DE1910447B2 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbieiterbauelement, bei dem mindestens eine Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer isolierenden Oxidschicht überzogen und auf die Oxidschicht eine Elektrode aufgebracht isi.

Es sind Halbleiterbauelemente bekannt, in denen Oberflächenphänomene eine wichtige Rolle spielen und die Elektroden aufweisen, welche vom Halbleiterkörper durch eine dünne, hochreine Isolierschicht getrennt sind, weiche im allgemeinen aus einem Oxid, z. B. Siliciumdioxid bei Siliciumkörpern, besteht, so z. B. Feldeffekttransistoren (IBM Techn. Disci. Ball.. Bd. 8, 1965, Nr. 4,5,677 und 678) und integrierte Schaltungen, bei denen elektrische Leitungen zum Verbinden zweier diskreter Zonen auf der Oxidschicht angeordnet sind (DT-AS 1207 511). Bei derartigen Halbieiterbauelementen ist es, gleichgültig ob sie einen Teil einer integrierten Schaltung bilden oder als einzelne Bausteine hergestellt werden, oftmals sehr schwierig, die isolierende und schützende Oxidschicht gegen zerstörende Spannungsdurchbrüche zu schützen, die durch vorübergehende Hochspannungsspitzen oder außerhalb eines Sicherungsbereichs liegende Feldstärken verursacht werden.

Es ist bereits mehrfach versucht worden, Schutzeinrichtungen für derartige Halbleiterbauelemente zu schaffen. Bekannt ist es. Zener- oder Avalanche-Dioden parallel zu den Isolierschichten an denjenigen Stellen anzuordnen, an denen die Isolierschichten elektrisch beansprucht werden und die Dioden so einzustellen, daß sie fcei einer kleineren Spannung durefischla* gen« als es die Isolier* bzw. Oxidschicht normalerweise tut (vgl. z, B. die US-PS 3 313958). Dadurch wird eine Zerstörung der Oxidschicht verhindert, in elektrischer Hinsicht sind derartige Maßnahmen zwar befriedigend. Da sie jedoch schwierig durchzuführen und teuer sind und die Halbleiterbauelemente durch sie größer als notwendig werden, sind zusatzliche elektrische Schal* tungsmaßnahmen nicht unbedingt erwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugiunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile eine möglichst einfache Schutzeinrichtung für die Isolierschichten von solchen Halbleiterbauelementen zu schaffen, in denen Oberflächeneffekte eine wichtige Rolle spielen. Insbesondere soll die Schutzeinrichtung billig und betriebssicher sein und eine in sich abgeschlossene Einheit innerhalb des Halbleiterbauelements bilden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs bezeichneten Halbleiterbauelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein bis zur Oberfläche des Halbleiterkörpers durchgehendes Fenster in der Oxidschicht mit einer Si· liciumnitridschicht ausgefüllt und diese mit einem leitenden Kontakt versehen ist, der mit der Elektrode leitend verbunden ist Eine solche Siliciuninitridschicht. die auch an mehreren Stellen des Halbleiterbauelementes vorgesehen sein kann, bildet somit einen elektrischen Parallelzweig zu der Passivierungs- und Isolierungsschicht aus Oxid und schützt letztere vor zu hohen Spannungen zwischen dem Halbleiterkörper und der auf die Isolierschicht aufgebrachten Elektrode.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Abbildungen ausführlich beschrieben. Die

F i g. 1 ist ein Schnitt durch einen Feldeffekttransistor; die

F i g. 2 zeigt grafisch die Abhängigkeit der Leckstromdichte von der elektrischen Feldstärke innerhalb einer Siliciumdioxidschicht bzw. einer gleichdicken SiIiciumnitridschicht.

Die F i g. 1 zeigt einen Enhancement-Mode-Feldeffekttransistor, der mit einer Oxidschicht passiviert ist und eine erfindungsgemäße Siliciumnitridschicht zum Schutz der Oxidschicht aufweist. Bei dem Feldeffekttransistor 10 nach F i g. 1 kann es sich beispielsweise um einen solchen mit η-Kanal handeln, der einen p-leitenden Siliciumkörper 11 aufweist, welcher beispielsweise derart mit Bor als Akzeptor dotiert ist, so daß er eine p-Leitfähigkeit von 1 Obm ■ cm aufweist. Eine aktive Oberfläche 12 des Halblei.srkörpers 11 ist mit einer dünnen, isolierenden, hochreinen Oxidschicht 13 aus beispielsweise thermisch gewachsenem Siliciumdioxid überzogen. In dieser Schicht wird während der Fabrikation des Transistors so lange keine öffnung ausgebildet, bis eine solche zur elektrischen Kontaktierung der Source (Quelle) oder Drain (Senke) notwendig ist. Source 14 und Drain 15 sind diskrete, an die Oberfläche 12 grenzende, η-leitende Zonen, die mit einem Donator wie beispielsweise Phosphor derart dotiert sind, daß sie eine η-Leitfähigkeit von beispielsweise 0,001 Ohm · cm aufweisen. Beide Zonen 14 und 15 werden durch Diffusion durch die Oxidschicht 13 hindurch hergestellt. Source 14 und Drain 15 bilden außerdem mit dem Hauptteil des Halbleiterkörpers 11 pn-Übergänge 16 und 17. deren Ränder in einem regulären geometrischen Muster an die Oberfläche 12 des Halbleiterkörpers treten. Der zwischen diesen Mustern liegende Abschnitt der Oberfläche 12 stellt einen Oberflächenkanal 19 dar. Die Elektronenleitung zwischen Source 14 und Drain i5 durch den Kanal 19 wird durch das an einem Öate (Sfeuerke-itfäkt) 20 liegende Potential gesteuert Das Gate 20 liegt im Bereich des Kanals 19 auf der Oxidschicht 13 und überlappt die an die Oberfläche 12 tretenden Ränder der pnObergänge 1β und 17, d. h, es liegt ein exakt ausgerichteter Feldeffekttransistor vor, der sich am besten zum Betrieb im Enhancement-Mode eignet

Durch Einätzen von Penstern in die Oxidschicht 13 und eine auf dieser pyrolytisch abgeschiedenen Oxid-

c 21 und Aufdampfen eines gut leitenden Reta wie beispielsweise Aluminium auf die gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers, wodurch auch die fenster ausgefüllt werden, werden Source, Drain und fjate kontakten. Nach Maskierung des Halbleiterkörpers und Entfernung der überschüssigen Aluminium-K-hicht bleiben von der Metallschicht nur eine Elektrode 24 für die Source, eine Elektrode 25 für das Gate and eine Elektrode 26 für die Drain stehen. Die Elektroden sind dabei in seitlicher Richtung etwas größer als die eingeätzten Fenster.

Nähere Einzelheiten über die Herstellung eines in ρ j g, 1 gezeigten Feldeffekttransistors sind bereits in der deutschen Patentanmeldung P 1 803 028.9 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Obwohl es sich bei dem hier beschriebenen Bauelement um einen Feldeffekttransistor mit n-Kanal handelt, kann die Erfindung auch auf solche mit p-Kanal angewendet werden. Hierzu müßten die Dotierungsmaterialien in der umgekehrten Reihenfolge verwendet werden.

In Abwesenheit irgendv/eicher Schutzeinrichtungen kann im Feldeffekttransistor 10 ein seine Ze-störung zur Folge habender Durchbruch auftreten, wenn nämlich zwischen das Gate und den Hauptteil des Halbleiterkörpers 11 eine Spannung gelegt wird, die beispielsweise eine kurzzeitige, über die Belastungsgrenze hinausgehende Spitze aufweist. Die Durchbruchspannung der Oxidschicht 13 kann auch dann überschritten werden, wenn beispielsweise nach Art eines integrierten Bauelementes entweder zur Drain- oder zur Source-Elektrode (26, 24) elektrische Kontakte gezogen sind, die auf der Schutzschicht 21 liegen und dadurch in der Oxidschicht 13 elektrische Felder verursachen. Bei Überschreiten der Durchbruchspannung tritt ein Durchbruch auf, der die Oxidschicht zerstört, so daß diese nicht langer als Iso'ator wirkt und die Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 nicht mehr schützt, so daß dieser verworfen werden muß. Erfindungsgemäß ist daher eine Siliciumnitridschicht vorgesehen, durch die eine solche Zerstörung vermieden wird.

Gemäß F i g. 1 wird in einem Bereich dicht neben, doch nicht innerhalb des aktiven Bereichs des Feldeffekttransistors 10, z. B. an der Stelle 27, eine diskrete Zone aus Siliciumnitrid ausgefüllt, die im wesentlichen genau so dick wie die Oxidschicht Vs ist. Da die Dicke der Siliciumdioxidschicht 13 zweckmäßigerweise in der Größenordnung von 1000 A liegt, wird beispielsweise nach der Herstellung de·· aktiven Zonen, jedoch vor Anbringen der Elektroden, eine ähnlich dicke Siliciumnitridschicht ausgebildet. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß der mit der Oxidschicht überzogene Halbleiterkörper nach Ausbildung eines Fensters. 28 in der Oxidschicht 13 an der Stelle 27 in ein Reaktionsgefäß gegeben und auf etwa 1000°C erhitzt wird, und daß man mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1,4 m³ pro Stunde etwä"5 Minuten lang eine Mischung eines Silans mit Ammoniakgas über den Halbleiterkörper strömen läßt, damit sich eine etwa 1000 A dicke Siliclumttitridschicht 29 (S1JN4) auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 einschließlich seines durch das Fenster 28 freiliegenden Teils pyrolytisch abscheidet.

Nach Ausbildung der Siliciumnitridschicht 29, die in seitlicher Richtung etwa I bis 10 Mikron breit sein kann, wird der Halbleitevkörper 11 maskiert und mit kochender Phosphorsäure geätzt, um die Source, die Drain und das Gate freiauiegen. Anschließend werden dann Source, Drain und Gate und die Siliciumnitridschicht kontaktiert, indem Aluminium aufgedampft wird, Hierbei entstehen auch ein Elektrodenkontakt 30 und eine Elektrode 31 für die Siliciumnitridschicht

Wenn man annimmt, daß die passivierende Oxidschicht im Bereich zwischen dem Gate und dem Halbleiterkörper 11 am stärksten beansprucht wird, dann kann die Oxidschicht unter dem Gate dadurch geschützt werden, daß Elektrodenzuleitungen 32 und 33, die zum Gqte bzw. zur Siliciumnitridschicht führen, miteinander verbunden werden. Wenn nun zwischen Gate und Halbleiterkörper eine hohe Spannung gelegt wird, dann liegt diese Spannung auch zwischen dem Halbleiterkörper und dem Elektrodenkontakt 30, d. h, der Siliciumnitridschicht 29 wird das gleiche elektrische Feld aufgeprägt wie der Oxidschicht 13 zwischen Gate 20 und Halbleiterkörper 11.

Die Leclcstromeigenschaften des Siliciumnitrids und des Siliciumdioxids sind in F i g. 2 in Abhängigkeit vom elektrischen Feld dargestellt. Längs der Ordinate ist die Leckstromdichte in A/cm² logarithmisch aufgetragen, wohingegen auf der Abszisse die F-. «!stärke in den Isolierschichten in 10⁶ ■ Volt/cm aufgetragen ist Die Kurve A zeigt die Leckstromeigenschaften von Siliciumnitrid, die Kurve ßdie Leckstromeigenschaften von Siliciumdioxid. Wie F i g. 2 zeigt, erhält man bei Verwendung von Siliciumdioxid zunächst einen sehr geringen Leckstrom, aus welchem Grund dieses Material bis zu einer gewissen Spannung ideal als Isolator geeignet ist. Bei dieser gewissen kritischen Spannung jedoch, die einer Feldstärke von etwa 12 - 10⁶ Volt/cm in der Isolierschicht entspricht, bricht das Siliciumdioxid abrupt durch, wobei es zerstört wird und danach nicht mehr als Isolator verwendet werden kann. Das Siliciumnitrid besitzt bei einer Feldstärke von etwa 4 ■ 10⁶VoItZCm nahezu die gleichen Leckstromdichten wie Siliciumdioxid. Der Leckstrom steigt bei größer werdenden Feldstärken jedoch stärker, aber dafür stetig an, wobei keine Zerstörung beobachtet wird. Das Siliciumn.vrid kann daher sehr viel mehr Strom führen, ohne daß es dadurch zerstört oder einer irreversiblen Änderung unterworfen wird. Wie der Pfeil in F i g. 2 zeigt, liegen die Betriebsspannungen von Feldeffekttran^ristoren zwar weit unterhalb des beschriebenen Bereichs, können jedoch kurzzeitig stark ansteigen.

Aus diesem Grunde können somit Halbleiterbauelemente, die als Schutzeinrichtung eine parallel zur Siliciumdioxidschicht liegende Siliciumnitridschicht aufweisen, bei allen Feldstärken kleiner als 4 · 10« Volt/cm betrieben werden. Außerdem sind sie gegen Spannungsspitzen geschützt, die eine über diesem Wert liegende Feldstärke verursachen. Der Betriebsbereicti der anlegbaren Spannungen und damit Feldstärken kann daher innerhalb desjenigen Bereichs gehalten werden, in welchem die Leckstromeigenschaften cfes Siliciumnitrids die Isoliereigenschaften des Siliciumdioxids noch nicht aufheben. Trotzdem ist sichergestellt, daß die Oxidschicht gegen alle Spannungen und Feldstärken oberhalb ihrer Durchbruchspannung geschützt ist. In der Praxiu liegen außerdem die Spannungen und Feldstärken, bei denen Feldeffekttransistoren und integrierte Schaltungen, in denen sich Oberflächeneffekte abspielen, deutlich bei kleineren Werten als 4 · 10* Volt/cm, so daß diese Bauelemente normalerweise ohne Gefahr einer Zerstörung verwendet werden können und auch gegen kurzzeitige Durchbräche geschützt sind.

Die Erfindung ist nicht auf Feldeffekttransistoren be-

schränkt, sondern kann auch auf andere Halbleiterbauelemente mit Oberflächenpassivierung angewendet werden, Als Beispie! seien durch Diffusionsverfahren hergestellte Planartransistoren genannt, bei denen Emitter' und Basiszuleitungen über mit Oxiden passivierte Bereiche der Kollektorzone geführt sind oder umgekehrt. Bei solchen Transistoren können Durchbrüche zwischen den Emitter- und Basiszuleitungen und dem Kollektor (oder umgekehrt) dadurch vermieden werden, daß ein aus Siliciumnitrid bestehender Sichefheiis- und Schutzpfad parallel zum empfindlichen Oberflächenbereich geschaffen wird. Halbleiterbauelemente der obigen Art sind in der deutschen Patentanmeldung P t 803 026.7 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

In ähnlicher Weise kann die Erfindung, obwohl sie hier nur in Verbindung mit MOS-Halbleiterbauelementen beschrieben ist, deren Oxidschicht geschützt werden muß, auch auf MNOS-Halbleiterbauelemente an gewendet werden. Derartige Halbleiterbauelement! die zum Schutz der Oxidschicht mit einer Silicium™ tridschicht überzogen sind, sind bereits in der deul sehen Patentanmeldung P I 589 810.9 beschrieben, ai

S die hiermit ebenfalls ausdrücklich Bezug genommc wird.

Zusammengefaßt ist hier eine Schutzeinrichtung ge gen zerstörende Durchbrüche der Oxidschichten sol eher Halbleiterbauelemente oder integrierten Schaltur

ίο gen beschrieben, die oberflächenaktiv und zum Schut ihrer Oberfläche mit einer passivierenden Oxidschicr Uberzogen sind. Die Schutzmaßnahme besteht darii daß an denjenigen Stellen der Oxidschicht, die durch a sie gelegte Felder überlastet werden können, elektrisc parallel geschaltete diskrete Zonen aus Siliciumnitri vorgesehen sind, die durch Aufnahme von Oberfläche: leckströmen eine Spannungsüberlastung der Oxκ schicht verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

19 ΙΟ Patentansprüche;

1. Halbleiterbauelement, bei dem mindestens eine Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer isolierenden Oxidschicht überzogen und auf die Oxidschicht eine Elektrode aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein bis zur Oberfläche

(12) des Halbleiterkörpers (11) durchgehendes Fenster (28) in der Oxidschicht (13) mit einer Siliciumnitridschicht (29) ausgefüllt und diese mit einem leitenden Kontakt (30) versehen ist der mit der Elektrode (25) leitend verbunden ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (25) die Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors (10) ist

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Elektrode eine auf die Oxidschicht gelegte elektrische Leitung zum Verbinden zweier diskreter Zonen einer integrierten Schaltung st

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (11) aus Silicium und die Oxidschicht

(13) aus Siliciumdioxid besteht.