DE1464390B2

DE1464390B2 - Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE1464390B2
Application number: DE19631464390
Authority: DE
Inventors: Frederic Paul Highland Park N J Herman (V St A )
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1962-09-07
Filing date: 1963-09-04
Publication date: 1971-01-28
Also published as: CH431724A; DE1464390A1; US3387358A; NL141330B; BE637064A; GB1048475A; US3513364A; NL297601A; JPS5111478B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem in einer Oberfläche ein Quellenelektrodenbereich und ein Abflußelektrodenbereich vom entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind, die durch einen Kanalbereich aus Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden sind, und mit einer durch eine Isolierschicht vom Kanalbereich getrennten Steuerelektrode.

Bei Feldeffekttransistoren hängt die Größe des von der Quellenelektrode zur Abflußelektrode durch den Kanalbereich fließenden Stromes von der Zahl der freien Ladungsträger im Kanalbereich und — in gewissem Umfang — von der zwischen Quellenelektrode und Abflußelektrode anliegenden Spannung ab. Die Zahl der freien Ladungsträger im Kanalbereich läßt sich mit Hilfe der an die Steuerelektrode angelegten Spannung steuern. Man unterscheidet dabei zwischen zwei Typen von Feldeffekttransistoren. Bei dem sogenannten Verarmungstyp ist die Zahl der freien Ladungsträger im Kanalbereich relativ groß, wenn an die Steuerelektrode das gleiche Potential gelegt wird wie an die Quellenelektrode: Es fließt dann ein relativ großer Strom durch den Kanal. Durch eine Veränderung der Steuerelektrodenspannung kann nun erreicht werden, daß die freien Ladungsträger nach und nach aus dem Kanalbereich verdrängt werden, so daß der Kanalbereich an Ladungsträgern verarmt und der Kanalstrom sich entsprechend verringert. Beim sogenannten Stromerhöhungstyp liegen die Verhältnisse gerade umgekehrt: Bei einer Steuerelektrodenvorspannung von 0 Volt befinden sich praktisch keine freien Ladungsträger im Kanalbereich, und erst bei einer entsprechenden Veränderung der Steuerelektrodenspannung stehen zunehmend freie Ladungsträger im Kanalbereich zur Verfügung, welche einen Stromfluß ermöglichen. Ferner unterscheidet man zwischen Feldeffekttransistoren mit isolierter bzw. nichtisolierter Steuerelektrode. Im erstgenannten Falle, auf den sich die Erfindung bezieht, ist die Steuerelektrode durch eine hochisolierende Schicht von der Kanalzone getrennt, so daß ein solcher Feldeffekttransistor einen sehr hohen Eingangswiderstand hat. Derartige Transistoren sind bekannt.

Üblicherweise bildet man bei Feldeffekttransistoren den Kanalbereich in Form einer umdotierten dünnen Oberflächenschicht aus, wobei diese Umdotierung meist mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens erfolgt. Die Dicke von auf solche Weise ausgebildeten Kanalbereichen läßt sich jedoch nicht beliebig gering halten, sondern man kommt etwa nur bis zu einer Grenze herab von 5000 bis 10 000 A. Die Dicke des Kanalbereiches ist aber — neben der Dicke der Isolierschicht — maßgebend für die Steuersteilheit des Transistors, da das von der Steuerelektrode ausgehende elektrische Steuerfeld einen dünnen Kanalbereich schneller ausfüllt als einen dickeren Kanalbereich. Es ist fernerhin ein Feldeffekttransistor bekannt, bei welchem der Kanalbereich nicht durch eine Umdotierung in einem eigenen Schritt des Herstellungsverfahrens gebildet wird, sondern sich erst bei angelegten Betriebsspannungen in Form einer Inversionsschicht unterhalb der unter der Steuerelektrode liegenden Isolierschicht zwischen dem Quellen- und Abflußbereich bildet. Bei Anlegen einer Vorspannung geeigneter Polarität an die Steuerelektrode bewirkt das dabei entstehende Feld in Folge der Influenzwirkung ein verstärktes Auftreten entsprechender Ladungsträger im Bereich unterhalb der Isolierschicht, so daß eine sehr dünne Zone verstärkter Leitfähigkeit gebildet wird, welche als Kanalbereich zwischen Quellenelektroden und Abflußelektroden wirkt. Die Eigenschaften eines so gebildeten Kanalbereichs sind naturgemäß stark abhängig von den Vorspannungs- und Dotierverhältnissen im Bereich dieser Zone.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in der Schaffung eines Feldeffekttransistors mit einem dünnen Kanalbereich, dessen Eigenschaften stabiler sind, so daß die Reproduzierbarkeit sicherer und damit die Ausbeute bei der Herstellung größer wird. Dennoch soll das Herstellungsverfahren nicht kompliziert werden.

Bei einem Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem in -einer Oberfläche ein Quellenelektrodenbereich und ein Abflußelektrodenbereich vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp ausgebildet _. sind, die durch einen Kanalbereich aus Halbleiter- K^ ,' material des zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden sind, und mit einer durch eine Isolierschicht vom Kanalbereich getrennten Steuerelektrode, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kanalbereich auch dann einen kleineren spezifischen Widerstand als der übrige Halbleiterkörper des ersten Leitfähigkeitstyp besitzt, wenn an die Elektroden des Feldeffekttransistors keine Spannung angelegt ist. Bei einem solchen Feldeffekttransistor wird der niederohmige Kanalbereich nicht erst durch das Anlegen der Betriebsspannungen gebildet, sondern er besteht bereits von vornherein im Halbleiterelement. Die Abhängigkeit von den Betriebsspannungen liegt daher nicht wie bei dem bekannten Feldeffekttransistor vor, sondern seine Eigenschaften sind unabhängig von den Spannungsverhältnissen wesentlich stabiler. Der erfindungsgemäße Transistor läßt sich sowohl als Verarmungstyp wie auch als Stromerhöhungstyp oder auch als Mischtyp, bei dem die Kennlinie für die Steuerelektrodenspannung Null etwa in der Mitte des Kennlinienfeldes liegt, ausbilden. f

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistors liegt darin, daß auf einen Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps eine stark dotierte Oxydschicht des Halbleitermaterials ausgebildet wird, wobei geringe Mengen des Dotierstoffes bereits in die Oberfläche des Substrats eindringen. Aus dieser stark dotierten Oxydschicht wird dann eine dem späteren Kanalbereich entsprechende Öffnung herausgeätzt. Dann wird der Halbleiter in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt, wobei aus den stark dotierten Oxydschichten weiteres Dotiermaterial in das Substrat eindiffundiert und dort den Quellen- und Abflußelektrodenbereich bildet, während sich über dem Kanalbereich eine undotierte Oxydschicht bildet, auf welche später die Steuerelektrode aufgedampft wird. Auf diese Weise lassen sich mit einer einzigen Abdeckung des Halbleiterkörpers vorteilhafterweise gleichzeitig die Quellen- und Abflußelektrodenbereiche und der Kanalbereich ausbilden.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Feldeffekttransistors in kreissymmetrischer Ausführung mit einer Vorspannungsschaltung für den Betrieb des Transistors;

F i g. 2 ist eine Kurvenschar, welche die Abflußspannungsstromkennlinien des Transistors nach F i g. 1 veranschaulicht;

F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Feldeffekttransistors gemäß der Erfindung, welche mehrere Transistoren in Serienschaltung enthält, von denen jeder eine sogenannte Leitergeometrie aufweist. Ferner zeigt F i g. 3 noch die Vorspannungsschaltung zum Betrieb eines dieser Transistoren;

Fig. 4A, 4B und 4C stellen einzelne Schnitte dar und veranschaulichen ein Herstellungsverfahren einer dritten Ausführungsform, welche eine ähnliche Geometrie besitzt wie die Ausführungsform nach F i g. 3, jedoch einen abweichenden Steuerelektrodenaufbau zeigt;

F i g. 5 zeigt eine Kurvenschar, welche die Abflußeigenschaften der dritten Ausführungsform nach Fig. 4C veranschaulicht;

■ F i g. 6 enthält eine Kurvenschar, welche die Abflußeigenschaften einer vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und welche eine ähnliche Geometrie besitzt wie die Ausführungsform nach F i g. 4 C mit der Ausnahme, daß die Abflußkennlinien durch eine längere Erhitzung in trockenem Sauerstoff noch beeinflußt wurden;

Fig. 7 zeigt eine Kurvenschar, welche die Abflußspannung-Abflußstrom-Kennlinien einer fünften Ausführungsform eines Feldeffekttransistors gemäß der Erfindung mit einer Geometrie ähnlich derjenigen in F i g. 4 C veranschaulicht, wobei ein Unterschied gegenüber F i g. 4 C darin besteht, daß die Abflußkennlinien durch nachträgliches Ausglühen in trockenem Stickstoff noch beeinflußt wurden;

F i g. 8 zeigt eine Aufsicht auf einen sechsten Feldeffekttransistor mit abgewandelter Steuerelektrodengeometrie;

F i g. 9 schließlich zeigt die Kennlinie des Transistors nach Fig. 8.

Miteinander übereinstimmende Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines unipolaren Feldeffekttransistors 21, der nach der Erfindung ausgebaut ist und Ringgeometrie aufweist. Der Transistor 21 enthält einen Körper aus Halbleitermaterial von hohem spezifischem Widerstand, welcher ein Einkristall oder ein polykristalliner Körper sein kann. Das Material des Körpers kann aus einem beliebigen der Halbleitermaterialien bestehen, welche zur Herstellung von Transistoren benutzt werden.

Der Körper 23 enthält ein durchreagiertes Gebiet mit einer Schicht 25 aus durch eine chemische Reaktion in eine Isolierschicht umgewandeltem Halbleitermaterial und einen Kanal 27 geringen spezifischen Widerstandes zwischen dem Hauptteil des Körpers 23 und der Schicht 25. Die Schicht 25 besteht vorzugsweise aus einem Material hohen spezifischen Widerstandes. Zur Veranschaulichung sei erwähnt, daß der Körper 23 in F i g. 1 ein Einkristall aus p-Silizium sein soll mit einem spezifischen Widerstand von etwa 200 Ohmzentimetern. Die Schicht 25 in dieser Ausführungsform hat Kreisform und wird durch Oxydation eines Teiles der Oberfläche des Körpers 23 hergestellt. Die Schicht 25 ist etwa 2000 Angströmeinheiten dick und besteht im wesentlichen aus reinem Siliziumoxyd, welches durch vollständige Oxydation einer Oberflächenschicht des Körpers 23 erzeugt wurde.

Der Kanal 27 geringen Widerstandes wird gleichzeitig mit der Schicht 25 erzeugt. Der Kanal 27 ist unterhalb der ganzen Schicht 25 vorhanden. Er kann gegebenenfalls auch als teilweise oxydiertes Silizium aufgefaßt werden, welches den Übergang zwischen dem Hauptteil des Körpers 23 und der Schicht 25 bildet. Der Kanal 27 hat einen niedrigen Widerstand infolge der Anziehung von freien Ladungsträgern, welche die elektrischen Ladungen in dem teilweise umgewandelten Halbleitermaterial des Kanals kompensieren. Eine Steuerelektrode 29, vorzugsweise aus Aluminium, liegt auf der vom Kanal 27 abgewandten Seite der Schicht 25 auf.

Eine Quellenelektrode 31 berührt den Außenumfang des Kanals 27, während eine Abflußelektrode 33 mit der Innenseite des Kanals 27 in Berührung steht. Die Länge des Kanals 27, d. h. der Abstand zwischen seiner Außenseite und seiner Innenseite ist etwa 0,013mm. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die , Quellenelektrode 31 und die Abflußelektrode 33 Zonen oder Gebiete innerhalb des Körpers 23, in welche η-Verunreinigungen eindiffundiert worden sind, um diese Zonen gut leitend zu machen. Es können jedoch auch andere Konstruktionen zur Herstellung geeigneter Anschlüsse an den Kanal 27 benutzt werden.

Eine Quellenelektrode 35 von Ringform zwischen Isolationsniederschlägen 39 und 41 liegt auf der Quellenzone 31 auf. Eine scheibenförmige Abflußelektrode 37 innerhalb des Isolierteils 43 liegt auf der Abflußzone 33 auf. Die Elektroden 35 und 37 bestehen vorzugsweise aus Aluminium und können ebenso hergestellt werden wie die Steuerelektrode 29. Die Isolierschichten 39, 41 und 43 bestehen aus niedergeschlagenem Siliziumoxyd von etwa der Dicke 0,01 bis 0,0001 mm und vorzugsweise von der Dicke 0,001 mm.

Die F i g. 1 veranschaulicht auch eine Vorspannungsschaltung für den Betrieb des Transistors 21. Die Quellenelektrode 35 liegt über eine Leitung 53 an Erde 51. Die Steuerelektrode 29 ist an eine Klemme einer einstellbaren Spannungsquelle 55 über eine Leitung 57 angeschlossen. Die andere Klemme seiner Spannungsquelle 55 ist geerdet. Die Abflußelektrode 37 ist an eine Klemme einer einstellbaren Spannungsquelle 59 über eine Leitung 61 und über einen Belastungswiderstand 63 angeschlossen, während die andere Klemme der Spannungsquelle 59 geerdet ist. Die Ausgangsklemmen 65 liegen an den Endpunkten des Widerstandes 63. Die einstellbaren Spannungen 55 und 59 können bis auf Null vermindert werden oder auch umgekehrte Polaritäten besitzen.

Bei einer Betriebsart wird die Abflußspannung V_a durch Verstellung der Spannungsquelle 59 auf einen gewünschten Wert eingestellt. Eine Steuerspannung F_g, welche die Eingangsspannung oder Signalspannung am Transistor darstellt und welche entweder eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung bis zu etwa 100 MHz sein kann oder aus Impulsen bestehen kann, wird von der Spannungsquelle 55 geliefert oder wird zusätzlich zu dieser Spannung zugeführt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein

kleiner Oszillator mit der Spannungsquelle 55 in Reihe geschaltet werden, welcher dann die Quelle für die Wechselstromeingangssignale der Steuerelektrode darstellt. Man kann auch die Klemmen einer anderen Signalquelle mit der Spannung 55 in Reihe schalten. Der Abflußstrom I_d, welcher den Ausgangsstrom des Transistors darstellt, fließt von der Spannungsquelle 59 über die Leitung 61 zur Abflußelektrode 37 und von dort über die Abflußzone 33, den Kanal 27, die Quellenzone 31 und die Quellenelektrode 35 über die Leitung 53 nach Erde. Die linke Klemme der Spannungsquelle 59 ist ebenfalls mit Erde verbunden. Der Abflußstrom I_d hat denselben zeitlichen Verlauf wie die Steuerspannung V_g. Die Ausgangsleistung kann ein Vielfaches der Eingangsleistung sein, und der Eingangswiderstand kann ein Vielfaches des Ausgangswiderstandes betragen. Der Transistor kann somit zur Übertragung von einem Eingangskreis hohen Widerstandes in einen Ausgangskreis niedrigen Widerstandes benutzt werden, entweder um die Eingangsleistung zu verstärken oder um sowohl eine Übertragung wie eine Verstärkung zu bewirken,

F i g. 2 zeigt die Abflußkennlinien (Abflußstrom I_ä in Abhängigkeit von der Abflußspannung V_d) des Transistors nach Fig. 1. Jede der Kurven in Fig. 2 wurde bei konstanter Steuerspannung V_g und mit geerdeter Quellenelektrode 35 aufgenommen. Der Eingangswiderstand bei niedrigen Frequenzen an der Steuerelektrode ist kapazitiv. Zeitkonstantenmessung gen ergeben einen Isolationswiderstand in der Größenordnung von 10« bis IQ¹⁶ Ohm. Die F i g. 2 bezieht sich auf die an einem einzigen Transistorexemplar aufgenommenen Kennlinien. Andere Transistoren der gleichen Geometrie können mit höherer negativer Steuerelektrodenspannung und/oder mit positiver Steuerelektrodenspannung betrieben werden. Die maximale verwendbare Steuerelektrodenspannung ist vermutlich 100 Volt (positiv oder negativ) für die in F i g. 1 dargestellten Transistoren und wird durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der umgewandelten Schicht 25 begrenzt, die etwa 5 · 10⁶ Volt je Zentimeter Dicke beträgt.

F i g. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform mit mehreren Feldeffekttransistoren, die eine sogenannte Leitergeometrie besitzen. Diese Leitergeometrie ermöglicht die Unterbringung mehrerer Transistoren auf einem einzigen Halbleiterkörper. Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist der Kanal 27 a rechteckig und etwa 0,013 mm lang und etwa 1,3 mm breit. Die Länge des Kanals 27 a ist als der Abstand zwischen der Quellenzone und der Abflußzone definiert. Die Breite ist diejenige senkrecht zu der Länge liegende Abmessung, welche parallel zu der Oberseite des Halbleiterkörpers 23 α verläuft. Die Schicht 25 a hohen Widerstandes besteht aus Siliziumoxyd einer Dicke von etwa 2700 Angströmeinheiten, und wurde in dem Einkristallkörper 23 α aus Silizium hohen spezifischen Widerstandes durch Oxydation erzeugt. Die niedergeschlagene Isolierschicht 47 besteht aus Siliziumoxyd einer Dicke von etwa 1 Mi-.kron. Die runden Anschlußklemmen 45 an den Enden der Steuerelektroden29a erlauben einen zuverlässigen Drahtanschluß. Die Quellenelektrode 35 α eines Transistors kann auch als Abflußelektrode für den nächsten Transistor benutzt werden. Ebenso kann die Abflußelektrode 37 a eines Transistors als Quellenelektrode für den nächsten Transistor dienen.

Die Feldeffekttransistoren nach F i g. 3 können mit Hilfe der in Fig. 4A, 4B und 4C dargestellten einzelnen Verfahrensschritte hergestellt werden. Man geht aus von einem Einkristallkörper 23 α aus Silizium mit einem hohen spezifischen Widerstand, beispielsweise einer Scheibe aus p-Silizium mit 500 Ohmzentimetern. Die eine Seite dieser Scheibe wird sorgfältig gereinigt, um das Halbleitermaterial freizulegen. Dies kann beispielsweise durch chemische Ätzung der einen Seite der Scheibe geschehen. Sodann wird stark dotiertes Siliziumoxyd in Form einer Schicht 47 auf bestimmten Gebieten der gereinigten Oberfläche niedergeschlagen. Dies läßt sich beispielsweise durch thermischen Niederschlag aus dotiertem Oxysilan bewerkstelligen und durch nachträgliche Entfernung des niedergeschlagenen Oxyds an bestimmten Stellen, beispielsweise durch teilweise Abätzung nach bekannten Verfahren.

Die Dicke der niedergeschlagenen Oxydschicht 47 beträgt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,001 mm. Die niedergeschlagene Oxydschicht 47 enthält eine verhältnismäßig hohe Konzentration und Verunreinigungen, welche in Silizium einen n-Leitungstyp hervorbringen. Der Teil der Halbleiterscheibe, weleher nun das umgewandelte Material 35 α und den Kanal 27 a enthält, wird im folgenden als »durchreagiertes Gebiet« oder als »durchreagierte Zone« bezeichnet werden.

Im gleichen Verfahrensschritt diffundieren Verunreinigungen aus den niedergeschlagenen Oxydschichtbereichen 47 in das darunterliegende Silizium hinein und bilden die Diffusionsgebiete 31 α und 33 α, in welchen Verunreinigungen hinsichtlich ihrer Konzentration mit zunehmendem Abstand von den Schichten 47 abnehmen. An der Stelle des Anschlusses an den Kanal 27 α und oberhalb davon haben die Diffusionsgebiete 31 α und 33 α einen verhältnismäßig niedrigen Widerstand.

Sodann werden in den Oxydschichten 47 durch Ätzung öffnungen gebildet, um den mittleren Teil jedes Diffusionsgebietes 31a und 33 a zugänglich zu machen. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß man eine Fotoätzschutzschicht auf der Mitte der Schichten 47 und 25 α anbringt und sodann / dort eine Ätzung vornimmt, wo Löcher entstehen V. sollen. Sodann wird ein Metall, z. B. Aluminium, in der Mitte der Diffusionsgebiete 31a und 33 a, d. h. in den geätzten Öffnungen und auf der Schicht 25 α, gegenüber dem Kanal 27 α niedergeschlagen, so daß die Quellenelektrode 35 α, die Abflußelektrode 37 a und die Steuerelektrode 29 α gebildet werden. Dies läßt sich beispielsweise durch Aufdampfen einer durchgehenden Metallschicht aus Aluminium und durch nachträgliches stellenweise Entfernen der Aluminiumschicht nach dem Fotoätzverfahren bewerkstelligen.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Konstruktion können Schwierigkeiten dabei entstehen, die Steuerelektrode 29a mit der umgewandelten Schicht 25 a genügend zur Deckung zu bringen. In einer dritten Ausführungsform gemäß F i g. 4 C wird die Steuerelektrode 29a daher langer als der Kanal 27 a gemacht, so daß sie auch noch die angrenzenden Teile der Schichten 47 überdeckt. Die Steuerelektrode 29 α bedeckt daher in Fig. 4C die ganze Schicht 25a und ferner noch die Ränder der angrenzenden Schichten 47. Diese Wandteile der Steuerelektrode 25 α sind mit 49 bezeichnet. Da die Dicke der Schichten 47

mindestens das Vierfache der Dicke der Schicht 25 a beträgt, wird die Eigenkapazität der Vorrichtung bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 C nicht wesentlich erhöht.

F i g. 5 zeigt die Kennlinien des Transistors nach Fig. 4C. Die Transkonduktanz ist etwa 3 mA/V, und die Eingangskapazität bei der Steuerelektrodenspannung Null beträgt 15 pF bei etwa 1 MHz. Wenn der Kanal 27 a vollständig frei von freien Elektronen bei angelegter Steuerspannung ist, beträgt der Kanalwiderstand etwa 20 000 Ohm. Dieser Widerstand ist vermutlich auf den Isolationsstrom zurückzuführen, der von der Quellenelektrode 31 α unter Umgehung der Steuerelektrode zur Abflußelektrode 33 α fließt.

Der Transistor nach F i g. 4 C kann sowohl mit positiver als auch mit negativer Vorspannung an der Steuerelektrode als auch schließlich mit der Steuerelektrodenvorspannung Null betrieben werden. Bei der Vorspannung Null und auch bei positiver oder negativer Steuerelektrodenvorspannung fließt kein Steuerelektroden-Gleichstrom. Der nach oben schwach konkave Verlauf der Kurven in F i g. 5 für negative Vorspannungen bei höherer Abflußspannung ist die Folge eines lawinenartigen Durchbruchs in dem an Trägern verarmten Kanal 27 a. Beispielsweise zeigt die Kurve für V_g = — 3 Volt eine Abbiegung von oben für Spannungswerte V_d, die größer als etwa 10 Volt sind. Dabei tritt jedoch kein Steuerelektrodenstrom auf.

Bei der Herstellung der beschriebenen Transistoren sind sehr viele Abweichungen von den angegebenen Verfahrensschritten möglich, welche die Kennlinien des fertigen Transistors beeinflussen. Bei der ersten zu besprechenden Abwandlung wird in die umzuwandelnde Zone zunächst eine die Leitfähigkeit bestimmende Verunreinigung eindiffundiert. Diese Dotierung dient nicht zur Herstellung des Kanals, sondern zur Beeinflussung der Zahl von freien Elektronen, die im Kanal 27 und 27 α zwischen der umgewandelten Zone und dem Rest des Halbleiterkörpers vorhanden sind. Zu diesem Zweck wird die Menge der Verunreinigungen, welche eindiffundiert wird, wesentlich kleiner gewählt als die Menge, die zur Herstellung eines Kanals notwendig sein würde. Die Verunreinigungen können entweder vom p-Typ oder vom η-Typ sein und werden bis zu einer solchen Tiefe und in einer solchen Konzentration eindiffundiert, daß gerade die Kennlinien des Kanals, der ohne zusätzliche Verunreinigungen vorhanden ist, beeinflußt werden.

Die Auswahl des Materials für den Körper 23 ist wichtig. Es kann ein Einkristall sein oder ein polykristalliner Halbleiter und soll vorzugsweise einen höheren Widerstand besitzen und bei chemischer Umwandlung eine Schicht bzw. eine Zone hohen Widerstandes auf dem Halbleiter bilden. Das bevorzugte Material ist ein Einkristall aus Silizium. Bei p-Silizium geringen Widerstandes kann möglicherweise nur eine teilweise Kompensation in dem Kanal auftreten, und möglicherweise wird dann keine η-Schicht erreicht, wenn man die umgewandelte Schicht hergestellt. p-Silizium beispielsweise zwischen 2 und 1000 Ohmzentimetern ist ein bevorzugtes Material für den Körper 23. Allgemein gilt, daß bei p-Silizium die Zahl der freien η-Ladungsträger in dem Kanal um so größer ist, je höher der Widerstand des Körpers ist. Wenn ein p-Kanal zwischen dem Hauptteil des Halbleiterkörpers und der umgewandelten Halbleiterschicht gewünscht wird, so sollte η-Silizium mit hohem Widerstand benutzt werden.

Die Kennlinien des Transistors nach F i g. 4 C können auch dadurch beeinflußt werden, daß man die Erhitzungsdauer im Bereich zwischen 0,5 und 40 Stunden und/oder die Temperatur im Bereich zwischen 850 und HOO⁰C zur Herstellung der Umwandlungsschicht verändert. Die längere Erhitzungsdauer und die höhere Erhitzungstemperatur wandelt das Silizium des Halbleiterkörpers bis zu einer größeren Tiefe um und erzeugt einen tieferen Kanal.

F i g. 6 zeigt die Kennlinien eines Transistors von ähnlicher Geometrie wie der Transistor in F i g. 4 C mit der Ausnahme, daß die Erhitzung für etwa 2 Stunden bei 950° C in trockenem Sauerstoff vorgenommen wurde. Hierdurch wird eine dickere durchreagierte Zone mit einem tieferen Kanal hergestellt. Fe'rner kann abhängig von der Behandlungsatmosphäre und von der Oberflächenbehandlung vor der Oxydation entweder ein p-Kanal oder ein η-Kanal gebildet werden. Beide Kanalarten sind betriebsfähig. Jedoch müssen die Anschlüsse an dem Kanal jeweils denselben Leitungstyp haben wie der Kanal selbst. Wenn für Silizium ein p-Quellenanschluß und ein p-Abfluß gewünscht sind, muß die zur Bildung des Quellen- und Abflußbereiches dienende niedergeschlagene Oxydschicht p-Verunreinigungen für Silizium, d. h. Indium oder Bor enthalten. Wenn eine η-Quelle und ein η-Abfluß für Silizium gewünscht werden, so muß die Oxydschicht n-Verunreinigungen für Silizium, also beispielsweise Arsen, Antimon oder Phosphor enthalten.

Es wurde gefunden, daß durch eine Erhitzung des Körpers für eine oder mehrere Stunden in einer trockenen Atmosphäre nach der Bildung der umgewandelten Schicht die Zahl der freien Ladungsträger im Kanal vermindert wird. Beispielsweise kann bei dem Transistor nach F i g. 4 C die Konzentration der freien Ladungsträger im Kanal 27 a durch nachträgliche Erhitzung der Siliziumscheibe auf etwa 1000° C im trockenen Stickstoff für die Dauer einer Stunde verkleinert werden. Die gesamte Behandlung ist dieselbe, die oben an Hand der F i g. 4 C erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß vor der Anbringung der Elektroden der Transistoren in einer inerten Atmosphäre erhitzt wird und dann abgekühlt wird.

F i g. 7 veranschaulicht die Kennlinien eines in dieser Weise hergestellten Transistors. Der Transistor wird als ein Feldeffekttransistor mit Anreicherung bezeichnet, weil die hauptsächliche Betriebsart in einer Anreicherung von freien Ladungsträgern in dem Kanal bei einer positiven Steuerelektrodenspannung besteht, und zwar für einen n-Kanal.

F i g. 8 zeigt eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Feldeffekttransistors gemäß der Erfindung. Die Ausführung in F i g. 8 ist ähnlich derjenigen nach F i g. 3, jedoch mit dem Unterschied, daß benachbarte Steuerelektroden 29 b an beiden Enden miteinander verbunden sind, so daß die Abflußelektroden 37 b jedes Transistors vollständig von einer Steuerelektrode umgeben ist. Wie in F i g. 8 dargestellt, besteht jeder Transistor aus zwei Quellenelektroden 35 b und einer Abflußelektrode 37 b, die von der Steuerelektrode 29 b umgeben ist. Bei dieser Ausführungsform soll die Abflußelektrode des einen Transistors nicht als Quellenelektrode für einen benachbarten Transistor dienen.

F i g. 9 zeigt die Kennlinien für den unipolaren

Feldeffekttransistor nach Fig. 8. Die Vorrichtung kann entweder mit Verarmung (negative Steuerelektrodenspannung) oder mit Anreicherung (positive Steuerelektrodenspannung) betrieben werden. Der Transistor mit der Steuerelektrodenform nach F i g. 8 hat einen kleineren Isolationsstrom als der Transistor mit Leitergeometrie nach F i g. 3. Dies rührt daher, daß die Abfiußelektrode vollständig von der Steuerelektrode eingeschlossen ist.

Es ist einleuchtend, daß sich die dargestellten Transistoren und ihre Herstellungsverfahren insbesondere für sogenannte integrierte Schaltungen eignen, da die Transistoren leicht in größerer Anzahl auf einer einzigen Halbleiterscheibe hergestellt werden können. Außerdem ist es bemerkenswert, daß die erfindungsgemäßen Transistoren unter Benutzung nur einer Seite einer Halbleiterscheibe hergestellt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekttransistor, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, in dem in einer Oberfläche ein Quellenelektrodenbereich und ein Abflußelektrodenbereich vom entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind, die durch einen Kanalbereich aus Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden sind, und mit einer durch eine Isolierschicht vom Kanalbereich getrennten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalbereich (27, 27 a) auch dann einen kleineren spezifischen Widerstand als der übrige Halbleiterkörper (23, 23 ä) des ersten Leitfähigkeitstyps besitzt, wenn an die Elektroden des Feldeffekttransistors keine Spannung angelegt ist.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kanalbereich (27, 27 a) zwischen einer oxydierten Oberflächenschicht (25, 25 α) und dem darunterliegenden Halbleitermaterial (23, 23 a) eines Halbleitereinkristalls befindet.

3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine Isolierschicht (25 α) vom Halbleiterkörper (23 a) getrennte Steuerelektrode (29 a) nicht nur den Kanalbereich (27 a) überdeckt, sondern auch noch mit dem Quellen- und Abflußelektrodenbereich (31a bzw. 33 a) überlappt und daß die Dicke der Isolierschicht (25 a) über dem Kanalbereich (27 a) wesentlich geringer ist als über dem Quellen- und Abflußelektrodenbereich (31 a, 33 a).

4. Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial aus p-leitendem Silicium besteht.

5. Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einen spezifischen Widerstand zwischen 2 und 1000 Ohm · cm besitzt.

6. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einen spezifischen Widerstand von 200 oder 500 Ohm · cm besitzt.

7. Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekttransistors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei getrennten Bereichen einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers (23 α) Schichten (47) aus einem Isoliermaterial, das einen Dotierungsstoff enthält, niedergeschlagen werden; daß der Dotierungsstoff zur Bildung der Quellen- und Abflußelektrodenbereiche (31a, 33 a) in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird; daß der den Kanalbereich (27a) überdeckende Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers in eine Oxydschicht (25 α) umgewandelt wird; daß auf der Oberfläche dieser Oxydschicht eine die Steuerelektrode (29 α) bildende Metallschicht niedergeschlagen wird und daß die Oberflächen der Quellen- und Abflußelektrodenbereiche (31 α, 33 α) des Halbleiterkörpers freigelegt und mit einem ohmschen Metallkontakt (35 α, 37 α) versehen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die dotierten Isoliermaterialschichten (47) tragende Halbleiterkörper (23 α) zur Eindiffusion des Dotierungsstoffes und gleichzeitig zur Bildung der Oxydschicht in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zur Bildung der Oxydschicht in der oxydierenden Atmosphäre auf etwa 850 bis 1100° C erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung 0,5 bis 40 Stunden dauert.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper ein Siliciumeinkristall hohen spezifischen Widerstandes verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierten Schichten aus Isoliermaterial durch Aufdampfen von dotiertem Siliciumoxyd hergestellt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierten Schichten (47) mit einer Dicke aufgedampft werden, die größer ist als die Dicke der den Kanalbereich (27 a) überdeckenden Oxydschicht (25 a).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen