DE1941279B2 - Feldeffekttransistor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Feldeffekttransistor und verfahren zu seiner herstellung

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DE1941279B2 DE19691941279 DE1941279A DE1941279B2 DE 1941279 B2 DE1941279 B2 DE 1941279B2 DE 19691941279 DE19691941279 DE 19691941279 DE 1941279 A DE1941279 A DE 1941279A DE 1941279 B2 DE1941279 B2 DE 1941279B2
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Description

0.3
lV- Γ,, · .V1, An
Di\- r E ■ Y1, .Y11
gill, wobei Ii die Dielektrizitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht, N der Molenbruch des l'hosphorpentox>ds. 111 eine Proportionalilätskonslante mit dem Wert von etwa 30 und \'h die maximal an den Steuerelektrode!! anliegende Vorspannung bedeuten.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis \„ der Phosphorsilikalglasschichl (·9) zur Dicke \(1 des restlichen Teils der Isolierschicht 117) < 3 ist. v>
3. Feldeffekttransistor nacl" den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikalglassehicht enthaltenen l'hosphorpentoxvds < ().') ist.
4. I eUeflcktlransistor nach den Ansprüchen I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikalglassehicht enthaltenen l'hosphorpenio\\iN /wischen 2 K) 4 I.Y1, Y1, t I) und ().()') hegt.
5. I-'eldeffekttransislor nach den ,Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, da(J als Material Tür die nicht aus Phosphorsilikatglas bestehende Teilschichl der (iesamtisolierschicht Sili/iunulioxyd gewälill ist.
(S. Verfahren zum Herstellen von lekleffekt- 4s transistoren nach ilen Ansprüchen 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstelhmgsverfahrens PO(I1 t ()_, in einem inerten Trägergas über die SiO,-Schicht (17) bei einer Temperatur von K(K) bis so M)OO C geleitel wird, derart, daß durch HndilTusion von P, O, in die SiO,-Schicht (17) die Phosphorsilikalizlasschicht (I*)) entsteht.
Die Hfindiing betrifft einen 1 eldeffekttransislor iiit einem zwischen Quellen- und Senkenelektrode fto icfmdlidien. leitenden Kanal, über dem eine isoheiie Steuerelektrode angeordnet ist. bei dem die isolierende Schicht zwischen Kanal und Slcuerclcktrodc aus einer ersten dielektrischen Tcilsehieht der Dicke \,, und einer weiteren dielektrischen Schicht der Dicke \„ fts aus Phosphorsilikatglas besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Transistors.
In der Technik werden zur Zeit große Anstrengungen bezüglich der Iniwicklung verbesserter leldellekiliansisioreii bzw. \erbesserter 1 lerslellungs\erlahren für diese gemacht. Bei diesen I lei stellungs\eilahren isi es wichtig, daß sie sich für Massenfertigung um l'ransistoren eignen. Der leldeffektiransisior ist an sich Im derartige MaSSCnIH-IsIeIlImUsVCrIaIHeIi besonders üceiüiici. Normalerweise besii/en I eklellekliraiisMoren eine metallische Sieucrclekliode. die in einem del'mierien Absland oberhalb des in der Kegel ausSdi/ium bestehenden I lalhieilerkörpersangehraciu isi. wntiei eine dünne Zwischenschicht aus dielektrischem Material als Isolator für die Steuerelektrode diciil. Wcilcrhin sind Quellen- und Senkenelektrode!! voruesehen. welche \on der (»herlläche her in einem delmierien Ahstand in das I lalbleilerplätichen eindil'fundierl sind, wobei ein sehr dünivr Zwischenbereich auf der Oberfläche des Halbleiterplällcliens einen leitenden Kanal abgibt, dessen Stromlluß von der Steuerelektrode gesteuert wird. Bei einer geeignet gewählten Vorspannung der Steuerlektrode modulieren die von den Steuerspannungen hervorgerufenen elektrischen leider die Trägerdichte innerhalb des leitenden Kanals und daher auch den Stromlluß /wischen Quellm- und Senkenelektroden. Die Arbeilsweise eines l'eldeffekttransislors mit isolierter Steuerelektrode ähnelt sehr derjenigen einer Vakuumtriode, da es sich um ein Verstärkerelement mit Spannungssteuerung handelt und da die gesteuerten Arbeitsströme /wischen Quellen- und Senkenelektroden lediglich aus Majoritätsladungsträgern bestehen. Normalerweise ist bei der Massenherstellung von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode lediglich ein einziger Diffusionsschritt erforderlich, in welchem die Queller.- und Senkenelektrode eindiffundieii wird. Darüber hinaus bedarf es zur Fertigstellung der Transistorstruktur icv.!iglich noch der Aufbringung einer dünnen Isolierschicht für die Steuerelektrode und der metallischen Steuerelektrode selbst auf diese Isolierschicht.
Die Arbeitscharakteristiken, welche derartige FeIdelfekttransistorenmit isoliertem Steuergitter aufweisen, werden durch die Schwellwcrtspannung F, gekennzeichnet, wobei dieser Wert von Rauniladungscfleklen abhängt, die für das Oberflächen potential des Siliziums bestimmend sind Derartige Ladungen können auch zurückzuführen sein auf eine Reslträgerdichle an den Zwischcnflächcn zwischen den Silizium- und Siliziumdioxydoberllächen. die den leitenden Kanal bilden. Die Raumladungseffckte entstehen im wesentlichen durch eine Ladung des Oxyds, die sich anscheinend innerhalb des Isolators für das Slcuergilter ausbildet, und weiterhin durch die Wanderung von Alkaliionen, insbesondere von Natrium, die sich durch die SiO,-Schicht unter gewissen Voraussetzungen hindurchbewegen. Diese Raumladungseffektc. die sich oft auch während längerer clcktrothcrmischer Belastungen der Vcrstärkcrclcmcnlc andern, stellen ein ernstes Problem in der Technologie der Feldeffekttransistoren dar. und es besteht ein starkes Bedürfn!?. diese F.ffckte zu vermeiden oder doch wenigstens, beispielsweise durch Kompensation, herabzumindern. Wie unerwünscht derartige F.ffckle sind, geht auch bereits daraus hervor, daü Änderungen der Schwellwcrtspannung F7 nach längerem Gebrauch der Vcrstärkerelemcnte die Funktion von Schaltungen, die mit diesen Elementen aufgebaut sind, sehr stark beeinträchtigen können.
Fs ist bereits bekannt, daß durch die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschicht auf einer SiO2-
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ichiihl. die sich aiii' der < »herlläche eines Si-IMaII-•hcns befindet, offenbar eine Stabilisierung oder 'assiuerung der (Hvι lläclieiip'ileniiale auf der Sitheiiläche auftritt. Anwendungen derartiger Phosihorsilikalglasschichien als l'assivierungsschichien in uiegrierlen Halhleiierschallungen sind beispielsweise .n der USA.-Patentschrift .3 343 049 beschrieben. Hier isiirdedie Pliosplioisilikalglassehiehl im allgemeinen gebildet durch Erhitzen der Sili/iu;iulio\\dschiclit in Gegenwart einer IMiosphor-Sauerstolf-Verbindung, beispielsweise \on IM),. POCI, und ähnlicher Verbindungen. Diese Verbindungen reagieren ml der SUh-Schicht und »ehen eine Schient um IM), SiO,-C"das von unhekannier Zusammensetzung. Während der Diffusion nimm', dabei die Dicke der Phosphorsilikalglasschieht auf Kosten der Si() -Scliicl'.l zu. wonei die Verschiebung der 'l'rennlläehe durch den piffusionsvorgang gesteuert wird.
Hs wurde auch hereits in einem Aufsat/ von D. R. Kerr mil dem Titel »Stabilisierung von Passivierungsschiehten aus Sili/iunulioxu' mit Ρ,Ο,«. erhehienen im IBM-Journal vom September 1964. berichtet, dall die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschieht eine Erhöhung der Stabilität bezüglich des Oherflächenpotenlials an Treiinflächen zwischen Si und SiO; durch Verringerung der Entstehungsgeschwindigkeit von positiven Raumladungen bewirkt.
Weiterhin ist aus dem Aufsat/ »lonentransportorscheinungcn in isolierenden dünnen Schichten« um H. 11. Snow et al. im »Journal of Applied Ph>sics« vom Mai 1%5 bekannt, daß sich derartige Raumladungen unter der r.inwirkung von Natriumionen ausbilden, die sich stets in SiO2-Schiehten befinden. Derartige, in unpassivicrtcn Sit)2-Sehichten vorhandene Alkaliionen /eigen die Tendenz, innerhalb dieser Schicht zu wandern, wenn diese elektrisch belastet wird, so daß sich die Raumladungsverteilung an der Trennschicht /wischen Si und SiO, und somit be: Feldeffekttransistoren die Bedingungen im leitenden Kanal in unkontrollierter Weise ändern. Auch bei Beobachtung großer Sorgfalt während des 1 lerstellungspro/esscs ist es außerordentlich schwierig. Jie Anwesenheit von Alkaliionen, insbesondere von Na. in SiOi-Schichlcn auszuschließen. Ils hat sich herausgestellt, daß bei der Benutzung von phosphorhaltigcn Substanzen zur Stabilisierung der I eldeffekltransi/torcigenschnften sich nicht ohne weiteres eine Verbesserung der Transistoreigenschaften ergibt; vielmehr ttitt hiiu': t das Gegenteil ein. und man hat Grund zu der Annahme, daß bei einem zu hohen Phosphoranteil eine l'iberkompensation bzw. weitere noch unbekannte Phänomene eintreten, die insgesamt eine Verschlechterung der Charakteristik der Transistoren ergeben. Untersuchungen, die bezüglich der Eigenschaften von SiO2-P2O,-Ssslemen augestellt wurden, haben ergeben, daß in solchen Systemen eintretende Polarisationseffckte unter Umständen die Stabilität von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektrode!! verschlechtern können. Hierzu sei auf einen Aufsatz von E. H. Snow et al. im »Journal of the Electrochemical Society« vom März 1966 verwiesen. Ein in der genannten Zeitschrift unter dem Titel »Pobvisationsphänomcnc und andere Eigenschaften von diinncn Phosphoisiiikatglasschichlcn auf Silizium« berichtet, daß zwar auf SiOj-Schichtcn aufgebrachte Ph.isphorglasschichtcn als wirksame Barriere zur Verhinderung der Wanderung von Alkaliionen benutzt werden können, daß jedoch gewisse Polurisalionsuirgängc 111 dieser Schicht /u veisläi klcn Instabilitäten bezüglich der Charakteristik der Transistoren beitragen können, wobei diese schädlichen Polarisalionsel'fekte besonders bei einer laugen elektrischen Belastung unter hoher Temperatur auftreten können.
Der Irlinduiig liegt die Aufgabe zugrunde, die Struktur und ein Verfahren zur Herstellung der Struktur eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuereleki'rode anzugeben, bei welchem unerwünschte Oherllixlienladiingen in der Gegend der Steuerelekimde so kompensiert sind, daß eine stabile Arheiischarakieristik des Transistors, d.h. insbesondere eine u-lam konstante Sehwellwerlspannung I , an der Steuerelektrode, über lämieie /eilen auch hei elekiroihernii-■vchen nberbeanspruehungen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird hei dem anfangs genannten l'eldelTekltiansislor erlindunüsgemäli dadurch gelöst, daß das Dickeinerhältnis v,( /\, der Teilschichten der Isolierschicht sowie die :·. onzeniration des Phosphorpentoxyds in der Phospho.silikatschicht so gewählt sind, daß die Relation
0.3
/mV' Vh ■ X11 V11
/; -t- inN- t- /;" ■ v
.V11
gilt, wobei /: die Dielektrisitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht. N den Molenbruch des Phosphorpenloxydcs. /11 eine Proportionalitätskonstante mit dem Wert von etwa .30 und l'h die maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeutet.
Der Erfindung Hegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verschiebung der Schwcllwertspannung I F, nicht nur abhängt vom Verhältnis v„ .;.<. d.h. dem Verhältnis der Dicke der Phosphorsilikatglasschicht zu der restlichen dielektrischen Schicht, aus der die dielektrische Gesamtschicht zwischen leitendem Kanal und Steuerelektrode aufgebaut ist. sondern daß auch noch eine Abhängigkeil von tier Konzentralion des in die Phosphorsiükatglas.-.chichl eingebauten Phosphorpcntoxyds besteht. So wurde empirisch gefunden, daß die Abweichung der Schwcllwertspannung IF, gegeben ist durch den Ausdruck:
K Λ- .V-J',.
-V1,
wobei K eine Proportionalitätskonstante. Λ den Molcnbruch des eingebauten Phosphorpentowds in der Phosphorsilikatglasschich: und I1, die Vorspannung des Steucrgiiters bedeutet.
Aus einer gegebenen P2O5-Konzcntrati.>n kann somit .las Verhältnis v,( \„ berechnet werden und umgekehrt. Um eine Verunreinigung der unter der Isolierschicht liegenden Si-Oberfläche zu vermeiden, ist es dabei vorteilhaft, daß das Verhältnis .x„ der Phosphorsilikatglasschicht zur Dicke v„ der restlichen Isolierschicht < 3 ist.
Eine wesentliche Maßnahme nach der Lehre der Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß der Molcnbruch des Anteils an in die Phosphorsilikatglasschicht eingebautem P2O, innerhalb eines kiilischer. Bereichs gehalten wird. Hierbei liegt die obere Grenze bei 0.09, womit sichergestellt ist, daß die Ladungspolarisation noch keine störende Rolle spielt.
I 941
und die untere Grenze ist gegeben durch die Beziehung
N = 2 · K) 4
womit noch für eine ausreichende Wirksamkeit der eingebauten Substanz als Barriere gegen eine Ionenwanderung, insbesondere von Alkaliionen, gesorgt ist.
FJn vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen von Feldeffekttransistoren ist so ausgebildet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstcllungsverfahrens PC)(I, -f O, in einem inerten Trägergas über die SiOi-Schicht bei einer Temperatur von 800 bis ICKX) C geleitet wird, derart, daß durch Eindiffusion von P2O5 in die SiO2-Schicht die Phosphorsilikatglasschicht entsteht.
Die Erfindung wird an Hand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt
Fig. IA bis I D einige Verfahrensschritte bei der Herstellung der Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet sind,
F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des in F ig. ID dargestellten Querschnitts, wobei eine positive Vorspannung der Steuerelektrode angenommen ist.
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Schwellwcrtspannungsvcrschiebung I VT in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung bei niedriger Temperatur aufgetragen als Funktion \„ V1,. wobei als Parameter verschiedene Konzentrationen von 1',O5 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht angenommen sind,
F i g. 4 Änderungen der Größe IF7 unter verschicdcnen Bedingungen durch längere elektrische Belastung bei hohen Temperaturen und
F 1 g. 5 ein Diagramm des Verhältnisses \„ x„ in Abhängigkeit von der Ρ,Ο,-Κοη/cnlration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht mit bestimmten Werten der Verschiebung IF7 der Schwellwertspannung als Parameter
Die I ig. I A bis I D erläutern einige Zwischenstufen des Herstellungsverfahrens von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode. Ein derartiger Herstcllungsprozcß wurde bereits anderweitig beschrieben. Durch dieses Verfahren können viele derartige Transistoren in Massenfabrikation aus einem einzigen Halbleiterplättchen hergestellt werden, wobei der Kanal entweder vom n- oder vom p-l.citungstyp ist.
In Fi g. I is! mit I ein p-leilcndes Siliziumplättchen bezeichnet, das durch konventionelle Verfahren mechanisch geläppt und chemisch poliert wurde, um alle fremden ()berfläehen\erunremigungen /11 entfernen. Der eigen!liehe Herstellungsprozcß beginnt damn, daß die Oberfläche ties Plättchens I einem O.xvdationsprozeß unterworfen wird, wobei sich eine dicke Schicht 3 aus SiO. auf der Oberfläche bildet. Das Plättchen I kann zu diesem /weck beispielsweise einem 'M lockcn-Naß-T rockeii"-Prozcß unterworlen '*' werden, wobei das Plättchen sukzc.sivc einer Sauersioffatmosphäre. einem Wasserdampfund wiederum einer Sauerstoffatmosphärc au-ueset/l und. wahrem' das Plättchen mit I 'ingchung auf cmc erhöhte I empcratur. beispielsweise auf 1MO ( autgeheizl wird. Meisi ^ v. in! eine SiO;-Schicht 3 \on der Dicke /wischen 20(Ki und "000 Λ aufgebracht, die gleich/eilig auch ■iU M.iske hei der l· indilliisii-.n der ( 'neuen- b/w Senkenelektroden dienen kann. Beispielsweise werden zu diesem Zweck die Diffusionsfcnster 5 und 7 in der SiO,-Schicht angebracht, wozu übliche photolithographische Atzverfahren benutzt werden können.
Zur Herstellung der n-leitendcn Qucllen-Senkcn-Gcbicte 9 und Il wird das Plättchen I mit der SiO2-Maskc 3 mit einer Oberfläche einem gasförmigen Phosphorstrom zum Eindiffundieren ausgesetzt. Das Plättchen 1 wird dabei auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise auf 870 C aufgeheizt. Fs bildet sich eine dünne (in der Figur nicht gezeigte) Schicht aus einer Phosphor-Silizium-Sauerstoff-Verbindung auf allen frei liegenden Oberflächen des Plättchens I und auf der gesamten maskierenden SiO,-Schicht 3. Anschließend wird das Plättchen 1 auf eine höhere Temperatur, beispielsweise auf KKXI bis 13(X) C aufgeheizt. Hierbei wird die Phosphor-Silizium-Sauerstoffschicht in dem Quellen- und Senken-Gebiet teilweise zersetzt, und es ergibt sich eine Phosphordiffusion in die infolge der Maskenfenster frei gelegten Quellen- und Senkengebiete 9 und 11 des Plättchens 1. Gleichzeitig diffundiert P2O5 in die Oberfläche der SiO,-Schicht 3 ein. wodurch diese in die endgültige Phosphorsilikatglasschicht 13 umgewandelt wird. Da die Phosphorsilikatglas-chicht 13 und die Quellen- und Senkengebiete 9 und 11 durch den gleichen Diffusionsprozcß erzeugt werden, ist die erforderliche Tiefe und die erforderliche Dotierungskonzentration der Quellcn- und Scnkenelektroden 9 und 11 leicht in kontrollierbarer Weise zu erhalten. Dementsprechend ist die P_,O5-Konzentration in der Phosphorsilikatglaschicht 13 hoch, beispielsweise mehr als K) Moiprozcnt. so daß sich eine verstärkte Ladungsträgerpolarisation entsprechend einem an späterer Stelle beschriebenen Mechanismus ergibt. Demnach kann die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht nicht unabhängig gesteuert werden. Raumladungscffekte entlang der Si-Oberflächc 15 der Trennschicht zwischen Si und SiO, sind nicht kritisch. Sie können in bekannter Weise durch eine Vorspannung des Substrats, wie sie im folgenden noch im Zusammenhang mit der F i g. I D beschrieben wird, kompensiert werden.
1st der Diffusionsvorgang für das Quellen- und Senkengebiet 9 und 11 abgeschlossen, so wird, wie aus Fig. 1 B zu ersehen, die Steuerelektrode gebildet und das Plättchen mit der Isolierschicht 17 für die Steuerelektrode versehen. Im allgemeinen bilden Teile der Oxydschicht 3 zusammen mit Bereichen der Phospliorsilikalglasschicht 13 die Oberfläche auf dem Plättchen 1 an der Stelle zwischen Quelle und Senke 9 und 11. Dieser Bereich des Transistors entspricht dem Kanal 15'. Das Plättchen 1 wird nun in einer Sauersloffatmosphäre bei einer erhöhten Umgebungstemperatur zwischen 900 und 1150 C einem Reo\\datu>nsprozeß unterworlen (Fig. IBl. Während diese! Rcowdalion erfolgt ein Durchdringen der Quellen- und Senkenelektroden 9 und 11 zusammen mit einer Vergrößerung der Dicke \ tier Phosphorsilikatglasschicht 13. wobei das Anwachsen der letzteren auf Kosten der Si()--Schicht 3 geschieht. Zusätzlich wird /wischen Quelle und Senke 9 und II eine dünne SiO:-Schicln 17 auf der Oberfläche des Plättchen» I gebildet. Die dünne Si( »--Schicht 1". die bei der fertiggestellten 1 iansi-.ti>rst! uMiir die Isolierschicht fin das Steuermittel' abgibt, wird voizugsweisc mit eine; etwas reduzierten Dicke, d. h mit einer Dicke /wischen 200 und iOiKi V hergestellt, eine; Dicke, bei welcher kap.i/iiive Nlvk'iC. die bei der Modulation tier Minoritätsträiier-
t 941
dichte innerhalb des leitenden Kanals 15' eine Rolle spielen, verstärkt und die Steilheit gm vergrößert werden können.
Di-J passivierende Phosphorsilikatglasschicht 19. die oberhalb des leitenden Kanals 15' gebildet wird. erhält eine PjOs-Konzentration, die innerhalb eines bestimmten Wertbereichs gesteuert vird. Hierzu wird «ach der Herstellung der dünnen Si()2-Schicht 17 das Plättchen 1 nochmals einer gasförmigen Atmosphäre eines geeigneten Dotierungsmaterials ausgefetzt, dessen Konzentration jedoch geringer ist. als die in Verbindung mit der Fig. IA beschriebene. Diese niedrigere Konzentration kann beispielsweise durch Transport von POCl, 4- O2 in einem Trägergasstrom aus Stickstoff bei einer Temperatur von 800 C über das Plättchen 1 durchgeführt werden. Dadurch bildet sich eine dünne Schicht einer (nicht dargestellten) Phosphorsilizium-Sauerstoff-Verbindung auf den frei gelegten Oberflächenbereichen der Phosphorsilikatglasschicht 13 sowie auf der dünnen SiO2-Schicht 17. Das Plättchen 1 wird sodann in einer neutralen Umgebung auf eine Temperatur von 1000 C über eine Zeit aufgeheizt, die ausreicht, um das P2O5 in die dünne SiO2-Schicht 17 einzudiffundieren und die dünne Phosp'norsilikatglasschicht 19 zu bilden. Hierbei wird die Konzentration des Phosphorpentoxyds sowie die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht 13 ein wenig erhöht. Die Diffusionsparameter werden in der Weise gesteuert, daß sich ein geeignetes Verhältnis XgIxn der Phosphorsilikatglasschicht 19 und der dünnen SiO2-Schicht 17 ergibt, wobei sich gleichzeitig eine bestimmte P2O5-Konzentration einstellt. Wie nachstehend beschrieben, wird durch diese Maßnahmen erreicht, daß die Schwellwertabweichung 1VT sich innerhalb eines annehmbaren Wertebereichs
bewegt.
Als letzter Schritt bei der Herstellung erfolgt, wie aus Fig. ID hervorgeht, ein Metallisierungsschritt zur Herstellung der Kontakte 21 und 23 für die Quellen- und Senkenelektroden sowie für die Steuerelektrode 25, welche sich oberhalb des leitenden Kanals 15' erstreckt. Zu diesem Zweck werden zunächst Durchbrüche in der dünnen Oxydschicht mittels konventioneller photolithographischer Methoden hergestellt, wodurch Teile der Quellen- und Senkenelektrode!! 9 und 11 frei gelegt und der Ko;.-laktierung zugängig gemacht werden. Anschließend %\\ά eine zusammenhängende Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium, auf di·- gesamte Oberfläche iflcs Plättchens 1 aufgebracht. »· obei sich die Metalliiierung auch durch die vorher erstellten Öffnungen innerhalb der Schicht 17 erstreckt und so einen Ohmsehen Kontakt zu den cindiffundicrtcn Quellenlird Senkenelektroden 9 und 11 bildet.
Mit Hilfe von bekannten photolithographischen >: und Atzverfahren wird schließlieh die F.lektrode 71 r Kontaktierung der Steuerelektrode zusammen mit den erforderlichen Sclialtverbindiingcn zwischen di:n verschiedenen, einer größeren Schaltungseinheit angehörenden Feldeffekttransistoren auf dem Platt- <*> dien 1 erstellt. In der schematisch in Fig. ID dargestellten Konfiguration sind die Verbindungen mit einem äußeren Schaltkreis schematisch angedeutei. wobei der Quellenkontakt 21 an Frde liegt, der Senkenkontakt 23 an einer geeigneten Spannungs- ^5 quelle ^V über einen Arbeitswiderstand R geführt ist und die Steuerelektrode an eine FingangssignaliiniMle S über ein weiteres Metallisierungsmuster hinweg angeschlossen ist. Weiterhin ist das Plättchen selbst negativ vorgespannt mittels der Spannungsquclle - Γ. Hiermit wird erreicht, daß keinerlei Inversionsschicht an der Grenzfläche 15 zwischen Silizium und Siliziumdioxyd infolge von Rautnladungscffckten auftreten kann.
Die F" i g. 2. in welcher der Bereich der Steuerelektrode der in F ig. ID gezeigten Struktur ausschnittsweise vergrößert dargestellt ist, dient zur Frläulcrung. auf welche Weise durch Steuerung der Raumladungscffektc eine Stabilisierung des Spannungsschwcllwcrtes F, erreicht wird. Kurz gesagt, werden die Raumladungscffckte dadurch gesteuert, daß die P2O,-Konzcntration in der Phosphorsilikatglasschicht herabgesetzt wird und daß die Dicke \„ der Phosphrrsilikatglasschicht 19 zu der Dicke .Y0 der SiOj-Schicht 17 in ein bestimmtes Verhältnis \a .vo gebracht wird.
Aus physikalischen Gründen ist anzunehmen, daß bei elektrothermischer Beanspruchung der Struktur innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 eine Ladungsrückverteilung stattfindet. Bei elektrischer Belastung im Bereich niedriger Temperaturen tritt infolge der Drift von nicht zur Brückenbildung beitragenden Sauerstoffionen zwischen Zentren entgegengesetzter Ladung innerhalb des Gitternetzes der Phosphorsilikatglasschicht 19 eine Zurückorientierung der Dipole ein. Bei elektrischer Beanspruchung unter hohen Temperaturen wandern die Sauerstoffionen durch das Gitternetz der Phosphorsilikatglasschicht 19 hindurch und sammeln sich bei positiver Stcucrclektrodenvorspannung an der Trennschicht 27 zwischen Metall- und Phosphorsilikatglasschicht. Bisherige F.rfahrungen lassen nicht darauf schließen, daß innerhalb der dünnen SiO,-Schicht 17 eine Ladungspolarisation stattfindet, da thernvsch aufgewachsenes und anschließend einer geeigneten Wärmebehandlung unterworfenes SiO2 aus einem chemisch gesättigten Gitternetz aus tetraederartig angeordneten SiO4-lonen aufgebaut ist. Da andererseits innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 SiO4-Tetracder durch PO4-Tetraeder substituiert sind, ist ein nicht brückenförmig gebundenes Sauerstoffion mit jedem anderen der willkürlich über das gesamte Gitternetz verteilten Phosphoratome verbunden. Die Neigung der nicht in Brückenform gebundenen Saucrstoffioncn. zwischen den Ladungszentren zu driften, ist jedoch eine Funktion des Abslandes dicsci Zentren, also der P;(VKonz.entraiion und eine Funk tion der elektrothermischen Beanspruchung cLr Phos phorsilikalglasschicht. also der Vorspannung F,.. Da Driften von Sauerstoffionen ohne Brückcnbrndum zwischen Ladungszentren hat einen dipolaren F.ffek zur Folge, durch welchen. w;e in F i g. 2 angedeutei eine Raumladung entgegenge- 'zter Polarität entlan der gegenüberliegenden, haup:-.ichlichcn O her flache der Phosphorsilikatglasschic',. ί9 antritt.
Für die Wahrscheinlich!,,.:,, daß sieh innerhal der Phosphorsilikatglassch'e!.. zwei Zentren en > gegengesetzter Ladung in ·. per Nachbarschaft hi finden, kann eine quadrate :,e Abhängigkeit von di P:O;-Konzentration ange : ;r.;;ien werden. Diese qu; dratische Abhängigkeit ν .; ,lcr P;05-Konzemratio gilt jedoch nur für verl ,nsmäßig vcidünntc Li sungen: für konzentrier! ,, Lösungen ergibt sich ai einfachen statistischen ■ und en eine Abweichui von diesem quadratic -1 Gesetz. Da die Ladung polarisation auf di; hosphorsilikatglassehicht
1 941 27S
ίο
begrenzt ist. kann das Verhältnis v„ vc, als Steuerparameter benutzt werden.
Die Wirkungen der Ladun^spolarisation bestehen darin, daß cinr kompensierende Raumladung entlang des leitenden Kanals 15 des Feldeffekttransistors induziert wird, wodurch sich eine Verschiebung des Schwellweites F, ergibt. Zum Beispiel wird die negative Raumladung, die auf Grund der Polarisation an der oberen Oberfläche der Phisphorsilikalglassehieht 19 auftritt, entlang der angrenzenden Oberfläche der Steuerelektrode 25 fast völlig kompensiert. Infolge der durch die Polarisation entstandenen positiven Ladung entlang der Trcnnfläthe 29 zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SKVSchicht wird sowohl im Gebiet der Steuerelektrode 25 als auch im leitenden Kanal 15 eine kompensierende Raumladung induziert. Der Betrag der kompensierenden Raumladung entlang des leitenden Kanals 15' ist gegeben durch üen Ausdruck
■v„ -*- .v, '
wobei Q die gesamte, durch Polarisation hervorgerufene Raumladung entlarg der Trcnnfläche 29 zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SiO2-Schicht bedeutet. Es wurde empirisch gefunden, daß die Größe der Raumladungicffeklc bzw. der Verschiebung der Schwellwertspannurg I F, eine lineare Abhängigkeit vom Verhältnis x„ \, besitzt. Die infolge der Rcoricntierung der Dipole und weiterhin durch Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 zustande kommende Abweichung der Schwellwcrtspannung II', erreicht einen oberen Wert, der im wesentlichen von der Vorspannung \'h der Steuerelektrode abhängt Du Geschwindigkeit, mit welcher sich die Sättigung des Schwcllvvcrtspannungswcrtes K7 einstellt, ist jedoch temperaturabhängig, da sowohl die Rcorientierung der Dipole als auch die Ladungswanderung thermisch aktivierte Prozesse sind.
Unter elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen stellt sich die Verschiebung der Schwellwcrtspannung IV7 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 für ein gegeber es Verhältnis \y.\,, und für eine gegebene P205-Konzentration in relativ kurzer Zeit, gewöhnlich innchalb einer Stunde, ein. Unter solchen Bedingungen wächst die Verschiebung IV1 als Funktion der P:0;,-Konzcntration in der Phosphorsilikatglasschicht 1*· an und strebt der in F i g. 3 dargestellten Sättigung zu. Sobald die Struktur elektrischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, ist die Verseuchung I Γ, jedoch im wesentlichen wegen der Ladurgswanderung innerhalb der PhosphorsUikalglasschiclt 19 weiteren F.inwirkunaen unterworfen. In diesem Falle ist. wie aus F i g. 4 hervorgeht, der Wert, ί uf den sich die Schwellwcrtspannung Y1 stabilisiert, maßgeblich von der Größe der Vorspannung Yh der Steuerelektrode abhänaig. Die Zeit, die zur Stabi isicrung dieser Schwellwertspannung Y1- benötigt wird, ist jedoch eine Funktion der Umgcbungstemperitiir. Änderungen der Verschiebung Π Υ der Schwellwertspannung unter verlängerter elektrischer Belastung bei hohen Temperaturen sehorchcn dem Ausdruck:
\Yr =
II
A loe f.
in welchem 1I7n die jeweilige SchwcHwertverschiebedeutet, die durch die Reorienticrung der Dipole infolge der elektrischen Beanspruchung bei niedriger Temperatur zustande kommt, ι ein Zeitwert > einer Stunde und A eine mit (/V'im., )" multiplizierte Proportionalitätskonstante ist. wobei η > 2 ist.
In F i g. 3 ist die auf die Vorspannung der Steuerelektrode bezogene Verschiebung der Sclnvellvvertspannung IF, als Funktion des Verhältnisses .y,( x,, für verschiedene Prozentanteile der P2()s-Konzcntration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 unter der Voraussetzung einer elektrischen Beanspruchung bei niederer Temperatur aufgetragen. Die beobachteten Verschiebungswerte IF, streben in Abhängigkeit von xq .v„ für jede einzelne I\O5-Kon-
• 5 zentration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 verschiedenen Sättigungswcrlen zu. Die Sättigung erfolgt bei niederen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen, die in der Nähe von 40 C und darüber liegen, infolge der Orientierung der Dipole sehr schnell.
wie schon erwähnt, in weniger als einer Stunde. Die F i g. 3 zeigt, daß unter der Voraussetzung elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen die Schwellwertspannungsabweichung I F7 sowohl von dem Verhältnis \„ \„ als auch von der P2O5-Konzentralion abhängt. Das Eintreten in die Sättigung der Kurven in F i g. 3 bei wachsendem Verhältnis v„ \„ zeigt an. daß die innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 angehäufte Ladung an der Trennschicht 29 zwischen Phosphorsilikatglasschicht und SiO,-Schieht entlang
W dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen völlig kompensiert ist. wenn
Die unter elektrischer Beanspruchung bei hoher Temperatur sich einstellende Abweichung IF, der Schvvellwertspannung ist in F" i g. 4 dargestellt. Talsächlich ist das in F" i g. 3 dargeste'lte Verhalten ebenfalls in den Kurven der F i g. 4 enthalten. Die F i g. 4 berücksichtigt zusätzlich jedoch die Raumladungseffekte. die durch die Ladungsbewegung hervorgerufen werden. Die Abweichung I F, z. B.. d. h. die Abweichung der Schvvellwertspannung nach einer Zeit von einer Stunde, wird hervorgerufen durch den zusammengesetzten Effekt der Orientierung der Dipole bei niedriger Temperatur und gleichfalls durch die Ladungsbewegung, die infolge der elektrischen Belastung bei hoher Temperatur auftritt. Die Differenzen zwischen den Kurven der Fig. 3 und 4 sind somit
so verursacht durch den Beitrag der l.adungsbewegunt innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19. weicht ihrerseits abhängt von der Temperatur, bei welchei der Feldeffekttransistor mit isolierter Steuergitter elektrode betrieben wird. Wiederum hängt die An/ah
>5 der Sauerstoffionen ohne Brückenbindung innerhall des Gitternetzes dot Phosphorsilikatglasschicht 1' und daher die angehäufte Raumladung entlang de Trennschicht 29 zwischen der Phosphorsilikatglas und der SiO--Schich» ab von der P2O,-Konzentratioi
tO in der Schicht 19. Die Neigung der einzelnen Kurvei der F i g. 4 wird bei einer elektrischen Belastung durc eine gegebene Vorspannung F,, der Sleuergiitcrelek trode maßgeblich bestimmt durJ-> die Temperatu welcher die Struktur unterworfen ist. Aus der hair logarithmischen Auftragung der Meßergebnisse i F i g. 4 ist zu ersehen, daß die Abweichung I F7 de Schwelhvcrtsp.'.nnung in Wirklichkeit eine Sättigun aufweist bei einen1 Wert, der maßgeblich durch d
Vorspannung V1, der Steuerelektrode bestimmt ist. Diese Sättigung stellt sich lu'ch einer Zeil ein. die abhängt von der thermischen Beanspruchung, welcher die Phosphorsilikatgiasschicht 19 ausgesetzt ist. Normalerweise arbeiten Feldeffekttransistoren bei Temperaturen, die unter 100"C liegen. Wie aus F i g. 4 hervorgeht, ist nach einer Betriebsdauer von ICF Stunden bei einer P2O5-Konzentration in der Phosphorsilikatgiasschicht von 4 Molprozent und bei einem Verhältnis .V3Z-Y0 von 0.13 sowie bei einer Gesamtdicke der Phosphorsilikatgiasschicht 19 und der Siliziumilioxydschicht 17 von 1000 Λ eine Abweichung IK7-von weniger als —0.2 Volt des Schwcllwertes für eine Steuerelektrodenvorspannung Vh = 20 Volt zu erwarten.
Für den Fall, daß die P2O5-Konzentration < 9 MoI-prozent ist, erhält man eine Abweichung I K7 von weniger als -0.3 Volt/1000 A. Ist der Molenbruch des P2O5-Gehalts < 0,09, so wird die Polarisation dci Ladung innerhalb der Phosphorsilikalglasschicht im wejentlichen nur durch die Reorientierung der Dipole bestimmt. Eine Ladungsverschiebung tritt auch unter lang anhaltender elektrischer Belastung bei hoher Temperatur nur in sehr geringfügiger Weise ein. Vorzugsweise sollte der Molenbruch des P2O5-Gehalts in der Phosphorsilikatgiasschicht 19 mindestens so hoch sein, daß er ausreicht, um die Wanderung der Alkaliionen zu blockieren, d. h.. N sollte höchstens den folgenden Wert besitzen:
2 · 10
')■
Unter dieser Voraussetzung sind die Raumladungseffekte entlang dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen reduziert, und die Abweichung I V1 wird gesteuert durch geeignete Wahl des Verhältnisses .y9.'\„ und einer geeigneten P205-Konzcntration entsprechend der Fig. 3. Nach Bestimmung der P2O5-Konzenlration in der Phosphorsilikatgiasschicht 19 kann das geeignete Verhältnis .V9Z-Y0 berechnet werden. Aus praktischen Gründen empfiehlt es sich, dieses Verhältnis so zu wählen, daß es nicht über 3 liegt, um eine Verunreinigung der darunterliegenden Siliziumoberfläche, d. h. des Gebiets des Leitungskanals
15. durch Diffusionsvorgänge aus der Phosphorsilikatgiasschicht zu vermeiden. Die Polarisierbarkcit κ der Phosphorsilikatgiasschicht 19 ist durch den Ausdruck v. = DiN2 gegeben, woh:i m eine Proportionalität ■■ konstante ist, für die experimentell der Wert 30 festgestellt wurde. Auf Grund der Gesetze der Filektrostalik für schichtartig angeordnete, dielektrische Strukturen gilt hiernach für die Sohwellwertspannungsverschiebiing \VT eines Feldeffekttransistors
ίο mit isolierter Steuerelektrode und mit eingebauter Phosphorsilikatgiasschicht 19 der Ausdruck:
ΙΓ, = -
IE -I- γ) X11 4- E.v„
m/V2 V1, X11 .Yn E 4- /mV2 + /·;.ν9 .ν,,
wobei E die Gesamtdielcktrizitätskonstante des Steuergitterisolators, d. h. die Dielektrizitätskonstante der Phosphorsilikatgiasschicht 19 und diejenige der Si():- Schieht 17. bedeutet, welche beide etwa 4 betragen.
Die in F i g. 5 dargestellten Kurven verbinden Punkte gleicher Verschiebung IVT von -0.3VoIt 1000 Λ und -0.1 Volt/1000 Λ miteinander, wobei die Feldbelastung bei 100 C 2-10" V/cm beträgt. Ki' Schaltungsanwendungen kann eine Verschiebung de·· Schwcllwertes von etwa 0.3 Volt/1 (XK) Λ als maximalei Wert zugelassen werden. Weitere Kurven, die Piinku gleicher Schwellwcrtabwcichungcn zusammenfasser! können durch Auftragung von y9/.x,, gegen N für spezielle Werte von Vh erhalten werden, wobei folgende!
Zusammenhang zugrunde gelegt wird:
.Y9 w N2 + E
.Y0 E 4- inN1 V1,' I Iy
Ist de Molenbruch »>on P2O5 < 0.09. so wird t Polarisation der Ladung im wesentlichen nur durch J. Rückorientierung der Dipole innerhalb der Phospho silikatglasschicht bestimmt. Feldeffekttransistoren tuisolierter Steuerelektrode r.:it einem Verhältnis .\„ und einem P2O5-Molenbruch < 0,09 innerhalb oc Phosphorsilikalglasschicht 19 sind in der F i g. links von der Kurve einzuordnen, die mit -0,3 Vo' 1000 A bezeichnet ist. Solche Transistoren zeigt
stabile Eigenschaften über sehr lange Betricbszeitci
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. ■■*■%_
    Patentansprüche:
    I. l-cldeffekiinmsistor mit einem /wischen Quellen- niul Senkenelektrode hclindlichcn. leiten- > den Kanal, über dem eine isolierte S'iuierelekli'ode angeordnet ist. hei dem die isolierende Schicht /wischen Kanal und Steuerelektrode aus einer ersten dielektrischen Tcilschiclu der Dicke V11 und einer weiteren dielektrischen Schicht der u; Dicke v„ aus Phosphorsilikatglas besteht. Jail u r c h ü C k e η iweichnci. daÜ das Dickcn- \eih.iltnis V1 v,, der I eilschichlen (17. 19| der Isolierschicht sowie die Konzentration des l'liosphorpeiiioxuU in der Phosphorsilikatglasschiehl M) uewählt sind, daß die Relation
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