DE2558021A1

DE2558021A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2558021A1
Application number: DE19752558021
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Seidel; Masakazu Shoji
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1976-07-08
Also published as: SE7514144L; US3965453A; JPS5190287A; GB1514180A; NL7515076A; FR2296268A1; FR2296268B1; ES443873A1; IT1051976B; CA1025562A; SE411816B; BE837069A

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radettct-straße 4Ϊ Telefon (089)633603/533634 7i-;ex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sorinenberger S:raüe 45 Telefon (ü612l) 562943/56Ii »8 Te'ex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Seidel 5-5 New York, N. Y. / USA

Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung in einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, die eine Dotierstoffzone eines zweiten Leitungstyps im Halbleiterkörper umfaßt, die zur Verwendung als Widerstand dient.

Bekanntlich kann eine mechanische Spannung oder eine Dehnung eine Widerstandsänderung im Halbleitermaterial verursachen. Diese Eigenschaft ist als Piezowiderstand bekannt. Sie ist beschrieben worden in einem Artikel von C. S. Smith, der den Titel "Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon" trägt und erschienen ist in Phys. Rev., Band 94, Nr. 1, 1. April 1954, Seite 42. Im Lauf der Erläuterung der vorliegenden Er-

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München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

findung werden die Ausdrücke mechanische Spannung und Dehnung austauschbar verwendet.

• Vorteil aus dem Piezowiderstandseffekt hat man bei Spannungsund Dehnungsmeßgeräten und -wandlern gezogen. D. h., Messungen der Widerstandsänderung in einem Halbleitermaterial sind zur Bestimmung der auf dieses Halbleitermaterial ausgeübten mechanischen Spannung oder Dehnung verwendet worden. Spannungsund Dehnungsmeßgeräts und -wandler sind beispielsweise in der US-PS 3 137 834 beschrieben.

Ferner ist es bekannt, Piezowiderstandsdehnungsiaeßgeräte dadurch zu erzeugen, daß man eine diffundierte Zone eines Leitungstyps in einem Halbleiterplättchen entgegengesetzten Leitungstyps bildet. Weiterhin ist es als vorteilhaft bekannt, dde Zone so zu bilden, daß die Stromflußrichtung in der Zone in einer piezowiderstandsempfindlichen Richtung liegt. D. h., so, daß eine beobachtbare Stromänderung auftritt, die von der Widerstandsänderung aufgrund der mechanischen Spannung herrührt. Ein solches Dehnungsmeßgerät ist beschrieben in der US-PS 3 266 303.

Auch ist bekannt, daß ein Problem in der Halbleitertechnik in einer unvollkommenen Ausbeute während der Herstellung liegt.

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Insbesondere ist es bekannt, daS eine voraussagbare und richtige Funktionsweise von gegenüber Widerstandsänderungen empfindlichen Schaltungen oft schwer zu erhalten sind. Es 'wäre wünschenswert, daß die richtigen Widerstandswerte in einer Schaltung erzeugt und aufrechterhalten werden können.

Es kann jedoch ausreichend sein, das weniger strenge Erfordernis der Aufrechterhaltung der relativen Werte von Widerständen in einer Schaltung zu erfüllen. Beispielsweise sind Linear-IC's (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung) unter der Annahme aufgebaut, daß anstatt der absoluten Werte der Widerstände deren relative Werte aufrechterhalten werden. Solche Schaltungen können Digital-Analog-Wandler und Spannungsregulatoren umfassen. In diesen Fällen würde die Eliminierung relativer Widerstandsänderungen während der Herstellung zu einem verbesserten Ergebnis und einer besseren Ausbeute während der Herstellung und zu einer Kostenverringerung führen.

Eine Verbesserung von integrierten Schaltungen kann vorgenommen werden durch richtige Würdigung einer Erscheinung, die bisher als unbedeutend betrachtet worden ist. Obwohl man die Piezowiderstandserscheinung verstand, hat man deren Verhältnis zum Herstellungsvorgang und zu einem vorteilhaft zuverlässigen Produkt nicht vollständig richtig eingeschätzt. Ins-

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besondere ist die Piezowiderstandswirkung auf integrierte Schaltungen, die nicht auf die Messung von mechanischer Spannung und Dehnung gerichtet sind, nicht gänzlich richtig ein-' geschätzt worden. Die Piezowiderstandswirkung kann von geringerer GröBe sein als Auswirkungen, wie Reinheit des Halbleitermaterials, Kristallvollkommenheit des Halbleitermaterials und Anzahl und Art der den Leitungstyp bestimmenden Dotierstoffe. Typischerweise werden letztere Auswirkungen bei der Herstellung integrierten Halbleiterschaltungen sorgfältig in Betracht gezogen. Es wäre wünschenswert, auch die Bedeutung des Piezowiderstands auf integrierte Schaltungen vollständig zu berücksichtigen.

Natürlich hat man erkannt, daß übermäßige mechanische Spannung und Dehnung einer integrierten Schaltung Schaden zufügen können. Beispielsweise kann eine durch mechanische Spannung oder Dehnung erzeugte mechanische Schwäche zu einem Schaltungsausfall führen. Demzufolge sind einige Versuche unternommen worden, um mechanische Spannungen und Dehnungen zu vermeiden. Es können jedoch nicht alle bedeutsamen mechanischen Spannungen und Dehnungen immer ausgeschaltet werden.

Eine unerwünschte Dehnung kann während des Einbaus eines HaIbleiterplättchens cder Halbleiterchips in ein Gehäuse und während der Verwendung des Schaltungsgehäuses selbst auftreten.

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Beispielsweise werden Einbauspannungen erzeugt, wenn Dotierstoffe in eine Seite einer Halbleiterscheibe eindiffundiert werden. Mechanische Spannungen werden ebenfalls erzeugt, wenn ' eine Halbleiterscheibe in einzelne Chips zerschnitten wird. Wenn ein IQ-Chip auf ein Formstück gebondet ist, kann der Chip durch mechanische und thermische Kräfte an der Grenzfläehe auf Spannung beansprucht werden. Das Formstück wird gewöhnlich verwendet, um einen mechanischen Träger und eine Wärmeableitung vorzusehen. Ein besonders bedeutsamer Effekt ist diejenige mechanische Spannung, die durch die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung zwischen einem Chip und einem Gehäuse während Temperatursclwankungen induziert wird.

Als Folge solcher mechanischer Spannungen und Dehnungen kann die Schaltung unrichtig funktionieren. Wenn ein Chip einer nichtgleichmäßigen mechanischen Spannung ausgesetzt wird, können die relativen Widerstandswerte gestört werden und damit auch das Schaltungsverhalten. Neben der Berücksichtigung von durch Spannungsbeanspruchung erzeugten Problemen sieht die Erfindung auch ein Mittel zur Verringerung von Ausbeuteverlusten bei der Herstellung von integrierten HableL terschaltungen und zur Erzeugung besser gesteuerter und besser voraussagbarer Widerstandswerte vor, die ihrerseits das Schaltungsverhalten verbessern.

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Bas genannte Problem wird dadurch gelöst, daß zwei Ohmsche Kontakte zur Dotierstoffzone so angeordnet sind, daß eine die Kontakte verbindende Gerade vollständig innerhalb der Dotierstoffzone liegt und parallel zur kristallographischen <100>-Richtung des Halbleiterkörpers verläuft.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der zugehörigen Zeicbnung zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Halbleiterplättchens und dessen Orientierung bezüglich einer Gruppe von kristallographischen Achsenj und

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe mit Widerständen, einen Teil einer Herstellungsmaske und die relative kristallographische Orientierung der Widerstände und der Scheibe.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Leistungsfähigkeit integrierter Halbleiterschaltungen durch Widerstandsänderungen aufgrund von mechanischen Spannungs- und Dehnungswirkungen begrenzt ist. Ferner werden mit der Erfindung Widerstands änderungen aufgrund von mechanischen Spannungsund Dehnungswirkungen reduziert. Die absolute Änderung auf-

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grund des Piezowiderstandseffektes wird verringert. Auch die auf dem Piezowiderstandseffekt beruhende relative Widerstandsänderung von einem Widerstand zu einem anderen Widerstand wird reduziert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Wichtigkeit der kristallographischen Ausrichtung und der Dotierstoffkonzentration eines WideiEbandes bei der Reduzierung einer Piezowiderstandsänderung zugrunde.

Erstens beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die relative Ausrichtung der Stromflußrichtung zur kristallographischen Orientierung einer Halbleiterschaltung ein besonders bedeutsamer Faktor bei der Schaltungsherstellung und beim Schaltungsbetrieb sein kann. Deshalb beruht ein Teil dieser Erfindung auf der Erkennung der Tatsache, daß eine richtige Wahl einer solchen relativen Ausrichtung die Produktionsausbeute verbessern und die Kosten verringern kann. Zu diesem Zweck wird eine geeignete kristallographische Orientierung des Halbleiterplättchens und eine Widerstandskonfiguration gewählt, um eine geeignete Stromflußrichtung zu erzeugen.

Zweitens basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Anzahl kompensierter Donator- und Akzeptorstörstellen in einem , Wideistand dessen Piezowiderstandsänderung beeinflußt. Erfin-

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dungsgemäß wird die Gesamtstörstellenkonzentration des Widerstandes zu einem geeignet hohen Wert gewählt. Die Konzentration der freien Ladungsträger oder die Differenz zwischen der .Akzeptorkonzentration und der Donatorkonzentration kann jedoch relativ klein sein und man kann so einen recht hohen Quadratflächenv/iderstand erhalten. Im Fall des p-Leitungstyps hat der Widerstand eine Akzeptorkonzentration, die größer als die Donatorkonzentration ist. Analog dazu hat im Fall des n-Leitungstyps der Widerstand eine Donatorkonzentration, die größer als die Akzeptorkonzentration ist.

Fig. 1 zeigt ein Halbleiterplättchen mit einer kristallographischen Orientierung, die mit einer Gruppe kristallographischer Richtungen 1, 2 und 3 ausgerichtet ist. Wenn ein solches Halbleiterplättchen einer Spannungsbeanspruchung ausgesetzt wird, wie sie durch einen Pfeil angedeutet wird, ändert sich der Widerstand des Plättchens. Eine solche Änderung aufgrund mechanischer Spannung oder Dehnung wird Piezowiderstand genannt. Diese Erscheinung ist besonders zu bemerken bei n- und p-leitendem Germaniummaterial und bei p-leitendem SiIiciummaterial. Mechanische Spannungskomponenten in verschiedenen Richtungen haben unterschiedliche Piezowiderstandseffekte auf in verschiedenen Richtungen fließenden Strom. Die Dotierung des Materials hat ebenfalls eine Auswirkung auf den Piezowiderstandseffekt.

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In der Grundbeziehung E = <ξ> J ist E der Feldeffektvektor, P der spezifische Widerstand und J der Stromdichtevektor. Es soll nun genauer untersucht werden, wie sich das elektrische •Feld ändert, wenn eine mechanische Spannung ausgeübt wird. Da E ein Vektor ist, kann er sich in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ändern. Bekanntlich kann der spezifische Widerstand ψ beim Vorhandensein mechanischer Spannung oder Dehnung ausgedrückt v/erden als eine Matrix experimentell bestimmter Koeffizienten, die mit einer die mechanische Spannung oder die Dehnung ausdrückenden Matrix multipliziert ist. Deshalb kann der spezifische Widerstand ausgedrückt werden als eine Matrix, die sich aus der Multiplikation dieser beiden Matrices ergibt. Die Stromdichte ist ein Vektor, der auch ausgedrückt werden Isnn als einspaltige Matrix, die ein Vektor ist. Demzufolge kann der Vektor E ausgedrückt werden als die resultierende Matrix, die sich aus der Multiplikation der die Stromdichte repräsentierenden einspaltigen Matrix mit der den spezifischen Widerstand repräsentierenden Matrix ergibt. Man kann sehen, daß die Größen der experimentell bestimmten Koeffizienten und die verschiedenen mechanischen Spannungsund Stromkomponenten die Größe des resultierenden elektrischen Feldes bestimmen.

Die experimentell bestimmten Koeffizienten ziehen das spezielle

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Material des Plättchens und die kristallographische Orientierung des Plättchens in Betracht. Diese Koeffizienten • sind nicht alle von gleicher Größe. Beispielsweise kann eine zehnfache Differenz zwischen den Koeffizienten bestehen. In dem angeführten Artikel von Smith sind einige der für p-leitendes Silicium angegebenen Koeffizienten 0; 3,4; 11,2 und 110,0. Folglich findet man, daß bestimmte Beziehungen zwischen mechanischem Druck, Stromrichtung und kristallographischer Orientierung eine kleinere Änderung des elektrischen Feldes als andere Beziehungen erzeugen. D. h., es besteht eine kleinere Piezov/iderstandswirkung.

Besteht das Ziel darin, die integrierte Schaltung so anzupassen, daß sie den Wirkungen der mechanischen Spannungen besser widersteht, gehören zu den steuerbaren Variablen die Stromrichtung und die kristallographische Orientierung des Plättchens. Zur Reduzierung des Piezowideisfcandes hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Stromfluß längs einer Richtung in der Familie der <(1OO) -Richtungen zu haben. Eine mathematische Begründung für diesen Schluß findet sich in einem folgenden Anhang. Da ferner in typischen integrierten Planarschaltungen der Stromfluß parallel zu einer Hauptfläche des Plättchens verläuft, unterliegt die kristallographische Orientierung des Halbleiterplättchens einer Beschränkung. D. h., eine Hauptfläche des Halbleiterplättchens sollte parallel

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zu einer Richtung aus der Familie der <1OO>-Richtungen verlaufen. Es gibt lediglich zwei Plättchenrichtungen für integrierte Planarschaltungen, in welchen der dominante Term für •die aufgrund von mechanischer Spannung erzeugte Änderung des elektrischen Feldes verschwindet. Ein Fall ist ein (100)-orientiertes Plättchen mit einem Strom, der in [010]-, [pToJ-, [00i]-, [ooT]-Richtungen fließt. Der andere Fall ist ein (110)-orientiertes Plättchen mit einem Strom, der in [001]- oder CooTj-Richtung fließt.

Deshalb wird entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Stromfluß mit einer Richtung der <10Ci>-Familie äquivalenter kristallographischer Richtungen ausgerichtet. Eine solche Ausrichtung macht die Piezowiderstandsauswirkungen von mechanischen Spannungen in jeglicher Richtung minimal. Man kann aus Fig. 1 sehen, daß ein Widerstand mit zwei Ohmschen Kontakten, die durch eine gerade Linie verbunden sind, die parallel zu einer der <1OQ^-Richtungen verläuft, die beispielsweise durch eine der Achsen 1,2 oder 3 repräsentiert ist, einen solchen zu minimaler mechanischer Spannungsempfindlichkeit führenden Stromfluß erzeugen kann.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer Herstellungsmaske 30 und eine Halbleiterscheibe 31, in deren einer Hauptfläche Planarwiderstände gebildet sind. Solche Widerstände können

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mittels bekannter Maskierungs- und Dotierstoffeinbringverfahren hergestellt werden. Die Öffnungen der Maske 30 sind parallel ausgerichtet zu einer kristallographischen <100>-Richtung der .Halbleiterscheibe 31 und befinden sich oberhalb einer Stelle, an der ein Widerstands gebildet werden soll. Eine gerade Kante der Scheibe zeigt die relative kristallographische Ausrichtung der Scheibe an. Bei diesem der Erläuterung dienenden Beispiel verläuft die gerade Kante parallel zu einer ^100>Richtung. Typischerweise ist auf einer solchen Scheibe eine Vielzahl von IC-Chips oder IC-Plättchen gebildet. Bekanntlich läßt sich diese Halbleiterscheibe am einfachsten längs der Ci 1O^-Familie äquivalenter Richtungen spalten oder auseinanderbrechen. Deshalb sind die Ränder der auf der Scheibe gebildeten Chips vorteilhafterweise längs der (110)-Richtungsfamilie ausgerichtet. Ein solcher Rand ist als unterbrochene Linie 23 dargestellt. Es ist üblich, alle innerhalb der gebrochenen Linie 23 gebildeten Widerstände so zu orientieren, daß der beste Ausnutzungsgrad des durch die gebrochene Linie 23 umschlossenen Raums erreicht wird. Dies kann die Erzeugung U-föriniger Widerstände, wie Widerstand 231, oder S-förmiger Widerstände, wie Widerstand 232_;bedeuten. Gleichsam kann dies bedeuten, daß die in dichtem Abstand angeordneten Widerstände mit dem Chiprand ausgerichtet sind, wie es durch die Widerstände 233,234 und 235 gezeigt ist. Die Stromflußrich-

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tung im Widerstand wird üblicherweise riecht in Betracht gezogen. Wie in diesem bekannten Fall fließt der dominierende Strom oft parallel zu den <110>-Rändern des Chips.

Um die Auswirkungen mechanischer Spannung entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform minimal zu machen, sollte der Stromfluß in diesem Fall senkrecht oder parallel zum geraden Rand der Scheibe verlaufen. Eine Gruppierung von Widerständen 201, 202, 203 und 204, die innerhalb einer durchbrochenen Linie 20 angeordnet sind, ist in Fig. 2 gezeigt. Die Widerstände weisen je eine Längsachse auf, die parallel zu einer^100>-Richtung verläuft. Der elektrische Kontakt zu jedem Widerstand ist so hergestellt, daß eine gerade Linie zwischen den Kontakten angenähert parallel zu einer <100>-Richtung verläuft. Dies ist durch Kontakte 4 und 5 des Widerstands 201 gezeigt. Der Rand eines die Widerstände 201 bis 204 enthaltenden Chips kann längs der durchbrochenen Linie 20 verlaufen. Natürlich kann ein solcher Chip zusätzlich zu Widerständen andere Elemente enthalten, wie beispielsweise Transistoren. Ferner kann eine Scheibe zur Erzeugung vieler solcher Chips verwendet werden.

Da eine Halbleiterscheibe jedoch leichter längs der <110>Familie äquivalenter Richtungen gespalten oder zerbrochen werden kann, ist es vorteilhaft, die Chipränder in entsprechen-

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der Ausrichtung zu wählen. Ein Chip mit Rändern, die in der

1 Q^-Richtung verlaufen, ist als durchbrochene Linie 21 gezeigt. Innerhalb der durchbrochenen Linie 21 sind ¥iderstände 211, 212, 213 und 214 angeordnet. Um die gewünschte Orientierung der Widerstände innerhalb des Chips zu erhalten, sind die Widerstände nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform unter einem Winkel von 45° gegenüber dem Chiprand angeordnet. Wie zuvor kann eine Scheibe viele Chips mit Rändern aufweisen, die wie die durchbrochene Linie 21 orientiert sind. Eine durchbrochene Linie 22 ist ebenfalls mit den <11O)-Richtungen ausgerichtet, enthält jedoch eine andere Anordnung von Widerständen. D. h., Widerstände 221, 222, 223 und 224 sind parallel zur O0O)-Richtung und senkrecht zu den innerhalb der durchbrochenen Linie 21 angeordneten Widerständen ausgerichtet. Natürlich kann irgendeine Kombination der innerhalb der durchbrochenen Linien 21 und 22 gezeigten Widerstandsausrichtungen verwendet werden, um die selben Vorteile zu erhalten.

Es leuchtet ein, daß zum Erhalt eines generell parallelen Stromflusses innerhalb eines Widerstandes die Widerstandsform generell rechteckig und die Kontakte von begrenzter Größe sein sollten. Ferner leuchtet ein, daß ein schmaler Widerstand die Ausrichtung des Stroms besser bewirkt als ein breiter Widerstand. Allgemein gesagt ist es vorteilhaft, wenn die Länge des Widerstandes die doppelte Widerstandsbreite übersteigt. Ein

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kreisförmiger Widerstand mit einem Kontakt im Zentrum und dem anderen Kontakt rund um den Kreisumfang würde einen in alle radialen Richtungen fließenden Strom aufweisen. Dies wäre unerwünscht.

Man beachte, daß die Erfindung auf vertikale Widerstände angewendet werden kann. D. h., die vertikale Richtung des Stromflusses im vertikalen Widerstand sollte nach einer <100>-Richtung ausgerichtet sein. Ein solcher vertikaler Stromfluß kann beispielsweise mit Ohmschen Kontakten auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe erreicht werden. Vertikale Widerstände sind jedoch relativ weniger üblich als Planarwiderstande.

Die Erfindung kann auch auf nichtrechteckige Widerstandsdotierstoffzonen angewendet werden, wie auf U-förmige und L-förmige Widerstandszonen und deren Kombinationen. D. h., wenn der Strom auch seine Richtung ändert, fließt er doch vorwiegend in einer Richtung der <^1OQ>-Richtungsfamilie. Bei solchen Dotierstoff zonen ist es von Vorteil, wenn der spezifische Widerstand am Winkel, an welchem der Strom seine Richtung ändern muß, klein ist. Dies kann beispielsweise durch starke Dotierung des Winkelbereichs oder durch eine leitende, den Winkel überbrückende Metallisierung erreicht werden. :. ■

Zusätzlich kann eine Widerstandsänderung aufgrund von mechani-

609828 /0 6.2 7. ■·. ^C^;

scher Spannung durch eine Erhöhung der Gesamtdotierstoffkonzentration eines Widerstands verringert werden* Die Gesamtkonzentration kann dadurch erhöht werden, daß die Konzentra-' tion sowohl der Donator- als auch der Akzeptor-Störstellen erhöht wird.

Typischerweise handelt es sich bei der Halbleiterscheibe um η-leitendes Silicium mit einer Konzentration von etwa 10 ^ Störstellen pro cm . Die in der Scheibe gebildeten Widerstände sind typischerweise vom p-Leitungstyp und weisen eine Dotier-

18 20 Stoffkonzentration von beispielsweise etwa 10 bis 10 Störstellen pro cnr auf. Es ist oft wünschenswert, bei einer Verringerung der Druckabhängigkeit des spezifischen Widerstandes einen hohen spezifischen Widerstand zu erhalten. Der die Widerstandsänderung mit der Dehnung verknüpfende Paktor ist bekannt als der Meßfaktor ο". D. h., AR/R = o> (Δΐ/ΐ), wobei Δκ/R die Widerstandsänderung und Δΐ/l die Dehnung ist. Zur Verringerung des Betrages des Meßfaktors können sowohl die ρ- als auch die n-Dotierstoffkonzentration erhöht werden. Da sich die Konzentrationen der beiden Dotierstofftypen kompensieren, kann der spezifische Widerstand groß gehalten werden, während eine Widerstandsänderung aufgrund von Dehnung verringert wird. Man glaubt, daß der Mechanismus für eine solche Dehnungsempfindlichkeitsverringerung folgender ist. Entweder:

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(1) Die Beweglichkeit im kompensierten V/iderstand wird deutlich durch die Streuung aufgrund ionisierter Störstellen reduziert und die relativen Änderungen der vom Gitter beeinflußten Beweglichkeit aufgx'und der Änderungen des Deformationspotentials sind weniger wichtig; oder

(2) die Bildung einer entarteten Störstellenbindung bewirkt, daß sich der Meßfaktor demjenigen von Metall annähert, der sehr klein ist.

Die Erkenntnis, daß zur Verringerung der Piezowiderstandswirkung die Anzahl der Donator- und der Akzeptorstörstellen erhöht werden kann, ist ein wesentlicher Punkt für die Erfindung,

Man hat durch Experimente gefunden, daß man mit der Wahl einer geeigneten Kombination aus Störstellenkompensation und kristallographischer Orientierung den Meßfaktor ändern kann. Der Meßfaktor kann verringert und eine Vorzeichenumkehr erhalten werden. Da ein Vorzeichenwechsel auftreten kann, gibt es offensichtlich eine Kombination, die einen "Nullmeßwert" ergibt. D. h., eine Dehnung würde keinerlei Widerstandsänderung bewirken. Beispielsweise verringert sich der Meßfaktor unter der Bedingung, daß der Strom in einer <100)-Richtung fließt und in einer senkrechten Richtung eine Dehnung bis zu 10 bewirkt v/ird, durch Anwendung der Störstellenkompensation von +13 bis -4. Ohne Störstellenkompensation reduziert eine Änderung der Stromrichtung von einer <Ίΐθ)-Richtung zu

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einer <1OO>-Richtung den Meßfaktor von +80 auf +13. Die kompensierten Widerstände haben einen spezifischen Widerstand von etwa 500 Ohm pro Quadratfläche und v/eisen einen Gesamtdotierstoff gehalt auf, der etwa 10 oder 20 mal größer als die Differenz zwischen der Donator- und der Akzeptorkonzentration

20

ist. Beispielsweise kann die p-Konzentration etwa 10 Stor- ^S 19

stellen pro cm und die η-Konzentration etwa 9 x 10 Störstellen pro cm sein. Die Differenz zwischen den Konzentrationen ist 10 und die Summe der Konzentrationen ist 19 x 10'^, Das Verhältnis der Konzentrationen liegt typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,99 und die Summe der Konzentrationen liegt bei mindestens etwa 10 Störstellen pro cm . Diese komplizierten Transporteigenschaften werden nicht völlig verstanden, zeigen jedoch klar die zusätzliche Verringerung der Piezowiderstandsempfindlichkeit durch Dotierungsauswahl.

Mathematischer Anhang

Der spezifische Widerstand eines kubischen Halbleiters, wie Silicium ist eine skalare Größe q . Wenn der Halbleiter einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, wird der spezifische Widerstand zu einerTensorgröße zweiter Ordnung (o. .)., wobei 9.; ^ das elektrische Feld in der Richtung der i-ten Achse angibt, wenn in Richtung der j-ten Achse Strom einer Einheits-

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stromdichte fließt. Im Fall von p-Silicium nimmt man beispielsweise als Achsen 1, 2 und 3 die drei kubischen Achsen.

Es bedeutet eine Vereinfachung, einen Widerstandsänderungstensor ( AjJ einzuführen, der definiert ist durch

CD

Man beachte, daß die Ausdrücke

(2)

auf thermodynamischen Gründen beruhen (Onsager's Reziprozitätstheorem). Als Resultat ergeben sich als unabhängige Komponenten des Widerstandsänderungstensors Δ..^, ^p₂* ^3V ^2"5» Δ 3-j und Δ12* ^^ese sechs Größen werden gewöhnlich in einer Pseudovektorform wie in Gleichung (3) geschrieben.

" Δ	11
	22
Δ	33
Δ	23
Δ	31
Δ₁₂ .

(3)

Die Tensorterme
nungskomponenten

von den Kristalldeh-ϊ^^ und β_λο ab. Die Dehnungs-

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komponente e^ ist die Teildeformation des Kristalls in Richtung der Achsi 1. Die Dehnungskomponente B^₃ *^s"k der Cosinus des Winkels zwischen der Achse 2 und der Achse 3. Diese sechs Größen werden gewöhnlich in Pseudevektorform wie in Gleichung (4) geschrieben.

e =

Γ ^e11 ^e22 ^e33 *23

(4)

Die Beziehung zwischen Δ und e in einem kubischen Kristall wie Silicium ist

A₁₁

^Δ22

A₃₃

	Bi₁₂	Hi₁₂	O	O	O
IB₁₂	^m11	^m12	O	O	O
^m12	^m12	IB₁₁	O	O	O
O	O	O	^m44	O	O
O	O	O	O	^m44	O
O	O	O	O	O	m

Ί1

⁵23

(5)

Da die Λ-und die e-Werte dimensionslose Größen sind, sind die m. .-Werte dimensionslos. Charles Smith bestimmte in dem zuvor zitierten Werk die drei unabhängigen Größen für p-Silicium

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= 11,2 m₁₂ = 3,4 m₄₄ = 110,0 (6).

Es sei darauf hingewiesen, daß m, » etwa eine Größenordnung größer als m₁₁ oder m₁₂ ist.

Aus den Gleichungen (1) - (6) kann die dehnungsabhängige Widerstandsänderung der IC^-Widerstände abgeleitet werden. Es sei der Fall betrachtet, daß eine dünne Platte aus Silicium mit einer (001)-Hauptfläche in einer Richtung D (die mit einer ersten kubischen Achse einen ¥inkel θ bildet) gedehnt v/ird. Aufgrund einfacher Algebra ergeben sich die Dehnungskonponenten zu

2 2
θρρ = <*(sin θ - pcos Θ) e-zj, = 0

^e33 ⁼ "⁰⁴P e₁₂ = 2oc (1+p)cof~9sinO (7),

dabei ist α die Dehnung, D die Richtung und ρ das Poisson-Verhältnis.

Die A-Matrixkomponenten sind gegeben zu

²9pcos²

G) + m₁₂(sin²9~pcos²9-p)] ⁼ oi[m₁₁(sin θ-pcos Θ) + m₁₂(cos²9-psin²9-p)J

^Δ31

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Es wird angenommen, daß die Stromflußrichtung mit der ersten kubischen Achse einen Winkel <t> bildet. Die Widerstandsänderung in der Stromrichtung ist dann gegeben durch

Δ(θ, φ) = A₁₁COS²^i + A₂₂sin²^ + 2 ₁₂sin^cosii (9)

Da der Betrag von ^₂ etwa 10 mal größer als derjenige der anderen Matrixkomponenten ist, kann man setzen

Δ(θ, Φ) = 2Ä₁₂sin?icos?i = c(m_Zj__Zt(i+p)sin2Osin2i!i (10)

Um diesen dominanten Term zu beseitigen, muß θ oder φ ein ganzzahliges Vielfaches von Ή72 sein.

In Abhängigkeit von der Dehnungsrichtung existieren drei verschiedene Fälle:

(1) Für die beste Konfiguration ist sin 2Θ = O und sin 2.φ = O, Deshalb induziert eine kleine Abweichung der Dehnungsrichtung keine große Widerstandsänderung.

(2) Für die ungünstigste Konfiguration, sin 2Θ = sin 2$ = 1, tritt die größe Widerstandsänderung auf.

(3) für den mittleren Fall ist entweder sin 2Θ = 0 oder

sin 2φ = 0 und die Widerstandsänderung ist klein.

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Claims

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te

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Patentansprüche

ί 1.^Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, der eine als Widerstand verwendete Dotierstoffzone eines zweiten Leitungstyps umfaßt, und mit zwei Ohmschen Kontakten zu der Dotierstoffzone, dadurch gekennzeichnet , daß eine die Kontakte (4, 5) verbindende Gerade parallel zur kristallographischen </100)-Richtung des Halbleiterkörpers verläuft.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e ·*■ kennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleiter um Silicium handelt, daß es sich bei einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers um die (HO)-Ebene handelt und daß die beiden Ohmschen Kontakte auf der (110)-Ebene liegen.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß es sich bei dem Halbleiter um Silicium handelt, daß es sich bei einer Hauptfläche des Siliciumkörpers um die (100)-Ebene handelt und daß die beiden Ohmschen Kontakte auf der (lOO)-Ebene angeordnet sind.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Halbleiter um Germanium handelt und die die Kontakte verbindende Gerade in der Ebene einer Hauptfläche des Germaniumkörpers liegt.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3» dadurch ge kennzeichnet , daß die Dotierstoffzone generell rechteckig ist und eine Länge aufWeist, die etwa 2 mal größer als die Breite ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl als Widerstände verwendeter Dotierstoffzonen vorhanden sind und daß eine Mehrheit der Dotierstoffzonen mit zwei Ohmschen Kontakten für jede Dotierstoffzone versehen ist, die so angeordnet sind, daß eine Linie zwischen den Kontakten gänzlich innerhalb der Grenzen der jeweiligen Dotierstoffzone angeordnet ist und parallel zu einer kristallographischen <100>-Richtung verläuft.

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7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Dotierstoffzone im Halbleiterkörper eine Konzentration von Störstellen eines ersten Typs aufweist, die kleiner als die Konzentration von Störstellen eines zweiten Typs ist, daß das Konzentrationsverhältnis im Bereich von 0,1 bis 0,99 und die Summe

18 der Konzentrationen bei wenigstens etwa 10 Störstellen pro cnr liegt.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Grenze der (lOO)-Ebene parallel zu einer kristallοgraphischen <110)-Richtung verläuft.

Hi/ku

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Lee rs'e i t e