DE2828605C3 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
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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 vorhanden 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 Element entspricht.
Aus der Zeitschrift »Einführung in die Mikroelektronik« von A. Lewicke, A. Oldenbourg, Verlag Münschen/
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
so 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 fließt, 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.
4> 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,
Fig.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
h5 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 Hauptkristallebene{ 100} bei einer an cias Halbleiterelement
angelegten Schub- oder Scherspannung auftreten,
F i g. 7 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderungen 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 Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschichten,
die in deren Erstreckungsrichtung in der Hauptkristallebene
{111} dann auftreten, wenn das Halbleiterelement
mechanischen oder thermischen Spannungen unterworfen ist.
In F i g. 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/cm3
dotiert ist. Die Hauptfläche des Silizium-Halbleitersubstrats 11 besteht dabei aus einer Kristallebene {100}. Die
Widerstandsschic!.t 12 ist in der Hauptkristallebene {100} mit einer Oberflächenkonzeniration von 10'·8
Atome/cm3 mit einer Tiefe von 2,7 μΐη durch selektive
Diffusion von Bor ausgebildet. Die Hauptfläche des Siliziumsubstrats 11 kann anstelle der Kristallebene
{100} in einer Kristallebene {511}, {811} oder {911} liegen.
Wenn die Widerstandsschicht 12 vom n-Leitfähigkeitstyp ist, kann die Hauptfläche des Substrats Il 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 das
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 186, die parallel zu einer Kristallachse verlaufen. Die zweite Widerstandsschicht 19 ist aus zwei
Widerstandsbereichen 19a, 196 gebildet, welche parallel zu einer senkrecht zu dieser Kristallachse verlaufenden
Linie liegen. Die einzelnen Widerstandsbereiche 18a, 186 und 19a, 196 sind elektrisch miteinander verbunden.
Hierbei sind erste und zweite Widerstandsschicht 18 bzw. 19 so ausgelegt, daß der Gesamtwiderstand der
Bereiche 18a, 186 demjenigen der Widerstandsbereiche 19a, 196gleich ist Die Widerstandsbereiche 18a, 186der
ersten Widerstandsschicht 18 sowie die Bereiche 19a, 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 fünf Proben einer ersten Gruppe hergestellt, bei welcher
sich die erste Widerstandsschicht 18 längs der Kristallachse (001) und die zweite Widerstandsschicht
19 längs der Kristal.'achse (010) erstreckt. Weiterhin
wurden fünf Proben einer zweiten Gruppe hergestellt, bei welcher die erste Widerstandsschicht 18 längs der
Kristallachse (011) und die zweite Widerstandsschicht
19 längs der Kristallachse (Oll) verläuft. Weiterhin wurden fünf Proben einer dritten Gruppe vorbereitet,
bei welcher die erste Widerstandsschicht 18 längs der Kristallachse (01 Is und die zweite Widerstandsschicht
19 längs einer von dieser Richtung um 60° zur Kristallachse (01Ϊ) hin versetzten Richtung verläuft. Bei
weiteren fünf Proben einer vierten Gruppe verläuft die erste Widerstandsschioht 18 längs der Kristallachse
(011) und die zweite Widerstandsschicht 19 längs der
Kristallachse (01Ϊ). Schließlich wurden noch fünf Proben einer fünften Gruppe hergestellt, bei welcher die erste
Widerstandsschicht 18 längs einer Richtung verläuft, die von der Kristallachse (011) um 30° zur Kristallachse
(OlT) versetzt ist, während die zweite Widerstandsschicht 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 Widerstandsschicht 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 Widerstandsschichten 18, 19 des Halbleiterelements
nach dessen Einkapselung in die Kunstharz-Gießmasüe 17. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1
aufgeführt.
Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.
Gruppe 1
Gruppe 2
Gruppe 3
Gruppe 4
Pliiiichcn- | Nach Montage | Nach dem | Tabelle 2 > |
Gruppe 5 | JtI | PläUchen- | Nach Montage | Rm | Nach dem |
/usumd | liinkapseln | /ustand | Einkapseln | ||||||
Oi 102) | -0,1(1301) | +0,1(1303) | +0,2(610) | ||||||
0*1317) | -0,2(1315) | -0,1(1316) | Λ 011 | Λ 011 | -0,3(609) | Λ011 | |||
0(1322) | -0,1(1321) | -0,2(1320) | in Gruppe 2 | Λ011 | ÄOll | -0,1(1219) | Λ Oil | ||
0(1308) | -0,1(1307) | 0(1308) | Π | Ro | Rm | Rs | |||
0(1312) | -0,2(1300) | -0.2(1310) | +0,3(611) | ||||||
0(540) | 0(540) | -0.5(606) | -3,1(523) | ||||||
0(1082) | -0,1(1081! | -0,2(1080) | 0(534) | 0(534) | +3,7(554) | ||||
0(1072) | 0(1072) | 0(1072) | r> | 0(1074) | 0(1074) | +0,3(1077) | |||
0(1076) | -0,1(1075) | 0(1076) | |||||||
0(107!) | -0,2(1069) | -0,2(106")! | 0(542) | -0,6(539) | -2,6(523) | ||||
0(1085) | -0,1(1084) | -0,2(1083) | 0(534) | +0,4(536) | +2,3(549) | ||||
0(1076) | -0.1(1075) | +0.1(1077) | |||||||
0(1265) | -0,1(1264) | -0,8(1255) | 2(1 | ||||||
0(1272) | -0,2(1270) | -0,9(1260) | 0(544) | -0,4(542) | -3,9(523) | ||||
0(1268) | 0(1268) | -0,9(1257) | 0(537) | -0.2(536) | +4,7(562) | ||||
0(1270) | -0,2(1268) | -0,8(1260) | 0(1081) | -0,3(1078) | +0,4(1035) | ||||
0(1275) | -0,2(1273) | -1,1(1261) | |||||||
2) | |||||||||
0(1424) | -0,1(1423) | -1,1(1261) | um 30° versetzte Richtung | ||||||
0(1420) | -0.1(1418) | -1,1(1405) | Ro | Rs | |||||
0(1430) | -0,1(1428) | -1,0(1415) | |||||||
0(1428) | -0,1(1426) | -1,1(1413) | 0(609) | +2.0(621) | |||||
0(1423) | 0(1423) | -0,9(1410) | 0(611) | -2.1(598) | |||||
0(1220) | -0,2(1218) | ||||||||
0(1218) | -0,2(1216) | -0,1(1217) | |||||||
0(1223) | -0,1(1222) | 0(1223) | 0(609) | +2.1(622) | |||||
0(1221) | -0,1(1220) | -0,2(1219) | 0(609) | -2.3(595) | |||||
0(1216) | -0,1(1215) | -0.1(1215) | |||||||
0(1218) | -0.2(1216) | -0,1(1217) | |||||||
Gruppe 5
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 Halblcitcrclerncnts 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 Widerstandsschichten
18, 19 eines eben in einem Plättchen ausgebildeten Halbleiterelements und ihrem Gesamtwiderstand Rs
nach dem Einkapseln des Halbleitcrelements 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(610)
0(1223)
-0.1(1217)
+0,3(615)
-0,7(606)
-0.2(1221)
-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, b5 während die Widerstandswerte der Widerstandsschichten
18 und 19 mit ftrbzw. 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 - Σ
, ι
ti
,-Σ
Rv =
Rx i
Rvi
Weiterhin sei angenommen, daß eine senkrecht zum Halbleitersubstrat verlaufende Richtung mit ζ bezeichnet
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 Gleichungausdrücken:
öR =
AR
= — I (Rx l\, /.Rc /J: ι) S, + (Rx /J,, IRy P22) S2 + (Rx P, „ + Ry P:„) .V1,]
R
Darin bedeuten:
Si, S2 = in den Richtungen χ und y wirkende
Spannungskomponenten,
Si, = längs der Ebenen χ und y wirkende Schub
bzw. Scnerspannungskomponenten,
Pij = Index der Kristallebene eines Halbleitersubstrats, in welcher eine Widerstandsschicht
ausgebildet ist. Dieser Index ist ein piezoelektrischer Koeffizient, der durch die
Verlaufsrichtungen der Widerstaridsschichten mit den Widerstandswerten Rx bzw. Ry
sowie durch die Fremdatomkonzentration der betreffenden Widerstandsschichten bestimmt
wird,
Pw. 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,
Pu. P21 = Horizontaleffekt-Koeffizienten zur Angabe
der Größe der die Widerstandswerte Rx. Ry beeinflussenden Spannungen S2. Si,
P\b, Pib = Koeffizienten zur Angabe der Stärke bzw.
Größe der längs der Ebenen χ und y wirkenden Scherspannung S6.
Gemäß dem piezoelektrischen Effekt entstehen tatsächlich verschiedene andere Schub- bzw. Scherspannungen
als die Scherspannung S6, beispielsweise eine Scherspannung S3 in z-Richtung, eine Scherspannung S4
in der Ebeneyz und eine Scherspannung Ss in der Ebene
zx. Diese drei Scherspannungen S3, S4 und Ss sind jedoch
im Hinblick auf die spezifischen Spar.n'jngseigenschaf-
ten einer in Kunstharz-Gießmasse eingekapselten Halbleitervorrichtung vergleichsweise unwichtig, so
daß sie im folgenden unberücksichtigt bleiben. 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 Si dann, wenn eine Kraft aufgrund der
Kontraktion der Kunstharz-Gießmasse 17 von einer schmalen Seiten- oder Querschnittsebene zwischen dem
Halbleiterelement und der Tragplatte aufgenommen wird. Die Spannungen S3, S4 und Ss entstehen dann,
wenn eine Kraft aufgrund der Kontraktion der Gießmasse 17 von den großen Ober- und Unterseiten
der Halbleitervorrichtung aufgenommen wird. Die Spannungen Sj. S4 und S5 besitzen daher im Vergleich zu
den Spannungen Si, S2 und Sb eine zu geringe Größe, um
:u einen Hauptfaktor für die Widerstandsänderung bilden
zu können. Es wurden die Änderungen von Pn, Pu und
somit P22 und P2, sowie weiterhin Pib und P2b berechnet,
die durch diejenigen Widerstandsänderungen der beiden Widerstandsschichten 18 und 19 hervorgerufen
r> werden, welche in den senkrecht zueinander stehenden Richtungen Ar und y auftreten. F i g. 5 veranschaulicht die
Ergebnisse der Berechnungen für P,, (=P22) und P,2
( = p2i). Fi g. 6 zeigt die entsprechenden Ergebnisse für
Pib und P2O- Auf den Abszissen von F i g. 5 und 6 ist ein
Jn Rotationswinkel C von 0 — 90° aufgetragen, über den
die Richtung χ von der Kristallachse (Oll) 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
Γ) Kristallachse (011) verlagert wird. Auf der Ordinate von
F i g. 5 ist die Widerstandsänderung 6Rx oder 6Ry aufgrund der längs einer Ebene wirkenden Spannungen
aufgetragen. Unter der Annahme
4(i U = -(S, + S2) = -981 bar
(-1000 kg/cm2) (Druckspannung).
W = &,I(S, + S2) = 0.
W = &,I(S, + S2) = 0.
Sb — 0.
4', wird κ als
ν = (S, -S2)I(S, +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 Fi g. 5 j(i veranschaulichen die Widerstandsänderungen 6Ry
aufgrund von Änderungen des Rotationswinkels C. Entsprechend der obigen Formel
ν = (S, -S2)I(S, + S2)
für die Größe von ν gelten die Kurven 20 und 26 für
Änderungen von Pu bzw. P12. Die Kurven 20 und 26
veranschaulichen nämlich, daß Pu (=P22) und Pn (=Pn)
jeweils praktisch gleich große Absolutwerte entgegengesetzter Vorzeichen besitzen, und zwar unabhängig
davon, welche der beiden senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen für die Widerstandsgröße der
Widerstandsschicht 12 oder der Widerstandsschichten 18,19 dargestellt ist Die Ordinate von Fi g. 6 gibt die
Widerstandsänderungen 6Rx, 6Ry aufgrund von Schubes bzw. Scherspannungen an. Unter der Voraussetzung
Kurven 27 und 28, daß sich die Widerstände Rx, Äymit
Pie bzw. P26 ändern. Die Fig.5 und 6 zeigen, daß Pn
( = ^22). Pu ( = P2\) und Pi6, P2fi 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.
OR =
Rx
R
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
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:
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:
OR = -
+ P12)(S1+ S2)
Rx-Ry
R
In bezug auf obige Gleichung (3) sei angenommen:
(/»,,
+P11)(S1 +S2)
(P11-Pn)(S1-S2) _
2
In diesem Fall wird c praktisch zu Null reduziert. Die Widerstandsänderung OR läßt sich daher wie folgt
ausdrücken:
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 öR durch das Ausmaß bestimmt, in welchem sich f entsprechend
dieser Richtung ändert. Die Widerstandsänderung R wird nämlich im Fall von f = (100) am kleinsten und im
Fall von /=(011) am größten. Wenn daher der Widerstand im Fall von Rx Φ Ry in der Kristallachse
(011) besteht, tritt ersichtlicherweise eine deutliche Widerstandsänderung auf.
F i g. 7 ist ein ähnliches Diagramm wie F i g. 5, das durch Bestimmung bzw. Messung der Widerstandsänderungen
einer p-Typ-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 Widerstandsänderungen 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 (011) fiber den Rotationswinkel C zur Kristallachse (255) hin verschoben werden.
FI g. 8 veranschaulicht auf dieselbe Weise wie F i g. 7
die Ergebnisse von Berechnungen der Änderungen 6R 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
v=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 Pie ausgedrückten
Änderungen eines piezoelektrischen Koeffizienten,
jo welche der Verschiebung der Kristallachse von (01 T) auf
(255) entsprechen. Aus den F i g. 7,8 und 9 ist ersichtlich, daß sich der piezoelektrische Koeffizient Pi6 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 6Rx, ORy sowie die Änderungen des
Koeffizienten Pie für den Fall berechnet, daß die
Erstreckungsrichtungen der beiden senkrecht zueinander angeordneten Widerstandsschichten 18 und 19
unter einem Winkel von 90° von der Kristallachse (01 T) zur Kristallachse (144) hin versetzt sind. Die Ergebnisse
dieser Berechnungen sind ebenfalls in den F i 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.
Π 12
Für η-Typ-Widerstandsschichten gilt folgendes: In dieser Widerstandsschiciten auf der Hauptkristallebene
diesem Fall wird eine Halbleitervorrichtung in der |111} des Siliziumsubstrats für den Fall gemessen, daß
Weise hergestellt, daß ein Donatorfremdatom in die die Verlaufsrichtungen der senkrecht zueinander
Hauptkristallebene (111} eines mit einem Akzeptor- liegenden Widerstandsschichten von der Kristallachse
fremdatom dotierten Silizium-Halbleitersubstrats ein- r>
(011) zur Kristallachse (211) hin versetzt sind. Die
diffundiert wird, wobei zwei n-Typ-Widerstandsschich- Ergebnisse sind in F i g. 10 dargestellt. In F i g. 10 gelten
ten geformt werden, die in senkrecht zueinander die geraden Linien 50 — 56 für die Fälle, in denen der
stehenden Richtungen verlaufen. Auf die vorstehend Faktor ν die Größe von -1,0(1,0), -0,2(0,2), -0,l(0,l),0,
beschriebene Weise wurde der Gesamtwiderstand 0,1 (-0,1 ),0,2(-0,2) und l,0(- 1,0) besitzt.
Hierzu 6 Blatt Zcicliiuinucn
Claims (3)
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 1100}, {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 (Fig. 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, 186 bzw.
19a, 19b) aufgeteilt sind (F i g. 3 bzw. F i g. 4).
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