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Verfahren zur Verbesserunz der elektrischen Eigenschaften von Halbleiteranordnunzen
mit Isolierschicht Die,Erfindung bezieht sich auf Halbleiter bzw. Halbleiter-Bauelemente
mit Oberflächen-Isolierschicht, deren elektrische Eipzenschaften durch die Erfindun7-
verbessert werden sollen.
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Zur Stabilisierung der Eigenschaften von fialbleiterelementen ist
es allgemein üblich, die Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer elektrisch
und chemisch stabilen isolierenden Schutzschicht zu überziehen* So werden beispielsweise
die elektrischen Eigenschaften und die Betriebsdauer einen sogenannten Planar-Transistors,
bei dem alle Enden (bzw. Durchstoßkanten zur-Oberfläche) der #n-Übergänge ,in einer
gemeinsamen Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrates liemen, dadurch verbessert,
daM alle diese Randzonen der pn-Übergänf.re durch eine Siliziumoxydochicht geschützt
werden.
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Derartige Siliziumoxyd-Deckschichten werden üblicherweise therwisch
durch Aufheizen des Siliziumsubstrates In oxydierender Atmosphäre gebildet. Eine
Siliziumoxydschicht kann aber auch auf
der Oberfläche von anderen
Halbleitermaterialien durch pyrolythisehe Zersetzung von Organooxysilanen erzeugt
werden.
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Eine solche Abschirmung der Randzonen der pn-Ubergänge durch eine
Isolierschicht ist auch In einigen Fällen bei Germanium- Halbleiterbauelement en
anwendbar, sie ist jedoch besonders wirkungsvoll bei Halbleiter-Bauelementen auf
der Basis von Silizium, und zwar nicht nur, weil die Siliiiumoxydschicht auf der
Oberfläche eines Siliziumsubstrates relativ einfach erzeugt werden kann, sondern
weil sie sozar gebildet werden muß, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Silizium neigt zur Oxydation und seine Oxydschicht ist chemisch stabiler
als eine auf der Oberfläche von Germanium gebildete Oxydschicht. Eine feste, durch
Wärmebehandlung in oxydierender Atmosphäre hergestellte,-Siliziumoxydschicht einer
Dicke von etwa 0,1 bis 1,0 /u wird als Maskierung oder Abdeckschicht
für das selektive Eindiffundieren von Fremdatomen gebraucht.
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Obgleich sich die nachfolgende Beschreibung auf eine Silizium-Halbleiteranordnung
bezieht, die als Beispiel gewählt wurde, sollte beachtet werden, daß die Erfindung
auch auf andere Halbleiter, wie Germanium oder Halbleiter auf der Basis intermetallischer
Verbindungen-anwendbar Ist.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, ist die Bildung einer Isolierschicht,
wie eines Siliziumdioxydfilms, auf der Oberfläche eines
Siliziumsubstr'ate's
bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen aus Silizium unerläßlich für die
Verbesserung der elektrischen Eigenschaften, obgleich die-Bildung einer solchen
Isolierschicht auch gewisse Nachteile hatg wie allgemein bekannt ist.
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Wenn eine Isolierschicht, wie ein Siliziumdioxydfilm, auf der Oberfläche
eines Siliziumsubstrates gebildet wird, nimmt die scheinbare bzw. effektive Donator-Störstellenkonzentration
an der Oberfläche bzw. in dem unter der Schutzschicht liegenden Oberflächenbereich
des Substrates zu und wenn das Substrat beispielsweise p-leitend ist und einen hohen
spezifischen Widerstand hat, wird der Leitfähigkeitstyp In dieser Oberflächenschicht
-umgekehrt und die Substratgrenzschicht n-leitend, mit-dem-Ergebnis, daß die Durchbruchsspannung
einer pn-Sperrschicht ab- und gleichzeitig der Sperrstrom zunimmt oder alternativ
der Stromverstärkungsfaktor unter dem erwarteten Wert liegt.
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Es wird angenommeno daß die Umkehr des Leitfähigkeitstyps bei
der unter de - r Isollerschicht lieszenden Oberflächenschicht oder das sogenannte
"Channel-Phänomen" daher rührt, daß eine' geringe Menge -positiver Ladungen innerhalb
der Isollerschicht, d.h. im Siliziumdioxyd vorhandene Ionen, wie belspielsweise
Natriumionen (Na + ). durch den Oberflächenzustand bedingte positive Ladungen
od.dgl., entgegengesetzte Ladungen in der Oberflächen- oder Grenzschicht des Siliziumsubstrates
Induzieren.
Es wurde aber auch bereits versucht, dieses "Channel-Phänomen"
positiv auszunutzen. Ein typisches Beispiel dafür ist der Oberflächen-Feldeffekt-Transistor
vom Verarmungstyp bzw. der sogenannte Metall-Oxyd-Silizium-Tranststor (MOS-Transistor)
mit n-Kanal.
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Auch ein solcher n-Kanal MOS-Transistor hat in der Weise Nachteile,
daß die an das Isolierte Tor anzulegende Spannung zur Unterdrückung des Kanalstromesq
d.h. die Schwellenspannung, zu ho.ch oder.die Kurzschlußteilheit (mutual condutance
under a large current condition) Infolge der zu starken Umkehr bzw. Konversion an
der Oberflächen- bzw. "Channel-bohicht" klein ist. Primäres Ziel der Erfindung Ist
daher die Einstellung der scheinbar bzw. effektiv unter dem Einfluß einer Isolierschicht
veränderten Donator- oder Akzeptor-StÖrstellenkonzentration in der direkt unter
der Isolierschicht liegenden Halbleiter--oberflächeg d.h. der Oberflächenpotentialhöhe
oder der In der HalbleiteroberflÄche induzierten überflächenträger auf einen .bestimmten
Wert.
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Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Oberfläche
der Isolierschicht auf einer Halbleiteroberfläche mit einer bestimmten Menge von
Ladungen zu versehen und diese permanent aufrechtzuerhalten.
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Auf r'rund der durchgeführten Untersuchungen kann bestz#ti"7zt
werden,
- daß der Aufladungszustand einer solchen Anordnung, Über ,die Erwartungen
hinaus stabil ist und befriedigend praktisch ausgenutzt werden kann.
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Nach der Aufladung der Oberfläche der-Isolierschicht kann das Halbleiterelement
gfs. einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Durch'diese Wärmebehandlung kÖnnen-die
elektrischen -Eigenschaften noch besser stabilisiert werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung Ist ein verbessertes Dassiviertes
Halbleiter-Bauelement mit hoher Durchbruchsepannung und großem Stromverstärkungstaktor
und Insbesondere ein verbessereter Oberflächen-Feldeffekt-Transistor.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der angefügten Zeichnungen
mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigen.: Fig. la und lb eine Korona-Entladungsvorrichtung
zum Aufbringen von Ladungen auf die Oberfläche eines KÖrpers bzw. einer Schutzschicht
auf einem Halbleiter-Bauelement, schematisch In der Perspektive und Im Schnitt;
Fig. 2 ein Diagramm für die Abhängigkeit des Oberflächenpotentiale der aufgeladenen
Isollerschicht von der Kotona-Entladungespannung; Pig. 3a,3b und 4-Kurven für die
Änderung des Oberflächenpotentials einer aufgeladenen Isollerschicht mit der Zeit;
Fig-
5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Oberflächenpotentials
von der Oberflächenladungsdichte; .Fig. 6 einen Transistor vom Planar-Typ,
schematisch im Schnitt; Fige 7a bis 7d und 8a bis 8c Kennlinien für den Kollektorr
strom In Abhängigkeit von der Kollektorspannung von Planartyp-Tranaistoren; Fig.
9 den Querschnitt eines ViOS-Transistors gemäß einer Ausführungsart der Erfindung;.
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Fig. 10 Kennlinien für den Strom zur Senke in Abhängigkeit
von der Tor-Spannung (Eingangskennlinien) von XOS-Transistoren; Fig. 11 und
12 Kennlinien für die Spannungsabhängigkeit der Kapazität von Silizium-Siliziumoxydanordnungeno
und Fig. 13 ein Schema für die Messung der Kapazitäts-Spannungskennlinie
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Fig. la und lb zeigen eine Vorrichtung zur Aufladung der Oberfläche
eines Gegenstandes 1, der Im vorliegenden Fall aus*einem Siliziumsubstrat
3 bestehtg das mit einer Siliziumoxydschicht 4 bedebkt ist; eine plattenförmige
Elektrode 5 In Ohm' schem Kontakt mit dem Substrat 3 Ist an dem weggeschnittenen
Teil einer zylindrischen Außen elektrode 6 einer "Corotron" genannten Entladungsvorrichtung
2 bzw-o einer Korona-Entladungsvorrichtung angeordnete
Durch Anlegen
einer Hochspannung zwischen der Inneren Elektrode 7 und der Außenelektrode
6 wird eine Korona-Entladung In trockener Luft herbeigeführt, wobei die plattenförmige
Elektrode.5 in Ohm'schem Kontakt mit dem Siliziumsubstrat 3 und der Außenelektrode
6 und somit auf-gleichem Potential wie 6 gehalten wird.
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Die innere Elektrode 7 besteht aus einem Wolframdraht mit
0,05 mm Durchmesser und die Außenelektrode 6 wird durch einen .Zylinder
aus Kupferblech mit 40 mm Durchmesser gebildet, der konzentrisch um die innere Elektrode
7 angeordnet und für die Anbringung der.Probe zum Teil weggeschnitten Ist.
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Die Biliziumoxydschicht 4 der Halbleiteranordnung wurde durch einstündiges,Aufheizen
des Siliziumsubstrates auf 1100 Oa In oxydierender Atmosphäre und beispielsweise
In Wasserdampf erhalten. Der Durchmesser des Siliziumsubstrates 3 betrug
22 mm
und die Dicke der Schicht 7000
Die Korona-Entladung wurde
30 Sekunden lang aufrechterhaite n» Je nach Polung der Elektroden
6 und 7 wird eine posi-tive oder, negative Ladung auf der Oberfläche
der Schicht 4 gesammelt bzw. gespeichert.
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Pie so behandelte Probe wurde aus der Entladungsvorrichtung 2 entfernt
und in trockener Luft aufbewahrt.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen
der Entladungsspannung und der gespeicherten Ladung, die in Werten des Oberflächen-Dotentials
angegebe*Ird, das längs der Ordinate aufgetragenist. Kurve 8 gilt für eine
positive Aufladung, die Kurve 9 für, negative Aufladung und die Kurve
10 zeigt das erreichte Oberflächenpotential bei negativer Aufladung einer
Isolierschichtoberflächeg die mit einem üblichen Antistatikum bedeckt Ist. Wie man
sieht,-entspricht die Aufladung der Siliziumoxydschicht 4 einem Oberflächenpotential
von etwa 300Ö v- Die Messung den Oberflächenpotentials kann mit einem Vibrationselektrometer
(vibrating reed electrometer) leicht ausgeführt werden.
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Fig. 2 zeigt, daß positive Ladungen stärker gespeichert werden als
negative, wofür bisher allerdings noch kein Grund angegeben werden kann, Es kann-sein,
daß verschiedene experimentelle Bedingungen eine Rolle spielen, wie die Atmosphäre,
die Oberflächeneigenschaften des Siliziumoxyde 4 od.dgl. Die theoretische Analyse
der Blektrifizierung der leollerschicht durch eine Behandlung zur Aufspei.Pherung
von Ladungen hat noch zu keiner Klärung der Erscheinung geführt. Gelegentlich tritt
eine Sättigung hinsichtlich der Menge der gespeicherten Ladung durch Fortset#zung
der Korona-Entladung für etwa 20 Sekunden ein.
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Fig- 3ag 3b und 4-zeigen Kurven für die Entladung, d.h.
die Abnahme der ges-Peicherten Ladungen'bzw. die Änderung des
Oberflächenpotentials
In Luft, und zwar zeigt Fig- 3a die anfängliche Abnahmeinnerhalb der ersten
1 1/2 Stunden während Fig. 3b den Verl - auf über'längere Zeiten
30 Tage) wie , dergibt.
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Fi7.-4 zeigt Entladungskurven, wenn Aufladung und Entladung bei der
gleichen Probe mehrmals wiederholt werden. Kurve 11 zeigt_ zunächst eine
Entladungskurve für den Fall einer ersten Aufspeicherung einer negativen Ladungg
deren Wert sich in etwa 5 Stunden einem Grenzwert oder stationären Zustand
nähert. Die Kurve 12 zeigt die Abnahme der Ladung, wenn erneut eine negative Ladung
aufgebracht wird. nachdem die Entladung zum Stillstand gekommen ist oder der Wert
des Oberflächenpotentials nach Ablauf einer Zeit von etwa 20 Stunden den erwähnten
stationären Zustand erreicht hat.
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Es ist zu bemerkene daß der Abfall der Kurve 12 im Einstellzustand
vi el geringer Ist als bei der Kurve 11 und äaß das Oberflächenpotential
im stationären Zustand bei Kurve 12 viel höher ist als bei der Kurve 11.
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Aus der Blektrostatik ist die folgende Beziehungzwischen dem Oberfläche-npotential
(Vs) und der Oberflächenladung (Nac) bekannt-.
wobei q'di.e Elementarladung, E-ox die Dielektrizitätskonstante einer-Isollerschicht
und Tox Ihre Dicke Ist.
Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit zwischen
dem Oberflächenpotential und der Oberflächenladungsdichte der Siliziumoxydschicht
4, die nach der vorst ehenden Formel für verschiedene Schichtdicken berechne.t wurde.
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Aus den Fig- 5 sowie 1 bis 4 ergeben sich die folgenden
interessanten Tatsachen: (1) Auf der Oberfläche einer Siliziumoxydschicht
auf einem Siliziumsubstrat wird durch Korona-Entladung eine Aufladung bis zu etwa
300 V (ausgedrückt in Oberflächenpotential) erreielito, (2) die aufgespeicherte
Ladung nimmt in Luft spontanab, jedoch nach,einer gewissen Zeit, der sog. Einstellzeit
kommt dieser Entladungsvorgang praktisch zum Stillstand und der erreichte Zustand
wird Im wesentlichen permanent aufrechterhalten (im nachfolgenden als Sättigung
bezeichnet); (3) obgleich das Wert der Sättigungsladung (Restladung nach
Oßelbstentlädung" In Luft) bis zu einem gewissen Grade von der Korona-Entladungsspannungg
der Zeitdauer der Entladung, der Dicke der Siliziumoxydochicht 4 und dgl. abhängt,
kann er durch Wiederholung der Aufladung bzw. Elektrifizierung mit Hilfe der Korona-Entladung
nach Ablauf einer bestimmten Zeit erhöht und durch Änderung der Polarität der zu
speichernden Ladung verringert werden;
(4) d ie Ladungskonzentration
bei Sättigung beträgt maximal 13 - 2 etwa 1 x 10 cm und sie ist mithin
im allgemeinen ausreichend grö2er als die scheinbare Donator-Konzentration oder
Ober-12 2 flächenträgerdichte (3 x 10 Elektronen/cm ) in einer
n-Kanalschicht, die direkt unter einer Isolierschicht Rebildet wird; und
(5) -eine mit einem Antistatikum-überzoxene Probe wird selten aufgeladen.
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Die unter (2) angeführte Sättigungserächeinung Ist merkwürdig, verglichen
mit dem Verhalten gebräuchlicher Kondensatoren wie von Papier-, Elektrolyt- oder
Glimmerkondensatoren und dergleichen, bei denen die gespeicherte Ladung, wenn sie
sich selbstüberlassen bleiben.,allmählich abnimmt und verschwindet. Es wird vermutet,
daß diese Sättigungserscheinung folgende Gründe hat: Eine thermisch gebildete Siliziumoxydschicht
auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats enthält sehr wenig Fremdetoffe mit Ausnahme
von geringen Mengenhn Verunreinigungent die eine positive Ladung geben, wie Na,
die sich während der Herstellun'g. nicht vermeiden lassen, und die Konzentration
an Leitungs-Elektronen ist in Anbetracht der Struktur der Isolierechicht se hr niedrig.
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Wenn eine solche Siliziumoxydschicht mit einer negativen Ladung versehen
wird, wandern die positiven Ladungen der Schicht
in die Nähe der
Oberfläche oder lagern sich dahin um und "neutralisieren" die negative Ladung, die
daraufhin entsprechend der Menge der positiven Ladungen abnimmt und demgemäß nimmt
auch das Oberflächenpotential allmählich ab; wenn jedoch die Wanderung aller positiven
Ladungen abgeschlossen ist, findet. kein Abfall des OberflächenDotentials mehr statt.
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Wenn eine positive Ladung aufgebracht wird, wandern die in der Siliziumoxydschicht
befindlichen positiven Ladungen.in die Nähe-der Oberfläche des Siliziumsubstrates
und es resultiert eine ähnliche Entladungscharakteristik.
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Die vorstehenden Fakten können anhand der experimentellen Ergebnisse,
die In Fig. 4 gezeigt sindg verstanden werden. Wie weiter oben.angegeben ist, zeigt
die Kurve 11 die Entladung einer negativ aufgeladenen Probe, während die
Kurve 12 die Entladungskennlinie einer Probe zeigt, die nach verbleibender Sättigungsladung
entsDrechend Kurve 11 wiederum negativ aufgeladen wurde. Kurve
13 zeigt die Entladung der gleichen-Probe, die nach Verbleiben der (negativen)
Sättigungsladung gemäß Kurve 12 erneut positiv aufgeladen wurde.
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-Wenn die in der Siliziumoxydochicht wandernde Ladung erst einmal
durch eine erste AufladUng gemäß Kurve 11 fixiert worden -istg führt eine
weitere Aufladung mit gleichem Vorzeichen nur noch zu einer geringen Abnahme der
Ladung während der Einstellzeit, wie durch Kurve 12 veranschaulicht wird.
Bringt
man dagegen eine positive Ladung auf die Schichtoberfläche auf, so wird die nahe
der Oberfläche In der.Siliziumoxydschicht fixierte und "neutralisierte" positive
Ladung erneut "lonisiert" bzw. frei und wandert in die Nähe der Siliziumsubstratoberfläche,
mit dem Erfolg, daß die Entladungskurve, wie Kurve 13
zeigt, wiederum stark
abfällt.
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Gemäß der Erfindung werden die vorstehend näher erläuterten Erscheinungen
zur Verbesserung des elektrischen Verhaltens von #lalbleiteranordnungen ausgenutzt.
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Es folgen Beispiele zur Erläuterung der Erfindung. Beispiel
1
Bei einem Silizium-Planar-Transistor vom pnp-Typ, bei dem die Randbereiche
der pn-Übergänge in einer gemeinsamen, mit einer Siliziumdioxyd-Schutzschicht bedeckten
Hauptoberfläche liegen, (Fig. 6), wurden die Änderungen der elektrischen
Eigenschaften untersucht, die durch eine Aufladung der Siliziumdioxyjdschicht verursacht
werden.
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Fig. 6 zeigt Im einzelnen ein p-leitendes Siliziumsubstrat
14, das als Kollektorzone wirkt und eine Epitaxialschicht 141 mit einem spezifischen
Widerstand von etwa 4 -(Lcm aufweist, In der durch Eindiffundieren entsprechender
Fremdatome eine n-leitende Baeiazone 15 und eine p-leitende Emitterzone
16 gebildet worden ein d.. Eine thermtsch erzeugte Siliziumdioxydschicht
wird mit 17
bezeichnetg und 18, 19 und 20 sind die
Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden.
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Fig. ?a zeigt die Kennlinie für'den Kollektorstrom in Abhängigkeit
von der Kollektorspannung eines solchen Elementes, wenn keine Ladung'aufgebracht
worden ist; Fig. 7b zeigt die Kennlinie für eine negative Aufladung von
5 - 10 x 1011/cm 2 Fig. 7c für eine positive Aufladung von lü x 1011/cm2
und Fig. 7d die Kennlinie eines der Fig. 7b entsprechenden, in eine
Metallkapsel eingeschlossenen, Elementes nach einem Zeitablauf von etwa 2000 Stunden;
.In den Fig. ?a bis 7d sind längs der Abszisse die Kollektors-Pannun.gen
V mit 1V-Skalentellung (IV/Div.) und längs der Ordinate der Kollektorstrom 1
0 mit 0,01 mA-Skalentellung aufgetragen, wobei Fig. 7c eine
Ausnahme macht (0,2 mA-Skalentellung); die einzelnen Kurven in den Figuren entsprechen
0,001 mA-Abstufungen des Basisstroms I be Fige 7b macht deutlich,
daß der Reststrom I CBO bei negativer Aufladung merklich verringert und der Stromverstärkungsfaktor
h um einen Faktor von etwa 2 verbessert Ist. Anhand F, E
von Fig, 7c
sieht man, daß die Kollektor-Durchbruchsspannung bei positiver Aufladung merklich
vermindert ist.
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Beispiel 2 Die Fig. 8a bis 8c zeigen Kennlinlen für den Kollektorstrom
In
Abhängigkeit von der Kollektorspannung bei einem nrn-Silizium-21anar-Transistorg
wie er in Fig. 6 gezeigt wird und im Übrigen dem Beispiel 1 ähnlichg
aber hier mit einer Epitaxialschicht 141 versehen ist, die einen spezifischen Widerstand
von 0,7 1,lom hat. Fig. 8a zeigt die Kennlinie für den Fall, daß keine Ladung
aufgespeichert ist, Fig. 8b die Kennlinie für eine negative Aufladung von
3 x 10 11 /cm 2 und Fig. 8c für eine positive Aufladung 11 2 von
5 x 10 /cm . Die Skaleneinteilung ist ähnlich wie bei den Fig. 7a,
7b und 7d, und zwar für Vc:lV-Teilung und für 1 c
: 0,02 mA-Teilung bei 0,001 mA-Stufen bei I B» Die Fig. 8a bis 8c
zeigen, daß der Stromverstärkungsfaktor h bei negativer Aufladung ver-FE schlechtert
wird, Der Reststrom I CBO ändert sich etwas in umgekehrter Richtung zum
F aktor hFE-Anhand von BeisiDiel 1 und 2 ist es klar, daß de#-Stromver-,stärkungsfaktor
h.. in beiden Fällenl d.h. beim pnp- und npn-Typ verbessert ist, wenn eine
negative Ladung gespeichert wird, während der Faktor h bei positiver Aufladung verschlechtert
FE
Ist. Beispiel 3
Fig. 9 zeigt schematisch einen Querschniti
durch einen KOS-Feldeffekt-Transistor bei Anwendung der Erfindung, 21 Ist ein Siliziumsubstrat
vom p-Typ (spezifischer Widerstandt 4 Acm),-22 und 23 bezeichnen.durch Eindiffundieren
gebildete n-leitende
Quelle- und Senke-Zonen, 28 und
30 einen n-Kanal bzw. eine "Channel"-Schicht vom n-Typ; 26, 25 und
27 bezeichnen Quelle, Senke und Tor bzw. die entsprechenden Elektroden und
24 ist eine 1800 R dicke Siliziumdioxydschicht. Der Tor-Anschluß
27 wird zum Zwecke einer Verminderung der elektrostatischen Kapazitanz (eapaeitance)
zwischen dem Tor-Anschluß 27 und der Senke-Zone 23
lediglich auf einem
Teil der "Channel"-Schicht In enger Nachbar--t schaft zur Quelle-Zone 22 gebildet.
Diese Anordnung wird als "Feldeffekt-Transistor mit verschobenem Tor" (offset gate
tyDe FET) bezeichnet.
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In Fig. 10 ist der Strom zur Senke gegen die Torspannung aufgetragen,
und Kurve 30 zeigt eine übliche Kennlinie, während die Kurve 31 bei
positiver Aufladung von 1 x 10 12/cm 2 des Teils 29 der Siliziumoxydschicht
zwischen dem Tor-Anschluß und der Senke-Zone erhalten wurde, wobei der Tor-Anschluß
27 nicht in der Fig. 9 gezeigten Art und Weise gebildet wird. Wie
Fig. 10
zeigt, ist die Steilheit (mutual conductance) (ausgedrückt in # ID/
3VGI wobei 1 D der#Strom zur Senke und V G die Tor-Spannung Ist) im Bereich
hoher Ströme verbessert* In Beis-Diel 3 wurde die Erfindung anhand eines
Feldeffekt-Transistors vom Verarmungstyp (depletion mode) beschrieben, sie Ist jedoch
auch auf einen Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp (enhancement mode) anwendbar.
Bei einem Silizium-MOS-. Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp Ist das Substrat
21
(Fig. 9) üblicherweise n-leitend und die Quelle 22, die
Senke. 23
und der Kanal-28 sind p-leitend. Entsprechend wird auf-dem Oberflächenteil
29 eine-negative Ladung vorgesehen.
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-Bei einem KOS-Feldeffekt-Transistor vom Anreicherungstyp ist es üblicherweise
notwendig, daß ein isoliertes Tor gebildet wird, das von der Quelle-zur Senke-Zone
reicht, und mithin kann eine Anordnung mit versetztem Tor wie bei einem Transistor
vom Verarmungstyp nicht angewandt werden. Wenn jedoch der in Fig. 9
gezeikte
"Channel"-Bereich 30 unter Anwendung der vorliegenden Erfindung gebildet
wird, kann ein versetzter Tor-Anschluß vorgesehen werden. In diesem Falle braucht
das Tor 27 lediglich eine ."Brücke" zwischen Quelle-Zone 22 und Kanal
30 zu bilden* Quelle und Senke können dann durch den "Channel"-Bereich 30..leitend
verbunden sein, selbst wenn der Tor-Anschluß nicht bis über die Senke-Zone
23 reicht.
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Um die Zeit abzukürzen, In der das überflächenpotential nach Aufladen
der Isolierschicht bis auf einen definierten Sättisungswert abnimmtg wie
die Fix. 3a, 3b und 4 zeigen, kann das-aufgeladene Halbleiterelement einer
Wärmebehandlung unterworfen werden. Die Temperatur für diese Wärniebehandlung liegt
0 0
bei 75 G oder darüber, vorzugsweise zwischen 250 und
350 C. Die maximale Temperatur wird gegeben durch die Schmelztemperatur des-Halbleiters,
der leollerschicht oder des Elektrodenmaterials. Die Zeitdauer für die Wärmebehandlung
beträgt zumindest 10 Minuten und liegt vorzugsweise In der Gegend von
30 Minuten,
Beispiel 4 .Die Erfindung kann weiterhin zur
Prüfung der Stabilität einer Siliziumoxydschicht ausgenutzt werden. Allgeme in wird
angenommen, daß die Oxydschicht umso stabiler ist, je weniger bewegliche Ionen in
der'Oxydschicht vorhanden sind.
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Das Oberflächenpotential eines mit einer Oxydschicht bedeckten HalbleiterkÖrpers
wird durch die Anwesenheit dieser Oxydschicht verändert, und zwar relativ wenig,
wenn die Oxydschicht "von guter Qualität" oder nicht kontaminiert ist; die Oberfläche
des Haibleiterkörpers besitzt dann die gewünschte Oberflächenleitungs-Charakteristik.
Eine zumindest grobe Überprüfung der Stabilität der Schutzschicht, wie einer Siliziumoxydschicht,
Ist daher im Rahmen der Planartechnik von besonderem.Interesse.
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Fig. 13 zeigt schematisch eine Anordnung und Schaltung, wie
sie beispielsweise gemäß der Erfindung für eine Überprüfung verwendet werden kann:
Der 2rüfkÖrper ist In diesem Falle ein pleitendes Siliziumsubstrat 131 mit
einem spezifischen Widerstand von 30 -('Lcm und einem Durchmesser von
25 mm mit einer SIO 2-Oberflächenschicht 132 einer Dicke von etwa
1500 2. Die 810 2-Schicht wurde durch 15 Minuten lange Wärmebehandlung
des Siliziumsubstrates bei 10000C in einer aus Sauerstoff und Wasserdampf bestehenden
Atmosphäre erhalten.
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Das Substrat 131 wird auf eine Metallunterlage 133 gebracht.
Auf
äer Schicht 132 wird.ein Kupferrohr 135 angeordnet, an dessen Ende
Quecksilber 134 vorgesehen ist. Das Kupferrohr wird mit einem Anschluß einer mit
Wechselstrom von 10 kHz betriebenen Kapazitätsmeßbrücke verbunden und die
Metallunterlage über eine veränderliche (Vor)Spannungsquelle 136 mit dem
anderen Anschluß. Die Spannungsquelle ist eine üblicherweise zum Messen der Kennlinien
für die Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung bei Si-SIO 2 -Anordnungen benutzte
Spannungsquelle, Diese Kennlinien werden mit Hilfe der vorstehend angegebenen Schaltung
aufgenommen.
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Zwei Proben.aus einem Siliziumsubstrat mit einer nach dem -vorstehend
angegebenen Verfahren aufgebrachten Siliziumdioxyd-Deckschicht wurden für-die Messung
präpariert. Die erste der beiden Proben hatte eine Kennlinie, wie sie In Fig.
11 durch Kurve 111 veranschaulicht wird und die zweite zeigte eine
der 'Kurve 121 in Fig. 12 entsprechende Kennlinie.
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Auf die Oberflächen der Siliziumdioxydschichten beider Proben wurde
dann durch Korona-Entladung eine negative Ladu#ä - 9
von 10 V (ausgedrückt
In Werten des Oberflächenpotentials) aufgebracht. Anschließend wurden beide Proben
30-Minuten lang auf 3000c aufgeheizt" und danach wurde 'wiederum die KaDazität in
Abhängigkeit von der Spannung durchgemessen. Die Kurven 113 und
123 zeigen das -Ergebnis. Die verbleibende oder Restladung war zwar In diesem
Falle entladen bzw. "gelöscht", die von der Aufiadung
bzw. Elektrifizierung
herstämmende Stabilität der OxYdschicht wurde jedoch durch die Entladung nicht verschlechtert.
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Danach wurde auf die Oberfläche der Siliziumdioxydschicht beider Proben
eine positive Ladung von 10 V (ausgedrückt in Werten des Oberflächenpotentials)
aufgebracht und wiederum die Kennlinie für die Kapazität in Abhängigkeit von der
Spannung In ähnlicher Weise gemessen. Dabei wurde bei der ersten Probe die Kurve
112 und bei der zweiten Probe die Kurve 122 gefunden.
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Der Absolutwert der (durch die Aufladung-bedingten) Differenz der
Uannungen, bei denen eine plÖtzliche Änderung der Kapazität auftritt, sei AV. Wenn
man nun deren Maximalwert A Vmax bei beiden Kurven vergleicht, erkennt man.,
daß dieser Wert bei der zweiten Probe entschieden kleiner ist als bei der ersten.
Die Probe mit der geringeren Änderung AV hatte einen geringeren Gehalt an beweglichen
Ionen in der Oxydschicht und.--die Änderung der elektrischen Eigenschaften mit der
Zeit war geringer (more stable). Die Menge der beweglichen Ionen.:Nm. in der Isolierschicht
konnte anhand der folgenden Gleichung ermittelt werden:
wobei EEox die Dielektrizitätskonstante der Isollerschicht und T die Dicke der lsolierschicht
ist.
Dana eh hat eine Oxydschicht, die einen geringeren Wert für
AV Max ergibt, einen geringeren Gehalt an beweglichen Ionen und ist stabiler. Liese
Tatsache konnte experimentell bestätigt werden.
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-In der vorstehend beschriebenen Art und Weise kann die Stabilität
einer Oxydschicht oder all#-emein einer Isolierschicht--auf einem Halbleiterkörper
geprüft werden. Obgleich vorbtehend nur die Bestimmung von Nm beschrieben wurde,
für d#n Fall, daß die Beziehung zwischen Nm und den Oberflächenleitungseigenschaften
oder - wenn die Schicht einen pn-Übergang abdeckt - die Beziehung
zwischen Nm und dem Sperrstrom zuvor-untersuchb worden Ist, kann anhand von Nm bei
der Her-- stellung-eines Planar-Elementes geprüft werden, ob.es die notwendigen
elektrischen Eigenschaften aufweist oder nicht.
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Das Ausmaff der gespeicherten Ladung wird durch die Korona-Entlädungsspannung,
die Entladungsdauer, das Vorzeichen der zu speichernden Ladungen und die Zahl der
Elektrifizierungsbehandlungen bestimmte Es wird weiter mit guter Reproduzierbarkeit
bestimmt durch geeignete Festlegung der Menge an Metallionen, die In der Isollerschicht
enthalten oder darauf abgeschieden sind.
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Je größer die Menge an Natrium-, Kallum- oder ähnlIchen
Atomen
in der Siliziumdioxydschicht ist, um so kleiner ist der Wert der verbleibenden Sättigungsladung.
Der Wert der' verbleibenden-Ladung kann jedoch durch Einbau von Phosphoroxyd oder
dergleichen erhöht werden, das den Einflu2 solcher Metallionen in der Siliziumdioxydschicht
zum Verschwinden bringt, beis-Pielsweise durch Verglasen der Oberfläche'der Siliziumdioxydschicht
mit Phosphoroxyd zu Phosuhorsilikatglas. Durch quantitative Bestimmung bzw. Festlegung
des Metallionengehaltes im Siliziumdioxyd kann daher der Wert der verbleibenden
Sättigungsladung unter definierten Bedingungen bestimmt bzw. festgelegt werden.
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Die ivienge der Ladung nach der Elektrifizierung kann auch durch ein
ganz anderes-Verfahren kontrolliert werden. Beispielsweise kann die Tatsache, da9
die umgebende Atmosphäre durch Bestrahlung mit UV-Licht, Röntgenstrahlen oder dergleichen
ionisiert und mithin die gespeicherte Ladung vermindert wird, als Verfahren zur
Kontrolle der Ladüngsmenge ausgenutzt werden, Ferner #cÖnnen die elektrischen Eigenschaften
durch teilweise Begrenzung des Aufladungsbereiches befriedigender verbessert werden.
Als Verfahren dafür kann das stellenweise bzw. lokal begrenzte Aufbringen eines
Antistatikums auf die lsolierschicht, die Begrenzung des rhosphoroxyd enthaltenden
Bereiches, die Teilbestrahlung mit energiereicher Bestrahlung od.dgl. angewandt
werden.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, bei dem die
Siliziumoxydschicht keine Elektrodenmetallschicht aufweist, die Erfindung kann jedoch
auch angewandt werdeng wenn auf der Siliziumoxydschicht eine Elektrodenmetallschicht
gebildet wird, die keinen Anschluß aufweist. In diesem Falle wird dann eine Aufladung
der Oberfläche der Elektrodenmetallschicht vorgesehen.
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Die Isolie-rschicht-kann auch durch Siliziumnitrid (S'3
N 4)9 bei dem auch eine Neigung zur Änderung des Oberflächen-otentials
p oder der Oberrlächenträgerdichte im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates
besteht, durch.Aluminiumtrioxyd (Al 2 0 3 ) od.dgl. gebildet werden.