DE1941279B2 - Feldeffekttransistor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Feldeffekttransistor und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
0.3
lV- Γ,, · .V1, An
Di\- r E ■ Y1, .Y11
gill, wobei Ii die Dielektrizitätskonstante der gesamten
dielektrischen Schicht, N der Molenbruch des l'hosphorpentox>ds. 111 eine Proportionalilätskonslante
mit dem Wert von etwa 30 und \'h die maximal an den Steuerelektrode!! anliegende Vorspannung
bedeuten.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis \„ der
Phosphorsilikalglasschichl (·9) zur Dicke \(1 des
restlichen Teils der Isolierschicht 117) < 3 ist. v>
3. Feldeffekttransistor nacl" den Ansprüchen I
und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikalglassehicht enthaltenen
l'hosphorpentoxvds <
().') ist.
4. I eUeflcktlransistor nach den Ansprüchen I
bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikalglassehicht enthaltenen
l'hosphorpenio\\iN /wischen 2 K) 4
I.Y1, Y1, t I) und ().()') hegt.
5. I-'eldeffekttransislor nach den ,Ansprüchen I
bis 4. dadurch gekennzeichnet, da(J als Material
Tür die nicht aus Phosphorsilikatglas bestehende Teilschichl der (iesamtisolierschicht Sili/iunulioxyd
gewälill ist.
(S. Verfahren zum Herstellen von lekleffekt- 4s
transistoren nach ilen Ansprüchen 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen eines an sich
bekannten Massenherstelhmgsverfahrens PO(I1
t ()_, in einem inerten Trägergas über die SiO,-Schicht (17) bei einer Temperatur von K(K) bis so
M)OO C geleitel wird, derart, daß durch HndilTusion von P, O, in die SiO,-Schicht (17) die
Phosphorsilikalizlasschicht (I*)) entsteht.
Die Hfindiing betrifft einen 1 eldeffekttransislor
iiit einem zwischen Quellen- und Senkenelektrode fto
icfmdlidien. leitenden Kanal, über dem eine isoheiie
Steuerelektrode angeordnet ist. bei dem die isolierende Schicht zwischen Kanal und Slcuerclcktrodc aus einer
ersten dielektrischen Tcilsehieht der Dicke \,, und
einer weiteren dielektrischen Schicht der Dicke \„ fts aus Phosphorsilikatglas besteht, sowie ein Verfahren
zur Herstellung dieses Transistors.
In der Technik werden zur Zeit große Anstrengungen
bezüglich der Iniwicklung verbesserter leldellekiliansisioreii
bzw. \erbesserter 1 lerslellungs\erlahren für diese gemacht. Bei diesen I lei stellungs\eilahren
isi es wichtig, daß sie sich für Massenfertigung um
l'ransistoren eignen. Der leldeffektiransisior ist an
sich Im derartige MaSSCnIH-IsIeIlImUsVCrIaIHeIi besonders
üceiüiici. Normalerweise besii/en I eklellekliraiisMoren
eine metallische Sieucrclekliode. die in
einem del'mierien Absland oberhalb des in der Kegel ausSdi/ium bestehenden I lalhieilerkörpersangehraciu
isi. wntiei eine dünne Zwischenschicht aus dielektrischem
Material als Isolator für die Steuerelektrode diciil. Wcilcrhin sind Quellen- und Senkenelektrode!!
voruesehen. welche \on der (»herlläche her in einem
delmierien Ahstand in das I lalbleilerplätichen eindil'fundierl
sind, wobei ein sehr dünivr Zwischenbereich
auf der Oberfläche des Halbleiterplällcliens einen leitenden Kanal abgibt, dessen Stromlluß von
der Steuerelektrode gesteuert wird. Bei einer geeignet gewählten Vorspannung der Steuerlektrode modulieren
die von den Steuerspannungen hervorgerufenen elektrischen leider die Trägerdichte innerhalb des
leitenden Kanals und daher auch den Stromlluß /wischen Quellm- und Senkenelektroden. Die Arbeilsweise
eines l'eldeffekttransislors mit isolierter Steuerelektrode ähnelt sehr derjenigen einer Vakuumtriode,
da es sich um ein Verstärkerelement mit Spannungssteuerung handelt und da die gesteuerten
Arbeitsströme /wischen Quellen- und Senkenelektroden
lediglich aus Majoritätsladungsträgern bestehen. Normalerweise ist bei der Massenherstellung von Feldeffekttransistoren
mit isolierter Steuerelektrode lediglich ein einziger Diffusionsschritt erforderlich, in
welchem die Queller.- und Senkenelektrode eindiffundieii
wird. Darüber hinaus bedarf es zur Fertigstellung der Transistorstruktur icv.!iglich noch der Aufbringung
einer dünnen Isolierschicht für die Steuerelektrode und der metallischen Steuerelektrode selbst
auf diese Isolierschicht.
Die Arbeitscharakteristiken, welche derartige FeIdelfekttransistorenmit
isoliertem Steuergitter aufweisen, werden durch die Schwellwcrtspannung F, gekennzeichnet,
wobei dieser Wert von Rauniladungscfleklen
abhängt, die für das Oberflächen potential des Siliziums bestimmend sind Derartige Ladungen können auch
zurückzuführen sein auf eine Reslträgerdichle an den Zwischcnflächcn zwischen den Silizium- und Siliziumdioxydoberllächen.
die den leitenden Kanal bilden. Die Raumladungseffckte entstehen im wesentlichen
durch eine Ladung des Oxyds, die sich anscheinend innerhalb des Isolators für das Slcuergilter ausbildet,
und weiterhin durch die Wanderung von Alkaliionen, insbesondere von Natrium, die sich durch die SiO,-Schicht
unter gewissen Voraussetzungen hindurchbewegen. Diese Raumladungseffektc. die sich oft auch
während längerer clcktrothcrmischer Belastungen der
Vcrstärkcrclcmcnlc andern, stellen ein ernstes Problem in der Technologie der Feldeffekttransistoren dar. und
es besteht ein starkes Bedürfn!?. diese F.ffckte zu vermeiden
oder doch wenigstens, beispielsweise durch Kompensation, herabzumindern. Wie unerwünscht
derartige F.ffckle sind, geht auch bereits daraus hervor, daü Änderungen der Schwellwcrtspannung F7
nach längerem Gebrauch der Vcrstärkerelemcnte die Funktion von Schaltungen, die mit diesen Elementen
aufgebaut sind, sehr stark beeinträchtigen können.
Fs ist bereits bekannt, daß durch die Anwesenheit
einer Phosphorsilikatglasschicht auf einer SiO2-
941 279
ichiihl. die sich aiii' der
< »herlläche eines Si-IMaII-•hcns
befindet, offenbar eine Stabilisierung oder 'assiuerung der (Hvι lläclieiip'ileniiale auf der Sitheiiläche
auftritt. Anwendungen derartiger Phosihorsilikalglasschichien
als l'assivierungsschichien in uiegrierlen Halhleiierschallungen sind beispielsweise
.n der USA.-Patentschrift .3 343 049 beschrieben. Hier
isiirdedie Pliosplioisilikalglassehiehl im allgemeinen
gebildet durch Erhitzen der Sili/iu;iulio\\dschiclit
in Gegenwart einer IMiosphor-Sauerstolf-Verbindung,
beispielsweise \on IM),. POCI, und ähnlicher Verbindungen.
Diese Verbindungen reagieren ml der SUh-Schicht und »ehen eine Schient um IM), SiO,-C"das
von unhekannier Zusammensetzung. Während
der Diffusion nimm', dabei die Dicke der Phosphorsilikalglasschieht
auf Kosten der Si() -Scliicl'.l zu.
wonei die Verschiebung der 'l'rennlläehe durch den
piffusionsvorgang gesteuert wird.
Hs wurde auch hereits in einem Aufsat/ von D. R.
Kerr mil dem Titel »Stabilisierung von Passivierungsschiehten
aus Sili/iunulioxu' mit Ρ,Ο,«. erhehienen
im IBM-Journal vom September 1964. berichtet, dall die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschieht
eine Erhöhung der Stabilität bezüglich
des Oherflächenpotenlials an Treiinflächen zwischen Si und SiO; durch Verringerung der Entstehungsgeschwindigkeit
von positiven Raumladungen bewirkt.
Weiterhin ist aus dem Aufsat/ »lonentransportorscheinungcn
in isolierenden dünnen Schichten« um H. 11. Snow et al. im »Journal of Applied Ph>sics«
vom Mai 1%5 bekannt, daß sich derartige Raumladungen unter der r.inwirkung von Natriumionen
ausbilden, die sich stets in SiO2-Schiehten befinden.
Derartige, in unpassivicrtcn Sit)2-Sehichten
vorhandene Alkaliionen /eigen die Tendenz, innerhalb dieser Schicht zu wandern, wenn diese elektrisch belastet
wird, so daß sich die Raumladungsverteilung an der Trennschicht /wischen Si und SiO, und somit
be: Feldeffekttransistoren die Bedingungen im leitenden Kanal in unkontrollierter Weise ändern.
Auch bei Beobachtung großer Sorgfalt während des 1 lerstellungspro/esscs ist es außerordentlich
schwierig. Jie Anwesenheit von Alkaliionen, insbesondere
von Na. in SiOi-Schichlcn auszuschließen.
Ils hat sich herausgestellt, daß bei der Benutzung von
phosphorhaltigcn Substanzen zur Stabilisierung der I eldeffekltransi/torcigenschnften sich nicht ohne weiteres
eine Verbesserung der Transistoreigenschaften ergibt; vielmehr ttitt hiiu': t das Gegenteil ein. und man
hat Grund zu der Annahme, daß bei einem zu hohen Phosphoranteil eine l'iberkompensation bzw. weitere
noch unbekannte Phänomene eintreten, die insgesamt eine Verschlechterung der Charakteristik der
Transistoren ergeben. Untersuchungen, die bezüglich der Eigenschaften von SiO2-P2O,-Ssslemen augestellt
wurden, haben ergeben, daß in solchen Systemen eintretende Polarisationseffckte unter Umständen die
Stabilität von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektrode!! verschlechtern können. Hierzu sei
auf einen Aufsatz von E. H. Snow et al. im
»Journal of the Electrochemical Society« vom März 1966 verwiesen. Ein in der genannten Zeitschrift unter
dem Titel »Pobvisationsphänomcnc und andere Eigenschaften
von diinncn Phosphoisiiikatglasschichlcn auf Silizium« berichtet, daß zwar auf SiOj-Schichtcn aufgebrachte
Ph.isphorglasschichtcn als wirksame Barriere zur Verhinderung der Wanderung von Alkaliionen
benutzt werden können, daß jedoch gewisse Polurisalionsuirgängc 111 dieser Schicht /u veisläi klcn
Instabilitäten bezüglich der Charakteristik der Transistoren beitragen können, wobei diese schädlichen
Polarisalionsel'fekte besonders bei einer laugen elektrischen
Belastung unter hoher Temperatur auftreten können.
Der Irlinduiig liegt die Aufgabe zugrunde, die Struktur
und ein Verfahren zur Herstellung der Struktur eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuereleki'rode
anzugeben, bei welchem unerwünschte Oherllixlienladiingen
in der Gegend der Steuerelekimde so kompensiert sind, daß eine stabile Arheiischarakieristik
des Transistors, d.h. insbesondere eine u-lam
konstante Sehwellwerlspannung I , an der Steuerelektrode,
über lämieie /eilen auch hei elekiroihernii-■vchen
nberbeanspruehungen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird hei dem anfangs genannten l'eldelTekltiansislor erlindunüsgemäli dadurch gelöst,
daß das Dickeinerhältnis v,( /\, der Teilschichten der
Isolierschicht sowie die :·. onzeniration des Phosphorpentoxyds
in der Phospho.silikatschicht so gewählt sind, daß die Relation
0.3
/mV' Vh ■ X11 V11
/; -t- inN- t- /;" ■ v
/; -t- inN- t- /;" ■ v
.V11
gilt, wobei /: die Dielektrisitätskonstante der gesamten
dielektrischen Schicht. N den Molenbruch des Phosphorpenloxydcs. /11 eine Proportionalitätskonstante
mit dem Wert von etwa .30 und l'h die maximal an
den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeutet.
Der Erfindung Hegt die Erkenntnis zugrunde, daß
die Verschiebung der Schwcllwertspannung I F, nicht
nur abhängt vom Verhältnis v„ .;.<. d.h. dem Verhältnis
der Dicke der Phosphorsilikatglasschicht zu der restlichen dielektrischen Schicht, aus der die
dielektrische Gesamtschicht zwischen leitendem Kanal und Steuerelektrode aufgebaut ist. sondern daß auch
noch eine Abhängigkeil von tier Konzentralion des
in die Phosphorsiükatglas.-.chichl eingebauten Phosphorpcntoxyds
besteht. So wurde empirisch gefunden, daß die Abweichung der Schwcllwertspannung IF,
gegeben ist durch den Ausdruck:
K Λ- .V-J',.
-V1,
wobei K eine Proportionalitätskonstante. Λ den
Molcnbruch des eingebauten Phosphorpentowds in der Phosphorsilikatglasschich: und I1, die Vorspannung
des Steucrgiiters bedeutet.
Aus einer gegebenen P2O5-Konzcntrati.>n kann
somit .las Verhältnis v,( \„ berechnet werden und umgekehrt.
Um eine Verunreinigung der unter der Isolierschicht liegenden Si-Oberfläche zu vermeiden, ist
es dabei vorteilhaft, daß das Verhältnis .x„ der Phosphorsilikatglasschicht
zur Dicke v„ der restlichen Isolierschicht < 3 ist.
Eine wesentliche Maßnahme nach der Lehre der Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß der
Molcnbruch des Anteils an in die Phosphorsilikatglasschicht eingebautem P2O, innerhalb eines kiilischer.
Bereichs gehalten wird. Hierbei liegt die obere Grenze bei 0.09, womit sichergestellt ist, daß die
Ladungspolarisation noch keine störende Rolle spielt.
I 941
und die untere Grenze ist gegeben durch die Beziehung
N = 2 · K) 4
womit noch für eine ausreichende Wirksamkeit der eingebauten Substanz als Barriere gegen eine Ionenwanderung, insbesondere von Alkaliionen, gesorgt ist.
FJn vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen von Feldeffekttransistoren ist so
ausgebildet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstcllungsverfahrens PC)(I, -f O, in einem
inerten Trägergas über die SiOi-Schicht bei einer Temperatur von 800 bis ICKX) C geleitet wird, derart,
daß durch Eindiffusion von P2O5 in die SiO2-Schicht
die Phosphorsilikatglasschicht entsteht.
Die Erfindung wird an Hand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Es zeigt
Fig. IA bis I D einige Verfahrensschritte bei der
Herstellung der Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet sind,
F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des in F ig. ID dargestellten Querschnitts, wobei eine
positive Vorspannung der Steuerelektrode angenommen ist.
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Schwellwcrtspannungsvcrschiebung I VT in
Abhängigkeit von der elektrischen Belastung bei niedriger Temperatur aufgetragen als Funktion \„ V1,.
wobei als Parameter verschiedene Konzentrationen von 1',O5 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht
angenommen sind,
F i g. 4 Änderungen der Größe IF7 unter verschicdcnen Bedingungen durch längere elektrische
Belastung bei hohen Temperaturen und
F 1 g. 5 ein Diagramm des Verhältnisses \„ x„ in
Abhängigkeit von der Ρ,Ο,-Κοη/cnlration innerhalb
der Phosphorsilikatglasschicht mit bestimmten Werten der Verschiebung IF7 der Schwellwertspannung
als Parameter
Die I ig. I A bis I D erläutern einige Zwischenstufen
des Herstellungsverfahrens von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode. Ein derartiger Herstcllungsprozcß wurde bereits anderweitig beschrieben.
Durch dieses Verfahren können viele derartige Transistoren in Massenfabrikation aus einem einzigen
Halbleiterplättchen hergestellt werden, wobei der Kanal entweder vom n- oder vom p-l.citungstyp ist.
In Fi g. I is! mit I ein p-leilcndes Siliziumplättchen
bezeichnet, das durch konventionelle Verfahren mechanisch geläppt und chemisch poliert wurde, um
alle fremden ()berfläehen\erunremigungen /11 entfernen.
Der eigen!liehe Herstellungsprozcß beginnt
damn, daß die Oberfläche ties Plättchens I einem
O.xvdationsprozeß unterworfen wird, wobei sich eine dicke Schicht 3 aus SiO. auf der Oberfläche bildet.
Das Plättchen I kann zu diesem /weck beispielsweise einem 'M lockcn-Naß-T rockeii"-Prozcß unterworlen '*'
werden, wobei das Plättchen sukzc.sivc einer Sauersioffatmosphäre.
einem Wasserdampfund wiederum
einer Sauerstoffatmosphärc au-ueset/l und. wahrem'
das Plättchen mit I 'ingchung auf cmc erhöhte I empcratur.
beispielsweise auf 1MO ( autgeheizl wird. Meisi ^
v. in! eine SiO;-Schicht 3 \on der Dicke /wischen
20(Ki und "000 Λ aufgebracht, die gleich/eilig auch
■iU M.iske hei der l· indilliisii-.n der ( 'neuen- b/w
Senkenelektroden dienen kann. Beispielsweise werden zu diesem Zweck die Diffusionsfcnster 5 und 7 in
der SiO,-Schicht angebracht, wozu übliche photolithographische Atzverfahren benutzt werden können.
Zur Herstellung der n-leitendcn Qucllen-Senkcn-Gcbicte 9 und Il wird das Plättchen I mit der SiO2-Maskc 3 mit einer Oberfläche einem gasförmigen
Phosphorstrom zum Eindiffundieren ausgesetzt. Das Plättchen 1 wird dabei auf eine erhöhte Temperatur,
beispielsweise auf 870 C aufgeheizt. Fs bildet sich eine dünne (in der Figur nicht gezeigte) Schicht aus einer
Phosphor-Silizium-Sauerstoff-Verbindung auf allen
frei liegenden Oberflächen des Plättchens I und auf der gesamten maskierenden SiO,-Schicht 3. Anschließend wird das Plättchen 1 auf eine höhere Temperatur, beispielsweise auf KKXI bis 13(X) C aufgeheizt.
Hierbei wird die Phosphor-Silizium-Sauerstoffschicht in dem Quellen- und Senken-Gebiet teilweise zersetzt,
und es ergibt sich eine Phosphordiffusion in die infolge der Maskenfenster frei gelegten Quellen- und
Senkengebiete 9 und 11 des Plättchens 1. Gleichzeitig
diffundiert P2O5 in die Oberfläche der SiO,-Schicht 3
ein. wodurch diese in die endgültige Phosphorsilikatglasschicht 13 umgewandelt wird. Da die Phosphorsilikatglas-chicht 13 und die Quellen- und Senkengebiete 9 und 11 durch den gleichen Diffusionsprozcß
erzeugt werden, ist die erforderliche Tiefe und die erforderliche Dotierungskonzentration der Quellcn-
und Scnkenelektroden 9 und 11 leicht in kontrollierbarer Weise zu erhalten. Dementsprechend ist die
P_,O5-Konzentration in der Phosphorsilikatglaschicht
13 hoch, beispielsweise mehr als K) Moiprozcnt. so daß sich eine verstärkte Ladungsträgerpolarisation
entsprechend einem an späterer Stelle beschriebenen Mechanismus ergibt. Demnach kann die Dicke der
Phosphorsilikatglasschicht nicht unabhängig gesteuert werden. Raumladungscffekte entlang der Si-Oberflächc 15 der Trennschicht zwischen Si und SiO,
sind nicht kritisch. Sie können in bekannter Weise durch eine Vorspannung des Substrats, wie sie im
folgenden noch im Zusammenhang mit der F i g. I D beschrieben wird, kompensiert werden.
1st der Diffusionsvorgang für das Quellen- und Senkengebiet 9 und 11 abgeschlossen, so wird, wie
aus Fig. 1 B zu ersehen, die Steuerelektrode gebildet
und das Plättchen mit der Isolierschicht 17 für die Steuerelektrode versehen. Im allgemeinen bilden Teile
der Oxydschicht 3 zusammen mit Bereichen der Phospliorsilikalglasschicht
13 die Oberfläche auf dem Plättchen 1 an der Stelle zwischen Quelle und Senke 9
und 11. Dieser Bereich des Transistors entspricht dem
Kanal 15'. Das Plättchen 1 wird nun in einer Sauersloffatmosphäre bei einer erhöhten Umgebungstemperatur
zwischen 900 und 1150 C einem Reo\\datu>nsprozeß
unterworlen (Fig. IBl. Während diese! Rcowdalion
erfolgt ein Durchdringen der Quellen- und Senkenelektroden 9 und 11 zusammen mit einer Vergrößerung
der Dicke \ tier Phosphorsilikatglasschicht 13. wobei das Anwachsen der letzteren auf Kosten
der Si()--Schicht 3 geschieht. Zusätzlich wird /wischen
Quelle und Senke 9 und II eine dünne SiO:-Schicln
17 auf der Oberfläche des Plättchen» I gebildet. Die
dünne Si( »--Schicht 1". die bei der fertiggestellten
1 iansi-.ti>rst! uMiir die Isolierschicht fin das Steuermittel'
abgibt, wird voizugsweisc mit eine; etwas reduzierten
Dicke, d. h mit einer Dicke /wischen 200 und iOiKi V hergestellt, eine; Dicke, bei welcher kap.i/iiive
Nlvk'iC. die bei der Modulation tier Minoritätsträiier-
t 941
dichte innerhalb des leitenden Kanals 15' eine Rolle spielen, verstärkt und die Steilheit gm vergrößert
werden können.
Di-J passivierende Phosphorsilikatglasschicht 19.
die oberhalb des leitenden Kanals 15' gebildet wird. erhält eine PjOs-Konzentration, die innerhalb eines
bestimmten Wertbereichs gesteuert vird. Hierzu wird «ach der Herstellung der dünnen Si()2-Schicht 17
das Plättchen 1 nochmals einer gasförmigen Atmosphäre
eines geeigneten Dotierungsmaterials ausgefetzt, dessen Konzentration jedoch geringer ist. als die
in Verbindung mit der Fig. IA beschriebene. Diese
niedrigere Konzentration kann beispielsweise durch Transport von POCl, 4- O2 in einem Trägergasstrom
aus Stickstoff bei einer Temperatur von 800 C über das Plättchen 1 durchgeführt werden. Dadurch bildet
sich eine dünne Schicht einer (nicht dargestellten) Phosphorsilizium-Sauerstoff-Verbindung auf den frei
gelegten Oberflächenbereichen der Phosphorsilikatglasschicht 13 sowie auf der dünnen SiO2-Schicht 17.
Das Plättchen 1 wird sodann in einer neutralen Umgebung auf eine Temperatur von 1000 C über eine
Zeit aufgeheizt, die ausreicht, um das P2O5 in die
dünne SiO2-Schicht 17 einzudiffundieren und die
dünne Phosp'norsilikatglasschicht 19 zu bilden. Hierbei wird die Konzentration des Phosphorpentoxyds
sowie die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht 13 ein wenig erhöht. Die Diffusionsparameter werden
in der Weise gesteuert, daß sich ein geeignetes Verhältnis XgIxn der Phosphorsilikatglasschicht 19 und
der dünnen SiO2-Schicht 17 ergibt, wobei sich gleichzeitig
eine bestimmte P2O5-Konzentration einstellt.
Wie nachstehend beschrieben, wird durch diese Maßnahmen erreicht, daß die Schwellwertabweichung 1VT
sich innerhalb eines annehmbaren Wertebereichs
bewegt.
Als letzter Schritt bei der Herstellung erfolgt, wie
aus Fig. ID hervorgeht, ein Metallisierungsschritt
zur Herstellung der Kontakte 21 und 23 für die Quellen- und Senkenelektroden sowie für die Steuerelektrode
25, welche sich oberhalb des leitenden Kanals 15' erstreckt. Zu diesem Zweck werden
zunächst Durchbrüche in der dünnen Oxydschicht mittels konventioneller photolithographischer Methoden
hergestellt, wodurch Teile der Quellen- und Senkenelektrode!! 9 und 11 frei gelegt und der Ko;.-laktierung
zugängig gemacht werden. Anschließend %\\ά eine zusammenhängende Metallschicht, beispielsweise
aus Aluminium, auf di·- gesamte Oberfläche
iflcs Plättchens 1 aufgebracht. »· obei sich die Metalliiierung
auch durch die vorher erstellten Öffnungen innerhalb der Schicht 17 erstreckt und so einen
Ohmsehen Kontakt zu den cindiffundicrtcn Quellenlird
Senkenelektroden 9 und 11 bildet.
Mit Hilfe von bekannten photolithographischen >: und Atzverfahren wird schließlieh die F.lektrode
71 r Kontaktierung der Steuerelektrode zusammen mit den erforderlichen Sclialtverbindiingcn zwischen
di:n verschiedenen, einer größeren Schaltungseinheit
angehörenden Feldeffekttransistoren auf dem Platt- <*>
dien 1 erstellt. In der schematisch in Fig. ID dargestellten
Konfiguration sind die Verbindungen mit einem äußeren Schaltkreis schematisch angedeutei.
wobei der Quellenkontakt 21 an Frde liegt, der Senkenkontakt 23 an einer geeigneten Spannungs- ^5
quelle ^V über einen Arbeitswiderstand R geführt ist und die Steuerelektrode an eine FingangssignaliiniMle
S über ein weiteres Metallisierungsmuster hinweg angeschlossen ist. Weiterhin ist das Plättchen
selbst negativ vorgespannt mittels der Spannungsquclle - Γ. Hiermit wird erreicht, daß keinerlei
Inversionsschicht an der Grenzfläche 15 zwischen Silizium und Siliziumdioxyd infolge von Rautnladungscffckten
auftreten kann.
Die F" i g. 2. in welcher der Bereich der Steuerelektrode
der in F ig. ID gezeigten Struktur ausschnittsweise
vergrößert dargestellt ist, dient zur Frläulcrung. auf welche Weise durch Steuerung der
Raumladungscffektc eine Stabilisierung des Spannungsschwcllwcrtes F, erreicht wird. Kurz gesagt,
werden die Raumladungscffckte dadurch gesteuert, daß die P2O,-Konzcntration in der Phosphorsilikatglasschicht
herabgesetzt wird und daß die Dicke \„ der Phosphrrsilikatglasschicht 19 zu der Dicke .Y0 der
SiOj-Schicht 17 in ein bestimmtes Verhältnis \a .vo
gebracht wird.
Aus physikalischen Gründen ist anzunehmen, daß bei elektrothermischer Beanspruchung der Struktur
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 eine Ladungsrückverteilung stattfindet. Bei elektrischer Belastung
im Bereich niedriger Temperaturen tritt infolge der Drift von nicht zur Brückenbildung beitragenden
Sauerstoffionen zwischen Zentren entgegengesetzter Ladung innerhalb des Gitternetzes der Phosphorsilikatglasschicht
19 eine Zurückorientierung der Dipole ein. Bei elektrischer Beanspruchung unter
hohen Temperaturen wandern die Sauerstoffionen durch das Gitternetz der Phosphorsilikatglasschicht
19 hindurch und sammeln sich bei positiver Stcucrclektrodenvorspannung an der Trennschicht 27 zwischen
Metall- und Phosphorsilikatglasschicht. Bisherige F.rfahrungen lassen nicht darauf schließen,
daß innerhalb der dünnen SiO,-Schicht 17 eine Ladungspolarisation stattfindet, da thernvsch aufgewachsenes
und anschließend einer geeigneten Wärmebehandlung unterworfenes SiO2 aus einem chemisch
gesättigten Gitternetz aus tetraederartig angeordneten SiO4-lonen aufgebaut ist. Da andererseits
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 SiO4-Tetracder
durch PO4-Tetraeder substituiert sind, ist
ein nicht brückenförmig gebundenes Sauerstoffion mit jedem anderen der willkürlich über das gesamte
Gitternetz verteilten Phosphoratome verbunden. Die Neigung der nicht in Brückenform gebundenen
Saucrstoffioncn. zwischen den Ladungszentren zu driften, ist jedoch eine Funktion des Abslandes dicsci
Zentren, also der P;(VKonz.entraiion und eine Funk
tion der elektrothermischen Beanspruchung cLr Phos
phorsilikalglasschicht. also der Vorspannung F,.. Da
Driften von Sauerstoffionen ohne Brückcnbrndum zwischen Ladungszentren hat einen dipolaren F.ffek
zur Folge, durch welchen. w;e in F i g. 2 angedeutei
eine Raumladung entgegenge- 'zter Polarität entlan
der gegenüberliegenden, haup:-.ichlichcn O her flache
der Phosphorsilikatglasschic',. ί9 antritt.
Für die Wahrscheinlich!,,.:,, daß sieh innerhal
der Phosphorsilikatglassch'e!.. zwei Zentren en
> gegengesetzter Ladung in ·. per Nachbarschaft hi
finden, kann eine quadrate :,e Abhängigkeit von di
P:O;-Konzentration ange : ;r.;;ien werden. Diese qu;
dratische Abhängigkeit ν .; ,lcr P;05-Konzemratio
gilt jedoch nur für verl ,nsmäßig vcidünntc Li
sungen: für konzentrier! ,, Lösungen ergibt sich ai
einfachen statistischen ■ und en eine Abweichui
von diesem quadratic -1 Gesetz. Da die Ladung
polarisation auf di; hosphorsilikatglassehicht
1 941 27S
ίο
begrenzt ist. kann das Verhältnis v„ vc, als Steuerparameter
benutzt werden.
Die Wirkungen der Ladun^spolarisation bestehen
darin, daß cinr kompensierende Raumladung entlang
des leitenden Kanals 15 des Feldeffekttransistors induziert wird, wodurch sich eine Verschiebung des
Schwellweites F, ergibt. Zum Beispiel wird die negative Raumladung, die auf Grund der Polarisation an
der oberen Oberfläche der Phisphorsilikalglassehieht 19 auftritt, entlang der angrenzenden Oberfläche
der Steuerelektrode 25 fast völlig kompensiert. Infolge der durch die Polarisation entstandenen positiven
Ladung entlang der Trcnnfläthe 29 zwischen der
Phosphorsilikatglasschicht und der SKVSchicht wird sowohl im Gebiet der Steuerelektrode 25 als auch im
leitenden Kanal 15 eine kompensierende Raumladung induziert. Der Betrag der kompensierenden Raumladung
entlang des leitenden Kanals 15' ist gegeben durch üen Ausdruck
■v„ -*- .v, '
wobei Q die gesamte, durch Polarisation hervorgerufene
Raumladung entlarg der Trcnnfläche 29 zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SiO2-Schicht
bedeutet. Es wurde empirisch gefunden, daß die Größe der Raumladungicffeklc bzw. der Verschiebung
der Schwellwertspannurg I F, eine lineare
Abhängigkeit vom Verhältnis x„ \, besitzt. Die infolge
der Rcoricntierung der Dipole und weiterhin durch Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht
19 zustande kommende Abweichung der Schwellwcrtspannung II', erreicht einen oberen
Wert, der im wesentlichen von der Vorspannung \'h
der Steuerelektrode abhängt Du Geschwindigkeit,
mit welcher sich die Sättigung des Schwcllvvcrtspannungswcrtes
K7 einstellt, ist jedoch temperaturabhängig,
da sowohl die Rcorientierung der Dipole als auch die Ladungswanderung thermisch aktivierte
Prozesse sind.
Unter elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen stellt sich die Verschiebung der Schwellwcrtspannung
IV7 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht
19 für ein gegeber es Verhältnis \y.\,, und
für eine gegebene P205-Konzentration in relativ
kurzer Zeit, gewöhnlich innchalb einer Stunde, ein.
Unter solchen Bedingungen wächst die Verschiebung IV1 als Funktion der P:0;,-Konzcntration in der
Phosphorsilikatglasschicht 1*· an und strebt der in F i g. 3 dargestellten Sättigung zu. Sobald die Struktur
elektrischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, ist die Verseuchung I Γ, jedoch im
wesentlichen wegen der Ladurgswanderung innerhalb der PhosphorsUikalglasschiclt 19 weiteren F.inwirkunaen
unterworfen. In diesem Falle ist. wie aus F i g. 4 hervorgeht, der Wert, ί uf den sich die Schwellwcrtspannung
Y1 stabilisiert, maßgeblich von der
Größe der Vorspannung Yh der Steuerelektrode abhänaig.
Die Zeit, die zur Stabi isicrung dieser Schwellwertspannung Y1- benötigt wird, ist jedoch eine Funktion
der Umgcbungstemperitiir. Änderungen der
Verschiebung Π Υ der Schwellwertspannung unter verlängerter elektrischer Belastung bei hohen Temperaturen
sehorchcn dem Ausdruck:
\Yr =
II
A loe f.
in welchem 1I7n die jeweilige SchwcHwertverschiebedeutet,
die durch die Reorienticrung der Dipole infolge der elektrischen Beanspruchung bei
niedriger Temperatur zustande kommt, ι ein Zeitwert >
einer Stunde und A eine mit (/V'im., )" multiplizierte
Proportionalitätskonstante ist. wobei η > 2 ist.
In F i g. 3 ist die auf die Vorspannung der Steuerelektrode
bezogene Verschiebung der Sclnvellvvertspannung IF, als Funktion des Verhältnisses .y,( x,,
für verschiedene Prozentanteile der P2()s-Konzcntration
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 unter der Voraussetzung einer elektrischen Beanspruchung
bei niederer Temperatur aufgetragen. Die beobachteten Verschiebungswerte IF, streben in
Abhängigkeit von xq .v„ für jede einzelne I\O5-Kon-
• 5 zentration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 verschiedenen Sättigungswcrlen zu. Die Sättigung
erfolgt bei niederen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen,
die in der Nähe von 40 C und darüber liegen, infolge der Orientierung der Dipole sehr schnell.
wie schon erwähnt, in weniger als einer Stunde. Die F i g. 3 zeigt, daß unter der Voraussetzung elektrischer
Belastung bei niedrigen Temperaturen die Schwellwertspannungsabweichung
I F7 sowohl von dem Verhältnis
\„ \„ als auch von der P2O5-Konzentralion
abhängt. Das Eintreten in die Sättigung der Kurven in F i g. 3 bei wachsendem Verhältnis v„ \„ zeigt an.
daß die innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 angehäufte Ladung an der Trennschicht 29 zwischen
Phosphorsilikatglasschicht und SiO,-Schieht entlang
W dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen völlig kompensiert
ist. wenn
Die unter elektrischer Beanspruchung bei hoher Temperatur sich einstellende Abweichung IF, der
Schvvellwertspannung ist in F" i g. 4 dargestellt. Talsächlich ist das in F" i g. 3 dargeste'lte Verhalten ebenfalls
in den Kurven der F i g. 4 enthalten. Die F i g. 4 berücksichtigt zusätzlich jedoch die Raumladungseffekte.
die durch die Ladungsbewegung hervorgerufen werden. Die Abweichung I F, z. B.. d. h. die Abweichung
der Schvvellwertspannung nach einer Zeit von einer Stunde, wird hervorgerufen durch den zusammengesetzten
Effekt der Orientierung der Dipole bei niedriger Temperatur und gleichfalls durch die
Ladungsbewegung, die infolge der elektrischen Belastung bei hoher Temperatur auftritt. Die Differenzen
zwischen den Kurven der Fig. 3 und 4 sind somit
so verursacht durch den Beitrag der l.adungsbewegunt
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19. weicht ihrerseits abhängt von der Temperatur, bei welchei
der Feldeffekttransistor mit isolierter Steuergitter elektrode betrieben wird. Wiederum hängt die An/ah
>5 der Sauerstoffionen ohne Brückenbindung innerhall
des Gitternetzes dot Phosphorsilikatglasschicht 1' und daher die angehäufte Raumladung entlang de
Trennschicht 29 zwischen der Phosphorsilikatglas und der SiO--Schich» ab von der P2O,-Konzentratioi
tO in der Schicht 19. Die Neigung der einzelnen Kurvei
der F i g. 4 wird bei einer elektrischen Belastung durc eine gegebene Vorspannung F,, der Sleuergiitcrelek
trode maßgeblich bestimmt durJ-> die Temperatu
welcher die Struktur unterworfen ist. Aus der hair logarithmischen Auftragung der Meßergebnisse i
F i g. 4 ist zu ersehen, daß die Abweichung I F7 de
Schwelhvcrtsp.'.nnung in Wirklichkeit eine Sättigun
aufweist bei einen1 Wert, der maßgeblich durch d
Vorspannung V1, der Steuerelektrode bestimmt ist.
Diese Sättigung stellt sich lu'ch einer Zeil ein. die
abhängt von der thermischen Beanspruchung, welcher die Phosphorsilikatgiasschicht 19 ausgesetzt ist. Normalerweise
arbeiten Feldeffekttransistoren bei Temperaturen, die unter 100"C liegen. Wie aus F i g. 4 hervorgeht,
ist nach einer Betriebsdauer von ICF Stunden
bei einer P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikatgiasschicht
von 4 Molprozent und bei einem Verhältnis .V3Z-Y0 von 0.13 sowie bei einer Gesamtdicke
der Phosphorsilikatgiasschicht 19 und der Siliziumilioxydschicht
17 von 1000 Λ eine Abweichung IK7-von
weniger als —0.2 Volt des Schwcllwertes für eine Steuerelektrodenvorspannung Vh = 20 Volt zu erwarten.
Für den Fall, daß die P2O5-Konzentration
< 9 MoI-prozent ist, erhält man eine Abweichung I K7 von weniger
als -0.3 Volt/1000 A. Ist der Molenbruch des P2O5-Gehalts
< 0,09, so wird die Polarisation dci Ladung innerhalb der Phosphorsilikalglasschicht im
wejentlichen nur durch die Reorientierung der Dipole bestimmt. Eine Ladungsverschiebung tritt auch unter
lang anhaltender elektrischer Belastung bei hoher Temperatur nur in sehr geringfügiger Weise ein. Vorzugsweise
sollte der Molenbruch des P2O5-Gehalts
in der Phosphorsilikatgiasschicht 19 mindestens so hoch sein, daß er ausreicht, um die Wanderung der
Alkaliionen zu blockieren, d. h.. N sollte höchstens den folgenden Wert besitzen:
2 · 10
')■
Unter dieser Voraussetzung sind die Raumladungseffekte
entlang dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen reduziert, und die Abweichung I V1 wird gesteuert
durch geeignete Wahl des Verhältnisses .y9.'\„
und einer geeigneten P205-Konzcntration entsprechend
der Fig. 3. Nach Bestimmung der P2O5-Konzenlration
in der Phosphorsilikatgiasschicht 19 kann das geeignete Verhältnis .V9Z-Y0 berechnet werden.
Aus praktischen Gründen empfiehlt es sich, dieses Verhältnis so zu wählen, daß es nicht über 3 liegt,
um eine Verunreinigung der darunterliegenden Siliziumoberfläche, d. h. des Gebiets des Leitungskanals
15. durch Diffusionsvorgänge aus der Phosphorsilikatgiasschicht zu vermeiden. Die Polarisierbarkcit κ der
Phosphorsilikatgiasschicht 19 ist durch den Ausdruck v. = DiN2 gegeben, woh:i m eine Proportionalität ■■
konstante ist, für die experimentell der Wert 30 festgestellt wurde. Auf Grund der Gesetze der Filektrostalik
für schichtartig angeordnete, dielektrische Strukturen gilt hiernach für die Sohwellwertspannungsverschiebiing
\VT eines Feldeffekttransistors
ίο mit isolierter Steuerelektrode und mit eingebauter
Phosphorsilikatgiasschicht 19 der Ausdruck:
ΙΓ, = -
IE -I- γ) X11 4- E.v„
m/V2 V1, X11 .Yn
E 4- /mV2 + /·;.ν9 .ν,,
wobei E die Gesamtdielcktrizitätskonstante des Steuergitterisolators,
d. h. die Dielektrizitätskonstante der Phosphorsilikatgiasschicht 19 und diejenige der Si():-
Schieht 17. bedeutet, welche beide etwa 4 betragen.
Die in F i g. 5 dargestellten Kurven verbinden Punkte gleicher Verschiebung IVT von -0.3VoIt
1000 Λ und -0.1 Volt/1000 Λ miteinander, wobei die
Feldbelastung bei 100 C 2-10" V/cm beträgt. Ki'
Schaltungsanwendungen kann eine Verschiebung de·· Schwcllwertes von etwa 0.3 Volt/1 (XK) Λ als maximalei
Wert zugelassen werden. Weitere Kurven, die Piinku
gleicher Schwellwcrtabwcichungcn zusammenfasser!
können durch Auftragung von y9/.x,, gegen N für spezielle
Werte von Vh erhalten werden, wobei folgende!
Zusammenhang zugrunde gelegt wird:
.Y9 w N2 + E
.Y0 E 4- inN1 V1,' I Iy
Ist de Molenbruch »>on P2O5
< 0.09. so wird t Polarisation der Ladung im wesentlichen nur durch J.
Rückorientierung der Dipole innerhalb der Phospho silikatglasschicht bestimmt. Feldeffekttransistoren tuisolierter
Steuerelektrode r.:it einem Verhältnis .\„ und einem P2O5-Molenbruch
< 0,09 innerhalb oc Phosphorsilikalglasschicht 19 sind in der F i g.
links von der Kurve einzuordnen, die mit -0,3 Vo' 1000 A bezeichnet ist. Solche Transistoren zeigt
stabile Eigenschaften über sehr lange Betricbszeitci
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- ■■*■%_Patentansprüche:I. l-cldeffekiinmsistor mit einem /wischen Quellen- niul Senkenelektrode hclindlichcn. leiten- > den Kanal, über dem eine isolierte S'iuierelekli'ode angeordnet ist. hei dem die isolierende Schicht /wischen Kanal und Steuerelektrode aus einer ersten dielektrischen Tcilschiclu der Dicke V11 und einer weiteren dielektrischen Schicht der u; Dicke v„ aus Phosphorsilikatglas besteht. Jail u r c h ü C k e η iweichnci. daÜ das Dickcn- \eih.iltnis V1 v,, der I eilschichlen (17. 19| der Isolierschicht sowie die Konzentration des l'liosphorpeiiioxuU in der Phosphorsilikatglasschiehl M) uewählt sind, daß die Relation
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