Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente, insbesondere ein
Halbleiterbauelement mit einer Gate-Struktur oder einen
Widerstand, der eine Mehrzahl von Polysiliziumschichten
aufweist, wobei jede Polysiliziumschicht von der benachbarten
Polysiliziumschicht durch eine dünne Oxidschicht getrennt ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Ein typischer Feldeffekt-Transistor (FET) 50 mit einem
Polysiliziumgate 15 ist in Fig.1 gezeigt. Der Transistor 50 hat
einen ersten Bereich 10 des N+-Leitfähigkeitstypus, der in
einem Halbleitersubstrat 11 des P-Leitfähigkeitstypus
(P-Typus) gebildet ist. Der Bereich 10 arbeitet als Source-Bereich
des Transistors 50. Seitlich bebstandet vom Source-Bereich 10
mit N+-Leitfähigkeit liegt in einem gewählten Abstand 14, der
Kanallänge, ein zweiter Bereich 12 des N+-Leitfähigkeitstypus
im Substrat 11. Der Bereich 12 arbeitet als Drain des
Transistors 50. Der Bereich in dem Substrat 11 zwischen den Source-
und Drain-Bereichen 10, 12 arbeitet als Kanalbereich 14. Eine
dünne Gate-Oxidschicht 13 ist auf dem Substrat 11 so
angeordnet, daß sie den Source-Bereich 10, den Drain-Bereich 12 und
den Kanalbereich 14 überlagert. Das Polysiliziumgate 15 ist
auf der Gate-Oxidschicht 13 gebildet. Fremdionen mit
P-Leitfähigkeit werden als Störstellen in den Randbereich des
Transistors 50 eingelagert, um Kanalsperrbereiche 18 zu
bilden. Eine Feld-Oxidschicht 17 überlagert jeden der Bereiche
18. Eine zusätzliche Oxidschicht 16 überlagert die Feld-
Oxidschicht 17, die Gate-Oxidschicht 13 und das Polysilizium
Gate 15. Schließlich kontaktieren eine Drain-Elektrode 19 und
eine Source-Elektrode 20 den Drain-Bereich 10 und den Source-
Bereich 12 jeweils über die Oxidschicht 16 und die Gate-
Oxidschicht 13.
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Bei einem typischen Herstellungsvorgang des Transistors 50
läßt man zunächst die dünne Gate-Oxidschicht 13 auf einem
P-Typ Substrat 11 aufwachsen. Eine dicke
Siliziumnitridschicht, die sowohl als Einlagerungssperre für die
Ioneneinlagerung als auch als Oxidationsmaske wirkt, wird über der
Oxidschicht 13 abgelagert. Diese Siliziumnitridschicht wird
wieder entfernt außer von denjenigen Bereichen, in denen der
Source-Bereich 10, der Drain-Bereich 12 und der Kanalbereich
14 des Transistors 50 gebildet werden sollen. Nach der
Entfernung der Siliziumnitridschicht werden P-Typ Störstellenionen
zur Bildung der Kanalsperrbereiche 18 eingelagert. Die
Siliziumnitridschicht hindert die Ioneneinlagerung in denjenigen
Bereichen, in denen der Source-Bereich 10, der Drain-Bereich
12 und der Kanalbereich 14 gebildet werden sollen. Nach der
P-Ioneneinlagerung wird das Substrat 11 wiederum oxidiert, um
den Feldoxidbereich 17 zu bilden. Während dieses Vorgangs wird
die Siliziumnitridschicht als eine Oxidationsmaske, die die
Oxidation derjenigen Bereiche verhindert, in denen der Source-
Bereich 10, der Drain-Bereich 12 und der Kanalbereich 14
gebildet werden sollen.
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Nach dem Oxidationsschritt wird die verbleibende
Siliziumnitridschicht entfernt und Störstellenionen mit N-Typ
Leitfähigkeit werden zur Bildung des Source-Bereiches 10 und des
Drain-Bereiches 12 eingelagert. Man läßt dann eine
Polysiliziumschicht über der Gate-Oxidschicht 13 aufwachsen. Unter
Verwendung einer Maske wird die Polysiliziumschicht geätzt zur
Bildung des Polysiliziumgates 15 und jeglicher notwendiger
Polisiliziumverbindungsleitungen (nicht gezeigt). Nach der
Bildung des Gates 15 werden unter Verwendung dieses Gates 15
als Dotierungsmaske der Source-Bereich 10 und der
Drain-Bereich 12 gebildet. Source-Bereich 10 und Drain-Bereich 12
werden typischerweise durch Ioneneinlagerung gebildet. Bei
einigen Anwendungen wird das Gate 15 vor der Bildung des
Source-Bereiches 10 und des Drain-Bereiches 12 dotiert. Nach
der Bildung des Source-Bereiches 10 und des Drain-Bereiches 12
läßt man die Oxidschicht 16 aufwachsen, dann wird eine Maske
verwendet, um jeweils Durchgänge zum Source-Bereich 10 und
Drain-Bereich 12 zu bilden. Anschließend werden die Drain- und
Source-Elektroden 19 und 20 gebildet durch Ablagern einer
Metallschicht und anschließendes Ätzen dieser Schicht unter
Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher
Maskierungsschritte.
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Die Verwendung der oben beschriebenen selbstjustierten Gate-
Struktur, d.h. die Bildung des Source-Bereiches 10 und des
Drain-Bereiches 12 unter Verwendung des Gates 15 als Maske,
vermeidet Probleme im Zusammenhang mit Herstellungsverfahren
von Metall-Gates und verbessert folglich die
Hochfrequenzcharakteristiken des Transistors 50 im Vergleich zu einem
Transistor mit einem Metall-Gate. Allerdings hängt die Genauigkeit
des Ortes des Gates 15 und der Source- und Drain-Bereiche 10
12, die durch das selbstjustierte Gate-Verfahren gebildet
sind, in hohem Maße von dem Ätzen der Polysiliziumschicht ab,
was wiederum abhängig ist von der Dicke der
Polysiliziumschicht.
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Typischerweise wird die Polysiliziumschicht unter Verwendung
eines Plasma-Ätzverfahrens geätzt. Wie in der vergrößerten
Ansicht in Fig.2 gezeigt, erzeugt das Plasma-Ätzen
unglücklicherweise eine obere Fläche 15a, die breiter ist als eine
Bodenfläche 15b. Als ein Ergebnis des Ätzens der Polysilizium
schicht trennen sich die Drain- und Source-Bereiche 10, 12 von
der Bodenfläche 15 des Polysiliziums, wodurch der Transistor
50 nicht betriebsfähig wird. Dies liegt daran, daß die obere
Fläche 15a das Einlagern von Störstellenionen in das Substrat
11 in der Nachbarschaft der Bodenfläche 15b verhindert.
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Genauer gesagt wird der elektrische Pfad zwischen den Source-
und Drain-Bereichen 10, 12 über den Kanalbereich 14
unterbrochen, so daß die Transistorwirkung verlorengeht, wenn die
Source- und Drain-Bereiche 10, 12 von der Bodenfläche 15b
getrennt werden. Selbst wenn der Transistor 50 funktioniert,
ist seine elektrische Kennlinie instabil, so daß diese bei
mehreren gleichzeitig gebildeten Transistoren unterschiedlich
ist. Die Polysiliziumschicht weist eine schlechte Glätte der
oberen Fläche auf und ihre Dicke ist auf dem gleichen Substrat
11 nicht konstant. Diese Dickenvariation verursacht
Abstandsänderungen zwischen den oberen und unteren Flächen 15a, 15b,
was wiederum Veränderungen der Betriebskennlinien der im
gleichen Herstellungsvorgang gebildeten Transistoren
verursacht.
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Eine der Ursachen für die Variationen der Dicke der
Polysiliziumschicht ist die effektive Korngröße des Polysiliziums.
Wenn die Körner groß sind, können zwischen benachbarten
Korngrenzen signifikante Vertiefungen auftreten. Diese
Vertiefungen beeinflussen nicht nur das Ätzen, sondern auch die
Maskenausrichtung, da die Maske auf die Polysiliziumschicht
aufgebracht werden muß. Somit hat der Polysiliziumgate-FET
(wie in Fig.1 gezeigt), obwohl er einen besseren Frequenzgang
als andere Typen von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
aufweist, dennoch etliche Nachteile, die sowohl die Ausbeute
als auch die elektrischen Leistungswerte beeinflussen.
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Ein Versuch zur Lösung der mit der Polysilizium-Korngröße und
dem Ätzen zusammenhängenden Probleme bestand darin, das
Polysiliziumgate in zwei Schritten zu bilden. Bei dieem
Herstellunqsverfahren wurde zunächst eine Schicht mit der
halben Dicke des Polysiliziumgates gebildet. Die
Polysiliziumschicht mit der halben Dicke wurde mit einer dünnen
Oxidschicht bedeckt, anschließend wurde auf dieser dünnen
Oxidschicht eine weitere Polysiliziumschicht mit der halben
Dicke des Polysiliziumgates gebildet.
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Wenn die durch die Oxidschicht getrennte Doppelschicht aus
Polysilizium zur Bildung des Polysiliziumgates geätzt wurde,
war die Ätzwirkung geringer als im Fall des oben beschriebenen
Einzelschicht-Polysiliziumgateaufbaus des Transistors des
Standes der Technik. Auch war die obere Fläche der
Polysiliziumschicht etwas glatter, da die verminderte Dicke eine
kleinere Korngröße ergab. Wenn auch das
Doppelschicht-Polysiliziumgate zufriedenstellend arbeitet, so ergab sich jedoch keine
signifikante Verbesserung der Ausbeute und der
Arbeitskennlinie im Vergleich zu den Transistoren des Standes der
Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Transistor überwindet die Nachteile der
Feldeffekttransistoren des Standes der Technik und schafft
einen Feldeffekttransistor mit verbesserter Leistungsfähigkeit
im Betrieb unter gleichzeitiger Verbesserung der Ausbeuten.
Der herkömmliche Feldeffekttransistor-Gate-Aufbau wird ersetzt
durch einen Gate-Aufbau mit wenigstens drei Schichten eines
ersten Materials und mit einer sehr dünnen Schicht eines
zweiten Materials, die jede der Schichten des ersten Materials
voneinander trennt, wobei der Mehrschicht-Gate-Aufbau eine
Gesamtgrößencharakteristik hat, die der Größencharakteristik
eines Feldeffekttransistoraufbaus des Standes der Technik
entspricht. Bei einer Ausführungsform umfaßt das erste
Material Polysilizium und die sehr dünne Schicht des zweiten
Materials weist eine Oxidschicht auf, die eine Dicke in der
Größenordnung von Atomen hat. Da der Mehrschicht-Gate-Aufbau die
gleiche Dicke und Gestalt wie ein typischer Gate-Aufbau hat,
arbeitet der erfindungsgemäße Transistor in der gleichen Weise
wie ein herkömmlicher Feldeffekttransistor.
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Die verbesserte Leistungsfähigkeit und Ausbeute werden
erhalten, da die Polysilizium-Korngröße und die Wirkungen des
Ätzens des Polysiliziums bei der Bildung des Mehrschicht-
Gate-Aufbaus minimiert werden. Wenn die Source- und
Drain-Bereiche unter Verwendung des Mehrschicht-Polisiliziumgates als
Dotierungsmaske gebildet werden, werden sie dauerhaft über den
Kanal verbunden, der unter dem Mehrschicht-Polysiliziumgate
erzeugt wird, da die Seiten des Gate-Aufbaus im wesentlichen
vertikal in bezug auf die Substratoberfläche sind und eine
Fehlausrichtung der Maske minimiert worden ist.
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Der Mehrschicht-Polysilizium/Oxidaufbau ist gleichfalls
nützlich für Widerstände an ausgewählten Stellen eines
Halbleitersubstrats. Zur Kontaktierung verschiedener Teile der
obersten Polysiliziumschicht werden Elektroden gebildet. Die
sehr dünne Oxidschicht zwischen den Polysiliziumschichten,
deren Dicke wiederum in der Größenordnung von Atomen liegt,
erlaubt den Stromfluß durch diese Schicht. Der Stromfluß
zwischen den Polysiliziumschichten kann über die Dicke der
dünnen Oxidschicht gesteuert werden. Das Steuern der Dicke der
Oxidschichten und der Dicke und Anzahl der
Polysiliziumschichten erlaubt daher die Bildung eines Widerstands mit einem
ausgewählten Widerstandswert. Wie üblich, wird der
Widerstandswert des Widerstands hauptsächlich über den Abstand
zwischen den Elektroden gesteuert.
Kurze Bechreibung der Zeichnungen
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Fig.1 ist eine Schnittansicht eines Feldeffektransistors des
Standes der Technik.
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Fig.2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Gate-Aufbaus
des Standes der Technik, die die Wirkung des
anisotropischen Ätzens der Polysiliziumschicht zeigt.
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Fig.3 ist eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Transistors mit einem Mehrschicht-Polysiliziumgate.
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Fig.4 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Gate-Aufbaus
entsprechend der vorliegenden Erfindung, die zeigt, dar
der Mehrschicht-Gate-Aufbau eine Kantenfläche hat, die
im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche ist.
Detaillierte Beschreibung
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Der erfindungsgemäße Transistor 150 ist in Fig.3 gezeigt. Bei
einer Ausführungsform weist der Transistor 150 ein
Polysiliziumgate 115 auf, das von abwechselnden Schichten eines ersten
Materials, beispielsweise Polysilizium, und eines zweiten
Materials, beispielsweise Siliziumdioxid, gebildet ist. Die
anderen Elemente des Transistors 150 sind mit den oben im
Zusammenhang mit Transistor 50 (Fig.1) beschriebenen
identisch, diese Beschreibung wird durch Bezugnahme darauf zum
Bestandteil der vorliegenden Figurenbeschreibung gemacht. Wie
weiter unten vollständiger beschrieben, vermindert der
Transistor 150 mit einem Mehrschicht-Polysiliziumoxid-Gate-Aufbau
signifikant die mit der Polysiliziumkorngröße und dem
Polysilizium-Ätzen zusammenhängenden Probleme im Vergleich zu
Polysilizium-Gate-Aufbauarten des Standes der Technik.
Folglich werden Ausbeute und Leistungsfähigkeit verbessert, wenn
der Transistor 150 anstelle des Transistors 50 (Fig.1)
verwendet wird.
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Das wichtige Merkmal dieser Erfindung ist die Bildung des
Gates 115 (Fig.3) in mehreren Stufen, mit abwechselnden
Schichen eines ersten und eines zweiten Materials.
Beispielsweise wird ein Dreischicht-Polysilizium-Gate-Aufbau gebildet
durch Ablagern eines Drittels des Polysiliziums 115-1,
Aufwachsenlassen einer ersten dünnen Siliziumdioxidschicht 115-2
auf der Schicht 115-1, Ablagern etwa eines weiteren Drittel
des Polysiliziums 115-3 auf der Schicht 115-2,
Aufwachsenlassen einer zweiten dünnen Siliziumdioxidschicht 115-4 auf
der Schicht 115-3, und Ablagern etwa des letzten Drittels des
Polysiliziums 115-5 auf der Schicht 115-4. Wie hier verwendet,
stehen Bruchteile des Polysiliziums im Verhältnis zur
typischen Dicke eines Polysilizium-Gate-Aufbaus des Standes der
Technik. In anderen Ausführungsformen könnte die typische
Dicke des Gate-Aufbaus aufgeteilt werden in beispielsweise 4
oder mehr Polysiliziumschichten mit einer zwischen den Polysi
liziumschichten eingelagerten Oxidschicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polysilizium
durch chemische Niederdruckdampfablagerung (low pressure
chemical vapor deposition (LPCVD)) abgelagert. Zum Bilden des
Transistors 150 wird das Substrat 111 wie oben für den
Transistor 50 (Fig.1) verarbeitet bis zu der Bildung der
Polysiliziumschicht, von der aus der Gate-Aufbau und die Verbindungen
gebildet werden. Die erste Ablagerung einer
Polysiliziumschicht für den Gate-Aufbau 115 wird ausgeführt unter
Verwendung von Silan (SiH&sub4;) bei einem Druck im Bereich von etwa 0,2
bis etwa 0,8 -Torr (1 Torr 133,3 Pa) (vorzugsweise etwa 0,4
Torr) und einer Temperatur im Bereich von etwa 600ºC bis etwa
650ºC (vorzugsweise etwa 650ºC). Die Ablagerungszeit hängt von
der Dicke der ersten Schicht ab. Nach der Bildung der ersten
Polysiliziumschicht mit der gewünschten Dicke wird der
Halbleiter-Wafer für einen Zeitabschnitt im Bereich von einer bis
drei Minuten oxidierenden Bedingungen ausgesetzt. Die
oxidierenden Bedingungen umfassen eine Temperatur im Bereich von
600ºC bis 900ºC, eine Sauerstoffkonzentration von 0,01% bis
100%, die durch Argon verdünnt wird, und einen Druck von 0,1
Torr bis 760 Torr. Bei einer Ausführungsform wird die
Oxidschicht gebildet unter Verwendung eines atmosphärischen
horizontalen Ofens, der mit 1% Sauerstoff und 99% Argon bei
etwa einer Atmosphäre und etwa 800ºC gefüllt ist. Unter diesen
Bedingungen wächst die Oxidschicht bis zu einer Dicke von
vielleicht mehreren Atomen. Der hier verwendete Begriff einer
dünnen Schicht (auch als "sehr dünne Schicht" bezeichnet), die
zwischen Polysiliziumschichten eingefügt ist, meint eine
Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von mehreren
Atomen, also in einem Bereich von 1 bis 5Å (10Å = 1 nm).
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Anschließend wird SiH&sub4; bei einem Druck im Bereich von etwa 0,2
Torr bis etwa 0,8 Torr (vorzugsweise etwa 0,4 Torr) und bei
einer Temperatur im Bereich von etwa 600ºC bis etwa 650ºC
(vorzugsweise etwa 650ºC) für einen ausreichenden Zeitraum
eingeführt, um die zweite Polysiliziumschicht des Gates auf
der ersten sehr dünnen Oxischicht aufwachsen zu lassen. Die
Schritte der Bildung einer sehr dünnen Oxidschicht und der
Bildung einer Polysiliziumschicht werden abwechselnd
wiederholt, bis die geüwünschte Anzahl von Polysilicumschichten in
dem Gate-Aufbau gebildet ist. Die Polysiliziumschichten können
auf die gleiche Weise dotiert werden, wie im Verfahren des
Standes der Technik zum Dotieren eines
Polysilizium-Gate-Aufbaus. Der mit einem Mehrschicht-Gate 115 versehene Transistor
150 arbeitet so, wie es sich gehört.
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Das Einfügen von sehr dünnen Oxidschichten 115-2 und 115-4
zwischen die Polysiliziumschichten erlaubt die Steuerung des
Widerstandes der Polysiliziumschicht, da die sehr dünnen
Oxidschichten als Widerstand wirken. Normalerweise sinkt der
Widerstand, wenn die Polysilicimschicht dicker gemacht wird,
wenn es aber wünschenswert ist, die Polysiliziumschichten als
einen Widerstand zu benutzen, erhöht das Einfügen der dünnen
Oxidschichten den Widerstand der Schicht. Ein Widerstand mit
einem gewählten Widerstandswert kann daher an einer
gewünschten Stelle auf einfache Weise gebildet werden durch Bilden
mehrerer abwechselnder Schichten von Siliziumdioxid und
Polysilizium.
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Die Korngröße in einer Polysiliziumschicht wird durch mehrere
Faktoren wie Temperatur, Druck und Dicke bestimmt. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird aber die Dicke gesteuert
durch die Mehrzahl von Polysiliziumschichten, wobei jede
Polysiliziumschicht eine Dicke aufweist, die geringer ist als
die Hälfte der Dicke eines herkömmlichen Polysilizium-Gate-
Aufbaus. Die Korngröße ist durch die Dicke der
Polysiliziumschicht begrenzt. Entsprechend hat die obere Fläche eines
Polysilicims-Gate-Aufbaus eine Korngröße, die zusammenhängt
mit der Dicke der letzten Schicht des Polysiliziums in dem
Gate und nicht mit der Dicke des gesamten Gate-Aufbaus, wie
bei Bauelementen des Standes der Technik. Der resultierende
Polysilizium/Oxidaufbau hat daher im Vergleich zu Oberflächen
des Standes der Technik eine glatte obere Oberfläche. Diese
glatte Oberfläche ist vorteilhaft bei jeglichen nachfolgenden
Maskierungsvorgängen, da die glatte Oberfläche für eine
bessere Ausrichtung der Maske sorgt, was wiederum die Ausbeute
verbessert.
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Wie vorstehend beschrieben, verursacht beim Bilden des
Polysiliziumgates durch Ätzen das Hinterschneiden des unteren Teils
des Polysiliziums während des anisotropischen Ätzens eine
ungleichförmige Weite der Polysiliziumschicht, wie vorstehend
beschrieben (s.Fig.2). Die unterbrochenen dünnen Oxidschichten
bremsen den Ätzvorgang, so daß die Breite des Gate-Aufbaus in
der vertikalen Richtung gleichförmiger ist als in Bauelementen
des Standes der Technik. Die Ätzrate einer Oxidschicht ist
während des Plasmaätzens signifikant geringer als die Ätzrate
einer Polysiliziumschicht.
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Folglich begrenzen die sehr dünnen Oxidschichten in dem
Mehrschicht-Gate-Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung den
Hinterschnitt der Polysiliziumschichten unterhalb der
Oxidschichten. Eine vergrößerte Ansicht des Gates 115 nach dem
Ätzen ist in Fig.4 gezeigt. Die Kantenfläche 115C des Gate-
Aufbaus 115 liegt nach dem Ätzen näher an einer Senkrechten
zur Substratoberfläche als oben im Zusammenhang mit dem Stand
der Technik beschrieben.
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Wenn eine Ioneneinlagerung verwendet wird zur Bildung der
Source- und Drain-Bereiche des erfindungsgemäßen Transistors,
wird das Gate 115 als Maske verwendet, wie vorstehend
beschrieben. Nachdem die thermische Diffusion das Dotierungsmit
tel im Source- und Drain-Bereich angereichert hat und den
Gate-Aufbau 115 mit dem Source-Bereich 110 und dem
Drain-Bereich 113 verbunden hat, liegt nur eine sehr geringe
Überdekkung zwischen dem Source-Bereich 110 und einer ersten Kante
des Gate-Aufbaus sowie zwischen dem Drain-Bereich 112 und
einer zweiten Kante des Gate-Aufbaus vor. Entsprechend wird
die Kapazitanz zwischen dem Gate und den Source- sowie Drain-
Bereichen 110, 112 minimiert, mit dem Ergebnis, daß diese
Ausführungsform des Transistors für einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist. Desweiteren wird aufgrund der
Gleichförmigkeit des Gate-Aufbaus die Ausbeute verbessert und
die Variation der Betriebskennlinien von Transistor zu
Transistor innerhalb eines Chips wird minimiert.
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Meine Erfindung ist beschrieben worden im Zusammenhang mit ein
Polysilizium-Gate-Feldeffekt-Transistor mit Bereichen
spezifischer Leitfähigkeit, ihre Prinzipien sind jedoch auch
anwendbar sowohl bei Feldeffekt-Transistoren vom Verarmungs oder
Anreicherungstyps als auch bei Feldeffekt-Transistoren mit
Bereichen entgegengesetzter Leitfähigkeiten. Desweiteren kann
der Mehrschicht-Polysilizium/oxid-Aufbau bei jeglichem
Halbleiterbauelement anstelle einer herkömmlichen
Polysiliziumschicht verwendet werden. Der MehrSchicht-Polysilizium/oxid-
Aufbau ist bei jedem Bauelement vorteilhaft, bei dem die
Maskenausrichtung durch die Glätte der Polysiliziumoberfläche
beeinflußt wird und bei der der MehrSchicht-Polysilizium/oxid-
Aufbau als Maske für einen nachfolgenden Verfahensschritt
verwendet wird.