DE1910447B2 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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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 Feldeffekttranristoren 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.
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.
Claims (4)
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.
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1969
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