DE2753613C3 - Isolierschicht-Feldeffekttransistor - Google Patents
Isolierschicht-FeldeffekttransistorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In jüngerer Zeit wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, die Drain-Durchbruchspannung von
Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (im folgenden kurz als MIS-FET's bezeichnet) anzuheben, und man
gelangte zu verschiedenen Arten von Hochspannungs-MIS-FET's. Bei der Verbesserung der hohen Durchbruchspannung
des bekannten MIS-FET hat sich die Struktur mit versetztem Gate mit einem zusätzlichen
ionenimplantierten Kanal (oder einem Wiiderstandsbereich) als wirksam erwiesen (Proceedings of the 6th
Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1974, Supplement to the Journal of Japan Society of Applied
Physics, Bd. 44,1975, S. 249 - 255).
Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Querschnitt des Hochspannungs-MIS-FET mit der ionenimplantierten
versetzten Gatestruktur.
Der MIS-FET in Fig. 1 ist, als Beispiel, ein
p-Kanal-MIS-FET. Mit 1 ist ein η-leitendes Halbleitersubstrat
bezeichnet 2 und 3 bezeichnen hochdotierte p-leitende Drain- und Source-Bereiche. Mit 5 ist eine
Gate-Elektrode bezeichnet, während 6 und 7 eine Source- bzw. eine Drain-Elektrode bezeichnen. Bei 8 ist
ein Siliziurndioxid-Fürr: (SiOrFüm) gezeigt. Ein Wider-Standsbereich
4 des gleichen Leitungstyps wie der Drain-Bereich 2 erstreckt sich vom Drain-Bereich 2 bis
unter ein Ende der Gate-Elektrode 5, um die Stärke des elektrischen Felds an dem Ende der Gate-Elektrode 5,
das auf der Seite des Drain-Bereichs 2 liegt, zu verringern und dam,;- die Drain-Durchbruchspannung
anzuheben.
Mit der Struktur der F i g. 1 ist jedoch die Verminderung der Feldstärke am Ende der Gate-Elektrode
in Anbetracht des Einflusses der Ladung des über
x> dem Teil des Widerstandsbereichs 4 liegenden SiO2-Films
8 nicht zufriedenstellend. Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde eine Anordnung entwickelt, bei der
sich, wie in Fig.2 oder 3 dargestellt, die Source-Elektrode
6 auf dem SiO2-FiIm 8 bis über einen Teil des
Drain-Bereichs 2 oder des Widerstandsbereich.; 4 erstreckt und als Feldelektrode (zur Vergleichmäßigung
des elektrischen Felds) verwendet wird. Ein derartiger Isolierschicht-Feldeffekttransistor ist aus der JP-OS
51-93878, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs
••0 1 ausgeht, bekannt.
Die in F i g. 2 gezeigte Feldplatte führt jedoch zu einer Feldzusammendrängung gegen einen Endteil des
Drain-Bereichs 2, der auf der Seite der Gate-Elektrode 5 liegt. Dementsprechend zeigt sich im Gegenteil eine
Absenkung der Durchbruchspannung zum Drain-Bereich. Wenn sich andererseits die Feldelektrode nur bis
über einen Teil des Widerstandsbereichs 4, wie in F i g. 3 gezeigt, erstreckt, läßt sich ein Abbau der Drain-Durchbruchsspannung
tatsächlich verhindern. Nachteiligerwe'se wird jedoch dann ein Teil der Widerstandsschicht
4 durch den Vorgang der Aufladung des Isolierfilms 8 beeinträchtigt, was leicht Eigenschaftsschwankungen
mit sich bringt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Isolier-
■55 schicht-Feldeffekttransistor mit hoher Durchbruchsspannung
und hoher Zuverlässigkeit zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs I angegeben; vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. In dieser zeigt bzw. zeigen
Fig. I, die bereits erwähnt wurde, einen .Schnittauf-
b5 bau eines bekannten Hochspannungs-MIS-FET. nämlich
einen MIS-FET mit einer ionenimplantierten versetzten Gatestruktur,
Fig. 2 und 3, wie bereits erwähnt. Schnittaufbauten
von bekannten Hochspannungs-MIS-FET's, nämlich MIS-FET's, bei welchen der MFS-FET der Fig. 1 mit
einer Source-Feldplatte versehen ist,
Fig.4 einen Schnittaufba" eines Hochspannungs-MIS-FET
entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 5A bis 5F zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des in Fig.4 gezeigten MIS-FET Schnittaufbauten
des Elements in verschiedenen Verfahrensstufen,
Fig.S ein Diagramm, welches die Beziehung
zwischen der Drain-Durchbruchspannung und der Menge an implantierten Bor-Ionen im MIS-FET der
F i g. 4 wiedergibt
F i g. 7 eine Schnittansichi des Aufbaus eines Hochspannungs-MIS-FET
entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 8 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Hochspannungs-M IS-FET entsprechend einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, und
Fig.9A bis 9E zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens
des in Fig.8 gezeigten MIS-FET Schnittaufbauten des Elements in verschiedenen Verfahrensstufen.
Ausführungsform 1
F i g. 4 zeigt einen Schnittaufbau eines p-Kanal-Hochspannungs-MIS-FET
entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Diese Ausführungsform ist derart, daß bei dem in Fig.2 oder 3 dargestellten MIS-FET ein Zwischenbereich
9 mit einer Fremdstoffkonzentration zwischen denjenigen des Drain-Bereichs 2 und des Widerstandsbereichs
4 zwischen dem Drain-Bereich 2 und dem Widerstandsbereich 4 angeordnet ist, wobei die
Feldplatte 6 über dem Zwischenbereich 9 endet.
Im folgenden wird das Herstellungsverfahren für diesen MIS-FET unter Bezugnahme auf die F i g. 5A bis
5F beschriebe...
Ein n-Siliziumsubstrat mit einem spezifischen Widerstand
von ΙΟΩ-cm wird als Halbleitersubstrat verwendet und auf diesem ein thermisch oxidierter
SiO2-FiIm 10 mit einer Dicke von ungefähr 500 nm
(Fig. 5A) gebildet. Durch selektives Entfernen des SiO2-FiImS tO mit der bekannten Fotoätztechnik und
nachfolgendes Eindiffundieren von Bor in das Substrat 1 werden ein Drain-Bereich ? und ein Source-Bereich 3
mit hoher p-Fremdstoffkonzentration in einer Dicke von ungefähr 3μπι (Fig.3B) gebildet. Nach Entfernen
des SiO2-FiImS 10 zwischen dem Drain- und Source-Bereich
wird ein SiO2-FiIm Il mit einer Dicke von ungefähr 130 nm durch erneute thermische Oxidation
ausgebildet. Ferner wird auf dem SiO2-FiIm 11 eine
polykristalline Siliziumschicht mit einer Dicke von ungefähr 500 nm abgeschieden und eine Gate-Elektrode
5 durch selektives Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht ausgebildet. Nachfolgend werden unter Verwendung
der Gate-Elektrode 5 als Maske zur Ausbildung eines Widerstandsbereichs 4 niedriger Fremdstoffkonzentration
Bor-Ionen 12 implantiert, indem sie auf 125 kV beschleunigt werden (Fig.5C). Hier ist die
Menge Not an implantiertem Bor ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der Durchbruchspannung
und wurde bei dieser Ausführungsform zu 8 · 10" bis 2 · I012lonen/cm2gewählt.
Nachfolgend wird auf e'.ner ausgewählten Fläche ein SiO2-FiIm 13, der sich von über der Gate-Elektrode 5 auf
den SiO2-FiIm 11 erstreckt und an einer Zwischenstelle
der Widerstandsschicht -i «;ndet, ausgebildet. Unter
Verwendung der Gate-Elektrode 5 und des SiO2-FiImS 13 als Maske werden Bor-Ionen 14 implantiert, indem
sie auf 150 KV beschleunigt werden, um so einen Zwischenbereich 9 mit einer Implantationsmenge von
3 ■ 1013 Ionen/cm2 zwischen dem Drain-Bereich 2 und
der Widerstandsschicht 4 auszubilden (F i g. 5D). Nach dem Entfernen des SiO2-FiImS 13 wird ein S1O2/P2O5-FiIm
(Phosphorsilikatglas-Film) 15 als Passivierungsfilm in einer Dicke von ungefähr 1 μπι ausgebildet (F i g. 5E).
Das Tempern der implantierten Schicht und des Phosphorsilikatglas-Films wird bei 9500C in N2 30
Minuten lang ausgeführt. Nachfolgend werden der Phosphorsilikatglas-Film 15 und der SiO2-FiIm 11
geätzt, um Löcher zum Ausleiten von Elektroden zu schaffen, und Aluminium in einer Dicke von ungefähr
1,2 μπι abgeschieden. Auf diese Weise wird eine
Source-EIektrode 6, die sich vom Source-Bereich 3 auf den Phosphorsilikatglas-Film 15 ersfeckt und bis zu
einem Teil über einer Zwischenstelle des Zwischenbereichs 9 reicht, ausgebildet, und ebenso wird eine
Drain-Elektrode 7 gebildet (Fig.5F). Hinsichtlich der
Abmessungen der jeweiligen Bereiche beträgt die Breite der Gate-Elektrode 8 um, die Breite des
Widerstandsbereichs 4 — 5 μιτι und die Breite des
Zwischenbereichs 9 — 4 μπι.
Wie oben beschrieben, endet die Source-EIektrode 6 genau über dem Zwischenbereich 9. Als Feldplatte wirkt
sie für den Widerstandsbereich 4. Die Fremdstoffkonzentration des Zwischenbereichs 9 ist
'Ai ungefähr 2 · IOlflcni !. was ungefähr zwei Größenordnungen
niedriger als die Fremdstoffkonzentration von ungefähr 6 ■ 1019 cm-3 des Drain-Bereichs 2 ist.
Deshalb wird eine Verschlechterung der Durchbruchspannung, die der Source-Feldplatte zuzuschreiben ist,
J5 nicht beobachtet. Hinzu kommt, daß die Fremdstoffkonzentration
des Zwischenbereichs 9 mit der gesamten Fremdstoffmenge als Maßstab grob eine Größenordnung
höher liegt, als die entsprechende Fremdstoffkonzentration des Widerstandsbereichs 4 (die Menge an
•»0 implantiertem Bor des ersteren Bereichs 9 ist eine
Größenordnung größer als diejenige der. letzteren Bereichs 4). Deshalb beeinflußt der Zwischencereich 9
nicht den Reihenwiderstand und ist weniger empfindlich gegenüber dem äußeren Aufladeprozeß.
*"\ Die Beziehung zwischen der Drain-Durchbruchsspannung
BVps des MIS-FET und der Menge an implantiertem BorA/prdes Hochwiderstandsbereichs 4,
wie sie sich bei dieser Ausführungsform ergibt, ist durch 61 in Fig.6 dargestellt. In dieser Figur ist die
V) Durchbruchsspannung des MIS-FET mit der in Fig. i
gezeigten bekannten Struktur bei 62 als Bezugsknrve ebenfalls dargestellt. Aus der Figur ergibt sich, daß der
erfindungsgemäße MIS-FET hinsichtlich der Duichbruchspannung gegenüber dem MIS-FFT bekannten
Aufbaus besser liegt. Darüber hinaus zeigten sich dank des Fehlens des Einflusses des äußeren Aufladeprozesses
keine Schwankungen der Durchbruchspannung (beispielsweise der sog. walk-out-Effekt) während der
Messung, wie sie sich bei dem FET bekannten Aufbaus zeigen.
Wie oben dargelegt, ist bei der Erfindung die Zusammendrängung des elektrischen Feldes in der
Umgebung des Ende; der Gate-Elektrode durch den
Feldplatteneffekt der Source-EIektrode gemäßigt und die Widerstandsschicht vor dem externen Aufladeprozcß
durch die Sourcc-Elcktrode geschützt, wobei gleichzeitig eine Verminderung der Durchbruchspannung
infolge der Source-Feldplatte vermieden ist, so
daß sich ein stabiler MIS-FET hoher Durchbruchspanniing
herstellen läßt.
Ausführungsform 2
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform
läßt sicn nach dem gleichen Verfahren herstellen wie die vorangehende Ausführungsform. Unterschiedlich
zur vorangehenden Ausführungsform ist. daß sowohl die Source-Elektrode 6 als auch die Drain-Elektrode
7 über dem Zwischenbereich 9 enden und daß die Drain-Elektrode 7 als Feldplatte für den Drain-Bereich
2 verwendet wird. Hier ergibt sich neben den vorstehenden Vorteilen der Vorteil einer Anhebung der
Durchbruchspannung in einem Fall, wo für die Durchbruchspannung die Umgebung der Grenze
/wischen dem Drain-Bereich 2 und dem Zwischeiiucreich
9 bestimmend ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Durchbruchspannung um ungefähr 20 V gegenüber
der der vorhergehenden Atisführungsform angehoben.
Ausführungsform 3
Fig. 8 ist eine .Schnittansicht einer wiederum
weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist derart, daß anstelle den Drain-Bereich
und den Zwischenbereich 9 nebeneinander anzuordnen wie bei der Ausführungsform I. der Drain-Bereich 2
innerhalb des Zwischenbereichs 9 angeordnet ist.
Das Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 9A bis 9E
beschrieben.
Nach stufenförmiger Ausbildung eines SiOj-Films 10
auf einem n-Siliziumsubstrat 1 werden zur Bildung eines Zwischenbereichs9 Bor-Ionen 12 implantiert und ferner
eine thermische Diffusion ausgeführt 'Fi0 9A^ Nuch
Entfernen des SiO2-Films 10 wird ein SiCVFiIm ti durch
thermische Oxidation ausgebildet. Ferner wird eine polykristalline Siliziumschicht 51 auf den SiOj-FiIm 11
abgeschieden (Fig.9B). Durch selektives Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht 51 wird eine Gate-Elektrode
5 ausgebildet. Danach werden unter Verwendung der Gate-Elektrode 5 als Maske zur Bildung eines
Widerstandsbereichs 4 Bor-Ionen 14 implantiert (Fig. 9C). Nachfolgend wird ein SiO>-Film 13. welcher
sich von über der Gate-Elektrode 5 auf den SiO2-Film ti
erstreckt und an einem Teil über einer Zwischenstelle des Zwischenbereichs 9 endet, auf einer ausgewählten
Fläche ausgebildet. Danach wird unter Verwendung des SiOj-Films 13 und der Gate-Elektrode 5 als Maske zur
Ausbildung eines Source-Bereichs 3 und eines Drain-Bereichs
2 innerhalb des Zwischenbereichs 9 eine Diffusion von Bor durchgeführt (Fig. 9D). Danach werden eine
Phosphorsilikatglas-Film 15 und eine Source-Elektrode 6 sowie eine Drain-Elektrode 7 nach den gleichen
Verfahrensschritten wie in Ausführungsform I ausgebildet (F ig. 9E).
Bei dem FET dieser Ausführungsform ist der F.ndteil
ίο des Drain-Bereichs 2 innerhalb des Zwischenbereichs 9
eingeschlossen. Deshalb wird die Durchbruchspannung eines pn-Übergangs durch das Ende des Zwischenbereichs
9 bestimmt und wird daher größer als diejenige der Ausführungsformen 1 und 2. Im Falle der zuletzt
beschriebenen Ausführungsform wurde ein Wert von 240 V als Durchbruchspannung des pn-Übergangs
erzicti, jedoch -xüTdc die Durchbruchsspannung des
MIS-FET durch einen anderen Teil begrenz! und lag etwa bei 210 V. Nichtsdestoweniger ist diese letzte
Ausführungsform ein äußerst hervorragender Aufbau für Hochspannungs-MIS-FET's.
Wie oben beschrieben, sind die MIS-FET's gemäß der Erfindung hochstabil und haben hohe Durchbruchspannung.
Es liegt auf der Hand, daß sich die Erfindung nicht auf die vorsehenden Beispiele beschränkt, sondern daß
zahlreiche weitere Abwandlungen möglich sind.
Beispielsweise können bekannte Halbleiter, wie Ge. GaAs, InP oder InSb anstelle von Si für das
ίο Halbleitersubstrat verwendet werden. In den vorstehenden
Ausführungsformen werden ein SiOrFiIm als Isolationsschicht auf dem Halbleitersubstrat und ein
S1O2/PjOs-FiIm als Passivierungsschicht verwendet.
Anstatt dessen können ein
J5 SuN4-FiIm-AIjO1-FiIm.
SiO2/P2O5-Film (Phosphorsilikatglas-Film),
SKVPbO-Film (Bleisilikatglas-Film).
SiOz/PjOs-Film (Borsilikatglas- Film),
ein Doppelfilm als Kombination zweier Filme.
SKVPbO-Film (Bleisilikatglas-Film).
SiOz/PjOs-Film (Borsilikatglas- Film),
ein Doppelfilm als Kombination zweier Filme.
AO wie etwa von S1O2- und SiOj/PjOs-Filmen. SiOj- und
AI2O3-Filmen usw.. verwendet werden.
Ferner kann ein Metall, wie Mo oder Al, anstelle des
polykristallinen Silizium für die Gate-Elektrode verwendet werden. Bei Verwendung von polykristallinem
Silizium für die Gate-Elektrode läßt sich die Schwellspannung des Isolierschicht-Feldeffekttransistors durch
geeignete Zugabe eines Fremdstoffs zur Siliziumschicht steuern.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, in dem
eine Source- und eine Drain-Zone eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps
und ein von der Drain-Zone ausgehender, von der Source-Zone durch einen den Kanal
bildenden Oberflächenabschnitt des Substrats getrennter Widerstandsbereich des zweiten Leitungstyps mit einer geringeren Fremdstoffkonzentration
als derjenigen der Drain-Zone angeordnet sind, mit einer ersten Isolierschicht und einer Gate-Elektrode
über dem als Kanal wirkenden Oberflächenabschnitt des Substrats, mit einer zweiten Isolierschicht, die
wenigstens über der Gate-Elektrode und über dem Widerstandsiiereich angeordnet ist, mit einer Drain-E'cktrode
und mit einer Source-Elektrode, die sich
von der Source-Zone bis mindestens über den Widerstandsbereich erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Widerstandsbereich (4) und der Drain-Zone (2) ein Zwischenbereich
(9) des zweiten Leitiuigstyps mit einer
Fremdstoffkonzentration, die zwischen den Fremdstoffkonzentrationen
der Drain-Zone und des Widerstandsbereichs liegt, angeordnet ist und daß die Source-Elektrode (6) sich bis über den Zwischenbereich
(9) ers ■ reckt.
2. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (15) sich bis Ober d'e Drain-Zone (2)
erstreckt und daß die Drain-Elektrode (7) sich von der Drain-Zone (2) bis über den Zwischenbereich (9)
erstreckt.
3. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch
1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsbereich (9) die Drain-Zone (2) an der
Oberfläche des Substrats (1) vollständig umgibt.
4. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Zwischenbereichs (9) im Substrat (1) größer ist als
die Tiefe der Drain-Zone (2).
5. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fremdstoffkonzentration des Zwischenbereichs (9) niedriger als 10~2 mal die
Fremdstoffkonzentration des Drain-Bereichs (2) ist.
6. Isolierschicht-Feldeffekttransistor nach Anspruch
5. dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfremdstoffmenge des Widerstandsbereichs (4) niedriger
als 10-' mal die Gesamtfremdstoffmenge des Zwischenbereichs (9) ist.
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Cited By (2)
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