DE1514020A1 - Verfahren zur Verbesserung von mindestens einem Betriebsparameter von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung von mindestens einem Betriebsparameter von Halbleiterbauelementen

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DE1514020A1 DE19651514020 DE1514020A DE1514020A1 DE 1514020 A1 DE1514020 A1 DE 1514020A1 DE 19651514020 DE19651514020 DE 19651514020 DE 1514020 A DE1514020 A DE 1514020A DE 1514020 A1 DE1514020 A1 DE 1514020A1
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Description

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenz. der Anmelderin; Docket 14 110
Verfahren zur Verbesserung von mindestens einem Betriebsparameter , von Halblelterbauelementen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung von mindestens einem Betriebsparameter von Halbleiterbauelementen des Planartyps. Die genannte Verbesserung erstreckt sich auf Betriebsparameter wie z.B. den Leckstrom, die Höhe der Durchschlagsspannung im Zehnergebiet und den Stromverstärkungsfaktor.
ORIGINAL IMSPECTEO
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Sogenannte Halbleiterbauelemente, welche ein oder mehrere sich bis zur Oberfläche erstreckende übergänge besitzen, werden zur Zeit in großem Ausmaß serienmäßig hergestellt. Solche Halbleiterbauelemente besitzen meist eine passivierende Schicht aus isolierendem Material, die besonders an den Stellen aufgebracht werden, an denen der übergang bzw. die Übergänge in die Oberfläche einmünden, die jedoch oft auch die gesamte Oberfläche schützend bedecken. Planare Halbleiterbauelemente aus dem Material Silizium besitzen in der Regel eine solche schützende Schicht aus Siliziumdioxyd, welche nicht nur als Maske während der verschiedenen, bei der Herstellung benutzten Diffusionsvorgänge, sondern auch nach der Fertigstellung des Bauelementes als passivierende Schicht zum Schutz des Halbleiterbauelementes vor äußeren Einflüssen bzw. vor Fremdstoffen dient. Eine Schicht dieser Art sollte die Eigenschaften besitzen, ein guter Isolator und gleichzeitig ein passlvierendes Medium zu sein. Außerdem sollte das Material der Schutzschicht mit den technischen Erfordernissen während der Halbleiterherstellung verträglich sein. Bei der Herstellung bildet sich indessen stets eine flächenhafte Ladung bzw. eine Potentialverteilung innerhalb des Körpers in dem Gebiete zwischen der Isolierschicht und dem Halbleiterhauptkörper aus, wobei diese Ladungsverteilung nicht notwendigerweise in optimaler Weise den späteren Betriebsbedingungen bei den gebräuchlichen Betriebstemperaturen des Halbleiterbauelementes entspricht. Infolgedessen ergeben sich Abweichungen von einer idealen Arbeitsweise.
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches es gestattet, eine oder mehrere elektrische Betriebs eigenschaften des Halbleiterbauelementes zu verbessern, wobei diese ins besondere auch bei den beim Betrieb auftretenden erhöhten Temperaturen
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stabil bleiben sollen. Entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die mit einer inerten Schutzschicht bedeckten Oberfläche des Bauelementes eine Hilfselektrode derart aufgebracht wird, daß sie insbesondere die an ie Oberfläche angrenzenden bzw. in diese einmündenden Teilbereiche der übergänge des zu behandelnden Halbleiterbauelementes überdeckt, daß diese Hilfselektrode mittels einer Spannungsquelle gegenüber dem Halbleiterhauptkörper vorgespannt wird und daß das gesamte Bauelement mit dem so zwischen Halbleiterhauptkörper und der Hilfsanode erzeugter elektrischen Feld etwa eine Stunde lang einer Temperatur ausgesetzt wird, die wesentlich höher als die zu erwartende Betriebstemperatur des Bauelementes 1st und daß schließlich eine Abkühlung des Bauelemen tes auf eine Temperatur erfolgt, die höchstens unterhalb der zu erwartenden Betriebstemperatur liegt.
Die Anwendung des Verfahrens nach der Lehre der vorliegenden Erfindung zur Verbesserung von Betriebseigenschaften verschiedener Halbleiteroauelemente wird anhand der beigefügten Figuren im folgenden näher beschrieben. In den Figuren bedeuten:
Fig. 1 A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei da3 zu behanfelnde Halbleiter* bauelement eine im Schnitt dargestellte Diode 1st;
Fig. 1B ein Kurvenpaar zur Erläuterung der mittels des Verfahrens erzielten vorteilhaften Erhöhung der Durohbruchsspannung der Diode im Zehnergebiet;
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PIg. 1.C ein Vertikalschnitt einer anderen Halbleiterdiode zur weiteren Verdeutlichung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung; ; -
Fig. 2 ein Vertikalschnitt eines PNP-Transistors, welcher nach dem Verfahren der Erfindung behandelt wurde;
Fig. 3A eine ähnliche Ansicht eines nach der Lehre der Erfindung zu behandelnden PNP-Transistors;
Fig. 3B-3D eine Kurvenschar zur graphischen Veranschaulichung der Betriebseigenschaften des Transistors nach der Fig. J5A;
Fig. 4A einen Seitenriß eines Feldeffekttransistors mit einer nach der Lehre der Erfindung zu modifizierenden Charfck-
V-
teristik;
Fig. 4b eine Darstellung der genannten Modifikationen; Fig. 5A ein Seitenriß des Halbleiterkondensators sowie
Fig. 5A-5C eine Kurvenschar zur Verdeutlichung der im günstigen Sinne modifizierten Charakteristik des Halbleiterkondensators von Fig. 5A.
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Beschreibung der Halbleitervorrichtung von Fig. 1A sowie der Vorrichtung zur Modifikation der Halbleiterbetriebsparameter.
In Fig. 1A der Zeichnungen wird sohematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt eine geeignete Heizvorrichtung, beispielsweise einen Ofen 10, in welchen das zu behandelnde Halbleiterbauelement, z.B. die Halbleiterdiode 11 zur Erhitzung auf eine erhöhte Temperatur,eingebracht wird. Diese sollte beträchtlich höher sein, als es der Betriebstemperatur der Diode entspricht. Zu diesem Zweck sollte der Ofen in der Lage sein, die Diode auf eine Temperatur von etwa 350 bis 400°C zu erhitzen und diese Temperatur über eine längere Zeitspanne, z.B. für eine Stunde, aufrechtzuerhalten. Anstelle eines Ofens wurde auch ein elektrischer Heizblock mit Erfolg angewandt .
Die in Fig. 1A dargestellte Halbleiterdiode 11 kann vom Planartyp sein, wobei sie einen Halbleitergrundkörper 12 umfaßt, der normalerweise P-leitend ist und einen hohen spezifischen Widerstand sowie eine Zone 1> vom N-Leitfähigkeitstyp besitzt, die in die obere Fläche eindiffundiert 1st und mit dem Grundkörper 12 einen PN-Übergang 14 bildet, der sich bis zur Oberfläche I5 des Halbleiterbauelements erstreckt. Der spezifische Widerstand des Grundkörpers 12 kann von ι der Größenordnung von 10Λ. cm sein. Die Zone 1> kann auf konventionelle Weise hergestellt werden, z.B. duroh Diffusion eines N- · . Dotierungsmaterials wie Phosphor durch eine öffnung 16 in einer undurchlässigen Schicht 17 eines inerten, isolierenden Materials, das
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gleichzeitig ale Oberflächenpassivierung und Diffusionsmaske dient. Während die Halbleiterzonen 12 und 13 der Diode aus geeignetem Halb·* leitermaterial wie Germanium, Silizium oder einer intermetallischen -ialbleiterverbindung bestehen können, sei für die folgenden Beschrei-Dungen zur Vereinfachung angenommen, daß diese Zonen aus Silizium bestehen. Die isolierende Sohicht 16 kann in der Form eines Oxyd-Uberzugs forliegen. Besonders geeignet ist z.B. Siliziumdioxyd in inniger Verbindung mit der Oberfläche I5 der Diode 11 bei einer Dicke von 5 000
ο ο
20 000 AE, wobei Stärken von 5 000 bis 7 000 AE typisch sind. Die
Schicht 17 kann z.B. auf der Oberfläche durch Erhitzen der Diode zwiichen 900 bis 1 4000C in einer oxidierenden, mit Wasser oder Dampf gesättigten Atmosphäre gebildet werden. Als Alternative kann sie auch .urch das Erhitzen der Diode in den Dämpfen einer organischen Siloxanerbindung hergestellt werden. Brauchbar ist z.B. Tetraaethoxysilan, wo« >ei eine Temperatur anzuwenden ist, die unterhalb des Schmelaspunktes .es Halbleitermaterials, aber über der Zersetzungstemperatur liegt. Der nirchbruch 16 wird an der gewünschten Stelle des Überzugs I7 geätzt, ,ine solche teilweise..Freilegung der Oberfläche 13 kann durch bekannte hotogravure-Verfahren erfolgen. In dem oben beschriebenen Diffuslonsorgang zur Erzeugung der Zone 13 diffundiert die Dotierungssubstanz ber eine kurze Strecke unter die geätzten Gebiete der die öffnung 16 efinierenden Siliziumdloxydechicht I7.
^hmische Anschlüsse in Form normaler Elektroden 18 und 19 werden in ekannter. Weise an die freigelegten Stellen der Zonen 12 und I3 angeracht, z.B. durch Aufdampfung, Zerstäubung oder Plattierung. Die bis etzt beschriebene Halbleiterdiode ist ein typisches, dem Stand der . echnik entsprechendes Halbleiterbauelement. Es sei angenommen, da£
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ORIGINAL INSPECTED C0PY
-τ- ■ ' "■
die Klektrode 20 die Elektrode 19.ringförmig umgibt, jedoch von ihr durch die Siliziumdioxydschicht 17 isoliert ist. üs versteht sich jedoch, daß die Elektrode 20 eine andere, der speziellen Gestalt der Halbleiter ζ one Tj5 ist. Außerdem wird auf die Schicht I7 aus Siliziumdioxyd 17 vorzugsweise oberhalb der an die Oberfläche angrenzenden Teilbereiche des PN-Überganges 14 sowie über einen wesentlichen, benachbarten oberflächenhaften Teilbereich des Grundkörpers 12 eine flächenhafte Hilfselektrode 20 aufgebracht, was z.B. mittels Aufdampfen erfolgen kann. Aus weiter unten zu erläuternden Gründen ist die positive Klemme der Spannungsquelle 22 an die Hilfselektrode 20 über die Leitung 23 angeschlossen, während die negative Klemme über einen Schalter 24 und die Leitung 25 mit der Elektrode 18 des Halbleiterbauelementes verbunden ist.
Bei der Passivierung der Oberfläche 15 des Halbleiterbauelementes 11 wurde festgestellt, daß leicht eine Anhäufung von negativ geladenen Trägern innerhalb des Gebietes zwischen der Siliziumdioxydschicht I7 und dem Halbleitergrundkörper 12 entsteht, wobei diese negativ geladenen Träger Anlaß zu einem Oberflächenpotential geben. In diesem Gebiet der P-Zone 12 wirkt das Oberflächenpotential in einer Weise, die als eine dünne N-leitende Haut 21 aufgefaßt werden kann, welohe,manchmal unterbrochen, sich von der N-Zone 1j5 zu den Seitenflächen des Bauelementes erstreckt. Obwohl diese Tatsache die Durchschlagsspannung der Diode günstig beeinflußt, ist es bei manchen Bauelementen wünschenswert, diese noch zu verbessern bzw. zu erhöhen. Es sei am Rande bemerkt, daß, obwohl hier nur eine einzige Diode beschrieben wurde, im Rahmen einer Massenherstellung im allgemeinen mehrere hundert derartiger Bauelemente gleichzeitig auf einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt werden. 9 0,9825/07 52 ^1- COPY
Erläuterung des Betriebes der Vorrichtung zur Modifikation der Halbleiterbetriebsparameter .
Bei der Durchführung des Verfahrens nach den Lehren der vorliegenden Erfindung wird die Diode durch einen Ofen 10 über einen längeren Zeitintervall, z.B. während einer Stunde oder langer, erhitzt. Es wird eine Temperatur benutzt, die bedeutend höher ist als die Diodenbetriebstemperatur von ca. 75 bis 1000C. Eine Temperatur im Bereich von " 50 bis 2500C oberhalb der Betriebstemperatur des Bauelementes kann im Rahmen des Verfahrens benutzt werden. PUr eine Siliziumdioxydschicht hat sich eine Temperatur von 15Q0C als nützlich erwiesen, obgleich höhere Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Silizium ebenfalls verwendet werden "können. Befindet sich die Vorrichtung beim Beginn des Heizzyklus auf einer derart erhöhten Temperatur, wird Schalter 24 geschlossen. In der Siliziumdioxydschicht I7 bildet sich etwa normal zu ihrer Oberfläche ein elektrisches Feld aus, dessen Intensität nunmehr das Potential zwischen Zone 12 und der Schicht 17 bestimmt. Die Höhe der Spannung ist im allgemeinen zu der Stärke der Schicht I7 direkt proportional. Für eine Siliziumdioxydschicht mit einer Stärke
der Größenordnung von 5 000 bis 20 000 AE hat sich eine Spannung im Bereich von 10 bis 30 Volt Über ein Heizintervall von ca. 1 Stunde als zufriedenstellend erwiesen. Vorspannungen von einigen Volt wurden bei dünnen Siliziumdioxydschichten ebenfalls mit Erfolg angewandt. Im allgemeinen' ist die Dauer der soebenen beschriebenen Temperatur-Feld-Behandlung umgekehrt proportional zur Höhe der angewendeten Temperatur, infolgedessen kann die Behandlungsdauer durch Anwendung einer höheren Temperatur reduziert werden, soweit diese vereinbar ist mit den Materialien des zu behandelnden Halbleiterbauelementes.
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Am Schluß des Heizintervalls wird die Diode 11 aus dem Ofen genommen und auf einen wärmeabsorbierenden Körper gelegt, derart, daß auf eine Temperatur gekühlt wird, die höchstens Innerhalb des Bereiches der Betriebstemperatur der Diode liegt. Im allgemeinen wird die Vorrichtung auf Zimmertemperatur gekühlt. Die Verbindung der Vorspannungequelle 22 mit den Elektroden 18 und 20 wird vorzugsweise auch während der Küh^ngs-Periode aufrechterhalten. Es wird angenommen, daß während der oben beschriebenen Temperatur-Feld-Behandlung das elektrische Feld in der isolierenden Schicht 17 eine Umladung der elektrischen Träger bewirkt, die sich im Körper zwischen den obengenannten Schichten befinden. Dieser Vorgang, der noch nicht besonders gut zu verstehen ist, justiert oder verändert das" Oberflächenpotential in der Gegend der P-Halbleiterzone 12 und der Oberfläche 15. Dies entspricht einer Änderung der Loch- und/ öder Elektrondichte an der genannten Stelle des Körpers 12. Anders ausgedrückt: Es wird angenommen, daß das elektrische Feld, das bei erhöhter Temperatur über dem genannten Gebiet des Bauelementes erzeugt wird, Änderungen in der isolierenden Schicht hervorruft, die einem auch nach der Behandlung verbleibenden Zwischenflächen- bzw. Oberfläohenpotential entsprechen.
Anschließend wird die Diode 11 nunmehr in einem Temperaturbereich unterhalb der Temperatur betrieben, welcher das Bauelement während der Temperatur-Feld-Behandlung ausgesetzt war, so bleibt dieses neue Oberflächenpotential stabil.
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Die geänderten Eigenschaften können auch als Wirkung einer N+-Zone 26 in Form einer Zwischenschicht aufgefaßt werden. Während diese leicht zu einer Erhöhung des Leckstromes des Bauelementes führen kann, ergibt sich daraus jedoch eine wesentliche erwünschte Erhöhung der Durchschlagsspannung. Die Kurve A der Fig. 1B stellt die Strom-Spannungs-Charakter ist Ik einer konventionellen Diode entsprechend der Fig. 1A dar, die der Temperatur-FeId-Behandlung nach den Lehren der vorliegenden Erfindung nicht unterworfen wurde. Man sieht, daß der Strom einen niedrigen Wert für niedrige, am übergang anliegende Spannungen besitzt, und daß er sich plötzlich, im Zehnergebiet erhöht. Die Kurve B jedoch stellt dieselbe Kennlinie für eine ähnliche Diode dar, die vor ihrem Betrieb der oben beschriebenen Temperatur-FeId-Behändlung unterworfen wurde. Das Zehnergebiet tritt bei einem wesentlich höheren Spannungswert auf, wobei die Hilfselektrode 20 nicht mehr benutzt wird und natürlich entfernt werden kann.
Beschreibung der Halbleiterdiode von Fig. IC.
Die Halbleiterdiode der Fig. 1C ist der Diode von Fig. 1A sehr ähnlich. Sie unterscheidet sich in der Hauptsache darin, daß die Lagen der P-ünd N-Zqnen invertiert sind und außerdem in der Zusammensetzung der Passivierungsschicht. Entsprechende Elemente sind in beiden Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Hauptkörper 12 besteht im allgemeinen aus N-leitendem Silizium mit hohem spezifischem Widerstand, während Zone 13 aus P-leitendem Silizium mit niedrigem spezifischem Wideretand gefertigt ist. Die isolierende Schioht besteht aus Glas einer solchen Zusammensetzung, daß es direkt auf die Oberfläche I5 der Diode
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; ; -1t-
• aufgebracht werden kann, ohne daß eine Zwischenschicht aus Silizi-umdioxyd erforderlich ist. Ein derartiges Passivierungsglas, das auch bei der Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes staül bleibt, wurde bereits vorgeschlagen. Die Zusammensetzung eines solchen Glases in mol-$ ist durch folgende Werte festgelegt: PbO 23-50, Al2O, 0-19* B2°3 6-18, SiO2 33-65 und 0,1-1,0 mol-# eines Oxyds der Gruppe Niobipentoxyde, Zirkondioxyd, Titandioxyd und Tantalpentoxyd besteht. Zur Erzielung einer luhkerfrelen Schicht kann das Glas in Pulverform mittels eines entspreche den Niederschlags-Verfahrens aufgebracht und anschließend bei erhöhter Temperatur geschmolzen werden. Anschließend wird der Durchbruch 16 mittels eines konventionellen Ätzverfahrens hergestellt. Das Glas wird bevorzugt mittels eines bereits vorgeschlagenen Verfahrens aufgebracht, be; welchem ein Zentrifugieren der Diode zusammen mit fein verteilten Partikeln des oben erwähnten Glases in einer Flüssigkeit mit einer Dielektrizitätskonstanten von 3,4-20,7 zur Aufbringung auf die Oberfläche und anschließendes Erhitzen des Bauelementes mit der Schicht über den Erweichungspunkt der Glaspartikel benutzt wird. Die Erhitzung soll sich flierbei über einen Zeitintervall erstrecken, der ausreicht zur lunkerfreien Verschmelzung der Glasschicht 17, die bevorzugt eine Stärke von wenigen bis mehreren/U aufweist. Die Elektroden 18, 19 und 20 werden an φβχι verschiedenen Zonen angebracht, wie in Pig. 1C gezeigt. Die Hilfselektrode 20 ist in bezug auf den Halbleiterkörper 12 negativ vorgespannt. Wird keine Temperatur-PeId-Behandlung durchgeführt, so hat sich gezeigt, daß eine Inversionsschicht, die der N-Inversionsschlcht oder dem Inversionskanal 21 der Fig. 1A ähnlich ist aber den entgegengesetzte Leltfähigkeitatyp besitzt, sich nicht an der Oberfläche des N-Körpers der Fig. 1C ausbildet.
ORiGINALINSPECTED
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'COPt
Zur Verbesserung der elektrischen Kennlinie der Halbleiterdiode nach · Pig. 1C wird eine negative Vorspannung von ca. 20 V an die Hilfselektrode 20 angelegt, wobei die Diode während ungefähr einer Stunde auf einer Temperatur im Bereich von 250 bis 3000C gehalten wird. Danach . wird die Vorrichtung abgekühlt. Wie man annimmt, wird eine negative Raumladung in der Glasschicht- 17 und eine positive, einem Oberflächenpotential entsprechende Ladung im Siliziumgrundkörper 12 unter der Elektrode 20 aufgebaut. Dieses Oberflächenpotential wiederum bildet im Körper 12 unterhalb der Zwischenfläche eine in der Figur mit 27 bezeichnete permanente P-inversionsschicht. Dieser. Sachverhalt kann zwar : einer leichten Erhöhung der Kapazität der Diode führen, bewirkt jedoch gleichfalls in erwünschter Weise eine Erhöhung der Durchschlagsspannung im Zehnergebiet. Diese verbesserte Eigenschaft bleibt auch während des späteren Betriebes des Halbleiterbauelementes stabil.
Es hat sich herausgestellt, daß mittels des oben beschrjöoenen Verfahrens bei Verwendung einer SiOp-Schlcht anstelle einer Glasschicht •die günstige P-Inversionsschicht 27 nicht genau unterhalb der Oberfläche des N-Körpers 12 erzeugt werden kann. Andererseits kann das oben erwähnte Glas, welches die Schicht AJ In Fig. IC bildet, in Fig. 1Λ mit zufriedenstellenden Ergebnissen anstelle der Siliziumdioxydschicht verwendet werden.
Beschreibung des Transistors von FiR. 2 ·
In Flg. 2 der Zeichnungen wird ein PNP-Transistor vom Planar-Typ ge- . zeigt, dessen Konstruktion der der Halbleiterdiode von Fig. 1A ähnlich
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1st. Infolgedessen sind in beiden Figuren entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen« Die Gebiete 12 und 13 stellen die Kollektor- und Basiszonen des Transistors 11 dar. Eine Basiselektrode 28 ist auf bekannter Weise mit der Zone 13 verbunden. Mittels eines Diffusionsverfahrens ist in die Basiszone 12 eine typische P-Emitterzone 29 eingebettet, wodurch ein Emitter-Basisübergang 30 • zustande kommt. Die Passivierungsschicht 17, welche die Oberfläche und die an die Oberfläche angrenzenden Bereiche der Übergänge 14 und 30 bedeckt, ist aus Siliziumdioxyd. Ein Passivlerungsglas des in Verbindung mit Fig. 1C genannten Typs kann auch für die Schicht 17 verwendet werden. . ■
Es wird eine Temperatur-FeId-Behandlung in der oben beschriebenen Weise durchgeführt. Die Hilfselektrode 20 erhält eine positive Vorspannung in bezug auf die Kollektorzone 12. Es ergeben sich die gleichen Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Diode von Fig. 1C beschrieben wurden.
Beschreibung des Transistors von Fig. 3A.
Fig. 3A zeigt einen NPN-Transistor des Planartyps, der seinem Aufbau nach dem PNP-Transistor der Fig. 2 und den Halbleiterdioden der Fig. '1A- und IC ähnlich ist. Zum besseren Verständnis werden entsprechende Elemente in den drei Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Passivierungsschicht 17, welche die Oberfläche 15 und die sich bis an die Oberfläche erstreckenden Übergänge 14 und JO bedeckt, besteht aus demselben Glas wie die -Schicht 17 von Flg. 1C. Zusätzlich zu der
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ringförmlgen Hilfselektrode 20, die auf der Glasschicht 17 aufliegt und die an die Oberfläche des Grundkörpers 12 angrenzenden Bereiche des Kollektor-Basis-Uberganges 14 sowie einen Teil der N-Kollektorzone 12 überdeckt, besitzt der Transistor eine zweite, kleinere auf der Schicht 17 aufliegende Hilfs-Ringelektrode 31. Diese überdeckt den an die Oberfläche des Grundkörpers 12 angrenzenden Bereich des Emitterbasis-Übergangs JO sowie einen Teil der P-Basiazone 13.
Die Temperatur-PeId-Behändlung der Erfindung kann dazu verwendet werden, um zumindest eine Betriebseigenschaft des NPN-Transistors zu verbessern und um dem Oberflächenpotential des Transistors langfristige Stabilität zu verleihen. Dies wird erreicht durch das Erhitzen des Transistors auf eine Temperatur, die wesentlich höher ist als die spätere Betriebstemperatur. Gleichzeitig wird,wie in den vorgehenden Fällen,eine an die Elektroden 20 und 31 negative Vorspannung angelegt. Beide Hilfselektroden können an dieselbe Klemme einer Spannungsquelle angeschlossen werden. Manchmal ist es jedoch erwünscht, zur Erzeugung zweier voneinander unabhängiger elektrischer Felder die Hilfselektroden an verschiedene Spannungsquellen anzuschließen. Die Temperatur-Feld-Behändlung wird wie oben im Zusammenhang mit den Dioden der Fig. IA und 1C beschrieben durchgeführt. Es ergeben sich elektrische Felder, die normal zur Oberfläche der Glasisolierungssohicht 17 verlaufen sowie ein Oberflächenpotential I7, das die ringförmige P-Inversionsschicht 26 in dem Teil des Körpers unter der Elektrode 20 bildet. Außerdem bildet sich durch dasselbe Phänomen eine ringförmige P+-HaIbIeIteranhäufungsschicht 33 in einem-Oberflächenbereich der P-Basiszone I3 unter der Elektrode 3I.
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Bei fehlender Schicht 33 stellt die Kurve A in Pig. JB die Änderung des Stromverstärkungsfaktors/? des Transistors 11 in Abhängigkeit vom Emitterstrom dar. Wenn die Schicht 33 einen Teil der Oberfläche der Basiszone 13 in der Nähe der Oberfläche bedeckt, so verbessert bzw. erhöht sichβ entsprechend dem Verlauf der Kurve B. Wir wenden uns nun der Betrachtung des Transistorparameters I zu, welches den
00Λ-
Leckstrom vom Kollektor zum Emitter charakterisiert. Dieser kommt zustande, wenn über dem Emitter-Basis-übergang 13 eine sehr kleine Vorspannung in Durchlaßrichtung sowie über dem Kollektor-Basis-übergang 14 eine Vorspannung in Sperrichtung anliegt. Die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektor-Bezugsspannung ist in Fig.3C* Kurve A bei Abwesenheit der P-leltenden Schicht 26 dargestellt. Ist jedoch diese Schicht vorhanden, so wird der Leckstrom auf den erwünschten niedrigen und ziemlich konstanten Wert reduziert, der durch Kurve B der Fig. 3C wiedergegeben wird. Es sei nochmals angenommen, daß keine Schicht 26 vorhanden ist; die ungünstige Kennlinie für die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Spannung zwischen Kollektor und Basis wird durch Kurve A der Flg. 3D dargestellt. Ist jedoch die Schicht 26 vorhanden, so ergibt sich die verbesserte Kennlinie, wie sie durch kurve B von Fig. 3D dargestellt wird, was darauf hinweist, daß die Durchschlagsspannung bei Vorspannung der Kollektor-Basis-Strecke in Sperrichtung wesentlich erhöht 1st. Auf diese Weise bewirkt die Temperatur-FeId-Behandlung eine bleibende dreifache Verbesserung der elektrischen Kennlinien des NPN-Transistors der Fig. 3A.
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Beschreibung des Feldeffekt-Tranaistors der Pig. 4A
Fig. 4A zeigt einen Feldeffekt-Transistor 40 mit iaolierter Steuer- . elektrode, welcher entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung behandelt wurde. Dieser Transistor umfaßt einen P-leitenden Halbleitergrundkörper 41 aus Silizium« in Abständen angebrachte zweite und dritte Zonen 42 und 43 vom N-Leitfähigkeitstyp, die im Hauptkörper 40 eingebettet sind, und mit diesen die PN-Übergänge 44 und 45 bilden. Die verschiedenen Zonen besitzen eine koplanare Oberfläche 46, an welche Teilbereiche der übergänge 44 und 45 angrenzen. In bekannter Weise sind Quellen- und Senkenzuleitungen-47 und 48 ah den Zonen 42 und 43 angebracht. Eine Passivierungsschicht 49, die aus Siliziumdioxyd oder aus Glas des obengenannten Typs sein kann, bedeokt zumindestens die. Teile der Oberfläche 46, an die die übergänge angrenzen bzw. einmünden. Eine flächenhafte Steuerelektrode wird in bekannter Weise van die Schicht 49 angelegt und erstreckt sich zwiachen den übergängen 44 und 45. Um ein negatives Vorspannen der Steuerelektrode in bezug auf den Halbleiterkörper 41 während der Temperatur-Feld-Behandlung zu ermöglichen, wird eine Elektrode 51 an der unteren Fläche des Körpers angebracht. Die Herstellung des Transistors geschieht auf die Weise, das eine N-leitende Inversionsschicht 52 auf der Oberfläche des P-leitenden Körpers 41 zwischen der N-leitenden Zone 42 und 43 gebildet wird. Hierdurch ergibt sich ein Stromweg zwischen der Quelle und der Senke. Danach befindet sich der Feldeffekt-Transistor normalerweise im EIN-Zustand, sofern die Temperatur-Feld-Behandlung nach der Lehre der vorliegenden Erfindung nicht angewandt wird.
909825/0752 C0PY ·
Durch die Temperatur-Feld-Behandlung mit gegenüber dem Halbleitergrundkörper 41. negativ vorgespannter Steuerelektrode ist es möglich, das Oberflächenpotential dieses Teiles des Halbleiterkörpers 41 zwischen den N-Zonen 42 und 43 zu verändern und die N-Inversionsschicht 52, die einen Stromkanal zwischen den Zonen 42 und 4j5 darstellt, wirksam zu unterbrechen oder zu entfernen. Dies verwandelt den Feldeffekt-Transistor -40 mit isolierter Steuerelektrode in ein Verstärkerelement, das normalerweise im AUS-Zuetand ist. Beim anschließenden Betrieb kann ein an die Steuerelektrode angelegtes positives Signal verwendet werden, um einen N-leitenden Kanal zwischen den Zonen 42 und 43 zu bilden und um die Leitfähigkeit dieses Kanals gemäß der Amplitude dieses Signals zu modulieren. Kurve A von Fig. 4B entspricht der Kennlinie des Transistors (die Spannung zwischen den Quelle- und Senken-Anschlüssen beträgt 5 V) vor der Temperatur-Feld-Behandlung, während die Kurve B die entsprechende Kennlinie für den normalerweise im AUS-Zustand -befindlichen Transistor darstellt, der durch die Temperatur-PeId-Behandlung gebildet wurde.
Beschreibung des Halbleiter-Kondensators von PiK. 5A
Fig. 5Λ zeigt einen spannungsempfindlichen Kondensator, der nach der Lehre der Erfindung behandelt wurde. Er umfaßt einen HalDleitergrundkörper 53, von welchem hier angenommen sei, daß er aus P-leitendem Silizium bestehe, mit einer Schicht 54 aus Slliziumdioxyd oder Glas neben einem Oberflächenteil dieses Körpers. Das Glas kann von dem oben erwähnten Typ oder eine bei Temperaturen überhalb von 150°C stabile ßlaa- * sorte sein. BIe tftlumi nium-Bor silikat und Zink-Aluminium-Boreilikatglaa haben sich für die Schicht 54 zufriedenstellend erwiesen. Ein Blei-Aluminium-Bor al likatglaa, das eine gute Stabilität aufweist und für COPY
diesen Zweck verwendet werden kann, enthält 56,8 j6 PbO, 3,9 % Al0O5, 10,7 % BgO, und 28,6 % SlO2. Ein Zlnk-Aluminium-Borsllikatglas, welches eine höhere Temperaturstabilität zeigt und in Schicht 54 verwendet werden kann, umfaßt 4,5 $> Al0O,, 26,5 % Bo0_, 10,1 % SiO0 und 58,9 % ZnO. Der Halbleiterkörper kann z.B. etwa 1,5 . 10 cm dick sein und einen spezifischen Widerstand von 2 bis 5,5Jb" cm besitzen. Siliziumkörper mit höherem spezifischem Widerstand liefern spannungsempfindliche Kondensatoren, die bei gleichen Steuerspannungen größere KapazitHtsschwankungen aufweisen. Besteht die Schicht 5% aus Siliziumdioxyd, kann sie eine Stärke von einigen tausend Angstrom, z.B. 2 000
ο
bis 5 000 AE besitzen, ist sie aus Glas, kann ihre Stärke von der
Größenordnung von etwa 5 000 AE sein. Die Stärke der Schicht 54 bestimmt die Kapazität und den erzielbaren Bereich der Kapazitätsvariation. Eine erste Elektrode 55 wird in bekannter Weise an der Schicht 54 angebracht, während eine zweite Elektrode 56 an den Halbleiterkörper 53 angelegt wird.
Es sei nun angenommen, daß der*Kondensator von Fig. 5A einen P-Ieitenden Körper 53 aus Silizium umfaßt sowie eine darauf befindliche Silizlumdioxydschicht 54. Wird keine Temperatur-Vorspannungebehandlung vorgenommen, so kann der Kondensator eine Kennlinie für den Zusammenhang zwischen Kapazität und Spannung haben, die der Kurve Ap der Fig. 5B entspricht. Ein solcher Kondensator spricht nur auf negative Span* nung über seinen Nutzbereich an, was dem abwärtsverlaufenden Teil der Kurve Ap entspricht. Die Temperatur-Feld-Behandlung nach der Lehre der Erfindung hat die Wirkung, daß diese Kennlinie nach rechts verschoben wird, was der Kurve Bp entspricht. Während dieser Behandlung wird die Elektrode 55 in bezug auf den Körper 53 negativ vorgespannt.
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Der Kondensator kann nun sowohl auf positive als auch auf negative Werte einer Steuerspannung ansprechen, die sich um Null Volt bewegt, was für roanche Anwendungen erwünscht sein kann.
Ee wurde als Beispiel der Fall beschrieben« in welchem die Kapazität s-Verlagerung in die Richtung positiver Spannung erfolgt. Durch -das Anlegen einer positiven Spannung an die Elektrode 55 während der Temperatur-Feld-Behandlung ist es jedoch ebenfalls möglich, die Kurven in die Richtung der negativen Spannung zu verschieben. Dies kann im Falle einiger Anwendungen erwünscht sein.
Es sei nun angenommen, daß der N-Halbleiterhauptkörper 5> des Kondensators N-leltend ist und eine Siliziumdioxydschicht 54 besitzt. Die unterbrochenen Kurven An und Bn stellen in diesem Falle die Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung für das Bauelement der Fig. 5A dar, und zwar vor und nach der Temperatur-Feld-Behandlung nach der Lehre der Erfindung.
Besteht die Schicht $4 aus Glas und der Halbleiterkörper 53 dee Kondensators aus P-Ieitendem Silizium, so hat der Kondensator vor der . Temperatur-Vorspannungsbehandlung die Kennlinie für Kapazltätsspannung, wie sie von Kurve Ap der Fig. SC dargestellt wird. Nach der Temperatur-Feld-Behandlung entspricht die Kennlinie der Kurve Bp, ist also nach rechts verschoben um einen Betrag, der wesentlich größer ist, als derjenige, der unter sonst gleichen Bedingungen mit einer Siliziumdioxydschicht unter der Elektrode 55 erreichbar ist. Der so modifizierter Kondensator spricht auf positive Werte der Steuerspannung an. 809825/0752
Besteht die Schicht 54 aua Glas und der Halbleiterkörper 55 des Kondensators aus N-leitendem Silizium, kann die Kennlinie der Kapazität svariat ion für die entsprechenden Bedingungen vor und nach der Temperatur-FeId-Behändlung ebenfalls durch die unterbrochenen Kurven An und B dargestellt werden. Wiederum entsteht durch die Behandlung eine starke Verschiebung in der Richtung der positiven Spannung, und diese Verschiebung ist wesentlich größer als die, welche erzielt werden kann, wenn die Schicht 54 aus Siliziumdioxyd besteht. ■ ■
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Claims (9)

  1. Docket, 14 110
    15.. Juni si-itn
    Pa t e η t a η s ρ r ii c h e
    Verfahren zur Verbesserung von mindestens einem Betriebsparameter eines Halbleiterbauelementes vom Planartyp, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit einer inerten Schutzschicht bedeckten Oberfläche des Bauelementes eine Hilfselektrode (20) derart aufgebracht wird, daß sie insbesondere die an die Oberfläche angrenzenden bzw. in diese einmündenden Teilbereiche der Übergänge (14, 3>0) des zu behandelnden Halbleiterbauelementes überdeckt, daß diese Hilfselektrode mittels einer Spannungsquelle gegenüber dem Halbleiterhauptkörper vorgespannt wird und daß das gesamte Bauelement mit dem so zwischen Halbleiterhauptkörper und der Hilfsanode erzeugten elektrischen Feld etwa eine Stunde lang einer Temperatur ausgesetzt wird, die wesentlich höher als die zu erwartende Betriebstemperatur des Bauelementes ist und daß schließlich eine Abkühlung des Bauelementes auf eine Temperatur erfolgt, die höchstens unterhalb der zu erwartenden Betriebstemperatur liegt .
    9825/0752
    jtiiii1
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (20) gegenüber dem P-leitenden Halbleiterhauptkörper (12) positiv vorgespannt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (20) gegenüber dem N-leitenden Halbleiterhauptkörper (12) negativ vorgespannt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem der Ansprüche 2 oder j5, dadurch gekennzeichnet, daß die passivierende Schicht aus Siliziumdioxyd besteht,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 sowie einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die passivierende Schicht aus Glas besteht,
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einem Feldeffekttransistor.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einem Halbleiterkondensator.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1/ 2 und J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsanode (20) eine ringförmige Geometrie aufweist.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 und j5»daduroh gekennzeichnet, daß das elektrische Feld zwischen Hilfsanode (20) und Halbleiter hauptkörper (12) auch während der Kühlperiode aufrechterhalten
    Leerseite
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