DE2636214A1

DE2636214A1 - Feldeffekttransistor und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2636214A1
Application number: DE19762636214
Authority: DE
Inventors: Richard Carlton Joy; Ingrid Emese Magdo; Jun Alfred Phillips
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-09-22
Filing date: 1976-08-12
Publication date: 1977-03-31
Also published as: US4089712A; IT1074051B; US4154626A; JPS5626146B2; US4028717A; PT65536A; GB1497626A; JPS5239381A; DE2636214C2; NL7609801A; CA1049154A; FR2340621A1; CH600575A5; FR2340621B1; PT65536B

Description

FELDEFFEKTTRANSISTOR UND VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Feldeffektransistor mit in einem Halbleitersubstrat ersten Leitfähigkeitstyps angeordneten Zonen zweiten Leitfähigkeitstyps für Source und Drain und insbesondere auf einen solchen Transistor mit neuartiger Ausbildung der Drain, wodurch eine verbesserte Stabilisierung der Spannungsschwellwerte erzielt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein dazugehöriges Herstellungsverfahren.

Feldeffekttransistoren sind allgemein bekannt. Sie bestehen aus einer Gate-Elektrode, die durch ein Dielektrikum isoliert auf der Oberfläche eines entsprechend dotierten Halbleiterkörpers ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. Source- und Drain-Elektroden werden durch gutleitende Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps im Halbleiter-

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NACHGEREICHT

j körper gebildet, Ein elektrisches Feld, das normalerweise ■ von der leitenden Gate-Elektrode erzeugt wird, beein- i flusst die ^rJ?rägerdichte in der leitenden Kanalzone zwischen den Source- und Drain-Elektroden. I

Die Entwicklung von Halbleitereleraenten und besonders von Feldeffekttransistoren verfolgt das iäiel, die Leistungsfähigkeit zu verbessern durch Erhöhen der Packungsdichte, Vermindern der Kapazität und Verbessern der Empfindlichkeit und der Arbeitsgeschwindigkeit, 2ur Erhöhung der Dichte wurde die Kanalzone verkürzt, wodurch nicht nur die Elemente in geringeren Abständen angeordnet werden konnten, sondern auch schneller schalteten. Durch Verkürzung der Kanallänge wurde allerdings die Arbeitsspannung des Elementes beschränkt. Die Durchbruchspannung von N-Kanal-Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ist ziemlich niedrig, Für eine gegebene Arbeitsspannung ist damit die minimale Kanallänge und umgekehrt bei gegebener Kanallänge die maximale Arbeitsspannung festgelegt. Bei einem bestimmten FET kurzer Kanallänge ist die elektrische Feldstärke in der Nähe der Drain-Zone sehr hoch. Wenn die Spannung zwischen Source und Drain ansteigt, geschieht

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1 nachsereichtJ

zuerst ein lawinenartiger Durchbruch bei der Drain-Zone an der Oberfläche. Bei diesem Avalanche-Effekt werden Elektronen und Löcher erzeugt, wobei ein Teil der Elektronen im Dielektrikum zwischen Gate und Halbleiterkörper bleiben. Dadurch entsteht eine dauernde negative Ladung, die die Schwellwertspannung der Vorrichtung beeinflusst. Infolgedessen wird die zulässige Arbeitsspannung zwischen Source und Drain desto kleiner, je kürzer der Kanal des Feldeffekttransistors wird. Dieselbe Erscheinung tritt, wenngleich in geringerem Ausmass, auch bei P-Kanal-Transistoren auf,

Im Dielektrikum der Gate-Isolierung können Elektronen auch eingefangen v/erden und den Schwellwert des FET im Betrieb auch ungünstig beeinflussen, bevor eine Lawine auftritt. Im normalen Bereich des FET liegt eine Spannung zwischen Source und Drain. Infolge des elektrischen Feldes fliesst ein Strom von Elektronen, Beim Stromfluss durch das Halbleitermaterial treten stets einige energiereiche Elektronen auf_f die die durch die Gate-Isolierung gebildete Barriere durchdringen. Solche Elektronen können auch im Dielektrikum eingefangen werden. Wenn das Dielektrikum, aus Si₃N₄ und geschichtet ist, ist die Wahrscheinlichkeit des Ein-

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NACHGEREICHT

fangens mehrere Grössenordnungen höher als bei einer einfachen SlO^-Isolierung. Eingefangene Elektronen erzeugen eine dauernde Ladung im Dielektrikum, die die Schwellwertspannung und andere elektrische Eigenschaften beeinflusst. Je kürzer der Kanal, desto grosser ist das erzeugte elektrische Feld. Je grosser das Feld, desto grosser ist die Wahrscheinlichkeit eines Elektrons, genügend Energie zu erlangen, um die Barriere zu durchdringen. Da die Tendenz bei der Konstruktion von Feldeffekttransistoren zu kleineren Elementen mit kürzeren Kanallängen geht, wird die Verschlechterung der Schwellwertspannung infolge von in der Gate-Isolierung eingefangenen Elektronen stets bedeutender und tritt schliesslich störend in Erscheinung, Das gilt auch für P-Kanal-Feldeffekttransistoren, jedoch in geringerem Ausmass als bei den zuvor genannten N-Kanal-Elementen.

Ziel der Erfindung ist ein Feldeffekttransistor mit wesentlich verbesserter Stabilität der Schwellwertspannung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein verbesserter Feldeffekttransistor mit kurzer Kanallänge und relativ hoher Arbeitsspannung,

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Angabe einer neuartigen Drain-Zone in einem Feldeffekttransistor, die den Stromfluß in der Kanalzone von der Oberfläche weg in die Tiefe verdrängt. Schließlich ist die Herstellung eines verbesserten Feldeffekttransistors mit grösserer Schwellwertstabilität ein Ziel der Erfindung.

Diese Ziele werden bei einem Feldeffekttransistor der oben genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1,2,4 und 6 je im Querschnitt einen Feldeffekt-

transistor während verschiedener Herstellungsschritte;

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NACHQEREICHT

Fig. 3 Darstellung der Dotierungskonzentration im Halbleiterkörper entlang der Linie AÄ in Fig. 2.

Fig. 5 Darstellung der Dotierungskonzentration im Halbleiterkörper entlang der Linie BB in Fig. 4.

Fig, Tf 9 und 12 Querschnitte eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Feldeffekttransistors,

Fig. 8 Dotierungskonzentration im Halbleiterkörper entlang der Linie CC der Fig.

Fig. 10 Dotierungskonzentration entlang der

Linie DD der Fig, 9.

Fig, 11 Dotierungskonzentration entlang der

Linie EE der Fig. 9.

Die Elektroneninjektion in das Gate-Dielektrikum eines Feldeffekttransistors wird reduziert, wenn es gelingt, die Energie der Elektronen in der kritischen Zone, d.h, in der

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AO

unmittelbar an die Drain-Zone angrenzenden Zone nahe der Oberfläche, zu reduzieren. Die Energie von Elektronen wird verkleinert, einmal durch Phonon-Kollisionen und zum anderen durch Stoss-Ionisation. Im vorliegenden, verbesserten Feldeffekttransistor soll der Elektronen-Strom insbesondere in unmittelbarer Nachbarschaft der Drain-Zone tiefer in die Kanalzone verlegt werden. Wenn die Elektronen tiefer im Halbleiterkörper fliessen, entsteht eine Pufferschicht aus Halbleitermaterial zwischen dem hauptsächlichen Flussweg und dem qj^te-Dielektrikum, wobei die Energie der Elektronen durch die beiden erwähnten Effekte verkleinert wird. Wenn dies gelingt, wird die Zahl der Elektronen, die am ftebergang zwischen Halbleiter und Dielektrikum auftreten, wesentlich Verringert und die Stabilität der Schwellwertspannung somit verbessert.

Beim vorliegenden Feldeffekttransistor wird der Weg der Elektronen beeinflusst durch eine Drain-Zone, die in einer gewissen Tiefe unter der Halbleiteroberfläche, d.h. in sicherer Entfernung von der Trennungsfläche zwischen Halbleiter und Isolation, einen besonders geringen Widerstand aufweist, Damit der notwendige Ohm'sche Kontakt zur

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[ NACHGEREICHT [

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Drain-Zone hergestellt werden kann, ist eine zweite Zone innerhalb der Drain-Zone vorgesehen, die einen geringen Widerstand an der Oberfläche auf v/eist. Die Einzelheiten des Feldeffekttransistors und die Art seiner Herstellung r/erden nun im einzelnen beschrieben,

ig, 1 zeigt den ersten Schritt bei der Herstellung des Vorliegenden Feldeffekttransistors, Eine Maskierschicht 1 wird auf dem monokristallinen Halbleiterkörper 2 hergestellt, beispielsweise durch thermische oxidation der Oberfläche des Körpers, Der Körper 2 ist üblicherweise mit einer geeigneten Dotierung versehen, beispielsweise der lonzentration von 2»10 - 6«10 Atomen/cm wenn es sich um Silicium handelt. Eine Oeffnung 3 wird in der Maskierschicht 1 photolithographisch festgelegt und ausgeätzt, wie allgemein üblich, Die Oeffnung 3 bestimmt die Lage der Drain-Zone des fertigen Transistors. Durch Diffusion eines Dotierungsstoffes wird unterhalb der Oeffnung 3 die Zone 4 gebildet* Die Dotierung in der Zone 4 ist derjenigen des Halbleiterkörpers 2.entgegengesetzt, Die Oberflächenkonzentration der Zone 4 hangt davon ab, ob es sich um eine P-* oder eine N-Dotierung handelt. Bei einer Üi-Zone_f wie in Fig, 1 angegeben, liegt die Oberflächen-

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dotierung normalerweise im. Bereich von 10 - 10 Ato- ;men/cm . Wenn eine P-Zone in einem Substrat 2 mit N- !Dotierung erzeugt wird, liegt die Oberflächenkonzentration

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!normalerweise im Bereich von 10 - 5·10 Atomen/cm .

Die Maskierschicht 1 wird entfernt und eine epitaktische Schicht 5, wie Fig, 2 zeigt, auf dem Halbleiterkörper 2 niedergeschlagen. Dabei diffundiert die Dotierung in Zone 4 nach oben, so dass die Η-Zone sich im wesentlichen durch die Schicht 5 hindurch erstreckt. Fig, 3 zeigt das Profil 6 der Dotierungskonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe unter der Oberfläche, Es ist ersichtlich, dass die höchste Konzentration in der Zone 4 am Uebergang zwischen Halbleiterkörper 2 und epitaktischer Schicht 5 auftritt. Die Dicke der epitaktischen Schicht liegt im Bereich von 0,4-3 um, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1_f5 \m. Die Dotierungskonzentration am uebergang_f d.h. die Spitze der Kurve 6 in Fig, 2, hängt auch von der Dotierungsart der Zone 4 ab. Wenn die Zone N-Leitfähigkeit aufweist, liegt die höchste Konzentration vorzugsweise im Bereich von 10¹⁹ - 10 Atomen/cm , Wenn es sich um P-Leitfähigkeit handelt, liegt die höchste Konzentration im Bereich von 10¹⁸ - 5ΊΟ²⁰ Atomen/cm³. In beiden Fällen ist die Konzen-

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tration der Dotierung in Zone 4 an der Oberfläche wesent-

17 19 lieh geringer und liegt im Bereich von 10 - 10 bei

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N-Leitfähigkeit und von 10 - 10 Atomen/cm bei P-Leitfähigkeit der Zone 4.

Anschliessend wird eine zweite Maskierschicht 7 auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht 5 erzeugt, wie Fig. 4 zeigt. In der Schicht 7 werden die Oeffnungen 8 und 9 durch übliche Photolithographie und Aetzung hergestellt. Durch diese Oeffnungen werden mittels Diffusion die zweite Zone in der Drain-Elektrode sowie die Source-Zone des Transistors eingebracht. Wie Fig. 4 zeigt, liegt Oeffnung δ innerhalb der von der Drain-Zone bedeckten Fläche, Eine geeignete Dotierung wird durch die Oeffnungen eindiffundiert und bildet die Zonen 10 und 11, Wie Kurve 12 in Fig. zeigt _f liegt dabei die höchste Dotierungskonzentration an der Oberfläche der Schicht 5, Die Oberflächenkonzentration der Zonen 10 und 11 muss genügend hoch sein, um einen Ohmschen Kontakt für die Source- und die Drain-Zone zu ermöglichen. Wenn die Zone P leitfähig ist, muss die Oberflä-

18 3 chenkonzentration wenigstens 10 Atome/cm betragen. Wenn die Zone N-leitfähig ist, muss die Oberflächenkonzentration wenigstens 10 Atome/cm³ betragen.

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, nachgereicht]

Fig. 6 zeigt den fertiggestellten Feldeffekttransistor, bei

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welchem eine relativ dicke Isolierschicht 13 über dein Element angebracht wurde und eine relativ dünne Isolierschicht 14 über der Kanalzone, Metallisierte Kontakte für Source und Drain sowie eine Gate-Elektrode wurden auf bekannte Weise angebracht ,

Die Fign. 1 bis 6 zeigen eine Ausführung, deren Drain-Elektrode aus zwei konzentrischen Zonen 4 und 10 besteht mit einer einzelnen Source-Zone 11, Die Source-Elektrode kann jedoch ebenfalls aus zwei Zonen, ähnlich den für die Drain-Elektrode gezeigten, bestehen. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass der Feldeffekttransistor vertauschbare Anschlüsse hat, d.h. Source und Drain können vertauscht werden. Beim Betrieb fHessen die Elektronen zwischen Source und Drain infolge der am üebergang zwischen Epitaxie 5 und Halbleiterkörper 2 vorliegenden höheren Leitfähigkeit tiefer als im Bereich des grössten elektrischen Verarmungsfeldes des Draingebietes, Energiereiche Elektronen, die soviel Energie aufweisen, dass sie das Gate-Dielektrikum durchdringen können, sind von diesem durch eine erhebliche Strecke von Halbleitermaterial getrennt_f die eine Pufferschicht darstellt, in welche Elektronen ihre Energie verlieren, bevor sie das Dielektrikum erreichen.

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Die Fig, 7 bis 12 zeigen eine andere Äusführungsart des verbesserten Feldeffekttransistors, In Fig, 7 ist der Halbleiterkörper 2 mit einer Maskierschieht 15 bedeckt, die eine Oeffnung 16 aufweist für die Implantation der Drain-Zone, Durch eine erste Ionen-Implantation eines geeigneten Dotierungsstoffes wird die 2one 17 hergestellt. Die Implantationsenergie wird so bemessen, dass die grosste Dotierungsdichte in gewisser Tiefe unterhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 auftritt, Das Profil der Dotierungskonzentration ist als Kurve 1G in Fig, 8 dargestellt. In Fig, 9 wurde die Maskierschieht 15 entfernt und der Halbleiterkörper 2 mit einer zweiten Maskierschieht 19, welche die Oeffnungen 20 und 21 aufweist, versehen, Durch Ionenimplantation durch diese Oeffnungen wird die Source-Zone und eine zweite Drain-Zone 23 gebildet. Hier wird die Implantationsenergie so eingestellt _r dass die maximale Dotierungsdichte in den Zonen 22 und 23 an der Oberfläche auftritt,, wie durch Kurve 24 in Fig. 10 gezeigt ist. Dadurch wird die Herstellung von Ohm'sehen Kontakten für Source und Drain ermöglicht. Zum Implantieren der Zone 17 sollte ein Dotierungsstoff gewählt werden, der möglichst tief in den Halbleiterkörper eindringt. Eine K-Dotierung, die diese Eigenschaft vorzüglich aufweist_f kann mit Phosphor vorge-

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nommen werden und in geringerem Mass mit Arsen und Antimon, jP-Dotierungsstoffe dieser Eigenschaft sind Bor und Gallium. Ein Profil der Dotierungskonzentration in der Drain-Zone ■ist in Fig. 11 gezeigt. Es ist zu bemerken, dass die Kurve

j25, die die Dotierung entlang dem Schnitt EE in Fig, 9 \

angibt, zeigt, dass die Zone 17 gegenüber der Zone 23 relativ eine geringe Dotierung auf v/eist. Fig. 12 schliesslich zeigt den fertiggestellten Transistor mit elektrtrischen Kontakten für Source, Drain und Gate. Wie bei der zuerst beschriebenen Ausführung kann es a,uch hier vorteilhaft sein, auch die Source-Elektrode mit zwei Zonen auszurüsten, wie es vorgehend für die Drain-Sone beschrieben wurde. Im übrigen kann die Zone 23 auch durch Diffusion hergestellt werden, wie es in Verbindung mit Fig. 6 erwähnt wurde,

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Leerseite

Claims

PATENTANS PRÜCH E

Feldeffekttransistor mit in einem Halbleitersubstrat ersten Leitfähigkeitstyps angeordneten Zonen zweiten Leitfähigkeitstyps für Source und Drain dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Drain-Zone eine erste Zone (4, 17), deren Dotierungskonzentration bis zu einem Maximalwert mit der Tiefe von der Oberfläche zunimmt, sowie innerhalb der ersten Zone (4, 17) eine zweite Zone (10, 23) gleichen Leitfähigkeitstyps umfaßt, deren maximale Dotierungskonzentration an der Oberfläche liegt.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Dotierungskonzentration der ersten Zone in einer Tiefe von 0,1 bis 2 jum unter der Halbleiteroberfläche liegt.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Dotierungskonzentration der ersten Zone (4, 17) der im Bereich 10 bis 10 Atome/cm³ liegt.
4. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (10, 23) in der Mitte der ersten Zone (4, 17) angeordnet ist.
5. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Source (11, 2.2) und Drain (4, 17) zwischen 0,5 und 20y*jm beträgt.
6. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration an der Oberfläche der Source-Zone (11, 22) und der zweiten Zone (10, 23)

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der Drain zwischen 10 und 2,5-10 Atomen/cm liegt.

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7. Feldeffekttranststor mindestens nach Patentanspruch 1, mit einem "Substrat aus monokristallinem Silicium, auf dem eine epitaktische Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Dotierungskonzentration der ersten Zone (4) etwa in der Tiefe des Übergangs vom Halbleitersubstrat (2) zur epitaktischen Schicht (5) vorliegt (Fig. 3).
8. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Source und Drain den gleichen aus jeweils zwei Zonen bestehenden Aufbau aufweisen.
9.. Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Herstellen einer ersten Maskierschicht (1) auf einem Halbleiterkörper (2) mit einer Dotierung ersten Typs zur Festlegung einer Drain-Zone;

b) Einführen einer Dotierung zweiten Typs in den Körper durch die Drain-Zone festlegende Öffnung (3);

c) ■ Entfernen der Maskierschicht;

d) Aufbringen einer epitaktischen Schicht (5) mit einer Dotierung ersten Typs;

e) Aufbringen einer zweiten Maskierschicht (7) auf die epitaktische Schicht;

f) Ausbilden einer zweiten Öffnung (8) in der zweiten Schicht innerhalb der durch die Öffnung (3) in der ersten Schicht (1) festgelegten Zone (4) sowie einer dritten Öffnung (9) in bestimmtem Abstand von der festgelegten Zone zur Festlegung einer Source-Zone (11);

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g) Einführen einer Dotierung zweiten Typs in die epitaktische Schicht;

h) Herstellen von Source- und Drain-Anschlüssen sowie einer Gate-Elektrode oberhalb des zwischen Source und Drain gelegenen Bereichs.
10.' Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 oder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Dotierungsschritte mittels Ionen-Implantation durchgeführt wird.

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