Information.
Zum Eingeben und zum Auslesen der Information sind weitere Transistoren T3 und T4
vorgesehen. Wenn keiner dieser beiden Vorgänge stattfinden soll, werden die beiden
Transistoren T3 und T4 über eine Wortleitung WL im nichtleitenden Zustand gehalten.
Dadurch werden die beiden Speicher-Transistoren T1 und T2 von zwei Bitleitungen
BO und B1 getrennt. Während dieser Zeit werden die Transistoren T1 und T2 durch
das positive Potential V1 über Feldeffekt-Transistoren T5 und T6 gespeist. Die Steuerelektroden
dieser Transistoren T5 und T6 sind mit einer Klemme verbunden, die ein ebenfalls
positives Potential V2 besitzt. Zur Vereinfachung können die beiden Potentiale
V1
und V2 gleich groß gewählt werden. Wird die Speicherzelle für einen Eingabe- oder
Auslesevorgang angesteuert, dann werden durch ein Signal auf der Wortleitung WL
die Transistoren T3 und T4 in den leitenden Zustand gebracht. Beim Lesevorgang wird
das Potential der Punkte 8 und 9 auf die zugehörigen Bitleitungen gebracht und über
diese Leseverstärkern zugeführt. Beim Einspeichern werden von den Bitleitungen BO
und B1 den Speicher-Transistoren T1 und T2 entsprechende Signale über die Transistoren
T3 und T4 zugeleitet.
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Der von den Transistoren T5 bzw. T6 durchgelassene Strom braucht nur
so groß zu sein, daß er den Leckstrom des zugeordneten gesperrten Speicher-Transistors
T1 bzw. T2 kompensiert. Die Speicherzelle sei bespielsweise in dem Zustand, in dem
der Transistor Ta gesperrt und der Transistor T2 leitend sind. Der leitende Zustand
des Transistors T2 wird durch das Potential des Punktes 8 aufrechterhalten. Hierfür
muß jedoch die Bedingung erfüllt sein, daß das Potential dieses Punktes nicht absinkt.
Dazu ist erforderlich, daß der über den Transistor T5 gelieferte Strom den Leckstrom
des im Sperrzustand gehaltenen Transistors T1 zu kompensieren vermag. Dieser Strom
ist sehr gering, er hat einen Wert von etwa 20 nA. Die Transistoren T5 und T6 sollten
demnach einen entsprechend hohen Widerstand besitzen, da durch einen niedrigeren
Widerstand des dem jeweils leitenden Transistor, d.h. im vorliegenden Beispiel dem
Transistor T2, zugeordneten Transistors, d.h. des Transistors T6, nur die Verlustleistung
erhöht, nicht jedoch die Stabilitätseigenschaften der Speicherzelle verbessert werden.
Ein derart hoher Widerstand ist aber nur durch einen sehr großen Wert für das Verhältnis
von Kanal länge zu Kanalbreite annähernd zu erreichen. Bei den herkömmlichen Transistoren
kann dieser Wert nur durch eine entsprechende Vergrößerung der Kanallänge und damit
einen erhöhten Flächenbedarf erzielt werden, da die Kanalbreite aus fertigungstechnischen
Gründen nicht genügend klein gemacht werden kann. Bei dem hier beschriebenen Feldeffekt-Transistor
läßt sich dem gegenüber die Kanalbreite
auf den fünften bis zehnten
Teil verringern, so daß durch eine entsprechende Erhöhung des Widerstandes der Flächenbedarf
nicht größer wird.