DE2017172C3

DE2017172C3 - Halbleiteranordnung, die eine Passivierungsschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist

Info

Publication number: DE2017172C3
Application number: DE2017172A
Authority: DE
Inventors: Benjaming Burlington Vt. Agusta
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-04-10
Filing date: 1970-04-10
Publication date: 1981-08-20
Also published as: US3611071A; DE2017172A1; DE2017172B2; FR2038361B1; FR2038361A1; GB1263042A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie eine ladungsstabilisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist.

Die Ladungsstabilisierung von SiO2-Passivierungsschichten durch Phosphorsilikatschichten ist aus IBM Journal, Bd. 8 (1964), H. 4, Seiten 376 bis 384 bekannt geworden.

Bei der Herstellung stark verkleinerter integrierter Schaltungen und insbesondere bei der Erstellung der Parallelität der Bit-Leiter einer großen Anzahl monolithischer Speichervorrichtungen ergeben sich besondere Schwierigkeiten durch das Auftreten übermäßig großer Leckströme und bei integrierten Schaltungen tritt besonders ein Muster aus leitenden und zwischenverbindenden metallischen Gebieten hervor, die sich über die mit «inem Oxid bedeckten Oberfläche des monolithischen Chips ausbreiten. Diese Schicht ist eine dielektrische Schicht, z. B. Glas. Das zwischenliegende Metall liegt dabei in der Zwischenzone zwischen einer Schicht aus thermischen Oyidmaterial und einer Schicht aus einkapselndem oder isolierendem Glas. Durch das Glas sind Löcher geätzt, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Gebieten und den Paketklemmen herzustellen. Die Gesamtvorrichtung ist außerdem in eine Kapsel, Dose, Plastik oder dgl. eingeschlossen.

Es ist experimentell gefunden worden, daß Verunreinigungen aus Alkalimetall, zum Beispiel Natrium, das im Prozeßmaterial oder im Kapselmaterial enthalten ist,

durch die Passivierung hinabwandern und das Halbleitermaterial verunreinigen. Diese Verunreinigungen wirken wie bewegliche positive Ladungszentren, welche die relativ niedrig dotierten Halbieitergebiete vom P-Typ im monolithischen Chip zum entgegengesetzten N-Typ-Bereich invertieren. Dies führt zu einer merklichen Steigerung des Leckstromes der Halbleiteranordnung, wie bereits in der US-Patentschrift 33 35 340 erörtert wurde.

Es ist bekannt, daß durch Bildung einer oberen Oberfläche aus Phosphorsilikat über der Schicht aus thermisch hergestelltem Oxid vor dem Metallisieren bewegliche Ladungen an der Grenzfläche der Oxidschicht und der Oberfläche aus Phosphorsilikat abgefangen werden können.

Durch die US-Patentschrift 33 63 152 ist es bereits bekanntgeworden, eine leitende Schicht über der passivierenden Schicht eines Einzeltransistors anzuordnen und dabei ein negatives Potential anzuwenden. Bei dieser bekannten Halbleiteranordnung wurde jedoch nicht das Problem der Verhütung von Ladungsinversion in Betracht gezogen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, P-Typ-Inversionen im N-Typ-Bereich bei mit einer dielektrischen, passivierten Deckschicht bekapselter, integrierten, monolythisch-integrierten und anderen Halbleiteranordnungen zu vermeiden oder zumindest erheblich einzudämmen.

Für eine Halbleiteranordnung mit PN-Obergängen, die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie einer ladungsstabilisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist, besteht danach die Erfindung darin, daß eine negativ geladene Auffangelektrode auf der Phosphorsilikatschicht gegebenenfalls unter Zwischenfügung einer Isolierschicht so angeordnet ist, daß sie sich flächenhaft über das Gebiet des PN-Überganges erstreckt und daß die Auffangelektrode eine Schichtdicke von 500 bis 700 nm aufweist

Die negativ aufgeladene Auffangelektrode nach der Erfindung kann auch bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren verwendet werden. Sie kann dagegen verwendet werden, um Leckströme zwischen Halbleiteranordnungen zu isolieren oder zu verhindern. Sie kann weiterhin dazu verwendet werden, um Verunreinigungen aus positiven Ionenmetallen abzufangen.

Durch Anbringen einer metallischen, leitenden oder abfangenden Elektrode über der passivierenden Schicht und durch Verbindung der Elektrode mit der negativen Klemme einer Stromquelle wird die Elektrode bewegliche positive Ladungszentren anziehen und einfangen. Solange wie die Elektrode mit negativer Spannung gespeist ist, können positive Ladungszentren die Oberfläche des Halbleitermaterials nicht erreichen, um auf diese Weise eine Inversion herbeizuführen.

Die aufgeladene Auffangelektrode hindert bewegliche Ladungsträger an der Bewegung durch die Phosphorsilikatschicht zu den P-Typ-Flächen der Oberfläche des Halbleitermaterials. Die Phosphorsilikatschicht und die Auffangelektrode arbeiten somit zusammen, um eine Inversion in den P-Typ-Bereichen oder eine Verstärkung der N -Typ- Bereiche zu verhindern.

Die Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung für eine beispeilsweise Ausführungsform näher erläutert:

F i g. 1 ist eine isometrische Darstellung einer Halbleiteranordnung, welche gemäß der Erfindung eine

Auffangelektrode enthält.

Fig.2 ist eine Querschnittsdarstellung einer Feldeffektanordnung, welche eine Elektrode gemäß der Erfindung zum Auffangen von Ladungen und/oder eine isolierende Vorrichtung enthält.

F i g. 3 ist ehe andere Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2.

Fig.4 ist eine logarithmische Darstellung des Auffangelektrodenpotentiales, normalisiert auf 100 nm der Dicke des Siliciumdioxids zur Inversionsverhinderung bei verschiedenen Konzentrationen der Verunreinigungen pro cm³ im Halbleitermaterial.

In F i g. I ist mit 1 eine Schicht aus halbleitendem Material bezeichnet Diese schließt eine Fläche 2 ein, welche die üblichen monolithischen Schaltungen mit ihren PN-Übergängen zwischen Zonen verschiedenen Leitungstyps enthält. Obgleich derartige Halbleiterschaltungen meist mit vielen Schaltungen in benachbarten Bereichen eines Halbleiterplättchens hergestellt werden, ist in F i g. 1 zur Erleichterung der Erklärung nur ein Chip mit einer einzelnen Schaltung dargestellt Unmittelbar über oder daneben enthält die Halbleiterschicht 1 eine Schicht 3 aus isolierendem Material. Dieses Material besteht insbesondere aus thermisch hergestelltem Oxidmaterial mit einer Schicht 4 aus Phosphorsilikat

Die Bildung einer solchen Phosphorsilikatschicht ist an sich bereits durch die US-Patentschrift 33 43 049 bekanntgeworden. Die Phosphorsilikatschicht ist eine Mischung des thermischen Oxides mit Phosphorpentoxid.

Auf der Schicht 4 befindet sich eine Anzahl metallischer Gebiete oder leitender Bereiche 5, 6 und 7 wie man sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet Diese Bereiche werden von den Schichten 3 und 4 getragen und sind, was nicht besonders gezeigt ist, mit dem Halbleiter 2 entsprechend der zu konstruierenden Schaltung verbunden.

Unmittelbar über und neben der Schicht 4 und den Gebieten ist eine Schicht 8 für die Einkapselung und/oder Isolation des Halbleiterkörpers und des metallischen Materials, insbesondere aus Glas oder Siliciumnitrid vorgesehen. Die Glasschicht kann durch das in der US-Patentschrift 32 47 428 beschriebene Verfahren hergestellt werden. Eine Anzahl von äußeren Kontaktverlängerungen oder Kontaktklemmen 9, 10 und 11 sind vorgesehen. Die Herstellung geschieht mit den üblichen photolithographischen Verfahren und Ätzmethoden. Zusätzliche, in der Zeichnung nicht besonders dargestellte Schichten, die der Schicht 3 ähnlich sind, können auf die Schicht 8 aufgetragen werden und schließen leitende Teile zum Anschluß an die Stromkreisteile 5, 6 und 7 durch geeignete, nicht besonders gezeigte Mittel ein.

In dieser Anordnung dient die Schicht 8 als isolation zwischen den leitenden Teilen. Die Auffangelektrode ist demgemäß nicht auf ein einzelnes Niveau der Passivierung und Einkapselung beschränkt.

Im Falle dieses Ausführungsbeispieles ist angenommen, daß die Schaltung derart konstruiert ist, daß der Kontaktanschluß 9 ein negatives Potential, welches vorzugsweise das am stärksten negative Potential beim Anschluß der Halbleiteranordnung ist, aufnimmt. Es kann jedoch eine getrennte negative Potentialquelle verwendet werden. Eine leitende Elektrode 12 ist als Auffang auf der oberen Oberfläche der Schicht 6 angeordnet, welche über den Leiter 13 mit dem Anschluß 9 verbunden ist und sich über die gesamte Fläche oder einen Teil des Bereiches 2 in der Schicht 1 erstreckt

Der Leiter 13 kann einen hohen Widerstand haben. Der Widerstand kann in den Halbleiterkörper 1 durch die Diffusion hergestellt werden und in geeigneter Weise mit dem Leiter 13 verbunden sein. Die negativ geladene Auffangelektrode 12 zieht dann die beweglichen positiven Ladungen an.
Die Auffangselektrode 12 kann zusätzlich die Phosphorsilikatschicht 4 ergänzen, indem sie die beweglichen Verunreinigungen innerhalb der thermischen Schicht 3 anzieht, und zwar insbesondere dort wo die Schicht 4 in ihrer Dicke und/oder Dotierungskonzentration entsprechend ihrem konstruktiven Aufbau beschränkt ist Die beweglichen Ladungen erreichen

deshalb nicht den P-Typ-Bereich in der PN-Übergangszone2, und die Ladungsträgerinversion wird vermieden.

Die Auffangelektrode 12 muß eine Dicke haben, die

groß genug ist damit diese als Äquipotentialfläche dienen kann. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist diese Dicke etwa 500 bis 700 nm. Die Auffangelektrode 12 kann irgendeine Form haben und braucht nicht notwendig die in F i g. 1 gezeigte Form aufzuweisen. Die Lage der Auffangelektrode 12 liegt über den Bereichen, die gegen eine Ladungsträgerinversion oder Verstärkung anfällig sind. Es können auch mehrere Auffangelektroden in verschiedenen Niveaus angeordnet werden.
Die Kontaktklemmen 10 und 11 würden normalerweise durch einen Metallniederschlag und durch einen Ätzprozeß in konventioneller Weise über Öffnungen in der Einkapselungsschicht 8 hergestellt werden. Die Auffangelektrode 12 kann während deselben Verfahrensintervalles aufgebracht werden wie das Kontaktmetall. Wenn zum Beispiel eine Chrom-Kupfer-Gold-Elektrode als Kontaktmetall bevorzugt wird, könnte diese auch als Elektrodenmetall dienen. Andererseits kann Molybdän oder Aluminium als Material für die Elektrode verwendet werden.

Die F i g. 2 zeigt eine Feldeffektanordnung mit einem P-Typ-Substrat 1' sowie mit den N-Typ-Zonen 2a und 26. Diese Zonen arbeiten als Source- bzw. Drain-Zone. Die Schicht 3' repräsentiert die Passivierungsschichten und schließt eine aktive Gate-Oxidzone ein. Sie enthält auch die Passivierung für die metallische Zwischenverbindung.

Eine Einkapselungsschicht 8', vorzugsweise aus Glas, Nitrid oder dergleichen, bedeckt die Passivierung und das Verbindungsmetall. Auf der Einkapselungsschicht ist, wie in F i g. 1 beschrieben, eine Auffangelektrode 12' gebildet. Diese zieht die beweglichen positiven Ladungen in der Schicht 8' in Ergänzung mit der Wirkung der Phosphorsilikatschicht 4' an. In der Schicht 8' sind geeignete Durchgangsöffnungen gebildet, um Verbindüngen mit Stromquellen und Schaltungsteilen herstellen zu können. Der negative Anschluß für die Auffangselektrode 12' kann, wie in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben, eine getrennte Zufuhr sein.
Eine andere Feldeffektstruktur ist in F i g. 3 gezeigt.

Hierbei ist die Auffangelektrode 12" auf die Passivierungsschichten 3" und 4" aufgebracht. Diese wird durch die Einkapselungsschicht 8" bedeckt. Die Auffangelektrode 12" kann den gesamten Zwischenraum oder einen Teil des Zwischenraumes zwischen der Source-Elektrode un^H der Gain-Elektrode bedecken. Der Elektrode kann ein negatives Potential durch geeignete, in der Zeichnung nicht besonders dargestellte Mittel, wie in den Fig. 1 und 2 vorgeschlagen, zugeführt werden. Im

Falle der F i g. 3 zieht die Auffangelektrode bewegliche Ladungen aus der darüberliegenden Schicht 8" ab, während im Falle der Fig.2 die auffangende Schicht von der darunterliegenden Schicht 8' Ladungen abzieht. Die Fig.4 veranschaulicht den Mechanismus der Ladungsansammlung in der Einkapselungsschicht 8, der Phosphorsilikatschicht 4, der Passivierungsschicht 3 und dem Halbleiter 1 für den Fall einer Metalloxid-Halbleiter-Kapazitanz. Die Ladungen pro cm² im Halbleiter 1 sind in Fig.4 Abszissenwerte. Es gilt hierfür die folgende Gleichung 1:

In dieser Gleichung sind

N_m = Gesamtzahl der Ionen pro cm² in den verschiedenen Oxidschichten 3,4 und 8 in F i g. 1;

ΛΛ.// = Effektive Zahl der induzierten Ionen-Ladungen pro cm² in der Silciumschicht 1 von Fig. 1;

q = Einheitsbetrag der in Coulomb gemessenen Ladungen;

χ = Dicke des Dielektrikums, gemessen gegenüber der Siliciumschicht 1 nach F i g. 1 von der Auffangpotentialbelegung (Schicht 12 in F i g. 1) in cm;

to = Messung an der oberen Oberfläche der Schicht 8incm;

Ii = Messung am Abschnitt zwischen dem unteren Teil der Oberfläche der Schicht 8 und der oberen Oberfläche der Schicht 4 in F i g. 1 in cm;

f2 = Messung am Abschnitt zwischen der unteren Oberfläche der Schicht 4 und der oberen Oberfläche der Schicht 3 nach F i g. 1 in cm;

tr = Messung am Abschnitt zwischen der unteren Oberfläche der Schicht 4 und der oberen Oberfläche der Schicht 1 in F i g. 1 in cm;

η = Ionenladungsverteilung in der SiO2-Schicht 8 der F i g. 1 in Coulomb pro cm³;

I = Ladungsverteilung der Ionen in der Phosphorsilikatschicht 4 der F i g. 1 in Coulomb pro cm³;

ζ = Ladungsverteilung in der thermischen SiO₂-Schicht 3 nach F i g. 1 in Coulomb pro cm³.

Sowohl die Schicht 8 als auch die Schicht 3 enthalten Verunreinigungen, zum Beispiel Natrium. Blei. Lithium und Kalium sowie Protonen, welche positiv geladen sind. Die Schicht 4 hilft beim Auffangen und beim Gettern dieser Ionen. Die Wirkung der Schicht 8 ist jedoch, infolge ihrer Verunreinigung, der Wirkung der Schicht 4 entgegengesetzt Die Anwendung eines negativen Potentials an einer Auffangelektrode ergänzt den Mechanismus der Schicht 4.

Das Auffangspotential, welches in F i g. 4 in der Ordinatenachse aufgetragen ist, wird durch die Gleichung 2 berechnet:

In dieser Formel sind:

V = Das Potential pro Einheit der Dicke des Dielektrikums, welches auf die metallische Auffangelektrodenschicht 12 nach F i g. 1 aufgetragen ist in Volt pro cm;

q — Der Einheitsbetrag der Ladung in Coulomb;

ε =

= Die Oberflächenladungsdichte, welche gleich der Anzahl von Ladungen pro cm² ist, die man braucht, um soeben die Oberfläche der Halbleiterschicht 1 nach Fig. 1 mit einer Bulk-Dolierungskonzentration Mim Halbleitermaterial zu invertieren;

= Die Anzahl der Bildladungen pro cm², gegeben durchdieGleichungO);
Die Dielektrizitätskonstante in Farad pro cm².

In Gleichung (2) ist die Größe /V₅ durch die Gleichung (3) bestimmt:

N=\ 2, KTN,q-^l\n —'-

In dieser Gleichung (3) sind:
M = Die Anzahl der Substratladungseinheiten pro

cm*;

= Einheitsbetrag der Ladung in Coulomb;
— Dielektrizitätskonstante in Farad pro cm;

K = Boltzmann-Konstante in Elektronenvolt pro Kelvin;

T = Absolute Temperatur in Kelvin;

Ni = Verunreinigungskonzentration im Halbleitersubstrat in Einheiten der Verunreinigung pro cm³:

n, = Intrinsic-Trägerkonzentration pro cm³.

Fig.4 zeigt, daß für den Wert Nat von 1,5χ 10 pro cm² ein P-Substrat, welches eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁵ Atomen pro cm³ aufweist, an der Auffangelektrode 12 eine Spannung von 0,3VoIt pro 100 bm verlangt um die Ladungsträgerinversion zu verhindern. In einer anderen Weise angegeben, braucht

so man zum Beispiel bei einer Dicke von 2000 nm in den Schichten 3, 4 und 8 ein negatives Potential von 6 Volt als Minimum, um die Ladungsträgerinversion im Halbleiterkörper zu verhindern.

Es wurde gefunden, daß bei wachsender Umgebungstemperatur am Halbleiterkörper größere Ladungsmengen in den Schichten 3 und 8 den Halbleiter 1 invertieren. Demgemäß wird das Auffangspotential weiterhin negativ erhöht um die Ladungsträgerinversion zu verhindern. Die höheren Temperaturen führen jedoch zur Steigerung der Beweglichkeit der Ionen. Die in den Schichten 3 und 8 entwickelten Ionen werden daher durch die Auffangelektrode 12 in einer kürzeren Zeitperiode angezogen als dies bei niedren Temperaturen der Fall ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit PN-Übergängen, die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie eine ladungsstabilisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine negativ geladene Auffangelektrode (12) auf der Phosphorsilikatschicht (4) gegebenenfalls unter Zwischenfügung einer Isolierschicht (8) so angeordnet ist, daß sie sich flächenhaft über das Gebiet des PN-Übergangs erstreckt und daß die Auffangelektrode (12) eine Schichtdicke von 500 bis 700 nm aufweist

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Auffangelektrode (12) in verschiedenen Niveaus in Verbindung mit entsprechenden Phosphorsilikatschichten (4) vorgesehen sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (13) zur Auffangelektrode (12) einen hohen Widerstand hat.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Leiters (13) für die Auffangelektrode (12) durch eine Diffusionszone im Halbleiterkörper (1) gebildet und mit einem metallischen Leiter (13) verbunden ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der Auffangelektrode (12) pro 100 nm ihrer Schichtdicke 0,3 Volt beträgt, wenn das P-leitende Substrat eine Störstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ Atomen pro cm³ aufweist.