DE2243988A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den -7. SEB 1972 Berlin und. München Witteisbacherplatz 2
72/1152
Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem aus einer vorzugsweise metallisch leitenden Schicht, einer Isolierschicht und einer Halbleiterzone eines Halbleiterkörpers bestehenden (MIS-) Kondensator, bei der als Isolierschicht vorzugsweise mindestens ein Oxidfilm vorgesehen ist.
Bisher waren Metall-Oxid-Halbleiter-(MOS-)Kondensatoren in Ladungsübertragungsbauelementen generell so gestaltet, daß für jeden Spannungswert zwischen den Elektroden eines Kondensators entweder eine homogene laterale Verteilung oder allenfalls eine gleichsinnige laterale Verlagerung des Ortes des niedrigsten Potentials, das heißt, der Senke für die eingefangenen oder die übernommenen Ladungen erzielt wurde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für verschwindende oder sehr kleine Vorspannungen bei Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren auch ohne Einwirkung auf die Dicke der Isolierbezi ehungsweise der Oxidschicht und ohne die Verwendung von lokal unterschiedlich geschichteten Isoliermaterialien eine unabhängige Beeinflussung des Ortes des niedrigsten Potentials zu erzielen. Damit sollen weiterhin die Eigenschaften eines Halbleiter-Vidikons, das auf dem Prinzip eines MOS-Ladungsübertragungsregisters beruht, verbessert werden. Zusätzlich zu den bereits bekannten Anordnungen soll eine Halbleiteranordnung angegeben werden, die es also ermöglicht, die Orte des niedrigsten beziehungsweise des höchsten Oberflächenpotentials, je nach der Höhe des anliegenden Gesamtpotentials, zu verändern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vorzugsweise metallisch leitende Schicht aus zwei nebeneinanderliegenden Teilschichten mit unterschiedlichem Kontaktpotential zum Halbleiterkörper besteht.
Damit ist eine besonders verlustarme Sammlung von Ladungen oder eine Beeinflussung der Richtung des Ladungstransportes von einem Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator zu einem Nachbarkondensator möglich. Weiterhin kann die elektrische Trennung von integrierten, als Fotodioden betriebenen Halbleiterkondensatoren bei auf dem gleichen Halbleiterkörper aufgebauten und benachbarten Schieberegistern bewirkt werden, wobei die Schieberegister auf einer Ladungsübertragung beruhen und beispielsweise zum Auslesen einer zwischengespeicherten Bildinformation dienen.
Die erfindungsgemäße metallisch leitende Schicht ist in jedem Betriebszustand als gesamtes an das gleiche Potential beziehungsweise an die gleiche Zeitfolge von unterschiedlichen Potentialen angeschlossen. Durch die unterschiedlichen Kontaktpotentiale der verschiedenen Materialien für die Elektrode werden lokale Unterschiede in der Kontaktpotentialdifferenz zu dem darunter vorgesehenen Halbleiterkörper bewirkt.
Allgemein gilt für die Flachbandspannung U eines Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensators
Uo =^Qss + ÜHM'
wobei d die Dicke der Isolierschicht, C* die Dielektrizitätskonstante, Q„„ die effektive Grenzflächenladung und UWM die Kontaktpotentialdifferenz bedeuten.
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Ebenso wie die Flachbandspannung ist auch die Einsatzspannung für die Inversion oder auch das Oberflächenpotential "bei einer gegebenen Vorspannung durch die Kontaktpotentialdifferenz additiv verschoben. Wenn Um die Transistoreinsatzspannung bedeutet, bei der die Minoritätsträgerladungsdichte an der Oberfläche gleich der Majoritätsträgerladungsdichte im Yolumen ist, dann gilt:
n_.n + 2JS in L·. + Cl a,/ LM p ln S_.
Dabei dedeuten U die Dotierungskonzentration des Halbleiters, n. die Elektronendichte im eigenleitenden, undotierten Halbleiter, <£jj die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, £μ die Dielektrizitätskonstante des 0 Isolators, Cf, die Elenientarladung, T die Temperatur und k die Boltzmannkonstante.
Daraus folgt, daß auch IL, direkt über die Kontaktpotentialdifferenz verschoben werden kann, da auch CL0, nicht zwingend von
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den Eigenschaften des Elektrodenmetalls abhängt.
Während sich bei einem Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator mit einem einheitlichen Elektrodenmetall und einer unterschiedlichen Dicke der Isolierschicht in den verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Oberflächenpotentialwerte meistens erst bei einer·von Null an anwachsenden Kondensatorvorspannung aufbauen, stellt sich durch die Einführung von einer vorzugsweise metallisch leitenden Schicht als Elektrodenmaterial aus zv/ei Teilschichten mit unterschiedlichem Kontaktpotential ein von der Vorspannung praktisch unabhängiger Unterschied des Halbleiteroberflächenpotentials zwischen diesen Bereichen des gleichen Potentials der metallisch leitenden Schicht beziehungsweise der Elektrode, aber mit unterschiedlichem Elektrodenmaterial ein. Die oben angegebenen Potentiale sind zunächst als Spontanwerte kurz nach· der Aufprägung einer
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bestimmten Kondensatorspannung zu verstehen, ohne daß durch Ausgleichsvorgänge über eine Trägerregeneration schon Verschiebungen zustande gekommen wären. Derartige Ladungen oder auch optisch erzeugte, beziehungsweise an bestimmten festgelegten Stellen des Halbleiterkörpers injizierte Ladungen v/erden bei den erfindungsgemäß erzeugten lateralen Oberflächenpotentialsenken eingefangen und wieder für Zeiten, die klein sind gegenüber den durch thermische Generation verursachten Ausgleichzeiten, festgehalten oder einer Ladungsübertragung unterworfen. -
Beispielsweise bestehe bei einem Silicium-Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von 10 XIcm und einer Isolierschicht aus Siliciumdioxid mit einer Schichtdicke von 1000 £ die metallisch leitende Schicht aus Aluminium und direkt benachbart aus einem p+-leitenden Silicium. Damit entsteht ein Kontaktpotentialunterschied von 1,2 V. Werden dagegen für die Teilschichten bei demselben Halbleitermaterial Gold und Aluminium verwendet, so entsteht eine Kontaktpotentialdifferenz von 1,3 V. Diese Kontaktpotentialdifferenz beträgt bei Nickel und Aluminium 0,7 V und bei Nickel und η -leitendem Silicium 0,6 V.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Isolierschicht unter den Teilschichten verschieden dick ist. Beispielsweise ist es möglich, unterhalb einer Teilschicht aus Aluminium, eine Schichtdicke der Siliciumdioxidschicht von 1500 Ä vorzusehen. Als Halbleiterkörper dient dabei n-leitendes Silicium. Für den Fall einer sehr kleinen oder einer verschwindenden Vorspannung bildet sich dann eine Oberflächenpotentialsenke mit Einfangeigenschaften für Defektelektronen im Halbleiterkörper bevorzugt unter der Teilschicht aus Aluminium aus, während bei einer zunehmenden Vorspannung die eingefangenen Ladungen sich unter der Teilschicht aus ρ -leitendem Silicium sammeln.
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Damit gelingt es, einen lateralen Ladungsstrom zwischen den Teilschichten im Takt einer Vorspannungsänderung am gesamten Kondensator zu bewirken.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 'einen Schnitt durch ein erstes Ausfuhrungsbeispiel, Pig, 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Vidikon, und
Fig. 4-7 verschiedene PotentialrZeitdiagramme für den Gegenstand der Fig. 3·
In den Figuren werden sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist auf einem Halbleiterkörper 1 aus Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 10 Λ cm, der η-leitend ist. und dessen Dotierung kleiner als 10 '/cm ist, eine Isolierschicht 2 aus Siliciumdioxid, die einige 100 bis 100Ö % dick ist, angeordnet. Auf der Isolierschicht 2 ist eine metallisch leitende Schicht aus einer ersten Teilschicht 3 und einer zweiten Teilschicht 4 vorgesehen. Als Teilschicht 3 und 4 können verschiedene Metalle und/oder hochdotierte, als Elektroden dienende Halbleiterschichten vorgesehen sein. Die Metallschichten 3 und 4 können miteinander in einem unmittelbaren Kontakt stehen oder voneinander durch einen Spalt in der Größenordnung der Dicke der Isolierschicht 2 getrennt sein. Wichtig ist lediglich, daß die beiden Teilschichten verschiedene Kontaktpotentiale besitzen und an einem gemeinsamen Anschluß 6 liegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel grenzen die beiden Teilschichten an der Stelle 5. aneinander. Bei einer kleinen Vorspannung stellt sich die durch 7 dargestellte Raumladungszone (Spontanv/ert) ein. Eine größere Vorspannung besitzt eine Eaumladungszone 8 (Spontanwert).
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Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Isolierschicht 2 unter den Teilschichten 3 und 4 eine verschiedene Schichtdicke auf. Beide Teilschichten 3 und 4· liegen an demselben gemeinsamen Anschluß 6. Der Anschluß 6 ist bei den Ausführungsbeispielen (Fig. 1 und Fig. 2) über eine Spannungsquelle 9 mit dem Halbleiterkörper 1 verbunden. Beispiele für ein elektropositives Kontaktpotential bildet Platin, Gold, Silber und p+-leitendes Silicium. Beispiele für ein elektronegatives Kontaktpotential sind Aluminium, Magnesium, ^-leitendes Silicium.
In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung bei einem Vidikon Verwendung findet.
Dabei sind auf einer Halbleiterscheibe verschiedene Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren 10 mit Fotodiodeneigenschaften angeordnet, wobei der Lichteinfall beispielsweise durch die dünn geätzte Rückseite der Halbleiterscheibe erfolgt. Über eine Zuführung 11 wird den Kondensatoren 10 eine Sperrspannung zugeführt. Die Sperrspannung wird lediglich bei einem sehr kleinen Taktverhältnis auf Null gesetzt, um die aufintegrierten Ladungen in Trennkondensatoren 12 zu überführen. Hierzu muß der Abstand zwischen den Kondensatoren 10 und den Trennkondensatoren 12 ausreichend klein sein. Die Trennkondensatoren 12 liegen an einer Zuführung 13. Als Trennkondensatoren sind die erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen vorgesehen, so daß bei einer nahezu ständigen Vorspannung Null über die Zuführung 13 und die nicht exakt wirksame Begrenzung des Bereiches der optischen Trägererzeugung, die beispielsweise auf der Rückseite der Halbleiterscheibe durch Abdeckung bis in die durch die gestrichelte Linie 16 angedeutete Höhe bewirkt wird, die eindringenden Minoritätsträger von Bereichen 14 eines Schieberegisters und Taktleitungen 15 und 17 ferngehalten, beziehungsweise an diese Bereiche 14 nicht übergeben werden, ob-
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wohl eine Dickenstrukturierung der Kondensatoren 12 bei einer entsprechend großen Vorspannung an der Zuführung 13, also in der Übergangsphase der Bildzeileninformation in das Schieberegister (bestehend aus der Zuführung 15» MIS-Kondensatoren- 14 und einer Zuführung 17 mit MIS-Kondensatoren 18), eine Pptentialsenke im unten gelegenen Dünnoxidbereich und damit eine Übergabe bewirkt. Das Schieberegister enthält wiederum Dickenstrukturierungen, so daß mit nur zwei Phasen an den Zuführungen 15 und 17 eine eindeutige Informationsflußrichtung entsteht. Durch die Eigenschaften der Kondensatoren 12 wird erfindungsgemäß ein minimales Übersprechen einer nicht gewünschten Bildinformation auf das Schieberegister erzielt.
Die Pig. 4-7 zeigen1 schematisch die an den Zuleitungen 11, 13, 15, 17 der Vidikonschaltung zweckmäßigerweise für den Betrieb anliegenden Taktpotentiale jüL, jZL, #L und 0..
Die in Fig. 3 eingezeichneten, durch Pfeile durchkreuzten Linien innerhalb der schematischen Darstellungen der Kondensatoren (Bereiche 12, 14 und 18) zeigen die Lage des Oxiddickensprunges und/oder der Metallelektrodentrennlinie an. Die Pfeilrichtung gibt die Richtung des Ladungsflusses beim anliegenden Sperrpotential wieder,
10 Patentansprüche
7 Figuren
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    ( 1.!Halbleiteranordnung mit mindestens einem aus einer vorzugsweise metallisch leitenden Schicht, einer Isolierschicht und einer Halbleiterzone eines Halbleiterkörpers bestehenden (MIS-) Kondensator, bei der als Isolierschicht vorzugsweise mindestens ein Oxidfilm vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise metallisch leitende Schicht aus zwei nebeneinanderliegenden Teilschichten mit unterschiedlichem Kontaktpotential zum Halbleiterkörper besteht.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Teilschichten Metalle und/oder starkdotierte und gut leitfähige Halbleiterschichten vorgesehen sind.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Teilschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Pt, Au, Ag, ρ -leitendes Silicium, wobei die andere Teilschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Al, Mg, n+-leitendes Silicium.
  4. 4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht unter den Teilschichten die gleiche Dicke aufweist.
  5. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß· die Isolierschicht unter den Teilschichten verschieden dick ist.
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  6. 6. Halbleiteranordnung nach, einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht unter den leilschichten aus unterschiedlichen Materialien besteht.
  7. 7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht zwischen 100 und 1000 A5 dick ist.
  8. 8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Isolierschicht aus Siliciumdioxid besteht.
  9. 9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung.des Halbleiterkörpers kleiner als 10 '/cm ist*
  10. 10. Verwendung der Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-9 zum Aufbau eines Halbleitervidikons mit lichtempfindlichen Kondensatoren.
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