DE1489052C2 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bestehend aus einem
Halbleiter-Einkristall, einer auf eine Oberfläche des Halbleiters aufgebrachten anorganischen Isolatorschicht,
einer zwischen Isolatorschicht und Halbleiter befindlichen Inversionsschicht und zwei Elektroden,
deren eine auf der Isolatorschicht und deren andere auf der der Isolatorschicht gegenüberliegenden freien
Halbleiteroberfläche sitzt.
Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Oberflächenpassivierung
mit einer Oxidschicht. Bekannte Verfahren zur Bildung einer Oxidschicht auf einem
Halbleiterkörper sind:
a) thermische Oxydation,
b) anodische Oxydation und
c) chemische Bildung einer Oxidschicht.
Die Bildung eines Oxids auf der Oberfläche einer Halbleiterschicht gibt zu einem Effekt Anlaß, wonach
einerseits eine η-leitende Inversionsschicht unmittelbar unterhalb der Oxidschicht in dem Halbleiterkörper
entsteht, wenn das Innere des Halbleiterkörpers unterhalb der Oxidschicht p-leitend ist; während andererseits
eine dünne Schicht mit noch höherer n-Leitf ähigkeit unmittelbar unterhalb der Oxidschicht
entsteht, wenn eine η-leitende Halbleiterschicht vorhanden ist. Diese Erscheinung ist beispielsweise in
der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Bd. 38, Nr. 3, 1959, S. 749 bis 783, beschrieben. Man
kann diesen Effekt als Influenzeffekt auffassen. Es ist
bekannt, daß die auf diesen Effekt zurückgehenden Ergebnisse infolge von Unterschiedlichkeiten des Verfahrens
der Oxidschichtbildung und des Verfahrens der Herstellung des Einkristalls der Halbleiterschicht
(beispielsweise nach dem Kristallziehverfahren oder
ίο dem Zonenschmelzverfahren) sehr stark verschieden
sind und daß es schwierig ist, eine genaue Reproduzierbarkeit zu erreichen. Es hat sich ferner gezeigt,
daß bei Entfernung der Isolatorschicht auf dem Halbleiterkörper
die η-leitende Inversionsschicht, welche nur in dem Bereich unterhalb dieser Isolatorschicht
vorhanden ist, verschwindet und daß dieser Bereich in seinen ursprünglichen Leitfähigkeitszustand zurückkehrt.
Aus der österreichischen Patentschrift 227 000 ist
Aus der österreichischen Patentschrift 227 000 ist
ao ein Wärmebehandlungsverfahren bekannt, durch das die Empfindlichkeit einer Tunnelsperrschicht gegenüber
äußeren magnetischen Feldern vergrößert wird. In der deutschen Auslegeschrift 1055 095 ist ein anderes
Wärmebehandlungsverfahren beschrieben, wobei eine benetzende Zwischenschicht das Zusammenlaufen
der schmelzflüssigen Halbleiterschicht verhindert. Schließlich ist in der deutschen Patentschrift
971583 ein elektrischer Formierprozeß für Trockengleichrichter beschrieben, bei dem zur Erhöhung der
Gleichrichterwirkung eine siebartig durchbrochene Trennschicht aus Isoliermaterial verwendet wird. Die
in den genannten Druckschriften beschriebenen Verfahren
dienen also nicht zur Erzeugung von Influenzschichten mit erhöhter Elektronenleitfähigkeit in dem
unterhalb einer Isolierschicht gelegenen Teil des Halbleiterkörpers.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, womit eine reproduzierbare und steuerbare
Behandlung der genannten Inversionsschicht bzw. Influenzschicht möglich ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zum Einstellen der Leitfähigkeit der Inversionsschicht
zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Gleichfeld mit einer Feldstärke unter der
Durchbruchfeldstärke der Isolatorschicht bei gleichzeitiger Erhitzung des Halbleiterbauelementes gelegt
wird.
Durch eine solche kombinierte thermische und elektrische Formierungsbehandlung kann man den
Wert der Oberflächenladungsträgerdichte auf einen gewünschten Wert einstellen. Durch geeignete Polung
des elektrischen Feldes läßt sich insbesondere ein Minimalwert der Oberflächenladungsträgerdichte erreichen.
In der Zeitschrift »Journal of the Elektrochemical Society«, Bd. 110, 1963, Heft 6, S. 533 bis 537, ist
zwar bereits die Vermutung ausgesprochen, daß dann, wenn in bestimmter Weise vorbehandelte Siliziumdioden
erwärmt und einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, eine Silizium-Inversionsschicht entsteht.
Eine Anregung dahingehend, diese Vermutung zum Ausgangspunkt eines Behandlungsverfahrens zur Erzielung
reproduzierbarer und steuerbarer Ergebnisse, ist jedoch daraus nicht zu entnehmen. Auch wird bei
den in der Zeitschrift erwähnten Versuchen das elektrische Feld im wesentlichen parallel zur Isolationsschicht
erzeugt, womit die Vorteile des Erfindungsverfahrens nicht erreichbar sind.
3 4
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung in der Siliziumhalbleiterschicht 2 gebildeten Inver-
an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Be- sionsschicht 5 auf 2,8 · 1012 Elektronen pro cm2 ver-
zugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen mehrt,
darstellt Die Oberflächenladungsträgerdichte der Inversions-
A b b. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt 5 schicht, welche unmittelbar unterhalb der Oxid-
durch ein nach der Erfindung behandeltes Halbleiter- schicht 1 auf der Halbleiterschicht 2 nach Abb. 1
bauelement, gebildet ist, ist nicht konstant, sondern ändert sich
A b b. 2 und 3 die grafische Darstellung der Ab- sehr stark und ist lediglich von der Bildung der SiIi-
hängigkeit von Oberflächenladungsdichten von der ziumdioxidschicht 1 unabhängig. Wenn andererseits
Zeit bzw. von der Temperatur, io die Inversionsschicht 5 unter Anlegen einer Spannung
A b b. 4 eine perspektivische Darstellung eines an die Halbleiteranordnung eine Wärmebehandlung
Halbleiterbauelementes, auf das das Verfahren nach erfährt, ist die Oberflächenladungsträgerdichte von
der Erfindung angewandt werden soll, Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung ab-
Abb. 5 und 8 schematische Querschnitte von hängig und von der an den Elektroden 3 und 4 anlie-
Halbleiterbauelementen, auf die das Verfahren nach 15 genden Spannung; sie zeigt jedoch hierbei meist keine
der Erfindung angewandt worden ist, Beziehung zu den Herstellungsbedingungen der SiIi-
A b b. 6 einen Schnitt eines Halbleiterbauelemen- ziumdioxidschicht 1 auf der Schicht 2. Demgemäß
tes, hergestellt nach dem Verfahren nach der Erfin- kann die Oberflächenladungsträgerdichte leicht auf
dung, einen gewünschten Wert eingestellt werden.
A b b. 7 ein Schaltbild eines Anreicherungs-iG-FET so In Abb. 2 ist die Änderung der Oberflächen-
mit einem N-Kanal nach Abb. 6, ladungsträgerdichte in Abhängigkeit von der Behand-
A b b. 9 Kennlinien des Halbleiterbauelementes lungszeit bei einer Behandlungstemperatur von
nach Abb. 6, 350° C gezeigt, wobei die Ordinate die Oberflächen-
A bb. 10 eine schematische Darstellung eines wei- ladungsträgerdichte der Inversionsschicht und die
teren Halbleiterbauelementes, 35 Abszisse die Behandlungsdauer angibt und die anlie-
Abb. 11 und 12 Kennlinien eines Halbleiterbau- gende Spannung als Parameter aufgezeichnet ist. Die
elementes nach Abb. 10, in Abb. 2 gezeigten Kurven 6a, 6, 7, 8, 9 und 10
A b b. 13 eine Kapazitätsvariationsdiode, entsprechen dabei jeweils den Werten der anliegen-
A b b. 14 eine Ersatzschaltung des Bauelementes den Spannungen von 0 Volt (im Falle eines offenen
nach Abb. 13, 30 Stromkreises zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw.
Abb. 15, 16 und 17 die Abhängigkeit der Kapa- einer fehlenden Elektrode 3), 0 Volt (im Falle eines
zität des Bauelementes nach A b b. 13 von der Span- Kurzschlußstromkreises zwischen den Elektroden 3
nung. und 4), - 0,5 Volt, - 1,5 Volt, - 2 Volt und
Das in Abb. 1 gezeigte Halbleiterbauelement um- —3 Volt, wo die Polarität der Elektrode 4 gegenüber
faßt eine p-leitende Siliziumhalbleiterschicht 2, deren 35 der Elektrode 3 nach A b b. 1 angegeben ist.
eine Oberfläche durch eine Oxidschicht, beispiels- Nach diesen Kurven nimmt bei konstanter Behandweise eine Siliziumdioxidschicht 1 bedeckt ist. Auf lungstemperatur die Oberflächenladungsträgerdichte einer Seite der Siliziumdioxidschicht 1 ist eine Elek- mit Vergrößerung der anliegenden Spannung zu. Im trode 3 vorgesehen, während mit der gegenüberlie- Falle eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden 3 genden Oberfläche der Halbleiterschicht 2 eine Elek- 40 und 4 ist die Oberflächenladungsträgerdichte vertrode 4 leitend verbunden ist. gleichsweise niedrig, ebenso im Falle eines offenen
eine Oberfläche durch eine Oxidschicht, beispiels- Nach diesen Kurven nimmt bei konstanter Behandweise eine Siliziumdioxidschicht 1 bedeckt ist. Auf lungstemperatur die Oberflächenladungsträgerdichte einer Seite der Siliziumdioxidschicht 1 ist eine Elek- mit Vergrößerung der anliegenden Spannung zu. Im trode 3 vorgesehen, während mit der gegenüberlie- Falle eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden 3 genden Oberfläche der Halbleiterschicht 2 eine Elek- 40 und 4 ist die Oberflächenladungsträgerdichte vertrode 4 leitend verbunden ist. gleichsweise niedrig, ebenso im Falle eines offenen
Es hat sich gezeigt, daß man durch geeignete Tem- Stromkreises zwischen den Elektroden. Weiterhin läßt
peratur- und Zeitwahl der Wärmebehandlung sowie sich beobachten, daß die Änderung der Oberflächendurch
Wahl der Größe der anliegenden Spannung ladungsträgerdichte in Abhängigkeit von der Behandeinen
gewünschten Leitfähigkeitswert der unmittel- 45 lungsdauer für Behandlungszeiten bis zu 10 Minuten
bar unterhalb der Siliziumdioxidschicht 1 gebildeten unerwartet steil ist, während sie danach im wesent-Inversionsschicht
5 einstellen kann. liehen flacher wird und konstant bleibt. Aus diesem
Als Halbleiterschicht 2 nach A b b. 1 benutzt man Grunde ist eine Behandlungsdauer oberhalb von
einen p-leitenden Siliziumhalbleiterkristall, welcher 10 Minuten empfehlenswert. Die Anstiege der Kurnach
dem Kristallziehverfahren hergestellt ist und 50 ven vermindern sich mit Abnahme der anliegenden
einen spezifischen Widerstand von 4 Ωαη aufweist. Spannung, bis sie den Wert 0 erreichen.
Dieser Halbleiterkristall wird für die Dauer einer In anderer Betrachtung der Wärmebehandlung ist Stunde bei einer Temperatur von 12000C in einer in Abb. 3 die Änderung der Oberflächenladungs-Wasserdampf enthaltenden Stickstoffatmosphäre trägerdichte in Abhängigkeit von der Behandlungswärmebehandelt, so daß eine Siliziumdioxidschicht 55 temperatur mit der anliegenden Spannung als Paraeiner Dicke von etwa 0,3 μπι gebildet wird. Während meter für eine jeweils gleiche Behandlungsdauer von dieser Behandlung ändert der unterhalb des Filmes 1 30 Minuten dargestellt, wobei auf der Ordinate die gelegene Teil der Siliziumhalbleiterschicht 2 seinen Oberflächenladungsträgerdichte der Inversionsschicht Leitfähigkeitstyp, und eine Inversionsschicht 5 mit und auf der Abszisse die Behandlungstemperatur aufeiner η-Leitfähigkeit wird ausgebildet. Die Ober- 60 getragen sind. Die Kurven 11a, 11, 12, 13 und 14 flächenladungsträgerdichte dieser Schicht 5 beträgt entsprechen jeweils Werten der anliegenden Spannäherungsweise 2 · 1011 Elektronen pro cm2. nung von OVoIt (für den Fall eines offenen Strom-
Dieser Halbleiterkristall wird für die Dauer einer In anderer Betrachtung der Wärmebehandlung ist Stunde bei einer Temperatur von 12000C in einer in Abb. 3 die Änderung der Oberflächenladungs-Wasserdampf enthaltenden Stickstoffatmosphäre trägerdichte in Abhängigkeit von der Behandlungswärmebehandelt, so daß eine Siliziumdioxidschicht 55 temperatur mit der anliegenden Spannung als Paraeiner Dicke von etwa 0,3 μπι gebildet wird. Während meter für eine jeweils gleiche Behandlungsdauer von dieser Behandlung ändert der unterhalb des Filmes 1 30 Minuten dargestellt, wobei auf der Ordinate die gelegene Teil der Siliziumhalbleiterschicht 2 seinen Oberflächenladungsträgerdichte der Inversionsschicht Leitfähigkeitstyp, und eine Inversionsschicht 5 mit und auf der Abszisse die Behandlungstemperatur aufeiner η-Leitfähigkeit wird ausgebildet. Die Ober- 60 getragen sind. Die Kurven 11a, 11, 12, 13 und 14 flächenladungsträgerdichte dieser Schicht 5 beträgt entsprechen jeweils Werten der anliegenden Spannäherungsweise 2 · 1011 Elektronen pro cm2. nung von OVoIt (für den Fall eines offenen Strom-
Das Halbleiterbauelement wird, während eine kreises zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw. des
Gleichspannung von 3 Volt an den Elektroden 3 und 4 Fehlens der Elektrode 3), 0 Volt (für den Fall eines
anliegt und die Elektrode 3 bezüglich der Elektrode 4 65 Kurzschlußkreises zwischen den Elektroden 3 und 4),
auf positives Potential bringt, für die Dauer von — 1 Volt, — 2VoIt und — 3 Volt. Danach steigt bei
30 Minuten auf eine Temperatur von 350° C erhitzt. gleichbleibender Behandlungsdauer die Oberflächen-Damit
wird die Oberflächenladungsträgerdichte der · ladungsträgerdichte mit zunehmender Spannung an,
entsprechend wie in dem in A b b. 2 erläuterten Fall.
Für einen Kurzschlußkreis zwischen den Elektroden 3 und 4 erhält man eine vergleichsweise geringe Oberflächenladungsträgerdichte,
ebenso im Falle eines offenen Kreises zwischen den genannten Elektroden. Es läßt sich weiterhin erkennen, daß die Änderung
der. Oberflächenladungsträgerdichte in Abhängigkeit von der Behandlungsdauer für Behandlungstemperaturen
bis zu 75° C zumeist den Wert 0 hat und zwischen 75 und 250° C plötzlich ansteigt, während bei
noch höheren Temperaturen die Änderung der Oberflächenladungsträgerdichte wieder abnimmt. Hieraus
ergibt sich, daß eine Temperatur der Wärmebehandlung oberhalb 75° C erforderlich ist und daß eine
Temperatur der Wärmebehandlung von mindestens 250° C vorzuziehen ist, da bei diesen Temperaturen
die Anstiege der Kurven vergleichbar sind.
Während bei den in A b b. 2 und 3 erläuterten Beispielen nur Behandlungstemperaturen bis 400° C
vorgesehen sind, kann man ein Halbleiterbauelement der oben beschriebenen Art mindestens bis zu dem
tiefstgelegenen Schmelzpunkt eines Bestandteils seines Materials erhitzen. Die an den Elektroden 3 und 4
anliegende Spannung kann bis in die Nähe der Durchbruchsspannung der Oxidschicht 1 heraufgesetzt
werden.
Es hat sich gezeigt, daß im umgekehrten Fall, bei dem an der Elektrode 3 ein negatives Potential liegt,
. die Oberflächenladungsträgerdichte der Influenzschicht 5 herabgesetzt werden kann.
Wenn eine Gleichspannung von —10 Volt an der Elektrode 3 des oben beschriebenen Halbleiterbauelements
mit einer Oberflächenladungsträgerdichte von 3 · 1012 Elektronen pro cm2 anliegt und wenn'die
Wärmebehandlung für die Dauer von 30 Minuten bei einer Temperatur von 350° C ausgeführt wird, sinkt
die Oberflächenladungsträgerdichte der Inversionsschicht S sehr schnell auf 2 · 1011 Elektronen pro cm2
ab. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß eine Änderung der obigen Behandlungsbedingungen nicht unter den
Wert 2.· 10«· führt. Dieser Zustand entspricht dem Punkte in Abb. 2 und dem PunktB in Abb. 3,
und der zu diesem Punkt gehörige Wert wird als minimale Oberflächenladungsträgerdichte bezeichnet.
Man kann die Oberflächenladungsträgerdichte durch Anlegen einer Spannung mit umgekehrtem
Vorzeichen auf ihren Minimalwert herabsetzen und sodann durch Anlegen der erforderlichen positiven
Spannung sowie durch Erhitzen die Oberflächenladungsträgerdichte auf einen gewünschten Wert einstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im obigen an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es ist
jedoch schwierig, die jeweilige Oberflächenladungsträgerdichte theoretisch zu begründen, welche nach
diesem Verfahren erhöht oder erniedrigt und damit eingestellt werden kann. Man kann sich jedoch folgende
Wirkungsweise vorstellen.
Da beim Anlegen einer positiven Spannung an der Elektrode 3 bezüglich der Siliziumhalbleiterschicht 2
die Siliziumdioxidschicht 1 von einem elektrischen Feld durchsetzt wird, sammeln sich positive Ionen,
also eine positive Ladung auf derjenigen Seite der Siliziumdioxidschicht an, welche der Inversionsschicht
gegenüberliegt. Es ist anzunehmen, daß diese positiven Ionen eine Anziehungskraft auf die innerhalb
der Siliziumhalbleiterschicht in der Nähe der Grenzfläche zwischen Siliziumdioxidschicht 1 und
Schicht 2 befindlichen Ionen ausüben und in diesem Gebiet einen Donatorbereich erzeugen. Wenn also
eine p-leitende Siliziumhalbleiterschicht 2 benutzt wird und wenn auf derselben eine Siliziumdioxidschicht
erzeugt wird, wird unterhalb dieser Schicht 1 eine Influenzschicht in Form einer η-leitenden Inversionsschicht
5 erzeugt. Wenn andererseits eine n-leitende Siliziumhalbleiterschicht 2 benutzt wird und
auf derselben eine Siliziumdioxidschicht 1 gebildet wird, bildet sich unterhalb der Schicht 1 eine n+-
Schicht. Man muß annehmen, daß bei einer Erhitzung unter den obengenannten Verfahrensbedingungen
und beim nachfolgenden Abkühlen auf Zimmertemperatur die η-leitende Inversionsschicht 5 gebildet
wird. Man kann denselben Effekt beobachten, wenn zwischen die Elektrode 3 und den Siliziumdioxidfilm
1 ein Glimmerplättchen 5' eingesetzt wird, wie in Abb. 1 gezeigt.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Größe, Form und
Lage der Influenzschicht 5 durch Größe, Gestalt und Lage der Elektrode 3 beeinflußt werden, jedoch meist
vollständig unabhängig von Einflüssen durch Größe, Form und Lage der Elektrode 4 sind. Diese Erscheinung
kann auf folgende Weise erklärt werden. Solange das Halbleiterbauelement aufgeheizt ist, erreicht die
elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden 3 und 4 im Bereich der Siliziumdioxidschicht sehr hohe
Werte und im Bereich der Siliziumhalbleiterschicht 2 sehr kleine Werte, da der Widerstand der Siliziumhalbleiterschicht
2 sehr viel kleiner als der Widerstand des Siliziumdioxides 1 ist. Infolgedessen wird
unmittelbar unterhalb der Elektrode in der Grenzschicht zwischen dem Siliziumdioxidfilm 1 und der
Schicht 2 ein elektrisches Feld erzeugt, welches eine Änderung der Leitfähigkeit der Schicht 2 nur in dem
unterhalb der Elektrode gelegenen Bereich hervorruft.
Bei einem bekannten Feldeffekttransistor werden auf der Oberfläche einer Halbleiterschicht mit einem
bestimmten Leitfähigkeitstyp zwei getrennte, voneinander unabhängige Bereiche gebildet, deren Leitfähigkeitstyp
dem der Halbleiterschicht entgegengesetzt ist. Sodann wird beispielsweise nach dem Diffusionsverfahren
ein Leitfähigkeitskanal erzeugt, welcher die beiden Bereiche miteinander verbindet und dasselbe
Leitfähigkeitsverhalten wie dieselben aufweist. Dann wird auf einer Isolatorschicht, beispielsweise einer
Siliziumdioxidschicht, auf dem Leitfähigkeitskänal eine Steuerelektrode gebildet. Schließlich werden Zuleitungs-
und Ableitungselektroden jeweils leitend mit den genannten beiden Bereichen verbunden.
Ein Halbleiterkörper 18 nach Abb. 4 besteht aus einer η-leitenden Siliziumhalbleiterschicht 16 sowie
zwei, auf zwei Seiten derselben gebildeten p-leitenden Schichten 17. Darauf ist mittels des Diffusionsverfahrens
ein p-leitender Leitfähigkeitskanal 19 erzeugt, welcher die p-leitenden Schichten 17 über eine Seitenfläche
18 α des Halbleiterkörpers 18 verbindet (in Abb. 4 nicht eingezeichnet). Auf der Oberfläche 18a
des Halbleiterkörpers 18 wird nach Abb. 5 eine Siliziumdioxidschicht 20 gebildet, auf die eine Steuerelektrode
21 aufgebracht wird. Auf den jeweiligen pleitenden Schichten 17 werden eine Zuleitungselektrode
22 sowie eine Ableitungselektrode 23 gebildet. Schließlich wird eine Steuerelektrode 21 α auf der nleitenden
Schicht 16 erzeugt.
Bei einem solchen Feldeffekttransistor sollte der Leitfähigkeitskanal 19 eine schwache p-Leitfähigkeit
7 8
oder eine i-Leitfähigkeit aufweisen, damit man eine zur Erzielung der gewünschten Kennlinien des Trangeeignete Kennlinie erhält. Die Einstellung der Leit- sistors eingestellt ist.
fähigkeit des p-leitenden Leitfähigkeitskanals mittels Ein Schaltbild eines solchen Feldeffekttransistors
bekannter Verfahren, wie z.B. Fehlstellendiffusion, ist in Abb. 7 dargestellt. Im Betrieb liegt an den
ist jedoch sehr schwierig, und die Abweichungen der 5 Zuleitungs- und Ableitungselektroden 22 und 23 eine
Kennlinien sind daher groß. Gleichspannung an, welche beispielsweise die Zulei-
Nach dem Verfahren nach der Erfindung ist je- tungselektrode 22 auf positivem Potential hält und
doch eine sichere Einstellung der Inversionsschicht einen Stromfluß I0 bewirkt. An der Steuerelektrode
möglich. Im Zuge der beschriebenen Wärmebehand- 21 liegt eine Steuergleichspannung Vg an, welche die
lung liegt die Elektrode 21 in bezug auf die Elek- io Steuerelektrode 21 in entsprechender Weise auf nega-
trode 21a auf einem negativen Potential, um die tivem Potential hält. Durch Änderung der Steuer-
Oberflächenladungsträgerdichte des p-leitenden Leit- gleichspannung Vg kann man den Strom I0 ändern,
fähigkeitskanals 19 einzustellen. Auf diese Weise ist Die statischen Kennlinien nach Abb. 9 stellen auch
die Herstellung eines Feldeffekttransistors nach die Kennlinien des Feldeffekttransistors nach A b b. 8
A b b. 6 möglich, dessen Kennlinien in Abhängigkeit 15 dar.
von der Leitfähigkeit des Leitfähigkeitskanals einge- Ein weiteres Beispiel eines nach dem vorliegenden
stellt werden können. Verfahren hergestellten Feldeffekttransistors ohne
Dieser Feldeffekttransistor kann durch das Schalt- eindiffundierten Leitfähigkeitskanal ist in Abb. 10
bild nach Abb. 7 dargestellt werden. Im Betrieb dargestellt. In diesem Fall ist als Halbleiterkörper 18
liegt an der Zuleitungselektrode 22 und der Ab- 20 eine p-leitende Siliziumschicht 16 mit einer Dicke
leitungselektrode 23 eine Gleichspannung VB an, von 200 μηι, einer Breite von 500 μπι und einer Länge
welche eine negative Spannung der Zuleitungselek- von 2000 μΐη benutzt, und auf einer Oberfläche der
trode 22 in bezug auf die Ableitungselektrode 23 Halbleiterschicht 16 sind durch Diffusion zwei in
sowie einen Stromfluß I0 erzeugt; eine bezüglich der einem gegenseitigen Abstand von 30 μΐη befindliche
Zuleitungselektrode 22 positive Steuergleichspannung 25 η-leitende Bereiche 17 erzeugt, welche jeweils 100 μπι
Vg liegt an der Steuerelektrode 21. Sodann kann breit und 5 μπι tief sind. Zusätzlich wird auf einer
durch Änderung der Steuergleichspannung Vg der Oberfläche 18 a bei einer Temperatur von 1200° C in
Strom I0 variiert werden. Die entsprechenden stati- einer Wasserdampf enthaltenden Stickstoffatmosphäre
sehen Kennlinien sind in Abb. 9 dargestellt. Auf eine Siliziumdioxidschicht 20 mit einer Dicke von
der Ordinate sind der Strom I0, auf der Abszisse die 30 0,3 μπι gebildet. Teile der Siliziumdioxidschicht 20
an Zuleitungs- und Ableitungselektroden 22 und 23 oberhalb der η-leitenden Bereiche 17 werden entfernt
anliegende Spannung VB aufgetragen. Die Kurven 25, und Zuleitungs- sowie Ableitungselektroden 22 und
26, 27, 28 und 29 stellen jeweils Fß-7D-Kennlinien 23 werden mit den betreffenden Bereichen 17 ver-
für verschiedene Werte der Steuergleichspannung Vg bunden. Man sieht eine Metallelektrode 21 als erste
dar und lassen erkennen, daß der Strom I0 mit zu- 35 Steuerelektrode vor, welche mit demjenigen Teil der
nehmender Steuergleichspannung ansteigt. Oxidschicht Kontakt hat, welcher der die beiden
Wenn auch nach dem beschriebenen Ausführungs- η-leitenden Bereiche 17 überbrückenden Influenzbeispiel
die Erfindung bei einem Feldeffekttransistor schicht 24 gegenüberliegt. Weiterhin wird eine zweite
mit bereits vorhandenem Leitfähigkeitskanal ange- Steuerelektrode 21a mit der p-leitenden Siliziumwandt wird, kann die unterhalb der Siliziumdioxid- 40 grundschicht 16 verbunden.
schicht erzeugte Inversionsschicht auch unmittelbar Zunächst erhält man einen sehr instabilen n-leitenals
Leitfähigkeitskanal dienen, wie im folgenden Bei- den Leitfähigkeitskanal 24 zwischen den n-leitenden
spiel beschrieben ist. Als Halbleiterkörper 18 nach Bereichen 17 unterhalb der Siliziumdioxidschicht 20.
Abb. 4 wird eine Halbleiterplatte aus einer p-leiten- Infolgedessen sind die statischen Kennlinien insbeden
Grundschicht 16 mit auf zwei Seiten derselben 45 sondere im Bereich kleiner Spannungen unbefriedigebildeten
η-leitenden Bereichen 17 benutzt, bei wel- gend, wie man aus Abb. 11 erkennt. Außerdem ist
eher auf einer Oberfläche 18 a eine Siliziumdioxid- der Wert von gm (dem Verhältnis zwischen Ausgangsschicht 20 gemäß Abb. 8 gebildet ist. Auf dieser Stromänderungen und Eingangsspannungsänderungen)
Schicht 20 wird eine erste Steuerelektrode 21 gebildet, sehr klein, und die Streuungen der Größe gm zwischen
und auf den η-leitenden Bereichen 17 werden jeweils 50 verschiedenen, derartigen Feldeffekttransistoren sind
Zuleitungs- und Ableitungselektroden22 und 23 ge- sehr groß. In Abb. 11 sind auf der Ordinate der
bildet. Zusätzlich wird auf der p-leitenden Grund- Entladungsstrom I0 und auf der Abszisse die Spanschicht
16 eine zweite Steuerelektrode 21a gebildet. nung VB zwischen Zuleitungs- und Ableitungselek-Bei
einem Halbleiterbauelement dieser Art ist die trode aufgetragen. Die Kurven 30, 31, 32, 33 und 34
Inversionsschicht 24 unterhalb der Siliziumdioxid- 55 stellen Kennlinien für verschiedene Werte der Steuerschicht
20 außerordentlich instabil und bewirkt große potentiale der ersten Steuerelektrode 21 von
Abweichungen der Kennlinien. Da diese Influenz- -40VoIt, -30VoIt, -2OVoIt, —10 Volt und
schicht in diesem Zustand zur Verwendung als Leit- OVoIt dar.
fähigkeitskanal ungeeignet ist, wird nach der Erfin- Im Hinblick auf diese unerwünschte Streuung der
dung eine Wärmebehandlung durchgeführt, bei wel- 6° Kennlinien erfolgt eine Wärmebehandlung des FeIdcher
die Elektrode 21 gegenüber der Elektrode 21 α effekttransistors bei einer Temperatur von 350° C
auf einem negativen Potential gehalten wird. Dadurch während einer Dauer von 30 Minuten, wobei gleichwird
die Oberflächenladungsträgerdichte auf ihren zeitig eine Gleichspannung von 10 Volt an den Elek-Kleinstwert
herabgesetzt. Sodann wird eine weitere troden 21 und 21 α anliegt, welche die Steuerelektrode
Wärmebehandlung durchgeführt, bei welcher die 65 21 auf einem positiven Potential gegenüber der
Elektrode 21 gegenüber der Elektrode 21a auf einem Steuerelektrode 21a hält. Der auf diese Weise behanpositiven
Potential gehalten wird, wodurch man einen delte Feldeffekttransistor zeigt statische Kennlinien
Feldeffekttransistor erhält, dessen Leitfähigkeitskanal nach Abb. 12 und arbeitet selbst mit kleinem Ein-
. 509610/369
gangssignal befriedigend. Außerdem werden so Kennlinien mit großer Stabilität und hohem gm-Wert
erhalten. Weiterhin können so Schwankungen zwischen den Kennlinien verschiedener Feldeffekttransistoren
praktisch vollkommen vermieden werden. In Abb. 12 stellen die Kurven 35, 36, 37 und 38 und
39 die Kennlinien für verschiedene Werte der Steuerpotentiale Vg von -0,6VoIt, -0,4VoIt, -0,2VoIt,
OVoIt und+0,2 Volt dar.
• Da ein Feldeffekttransistor durch Leitfähigkeitsmodulation
des Leitfähigkeitskanals betrieben wird, ist eine genaue Einstellung der Leitfähigkeit des Kanals
wesentlich. Mittels der Diffusions- oder eines ähnlichen Verfahrens ist jedoch die Einstellung der
Leitfähigkeit schwierig, und Abweichungen der Kennlinien lassen sich nicht vermeiden. Diese Kennlinien
sind ferner sehr stark von dem Herstellungsverfahren
des Halbleiterausgangskristalls abhängig sowie von dem Herstellungsverfahren der Oxidschicht.
Unter Anwendung des vorliegenden Verfahrens kann nun die Leitfähigkeit dess Leitfähigkanals leicht
eingestellt werden, wie man deutlich an Hand der Abb. 2 und 3 erkennt. Diese Einstellung kann überdies
vollständig unabhängig von dem Herstellungsverfahren der Schichten des Halbleiterkörpers und
der Oxidschicht durchgeführt werden. Man erhält auf diese Weise einen außerordentlich stabilen Feldeffekttransistor
ohne Abweichungen der Kennlinien, wenn man einen Feldeffekttransistor nach dem vorliegenden
Verfahren behandelt und dabei die Leitfähigkeit des Leitfähigkeitskanals auf den Kleinstwert der
Oberflächenladungsträgerdichte gemäß dem Punkte
in Abb. 2 und dem PunktB in Abb. 3 einstellt,
da die Leitfähigkeit des Leitfähigkeitskanals in diesem Fall nicht weiter abnehmen kann. -35
Ein weiteres Anwendungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens ist die Herstellung der bekannten Kapazitätsvariationsdioden
mit einer Isolatorzwischenschicht (auch Metall-Oxid-Halbleiter-Dioden oder
MOS-Dioden genannt).
Die in Abb. 13 im Schnitt dargestellte MOS-Diode umfaßt eine Siliziumdioxidschicht 40 mit einer
Dicke von 0,3 μΐη, eine p-leitende Siliziumgrundschicht
41 mit einem spezifischen Widerstand von 4 Ωαη, eine auf der Siliziumdioxidschicht 40 angeordnete
Aluminiumelektrode 42 mit einem Durchmesser von 2 mm, eine gleichzeitig mit der Bildung
der Siliziumdioxidschicht 40 erzeugte Inversionsschicht 43 und eine Elektrode 44, die mit der Grundschicht
41 verbunden ist. Diese Kapazitätsvariations-Diode kann durch ein Ersatzschaltbild nach Ab b. 14
dargestellt werden, welches einen Kondensator C0
mit konstanter Kapazität auf Grund der Siliziumdioxidschicht 40, einen von der Leitfähigkeit der Inversionsschicht
herrührenden Widerstand Z und einen Kondensator Cd mit veränderlicher Kapazität umfaßt,
dessen Kapazität sich entsprechend der anliegenden Spannung ändert und welcher parallel zu dem
Widerstand Z liegt.
Wenn an den Elektroden 42 und 44 eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 0,3 Volt und einer
Frequenz von 1000 Hz anliegt und der statische Kapazitätswert zwischen den beiden Anschlüssen für
verschiedene, gleichzeitig anliegende Gleichspannungen gemessen wird, erhält man Kurven nach
Abb. 15. In Abb. 15 stellt die Ordinate den statischen Kapazitätswert C und die Abszisse die an den
Anschlüssen anliegende Gleichspannung V dar. Die Kurven 45, 46 und 47 zeigen jeweils die spannungsabhängigen
Kennlinien der statischen Kapazität verschiedener Exemplare. Es zeigt sich, daß die Abweichungen
zwischen verschiedenen Kennlinien ziemlich groß sind.
Eine Kapazitätsvariationsdiode mit den obigen Kennlinien wurde einer Wärmebehandlung bei einer
Temperatur von 350° C für eine Dauer von etwa 15 Minuten ausgesetzt, wobei gleichzeitig eine Gleichspannung
von 20 Volt an den Elektroden 42 und 44 anlag, welche die Seite der p-leitenden Siliziumgrundschicht
auf einem positiven Potential hielt. Die Diode wurde sodann abgekühlt, und die Kennlinien
wurden unter denselben Bedingungen gemessen. Als Ergebnis wurden die Kennlinien nach A b b. 16 erhalten,
in der die Ordinate die statische Kapazität C und die Abszisse die an den Elektroden anliegende
Gleichspannung V angibt. Es zeigt sich, daß der Anstieg der statischen Kapazität bezüglich der Steuergleichspannung
bei den verschiedenen Exemplaren im wesentlichen zusammenfällt. Abweichnungen zwischen den Kurven werden nur in ihren horizontalen
Abschnitten des Sättigungsbereiches beobachtet. Durch Nachprüfung konnte gezeigt werden, daß diese
Abweichungen von Größenschwankungen der auf der Siliziumdioxidschicht 40 aufgebrachten Aluminiumelektrode
42 abhängen und daß durch Vereinheitlichung der Größe der Aluminiumelektrode 42 MOS-Dioden
mit gleichen Kennlinien in einfacher Weise hergestellt werden können.
Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die Lage des AbschnittesD der Kennlinien in Abb. 16 mit einer
großen Spannungsabhängigkeit der statischen Kapazität durch geeignete Auswahl der Behandlungsbedingungen
wunschgemäß eingestellt werden kann. Wenn im einzelnen an den Elektroden 42 und 44 eine
Gleichspannung von 3 Volt in der Weise anliegt, daß die p-leitende Siliziumhalbleiterschicht 41 negativ
wird und wenn die Behandlungszeit bei einer Behandlungstemperatur von 350° G verlängert wird,
werden die Kennlinien gemäß A b b. 17 allmählich nach rechts verschoben. Die Kurven 48, 49, 50, 51
und 52 sind Kennlinien entsprechend dem Ausgangszustand, einer Behandlungsdauer von 5 Minuten,
von 10 Minuten, von 20 Minuten und von 33 Minuten.
Auf diese Weise kann die Lage des Abschnittes D der statischen Kapazität von der Steuergleichspannung
nach Abb. 16 durch jeweilige Änderung der Behandlungsdauer willkürlich eingestellt werden.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen, bestehend aus einem Halbleiter-Einkristall,
einer auf eine Oberfläche des Halbleiters aufgebrachten anorganischen Isolatorschicht,
einer zwischen Isolatorschicht und Halbleiter befindlichen Inversionsschicht und zwei
Elektroden, deren eine auf der Isolatorschicht und deren andere auf der der Isolatorschicht
gegenüberliegenden freien Halbleiteroberfläche sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Einstellen der Leitfähigkeit der Inversionsschicht zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches
Gleichfeld mit einer Feldstärke unter der Durchbruchfeldstärke der Isolatorschicht bei gleichzeitiger
Erhitzung des Halbleiterbauelementes gelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 für Bauelemente,
bei denen der Halbleiter aus Silizium und die Isolatorschicht aus Siliziumdioxid besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß 10 Minuten lang auf über 75° C erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld zunächst zum Erniedrigen
der Leitfähigkeit der Inversionsschicht mit einer solchen Polarität angelegt wird, daß der
Halbleiter auf positivem Potential liegt, und anschließend zum Erhöhen der Leitfähigkeit auf den
gewünschten Wert das Feld mit umgekehrter Polarität angelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3
zum Herstellen eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode, dadurch -gekennzeichnet,
daß die Steuerelektrode als eine der Elektroden zum Anlegen des Gleichfeldes dient.
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