DE1941279C - Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
> mN2 V" · X«A>
= E + mN2 + E ■
= E + mN2 + E ■
0,3
gilt, wobei E die Dielektrizitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht, N der Molenbruch
des Phosphorpentoxyds, m eine Proportionalitätskonstante mit dem Wert von etwa 30 und Vb die
maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeuten.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis xg der
Phosphorsilikatglasschicht (19) zur Dicke X0 des
restlichen Teils der Isolierschicht (17) < 3 ist.
3. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch
des in der Phosphorsilikatglasschicht enthaltenen Phosphorpentoxyds < 0,9 ist.
4. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch
des in der Phosphorsilikatglasschicht enthaltenen Phosphorpentoxyds zwischen 2 · 10"4
(X0Ix9 +\) und 0,09 liegt.
5. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Material
für die nicht aus Phosphorsilikatglas bestehende Teilschicht der Gesamtisolierschicht Siliziumdioxyd
gewählt ist.
6. Verfahren zum Herstellen von Feldeffekttransistoren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstellungsverfahrens POCl3
+ O2 in einem inerten Trägergas über die SiO2-Schicht
(17) bei einer Temperatur von 800 bis 10000C geleitet wird, derart, daß durch Eindiffusion
von P2O5 in die SiO2-Schicht (17) die
Phosphorsilikatglasschicht (19) entsteht.
55
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit einem zwischen Quellen- und Senkenelektrode
befindlichen, leitenden Kanal, über dem eine isolierte Steuerelektrode angeordnet ist, bei dem die isolierende
Schicht zwischen Kanal und Steuerelektrode aus einer ersten dielektrischen Teilschicht der Dicke .Y0 und
einer weiteren dielektrischen Schicht der Dicke xg
aus Phosphorsilikatglas besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Transistors.
In der Technik werden zur Zeit große Anstrengungen bezüglich der Entwicklung verbesserter Feldeffekttransistoren bzw. verbesserter Herstellungsverfahren
für diese gemacht. Bei diesen Herstellungsverfahren ist es wichtig, daß sie sich für Massenfertigung von
Transistoren eignen. Der Feldeffekttransistor ist an sich für derartige Massenherstellungsverfahren besonders
geeignet. Normalerweise besitzen Feldeffekttransistoren eine metallische Steuerelektrode, die in
einem definierten Abstand oberhalb des in der Regel aus Silizium bestehenden Halbleiterkörpers angebracht
ist, wobei eine dünne Zwischenschicht aus dielektrischem Material als Isolator für die Steuerelektrode
dient. Weiterhin sind Quellen- und Senkenelektroden vorgesehen, welche von der Oberfläche her in einem
definierten Abstand in das Halbleiterplättchen eindiffundiert sind, wobei ein sehr dünner Zwischenbereich
auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens einen leitenden Kanal abgibt, dessen Stromfluß von
der Steuerelektrode gesteuert wird. Bei einer geeignet gewählten Vorspannung der Steuerlektrode modulieren
die von den Steuerspannungen hervorgerufenen elektrischen Felder die Trägerdichte innerhalb des
leitenden Kanals und daher auch den Stromfluß zwischen Quellen- und Senkenelektroden. Die Arbeitsweise
eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode ähnelt sehr derjenigen einer Vakuumtriode,
da es sich um ein Verstärkerelement mit Spannungssteuerung handelt und da die gesteuerten
Arbeitsströme zwischen 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 Quellen- und Senkenelektrode eindiffundiert
wird. Darüber hinaus bedarf es zur Fertigstellung der Transistorstruktur lediglich noch der Aufbringung
einer dünnen Isolierschicht für die Steuerelektrode und der metallischen Steuerelektrode selbst
auf diese Isolierschicht.
Die Arbeitscharakteristiken, welche derartige Feldeffekttransistoren
mit isoliertem Steuergitter aufweisen, werden durch die Schwellwertspannung VT gekennzeichnet,
wobei dieser Wert von Raumladungseffekten abhängt, die für das Oberflächen potential des Siliziums
bestimmend sind Derartige Ladungen können auch zurückzuführen sein auf eine Restträgerdichte an den
Zwischenflächen zwischen den Silizium- und Siliziumdioxydoberflächen, die den leitenden Kanal bilden.
Die Raumladungseffekte entstehen im wesentlichen durch eine Ladung des Oxyds, die sich anscheinend
innerhalb des Isolators für das Steuergitter ausbildet, und weiterhin durch die Wanderung von Alkaliionen,
insbesondere von Natrium, die sich durch die SiO2-Schicht
unter gewissen Voraussetzungen hindurchbewegen. Diese Raumladungseffekte, die sich oft auch
während längerer elektrothermischer Belastungen der Verstärkerelemente ändern, stellen ein ernstes Problem
in der Technologie der Feldeffekttransistoren dar, und es besteht ein starkes Bedürfnis, diese Effekte zu vermeiden
oder doch wenigstens, beispielsweise durch Kompensation, herabzumindern. Wie unerwünscht
derartige Effekte sind, geht auch bereits daraus hervor, daß Änderungen der Schwellwertspannung VT
nach längerem Gebrauch der Verstärkerelemente die Funktion von Schaltungen, die mit diesen Elementen
aufgebaut sind, sehr stark beeinträchtigen können.
Es ist bereits bekannt, daß durch die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschicht auf einer SiO,-
Schicht, die sich auf der Oberfläche eines Si-Plättchens
befindet, offenbar eine Stabilisierung oder Passivierung der Oberflächenpotentiale auf der Si-Oberfläche
auftritt Anwendungen derartiger Phosphorsilikatglasschichten als Passivbrungsschichten in
integrierten Halbleiterschaltungen sind beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 343 049 beschrieben. Hier
wurde die Phosphorsilikatglasschicht im allgemeinen gebildet durch Erhitzen der Siliziumdioxydschicht
in Gegenwart einer Phosphor-Sauerstoff-Verbindung, beispielsweise von P2O5, POCl3 und ähnlicher Verbindungen.
Diese Verbindungen reagieren mit der SiO2-Schicht und geben eine Schicht von P2O5 - SiO2-Glas
von unbekannter Zusammensetzung. Während der Diffusion nimmt dabei die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht
auf Kosten der SiO2-Schicht zu, wobei die Verschiebung der Trennfläche durch den
Diffusionsvorgang gesteuert wird.' Es wurde auch bereits in einem Aufsatz von D. R.
Kerr mit dem Titel »Stabilisierung-von Passivie- *>
rungsschichten aus Siliziumdioxyd mit P2O5«, erschienen
im IBM-Journal vom September 1964, berichtet, daß die Anwesenheit einer Phosphorsilikatgiusschicht
eine Erhöhung der Stabilität bezüglich des Oberflächenpotentials an Trennflächen zwischen
Si und SiO2 durch Verringerung der Entstehungsgeschwindigkeit
von positiven Raumladungen bewirkt. Weiterhin ist aus dem Aufsatz »Ionentransporterscheinungen
in isolierenden dünnen Schichten« von E. H. S η ο w et al. im »Journal of Applied Physics«
vom Mai 1965 bekannt, daß sich derartige Raumladungen unter der Einwirkung von Natriumionen
ausbilden, die sich stets in SiO2-Schichten befinden.
Derartige, in unpassivierten SiO2-Schichten
vorhandene Alkaliionen zeigen die Tendenz, innerhalb dieser Schicht zu wandern, wenn diese elektrisch belastet
wird, so daß sich die Raumladungsverteilung an der Trennschicht zwischen Si und SiO2 und somit
bei Feldeffekttransistoren die Bedingungen im leitenden Kanal in unkontrollierter Weise ändern.
Auch bei Beobachtung großer Sorgfalt während des Herstellungsprozesses ist es außerordentlich
schwierig, die Anwesenheit von Alkaliionen, insbesondere von Na, in SiO2-Schichten auszuschließen.
Es hat sich herausgestellt, daß bei der Benutzung von phosphorhaltigen Substanzen zur Stabilisierung der
Feldeffekttransistoreigenschaften sich nicht ohne weiteres eine Verbesserung der Transistoreigenschaften
ergibt; vielmehr tritt häufig das Gegenteil ein, und man hat Grund zu der Annahme, daß bei einem zu hohen
Phosphoranteil eine Uberkompensation bzw. weitere noch unbekannte Phänomene eintreten, die insgesamt
eine Verschlechterung der Charakteristik der Transistoren ergeben. Untersuchungen, die bezüglich
der Eigenschaften von SiO2-P2Os-Systemen angestellt
wurden, haben ergeben, daß in solchen Systemen eintretende Polarisationseffekte unter Umständen die
Stabilität von Feldeffekttransistoren mit isolierten Stcucrelektroden verschlechtern können. Hierzu sei
auf einen Aufsatz von E. H. Snow et al. im 6~
»Journal of the Electrochemical Society« vom März 1966 verwiesen. Ein in der genannten Zeitschrift unter
dem Titel »Polarisationsphänomene und andere Eigenschaften von dünnen Phcsphorsilikatglasschichten auf
Silizium« berichtet, daß zwar auf SiO2-Schichten aufgebrachte
Phosphorglasschichten als wirksame Barriere zur Verhinderung der Wanderung von Alkaliionen
benutzt werden können, daß jedoch gewisse Polarisationsvorgänge in dieser Schicht zu verstärkten
Instabilitäten bezüglich der Charakteristik der Transistoren beitragen können, wobei diese schädlichen
Polarisationseffekte besonders bei einer langen elektrischen Belastung unter hoher Temperatur auftreten
können. . c ,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die btruK-tur
und ein Verfahren zur HersteUung der Struktur eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode
anzugeben, bei welchem unerwünschte Uberflächenladungen
in der Gegend der Steuerelektrode so kompensiert sind, daß eine stabile Arbeitscharakteristik
des Transistors, d.h. insbesondere eine relativ konstante Schwellwertspannung VT an der Steuerelektrode,
über längere Zeiten auch bei elektrothermischen
überbeanspruchungen gewährleistet ist
Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Feldeffekttransistor erfindungsgemäß dadurch gelost,
daß das Dickenverhältnis XJx0 der Teilschichten der
Isolierschicht sowie die Konzentration des Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatschicht so gewählt
sind, daß die Relation
03
- E + mN2 + E ■ XJx0
gilt, wobei E die Dielektrisitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht, N den Molenbruch des Phosphorpentoxydes,
m eine Proportionalitätskonstante mit dem Wert von etwa 30 und Vb die maximal an
den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeutet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verschiebung der Schwellwertspannung Λ VT nicht
nur abhängt vom Verhältnis X8Zx0, 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 Abhängigkeit von der Konzentration des in die Phosphorsilikatglasschicht eingebauten Phosphorpentoxyds
besteht. So wurde empirisch gefunden, daß die Abweichung der Schwellwertspannung AVT
gegeben ist durch den Ausdruck:
wobei K eine Proportionalitätskonstante, N den Molenbruch des eingebauten Phosphorpentoxyds in
der Phosphorsilikatglasschicht und Vb die Vorspannung
des Steuergitters bedeutet
Aus einer gegebenen P2O5-Konzentration kann
somit das Verhältnis XgZx0 berechnet werden und umgekehrt.
Um eine Verunreinigung der unter der Isolierschicht liegenden Si-Oberfläche zu vermeiden, ist
es dabei vorteilhaft, daß das Verhältnis xg der Phosphorsilikatglasschicht
zur Dicke ^, der restlichen Isolierschicht < 3 ist.
Eine wesentliche Maßnahme nach der Lehre der Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß der
Molenbruch des Anteils an in die Phosphorsilikatglasschicht eingebautem P2O5 innerhalb eines kritischen
Bereichs gehalten wird. Hierbei liegt die obere Grenze bei 0,09, womit sichergestellt ist, daß die
Ladungspolarisation noch keine störende Rolle spielt,
und die untere Grenze ist gegeben durch die Beziehung
— + «V
N = 2- 10"
womit noch fiir eine ausreichende Wirksamkeit der eingebauten Substanz als Barriere gegen eine Ionenwanderung,
insbesondere von Alkaliionen, gesorgt ist.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen von Feldeffekttransistoren ist so
ausgebildet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstellungsverfahrens POCl3 + O2 in einem
inerten Trägergas über die SiO2-Schicht bei einer
Temperatur von 800 bis 10000C 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
F i g. 1A bis 1D 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 Fig. ID dargestellten Querschnitts, wobei eine
positive Vorspannung der Steuerelektrode angenommen ist,
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Schwellwertspannungsverschiebung AV1- in
Abhängigkeit von der elektrischen Belastung bei niedriger Temperatur aufgetragen als Funktion X9Jx0,
wobei als Parameter verschiedene Konzentrationen von P2O5 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht
angenommen sind,
F i g. 4 Änderungen der Größe A VT unter verschiedenen
Bedingungen durch längere elektrische Belastung bei hohen Temperaturen und
F i g. 5 ein Diagramm des Verhältnisses X9Zx0 in
Abhängigkeit von der P2O5-Konzentration innerhalb
der Phosphorsilikatglasschicht mit bestimmten Werten der Verschiebung AV1- der Schwellwertspannung
als Parameter.
Die Fig. 1A bis 1D erläutern einige Zwischenstufen
des Herstellungsverfahrens von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode. Ein derartiger Her-Stellungsprozeß
wurde bereits anderweitig beschrieben. Durch dieses Verfahien können viele derartige Transistoren
in Massenfabrikation aus einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt werden, wobei der
Kanal entweder vom n- oder vom p-Leitungstyp ist
In F i g. 1 ist mit 1 ein p-leitendes Siliziumplättchen
bezeichnet, das durch konventionelle Verfahren mechanisch geläppt und chemisch poliert wurde, um
alle fremden Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Der eigentliche Herstellungsprozeß beginnt
damit, daß die Oberfläche des Plättchens 1 einem Oxydationsprozeß unterworfen wird, wobei sich eine
dicke Schicht 3 aus SiO2 auf der Oberfläche bildet Das Plättchen 1 kann zu diesem Zweck beispielsweise
einem »Trocken-Naß-Trocken«-Prozeß unterworfen
werden, wobei das Plättchen sukzessive einer Sauerstoffatmosphäre,
einem Wasserdampf und wiederum einer Sauerstcffatmosphäre aasgesetzt wird, während
das Plättchen mit Umgebung auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise auf 9600C aufgeheizt wird. Meist
wird eine SiO^-Schicht 3 von der Dicke zwischen 2000 und 7000 Ä aufgebracht, die gleichzeitig auch
als Maske bei der Eindiffusion der Quellen- bzw. Senkenelektroden dienen kann. Beispielsweise werden
zu diesem Zweck die Diffusionsfenster 5 und 7 in der SiO2-Schicht angebracht, wozu übliche photolithographische
Ätzverfahren benutzt werden können.
Zur Herstellung der η-leitenden Quellen-Senken-Gebiete 9 und 11 wird das Plättchen 1 mit der SiO2-Maske
3 mit einer Oberfläche einem gasförmigen Phosphorstrom zum Eindiffundieren ausgesetzt. Das
Plättchen 1 wird dabei auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise auf 87O0C aufgeheizt. Es bildet sich eine
dünne (in der Figur nicht gezeigte) Schicht aus einer Phosphor-Silizium-Sauerstoff-Verbindung auf allen
frei liegenden Oberflächen des Plättchens 1 und auf der gesamten maskierenden SiO2-SdUCtIt 3. Anschließend
wird das Plättchen 1 auf eine höhere Temperatur, beispielsweise auf 1000 bis 1300° 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 U des Plättchens 1. Gleichzeitig diffundiert P2 O5 in die Oberfläche der SiO2-Schicht 3
ein, wodurch diese in die endgültige Phosphorsilikatglasschicht 13 umgewandelt wird. Da die Phosphorsilikatglasschicht
13 und die Quellen- und Senkengebiete 9 und 11 durch den gleichen Diffusionsprozeß
erzeugt werden, ist die erforderliche Tiefe und die erforderliche Dotierungskonzentration der Quellen-
und Senkenelektroden 9 und 11 leicht in kontrollierbarer Weise zu erhalten. Dementsprechend ist die
P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikatglaschicht
13 hoch, beispielsweise mehr als 10 Molprozent, so daß sich eine verstärkte Ladungsträgerpolarisation
entsprechend einem an späterer Stelle beschriebenen Mechanismus ergibt Demnach kann die Dicke der
Phosphorsilikatglasschicht nicht unabhängig gesteuert werden. Raumladungseffekte entlang der Si-Oberfläche
15 der Trennschicht zwischen Si und SiO2 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. 1D
beschrieben wird, kompensiert werden.
Ist der Diffusionsvorgang für das Quellen- und Senkengebiet 9 und 11 abgeschlossen, so wird, wie
aus F i g. 1B 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 Phosphorsilikatglasschicht 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 Sauerstoffatmosphäre bei einer erhöhten Umgebungstemperatur
zwischen 900 und 11500C einem Reoxydationsprozeß unterworfen (Fig. IB). Während dieser Reoxydation
erfolgt ein Durchdringen der Quellen- und Senkenelektroden 9 und 11 zusammen mit einer Vergrößerung
der Dicke xg der Phosphorsilikatglasschicht 13, wobei das Anwachsen der letzteren auf Kosten
der SiO2-Schicht 3 geschieht Zusätzlich wird zwischen
Quelle und Senke 9 und 11 eine dünne SiO^-Schichi 17 auf der Oberfläche des Plättchens 1 gebildet Die
dünne SiO2-Schicht 17, die bei der fertiggestellten
Transistorstruktur die Isolierschicht für das Steuergitter abgibt, wird vorzugsweise mit einer etwas reduzierten
Dicke, d. h. mit einer Dicke zwischen 200 und
1000 Ä, hergestellt, einer Dicke, bei welcher kapazitive
Effekte, die bei der Modulation der Minoritätsträger-
2490
7 8
dichte innerhalb des leitenden Kanals 15' eine Rolle weg angeschlossen ist. Weiterhin ist das Plättchen
spielen, verstärkt und die Steilheit gm vergrößert selbst negativ vorgespannt mittels der Spannungswerden können. quelle - V. Hiermit wird erreicht, daß keinerlei
Die passivierende Phosphorsilikatglasschicht 19, Inversionsschicht an der Grenzfläche 15 zwischen
die oberhalb des leitenden Kanals 15' gebildet wird, 5 Silizium und Siliziumdioxyd infolge von Raumlaerhält
eine P2O5-Konzentration, die innerhalb eines dungseffekten auftreten kann.
bestimmten Wertbereichs gesteuert wird. Hierzu wird Die F i g. 2, in welcher der Bereich der Steuernach
der Herstellung der dünnen SiO2-Schicht 17 elektrode der in F i g. 1 D gezeigten Struktur ausdas
Plättchen 1 nochmals einer gasförmigen Atmo- schnittsweise vergrößert dargestellt ist, dient zur Ersphäre
eines geeigneten Dotierungsmaterials ausge- io läuterung, auf welche Weise durch Steuerung der
setzt, dessen Konzentration jedoch geringer ist, als die Raumladungseffekte eine Stabilisierung des Spanin Verbindung mit der F i g. 1A beschriebene. Diese nungsschwellwertes VT erreicht wird. Kurz gesagt,
niedrigere Konzentration kann beispielsweise durch werden die Raumladungseffekte dadurch gesteuert,
Transport von POCl3 + O2 in einem Trägergasstrom daß die P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikataus
Stickstoff bei einer Temperatur von 80O0C über 15 glasschicht herabgesetzt wird und daß die Dicke x„ der
das Plättchen 1 durchgeführt werden. Dadurch bildet Phosphorsilikatglasschicht 19 zu der Dicke X0 der
sich eine dünne Schicht einer (nicht dargestellten) SiO2-Schicht 17 in ein bestimmtes Verhältnis XJx0
Phosphorsilizium-Sauerstoff-Verbindung auf den frei gebracht wird.
gelegten Oberfiächenbereichcn der Phosphorsilikat- Aus physikalischen Gründen ist anzunehmen, daß
glasschicht 13 sowie auf der dünnen SiO2-Schicht 17. 20 bei elektrothermischer Beanspruchung der Struktur
Das Plättchen 1 wird sodann in einer neutralen Um- innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 eine Lagebung
auf eine Temperatur von 10000C über eine dungsrückverteilung stattfindet. Bei elektrischer BeZeit
aufgeheizt, die ausreicht, um das P2O5 in die lastung im Bereich niedriger Temperaturen tritt indünne
SiO2-Schicht 17 einzudiffundieren und die folge der Drift von nicht zur Brückenbildung beidünne
Phosphorsilikatglasschicht 19 zu bilden. Hier- 25 tragenden Sauerstoffionen zwischen Zentren entgegenbei
wird die Konzentration des Phosphorpentoxyds gesetzter Ladung innerhalb des Gitternetzes der Phossowie
die Dicke-der Phosphorsilikatglasschicht 13 phorsilikatglasschicht 19 eine Zurückorientierung der
ein wenig erhöht. Die Diffusionsparameter werden Dipole ein. Bei elektrischer Beanspruchung unter
in der Weise gesteuert, daß sich ein geeignetes Ver- hohen Temperaturen wandern die Sauerstoffionen
hältnis χ Ix0 der Phosphorsilikatglasschicht 19 und 30 durch das Gitternetz der Phosphorsilikatglasschicht
der dünnen SiO,-Schicht 17 ergibt, wobei sich gleich- 19 hindurch und sammeln sich bei positiver Steuerzeitig eine bestimmte P2O5-Konzentration einstellt. elektrodenvorspannung an der Trennschicht 27 zwi-Wie
nachstehend beschrieben, wird durch diese Maß- sehen Metall- und Phosphorsilikatglasschicht. Bisnahmen
erreicht daß die Schwellwertabweichung Λ VT herige Erfahrungen lassen nicht darauf schließen,
sich innerhalb eines annehmbaren Wertebereicbs 35 daß innerhalb der dünnen SiO2-Schicht 17 eine
ljewe^ ' Ladungspolarisation stattfindet, da thermisch auf-
AIs letzter Schritt bei der Herstellung erfolgt, wie gewachsenes und anschließend einer geeigneten
aus Fi R ID hervorgeht, ein Metallisierungsschritt Wärmebehandlung unterworfenes SiO2 aus einem chezur
Herstellung der Kontakte 21 und 23 für die misch gesättigten Gitternetz aus tetraederartig ange-Ouellen-
und Senkenelektroden sowie für die Steuer- 40 ordneten SiO4-Ionen aufgebaut ist. Da andererseits
elektrode 25 welche sich oberhalb des leitenden innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 SiO4-Kanals
15' erstreckt Zu diesem Zweck werden Tetraeder durch PO4-Tetraeder substituiert sind, ist
zunächst Durchbrüche in der dünnen Oxydschicht 17 ein nicht brückenförmig gebundenes Sauerstoffion
mittels konventioneller photolithographischer Me- mit jedem anderen der willkürlich über das gesamte
thoden hergestellt, wodurch Teile der Quellen- und 45 Gitternetz verteilten Phosphoratome verbunden. Die
Senkenelektrodcn 9 und 1! frei gelegt und der Kon- Neigung der nicht in Brückenform gebundenen
taktierung zugängig gemacht werden. Anschließend Sauerstoffionen, zwischen den Ladungszentren zu
wird eine zusammenhängende Metallschicht, bei- driften, ist jedoch eine Funktion des Abstandes dieser
spielsweise aus Aluminium, auf die gesamte Oberfläche Zentren, also der P2O5-Konzentration und eine Funkdes
"lättchens 1 aufgebracht, wobei sich die Metalli- 50 tion der elektrothermischen Beanspruchung der Phossierung
auch durch die vorher erstellten öffnungen phorsilikatglasschicht, also der Vorspannung V6. Das
innerhalb der Schicht 17 erstreckt und so einen Driften von Sauerstoffionen ohne Brückenbindung
Ohmschen Kontakt zu den eindiffundierten Quellen- zwischen Ladungszentren hat einen dipolaren Effekt
und Senkenelektroden 9 und 11 bildet zur Folge, durch welchen, wie in F i g. 2 angedeutet,
Mit HiUe von bekannten photolithographischen 55 eine Raumladung entgegengesetzter Polarität entlang
und Ätzverfahren wird schließlich die Elektrode 25 der gegenüberliegenden, hauptsächlichen Oberflächen
zur Kontaktierung der Steuerelektrode zusammen der Phosphorsilikatglasschicht 19 auftritt
mit den erforderlichen Schaltverbindungen zwischen Für die Wahrscheinlichkeit, daß sich innerhalb
den verschiedenen, einer größeren Schaltungseinheit der Phosphorsilikatglasschicht zwei Zentren entaneehörenden
Feldeffekttransistoren auf dem Platt- 60 gegengesetzter Ladung in enger Nachbarschaft bechen
1 erstellt In der schematisch in F i g. 1D dar- finden, kann eine quadratische Abhängigkeit von der
gestellten Konfiguration sind die Verbindungen mit P2O5-Konzentration angenommen werden. Diese quaeinem
äußeren Schaltkreis schematisch angedeutet, dratische Abhängigkeit von der PzQs-Konzentrarion
wobei der Quellenkontakt 21 an Erde liegt, der gut jedoch nur für verhältnismäßig verdünnte Lö-Senkenkontakt
23 an einer geeigneten Spannungs- 65 sungen; für Jconzentriertere Lösungen ergibt sich aus
quelle +V über einen Arbeitswiderstand R geführt einfachen statistischen Gründen eine Abweichung
ist und die Steuerelektrode an eine Eingangssignal- von diesem quadratischen Gesetz. Da die Ladungsquelle S über ein weiteres Metallisierungsmuster hin- polarisation auf die Phosphorsilikatglasschicht
begrenzt ist, kann das Verhältnis XJxn als Steuerparameter
benutzt werden.
Die Wirkungen eier Ladungspolarisation bestehen darin, daß eine kompensierende Raumladung entlang
des leitenden Kanals 15 des Feldeffekttransistors induziert wird, wodurch sich eine Verschiebung des
Schwellwertes K7- ergibt. Zum Beispiel wird die negative
Raumladung, die auf Grund der Polarisation an der oberen Oberfläche der Phosphorsilikatglasschicht
19 auftritt, entlang der angrenzenden Oberfläche der Steuerelektrode 25 fast völlig kompensiert. Infolge
der durch die Polarisation entstandenen positiven Ladung entlang der Trennfläche 29 zwischen der
Phosphorsilikatglasschicht und der SiO2-Schicht 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 den Ausdruck
wobei Q die gesamte, durch Polarisation hervorgerufene Raumladung entlang der Trennfläche 29
zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SiO2-Schicht bedeutet. Es wurde empirisch gefunden, daß
die Größe der Raumladungseffekte bzw. der Verschiebung der Schwellwertspannung IVT eine lineare
Abhängigkeit vom Verhältnis xg/xb besitzt. Die infolge der Reorientierung der Dipole und weiterhin
durch Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 zustande kommende Abweichung
der Schwellwertspannung 1VT erreicht einen oberen
Wert, der im wesentlichen von der Vorspannung Vb
der Steuerelektrode abhängt. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Sättigung des Schwellwertspannungswertes VT einstellt, ist jedoch temperaturabhängig, da sowohl die Reorientierung der Dipole als
auch die Ladungswanderung thermisch aktivierte Prozesse sind.
Unter elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen stellt sich die Verschiebung der Schwellwertspannung AVγ innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 für ein gegebenes Verhältnis XJx0 und
für eine gegebene P2O?-Konzentration in relativ
kurzer Zeit, gewöhnlich innerhalb einer Stunde, ein.
Unter solchen Bedingungen wächst die Verschiebung AVV als Funktion der P2O5-Konzentration in der
Phosphorsilikatglasschicht 19 an und strebt der in F i g. 3 dargestellten Sättigung zu. Sobald die Struktur elektrischen Belastungen bei hohen Temperaturen
ausgesetzt wird, ist die Verschiebung Δ VT jedoch im
wesentlichen wegen der Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 weiteren Einwirkungen unterworfen. In diesem Falle ist, wie aus
F i g. 4 hervorgeht, der Wert, auf den sich die Schwellwertspannung V7 stabilisiert, maßgeblich von der
Größe der Vorspannung Vb der Steuerelektrode abhängig. Die Zeit, die zur Stabilisierung dieser Schwellwertspannung VT benötigt wird, ist jedoch eine Funktion der Umgebungstemperatur. Änderungen der
Verschiebung Δ VT der Schwellwertspannung unter
verlängerter elektrischer Belastung bei hohen Temperaturen gehorchen dem Ausdruck:
in welchem AV1- die jeweilige Schwellwertverschiebung bedeutet, die durch die Reorientierung der Di
pole infolge der elektrischen Beanspruchung bei niedriger Temperatur zustande kommt, t ein Zeitwert
> einer Stunde und A eine mit (Np1O5 )" multiplizierte
Proportionalitätskonstante ist, wobei η > 2 ist.
In F i g. 3 ist die auf die Vorspannung der Steuerelektrode bezogene Verschiebung der Schwellwertspannung
I K7- als Funktion des Verhältnisses XJx0
für verschiedene Prozentanteile der P2O5-Konzentration
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 unter der Voraussetzung einer elektrischen Bean
spruchung bei niederer Temperatur aufgetragen. Die beobachteten Verschiebungswerte \VT streben in
Abhängigkeit von XJx0 für jede einzelne P2O5-Kon-
zentration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 verschiedenen Sättigungswerten 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 .1VT sowohl von dem Ver
hältnis
XJx0
als auch von der P2Os-Konzentration
abhängt. Das Eintreten in die Sättigung der Kurven in F i g. 3 bei wachsendem Verhältnis
XJx0
zeigt an,
daß die innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 angehäufte Ladung an der Trennschicht 29 zwischen
Phosphorsilikatglasschicht und SiO2-Schicht entlang
dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen völlig kompensiert ist, wenn
X9 + Xb
Die unter elektrischer Beanspruchung bei hoher Temperatur sich einstellende Abweichung AVT der
Schwellwertspannung ist in F i g. 4 dargestellt. Tatsächlich ist das in F i g. 3 dargestellte 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 A V1^ z. B-, d. h. die Abweichung der Schwellwertspannung nach einer Zeit von
einer Stunde, wird hervorgerufen durch den zu
sammengesetzten 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 F i g. 3 und 4 sind somit
verursacht durch den Beitrag der Ladungsbewegung
innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19, welche ihrerseits abhängt von der Temperatur, bei welcher
der Feldeffekttransistor mit isolierter Steuergitterelektrode betrieben wird. Wiederum hängt die Anzahl
der Sauerstoffionen ohne Brückenbindung innerhalb des Gitternetzes der Phosphorsilikatglasschicht 19
und daher die angehäufte Raumladung entlang der Trennschicht 29 zwischen der Phosphorsilikatglas-
und der SiQrSchicht ab von der P2O5-Konzentration
in der Schicht 19. Die Neigung der einzehien Kurven der F i g. 4 wird bei einer elektrischen Belastung durch
eine gegebene Vorspannung Vb der Steuergitterelektrode maßgeblich bestimmt durch die Temperatur,
welcher die Struktur unterworfen ist Aus der halb-
6S logarithmischen Auftragung der Meßergebnisse in
F i g. 4 ist zu ersehen, daß die Abweichung A VT der
Schwellwertspannung in Wirklichkeit eine Sättigung aufweist bei einem Wert, der maßgeblich durch die
>5
Vorspannung Vh der Steuerelektrode bestimmt ist.
Diese Sättigung stellt sich nach einer Zeit ein, die abhängt von der thermischen Beanspruchung, welcher
die Phosphorsilikatglasschicht 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 105 Stunden
bei einer P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikatglasschicht
von 4 Molprozent und bei einem Verhältnis XJx0 von 0,13 sowie bei einer Gesamtdicke
der Phosphorsilikatglasschicht 19 und der Silizium dioxydschicht 17 von 1000 Ä eine Abweichung A V1-von weniger als —0,2 Volt des Schwellwertes für eine
Steuerelektrodenvorspannung Vb = 20 Volt zu erwarten.
Für den Fall, daß die P2O5-Konzentration
< 9 Molprozent ist, erhält man eine Abweichung A VT von weniger als -O^Volt/lOOOÄ. Ist der Molenbruch des
P2O5-Gehalts <
0,09, so wird die Polarisation der Ladung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht im
wesentlichen 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 Phosphorsilikatglasschicht 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* ί-2-
Unter dieser Voraussetzung sind die Raumladungseffekte entlang dem leitenden Kanal 15' im wesent-
liehen reduziert, und die Abweichung A VT wird gesteuert durch geeignete Wahl des Verhältnisses XJx0
und einer geeigneten P2 O5-Konzentration entsprechend der Fig. 3. Nach Bestimmung der P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikatglasschicht 19
kann das geeignete Verhältnis XJx0 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 Phosphorsilikatglasschicht
zu vermeiden. Die Polarisierbarkeit κ der Phosphorsilikatglasschicht 19 ist durch den Ausdruck
κ = mN2 gegeben, wobei m eine Proportionalitätskonstante
ist, für die experimentell der Wert 30 festgestellt wurde. Auf Grund der Gesetze der Elektrostatik
für schichtartig angeordnete, dielektrische Strukturen gilt hiernach für die Schwellwertspannungsverschiebung
AVT eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode und mit eingebauter
Phosphorsilikatglasschicht 19 der Ausdruck:
AVj - -
(E+
x, X Vi
mN2 V„ XJx0
+ Ex9 E+ mN2 +ExJx0
wobei E die Gesamtdielektrizitätskonstante des Steuergitterisolators, d.h. diß Dielektrizitätskonstante der
Phosphorsilikatglasschicht 19 und diejenige der SiO2-Schicht 17, bedeutet, welche beide etwa 4 betragen.
' Die in F i g. 5 dargestellten Kurven verbinden Punkte gleicher Verschiebung AVT von -0,3VoItZ
1000 Ä und -0,1 VoItZlOOOÄ miteinander, wobei die Feldbelastung bei 1000C 2-106VZCm beträgt. Für
Schaltungsanwendungen kann eine Verschiebung des Schwellwertes von etwa 0,3 VoItZlOOO Ä als maximaler
Wert zugelassen werden. Weitere Kurven, die Punkte gleicher Schwellwertabweichungen zusammenfassen,
können durch Auftragung von XJx0 gegen JV für spezielle Werte von Vb erhalten werden, wobei folgender
Zusammenhang zugrunde gelegt wird:
mN2 + E
E + mN^VJAV '
Ist der Molenbruch von P2O5
< 0,09, so wird die Polarisation der Ladung im wesentlichen nur durch die Rückorientierung der Dipole innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht bestimmt Feldeffekttransistoren mil
isolierter Steuerelektrode mit einem Verhältnis XJx1
und einem P2Os-Molenbruch
< 0,09 innerhalb dei Phosphorsilikatglasschicht 19 sind in der Fig.'
links von der Kurve einzuordnen, die mit —0,3 Volt, 1000 Ä bezeichnet ist Solche Transistoren zeiget
stabile Eigenschaften über sehr lange Betriebszeiten
249C
TP
Claims (1)
1. Feldeffekttransistor mit einem zwischen Quellen- und Senkenelektrode befindlichen, leitenden
Kanal, über dem eine isolierte Steuerelektrode angeordnet ist, bei dem die isolierende Schicht
zwischen Kanal und Steuerelektrode aus einer ersten dielektrischen Teilschicht dsr Dicke X0
und einer weiteren dielektrischen Schicht der Dicke xg aus Phosphorsilikatglas besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß das Dickenverhältnis XJx0 der Teilschichten (17, 19) der
Isolierschicht sowie die Konzentration des Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatglasschicht
so gewählt sind, daß die Relation
Family
ID=
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