DE2125185A1 - Halbleiterelement mit vorgewähltem Oberfl achenpotenüal - Google Patents
Halbleiterelement mit vorgewähltem Oberfl achenpotenüalInfo
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Description
Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen
Patentanwälte · 4ood Düsseldorf ■ Cecilienallee 76 · Telefon 432732
Unsere Akte: 26 665 19. Mai 1§7
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza",
New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
' "Halbleiterelement mit vorgewähltem Oberflächenpotential"
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterelemente, insbesondere auf ein Verfahren zum Festlegen des Oberflächenpotentials
von Halbleiterelementen.
Man hat erkannt, daß bei vielen Halbleiterelementen, die auf einer Oberfläche eines aus Halbleitermaterial bestehenden
Körpers eine Schicht aus dielektrischem Material, gewöhnlich Siliziumdioxyd, aufweisen, die dielektrische
Schicht eine ihr zugeordnete positive Ladung besitzt, die das Oberflächenpotential des Halbleiterelements beeinflußt.
So bewirkt z.B„ bei Bauteilen, bei denen Halbleitermaterial
des P-Leitfähigkeitstyps verwendet wird, die Gegenwart der positiven Ladung in der abdeckenden, dielektrischen
Schicht ein Anziehen von Elektronen zur Oberfläche des Halbleitermaterials, wodurch die Konzentration von
P-Trägern reduziert wird und in einigen Fällen sogar an der Halbleiteroberfläche eine Inversionsschicht geschaffen
wird. Derartige Effekte sind in bestimmten Fällen unerwünscht, da sie die Fabrikation und Wirkungsweise von Bauteilen,
die Oberflächenbereiche des P-Typs erfordern, negativ beeinflussen, oder Nebenschlußwege zwischen ansonsten
isolierten Bereichen des N-Typs, die entlang der Oberfläche des P-Materials mit Abstand voneinander angeordnet sind,
10 9 850/1635
entstehen, Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die
genannten Nachteile mit wirtschaftlich vertretbaren Maßnahmen zu vermeiden.
Anhand in der beigefügten Zeichnung dargestellter, vorteilhafter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden
näher erläutertβ Es zeigen:
, Fig. 1 einen Halbleiterkörper mit einer darauf befindlichen
dielektrischen Schicht, im Querschnitt;
Fig. 2 einen Halbleiterkörper mit zwei darauf befindlichen dielektrischen Schichten, im Querschnitt;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Veränderung der Ladungsspeicherung
in Abhängigkeit der Temperatur aufgetragen ist, bei welcher die Siliziumnitridschicht
aufgebracht ist; und
Fig. 4 ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil, im Querschnitt,
In Fig. 1 ist ein Substrat 10 aus Halbleitermaterial, bei-.
spielsweise Silizium, mit einer darauf aufgebrachten Schicht 12 aus Siliziumdioxyd dargestellt. Es ist bekannt,
daß die Siliziumdioxydschicht 12, völlig unabhängig von ihrer Herstellung, eine ihr eigene positive Ladung besitzt,
die, wie man annimmt, aufgrund des Vorhandenseins von Anionen-Leerstellen innerhalb der gesamten Schicht zustandekommt.
Die positive Ladung zieht Elektronen an die Oberfläche 14 des Substrats 10, wodurch im Bereich der flachen
Oberflächenschicht 16 - in Fig. 1 gestrichelt angedeutet das Halbleitermaterial eine höhere Elektronendichte hat,
als es sie lediglich aufgrund der speziell vorgenommenen Dotierung des Halbleitermaterials besitzen würde. Wird
z.B. das Halbleitersubstrat 10 mit Bor einheitlich auf
10ÜÜOÜ/1635
15 3
eine Konzentration von 1 χ 10 Atomen pro cm dotiert, so
beträgt die Elektronenkonzentration insgesamt 1 χ 10 pro cm . An der Oberfläche des Substrats kann die Elektronen-
20 3 konzentration jedoch ungefähr 1 χ 10 pro cnr betragen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat sich nun herausgestellt, daß die den Schichten 12 und 20 zugeordnete Dichte der Ladungsträger über große Bereiche festgelegt
werden kann, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, auf der Oberfläche 14 des Halbleiterkörpers 10 eine Kombination
einer dünnen Schicht 12 aus Siliziumdioxyd und einer Schicht 20 aus Siliziumnitrid, die auf die Siliziumdioxydschicht
12 aufgebracht wird, angeordnet und eine bestimmte Temperatur gewählt wird, bei der die Siliziumnitridschicht
erzeugt wird. Mit diesen Maßnahmen ist es insbesondere möglich, die Menge und den Typ der den Schichten 12 und 20 zugehörigen
oder in diesen gespeicherten Ladung genau festzulegen, wodurch das Oberflächenpotential des Körpers 10 erheblich,
und zwar im gewünschten Umfang variiert werden kann. So kann z.B. durch entsprechendes Einstellen der Temperatur,
bei der die Siliziumnitridschicht aufgebracht wird, das Oberflächenpotential des Körpers 10 positiver
oder negativer gemacht werden, als es lediglich entsprechend den Dotierungen innerhalb des Halbleiterkörpers sein
würde. Obwohl es noch nicht sicher bewiesen ist, wird angenommen, daß die Netto-Ladung nahe der Berührungsfläche
zwischen der Siliziumoxyd- und der Siliziumnitridschicht "gefangen" oder gespeichert wird.
Mit einer "dünnen" Schicht aus Siliziumdioxyd ist eine Schicht gemeint, die von Ladungsträgern direkt passiert
werden kann (Tunneleffekt), d.h. eine Schicht von weniger als 50 8. Dicke. Es wird angenommen, daß der Mechanismus,
durch den die hierin beschriebenen Ergebnisse hervorgerufen werden, mit dem Erreichen einer thermischen Gleichge-
10^850/1635
Wichtsbedingung innerhalb der Verbundstruktur der zwei Schichten 12 und 20 und des Körpers 10 zusammenhängt. Die
dünne Schicht aus Siliziumdioxyd, die dünn genug ist, um ein "Tunneln" von Elektronen durch sie zu ermöglichen, und
somit völlig transparent für den Elektronenfluß ist, ist offensichtlich notwendig, um die zu erzielenden Gleichgewichtsbedingungen
zu ermöglichen.
Die Siliziumdioxydschicht kann durch bekannte thermische Ziehverfahren hergestellt werden, wobei z.B. der Körper
10 in Wasserdampf auf eine Temperatur von 6000C erwärmt
wird.
Die Siliziumnitridschicht 20 kann ebenfalls durch bekannte Verfahren aufgebracht werden, z.B. durch Anwenden der
Dampfphasenreaktion von Silan (SiH-) und Ammoniak (NH,),
wobei das Verhältnis von Ammoniak zu Silan in der Größenordnung von 10 000 : 1 ist. Die Temperatur des Prozesses,
deren Änderung die Bestimmbarkeit der Netto-Ladung der Schichten 12 und 20 erlaubt, steht in Beziehung zu der Temperatur,
auf die der Körper 10 erwärmt wird.
Die Dicke der Nitridschicht 20 hat, wenn überhaupt, nur " geringen Einfluß auf die gewünschte Ladungsspeicherung und
wird unter Berücksichtigung der Besonderheiten und gewünschten Charakteristiken des herzustellenden Bauteils
gewählt, Dicken im Bereich von 350 bis 750 % sind typisch.
Das Diagramm in Fig. 3 zeigt das Verhältnis der den Schichten
12 und 20 eigenen Ladung in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der die Siliziumnitridschieht 20 aufgebracht
ist. Dabei gibt die Ordinate die Größe und Polarität der gespeicherten Ladung an, während auf der Abszisse die Temperatur,
bei der die Siliziumnitridschieht aufgebracht wird, in Grad Celsius aufgetragen ist. Die dargestellte
10UÖÖ0/1635
Kurve gilt für ein Element, bei dem die Siliziumdioxydschicht 12 eine Dicke von 20 % besitzt.
Die Einflüsse der in einer isolierten Schicht oder in einer aus mehreren Schichten zusammengesetzten Schicht gespeicherten
oder diesen zugehörigen Ladung auf einen Halbleiterkörper sind grundsätzlich bekannt. Zum Beispiel ergibt
sich der Effekt einer gespeicherten Ladung auf die sogenannte "Flachbandspannung" (flat-band-voltage) eines Halbleiterkörpers
in Annäherung durch folgende Formel, wobei die Kontakt-Potential-Differenzen, die durch den Gebrauch
von Elektroden zum Durchführen der Messungen entstehen, vernachlässigt sind:
vfb = - Q t x 1.8 χ 10~14
Darin bedeuten:
Vfb die "Flacn-Band-Spannung" in Volt,
Q die der isolierenden Schicht zugehörige Ladungsdichte in Ladungen/cm ,
t die Dicke der isolierenden Schicht in Ä und c die relative Dielektrizitätskonstante der isolierenden
Schicht.
Die Spannung V™ ist die äußere Spannung, die zwischen der
oberen oder freien Oberfläche der isolierenden Schicht und dem Halbleiterkörper angelegt werden muß, um die Einflüsse
der der isolierenden Schicht zugehörigen Ladung zu neutralisieren. Bekanntermaßen hat die "Flach-Band-Spannung" eine
spezifische Relation zu den Betriebscharakteristiken bestimmter Halbleiterbauteile, z.B. die Schwellenspannung von
Feldeffekttransistoren.
In Fig. 4 ist ein Typ eines Halbleiterbauteils 40 darge-
1(JUU jü/1635
stellt, bei dem von der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht wird. Das Bauteil 40 besitzt ein Substrat 42 aus
Halbleitermaterial des P-Typs mit einem einheitlichen Bahnwiderstand von 10 Ohm/cm. Zwei getrennte Halbleiterkomponenten
44 und 46 sind einer Oberfläche 55 des Substrats benachbart angeordnet. Jede dieser Komponenten stellt einen
Oberflächen-Feldeffekt-Transistor dar, der Source- 50 und Drain-Bereiche 52 des N-Leitfähigkeitstyps sowie einen
Channel-Bereich 54 des P-Typ-Materials des Substrats enthält. Die Oberfläche 55 des Substrats ist bei jeder Komponente
44 und 46 mit einer ersten Schicht 56 aus Siliziumdioxyd abgedeckt, die ihrerseits von einer zweiten Schicht
58 aus Siliziumnitrid abgedeckt ist. Durch Öffnungen in den Schichten 56 und 58 erstrecken sich bei jeder Komponente
eine Source-Elektrode 60, die mit dem Source-Bereich verbunden ist, sowie eine Drain-Elektrode 62, die an den
Drain-Bereich 52 angeschlossen ist. Eine Gate-Elektrode überdeckt auf der Siliziumnitrid-Schicht 58 den Channel-Bereich
54 jeder Komponente.
Die Oberfläche 55 des Siliziumsubstrats zwischen den Komponenten 44 und 46 wird durch eine erste Schicht 68 aus
Siliziumdioxyd bedeckt, die ihrerseits mit einer zweiten Schicht aus Siliziumnitrid belegt ist»
Die verschiedenen Elektroden können aus Aluminium, Gold, hochdotiertem Silizium odQdgle bestehen.
Ohne die die Siliziumdioxyd-Schicht 68 abdeckende Siliziumnitrid-Schicht
70 zwischen den Komponenten 44 und 46 hat in der Vergangenheit ein Problem darin bestanden, daß zufolge
der der Siliziumdioxydschicht 68 zugehörigen positiven Ladung die Leitfähigkeit der Oberfläche des Substrats
42 umgekehrt werden kann, deh, ein Channel 74 vom N-Typ
- in Fig. 4 gestrichelt dargestellt - bildet sich mit gro-
'109860/1635
ßer Wahrscheinlichkeit in dem ansonsten P-Leitfähigkeit
aufweisenden Substrat, der den Drain-Bereich 52 der einen Komponente 44 mit dem Source-Bereich 50 der anderen Komponente
46 verbindet. Je nach dem besonderen Verwendungszweck des Bauteils, kann dies unerwünscht sein, da damit
ein Stromweg zwischen den Komponenten 44 und 46 geschaffen wird, die ansonsten elektrisch voneinander isoliert sind»
Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag, eine Siliziumnitridschicht 70 anzubringen, wird dieses Problem vermieden. Somit
wird durch Aufbringen der Nitridschicht 70 bei einer Temperatur, die sich aus dem Vorhandensein entweder keiner
oder einer negativen, den Schichten 68 und 70 zugehörigen Ladung ergibt, z.B. bei einer Temperatur von über ungefähr
8300C (vgl. Fig. 3), die Ausbildung eines Channel-Bereichs
74 vom N-Typ verhindert.
Auch bei den beiden Komponenten 44 und 46 wird durch das Vorhandensein der Nitridschichten 58 in gleicher Weise der
Effekt der normalerweise den Siliziumdioxydschichten 56 zugehörigen positiven Ladung modifiziert. Je nach der besonderen
Einschaltspannungscharakteristik, die von den Transistoren verlangt wird, können die Nitridschichten 58
bei einer Temperatur aufgebracht werden, die entweder die positive Ladung der Oxydschicht steigert oder dieser entgegenwirkt.
Bei herkömmlichen Feldeffekttransistoren mit einem Substrat des P-Leitfähigkeitstyps, bei denen der Gate-Isolierstoff
nur aus einer Siliziumdioxydschicht mit einer Dicke von ungefähr 1000 2. besteht und das Siliziumsubstrat auf
15 ^
eine Konzentration von 1 χ 10 ^ Atomen pro cnr dotiert ist,
ergeben sich somit z.B. Transistoren des sogenannten Ausschöpf ungs- oder Verarmungstyps, die eine Gate-Elektroden-Schwellenspannung
von ungefähr -2 Volt besitzen. Bei an-
109850/1635
sonsten identischen Transistoren, die jedoch einen Gate-Isolierstoff
aufweisen, der aus einer 20 Ä dicken Schicht aus Siliziumdioxyd "bedeckt mit einer 1000 2. dicken Schicht .
aus Siliziumnitrid besteht, die bei einer Temperatur von 10000C aufgebracht ist, beträgt die Schwellenspannung ungefähr
+2,3 Volt. Das bedeutet, daß das Bauteil, das erfindungsgemäß hergestellt wird, zum Steigerungs- oder Anreicherungstyp
gehört. Bekanntermaßen ist die Herstellung von Feldeffekttransistoren mit einem P-Channel-Bereich, die
diesen Steigerungseffekt aufweisen, bisher recht schwierig gewesen.
Im allgemeinen kann die Schwellenspannung der zuvor beschriebenen Feldeffekt-Bauteile im Rahmen der vorliegenden
Erfindung zwischen ungefähr -7,3 Volt - bei einer Aufbringtemperatur für eine Nitrid-Schicht von 6500C - und ungefähr
+2,3 Volt - bei einer Aufbringtemperatur von 10000C für
eine Nitridschicht - variiert werden.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Bauteil ist die Siliziumnitridschicht
70 zwischen den Komponenten 44 und 46 dicker als die Siliziumnitridschichten 58 der Komponenten selbst.
Zum Beispiel kann die Schicht 70 eine Dicke von mehr als 10 000 S besitzen, während die Schicht 58 ungefähr 1000 8.
dick ist. Der Grund dafür liegt darin, daß in vielen Fällen die verschiedenen Gate-Elektroden der verschiedenen
Komponenten auf dem Substrat durch nicht dargestellte, leitende Schichten aus Metall verbunden sind, die auf die
zwischen den Komponenten befindlichen isolierenden Schichten aufgebracht werden. Sobald eine für das Einschalten
der verschiedenen Komponenten ausreichende Spannung an den Gate-Elektroden der Komponenten angelegt wird, besteht dieselbe
Spannung zwischen den leitenden Metallschichten und dem Substrat durch die isolierenden Schichten zwischen den
Komponenten. Dadurch, daß die isolierenden Schichten zwi-
10bbou/1635
sehen den Komponenten hinreichend dick gemacht werden,
reicht die Einschaltspannung für die Komponenten nicht aus, um leitende Kanäle zwischen den Komponenten zu verursachen,,
Claims (5)
1. Verfahren zum Bilden eines bestimmten Potentials an der
Oberfläche eines Siliziumkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne, den Tunneleffekt
zulassende, erste Schicht aus Siliziumdioxyd auf die Oberfläche aufgebracht und eine Schicht aus Siliziumnitrid
bei einer vorgewählten Temperatur auf der ersten Schicht angeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziumdioxyd-Schicht eine Dicke von weniger als 50 Ä besitzt, und daß die Siliziumdioxyd-Schicht
mit einer Siliziumnitrid-Schicht bei einer Temperatur belegt wird, die entweder zu einer neutralen
oder zu einer negativen Netto-Ladung in den Schichten gehört.
W 3· Halbleiter-Bauteil mit vorgewähltem Oberflächenpotential,
gekennzeichnet durch einen Siliziumkörper, eine dünne, den Elektronen-Tunneleffekt zulassende
erste Schicht aus Siliziumdioxyd auf einer Oberfläche des Siliziumkörpers und durch eine Siliziumnitrid-Schicht auf
der Siliziumoxyd-Schicht, wobei die Schichten eine negative Netto-Ladung besitzen.
4. Halbleiter-Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennze ic h η e t 9
daß der Siliziumkörper den P-Leitfähigkeitstyp besitzt und in ihm nahe seiner einen Oberfläche zwei Halbleiter-Kompo-
1 0 ij b L 0 / i 6 3 5
nenten mit Abstand voneinander angeordnet sind, wobei sich die dünne, den Elektronen-Tunneleffekt zulassende erste
Schicht aus Siliziumdioxyd auf der genannten Oberfläche zwischen den beiden Komponenten befindet und eine zweite
Schicht aus Siliziumnitrid auf die Siliziumdioxyd-Schicht aufgebracht ist, und daß diese Schichten eine negative
Netto-Ladung besitzen.
5.yHalbleiter-Bauteil nach Anspruch 4, dadurch g e s—
kennzeichnet , daß jede der Komponenten ein Feldeffekt-Transistor mit Source-, Drain- und Channel-Bereichen
ist, wobei eine dünne, den Elektronen-Tunneleffekt zulassende dritte Schicht aus Siliziumdioxyd auf der genannten
Oberfläche dem Channel-Bereich Jeder der Komponenten überlagert ist und eine vierte Schicht aus Siliziumnitrid
sämtliche dritten Schichten bedeckt, daß die dritten und vierten Schichten eine negative Netto-Ladung besitzen,
und daß die zweite Schicht aus Siliziumnitrid zwischen den Komponenten dicker ist als die vierte Siliziumnitrid-Schicht
.
1635
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