DE2727944C2

DE2727944C2 -

Info

Publication number: DE2727944C2
Application number: DE2727944A
Authority: DE
Inventors: Albert Watson Cary N.C. Us Vinal
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1987-06-11
Also published as: CA1095180A; JPS5330994B2; FR2357073B1; JPS533173A; US4048648A; GB1568744A; DE2727944A1; IT1115355B; FR2357073A1

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetfeldempfindliches Halbleiterbauelement mit einem Feldeffekttransistor aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit einer darin angebrachten Source-Zone und einer davon durch eine leitende Kanalzone getrennten Drain-Zone des entgegengesetzten, zweiten Leitungstyps mit daran angeschlossener Source- bzw. Drain-Elektrode und einer oberhalb der Kanalzone angeordneten, von dieser durch eine Isolierschicht getrennten Gate- Elektrode.

Ein derartiges Halbleiterbauelement ist aus der US-PS 34 48 353 bekannt.

Zum Stand der Technik gehören schon viele Untersuchungen und Entwicklungen, die auf eine hohe Empfindlichkeit derartiger Halbleiterbauelemente gerichtet waren. Zur Erzeugung einer hohen Empfindlichkeit wählt man bekanntlich für die Halbleiterbauelemente Halbleitermaterialien, die eine hohe sogenannte Hallbeweglichkeit aufweisen.

Bei den bekannten magnetfeldempfindlichen Halbleiterbauelementen werden zwar schon Hallausgangsspannungen bis zu 20 Millivolt je 0,1 T magnetischer Flußdichte des angelegten Magnetfeldes erzielt. Die erreichten Werte liegen indes im allgemeinen weit unterhalb der Größenordnung von 40 Millivolt je 0,1 T, also der Werte, die theoretisch erzielbar sein sollten.

Das aus der genannten US-Patentschrift bekannte Halbleiterbauelement hat den Aufbau eines MOSFET des Anreicherungstyps, bei dem sich gegenüberliegend an der Kanalzone eines ersten Leitungstyps zwischen der Drain- und der Source-Zone des zweiten Leitungstyps zwei Ausgangszonen des ebenfalls zweiten Leitungstyps befinden, über welche die durch ein angelegtes Magnetfeld erzeugte Spannung abnehmbar ist. Maßnahmen, durch eine besondere Anordnung und Ausgestaltung der Ausgangszonen in bezug auf die Kanalzone eines dem Verarmungstyp angehörenden MOSFET eine optimale Ausgangsempfindlichkeit zu erzielen, sind hier nicht angesprochen.

Entsprechendes gilt auch für den aus der DE-AS 21 45 334 bekannten Zonenaufbau eines ebenfalls dem Anreicherungstyp angehörenden MOSFET, bei dem als Ausgangszonen eine oder mehrere zusätzliche Drain-Zonen seitlich längs der Kanalzone angeordnet sind.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein magnetfeldempfindliches Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das eine höhere Hallausgangsspannung, bezogen auf die magnetische Flußdichte des angelegten Magnetfeldes als bekannte magnetfeldempfindliche Halbleiterbauelemente aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung des magnetfeldempfindlichen Halbleiterbauelements der eingangs genannten Art.

Besonders vorteilhafte Ausführungen des magnetfeldempfindlichen Halbleiterbauelements sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung lassen sich Ladungsträgergeschwindigkeiten bei oder nahe bei der maximal erzielbaren Ladungsträgergeschwindigkeit und damit hohe Hallausgangsspannungen erreichen, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, das den Ladungsträgerstrom hoher Geschwindigkeit schneidet. Die erreichbaren Magnetfeldempfindlichkeiten, gemessen in Millivolt je Kilogauß magnetische Flußdichte eines angelegten Magnetfeldes, ist um 1 bis 2 Größenordnungen größer als die der besten aus dem Stande der Technik bekannten magnetfeldempfindlichen Halbleiterbauelemente. Es lassen sich demnach Empfindlichkeiten in der Größenordnung von 1 bis 2 Volt je Kilogauß magnetischer Flußdichte eines angelegten Magnetfeldes erzielen. Das magnetfeldempfindliche Halbleiterbauelement, das diese hohe Magnetfeldempfindlichkeit aufweist, kann aus jedem Halbleitermaterial, soweit bekannt, ohne Rücksicht auf die sogenannte Hallbeweglichkeit des ausgewählten Halbleitermaterials hergestellt werden. Wegen der erforderlichen genauen Bemessung des Flächenwiderstandes der Kanalzone wird zur Herstellung der Kanalzone die Dotierung durch Ionenimplantation bevorzugt.

Durch die Wahl der Gate-Spannung (mit der Drain-Spannung) des Feldeffekttransistors läßt sich die Größe des verarmten Teils der Kanalzone einstellen. Da die Ausdehnung des verarmten Teils der Kanalzone genau bemessen werden kann, läßt sich außerdem der Ort längs der Kanalzone, an dem die Ladungsträgergeschwindigkeiten ihren Höchstwert erreichen, genau einstellen. Die Gate-Elektrode des verwendeten Feldeffekttransistors liefert außerdem die so wichtige Abschirmung gegenüber unerwünschten elektrischen Feldern und verhindert damit, daß eine durch diese Felder erzeugte elektrische Rausch- oder eine andere unerwünschte Spannung in der Hallausgangsspannung auftritt.

Das magnetfeldempfindliche Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines Feldeffekttransistors nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Feldeffekttransistors der Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig. 1 und 2 gezeigten Feldeffekttransistors,

Fig. 4 weitere Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors zur Erläuterung der Arbeitsweise des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Feldeffekttransistors,

Fig. 5 eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen der Dotierungskonzentration, der Ladungsträgerbeweglichkeit und dem Flächenwiderstand (in Ohm/Quadrat) der Kanalzone,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für ein Paar Feldeffekttransistoren nach einem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels mit zwei miteinander verbundenen magnetfeldempfindlichen Halbleiterbauelementen,

Fig. 8 entsprechend zu der Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels mit zwei miteinander verbundenen Halbleiterbauelementen, die so arbeiten, wie das das Ersatzschaltbild der Fig. 6 zeigt,

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Schaltung mit Rückkopplung und Verstärkung unter Verwendung von zwei Halbleiterbauelementen gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfindung,

Fig. 11 Kurven zur Darstellung der Beziehung zwischen der Ladungsträgergeschwindigkeit und dem in Betrieb in der Kanalzone erzeugten elektrischen Längsfeld für verschiedene Halbleitermaterialien,

Fig. 12 eine Kurve zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen Drain-Strom und Source-Drain-Spannung mit geerdeter Gate-Elektrode, beispielsweise für einen Feldeffekttransistor nach der Fig. 2,

Fig. 13A eine Draufsicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfindung,

Fig. 13B eine Seitenansicht des Halbleiterbauelements der Fig. 13A,

Fig. 14A eine Längsquerschnittsansicht eines Feldeffekttransistors nach einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel,

Fig. 14B eine Draufsicht des Feldeffektransistors nach Fig. 14A und

Fig. 15 ein Diagramm der Hallausgangsspannung über der Breite der Kanalzone für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, dessen Länge zu Breite sich verhält wie 1 : 1.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand einer Ausführung mit einem Siliziumsubstrat-Feldeffekttransistor im folgenden beschrieben; jedoch sei ganz klar herausgestellt, daß die Verwendung eines jeden Halbleitermaterials zu Halbleiterbauelementen mit zufriedenstellenden Ergebnissen führen muß, vorausgesetzt, daß das Halbleitermaterial überhaupt Ladungsträgergeschwindigkeiten bis zur oder nahe zur Sättigungsgeschwindigkeit erlaubt.

In Fig. 4 ist ein Halbleiterbauelement 1 dargestellt, das in einem Halbleitersubstrat die Source- und Drain-Diffusionszonen 2 bzw. 3 aufweist. Diese Diffusionszonen stehen in leitender Verbindung mit der innerhalb des Halbleitersubstrats liegenden Kanalzone 4. Eine Gate-Elektrode 5 liegt vollständig über der Kanalzone 4; sie dient als Steuerelektrode für den Feldeffekttransistor und ist außerdem als Abschirmelektrode wirksam. Eine Ausgangszone 6, die ein Teil der Kanalzone 4 ist, ragt seitlich von der Kanalzone 4 nach außen in einer Position, die den Abstand S von der Source-Zone 2 aufweist.

Das gesamte Halbleiterbauelement 1 ist in einem aus Silizium bestehendenSubstrat 7 aufgebaut, wie dies noch beschrieben wird. Bei einer Integration des Halbleiterbauelementes 1 zu einem Verstsärker und zugehörigen Impulsformstufen ist es sehr erwünscht, die für den integrierten Verstärker erforderliche Substratvorspannung in dem Halbleiterbauelement mit zu benutzen. Die Substratvorspannung dient der elektrischen Isolation der Source- und der Drain-Zone 2 bzw. 3 voneinander und von weiteren in der integrierten Halbleiterschaltung befindlichen Isolationszonen. Das innerhalb des Halbleitersubstrats durch die Vorspannung erzeugte elektrische Feld hat außerdem noch weitere Auswirkungen auf die Arbeitsweise des Halbleiterbauelements, was noch beschrieben wird.

Aus Fig. 2 erkennt man, daß die Diffusionszonen 2 und 3, die die Source- und die Drain-Zone des Feldeffekttransistors bilden, im Halbleitersubstrat 7 liegen. Die aktive Kanalzone 4, in der die Leitung erfolgt und in der die Ladungsträgergeschwindigkeit zur Erzeugung einer Hallausgangsspannung an der Ausgangszone 6 in Fig. 1 gesteuert werden soll, wird noch beschrieben werden. Die Gate-Elektrode 5 bildet die oberste Schicht und ist von der Kanalzone 4 isoliert. Die Dicke dieser Isolationsschicht beträgt etwa 70 nm. Metallische Kontaktelektroden 8 und 9 sind für die Source- und die Drain-Zone 2 bzw. 3 vorgesehen. Die Kontaktelektroden 8 und 9 führen durch eine aus SiO₂ bestehende Isolationsschicht hindurch und stehen in Verbindung mit den Oberflächen der Zonen 2 und 3.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Aufbau des Feldeffekttransistors wird nach üblichen bekannten Herstellungsverfahren unter Verwendung von Ionenimplantation hergestellt. Die Ionenimplantation wird vor allen Dingen wegen der erstrebten geringen Abmessungen der Anordnung und des Wunsches bevorzugt verwendet, einen Feldeffekttransisstor vom Verarmungstyp zu erzeugen und außerdem, weil sich damit der spezifische Widerstand in der aktiven Kanalzone genau einstellen läßt. Das Ausführungsbeispiel des Feldeffekttransistors der Fig. 2 hat ein Substrat aus Silizium, das eine Dotierung von 5×10¹⁵ Boratomen je cm³ aufweist. Diese Dotierung ergibt einen spezifischen Widerstand des Siliciumplättchens in der Größenordnung von 2 Ohmcm und obgleich andere spezifische Widerstände benutzt werden können, ist dies doch der bevorzugte Bereich des spezifischen Widerstandes für die zu beschreibenden Halbleiterbauelemente mit hoher Ladungsträgergeschwindigkeit.

Zunächst wird die Oberfläche eines Siliciumsubstrats 7 mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohmcm mit einer Oxidschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 540 nm±30 nm überzogen. Wie es bei der FET-Herstellung üblich ist, wird eine photographische Emulsion über der SiO₂-Schicht aufgebracht und entsprechend einem gewünschten Muster belichtet und entwickelt. Nach der Entwicklung werden diejenigen Teile der photographischen Emulsion in den Bereichen entfernt, in die SiO₂-Schicht freigelegt werden soll. In diesen Bereichen wird in einem Ätzschritt die SiO₂-Schicht entfernt. Im vorliegenden Fall werden Öffnungen für die Drain- und die Source-Zone und für die Ausgangskontaktzone durch die Siliciumdioxidschicht hindurchgeätzt, und dann wird über das Siliciumsubstrat 7 eine Phosphorschicht aufgebracht. Der Phosphor liefert Donatoratome für die Erzeugung von Source-Zone 2, Drain-Zone 3 und Ausgangskontaktzone 16. Durch Erwärmen des Siliciumsubstrats 7 auf eine hohe Temperatur dringt der Phosphor in das Siliciumsubstrat 7 ein mit einer Diffusionstiefe von etwa 2 µm für die Source-Zone 2, die Ausgangskontaktzone 16 und die Drain-Zone 3. Anschließend wird eine neue Oxidschicht 10 aufgewachsen, obgleich dies auch gleichzeitig mit dem Phosphordiffusionsschritt durchgeführt werden könnte. Dann wird eine weitere photographische Emulsion aufgebracht und zur Bildung von Öffnungen für die Kontakte zu der Source-, der Drain- und der Ausgangskontaktzone 2, 3 bzw. 16 sowie für eine Öffnung für die Kanalzone 4 in Vorbereitung für die nachfolgende Ionenimplantation belichtet.

Phosphorionen werden dann unter Verwendung einer Ionenenergie von 150 Kev und einer Dosierung von angenähert 2×10¹² Atomen je cm² implantiert. Daraus ergibt sich eine Eindringtiefe der Phosphorionen in die Oberfläche des Siliciumsubstrats bis zu einer Tiefe von angenähert 500 nm. Die sich daraus ergebende Konzentration von Donatoratomen liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 4×10¹⁶ je cm³. Dadurch erhält man einen Flächenwiderstand in der implantierten Kanalzone 4, der über 1000 Ohm je Quadrat liegt, wie sich dies aus der Kurve in der Fig. 5 erkennen läßt, in der die Beziehung zwischen der Ladungsträgerbeweglichkeit, der Dotierungskonzentration in Donatoratomen je cm³ mit dem Flächenwiderstand in Ohm je Quadrat für ein Siliziumplättchen einer gegebenen Dicke aufgetragen ist. Es ist dabei erwünscht, daß ein Flächenwiderstand von mindestens 500 Ohm je Quadrat erzielt wird.

Nach Herstellung der ionenimplantierten Kanalzone 4 wird anschließend eine etwa 70 nm dicke SiO₂-Gate-Oxidschicht aufgebracht. Danach wird eine weitere Schicht einer Photoemulsion aufgebracht, in der dann die Öffnungen für die Kontaktierung der Source-, der Ausgangskontakt- und der Drain-Zone durch ein Ätzverfahren erzeugt werden. Schließlich werden die Aluminiumkontaktelektroden an diesen Zonen und die Gate-Elektrode 5 über der verbleibenden SiO₂-Schicht 10 in Fig. 2 aufgebracht; die Elektrode an der Source-Zone 2 ist mit 8 und die an der Drain-Zone 3 it 9 bezeichnet. Es ist wichtig, daß die Ausgangszone 6 ein Teil des gleichen ionenimplantierten Halbleitermaterials ist, aus dem auch die Kanalzone 4 gebildet ist und daß sich diese Ausgangszone 6 seitwärts von der Kanalzone 4 über eine gewisse Ausdehnung erstreckt, wodurch eine T-förmige Zone 4, 6 gebildet wird.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors, bei dem die isolierenden Oxidschichten für eine deutlichere Darstellung entfernt sind.

Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2. Eine Substratvorspannung -V _s ist an das Siliciumsubstrat 7 angelegt. Diese Spannung erzeugt im Siliciumsubstrat 7 ein elektrisches Feld, so daß eine Verarmungsschicht in der implantierten Kanalzone 4 gebildet wird. Die Verarmungsschicht ist ein Bereich, in dem die Anzahl der verfügbaren Ladungsträger weitgehend herabgesetzt oder praktisch zu Null vermindert worden ist, so daß in dem Kristallgitter des Siliciums keine freibeweglichen Ladungsträger (Leitungselektronen oder Löcher) zur Verfügung stehen. Fig. 3 zeigt den Zustand des Feldeffekttransistors, in dem die Source- und die Drain-Elektrode mit Erdpotential verbunden sind, wobei unmittelbar unter dem nicht verarmten Teil der Kanalzone 4 eine Verarmungsschicht 11 liegt. Die Verarmungsschicht 11 ist der deutlicheren Darstellung halber durch eine Anzahl von Minuszeichen gekennzeichnet, während er nicht verarmte Teil der Kanalzone 4, in der noch Ladungsträger im Kristallgitter zur Stromleitung zur Verfügung stehen, mit einer entsprechenden Anzahl von Pluszeichen versehen worden ist.

Wenn die Source- und die Drain-Elektrode auf Erdpotential liegen, dann ist die Verarmungsschicht 11 von gleichförmiger Dicke und vermindert damit gleichförmig die Dicke des nicht verarmten Teils der implantierten Kanalzone 4, die die Source- Zone 2 mit der Drain-Zone 3 leitend verbindet. Die Verarmungsschicht 11 hat eine Tiefe, die proportional zur Quadratwurzel aus der am Siliciumsubstrat 7 angelegten Vorspannung ist. Wird unter diesen Umständen an die Gate-Elektrode 5 eine Spannung angelegt, dann läßt sich die Dicke des verarmten Teils der Kanalzone 4 modulieren. Für eine positive Gate-Spannung nimmt die Tiefe des nicht verarmten Teils der Kanalzone zu. Für eine negative Gate-Spannung tritt eine weitere Verarmung der Kanalzone ein, die in Fig. 3 durch Minuszeichen dargestellt ist, die oberhalb des verbleibenden nicht verarmten Teils der Kanalzone 4 zu sehen sind, der durch die Pluszeichen bezeichnet ist. Wird die Gate-Spannung ausreichend negativ gemacht und erreicht sie etwa die Schwellwertspannung, dann wird die normale Leitung in der Kanalzone 4 vollständig gesperrt, da eine vollständige Verarmung an beweglichen Ladungsträgern eintritt.

Wird beispielsweise an die Drain-Elektrode eine positive Spannung angelegt, dann wird die Verarmungsschicht in der Nachbarschaft der Drain-Zone 3 verstärkt, und man erhält einen sich verjüngenden Kanal, wie die Querschnittsansicht mit in senkrechter Richtung durchgeführtem Schnitt in Fig. 4 zeigt.

Wird die Drain-Spannung des Feldeffekttransistors der Fig. 4 weiter erhöht, dann nimmt die Dicke der Verarmungsschicht in der Kanalzone 4 in der Nachbarschaft der Drain-Zone 3 weiter zu. Wird die Drain-Spannung ausreichend hoch gemacht, dann erhält man eine Abschnürung, da in der Nachbarschaft der Drain-Zone 3 keine freien Ladungsträger mehr bestehen, und nur noch die von der Source-Zone 2 in diesen Teil der Kanalzone 4 injizierten Ladungsträger sich bewegen können. Unter diesen Bedingungen weist der abgeschnürte Teil der Kanalzone 4 einen ziemlich hohen Widerstand auf. Wird die Drain-Spannung für eine gegebene Gate-Spannung erhöht, dann kann die Länge des abgeschnürten Teils der Kanalzone 4 vergrößert werden, was zur Folge hat, daß sich, wie in Fig. 10 zu sehen, der abgeschnürte Teil der Kanalzone 4 nach rechts ausdehnt. Dies hat eine außerordentlich wichtige Auswirkung auf das Arbeiten des Feldeffekttransistors. Angenommen, daß die Ausgangszone 6, die hier nicht gezeigt ist, in der Nähe der Mitte der Kanalzone 4 und in der Mitte zwischen der Source- und der Drain- Zone 2 bzw. 3 angeordnet sei, dann kann die Position des abgeschnürten Teils der Kanalzone 4 in bezug auf den Ort der Ausgangszone 6 dadurch verändert werden, daß die Drain-Spannung oder die Gate-Spannung oder die Substratspannung oder alle diese Spannungen, wie auch die an der Source-Zone 2 liegende Source-Spannung verändert werden.

Die Arbeitsweise der Kanalzone 4 zwischen der Source- und der Drain-Zone kann insgesamt mit einem Regelwiderstand verglichen werden, bei dem die Ausgangszone 6 die Anzapfung an den durch die Kanalzone 4 gebildeten Widerstand darstellt.

In Fig. 6 ist eine Ersatzschaltung für ein Paar Feldeffekttransistoren dargestellt, in der die Kanalzone 4 eines jeden Feldeffekttransistors aus den Widerständen R 1 und R 2 besteht, mit einer Anzapfung, die die Ausgangszone 6 darstellt. R 1 und R 2 sind an die Drain- bzw. die Source-Spannung, V _d bzw. V _s angeschlossen. Je eine Gate-Elektrode 5, an der eine entsprechende Gate-Spannung liegt, ist ebenfalls gezeigt.

Wenn bei dem Halbleiterbauelement nach Fig. 6 die Drain- Spannung erhöht wird, dann wird der zwischen Drain und Source fließende Strom allmählich seinen Sättigungswert erreichen und dann konstant bleiben. Die in Fig. 4 gezeigte sich verjüngende Verarmungsschicht ist für die Arbeitweise des Halbleiterbauelements wesentlich, da diese sich verjüngende Verarmungsschicht eine Möglichkeit darstellt, zwischen Drain und Source einen nicht linearen Widerstand zu bilden. Die Ausgangszone 6, die wie bereits erwähnt, Teil der Kanalzone 4 ist, sich jedoch von der eigentlichen Kanalzone 4 in seitlicher Richtung zu dieser erstreckt, weist einen Abstand S von der Drain-Zone auf; damit wirkt diese Ausgangszone 6 als eine Anzapfung an dem Widerstand der Kanalzone 4. Der Widerstand R 2 ist der Kanalwiderstand zwischen Source-Zone 2 und Ausgangszone 6, R 1 ist der Kanalwiderstand zwischen Drain-Zone 3 und Ausgangszone 6. Damit die Gate-Elektrode 5 zur Symmetrierung des an der Anzapfung 6 abzunehmenden Signals benutzt werden kann, ist es notwendig, daß

Diese Bedingung kann als Ergebnis der sich verjüngenden in Fig. 3 dargestellten Verarmungsschicht erfüllt werden. Der Widerstand R 1 wird dabei durch den sehr stark verarmten Teil der Kanalzone 4 gebildet, und der Widerstand R 2 liegt längs des noch nicht völlig verarmten Teils der Kanalzone 4.

Der relative Grad der Verarmung im Widerstand R 1 oder R 2 und die Position des stärker verarmten Teils in bezug auf die Ausgangszone 6 kann damit genau eingestellt werden. Der Anteil des verarmten Teils der Kanalzone 4 auf einer Seite der Ausgangszone 6 in Beziehung zu dem Anteil an dem verarmten Teil der Kanalzone 4 auf der anderen Seite der Ausgangszone 6 zwischen Source- und Drain-Zone läßt sich verändern, und man kann damit die sich dabei ergebenden Widerstände R 1 und R 2 in Fig. 6 regeln. Es wurde festgestellt, daß relativ flache Implantate bei der Herstellung der Kanalzone 4 eine beste Symmetrierung ergeben, und vorzugsweise beträgt die Implantationstiefe angenähert 500 nm oder weniger.

Um eine hohe Geschwindigkeit der Ladungsträger in der Kanalzone 4 zu erzielen, muß längs zur Kanalzone eine kritische Feldstärke von mindestens 500 V je cm vor dem Zeitpunkt induziert werden, zu dem die vollständige Abschnürung auf der Seite der Drain-Zone 3 der Kanalzone 4 eintritt. Die Abschnürung beginnt in der Kanalzone 4 in der Nachbarschaft der Drain-Zone 3.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements, bei dem zwei Feldeffekttransistoren nach Fig. 1 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 7 gebildet und an einer gemeinsamen Source-Zone 2 miteinander verbunden sind. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen die gleichen Teile wie in Fig. 1, wobei jedoch der Index A in der rechten Hälfte der Fig. 1 für die dort gezeigten Teile mitverwendet wird, um darzulegen, daß diese einen zweiten Feldeffekttransistor bilden.

Fig. 8 ist eine Draufsicht des Halbleiterbauelements der Fig. 7 entsprechend der Darstellung des Halbleiterbauelements in Fig. 2, wobei wiederum der Index A wie bei der Draufsicht der Fig. 7 verwendet wird, wo zwei Feldeffekttransistoren auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gebildet sind. Bei dem Halbleiterbauelement nach diesem Ausführungsbeispiel wird die Hallausgangsspannung zwischen den Ausgangszonen 6 und 6 A gemessen. Diese Verhältnisse sind in Fig. 6 in einem Ersatzschaltbild dargestellt, in dem die Ausgangsspannung V _o zwischen den Ausgangszonen 6 und 6 A gemessen wird. Die Gate- Spannungen V _G₁ und V _G₂ werden hier unterschiedlich gewählt, um unerwünschte Gleichspannungsverschiebungen auszugleichen, die sich normalerweise zwischen den Elektroden aus geringfügigen Unterschieden zwischen der linken und rechten Hälfte des gesamten Halbleiterbauelementes aufgrund von Fertigungsabweichungen ergeben können. Diese unsymmetrische Gleichspannung wird dadurch zu Null gemacht, daß in einer geschlossenen Rückkopplungsschleife ein Verstärker eingesetzt wird; vgl. die Fig. 9.

Im folgenden soll nun eine Theorie der Arbeitsweise und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargelegt werden. Fig. 10 zeigt eine Querschnittansicht eines solchen Ausführungsbeispiels, das eine hohe Ladungsträgergeschwindigkeit aufweist. Ein Substrat 7 aus halbleitendem Material ist mit einer Source- und einer Drain-Zone versehen, deren Leitungstyp dem Leitungstyp des Halbleitersubstrats 7 entgegengesetzt ist. Die Source- und die Drain-Zone sind mit 8 bzw. 9 bezeichnet. Über dem Halbleitersubstrat 7 liegt eine Oxidschicht 10, die Öffnungen aufweist, durch die Elektroden 11 und 12 zur Kontaktierung der Source- und der Drain-Zone 8 bzw. 9 hindurchtreten. Über dem Mittelbereich der Kanalzone zwischen Source- und Drain-Zone liegt eine metallische Gate-Elektrode 13, an der eine Gate-Spannung V _g angelegt ist, mit deren Hilfe die Dicke einer in der Kanalzone zwischen Source- und Drain-Zone gebildeten Verarmungsschicht verändert werden kann, wodurch die Anzahl der durch die Kanalzone hindurchströmenden Ladungsträger verändert werden kann.

Die Kanalzone ist in Fig. 10 schematisch als ein Band aus einem ionenimplantierten Material dargestellt, das eine überschüssige Anzahl von Ladungsträgern in der sich kontinuierlich zwischen Source und Drain erstreckenden Zone aufweist. Die Länge der Kanalzone ist mit L bezeichnet.

Zum Betrieb des in Fig. 10 gezeigten Halbleiterbauelements werden entsprechende Spannungen an die Source- und die Drain- Elektrode angelegt, die mit V _s bzw. V _d bezeichnet sind. Wird die Spannungsdifferenz zwischen Source und Drain V _ds erhöht, dann nimmt der Stromfluß durch die Kanalzone der Länge L im allgemeinen zu, wie dies in Fig. 12 schematisch dargestellt ist, wo der Drainstrom I _d auf der Ordinate über der Spannungsdifferenz V _ds zwischen Source und Drain aufgetragen ist.

Wenn die Spannungsdifferenz zwischen Source und Drain zunimmt, dann wird schließlich ein Zustand erreicht, bei dem ein Teil der Kanalzone in der Nachbarschaft der Drain-Zone verarmt oder frei von bewglichen Ladungsträgern wird, so daß eine Verarmungsschicht der Länge L _D in Fig. 10 gebildet wird. Die Verarmungsschicht verjüngt sich in Richtung auf die Source- Zone 8, so daß ein relativ wenig verarmter Teil der Kanalzone übrigbleibt mit der Länge L-L _D. Die Front des verarmten Teils der Kanalzone bewegt sich Fig. 10 mit Zunahme der Spannungsdifferenz zwischen Source und Drain nach rechts. In der Nähe der Oberseite der Kanalzone in Fig. 10 verbleibt ein sich verjüngendes Band eines nicht verarmten Teils der Kanalzone. Der links liegende Teil der Kanalzone, der vollständig verarmt ist, wird oft als abgeschnürt bezeichnet, da die Tiefe der Kanalzone, die bewegliche Ladungsträger enthält, ab einer Stelle der Kanalzone Null geworden ist, so daß also die Kanalzone tatsächlich abgeschnürt ist. Durch diesen ganz verarmten Teil hindurchtretende Ladungsträger sind solche, die in diesem verarmten Teil der Kanalzone von der Source- Zone aus injiziert werden. Die an der die ganze Kanalzone und die Ausgangszone einschließlich überdeckenden Gate-Elektrode angeschlossene Gate-Spannung V _g kann dabei so eingestellt werden, daß damit der Ort des Anfangs des vollständig abgeschnürten Teils der Kanalzone geringfügig verändert werden kann, was dazu benutzt werden kann, die Hallausgangsspannung des Halbleiterbauelements gegen eine Bezugsspannung oder gegen die Hallausgangsspannung eines anderen Halbleiterbauelements auf dem gleichen Halbleitersubstrat 7, zu symmetrieren.

Die Arbeitsweise des in Fig. 10 gezeigten Halbleiterbauelements ist dann, wenn ein Teil der Kanalzone, wie gezeigt, teilweise verarmt ist, derart, daß die Geschwindigkeit der an oder in der Nähe des Anfangs des abgeschnürten Teils an der Trennstelle zwischen verarmtem und nichtverarmtem Teil injizierten Ladungsträger bei oder nahe bei der Sättigungsgeschwindigkeit _s liegt. Diese Wirkung ist in Fig. 11 dargestellt, in der man sieht, daß die Geschwindigkeit der Ladungsträger in einem Halbleiterbauelement von dem an dem Halbleiterplättchen angelegten elektrischen Feld E₁ abhängt. Wird das elektrische Feld E₁ (das gleich dem Spannungsabfall V _ds dividiert durch L ist) stärker, dann nimmt die Geschwindigkeit der Ladungsträger zunächst linear zu und erreicht dann allmählich einen Spitzenwert und behält dann eine konstante, der Sättigung entsprechende Geschwindigkeit bei. Es wurde gezeigt und nachgewiesen, daß die Hallausgangsspannung eines Halbleiterbauelements einen maximalen Wert annimmt, wenn die Ladungsträgergeschwindigkeit in der Nachbarschaft der Ausgangszone einen Maximalwert annimmt.

Anhand der Fig. 12 soll eine weitere Analyse der Arbeitsweise des Halbleiterbauelements gegeben werden. In Fig. 12 ist der Drain-Strom I _D über der zwischen Source und Drain liegenden Spannung V _ds aufgetragen. Man sieht, daß der Drainstrom I _D zunächst linear ansteigt, bis eine Spannung V _c zwischen Source und Drain erreicht ist. Bei diesem Spannungswert wird ein Sättigungsbereich erreicht, in dem keine merkliche Zunahme des Stromes mehr erfolgt, und es kann sogar vorkommen, daß bei zunehmender Spannung der Strom geringfügig abnimmt. Schließlich wird ein Spannungswert erreicht, bei dem die zunehmende Spannung ein rasches Ansteigen des Drain-Stromes zur Folge hat, worauf dann kurz danach ein Durchschlag des Halbleiterbauelements bei einer in Fig. 12 mit V _B bezeichneten Spannung erfolgt. Zwischen dem Punkt, an dem der Sättigungsbereich endet (durch die Spannung V _x gekennzeichnet) und der Durchbruchsspannung (als V _B bezeichnet) besteht ein dritter Arbeitsbereich des Halbleiterbauelements, den man als Triodenerweiterungsbereich bezeichnen kann, da die Arbeitsweise des Halbleiterbauelements in diesem Bereich mit der Kennlinie einer gewöhnlichen Vakuumröhrentriode verglichen werden kann. Die Gleichungen, die die Arbeitsweise des Halbleiterbauelements in diesen einzelnen Bereichen bestimmen, werden anschließend angegeben.

Linearbereich

für

Linearer Sättigungsbereich

für

Triodenbereich

für

V _A < V _ds V _DB

In den Gleichungen sind die Veränderlichen wie folgt definiert:

V _g′ = V _gs - V _T
V _gsSpannung zwischen Gate und Source V _TAbschnürspannung WBreite der Kanalzone I _DDrainstrom _sSättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger LLänge der Kanalzone V _DBDurchbruchspannung zwischen Drain und Source V _dsSpannung zwischen Drain und Source V _I = V _I ⌀
V _I Ionisationsabschnürspannung der Verarmungsschicht wobei

t _ox die Dicke der Oxidschicht in cm, ε _o die Dielektrizitätskonstante für Siliziumoxid gleich 8,85×10^-14 F/cm, ε _ox die relative Dielektrizitätskonstante der Oxidschicht (für Siliciumoxid im allgemeinen angenähert gleich 4), μ der Ladungsträger-Beweglichkeitsfaktor, μ _o der Ladungsträger-Beweglichkeitsfaktor für ein bestimmtes Halbleitermaterial ohne Berücksichtigen der spannungs- und feldabhängigen Effekte, γ die Steilheit (Drainstromänderung für eine proportionale Gatespannungsänderung) und γ _o der Intrinsic-Wert der Steilheit für eine bestimmte Halbleiterstruktur ist.

Zur Erzielung der hohen Ladungsträgergeschwindigkeit ist es erwünscht - vgl. Fig. 12 -, bei oder in der Nähe der kritischen Spannung V _c für die Spannung V _ds zwischen Source und Drain zu arbeiten, da bei dieser Spannung V _c die Abschnürung in der Kanalzone gerade beginnt und, wie bereits erläutert wurde, die Geschwindigkeit der Ladungsträger nahe des Abschnürungsorts die Sättigungsgeschwindigkeit erreicht und damit zur höchstmöglichen Hallausgangsspannung des Halbleiterbauelements führt.

V _c ist definitionsmäßig gleich - vgl. die oben angegebenen Gültigkeitsbereiche an Gleichungen (1) und (2) - und man sieht, daß das zur Erzielung der Abschnürung und der Sättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger erforderliche Feld E₁ gleich V _c/L _d sein muß, da dies das im nichtverarmten Teil L-L _d der Kanalzone wirkende Feld ist, das die hohe Ladungsträgergeschwindigkeit hervorruft. Es wird daher notwendig sein, eine Spannungsdifferenz zwischen Source und Drain anzulegen, die größer als oder gleich V _g′⌀/(1+ρ) ist, damit zunächst die Abschnürbedingung und die sich daraus ergebende hohe Ladungsträgergeschwindigkeit erzielt werden.

In Fig. 11 ist die Beziehung zwischen im Betrieb in der Kanalzone erzeugten elektrischen Längsfeld und der Ladungsträgergeschwindigkeit dargestellt. Der Bereich, in dem die Abschnürung auftritt, liegt allgemein bei Werten des elektrischen Feldes von mindestens 500 V je cm, aber weniger als 100 000 V je cm. Die bevorzugten Werte der Feldstärke liegen im allgemeinen in der Größe von E₁=4×10³ V je cm, mindestens jedoch bei 1,5×10³ V je cm, wenn der Flächenwiderstand der Kanalzone in Ohm je Quadrat (Ω/) größer ist als 1000. Unter solchen Bedingungen beträgt die Hallausgangsspannung des Halbleiterbauelementes an der Ausgangszone maximal 250 Millivolt je 0,1 Tesla für eine Kanalzone mit den Abmessungen Breite 0,254 mm und Länge 0,254 mm, d. h. einem Verhältnis von Breite zu Länge gleich 1,0. In Fig. 15 ist die maximale Hallausgangsspannung von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von 1 mit der Kanalbreite als unabhängiger Variablen aufgetragen. Für einen idealen Hallgenerator ist bekanntlich die Hallausgangsspannung V _o gleich B( _s×W), wobei W die Breite des Halbleiterplättchens, B die magnetische Flußdichte des Magnetfelds und _s die Ladungsträgergeschwindigkeit ist. Diese Gleichung gilt jedoch unter der Annahme, daß die Verteilung der Ladungsträgergeschwindigkeit über die Breite des Hallgenerators eine gerade Linie ist, und das ist normalerweise nicht der Fall. Eine bessere Annäherung erhält man aus der in Fig. 15 angegebenen Beziehung mit dem Integral des Geschwindigkeitsverlaufs über die Breite des Halbleiterplättchens des Hallgenerators

In den Fig. 13A und 13B sind eine Draufsicht bzw. eine Längsquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels mit einem Feldeffekttransistor mit hoher Ladungsträgergeschwindigkeit gezeigt.

In Fig. 13A, der Draufsicht, sind die metallischen Elektroden und die isolierende Oxidschicht der Deutlichkeit halber weggelassen. Man sieht, daß das Halbleitersubstrat 7 mit der Source- und der Drain-Zone 8 bzw. 9 versehen ist und daß dazwischen eine T-förmige aus einem Stück bestehende Zone aus der Kanalzone 14 und der Ausgangszone 15 liegt die an ihrem Ende eine Ausgangskontaktzone 16 aufweist. Wie bereits erwähnt, sollen Kanal- und Ausgangszone vorzugsweise durch ein Ionenimplantationsverfahren unter den oben angegebenen besonderen Bedingungen hergestellt werden. Die bevorzugten Abmessungen eines Ausführungsbeispiels der T-förmigen Zone sind L=0,025 mm, W=0,025 mm, L′=0,0127 mm und W′ angenähert 0,025 mm, wobei L, W und L′ und W′ in Fig. 13A dargestellt, die Länge und Breite der Kanalzone 14 und die Länge und Breite der damit aus einem Stück bestehenden Ausgangszone 15 bedeuten. Ebenso sind die notwendigen Spannungen V _s, V _d und eine Substratspannung V _sub angedeutet. Man erkennt, daß die Diffusionszonen 8, 9 und 16 für Source, Drain und Ausgangskontakt in der gleichen Oberfläche, jedoch an unterschiedlichen Stellen im Körper des Halbleitersubstrats 7 gebildet sind.

Fig. 13B zeigt eine Querschnittsseitenansicht längs der Linie A-A in Fig. 13A. In Fig. 13B ist die Lage derAusgangszone 15 näher zur Drain-Zone 9 als zur Source-Zone 8 dargestellt. Es ist dabei wichtig, daß der Ort der Ausgangszone 15 bei dem Aufbau des Halbleiterbauelementes in der Weise bestimmt ist, daß er in der Nähe der Stelle liegt, an der eine Verarmungsschicht derLänge L _D gebildet wird, wenn das Halbleiterbauelement in Betrieb genommen wird. Dies ist in Fig. 13B durch den Ort der Ausgangszone 15 in bezug auf die Trennfläche zwischen verarmten und nicht verarmtem Teil der Kanalzone dargestellt. Die Gate-Elektrode 13 und die isolierende Oxidschsicht 10, die in Fig. 10 dargestellt sind, sind der Deutlichkeit halber in Fig. 13B weggelassen, doch ist offensichtlich, daß durch entsprechende Bemessung der Source- und der Drainspannung sowie der Gate-Spannung V _g der Ort der Abschnürung in einem Abstand L _D von der Drain-Zone 9 genau einstellbar ist, so daß die Ausgangszone 15 des Halbleiterbauelementes im Betrieb bei oder sehr nahe bei der Verarmungsschicht liegt.

Die oben angegebene Gleichung (2) kennzeichnet die Arbeitsweise des Halbleiterbauelements vom Beginn der Abschnürung bis zum Beginn des Triodenteils der Kennlinie gemäß Gleichung (3). Über den gesamten Betriebsbereich der Gleichung (2) bewegt sich die Abschnürungszone mit zunehmender Spannung zwischen Source- und Drain und/oder zunehmender Gate-Spannung nach rechts.

In Fig. 14A und 14B sind noch weitere Einzelheiten eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. In Fig. 14A ist ein Längsquerschnitt eines Feldeffekttransistors gezeigt, wobei der Schnitt durch die Kanalzone 14 nahe des Übergangsbereichs zwischen der Kanalzone 14 und der sich daran anschließenden Ausgangszone 15 verläuft. Das Halbleitersubstrat 7 ist mit der Source- und der Drainzone 8 bzw. 9 sowie mit der Ausgangskontaktzone 16 versehen.

Die Oxidschicht 10 ist in dem Bereich außerhalb der Kanalzone 14 dicker. Die Dicke liegt dabei beispielsweise in den Bereichen rechts und links von der Source- und der Drain-Zone 8 bzw. 9 in der Größenordnung von 540 nm±30 nm. In dem dazwischen liegenden Bereich über der Kanalzone 14 mit der Länge L ist die Oxidschicht 10 vorzugsweise dünn, in der Größenordnung von 60 nm, so daß eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der an der Gate-Elektrode 13 angelegten Gate- Spannung erzielt wird. Ein Halbleiterbauelement der in Fig. 14A gezeigten Art wird beispielsweise mit einer Gate-Spannung von + oder -5 V, zentriert um etwa die Versorgungsspannung, betrieben, so daß die Versorgungsspannung bei Erdpotential läge. Am Halbleitersubstrat 7 wird eine Substratvorspannung V _sub angelegt, wodurch die verschiedenen Diffusionszonen in dem Halbleitersubstrat 7 elektrisch isoliert werden. Diese Substratvorspannung liegt im allgemeinen in der Größenordnung von -5 V. Dann wird die Drain-Spannung V _d so eingeregelt, daß dadurch das erforderliche elektrische Feld längs zur Kanalzone erzeugt wird. Dieses elektrische Feld wird vor allem über dem nicht verarmten Teil L-L _D aufgebaut, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 10, 12, 13A und 13B beschrieben wurde.

Man sieht, daß die Ausgangszone 15 längs der Länge L der Kanalzone an einem Punkt S, gemessen von der Source-Zone, nahe dem Punkt angeordnet ist, wo zu Beginn der Abschnürung die höchsten Ladungsträgergeschwindigkeiten auftreten. Die Ausgangszone 15 ist dabei am oder sehr nahe am Ende der Verarmungsschicht und ihrem Übergang nach dem nicht verarmten Teil der Kanalzone 14 angeordnet. Es ist dabei besonders günstig, daß das in Längsrichtung der Kanalzone wirkende elektrische Feld, das zur Injektion von Ladungsträgern mit der Sättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger erforderlich ist, über dem nicht verarmten Teil der Kanalzone mit der Länge L-L _D erzeugt wird. Die Arbeitsweise des erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterbauelements wird vollständig durch die Gleichungen (1), (2) und (3) beschrieben, und es ist lediglich erforderlich, die entsprechenden Betriebsspannungen für das Halbleiterbauelement zu währen, damit dieses innerhalb des linearen Sättigungsbereichs gemäß Gleichung (2) oder im Triodenteil entsprechend Gleichung (3) arbeitet.

Claims

1. Magnetfeldempfindliches Halbleiterbauelement mit einem Feldeffekttransistor aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit einer darin angebrachten Source-Zone und einer davon durch eine leitende Kanalzone getrennten Drain-Zone des entgegengesetzten, zweiten Leitungstyps mit daran angeschlossener Source- bzw. Drain-Elektrode und einer oberhalb der Kanalzone angeordneten, von dieser durch eine Isolierschicht getrennten Gate-Elektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß eine in seitlicher Richtung an der Kanalzone (4, 14) zwischen Source- und Drain-Zone (2, 3) liegende, etwa senkrecht zur Längsausdehnung (L) der Kanalzone und in der Ebene der Kanalzone sich erstreckende Ausgangszone (6, 6 A) vorgesehen ist, die mit der Kanalzone (4, 14) eine T-förmige Zone des zweiten Leitungstyps bildet, daß die Ausgangszone (6, 6 A) am Ende einen diffundierten Kontaktzonenteil (16, 16 A) aufweist, an dem eine Ausgangs-Elektrode angeschlossen ist,
daß die Gate-Elektrode (5; 13) sich über eine Isolierschicht (14) über die gesamte T-förmige Zone erstreckt,
daß die Ausgangszone (6, 6 A) längs der Längsausdehnung L der Kanalzone (4, 14) einen Abstand S von der diffundierten Source-Zone (2) aufweist, wobei S so gewählt ist, daß die Ausgangszone (6, 6 A) innerhalb des im Betrieb nicht verarmten Teils der Kanalzone (4, 14) und näher an dem verarmten Teil der Kanalzone (4, 14) als an der diffundierten Source-Zone (2) in dem mit 0S (L-L _D ) definierten Bereich liegt, wobei L die Längsausdehnung der Kanalzone und L _D die Länge des im Betrieb verarmten Teils der Kanalzone ist,
daß der Flächenwiderstand der Kanalzone (4, 14) mindestens 500 (Ω/) beträgt und
daß in der Kanalzone (4, 14) längs der Längsausdehnung L im Betrieb ein elektrisches Längsfeld von mindestens 500 V/cm erzeugbar ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausgangszone (6, 6 A) von der Kanalzone (4, 14) der Länge L mit einer Länge L′ seitwärts erstreckt und eine parallel zur Längsausdehnung der Kanalzone (4, 14) sich erstreckende Breite W′ aufweist, und daß dabei das Verhältnis L′/W′ größer oder gleich 1 ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 1L′/W′10 ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand der Kanalzone (4, 14) im Bereich zwischen 1000 und 10 000 (Ω/) liegt und daß das elektrische Längsfeld eine Feldstärke von 5×10³ V/cm bis 1×10⁵ V/cm, vorzugsweise etwa 2×10⁴ V/cm aufweist.