DE1539070A1 - Halbleiteranordnungen mit kleinen Oberflaechenstroemen - Google Patents

Halbleiteranordnungen mit kleinen Oberflaechenstroemen

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DE1539070A1 DE1965W0038407 DEW0038407A DE1539070A1 DE 1539070 A1 DE1539070 A1 DE 1539070A1 DE 1965W0038407 DE1965W0038407 DE 1965W0038407 DE W0038407 A DEW0038407 A DE W0038407A DE 1539070 A1 DE1539070 A1 DE 1539070A1
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Description

Patentanwälte' "^
Dipl. [Jig. R»taann,. Dr. ing. A. Beckmann
Dipf. k$ )ΐν:Αϊ"&η, N?l F.Syi?. Cr.X. fjncke
2 Louisa 27, k^Lt. ;.5ΰ 22
Dr. Expl.
WESTIFGHOUSE EEEOTRIG CORPORATION, Pittsburgh, Pa. 15235, USA
Halbleiteranordnungen mit kleinen Oberflachens'trömen,
Die Erfindung betrifft elektrische Halbleiteranordnungen und ins- ^P besondere unipolare und bipolare Transistoren, deren Oberflächen to zum Schutz ihrer Übergänge mit einer Isolierschicht überzogen sind, is> die zur Bildung einer von der Isolierschicht bedeckten Inversions- >^ schicht führt.
o.
-^ Bei einem überwiegendem Teil von Halbleiteranordnungen müssen die ο
in entgegengesetzter Richtung eines p-n-Überganges fließenden Ober-
flächenströme auf ein Minimum herabgesetzt sein. Diese Forderung gilt insbesondere für einen unipolaren Transistor mit für gewöhnlich niedrigem Steuerstrom. Die Bildung der Oberflächenströme ist u.a. auf die Anwesenheit einer Inversionsschicht (oder eines Kanals) zurückzuführen, die sich bedeckt von einer zum Schütze der Anordnung dienenden Isolierstoffschicht auf der Oberfläche des Halbleiters ausbildet.
Es wurde beobachtet, daß sich bei halbleitenden Materialien, z.B. aus Silizium unterhalb einer Siliziumdioxidschicht, eine aus Elektronen bestehende Inversionsschicht ausbildet, Die zu dieser Inversionsschicht führenden Ursachen sind nicht in allen Einzelheiten bekanntr Die Inversionsschicht führt zur unerwünschten Bildung von Oberflächenströmen an den Übergängen.
Ein weiterer Nachteil der bereits bekannten Halbleiteranordnungen besteht darin, daß die Leitfähigkeit des halbleitenden Materials durch radioaktive Bestrahlung erheblich geändert wird und die Anordnungen daher nicht einwandfrei arbeiten können. Dieser Nachteil tritt insbesondere bei ihrer Verwendung in Satelliten oder sonstigen für die WeItraumforsellung dienenden Einrichtungen auf, bei denen die übliche Abschirmung der elektronischen Bauelemente nicht anwendbar ist.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine mit einer zum Schütze der Oberfläche mit einer Isolierstoffschicht versehene Halbleiteranordnung zu schaffen, bei der die an den ρ-n-Übergangen auftretenden Oberflächenströme auf ein Minimum herabgesetzt sind. '
Bei einer elektrischen Halbleiteranordnung mit Bereichen entgegengesetzt gerichteten elektrischen Leitungstyps, zwischen denen ein mit seinem einen Bereich an die eine Oberfläche der Anordnung angrenzender p-n-tibergang ausgebildet ist, und mit einer auf diese Oberfläche aufgebrachten und zumindest an der Stelle dieses Überganges diese Oberfläche bedeckenden elektrisch isolierenden Schutzschicht, sowie mit einem auf diese Fläche aufgebrachten und mit dem einen Bereich'in nicht gleichrichtender Wirkung stehenden Kontakt,
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ist zur Vermeidung bzw. Herabsetzung, von an diesem Übergang auftretender Oberflächenströme gemäß der Erfindung die Isolierstoffschicht mit einer im Bereich des ρ-n-überganges elektrisch leitenden Schicht bedeckt, die mit dem vorerwähnten und als Elektrode dienenden Eontakt in elektrisch leitender Verbindung steht.
Bei einer mit einer Siliziumdioxidschutzschicht überzogenen.Anordnung ist die Inversionsschicht vom η-Typ. In Übereinstimmung mit1 der vorliegenden Erfindung strebt man daher die Verbindung des größtnegativen Kontaktes, z.B. des Ausgangskontaktes bei einem n- auf p- Field-Effect-Transistor, mit dem Kontakt an, der die · passive Schicht im Bereich des Überganges bedeckt. Der erfindungsgemäße Vorschlag ist auf bipolare Transistoren anwendbar. Eine insbesondere gegen radioaktive Bestrahlung geschützte Anordnung wird geschaffen, wenn im Bereich der Übergänge ein strahlenabschirmendes Kontaktmaterial die passive Schicht bedeckt.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Darin zeigt:
Figur 1 eine Ansicht eines unipolaren Transistors der bekannten Art.
Figur 2 einen Schnitt gemäß der Linie II - II in Figur 1
Figur 5 eine Ansicht eines unipolaren Transistors gemäß der Erfindung
Figur 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV - IV in Figur 3
Figur 5 einen schnitt durch einen bipolaren Transistor gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen unipolaren Transistor mit einem Substrat 10 aus halbleitendem Material vom η-Typ dessen einer Bereich 12 mittels Diffusion als p-i'yp ausgebildet ist. Ein weiterer Bereich 14 vom n-Typ, der ebenfalls durch Diffusion gebildet sein kann und ringähnlic'
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Abmessungen aufweist, ist im Bereich 12 angeordnet. Auf Grund seines relativ hohen Grades der Unreinheit ist der Bereich 14 vom n+-Typ. Zwischen den Bereichen 12 und 14 ist ein p-n-tibergang 11 ausgebildet, dessen Enden sich zu einer ebenen Oberfläche 15 j der Anordnung erstrecken. Die zum Betrieb der Anordnung dienenden elektrischen Kontaktanschlüsse sind auf die Fläohe 15 aufgebracht. Die Kontaktanschlüsse umfassen zwei auf den Bereich 12 vom p-Typ aufgebrachte ohmsche Kontakte 15 und 16 und einen auf dem Bereich 14 vom η-Typ angeordneten ohmschen Kontakt 17· Die zum Bereich vom ρ-Typ führenden elektrischen Stromanschlußelemente. 15 und 16 dienen zur Stromzufuhr und Ableitung. Das zum Bereich 14 ■ vom η-Typ führende Anschlußelement 17 dient zur Steuerung der Anordnung.
Gemäß d.en Figuren 1 und 2 herrscht beim Betrieb dieser Anordnung' zwischen den ohmsohen Kontakten 15 und 16 eine Potentialdifferenz. Der Kontakt 15 ist über eine elektrische leitung 25 geerdet. An den Kontakt 16 let über eine elektrische Leitung 26 ein Potential angelegt, Über tine elektrische Leitung 27 wird der Kontakt 17 auf ein geeignetes Potential gelegt. Hierdurch wird am Übergang 11 eine Verarmungsschicht geschaffen, die nach Art der bekannten Betriebswelse eines Field-Effect-Transietors zur Modulation des zwischen den ohmsohen Kontakten 15 und 16 fließenden elektrischen stromes dient. Das an den Kontakt 17 angelegte Potential ist normalerweise gleich dem Potential der Spannungsquelle oder gegenüber diesem Potential positiv. Die Figur 2 zeigt eine in Figur 1 der Einfachheit halber' nioht dargestellte schicht 20, welche die oberfläche der Anordnung, ausgenommen an den Stellen vollständig bedeckt, an denen die ohmschen Kontakte 15f 16 und 17 mit dem halbleitendem Material in; leitender Verbindung stehen. Die Schicht 20 dient insbesondere in Nähe der pn-Übergänge zum Schutz des halbleitenden Materials vor Feuchtigkeit und anderen schädlichen Unreinheiten. Hierbei tritt der Fall ein, daß sich unter einer solchen passiven Schutzschicht, wie z.B. der als Inversions Schicht bekannten Siliziumdioxidsohicht, im halbleitenden -,
Material vom p-Typ eine Oberflächenschicht 18 mit einer derartigen Elektronenkonzentration bildet, die ,größer ist als jene der unrein- ' heiten des Bereiches vom p-Typ. Tatsache 1st somit, daß die gesamte Oberfläche des p-Typ-Bereiches 12 mit einer dünnen Schicht vom η-ϊνρ
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Of»AL INSPECTED
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"bedeckt ist. Die Inversionsschicht 18 wirkt demgemäß als Kurzschluß des über gange β 11, so daß bei Betrieb des Überganges 11 in Sperrrichtung, was bei einem unipolaren Transistor bei Ent- -nähme geringer Ströme die' libliche Betriebsweise ist, zwischen den Kontakten 16 und 17 und dem Bereich 12 vom ρ-Typ und dem Kontakt 17 und dem Bereich 14 ein leitender Weg besteht. Bei einer Anordnung dieser Art sind Oberflächenströme unerwünscht, da ihre Anwendung auf dem Gebiet liegt, in dem hohe Impedanz gefordert wird..Bei unipolaren Anordnungen wird ein in Sperrrichtung betriebener und mit niedrigen Oberflächenströmen behafteter Übergang 9 in dem Substrat 10 angestrebt. Das Substrat wird daher üblicherweise mit dem Steuerkontakt verbunden oder in sonstiger geeigneter Weise auf entsprechendes Potential gebracht. Die Inversionsschicht 18 beeinträchtigt die Eigenschaften des Überganges 9.
Die zur Bildung der Inversionsschicht führenden Ursachen sind nicht restlos geklärt. Man nimmt an, daß die Bildung der Inversionsschicht auf die Ansammlung von positiven Ladungen in der Schicht 20 zurückzuführen ist. Dieser Effekt wurde insbesondere bei Anordnungen beobachtet, deren passive Schicht 20 aus Siliziumdioxid besteht, d.h.. einer schicht, die durch thermische Oxydation, anodische Behandlung der halbleitenden Oberfläche, oder Niederschlag gebildet worden ist. Die inversionsschicht wird in den Fällen vermieden, in denen die Konzentration der Oberflächenverunreinigung im Bereich des p-Typs so hoch ist, daß ein Flächenwiderstand von weniger als ca. 0,1 ohm/cm erhalten wird. Diesem Wert des ohmschen Flächenwiderstandes entspricht eine Verunreinigung vom etwa 2x10 Atomen/cm5. Mit Rücksicht auf andere elektrische Eigenschaften, wie z.B. der Durchschlagspannung oder' bei gleichzeitiger Herstellung von unipolaren und bipolaren Transistoren der Stromverstärkung, ist es häufig erwünscht, den Bereich des p-Typs nicht zu sehr zu dotieren. .'-.'..
Neben dem bereits vorerwähnten Siliziumdioxid können auch Bleioxide und sonstige passive Materialien als Inversionssohichten verwendet werden. Eine Inversionsschicht einer positiven elektrischen Ladung kann auch in einem Material vom η-Typ auftreten» Die .vorliegende.Erfindung befaßt- sich somit im weitesten Sinne mit der Vermeidung von ·'Inversions schicht en. in halbleitendem Material, das von einer passiven Schicht bedeckt ist. - ■
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ORIGINAL INSPECTED
j Das Auftreten einer Inversionsschicht ist häufig nicht vorherseh- '■ bar, das heißt., daß man selbst bei einem bestimmten Herstellungsverfahren nicht mit Sicherheit vorhersagen kann, ob dieses Verfahren zur Schaffung einer Inversionsschicht führt oder nicht. Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die Bildung einer Inversionsschicht in denkbar einfacher und wenig aufwendiger Weise zu vermeiden, wobei störende Nebenerscheinungen unterbunden werden sollen. Ein weiterer Uachteil der vorbekannten Anordnungen, der durch die vorliegende Erfindung verbessert werden soll, besteht darin, daß die ansonsten mit großem Erfolg die Beschädigung des halbleitenden Materials durch jPremdatome vermeidende Schicht 20 das halbleitende Material gegen die schädlichen Auswirkungen einer Bestrahlung nur wenig schützt. Eine Bestrahlung der Anordnung erfolgt beispielsweise durch kosmische Strahlen oder wenn die Anordnung z.B.» in der Nähe eines Reaktors arbeitet.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Anordnung, welche die vorerwähnten Nachteile ausschließt.. Der dargestellte unipolare i'ransistor weist ein Substrat 28 vom n-Typ auf, in das ein, mit einem η-Typ Bereich 32 versehener Bereich 30 eines p-Typs eindiffundiert ist. Darüber hinaus sind mit elektrischen Leitungen 44, 45 bzw. 46 versehene ohmsche Eontakte 34, 35 bzw. 46 aufgebracht, die als Stromzuführungssowie Entnahme und Steuerelektroden dienen. Der Bereich 32 vom n-Typ bildet mit dem Bereich 30 einen p-n-t/bergang 31· Ausgenommen die mit Kontakten versehenen Bereiche, wird gemäß Figur 4 die gesamte Halbleiteranordnung von einer Schutzschicht 40 bedeckt. Diese Anordnung entspricht dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2. Darüber hinaus weist diese Anordnung eine leitende schicht 37 auf, die im Bereich des ρ-n-tJberganges 31 und des vom Bereich 30 mit dem Substrat 28 gebildeten ρ-n-Überganges 29 auf die Oberfläche der Schicht 40 aufgebracht ist. Die leitende Schicht 37 verhindert die Ausbildung einer Inversionsschicht an der Stelle des Überganges 31. Die beim Betrieb der Anordnung an negatives potential angelegte Schicht 37 ist nämlich mit der halbleitenden Oberfläche kapazitiv gekoppelt, wodurch die im Bereich des Überganges 31 angesammelten Elektronen abgeführt werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet das leitende Element 37 einen integralen Bestandteil des Kontaktes 35, der als Ausgang des unipolaren Transistors und damit des Bereiches dient, an den das größte negative Potential angelegt wird.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen einen n+-Bereieh 53» der als Teil des Steuerbereiche'B 32 -ausgebildet ist und dieeen mit dem mit dem Kontakt. 36 versehenen Träger 28 verfeindet. Dementsprechend ist der KanaTbereich ~bzw. Bereich 30 vom p-Typ in wirksamer Weise von einem Steuerbereich umschlossen. Bei dem in den Jiguren > und 4 dargestellten AusführungsTaei spiel nach der Erfindung wird somit die Bildung einer Inversionsschicht durch den Teil 37 dee Kontaktes 35 unterbunden,. Der al« Stromanschluß dienende Kontakt 34 kann in gleicher Weise verwendet "werden, da auch dieser Kontakt gegenüber .dem Steuerkontakt 36 negatives Potential hat. Vorzugsweise wird der Kontakt verwendet, der das höchste Potential tier entsprechenden Polarität aufweist. Beim Aus^ührungsDeispiel.nach den Figuren 3 und 4 ist dies der Kontakt 35.
Zur Herstellung der erfindungsgemaßen Anordnung kann eines der an sich "bekannten Herstellungsverfahren dienen. Beispielsweise ist «s in den Fällen, in denen die Kontakte durch Aufdampfen eines Metalls unter anschließender Legierungsbildung hergestellt werden, zweckmäßig, daß das leitende Element nach Anordnung der passiven Schicht 40 aufgebracht wird. Üblicherweise werden bei der Herstellung halbleitender integrierter Schaltungen, die im halbleitenden Material erforderlichen Bereiche durch Diffusionsverfahren und epitaxiales Aufwachsen hergestellt. Die zu kontaktierenden Bereiche des halbleitenden Materials werden mittels einer mit Öffnungen entsprechend der zu bildenden Kontakte versehenen Oxidmaske aufgebracht. Im gleichen" Arbeitsgang mit dem diese Bereiche aufgebracht werden, v/erden zur leitenden Verbindung zweier Elemente der Anordnung über die Oxidmaske leitende Verbindungen aufgebracht. Gleichzeitig kann das zum Schutz des Überganges des unipolaren Transistors dienende Element 37 aufgebracht werden. Gemäß der Erfindung können mannigfaltige Anordnungen gewählt werden, deren Übergänge in erfindungsgemäßer Weise vor der Ausbildung von Inversionsschichten geschützt sind. Hinsichtlich der Vermeidung der Inversionsschicht werden an das Material des Kontaktes 37 keine besonderen Forderungen gestellt. Der Kontakt muß lediglich elektrisch leitend sein und kann, wie dies beispielsweise, bei der Herstellung von integrierten Schaltungen üblich ist,"aus Aluminium gefertigt -werden. Um die Auswirkungen einer evtl* radioaktiven Bestrahlung der' Kontakte zu vermeiden, empfiehlt es sich jedoch als Kontaktmaterial'
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ein gegen Bestrahlung unempfindliches Material, wie z.B. Blei zu verwenden. Dieses Material kann auf das, aus einem anderen Material, wie z.B. Aluminium oder Nickel bestehende Kontaktgliedaufgebracht werden. Selbstverständlich kann zur Vermeidung einer schädlichen Beeinflussung der Anordnung durch radioaktive Strahlen auch ein die Anordnung umgebender Schutzschirm vorgesehen werden. Durch diese Maßnahme wird jedoch das Gewicht der Anordnung erheblich heraufgesetzt und zudem die Anordnung wesentlich verteuert. Wenn der Kontakt 57 jeden Übergang wenigstens in einer Trägerdiffusionslänge beiderseits jedes Überganges bedeckt, 00 wird eine in hohem Grade gegen radioaktive Bestrahlung unempfindliche Anordnung geschaffen.
Bei dem in Figur 5 dargestellten bipolaren Transistor, soll gemäß der Erfindung die Stromverstärkung dadurch verbessert werden, daß man die Ausbildung einer Inversionsschicht über dem Emitter-Basis-Übergang unterbindet. Das Material des Trägers 50 ist vom n-Typ und weist Bereiche 52 und 54 wechselnder Halbleitereigenschaften auf, die nacheinander in das Trägermaterial eingelagert sind. Zwischen dem Bereich 52 und dem Träger 50, sowie· dem Bereich 54 und dem Bereich 52 sind p-n-Übergänge 51 und 55 gegeben. Zum Betrieb des..bipolaren Transistors sind die Bereiche 54, 52 und 50 mit entsprechenden ohmschen Kontakten 56, 57 132W. 58 versehen. Gemäß der Erfindung weist der zum Emitterbereich.54 führende Kontakt einen Bereich auf, der eine Schutzschicht 60 im-Bereich des p-n-Überganges 53 bedeckt. Insbesondere bei niedrigen strömen' wird bei einem n-p-n-Transistor bei Anwesenheit einer Inversionsschicht auf der Oberfläche des Basisbereiches, die Stromverstärkung infolge des Shunt effekt es der Inversionsschicht auf, einen entsprechend geringen Wert herabgedrückt. Durch die Vermeidung der Inversionsschicht wird die Stromverstärkung erheblich erhöht, ohne daß eine aufwendige Umgestaltung" der Anordnung erforderlich ist. Ζ'.''
Wenngleich die Erfindung anhand der Herabsetzung der Oberflächenströme in. einem unipolaren Transistor und der Erhöhung der Stromverstärkung in bipolaren Transistoren beschrieben worden ist, so sei" an dieser Stelle darauf hingetiesen, daß die Erfindung für die passivierung jeglicher p-n-Übergänge geeignet ist. Zur Erzielung
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,der größtmöglichen Wirkung beispielsweise einer einfachen An-, Ordnung, wie sie in den Figuren dargestellt ist, oder in einer integrierten Schaltung, deren einer Teil als unipolarer Transistor, bipolarer Transistor, Diode, Kondensator, Widerstand usw. ausgebildet ist, kann die Anordnung so gestaltet sein, daß jeder Übergang in der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Weise geschützt ist; d.h. daß benachbart zu dem jeweiligen Übergang über der passiven Schicht ein leitendes Element vorgesehen ist, das mit einem der ohmschen Kontakte in leitender Verbindung steht und über diesen Kontakt auf ein potential gebracht wird, das die Bildung einer Inversionsschicht verhindert.
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Claims (9)

1Q- ■ Patentansprüche;
1.) Elektrische Halbleiteranordnung mit Bereichen entgegengesetzt gerichteten elektrischen Leitungstyps, zwischen denen ein mit seinem einem Bereich an die eine Oberfläche der Anordnung angrenzender pjjn-Übergang ausgebildet ist, und mit einer auf diese Oberfläche aufgebrachten und zumindest an der Stelle des p-n-überganges diese Oberfläche bedeckenden elektrisch isolierenden Schutzschicht, sowie mit einem auf diese Fläche aufgebrachten und mit dem einen Bereich in nicht gleichrichtender Wirkung stehenden Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung bzw. Herabsetzung von Oberflächenströmen die Isolierstoffschicht (40 bzw» 6o) im Bereich k des p-n-überganges mit einer elektrisch leitenden Schicht (37 bzw. 56) bedeckt ist, die mit dem als Elektrodenanschluß dienenden Kontakt in elektrisch leitender Verbindung steht.
2.) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ,» daß die Bereiche entgegengesetzt gerichteten Leitungstyps vom pj bzw. n-Leitungstyp sind und als Kanal- bzw. Steuerbereich des Field-Effect-Transistors dienen.
3.) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, die mit der auf die Isolierschicht aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht in leitender Verbindung steht, W als Ausgangselektrode dient,
4.) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine der Stromzufuhr dienende Elektrode, die auf die entsprechende eine Oberfläche der Anordnung aufgebracht ist und mit dem Bereich vom p-Leitungstyp in nicht gleichrichtendem Kontakt steht.
5.) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine auf die entsprechende eine Oberfläche der Anordnung aufgebrachte Steuerelektrode, die mit dem Bereich vom n-Leitungstyp in nicht gleichrichtendem Kontakt steht.
6.) Halbleiteranordnung eines Transistortyps mit bipolarem übergang,
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wobei der Bereich vom n- bzw, p-Leitungstyp als Emitter= bzw. Basisbereich und die Ausgangselektrode als Emitterelektrode des Transistors dient, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die entsprechende eine Oberfläche der Anordnung eine Basiselektrode aufgebracht ist, die mit dem Bereich vom p-Leitungstyp in nicht gleichrichtendem Kontakt steht, und daß eine auf diese Fläche aufgebrachte Kollektorelektrode vorgesehen ist, die mit einem weiteren Bereich dieses Leitungstyps in nicht gleichrichtendem Kontakt steht, so daß zwischen diesem Bereich und dem Bereich vom p-Leitungstyp ein zweiter ρ-n-Übergang entsteht,
7,) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht.zum Schutz der Anordnung λ gegen radioaktive Bestrahlung aus einem im wesentlichen strahlenabschirmenden Material besteht.
8«) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, ausgenommen die von den Elektroden bedeckten Bereiche, mit einer Isolierstoffschieht bedeckt ist.
9.) Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Silizium und die Isolierstoffschieht aus Siliziumdioxid besteht.
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