DE2828605B2

DE2828605B2 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2828605B2
Application number: DE2828605A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Yokohama Komatsu; Kouji Suzuki; Satoshi Tokyo Takahashi; Masao Yokohama Wakatsuki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1978-06-29
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB2000639B; FR2396417A1; DE2828605C3; US4236832A; GB2000639A; FR2396417B1; DE2828605A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Siliziumsubstrat mit einer ersten langgestreckten, dotierten Widerstandsschicht in einer seiner Hauptflächen und mit einer in derselben Hauptfläche ausgebildeten, sich praktisch senkrecht zur Erstreckungsrichtung der ersten Widerstandsschicht erstreckenden zweiten dotierten Widerstandsschicht und aus einer das Siliziumsubstrat einkapselnden Kunstharz-Gießmasse.

Aus der DE-OS 19 54 445 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat bekannt, in dem ein Widerstandselement angebracht ist, das ein Halbleitergebiet enthält, in dem elektrisch aktive Verunreinigungen zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps und zum Erhalten freier Ladungsträger und elektrisch inaktive Verunreinigungen zur Herabsetzung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandselements vorbanden sind. Um bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung den Temperaturkoeffizienten des Widerstands einstellen zu können, jedoch dabei trotzdem einen bestimmten spezifischen Widerstand zu erzielen, bestehen die elektrisch inaktiven Verunreinigungen wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus neutralen Verunreinigungen.

Aus der DE-OS 14 65 112 ist ein formänderungsabhängiges Widerstandselement auf Halbleiterbasis bekannt, dessen wesentliche Merkmale darin bestehen, daß eine Isolierschicht als Träger einer im Vakuum niedergeschlagenen Halbleiterschicht und zur Isolierung dieser Schicht von dem Werkstoff, auf dem das Element angeordnet ist, dient, daß das Element aus einer im Vakuum niedergeschlagenen Schicht besteht, deren Widerstand formänderungsabhängig ist, wie z. B. der Widerstand der Halbleiter der kubischen Gruppe und der der Halbmetalle, daß Elektroden an der Halbleiterschicht angeschlossen sind, um dieser einen elektrischen Strom zuzuleiten und um ein der Formänderung entsprechendes elasto- oder piezoelektrisches Zeichen aufzunehmen, das longitudinaler, transversaler oder hydrostatischer Art, oder eine Kombination davon sein kann, und der Zug- oder Druckbelastung am Ele/nent entspricht.

Aus der Zeitschrift »Einführung in die Mikroelektronik« von A. Lewicke, A. Oldenbourg, Verlag Münschen/

b5 Wien 1966, Seite 280, ist es allgemein bekannt, integrierte Halbleiterschaltungen in Kunstharze zu vergießen und Kunststoffkapseln auszustatten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ihre Eigenschaften auch nach der Einbettung in eine Kunstharz-Gießmasse beibehält, und die sich nach einem einfachen Verfahren ohne die Notwendigkeit zusätzlicher, zeitraubender Arbeitsgänge herstellen läßt.

Ausgehend von der Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Widerstandswerte der beiden Widerstandsschichten in den Richtungen ihrer Längsachsen, in denen jeweils der Strom fl'eßt, gleich sind, daß im Fall von Widerstandsschichten vom p-Leitfähigkeitstyp die Hauptfläche durch eine der Kristallebenen {100}, {511}, {811} oder {911} und im Fall von Widerstandsschichten vom n-Leitfähigkeitstyp durch die Kristallebene {111} gebildet ist.

Der benutzte Ausdruck »Kristallebene« bezieht sich nicht zwingend auf eine ganz bestimmte Ebene, sondern schließt auch die innerhalb eines Fehlerbereichs von + 5° innerhalb dieses Bereichs liegenden Ebenen ein.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Aufsicht auf ein die Halbleitervorrichtung nach F i g. 1 bildendes Halbleiterelement mit entfernter Kunstharz-Vergußmasse,

F i g. 3 und 4 Teilaufsichten auf abgewandelte Ausführungsformen des Halbleiterelements nach Fig. 2,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderungen der in der Hauptkristallebene {100} des Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschichten, die in den Erstreckungsrichtungen dieser Einheiten in der Hauptkristallebene {100} bei Anlegung von Druckspannung an ein Halbleiterelement auftreten,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderungen der in der Hauptkristallebene (100) des Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschichten, die in den Erstreckungsrichtungen dieser Einheiten in der Hauptkristallebsne {100} bei einer an da.·; Halbleiterelement angelegten Schub- oder Schei spannung auftreten,

F i g. 7 eine graphische Darstellung eier Widersiandsänderungen der in der Hauptkristallebene (511[ des Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschichten, die in deren Erstreckungsrichtungen über die genannte Kristallebene {511} bei Einwirkung einer Druckspannung auf das Halbleiterelement einwirken,

F i g. 8 die Änderungen des Gesamtwiderstands der in der Hauptkristallebene {511} des Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschichten, die in deren Erstreckungsrichtungen in der Hauptkristallebene (511) bei Einwirkung einer Druckspannung auf das Halbleiterelement auftreten,

F i g. 9 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderungen der in der Hauptkristallebene (511) ausgebildeten Widerstandsschichten, die in deren Erstreckungsrichtungen in der genannten Kristallebene (511} bei einer auf das Halbleiterelement einwirkenden Schub- oder Scherspannung auftreten, und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderungen der in der Hauptkristallebene (111} des Siliziumsubsti ats ausgebildeten Widerstands-.chichten, die in deren Erstreckungsrichtung in der . iauptkristallebene (111} dann auftreten, wenn das Halbleiterelement mechanischen oder thermischen Spannungen unterworfen ist.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterelement dargestellt, das in der Weise hergestellt worden ist, daß eine Widerstandsschicht 12 und ein anderes funktionelles Element 13 nach dem an sich bekannten selektiven Diffusionsverfahren in der oberen Hauptfläche eines n-Typ-Silizium-Halbleitersubstrats 11 ausgebildet wurden, das mit Phosphor in einer Konzentration von 10¹⁵ Atome/cm^! dotiert ist. Die Hauptfläche des Silizium-Halbleitersubstrats 11 besteht dabei aus einer Kristallebene (100}. Die Widerstandsschicht 12 ist in der Hauptkristallebene (100} mit einer Oberflächenkonzentration von 10¹⁸ Atome/cm³ mit einer Tiefe von 2,7 μπι durch selektive Diffusion von Bor ausgebildet. Die Hauptfläche des Siliziumsubstrats 11 kann anstelle der Kristallebene (100} in einer Kristallebene (511), (811} ode. (911} liegen. Wenn die Widerstandsschicht 12 vom n-Leitfähigkeitstyp ist, kann die Hauptfläche des Substrats 11 weiterhin die Kristallebene (111} sein.

Das Halbleiterelement 10 ist mit seiner Bodenfläche mit Hilfe eines leitfähigen Epoxyharzes mit einer aus z. B. Kupfer- oder Nickellegierung bestehenden Tragplatte 14 verklebt. Die Widerstandsschicht 12 und da"s funktioneile Element 13 sind z. B. durch selektive Erhaltung einer Aluminiumschicht auf der Oberfläche des Substrats elektrisch miteinander verbunden. Die Widerstandsschicht 12 und das Element 13 sind weiterhin mit einer Leiterplatte 15 über eine Metalleitung und einen Verbindungsdraht 16 verbunden. Das Halbleiterlement 10, die Tragplatte 14, der Verbindungsdraht 16 und ein Teil der Leiterplatte 15 sind in eine Kunstharz-Gießmasse 17 eingekapselt.

Gemäß F i g. 2 umfaßt die Widerstandsschicht 12 eine sich längs einer Kristallachse erstreckende erste Widerstandsschicht 18 sowie eine zweite Widerstandsschicht 19, die senkrecht zur genannten Kristallachse verläuft.

Die Größe von erster und zweiter Widerstandsschicht 18 bzw. 19 und/oder die Stelle an diesen, an der die Verbindungsleitung 16 angebracht ist, sind so gewählt, daß die beiden Widerstandsschichten 18 und 19 gleich große Widerstandswerte besitzen. Die Widerstandsschicht 12 kann gemäß Fig.3 z.B. aus vier Widerstandsschichten bestehen. Hierbei besteht die erste Widerstandsschicht 18 aus zwei Widerstandsbereichen 18a und 18i>, die parallel zu einer Kristallachse

ι ο verlaufen. Oie zweite Widerstandsschicht 19 ist aus zwei Widerstandsbereichen 19a, 196 gebildet, weiche parallel zu einer senkrecht zu dieser Kristallachse verlaufenden Linie liegen. Die einzelnen Widerstandsbereiche 18a, 186 und 19a, 19Z) sind elektrisch miteinander verbunden.

i") Hierbei sind erste und zweite Widerstandsschicht 18 bzw. 19 so ausgelegt, daß der Gesamtwiderstand der Bereiche 18a, 186 demjenigen der Widerstandsbereiche 19a, 196 gleich ist. Die Widerstandsbereiche 18a, 186 der ersten Widerstandsschicht 18 sowie die Bereiche 19a,

2» 196 der zweiten Widerstandsschicht 19 können ersichtlicherweise auf die in Fig.4 dargestellte Art im voraus im Halbleiterlement 10 miteinander verbunden werden.

Von dem Halbleiterelement gemäß F i g. 2 wurden

2') fünf Proben einer ersten Gruppe hergestellt, bei welcher sich die erste Widerstandsschicht 18 längs der Kristallachse (001) und die zweite Widerstandsschicht 19 längs der Kristaliachse (010) erstreckt. Weiterhin wurden fünf Proben einer zweiten Gruppe hergestellt,

in bei welcher die erste Widerstandsschicht 18 längs der Kristallachse (011) und die zweite Widerstandsschicht 19 längs der Kristallachse (01Ϊ) verläuft. Weiterhin wurden fünf Proben einer dritten Gruppe vorbereitet, bei welcher die erste Widerstandsschicht 18 längs der

π Kristallachse (011) und die zweite Widerstandsschicht 19 längs einer von dieser Richtung um 60° zur Kristallachse (Oll) hin versetzten Richtung verläuft. Bei weiteren fünf Proben einer vierten Gruppe verläuft die erste Widerstandssehicht 18 längs der Kristallachse

w (OU) und die zweite Widerstandssehicht 19 längs der Kristallachse (01Ϊ). Schließlich wurden noch fünf Proben einer fünften Gruppe hergestellt, bei welcher die erste Widerstandssehicht 18 längs einer Richtung verläuft, die von der Kristallachse (011) um 30° zur Kristallachse

4ί (01 T) versetzt ist, während die zweite Widerstandssehicht 19 längs einer um 60° von der Kristallachse (011) zur Kristallachse (011) hin versetzten Richtung verläuft. Bei der vierten Gruppe besitzen die Widerstandswerte von erster und zweiter Widerstandssehicht 18 bzw. 19

das Verhältnis von —: 1 zueinander. Bei den anderen

Gruppen stehen die Widerstandswerte beider Widerstandsschichten 18 und 19 im Verhältnis von 1 : 1 zueinander. Es wurden folgende Messungen durchgeführt: Messung des Gesamtwiderstands Ro der beiden Widerstandsschichten 18, 19 eines Halbleiterelements von jeder Probe der genannten fünf Gruppen unmittelbar nach der Ausbildung in einem Prättchen, d. h. vor der Montage an einer Tragplatte 14; Messung des Gesamtwiderstands Rm der beiden Widerstandsschichten 18,19 des Halbleiterelements in seinem an der Tragplatte 14 montierten, aber noch nicht in die Kunstharz-Gießmasse 17 eingekapselten Zustand; und Messung des Gesamtwiderstands Rs der beiden

b5 Widerstandsschichten 18, 19 des Halbleiterelements nach dessen Einkapselung in die Kunstharz-Gießmasse 17. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt.

	I	I'liittchen-	5	28 28	Kl	-0,1(1217)	605	sind in	6	Tabelle 2
		/Ll S [.Hill			0(1223)			der nachstehenden
Tabelle		0(1302) 0(1317)			-0.2(1219)	Ergebnisse
		0(1322)	Nach Moniugc		-0.1(1215)	aufgeführt.
	1	0(1308)		Nach dem	-0.1(1217) i-,		l'lällchen- /ustand		Nach dem Einkapseln
		0(1312)	-0.1(1301) -0,2(1315)	Einkapseln	Tabelle 2		Nach Montage
Gruppe			-0,1(1321)	+0.1(1303) -0.1(1316)		Ä 011		Λ 011
		0(1082)	-0,1(1307)	-0,2(1320)		RQW	ROW	RQW
		0(1072)	-0,2(1300)	0(1308) κι	Gruppe 2	Ro	ROW	Rs
	2	0(1076)		-0,2(1310)			Rm
		0(1071)	-0,1(1081)			0(540)		-3,1(523)
Gruppe		0(1085)	0(1072)	-0,2(1080)		0(534)	0(540)	+3,7(554)
			-0.1(1075)	0(1072)		0(1074)	0(534)	+0,3(1077)
		0(1265)	-0,2(1069)	0(1076) ι-,			0(1074)
		0(1272)	-0,1(1084)	-0.2(1069)		0(542)		-2,6(523)
	3	0(1268)		-0,2(1083)		0(534)	-0.6(539)	+2,3(549)
		0(1270)	-0.1(1264)			0(1076)	+0.4(536)	+0,1(1077)
Gruppe		0(1275)	-0,2(1270)	-0,8(1255)			-0.1(1075)
			0(1268)	-0,9(1260) 20		0(544)		-3,9(523)
		0(1424)	-0,2(1268)	-0,9(1257)		0(537)	-0.4(542)	+4,7(562)
		0(1420)	-0,2(1273)	-0,8(1260)		0(108!)	-0.2(536)	+0,4(1035)
	4	0(1430)		-1.1(1261)			-0.3(1078)
		0(1428)	-0,1(1423)
Gruppe		0(1423)	-0.1(1418)	-1,1(1261) r,		um 30° ν
			-0,1(1428)	-1,1(1405)		Ro	ersetzte Richtung
		0(1218)	-0,1(1426)	-1,0(1415)	Gruppe 5		Rm
		0(1223)	0(1423)	-1,1(1413)		0(609)		+2,0(621)
	5	0(1221)		-0.9(1410)		0(611)	+0.2(610)	-2,1(598)
		0(1216)	-0,2(1216)		0(1220)	-0.3(609)	-0.2(1218)
(iruppc		0(1218)	-0,1(1222)			-0.1(1219)
			-0,1(1220)		0(609)		+2.1(622)
		-0.1(1215)		(1(609)	+0.3(611)	-2.3(595)
		-0,2(1216)			-0.5(606)

In Tabelle 1 geben die in Klammern stehenden Zahlen den Gesamtwiderstand (in Ohm) der Widerstandsschichten 18, 19 an, während die nicht in Klammern stehenden Zahlen die Änderungen (in %) im Gesamtwiderstand angeben. Der Gesamtwiderstand eines Halhleiterelements entsprechend jeder Probe der fünf Gruppen wird durch den Buchstaben R vor einer Kristallachse dargestellt, in welcher sich erste und zweite Widerstandsschicht 18 bzw. 19 erstrecken (beispielsweise R (001), R (010) im Fall der Gruppe 1).

Aus der obigen Tabelle 1 geht hervor, daß bei den Halbleiterelementen der ersten, zweiten und fünften Gruppe, bei denen die beiden Widerstandsschichten 18, 19 erfindungsgemäß senkrecht zueinander angeordnet sind, nur ein geringer Unterschied zwischen dem Gesamtwiderstand Ro der beiden Widersiandsschichten 18, 19 eines eben in einem Plättchen ausgebildeten Halbleiterelements und ihrem Gesamtwiderstand Rs nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in die Kunstharz-Gießmasse 17 zu beobachten ist. Bei den außerhalb des Erfindungsrahmens liegenden Halbleiterelementen der Gruppe 3 und 4 weicht dagegen der Gesamtwiderstand Rs der Widerstandsschichten 18,19 nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in die Gießmasse 17 stark vom anfänglichen Widerstand Ro unmittelbar nach der Ausbildung des Halbleiterelements auf einem Plättchen ab.

Weiterhin wurden vier Proben der Gruppe 2 und 4 vorbereitet. Sodann wurden auf dieselbe Weise wie im Fall von Tabelle 1 Messungen der Widerstandswerte der beiden Widerstandsschichten 18 und 19 sowie ihrer Gesamtwiderstände Ro, Rm, Rs vorgenommen. Die

0(1218)

0(613)
0(610)
0(1223)

-0,1(1217)

+0,3(615)
-0.7(606)
-0.2(1221)

-0.1(1217)

+ 1.3(624) -2.1(507) -0.2(1221)

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß der ursprüngliche Widerstand Ro der beiden Widerstandsschichten 18 bzw. 19 jedes Halbleiterelements unmittelbar nach der Ausbildung in einem Plättchen stark vom Widerstand Rs dieser Schichten 18, 19 nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in die Kunstharz-Gießmasse 17 abweicht, während der anfängliche Gesamtwiderstand beider Widerstandsschichten 18, 19 des Halbleiterelements unmittelbar nach der Ausbildung in einem Plättchen von ihrem Gesamtwiderstand Rs nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in die Kunstharz-Gießmasse 17 nur wenig verschieden ist. Die Ziffern in der unteren Zeile der betreffenden Spalten von Tabelle 2 geben den Gesamtwiderstand beider Widerstandsschichten 18,19 an.

Im folgenden ist nunmehr vom theoretischen Standpunkt der Grundgedanke erläutert, auf den sich die Erfindung stützt.

Bei einer Halbleitervorrichtung gemäß Fig.2 sei angenommen, daß die Erstreckungsrichtung der ersten Widerstandsschicht 18 mit χ und die senkrecht dazu verlaufende Richtung, in welcher sich die zweite Widerstandsschicht 19 erstreckt mit y bezeichnet sind, während die Widerstandswerte der Widerstandsschichten 18 und 19 mit Rx bzw. Ry angegeben sind. Wenn die beiden Widerstandsschichten 18, 19 gemäß den Fig.3 und 4 jeweils aus einer Anzahl von Widerstandsberei-

chen bestehen, bestimmen sich die Widerstandswerte der Widerstandsschichten 18 und 19 durch die Gesamtwiderstände der entsprechenden verschiedenen Widerstandsbereiche nach folgenden Gleichungen:

Rx

ι- = Σ Rx

Rv =

Rvi

Weiterhin sei angenommen, daß eine senkrecht zum Halbleitersubstrat verlaufende Richtung mit ζ bezeich-

net ist und sich der Gesamtwiderstand R der Widerstandsschicht 18,19 wie folgt ausdrücken läßt:

R = Rx + Ry

Gemäß dem anhand der Bestimmung der Änderung des Widerstands eines festen Körpers bei Ausübung einer bekannten Größe einer mechanischen Spannung auf diesem abgeleiteten piezoelektrischen Effekt läßt sich eine Änderung ÖR des Gesamtwiderstands R aufgrund der äußeren (mechanischen) Spannung bezüglich ihrer Änderung oder Variation entsprechend der Form eines Halbleitersubstrats durch folgende Gleichung ausdrücken:

OR = — = — KKa7^j„
RR

(RxP,,/RyP„) S, + (Rx/>,„+ RyA₁,)S₁,]

(1)

Darin bedeuten:

Si₁S₂ = in den Richtungen χ und y wirkende ^2l Spannungskomponenten,

Sf, = längs der Ebenen χ und y wirkende Schub

bzw. Scherspannungskomponenten,

Pij = Index der Kristallebene eines Halbleitersubstrats, in welcher eine Widerstandsschicht ausgebildet ist. Dieser Index ist ein piezoelektrischer Koeffizient, der durch die Verlaufsrichtungen der Widerstandsschichten mit den Widerstandswerten Rx bzw. Ry sowie durch die Fremdatomkonzentration " der betreffenden Widerstandsschichten bestimmt wird,

Pu-P₂₂ = Vertikaleffekt-Koeffizienten zur Abgabe der Größe der Spannungen Si, S₂, die in den Richtungen χ und y wirken und die ' Widerstandswerte Rx. Äyder Widerstandsschichten 18 bzw. 19 beeinflussen, wenn ein Strom in die Richtungen χ und y eingeführt wird,

Pi2, P21 = Horizontaleffekt-Koeffizienten zur Angabe ^4I der Größe der die Widerstandswerte Rx. Ry beeinflussenden Spannungen S₂. S₁,

Pib. P?b = Koeffizienten zur Angabe der Stärke bzw. Größe der längs der Ebenen χ und y wirkenden Scherspannung S*.

Gemäß dem piezoelektrischen Effekt entstehen tatsächlich verschiedene andere Schub- bzw. Scherspannungen als die Scherspannung Sb, beispielsweise eine Scherspannung S3 in z-Richtung, eine Scherspannung St in der Ebene yz und eine Scherspannung S5 in der Ebene zx. Diese drei Scherspannungen S3, S< und S5 sind jedoch im Hinblick auf die spezifischen Spannungseigenschaften einer in Kunstharz-Gießmasse eingekapselten Halbleitervorrichtung vergleichsweise unwichtig, so daß sie im folgenden unberücksichtigt bleibea Der Grund hierfür ist folgender: Bei einer Halbleitervorrichtung mit einer Stütz- bzw. Tragebene, die insgesamt als dünne Platte ausgebildet ist entstehen die Spannungen Si, S₂ und S₆ dann, wenn eine Kraft aufgrund der Kontraktion der Kunstharz-GieBmasse 17 von einer schmalen Seiten- oder Querschnittsebene zwischen dem Halbleiterelement und der Tragplatte aufgenommen wird. Die Spannungen S₃, S« und S₅ entstehen dann, wenn eine Kraft aufgrund der Kontraktion der Gießmasse 17 von den großen Ober- und Unterseiten der Halbleitervorrichtung aufgenommen wird. Die Spannungen S3, S₄ und .S5 besitzen daher im Vergleich zu den Spannungen S₁, S: und St eine zu geringe Größe, um einen Hauptfaktor für die Widerstandsänderung bilden zu können. Es wurden die Änderungen von P₁₁, P,₂ und somit A.2 und Pi\ sowie weiterhin P\t und P₂b berechnet, die durch diejenigen Widerstandsänderungen der beiden Widerstandsschichten 18 und 19 hervorgerufen werden, welche in den senkrecht zueinander stehenden Richtungen χ und /auftreten. F i g. 5 veranschaulicht die Ergebnisse der Berechnungen für F₁₁ (= P22) und Pm ( = P>i)· F i g. 6 zeigt die entsprechenden Ergebnisse für fib und P20. Auf den Abszissen von F i g. 5 und 6 ist ein Rotationswinkel C von 0 — 90° aufgetragen, über den die Richtung χ von der Kristallachse (01 T) über die Kristallachse (010) zur Kristallachse (011) hin verschoben wird, so daß folglich die Richtung y von der Kristallachse (011) über die Kristallachse (001) zur Kristallachse (011) verlagert wird. Auf der Ordinate von Fig. 5 ist die Widerstandsänderung ORx oder öRy aufgrund der längs einer Ebene wirkenden Spannungen aufgetragen. Unter der Annahme

U = -(S, + S₂) = -981 bar

(-1000 kg/cm²) (Druckspannung).
W = SoZ(Si + S₂)
Sb = 0,

0,

4', wird v, als

ν = (S, -S₂)J(Si +S₂)

ausgedrückt, mit Größen von 1.0,0,2.0.1.0,0. -0.1, -0.2 und —1,0 gewählt. Die Kurven 20 bis 26 gemäß Fig. 5 Vi veranschaulichen die Widerstandsänderungen 6Ry aufgrund von Änderungen des Rotationswinkels C. Entsprechend der obigen Formel

ν = (S, - S₂) / (S₁ + S₂)

si für die Größe von ν gelten die Kurven 20 und 26 für Änderungen von Pu bzw. Pn- Die Kurven 20 und 26 veranschaulichen nämlich, daß P_x \ (=P₂₂) und P_n (=P21) jeweils praktisch gleich große Absolutwerte entgegengesetzter Vorzeichen besitzen, und zwar unabhängig

W) davon, welche der beiden senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen für die Widerstandsgröße der Widerstandsschicht 12 oder der Widerstandsschichten 18, 19 dargestellt ist. Die Ordinate von F i g. 6 gibt die Widerstandsänderungen ORx ORy aufgrund von Schub-

b5 bzw. Scherspannungen an. Unter der Voraussetzung W = 1 und U = -981 bar (-1000 kg/cm*), zeigen die Kurven 27 und 28, daß sich die Widerstände Rx, Ry mit P16 bzw. P₂₆ ändern. Die Fig.5 und 6 zeigen, daß Pn

( = P22), Pn { = P2\) und Pm, P_2b stets praktisch gleich große Absolutwerte mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzen, und zwar unabhängig davon, welche der beiden senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen durch die Widerstandsgröße der Widerstandsschichten 18 und 19 dargestellt ist.

Erfindungsgemäß wird das Verhältnis der in den beiden senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen auftretenden Widerstände auf 1 :1 eingestellt. Unter der Voraussetzung von Rx — Ry kann daher die obige Gleichung (1) durch die folgende Gleichung (2) ersetzt werden:

SR =

Rx R

[(P_n +P₁₂)(S₁ +S₂) ₁ +P₂

Wie aus der obigen Gleichung (2) hervorgeht, wird die Widerstandsänderung praktisch zu Null reduziert.

Bei Belegung der genannten Kristallebene eines Halbleitersubstrats wird die gleiche vorteilhafte Wirkung nicht nur von einer Widerstandsschicht, die sich in die in Verbindung mit Gruppe 1, 2 und 5 gemäß Tabelle 1 beschriebenen Richtung erstreckt, sondern auch durch Widerstandsschichten geboten, die in zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen verlaufen.

Zum Vergleich ist im folgenden die Änderung OR des Gesamtwiderstands der Widerstandsschichten 18,19 im Fall von Rx Φ Ry. Anhand obiger Gleichung (1) läßt sich diese Widerstandsänderung R wie folgt ausdrükken:

_5R_ (Pu

S₂)

(P_n-P_n)(S₁-S₂) Rx-Ry
2 R

In bezug auf obige Gleichung (3) sei angenommen:

(Pn + P_n)(S₁ +S₂) _ ^

(P_n-P₁₂)(S₁-S₂) _ _f

In diesem Fall wird c praktisch zu Null reduziert. Die Widerstandsänderung OR läßt sich daher wie folgt i> dusdrücken:

(4)

40

Da die Standardabweichung des Ausdrucks (Rx-Ry) unabhängig von der Richtung, in welcher der Widerstand auftritt, als praktisch konstant betrachtet werden kann, wird die Widerstandsänderung OR durch das Ausmaß bestimmt, in welchem sich / entsprechend dieser Richtung ändert. Die Widerstandsänderung R wird nämlich im Fall von / = (100) am kleinsten und im Fall von Z=(OIl) am größten. Wenn daher der Widerstand im Fall von Rx Φ Ry in der Kristallachse (OU) besteht, tritt ersichtlicherweise eine deutliche w Widerstandsänderung auf.

Fig.7 ist ein ähnliches Diagramm wie Fig.5, das durch Bestimmung bzw. Messung der Widerstandsänderungen einer p-T$ ρ-Widerstandsschicht ermittelt wurde, welche auf dieselbe Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform auf der Hauptkristallebene {511} eines Silizium-Halbleitersubstrats 11 vom n-Leitfähigkeitstyp ausgebildet wurde. Dabei wurden theoretische Berechnungen derjenigen Widerstandsänderangen der auf der Kristallebene {511} des Substrats 11 vorgesehenen Widerstandsschichten 18,19 durchgeführt, die dann auftreten, wenn die Erstreckungsrichtungen der Widerstandsschichten 18, 19 von der Kristallachse (01Ϊ) über den Rotationswinkel Czur Kristallachse (255) hin verschoben werden. ,

F i g. 8 veranschaulicht auf dieselbe Weise wie F i g. 7 die Ergebnisse von Berechnungen der Änderungen öR des Gesamtwiderstands R (= Rx + Ry) von erster und zweiter Widerstandsschicht 18, 19. Dabei gelten die Kurven 40 für den Fall ν = 1,0, die Kurve 43 für den Fall c=0 und die Kurve 46 für den Fall ν = 1,0. Die in F i g. 8 zu Vergleichszwecken angegebenen Kurven 30 und 36 entsprechen den gleichen Kurven von F i g. 7.

Fig.9 veranschaulicht die als P^ ausgedrückten Änderungen eines piezoelektrischen Koeffizienten, welche der Verschiebung der Kristallachse von (Oll) auf (255) entsprechen. Aus den F i g. 7,8 und 9 ist ersichtlich, daß sich der piezoelektrische Koeffizient P^ in Abhängigkeit von den Erstreckungsrichtungen von erster und zweiter Widerstandsschicht 18 bzw. 19 ändert.

Wenn die beiden Widerstandsschichten 18 und 19, wie erwähnt, senkrecht zueinander angeordnet werden, so daß sie sich beispielsweise in den Kristallachsen (01 T) bzw. (255) erstrecken, und das Verhältnis zwischen ihren jeweiligen Widerstandswerten auf 1 :1 eingestellt wird, sind ihre Gesamtwiderstandswerte keinen wesentlichen Änderungen unterworfen, auch wenn die Widerstandsschichten 18, 19 in der Hauptkristallebene (511} eines Siliziumsubstrats 11 ausgebildet sind.

Wenn die Widerstandsschichten 18 und 19 vom p-Leitfähigkeitstyp senkrecht zueinander stehend auf der Hauptkristallebene {811} oder {911} eines Siliziumsubstrats vom n-Leitfähigkeitstyp ausgebildet werden, weist das betreffende Halbleiterelement dieselben elektrischen Eigenschaften auf, wie sie dann zu beobachten sind, wenn die Widerstandsschichten 18,19 auf der Hauptkristallebene {511} des Siliziumsubstrats 11 geformt sind. Es wurden außerdem die Widerstandsänderungen ÖRx, ORy sowie die Änderungen des Koeffizienten P^ für den Fall berechnet, daß die Erstreckungsrichtungen der beiden senkrecht zueinander angeordneten Widerstandsschichten 18 und 19 unter einem Winkel von 90° von der Kristallachse (Oll) zur Kristallachse (Ϊ44) hin versetzt sind. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind ebenfalls in den Fi g. 7,8 und 9 veranschaulicht

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Fall der Verwendung von Widerstandsschichten 18 und 19 vom p-Leitfähigkeitstyp. Widerstandsschichten vom n-Leitfähigkeitstyp können jedoch dieselbe, vorstehend beschriebene vorteilhafte Wirkung zeigen, wenn sie senkrecht zueinander stehend in der Hauptkristallebene {111} eines Siliziumsubstrats 11 ausgebildet sind.

Für n-Typ-Widerstandsschichten gilt folgendes: In diesem Fall wird eine Halbleitervorrichtung in der Weise hergestellt, daß ein Donatorfremdatom in die Hauptkristallebene (111) eines mit einem Akzeptorfremdatom dotierten Silizium-Halbleitersubstrats eindiffundiert wird, wobei zwei n-Typ-Widersiandsschichten geformt werden, die in senkrecht zueinander stehenden Richtungen verlaufen. Auf die vorstehend beschriebene Weise wurde der Gesamtwiderstand

dieser Widerstandsschichten auf der Hauptkristallebene {111} des Siliziumsubstrats für den Fall gemessen, daß die Verlaufsrichtungen der senkrecht zueinander liegenden Widerstandsschichten von der Kristallachse ■> (011) zur Kristallachse (211) hin versetzt sind. Die Ergebnisse sind in F i g. 10 dargestellt. In F i g. 10 gelten die geraden Linien 50 — 56 für die Fälle, in denen der Faktor vdie Größe von -1,0(1.0), -0,2(0,2), -0,1(0,1), 0. 0,l(-0,l),0,2(-0,2)undl,0(-1,0) besitzt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Siliziumsubstrat mit einer ersten langgestreckten, dotierten Widerstandsschicht in einer seiner Hauptflächen und mit einer in derselben Hauptfläche ausgebildeten, sich praktisch senkrecht zur Erstrekkungsrichtung der ersten Widerstandsschicht erstreckenden zweiten dotierten Widerstandsschicht ι ο und aus einer das Siliziumsubstrat einkapselnden Kunstharz-Gießmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der beiden Widerstandsschichten (18, 19) in den Richtungen ihrer Längsachsen, in denen jeweils der Strom fließt, gleich sind, daß im Fall von Widerstandsschichten (18, 19) vom p-Leitfähigkeitstyp die Hauptfläche durch eine der Kristallebenen {100}, {511}, {811} oder {911} und im Fall von Widerstandsschichten (18, 19) vom n-Leitfähigkeitstyp durch die Kristallebene {111} gebildet ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstandsschichten (18, 19) zur elektrischen Verbindung in gegenseitiger Berührung stehen (F i g. 2).

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste Widerstandsschicht (18) als auch die zweite Widerstandsschicht (19) jeweils in eine Anzahl von voneinander getrennten, parallel zueinander angeordneten Widerstandsbereichen (18a, 18Z? bzw. 19a, 190) aufgeteilt sind (F i g. 3 bzw. F i g. 4).