DE1941279C - Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

> ^{mN2 V}" · ^X«A>
= 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 V_b die maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeuten.

2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis x_g 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.

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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 x_g 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 V_T 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 V_T 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-P₂O_s-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 V_T 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

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- 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 V_b die maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeutet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verschiebung der Schwellwertspannung Λ V_T 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 AV_T gegeben ist durch den Ausdruck:

wobei K eine Proportionalitätskonstante, N den Molenbruch des eingebauten Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatglasschicht und V_b 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 x_g 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 V_T 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 x_g 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-

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dichte innerhalb des leitenden Kanals 15' eine Rolle weg angeschlossen ist. Weiterhin ist das Plättchen spielen, verstärkt und die Steilheit g_m 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 V_T 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 V_T 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 XJx_n 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 IV_T eine lineare Abhängigkeit vom Verhältnis x_g/xb besitzt. Die infolge der Reorientierung der Dipole und weiterhin durch Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 zustande kommende Abweichung der Schwellwertspannung 1V_T erreicht einen oberen Wert, der im wesentlichen von der Vorspannung V_b der Steuerelektrode abhängt. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Sättigung des Schwellwertspannungswertes V_T 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 V_T 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 V_b der Steuerelektrode abhängig. Die Zeit, die zur Stabilisierung dieser Schwellwertspannung V_T benötigt wird, ist jedoch eine Funktion der Umgebungstemperatur. Änderungen der Verschiebung Δ V_T der Schwellwertspannung unter verlängerter elektrischer Belastung bei hohen Temperaturen gehorchen dem Ausdruck:

AV_T = AV_Tq + Alogt,

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 \V_T 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 .1V_T sowohl von dem Ver hältnis XJx₀ als auch von der P₂O_s-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 AV_T 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 V_b 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 V_T der Schwellwertspannung in Wirklichkeit eine Sättigung aufweist bei einem Wert, der maßgeblich durch die

>5

Vorspannung V_h 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 V_b = 20 Volt zu erwarten.

Für den Fall, daß die P₂O₅-Konzentration < 9 Molprozent ist, erhält man eine Abweichung A V_T 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 V_T 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 AV_T 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 AV_T 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 V_b 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 P₂O_s-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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

249C

TP

Claims (1)

Patentansprüche:

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 x_g 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