DE1589901A1 - Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Halbleiteranordnungen mit Isolierschicht - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Halbleiteranordnungen mit Isolierschicht

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DE1589901A1 DE19671589901 DE1589901A DE1589901A1 DE 1589901 A1 DE1589901 A1 DE 1589901A1 DE 19671589901 DE19671589901 DE 19671589901 DE 1589901 A DE1589901 A DE 1589901A DE 1589901 A1 DE1589901 A1 DE 1589901A1
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung Ist ein verbessertes Dassiviertes Halbleiter-Bauelement mit hoher Durchbruchsepannung und großem Stromverstärkungstaktor und Insbesondere ein verbessereter Oberflächen-Feldeffekt-Transistor.
  • 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;.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • -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.
  • Gemäß der Erfindung werden die vorstehend näher erläuterten Erscheinungen zur Verbesserung des elektrischen Verhaltens von #lalbleiteranordnungen ausgenutzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • -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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • -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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. Patentans-Prüche -1. Verfahren*zur Verbesserung und Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften von Halbleiter-Bauelementen mit Oberflächenschutzschicht, insbesondere von Oberflächen-Feldeffekt-Transistoren, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t daß man zumindest bestimmte Bereiche der Schutzschicht mit einer bleibenden positiven oder negativen Ladung versieht, die zur vollständigen oder teilweisen Fixierung der in der Schutzschicht enthaltenen Ladungsträger ausreicht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schutzschicht durch eine Korona-Entladung in trockener Luft auflädt und die resultierende Anordnung in trockener Luft aufbewahrt. 3- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet" daß man den Aufladungsvorgang unter Zwischenschaltung von Wartezeiten etwa bis zur Einstellung einer Sättigungsladung ein oder mehrere Male wißderholt. 4j Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an den Aufladungsvorgang anschließende Wärmebehandlung über zumindest 10 Minuten bei T emperaturen Uber 750C und Insbesondere zwischen 250 und .3.500C. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprücheg gekennzeichnet durch eine negative Aufladung der Schutzschicht. #.,Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche bei Halbleiter-Bauelementen auf der Basis von Silizium mit Siliziumdioxydschutzschichten. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 bei einem HalbleIter-Bauelement mit einer Substratzone eines Leitfähigkeitstype, einer ersten Diffusionszone entgegengesetzten Ladungstyps Innerhalb dieser Substratzone und einer zweiten Diffusionszone Innerhalb der ersten Diffusionszone mit einem zu dieser entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einer zumindest die- in einer gemeinsamen Hauptoberfläche liegenden Randbereiche der -on-Überwänge abdeckenden Schutzschicht, ge-' kennzeichnet durch eine im wesentlichen einheitliche elektri-.sehe Aufladung der Oberfläche dieser Schutzschicht. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 bei einem Halbleiter-Bauelement mit einer Substratzone eines Leitfähigkeitstyps und zwei in einer gemeinsamen Uberfläche liegenden Leitfählgkeitszonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Substratzone, die voneinander entfernt sind, und einer Schützschicht auf der gemeinsamen'ßubs-tratoberfläche, die zumindest den Bereich zwischen den beiden Leitfähigkeitszonen überdeckt und an dieser Stelle mit einer Steuerelektrode versehen ist, die Über einem Teil des Zwischenbereiches und einer der Leitfähigkeitszonen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht zwischen der Steuerelektrode und der landeren Leitfähigkeitszone mit einer bleibenden Ladung versehen ist. 9.-Verfahren zur Prüfung von Isolierschichten auf der,Oberfläche von Halbleiteranordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kennlinien für die Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung der nicht aufgeladenen, der aufgeladenen und anschließend getemperten und schließlich der mit entgegengesetzter Polarität aufgeladenen Anordnung aufnimmt und den Absolutwert der Differenz der Spannungen bestimmt, bei denen eine plötzliche Kapazitätsänderung auftritt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4542400A (en) * 1979-08-15 1985-09-17 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device with multi-layered structure
EP0408062A2 (de) * 1989-07-14 1991-01-16 Hitachi, Ltd. Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4542400A (en) * 1979-08-15 1985-09-17 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device with multi-layered structure
EP0408062A2 (de) * 1989-07-14 1991-01-16 Hitachi, Ltd. Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
EP0408062A3 (en) * 1989-07-14 1992-03-25 Hitachi, Ltd. Surface treatment method and apparatus therefor

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