DE1514038A1 - Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter SteuerelektrodeInfo
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Description
800OMUNCHEN-SOLLn
' Franz Hals Straße 21
Telefon 796213
' Franz Hals Straße 21
Telefon 796213
»r. phil. CU B. HA« BIT ^-^<-^ΛΛΑ V 151 403
P.tantanwalt Γ ^"
TD 1527 München, den 17.Aug.-1965
■ Dr,HvXHo./HM
International Business Machines Corporation Arrnonk, N.Y,,U. S. A.
Verfahren zur Herstellung eines IPeldeffekt-Transistors
mit isolierter Steuerelektrode
Priorität: U.S.A. 26. August 1964
U.S. Serial Fo. 392 144
U.S. Serial Fo. 392 144
Die Erfindung bezieht sach auf ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung eines Peldeffekt-Iransistors mit isolierter
Steuerelektrode, wobei die Betriebsbedingungen des Transistors individuell zugeschnitten werden können.
Die Elektronik-Industrie unternimmt heute große Anstrengungen
im Hinblick auf die Entwicklung von Massenherstellungsverfahren von miniaturisierten Halbleiterelementen zur
Herstellung von Schaltungen mit funktionellem Zusammenschluß
mehrerer Elemente auf einem einzigen Substrat. Mit dieser Entwicklung hofft die Industrie verschiedener
Probleme herr zu werden, die sich aus der heute vorhandenen, gesteigerten Komplexität der elektronischen Systeme ergeben;
diese Entwicklung zielt- ferner auf die Herabsetzung der einer
Bayerische Verelotbank München 820 993
ID 1527 -2- .■-■"'-·
: 4 15M03-6
weiten Verbreitung noch entgegen stehenden Fabrikationskosten
abo Es wird angestrebt eine Herabsetzung in Große und Gewicht der elektronischen Komponenten sowie
-Herabsetzung der Herstellungskosten _;>ro Schaltelement
und schließlich eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistungsnutzung vom Standpunkt des 3 ehalt sy st eras.
Die Wissenschaftliche Literatur ist voll von Beschreibungen
neuartiger Halbleiter-Schaltkreiselenente, die f'.;r
'Massenfabrikationsprozesse geeignet sind0 -^ines dieser
^chaltkreiselemente ist beispielsweise der Feldeffekt-Transistor mit isolierter Steuerelektrode*, Ein solcher
"Feldeffekt-Transistor Limfaßt allgemein eine metallische
Steuerelektrode, die vonder Oberfläche eines hochresistiven
Halbleitermt-terials von einem ersten Leitfähigkeitstyp
durch eine dünne °chicht eines Die lektjilcu.^s
getrennt ist; die Quell- und Absaugelektroden werden- durch räumliche Zonen eines zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp
entgegengesetzten Leitf ähig::eitstyps gebildet, ■
Elektrische Felder, die durch eine an die Steuerelektrode angelegte Vorspannung erzeugt warden, beeinf lissen in
steuerbares Weise die Ladungsträgerdichte entlang eines an
der Oberfläche dee Halbleitermaterials verlaufenden·
to
° Leitfähigkeitskanals, wodurch eine Steuerung der Leitfahigjsj,
. keit zwischen den Quell- und Absaugelektroden zustande — kömmt» Da es. sich bei dem Feldeffekt-Transistor um ein
m Element mit Spannungssteuerung handelt, kommt er in seinen
-** . funktionelien- Eigensehaften' viel mehr an eine Vakuumröhrentriode
.heran als an einen konventionellen, stromgesteuerten·
Transistoi?. BAD ORIGINAL, . I
Bei der bea/bsiclitigten Massenherstellung derartiger
Schaltelemente, wobei man sich etwas an die bei Silizium-Halbleitern·
entwickelte Flächentechnik anlehnt, beabsichtigt man die gleichzeitige Herstellung einer größeren:
Anzahl von Feldeffekt-Transistoreh, entweder voRi- HPJH-
oder vom 1PNP-Typ, οuf einem . beispielsweise aus B-iliaium
bestehenden Halbleiterblättche'iio ^eI einer "derartigen
Anordnung bildet die lialbleiterplat ce einei wesentlichen
■Bestandteil jedes einzelnen Feldeffekt-Transistors und stellt natürlich av.ch die entsprechende mechanische Auflageunters
tut sung dar«, Bei den bekannten Verfahren zur Maskenherstellung von Feldeffekt-Transistoren sind jedoch gewisse
inhärente Grenzen gegeben. Zum eil können die entsprechenden
Schwellwertspannungen und Leitfähigkeitswerte g
einer Anzahl von massenfabrizierten Feldeffekt-Transistoren
beträchtlich von der geplanten Horm abweichenc ßie
Möglichkeit äes Zuschnitts der Kenndaten der Feldeffekt-Transistoren
auf einer individuellen Basis würde die Anlage der Schaltungsanordnung und auch den Entwurf der
funktioneilen Verbindungen einer betriebsfähigen Schaltung
erheblich vereinfachen, darüber hinaus zeigt sich bei den
heutzutage massenfabrizierten Feldeffekt-Transistoren
immer der gleiche Betriebs-Modus. Wenn beisjoielsweise
entsprechend den heute bekannten Verfahren auf einer Halbleiterplatte
itiehrere HPF -Feldeffekt-Transistoren hergestellt
werden, so weisen diese allgemein einen Depletions- oder -krschöpfungs- Betriebsinodus auf, das heißt, bei der
Vorspannung UuIl an der Steuerelektrode .fließt ein
909826/0531
11)1527 -4- ■ 15ΗΌ38-
"beträchtlicher ötrom von der Quell- zur Ab saugelektrode».
Jji ähnlicher 'tfeise weisen auf einer Halbleiterplatte
befindliche PFP-FeIdeffekt-^ransistoren allgemein einen
Überschuß-Betriebszustand,auf ι das.heißt, es ist eine
negative Vorspannung an der Steuerelektrode notwendig,um das Fließen eines merklichen Quell-Absaugstromes herbeizuführen,
dementsprechend kann man die NPN-Feldeffekt-Transistoren
auch als Schaltelemente auffassen, die in ■ ihrem Normal-&ustand eingeschaltet, während dieP FP-Feldeffekt-Transistoren
Schaltelemente darstellen, die in ihrem Normalzustand ausgeschaltet sind,, Maßnahmen zur
Erteilung von Vorspannungen, um auf ein und derselben Halbleiterplatte beide Arten, also "EIN" und "AUS"
Feldeffekt-Transistoren zu erhalten, tragen zur Komplizierung einer Schaltungsintegration solcher Transistoren
zur Schaffung einer betriebsfähigen Anordnung bei, abgesehen
von der Tatsache, daß man zusätzliche elektrische Energiequellen benötigt.
Die sich bei den Feldeffekt-Transistoren einstellenden
charakteristischen Betriebszustände haben ihre Ursache in einem Überschuß an Donatorzuständen entlang des Leit«
fähigkeitskanalse Diese Bedingung resultiert aus einer
co positiven Spannung, die sich in dem Dielektrikum bezw
^ in der Isolierschicht auszubilden scheint und in der schmalen
o> Oberflächenzone des Halbleitermaterials eine elektronische
o- , Raumladung, das heißt überschüssige Donatorzustände hervor-
^ bringt„ Bei den NPN-Strukturen können diese Raumladungseffekte einen öhmisch leitenden Weg (inversärfcionsschicht)
XD .1527 -5-
zwischen den Quell- und Afasaugelektroden definieren.
Bei den PiBT-Strukturen definieren diese Raumladungseffekte' in ähnlicher Weise einen mit einem höheren
Widerstand behafteten leitenden Weg (Akkumulations-Schicht) zwischen den Quell- und Absaugelektroden;
obwohl es sich bei einer P;MP:- Struktur normalerweise
um ein "AUS" - ücl·altelement handelt, benötigt man eine
erhöhte negative Vorspannung an der Steuerelektrode zur
Herbeiführung eines nützlichen Quell- Absaugstromes.
Das metallurgische Problem der Einbettung einer Mehrzahl
von Feldeffekt-Transistoren in eine einzige betriebsfähige
Anordnung ließe sich in beträchtlichem Maße vereinfachen, wenn in diesen Schaltelementen nicht nur
die ^etriebszustände, sondern auch die Betriebscharakteristiken entsprechend den an den Schaltkreis gestellten
Anforderungen individuell zugeschnitten und angepaßt
werden könnten.
Mit der vorliegenden Erfindung wird unter anderem bezweckt^ ein neues und verbessertes Verfahren zur
Herstellung von entweder ITPN - oder PFP.- Feldeffekt-Transistoren
auf einer Halbleiterplatte anzugeben, wobei es möglich ist, den Betriebsmodus zu beeinflussen
und vorher'fest-zulegen. Das neue Verfahren gestattet
auf individueller Basis einen Zuschnitt der Betriebsbedingungen einer auf einer Halbleiterplatte untergebrachten
Vielzahl von Feldeffekt-Transistoren entweder
vom H'PN-oder PFP-Typ. ^arube^hinaus kann für eine
solche Vielzahl von Fe&feffekt-Transistoren. auf indi-
0^6/0^31 BADORlQiNAL
ID 1527 -6-
"vidueller Basis der Operationsmodus festgelegt werden.
Das Verfahren eignet sich zur Herstellung integrierter
Schalteinheiten mit feldeffekt-transistoren. Hit dem
neuen Verfahren lassen sich ga.nz allgemein die Oberflächenzustände
in einer Grenzschicht zwischen einem Halbleiter und einem Isolierkörper steuerbar beeinflussen.»
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
JPeldeffekt-Transistors mit isolierter Steuerelektrode
. umfaßt folgende Schritte: Schaffung in einer Halbleiterplatte
eines ersten Leitfähigkeitstyps Quell- bez. Absaugeltektroden bildende räumliche Diffusionszonen eines
zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps, Bildung einer Isolierschicht zumindest
auf einem Teil der Halbleiterplatte zwischen
den genannten Diffusionszonen, wobei die schmale Oberflächenzone in der Platte zwishden den räumlichen Diffusionszonen
einenLeitfähigkeitskanal zwischen diesen Zonen definiert, und Aufbringung einer metallischen Steuerelektrode
auf der Isolierschicht, so daß elektrische Felder an den Leitfähigkeitskanal angelegt v/erderjkönnen;
gemäß der Erfindung ist das neue Verfahren dadurch ge-r·
kennzeichnet, daß elektrisch geladene Störelemente in die
ο Isolierschicht eindiffundiert werden, deren Gegenwart
u>
°°" einen Raumladungseffekt entlang des Leitfähigkeitskanals
^ . bedingt, wodurch die zurückbleibende Ladungsträgerdichte
tn entlang des Leitfähigkeitskanals steuerbar beeinflußt wird.
ta .
" ■"■■- Die Betriebscharakteristiken von Peldeffekt-iransistoren
eines bestimmten Typs sind, abhängig von Raumladungseffekten,
BD ORIGINAL
ID 1527 -7-
die entlang des Leitfähigkeitskanals an der Grenzfläche
a Halbleiter und Isolierkörper auf treten<
> Allge-
mein bedeutet der Übergang von dem geordneten Kristallgitter des Halbleitermaterials zu der amorphen Struktur
der Isolierschicht an der Grenzflache zwischen Halbleiter
und Isolierkörper eine größere strukturelle Diskontinuität,
entlang derer Freistellen oder löcher von Anionen verteilt sind. Besteht die Isolierschicht aus Siliziumdioxyd
(SiOp), so handelt es sieh bei den Anionenlöchern um
Freistellen von Oxydionen [oj , die auf Grund der
Defl" ekt struktur en entstehen, die wiederum ihre Ursache haben in der Art der strukturellen Diskontinuität und
der chemischen Heaktion zwischeEkEsolator und Halbleitermaterial
an der Grenzfläche dieser beiden Stoffe0 Das
Vorhandensein der Freieteilen solcher Oxydionen bedingt das Vorhandensein einer positiven Spannung in
der Isolierschicht und erhöht die -^ichte der "^onatorzustände
an der Oberfläche des Halbleitermaterials. Die Möglichkeit, einer Steuerung der Raumladungseffekte
auf einer individuellen asis bei der Massenherstellung
"•von."Feldeffekt-Transistoren würde eine den jeweiligen
■Erfordernissen entsprechende Anpassung cler Betriebscharakteristiken im Einvernehmen mit den jeweiligen
Q Bedürfnissen der Schaltung ermöglichen.
o> Der Stand der Tectoik kennt zahlreiche Ansätze und Ver-
° ■■ suche zur Minimi sierung der Raumladung s effekte in
__» Feldeffekt-Transistoren. Darunter fallen beispielsweise
thermisch.e Behandlungen im Temperaturbereich zv/isfehen
100 ° Celsius und 150 ° Celsius, die jedoch lediglich
ID 1527 S-
eine Milderung, jedoch keine beseitigung der Kaumladungseffekte
herbeiführen konnten. Während solche bekannten Behandlungsverfahren lediglich wirksam waren im Hinblick
auf kleinere Modifikationen der Betriebscharakteristiken, so blieben sie völlig unwirksam im Hinblick auf
eine irreversible- Umkehrung des Operationsmadus von
Feldeffekt-Transistoren zwischen Überschuß-und Ersc-höpfungs-Modus,
um eine voll wirksame Maßnahme der steuerbaren ■ Beeinflußung des ^lements zu erhalten·
Gremäß der vorliegenden Erfindung wird eine derartige, . voll wirksame, steuerbare Beeinflußung des Clements
erzielt durch Neutralisation oder Kompensation der Freistellen der Oxyd ionen [OJ in der Isolationsschicht,
wodurch eine steuerbare Beeinflußung der zurückbleibenden Ladungsträgerdichte entlang des Leitfähigkeitskanals
im Feldeffekt-Transistor herbeigeführt wird. Wenn weiterhin
die erwähnten Oxyd .ionen-Freist eilen überkompensiert
sind, kommt es zur Ausbildung einer entgegengesetzten
(negativen) Ladung in der Isolationsschicht, wodurch eine -· irreversible Veränderung des Operationsmodus des
Feldeffekt-Transistor erreicht werden kann«, In Übereinstimmung
mit einem der genannten Ziele der vorliegenden Erfindung können somit die Betriebächar-akteristiken
von Feldeffekt-Transistoren, sowohl des HPM-als auch des
EKE- Typs, kontinuierlich zwischen einem extremen Überßchuß-Betriebszustanä und einem extremen Erschöpfungszustands angepaßt werden durch die Einführung negativ geladener
Störelemente in die.!aoliorschicht sowie durch
909826/DS31
ID 1527 "· -9-
Aussetzen der Isolierschicht dem Einfluß von elektrischen ·
feldern, während gleichzeitig, eine erhöhte Umgebungstemperatur
aufrecht gehalten wird. Es wird ein.Ausführungsbeispiel "beschrieben, in dem der Isolator aus
Siliziumdioxyd (SiOp) besteht und die negativ geladenen Storelemente ein trivalentes Oxyd darstellen, das in
glasähnlicher Formjsxistieren kann und das in die Isolierschicht
eindiffundiert wird. Bei höheren lemperaturen ist
die Beweglichkeit oder Mobilitätyu der Oxydionen-Freistellen
größer als die Mobilität /u. der negativ geladenen Störelemente* unter dem Einfluß der angelegten
elektrischen Felder wandern die ^xycionen-Freistellen
von der Halbleiter-Isolätor-G-renzfläche weg und werden
veranlaßt, sich an der Grenzfläche aum Metall, das heißt
zur Steuerelektrode. Ιϋη, zu konzentrieren -Ifeis erfindungsgemäße
Verfahren bedingt somit eine Neuverteilung der negativjgela denen Stör elemente und der Oxyd ionen-3?r ei st eilen
innerhalb der Isolierschicht* Durch entsprechende Überwachung
der raramet er bei der thermischen und elektrischen Behandlung, das heißt bei der Anlegung einer elektrischen
Torspannung bei gleichzeitig herrschender erhöhter Temperatur, und ebenso einer entsprechenden Überwachung
der in die Isolierschicht eingeführten Anzahl von negativ
geladenen °tÖrelementen, wird in der Isolierschicht der Sotentialgradient bestimmte Infolgedessen können die
Raumladungseffekte, das heißt die Gxydionen-Sreistellen
an der Halbleiter-Isolator-Grrenzfläche teilweise neutralisiert, vollständig neutralisiert oder überkompensiert
vferden-, um die zurückbleibende Ladungsträgerdichte entlang
901126/0531
ID 1527 -10-
des Leitfähigkeitskanals in einem Feldeffekt-Transistor
steuerbar zu beeinflussen. Werden die Raumladungseffekte
iiberkompensiert, so stellt sich in der Isolierschicht über alles eine negative Spannung ein, die oich entlang
-des Leitfähigkeitskanals als gleich große, entgegengesetzte
Raumladung, das heißt Überschuß-Akzeptor -Zustände, wi derspiegelt. Ba also eine kontinuierliche Beeinflussung
der Raumladungseffekte möglich ist, läßt sich infolge
dessen nicht nur die"Einschalt"-Spannung, sondern auch
der Operationsmodus eines Feldeffekt-Transiscors,'sei es
ein HPN--Oder PKE-Typ, selektiv und in irreversibler
Weise bestimmen und festlegen*. Es können auch die Eigenschaften
der auf einer Halbleiterplatte mehrfach vorhandenen Feldeffekt-Transistoren individuell wunschgemäß zugeschnitten
werden durch selektive, steuerbare Beeinflußung der an jedem Transistor angelegten elektrischen Felder, je
nach-dem, welche speziellen SchaSkreiserfordernisse vorliegen.
Weitere Ziele,, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung
werden inder folgenden, in weitere Einzelheiten gehenden
Beschreibung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen
auseinander-gesetzt und erläutert. In den Zeichnungen
steilen.dars
IOT ]?ig.1A einen Querschnitt durch eijLen/Feldeffekt-
Transistor mit isolierter Steuerelektrode?
'ein Diagramm . .
]?ig. 1B, aas die Spannungen zeigt, die m die
Isolierschicht induziert wurden und sich in dem Ealbleiter-Festmaterial des
!6/0531 BAD
.· ■ ID 1527 -11- -
■Feldeffekttransistors von Fig. 1A
'."-. reflektieren;
einen Querschnitt ·
ί Fig.2 durch eine Siliziumplatte vom P-Leitfähigkeitstyp,
auf der sich mehrere M1N- Feldeffekt-Transistoren
befindenj darüberhinaus
zeigt diese Figur eine bevorzugte Ausführung s form zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens?
Fig.3A Strom-Spannungs-Kennlinien für verschiedene
und 3B Vierte der Steuerspannung vor bezw nach der
erfindungsgemäßen ihermo-elektrischen^Behand*-
.'■-""■ lung im Einklang mit dem erfindungsgemäßen
Yerf ahrenj- .
Fig,4Ä Ein Diagramm, das in zeitlicher Abhängigkeit die erfindungsgemäße thermo-elektrischem
Behandlung darstellt;
Figο4B Die Auswirkung einer solchen therrno-elektrischen
Behandlung in Bezug auf die -^inschaltspannung eines Feldeffekt-l'ransistors.
In Fig. 1 ist ein NPN-Feldeffekt-Transistor mit isolierter
Steuerelektrode gezeigt, der eine planare Platte 1 von verhältnismäßig großem spezifischem Wi derstand bestehend
aus einem Halbleitermaterial vom P-Leitfähigkeitstyp,
beispielsvjeise Silizium, unfasst; auf der Platte befinden
sich Quell- bez. AbsBUgelektroden bildende räumliche
Diffusionszonen 3 und 5 vom N-Leitfähigkeitstyp« ^iese
Elektroden 3 .und 5 bilden normalerweise mit der
Siliziumplatte 1 den Strom gleichrichtende ^lachen.
Die ganze Oberfläche der Platte 1 ist zunächst mit einer Isolierschicht 7 bedeckt, die währe^nd des
' ο ■ Diffusionsvorganges als Abdeckmaske dienen kann. Bei-
«ο spielswisise kann es sieh bei der Schicht 7 um thermisch
°> gezüchtetes Siliziumdioxyd ( SiOp) handeln, das durch
^ Aussetzen der Siliziumplatte 1 bei Temperaturen zwischen -* 950° Celsius und 1125° Celsius dem Einfluß einer Atmos- v
phäre von entweder Sauerstoff (O2), Sauerstoff und
Wasserdampf (O9+H9(JVottevJartff (H9O) oder Kohlendio-
. ORIGINAL INSPECTED
xyü ( GO';) hergeöt.ellt v/erden lcann. Hüch Ausbildung der.
ID 1527 -12-
Isolierschicht 7 werden in ihr entsprechende Öffnungen
9 und 11 geschaffen, wobei man sich geeigneter photo-]ittfgraphiseher
oder photo-resistiver Verfahren zur Herstellung der "Fenster" für die durch Diffusion herzustellenden
Elektroden 3 und 5 bedient. Beispielsweise, wenn die Isolierschicht 7 als chemische Maske wirkt,
so kann die Platte 1 einer Hitzebehandlung bei Temperaturen zwischen 1100 ° Celsius und 1200° Celsius in
einer reaktiven Atmosphäre vonPhosphorpentoxyd (PpO1-)
zur Bildung der Elektroden 3 und 5 ausgesetzt werden. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, stellt die Schicht 7
eine elektrische Isolation zwischen der Platte 1 und verschiedenen metallischen Yerbindungsleitungen 15 und
auch zwischen der Steuerelektrode 13 dar, die durch geeignete, dem Fachmann bekannte Aufdampfungsverfahren
hergestellt sein können. Die Steuerelektrode 13 ist zum Zwecke des Anlegens eines elektrischen ^eldes in bezug
auf den Abschnitt der Platte 1 ausgerichtet, der zwischen der Quell-und Absaugelektrode 3 beä* 5 liegt. Schaltungsverbindungen, beispielsweise zu den in der l'igur nicht
gezeigten Betriebsspannungsquellen, sind für die Quell-
und Absaugeiektroden 3 und 5 sowie für die Steuerelektrode
«o
ο 13·vorzusehen? diese Anschlußverbindungen tragen in Fig„
to
f* 1A das Bezugszeichen 15··
cn Die leitfähigkeit zwischen den .Quell- und Absaugelektroden
-* . 3 und 5 ist in erster linie durch die Ladungsträg&rdiehte
entlang des schmalen Oberflächen- oder !leitfähigkeitskanals
: - 17 der Platte 1 bestimmt. Genauer gesagt, bestimmt yich
BAD ORIGINAL
... . ..die Leitfäbi.'^k: \Lt \?;Y.'iüCü ;.n ever Qi ic; 1 "I- und Al) «au;'; el η k i. ;\<.i e
IB 1527 ' -13-
15H038
3 und 5 auf zweifache Weifie* .Βϋϊν den lall, daß die
Quell- und Absaugelektroden 3 und 5 die entpnrechende
Vorspannung haben,; so umfaßt der Quell- -"-b saugst rom
Ιόν, 1, einen DiffusioiisstroEi, der wegen .uer genannten
For spannung durch- die Kauinladung begrenzt ist, und
2. einen Drift strom, eier aus den Veränderungen in der
Ladungsträgerdicrte entlang des Leitfähigkeitskanals 1?
infolge der dnrch die Steuerelektrode 13 erzeugten
elektrischen Felder resultierte* Im allgemeinen ist die
Hiffüsioiiskorciponente des Stromes minimal und sun größten
Teil resultiert der Quell- Absaugstrom Ia-^ primär aus
• der Wirkung der olektrisch.in E'elder, die von der
Steuerelektrode 13 herrühren, durch die Modulation der
Ladungsträgei-diC'':te entlang des Leitfähigkeitskanals 17»
Beim idealen 1ΈΉ - ^eldeffekt-iransistor werden die Ladungsträger
vom Leitfähigkeitskanal 17 abgestoßen, \rerm
die Steuerelektrode 13 eine positive Vorspannung aufweist j
"enn die pOGitive Yors ^an'-ung an der Steuerelektrode
extrerii groß-ist, können die Liberscbü®igenDonatorzustände
tatsächlich, diese schmale Oberflächenzone der Platte 1
-vom.:E-Leitfähigkeitstyp5 die aer ^EiIbIeiter-Isolator-G-renzflache
19 benachbart ist, in eine IT-Leitfähigkeit
-umv;andeln und eine Ühmsche Verbindung (InVeI-1SX-OnSschicht)
g^ ". zv.'isßhen den Quell— und itbsaugelektroden 3 und 5 bilden.
ν ■■.-.-■
_ Das Vorhandensein überschüssiger Bonatorzustände arfder
^* ötoerflache der Platte tf wie es in der Zeichnung/durch
Maserschraffur· angedeutet ist,, in folge der ο beut cbeschri ebenen,,
von den Oxyofonen-Ereistellen In der Isolierschicht?
herrüihrenden Kaumladungs effekt en ist tatsächlich ^
• ID 1527 -14-
der Wirkung einer extrem hohen positiven Vorspannung an der Steuerelektrode. In dem in Figur 1A-gezeigten-ΪΠΡΙΫ-Feldeffekt-Iransistor
def inieren die überschüssigen Donatorzustände an der Oberfläche der Platte 1 eine
Inversi&ionsschicht 17-, die sich derart auswirkt, daß ■
die Betriebsfunktion an den zwischen den Quell- bezw.
Absaugelektroden 5 und 5 und der Platte 1 def inierten
Flächen reduziert wirdj es en tsteht ein -Erschöpfungs-Betriebszustand,-
und es ist eine negative Vorspannung an der Steuerelektrode notwendig zur "Abschaltung" solcher
Transistoren, das heißt, den Quel- -l-Absaugstrom Ic,m
praktisch auf lull zu reduzieren» Ungekehrt würden Iberschüssige
Donatorzustande in einem ΕΊΦ-Feldeffekt-'üransistor
eine Akkximulationsschicht deärflnleren, die sich derart
auswirkt, daß es zu einer Erhöhung der Betriebsfunktion an 'den def^iniarten Flächen kommt j es stellt sich ein gesteigerter
Überschuiü-Betrlebszustand ein, vobei zum
""Einschalten" eines solchen Iransistors eine größere-negative
VorspanriUng an der-SteuerelektrOde benötigt wird«,
Das Vorhandensein von Inversl^ionsschichten an allen Halb leiter-Oxyd-G-renzflächen,
wie es in Figur 1A' dargestellt
C0 ist, hat seine Ursache In dem besonderen Mechanismus des
o- -
u> Oxydatioaisprozesses und kann unter Hinweis auf Figur 1B
<os> ;
•"^ verständlich gemacht werden« Während des entwede-r "feuchten"
Q oder Ir trockenen" thermischen Oxydationsprozesses zur
ω Bildung der Isolierschicht 7 können die entstehenden
Siliziumoxyde entweder Silizlummonoxyd ' (Siö),
BAD ORIGINAL
' ·ΙΊ) 1527 -15- .
Siliziumdioxyd (. SiOp) oder eine unbestimmte Oxydform
(.SiO ) enthalten, wobei die sich-einstellenden Volumverhältnisse
von den ,Systemparametern abhängen. Der Oxydationsvorgang spielt sich an der Oberflächengrenzschicht ab · '
zwischen der Platte 1 und der Isolierschicht 7 infolge der
Diffusion der oxydierenden Atmosphäre durch die Isolierschicht; es hat nicht den Anschein, daß das kristalline
Silizium der Platte 1 nach außen gegen die obere ^läche der
Isolierschicht 7 diffundiert, ^a die Oxyde des Siliziums
amorph sind, entstehen an der Grenzfläche 19 Def: ektstrukturen,
die als eine Front in den Körper der Platte 1 dringen bis zu einer Tiefe, die vom Ausmaß und auch von der Dauer
des Oxydationsprozesses abhängt. 3)χβ3θ strukturelle Def ektfront
besteht hauptsächlich aus Siliziumoxyden (SiO ) und kann als eine Schicht von Oxydionen-Fr eist eilen (oj
dargestellt werden· Diese Qxydp_onen-Freistellen sind hauptsächlich
entlang der Grenzschicht 19 gleichmäßig verteilt und machen sich in der Isolierschicht 7 als eine induzierte
positive Spannung bemerkbar. Bezugnehmend auf Figur 1B
repräsentiert beispielsweise die Kurve 21 die Verteilung" der Oxydi'onen-Freistellen innerhalb der Isolierschicht?»*
wobei die Größe der positiven Ladung durch das Flächen-
ζΟ stück unter der Kurve dargestellt wird0 Da die Isolierschicht
ta 7 amorph ist, sind die OxydJionen-Frei st eilen hauptsächlich,in
W der Nähe der Grenzfläche 19 konzentriert und verringern sich .
o>
^ mit zunehmenden Abstand d. Wegen der in der Isolierschicht 7
ω induzierten positiven pannung bildet sich eine gleich große
und entgegengesetzte „elektrostatische·-Raumladung in der
gegenüberliegenden Oberfläche der Platte 1 aus, wie es durch
die Kurve 21'· angedeutet ist, wobei die dichte der Donator-
• . . IB 1527 -16-
zustände erhöht und der Leitungswi derstand entlang des
Oberflächenabschnittes der Platte 1 vom Pj-Leitfähigkeitstyp
reduziert ist. Es sollte jedoch verstanden werden, daß
das Vorhandensein überschüssiger Donatorzustände Entlang des Leitfähigkeitslcanals 19, welche die Inversi" .onsschicht
17' deflinieren, auch von positiv geladenen Störelementen
in der Isolierschicht 7 herrühren können, Das Vorhandensein der Inversi%*onsschicht 17- bestimmt die inhärente-^rschöpfungs-Betriebsweise
des FPN-Fsldeffekt-Iransistors von
Figur 1Δ; umgekehrt verstärkt das Vorhandensein einer
"Akkumulationsschicht" die Überschuß-Betriebsweise der ENP-FeId ef f ekt-Transistoren«,'
Entsprechend den besonderen Maßnahmen der vorliegenden
Erfindung wird die in der Isolierschicht 7 induzierte positive Ladung neutralisiert oder kompensiert durch die
• Einführung negativ geladener ^torelemente. Der Effekt der
Neutralisierung der Oxydiionen-Freistellen in der Isolierschicht
7 ist in Figur IB dargestellt -. Wie schon ausgeführt
wurde, repräsentiert die Fläche jeder Kurve in Figur 1B die totale Ladung? sie ist abhängig von «äer Konzentrat
ionjäer nicht-yneutralisierten Oxydjjonen-Freisteilen
^ in der Isolierschicht 7* sobald die Oxydionen-Freistellen
«o in der Isolierschicht J neutralisiert werden, vermindert
·*■> sich - Täie durch die Kurve* 25 gezeigt ist - in entprechender
o Weise die positive Ladung in der Isolierschicht 7? ent-
ts> sprechend reduzieren sich auch die Raumladungseffekte in
, der Palttet 1, wie es durch die gestrichelte Kurve 25'1-zum
Ausdruck kommt, deren ^läche gleich ist der fläche
unter der Kurve 25b Infolge-dessen erhöht sich die Leit-
- -'■ ID/1527 -17-
fähigkeit entlang der schmalen Oberflächenzone der Platte 1,
das heißt im Leitfähigkeitskanal 17; dies erfolgt im
Einklang mit den Betriebsfunktionen, die zwischen diesen
und den Quell- und Absaugelektroden 3 und 5 def 'iniert
sind, ^er Effekt besteht in einer Reduktion der G-r.öße des
": Quell-Absaugstromes ID ^. einer Vorspannung Mill an der
Steuerelektrode, wobei äev Betrieb des ITgH-FeId effekt-Transistors
in einem weniger erschöpften Zustand erfolgte Wenn die negativ geladenen Störelemente gerade eine
Neutralisation der Oxydionen-Freistellen bewirken,,sdweist
die Isolierschic1't 7 keine Ladungen auf und die Richte der
Ladungsträgerzustände entlang des Leitfähigkeitskanals 17 ist allein bestimmt durch den Leitungswiederstand des
die Platte 1 bildenden Halbleiterstoffes„ yenn jedoch die
negativ geladenen ^törelemente die Öxydionen-Freisteilen
überkompensieren, so wird in die Isolierschicht 7 eine negative Ladung induziert, wie dies durch die Kurve27 zum
■Ausdruck gebricht ist; sie reflektiert sieh als eine positive
elektrostatische Raumladung an der schmalen Oberflächenzone
der Plattei, wie dies durch die gestrichelte
Kurve 27·' ausgedrückt wird«, Dementsprechend werden Acceptorzustände
an die Grenzfläche 19 und entlang des Leitfähig- «D keitskanal 17 angezogen, die offensichtlich den Operations-,
*^ modus des betreffenden ^ransistore verändern» Beispiels-.
o> weise erhöhen in einem F-PM-^eldeffekt-Transistor über-
s , . "■. - ■■-■.. -- ■ ■ - ■ .
ο schüssige Aoceptorzustände, das heißt Löcher, entlang des
m - ■'_ ■ ■■>■-■;■■... \ , ·
ω Leitfähigkeitskanals 17 den Leitungswi -derstand des Materials
und auch die betriebsfunktion an Flächen, die zwischen
»:' · BAD ORIGINAL "
ID 1527 . -18- ,...-■
diesem und den Quell-und Absaugelektroden 3 und 5 .def ini.ert..
sind, wobei eine positive Vorspannung an der Steuerelektrode
benötigt wird, um einen minimalen Wuell-Absaugstrom
Ig-rj au sieben ( Überschuß-Betriebssustand), Umgekehrt:. ....
wurde eine erhöhte dichte von Aoceptorzustanden entlang
des Leitfähigkeit slcanals in einem PNP-FeId effekt-Transist or
eine Inversi' ' oTisschicht def inieren, woraus ein lürschöxDiungs-Betriebszustand
resultieren würde» "^a die Neutralisation
der Oxyd ionen-Freist eilen in eier Isolierschicht 7 kontrolliert werden kann, so läßt sich die "Binschalt"-Spannung
eines Feldeff ekt-x'ransistors, sei er vom IiPU'-
oder KtfP-'-i-'yP-j kontinuierlich anpassen und der üperationsmodus
zwischen einer susgeprägten Überschuß- und einer ausgeprägten Erschöpfungs-Betriebsweise bestimmen. „
Entsprechend besonderen Maßnahmen .der vorliegenden Er-Oj
,die
effektiv doppelt positiv geladen sind, tatsächlich in
Bezug auf die Ladung ausgeglichen durch,die Einführung
von Störeleuientenin die Isolierschicht?» Als besonderen . ,.-Stoff
für diese ^törelemente wählt man einen aus, der die - .,·
Fähigkeit hat, in glasifiörmiger Porm beständig zu.sein,.,
und der eine Verbindung mit einer negativen Ladung darzu-...,-.:;
stellen in der Lage ist. Darüber hinaus- sollen die Stör- ;,,,Λ
elemente eine Mobilität /u . aufweisen, die.kleiner .. , .--.-.-.,:
ist als die MObilität /u der Oxyd^onen-Freistellen in ...
dem ^itter der Isolierschicht- 7. Der atoff für die Stör- . ;
elemente wird ausgesucht zur bildung eines trivalenten
Oxyda und kann beispielsweise aus der Gruppe IH B des
909S2670531
BAD
ID 1527 -19-
Periodischen Systems ausgewählt'-rwerden,, der auch beispielsweise
die Elemente Bo£ (B) und Aluminium (Al) angehören.i>ie
Störelemente werden thermisch in das Siiiziumdioxydgitter
eindiffundiert entweder vor oder nach der
Herstellung der Quell- und Absaugelektroden 3 und 5 durch
Diffusion, in Abhängigkeit davon, ob die Diffusionsfähigkeit der ersteren Störelemente, kleiner oder größer ist als
die Diffusionsfähigkeit der °tÖrelemente, die zur Herstellung
der ^uell- und Absaugelektroden herangezogen werden..
Während der Herstellung eines Feldeffekttransistors
nach dem oben beschriebenen Verfahren wird beispielsweise die Isolierschicht 7 bevorzugt durch thermische Behandlung,
der Platte 1 in einer dauerst off atmosphäre \)q± Temperaturen
zwischen 950° Celsius und 1125° Celsius hergestellt ( vergleiche Figur 1). In einer bevorzugten AusfUhrungeform der
vorliegenden Erfindung werden die ^t b\r elemente in gasförmigem
Zustand in die Sauerstoffatmosphäre eingeführt ( wie dies in
Figur 1A durch die Schlangenpfeile angedeutet ist)j als
Folge der -^&aktion kommt es zur Ausbildung einer Oxydschicht
auf der Oberfläche der Isolierschicht 7. Bei so hohen
Temperaturen geht der Oxydationsprozess schnell von statten. Zusätzlich zu dem Element Bor (B) eeien beispielsweise
noch die folgenden'Borverbindungen angeführt, die mit
Sauerstoff reagieren und als Reaktionsergebnis Boroxyd (B_0„)
ergeben! ■."..-.
δθ96 2670531
ID 1527 -20-
Diboran | B2H6 |
Tetraboran | B4H10 |
Pentaboran (11) | B5H11 |
Bortribroniid | BBr, |
Borsäure | H5BO5 |
Bortrichlorid | BCl^ |
Zusätzlich zu Aluminium in *Ίοπη des Clements seien zum Beispiel
die folgenden Aluminiumverbindungen aufgeführt, die mit Sauerstoff reagieren und als Heaktionsproäukt
Aluminiumoxyd AIpO-, ergeben?
Aluminiumtrichlorid AlOl, Aluminiumhydrid AlH,
Aluminiumtribromid AlBr^ Aluminiumethoxyd Al (
Verschiedene andere Gruppen der III B Elemente, die sich
in ähnlicher Weise anwenden lassen, dürften für den Fachmann
evident sein.
u> Während des Oxydationsprozesses bildet sich zunächst auf
eo» ,
££ der Oberfläche der Isolierschicht 7 ein Oxyd der ausge-
o wählten IIIB- ^lementgruppe. Wenn man die Struktur einer
en , ■
ca thermischen Behandlung im Temperaturbereich zwischen
950° Celsius und 1125° Celsius unterwirft, so diffundiert
das Oxydationsprodukt in die Isolierschicht 7 ein. Dieser Oxydationsprozess wird so lange fortgesetzt, bis sich eine
■ nahezu glexchmäßige Erteilung der ^törelemente innerhalb
der Oxydschicht 7 ergibt, aber er wird nicht so lange ausgedehnt, daß eine Diffusion durch ihn hindurch auch
in den Körper der Platte 1 stattfindet,, Das Oxydationsprodukt,
das ^eißt Boroxyd (B2O5) , Aluminiumoxyd (Al2O )
und so weiter ist, wenn es sich auf der Oberfläche der Isolierschicht 7 ausbildet, ohne Ladungen«, Die mit der
vorliegenden Erfindung erzielten Ergebnisse scheinen anzuzeigen, daß das ,Oxydationsprodukt, wenn es in das
Sitter der Isolierschicht 7 eindiffundiert, einen Strukturwandel durchmacht0 Beispielsweise scheint ein '^eil der
eine Dreiecksstruktur aufweisenden Oxyde der HIB Gruppe einen krystallographischen Strukturwandel durchzumachen
und in eine Tetraederstruktur überzugehen, entsprechend
den folgenden Reaktionen?
2 IQ2"
2 AlO,
2 AlO,
Dabei bedeutet (_O/,daß ein Oxydion von einem ^eil des
Siliaiumdioxydgitters entfernt wurde, unter gleichzeitigem
Entstehen einer zusätzlichen Oxydion-·0reisteile [θ] <,
Die Reaktion ist ausgeglichen, da die negativ geladenen ^ Störelemente und die vom Diffusionsprozess herrührenden
eo Oxydionen-lTreistellen im wesentlichen gleichmäßig über
©> das Siliziumdioxydgitter'verteilt sind und keine Änderung
der im Mittel in Erscheinung tretenden positiven Ladung in
der Isolierschicht 7 herbeiführen, wegen der während des
OxydationsprozTässes gebildeten D effekt struktur en« Wie
weiter unten noch auseinandergesetzt werden wird, ist die
11)1527 -22- 15U038
Mobilität yu. der negativ geladenen Stcreleraente, des heißt '
daß drei Valenz-Oxyd-Störelement kleiner als die Mobilität Ai der Oxydionen-l'reistelien in der gewöhnlichen Siliziumstruktur.
Wenn somit der Feldeffekt-Transistor .erhöhten
Temperaturen ausgesetzt wird, denen er ohne Schaden zu
nehmen standhalten kann, um die Mobilität/uv. der Oxyd—
ionen-Freistellen zu erhöhen unter gleichzeitigem Anlegen eines
elektrischen Feldes entsprechender Pola-rität in
P "bezug auf die Isolierschicht 7, so wandern die Oxydionen-Freisteilen
von der Halbleiter-Isolator-Grenzflache 19
weg und bewegen sich auf die Grenzfläche zwischen dem Metall
(Steuerelektrode) und dem Isolatur zu; falls eine geringfügige -^ewegung der negativ geladenen Störelemente stattfindet,
so erfolgt sie in Richtung auf die Halbleiter-Grenzfläche 19» Man erhält in der Isolierschicht 7 eine
Neuverteilung sowohl der inhärenten als auch der eingeführten negativ geladenen Störelemente, beispielsweise
BOp"", AlOo*** und so weiter, und der Oxydionen-Fr eist eilen
£6]* c Dem-entgorechend wirkt sich eine Abwanderung .der Oxydionen-Freistellen
von der Halbleiter-Isol9tor-Grenzfläche 19 in einer Reduktion der Raumladungseffekte an der Oberflache
der Platte 1 aus« ^egen der verhältnismäßig;-niedrigen
e> Mobilität /u., der negativ geladenen Störelemente erhöht sich
an der Halbleiter- Isolator- Oberflache 19 das Verhältnis
eo . - ■
e> - der negativ geladenen St or elemente zu den Oxydioneii-Freio
stellene Da wegen der Raumladung die* "änderung der Oxydionen-ω
Freistellen zu der metallischen Gren3fiäche der "Steuerelektrode
begrenzt ist, -verbleibt eine endliche Anzahl solcher #
stellen in der Umgebung der Halbleiter-Isolator-Grens'flache 19,
die durch die negativ geladenen Storelemente neutralisiert
sind ο Dem entsprechend sind die Ilaumladungseffekte
entlang des Leitfähigkeitskanals der Platte 1 vermindert. Durch Quantitätsüberwachung der in die Isolierschicht 7
eindiffundierten negativ geladenen ütörelemente kann die
Diffusionstiefe und, wenn auch noch die Dauer und das Ausmaß der oben beschriebenen Behandlung übärwacht werden,
auch der Haumladungseffekt in der Platte 1 kontrolliert werden;
das■Verhältnis der negativ geladenen Störelemente zu den
Oxydionen-Freisteiien an der Halbleitergrenze 19 kann
so bestimmt werden, daß in der Isolierschicht 7 eine negative
Spannung induziert wird, wobei die Raumladungseffekte
; in der Platte 1 positiv sind ( umgekehrter Operationsmodus).
Entsprechend des oben beschriebenen iiechanisraus kann sowohl der Operationsnodus als auch die "linschalf-^pannung einer
Mehrzahl von Feldeffekt-Transistoren, die gruppenförmig
(vergl. Fig.2) auf einer einzigen Platte 1 angeordnet sind,
für Jeden Transistor individuell festgelegt werden.
, Die einzelnen Feldeffekt-Transistoren T-, Tp, T- usw.
der Fig. 2 sind dem in ^ig. TA gezeigten einzelnen Feldeffekt-Transistor
identischj zur Wahrung der Korrespondenz
(D sind in beiden Figuren zur Bezeichnung äquivalenter Teile
ο ■■'..■ " ■ . ■
*° die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. In der folgenden
co . ■
^ Beschreibung wird auf die Figuren 3A und 3B Bezug genommen,
ο die entsprecl·-ende Strom/Spannungs-Kennlinien des Quell- en
■■.-'"■ -
ω Absaugestromes Ig-Q beat der Quell-Absaugspannung V^
von. M'N-Fela-eff ekt-Transistoren «eigen, die einmal nach d em
bekannten Ve ; fahren und zum anderen n.ach dem erfindungsge-
."■r*.;.. -:n 7-,j- ' r r 'erteilt <ήπο-. Vie 5'1-Jp 3Α "ei^t. fliefdt
■ ■ . ■' '»■'.,
ID 1527 -24- ·
normalerweise ' ein merklicher Quell-Absaugstrom Ig-,·,
entlang des Leitfähigkeitskanals 17 schon bei einer Vorspannung Null an der Steuerelektrode ; will man den ■
Quell- Absaugestrom Ι«η praktisch auf Null reduzieren
so benötigt man entweder, an der Steuerelektrode 13 oder
an der Siliziumplatte 1 eine Vorspannung von etwa -8YoIt.
Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird
die Platte 1 in einer Heizungsanordnung 33 untergebracht; die ^eldeffekt-l'ransistoren-Anordnung befindet sich gegenüber
einem Kontaktgeber 35 und ist in frezug auf diesen
mit ihren -Elektrodenanschlussen entsprechend ausgerichtet.
Die negativ geladenen Störelemente wurden in die Isolierschicht eindiffundiert. Der Kontaktgeber 35 umfaßt einen
beweglichen Support 37 mit einer Anzahl von Fühlkontak%en39,
von denen jeder zu einer Steuerelektrode 13 gehört; zusätzliche, auf dem Support 37 befindliche ^ühlerkontakte 41 und
'43 entsprechen den Quell- heSC Absaugelektroden 3 bezw
Jeder Fühlerkontakt 39 ist mit einem auiJerhalb des Ofens
angeordneten Schalter 45 Verbunden; von diesem führt üb"er
einen Begrenzungswi derstand 47 die Verbindung zu einer negativen Spannungscm eile 49ο ie Pühlerkontakte 41 und
sind/Schaltern 51 besk 53 verbunden; die Verbindung setzt
ο sich über entsprechende Begrenzungswi derstände-5-5 bezv,
J^ 57 zu veränderlichen positiven Spannungsquellen 59 ber?W 61,
«^ fort« -Die Siliziumplatte 1 ist über einen ^egrenzungs-wi dercn
.stand 63 an eine veränderliche positive Spannungsquelle
co , ' σ
-* · 65 angeschlossen. Jede der Spannungsquellen 49, 59,'61 und
.65 1-assen sich bis auf Null Volt herunterregeln« Wahrend
, BAD
ID 1527 -25-
die Platte 1 in der Heizungsanordnung 33 auf einer erhöhten
temperatur (29O°Gelsius bis 400°Öelsius oder
darüber) gehalten wird,können elektrische Felder von beliebig
bestimmbarer Größe entweder transversal ader longitudinal
zur Isolierschicht 7 in individueller Weise an die
einzelnen Feldeffekt-Transistoren angelegt werden.
Es sei angenommen, daß das Boroxyd (BpCL) in die Isolierschicht
eindiffundiert wurde, daß die Quell- und i|bsaugelektroden
3 und 5 durch Diffusion hergestellt wurden, daß die Steuerelektroden 13 und die Änschlußverbiu.dungen
gebildet worden sind. Der Support 37 wird äann so eingestellt,
daß die Fühler 39, 41 und 43 über die Anschlüsse
elektrische "Verbindungen mit den Steuerest rod en 13, Quelle'lektroden
3 und Absaugelektrofien 5 herstellen. Entsprechend
nur
einem ivusführung8beisj)iel sind die "ehalter 45 geschlossen, wodurch jede Isolierschicht 7 in den Transistoren T.,,Tp»^3 LiSWo -swaf orthogonalen elektrischen leidern unterworfen vä-rd, die zwischen der Platte 1 und der entsprechenden Steuerelek-■trade 13 erzeugt werden und deren Größe diirch die entsprechende Einstellung der korrespondierenden Spannungs— quellen 49 und 65 bestimmt ist«, yaenn die Heizungsanordnung
einem ivusführung8beisj)iel sind die "ehalter 45 geschlossen, wodurch jede Isolierschicht 7 in den Transistoren T.,,Tp»^3 LiSWo -swaf orthogonalen elektrischen leidern unterworfen vä-rd, die zwischen der Platte 1 und der entsprechenden Steuerelek-■trade 13 erzeugt werden und deren Größe diirch die entsprechende Einstellung der korrespondierenden Spannungs— quellen 49 und 65 bestimmt ist«, yaenn die Heizungsanordnung
to auf die gewählte Temperatur,das heißt auf eine Temperatur
'■ o· ;.._■■ '" . " -
«° im bereich zwischen 290° Celsius und 400° 0-els.ius, erhitzt
CO ■·-.■
^ -wird»so verursacht das Anlegen orthogonaler elektrischer
ο-- Felder an die Isolierschicht 7 eine Abwanderung der Oxyd-ω
■ ■ ionen-Freistellen von den Grenzschichten 19 mit dem Erg-ebnis,
daß die in der Isolierschicht induzierte positive ladung
.,- r" zusammen mit den Raumladungseffekten in der benachbarten
ι??'. . 8AD ORIGINAL
ID 1527 " -26-
Oberfläche der Platte 1 reduziert wird0 Gleichzeitig
wandern in einem geringeren Umfange die negativ geladenen Störelemente in Richtung, auf die Hälbleiter-Isolator-Grenzflache
19. Das Ausmaß der Kompensation der in der
Isolierschicht 7 induzierten positiven ladung ist von folgenden Einflüssen abhängig:
1. ^er ^nzahl der mit der Isolierschicht 7 eingeführten
Störelemente;
22 Der Stärke der angelegten elektrischen Felder;
3ο .Der. Umgebungstemperatur;
4.Der Dauer der thermischen Vorspannungsbehandlung,,
Beispielsweise in einer Umgebungstemperatur von etwa
300° Celsius bewirkt eine an die Steuerelektrode 13 (relativ zur Platte 1) angelegte negatiye Spannung zwischen
20 Volt und 60 Volt für eine zwischen 15 Hinuten und 2 Stund;en variierende Zeitdauer eine tatsächliche Umkehrung
eines NPU-Feldeffekt-'-^ransistors von einem
Erschöpfunge-Betriebszustand in einen Überschuß-Betriebszustand; der Vorgang ist reversibel-, wobei die dafür benötigte
Zeit beträchtlich herabgesetzt ist*
Die thermische ^"orspannungsbehandlung einesNPIf-Feldeff ekt-Transistors
läßt" sich besser verstehen, wenn auf die
ο I^igo 3A, 3B, 4A und 4B Bezug genommen wird» Wie aus
oo !Figur 3 A hervorgeht kann ein EPf-Feldeffekt-'iransistor,
OT · wie er in den figuren 1A und 2 dargestellt ist, eine
^ "Einschalt"-Spannung von etwa -8 Volt aufweisen» In Figur
-»■ . 4A ist die erfindungsgemäß beeinflußbare oder zugeschnittene
"Einschalt"-Öpannung eines solchen Transistors in Abhängig^
BAD ORIGINAL
ID 1527 -27-
fce.it von der Zeit bei verschiedenen, an die Steuerelektrode
13 angelegten Vorspannungen-und einer vorgegebenen
Umgebungstemperatu^r dargestellt» Die Kurven von Figur 4A
zeigen in etwas idealisierter Weise, daß die erzielten
steuerbaren Beeinflußungen sowohl von. cKe.r Dauer der Behandlung
als auch von der Größe der Vorspannung ( .Größe der elektrischen Felder) , diejzwischen der Platte 1 und
■■■'■■- abhängen
der »Steuerelektrode 13 angelegt virc,/:j man beachte ferner,
daß solche Effekte jedoch auch noch in ähnlicher Weise, von ,^
der Umgebungstemperatur abhängen. Wie aus der -darstellung
von '4-B hervorgeht werden durch entsprechende Kontrolle der
thermischen Vorspannungsbehandlung die "Einschalt"-Spannung
and auch die Kennlinien des Feldeffekt-Transistors
kontinuierlich verschoben,wobei die "Einschalt"-Spannung
sieh von -8 Volt($rsoehöpfungs--Modus) auf Null Volt vermindert,
wobei die zuletzt genannte Spannung anzeigt, : daß keine Invecs. .ionsschicht entlang des Leitfähigkeit skanals
17 besteht, und dann auf 4 Volt und darüber (Überschuß-Modus)
ansteigt, wobei dann überschüssige Acceptor- φ zustände entlang des Leitfähigkeitskanals 17 bestehen.
Wie aus den Figo 3B und 4B zu ersehen ist, wird dem-ent-•
sprechend der NHi-Feldeffekt-Transistor permanent in einen
Überschuß-Betriebsmodus überführt mit einer mit 4 Volt ange-
° zeigten positiven "Einschalt"~Spannung, wobei zu beachten ist,
Μ daß die Überführung aus dem ^rschöpfungs-Mödus in den
σ> .,-.."■'■■■ - " ■
>v Überschuß-Modus kontinuierlich und irreversibel ist.
ο .
cn
cn
(UJ ■ - -
."*■ Es steht im JBinkl'aug mit dem erfindungs-gemäßen Verfahren,
daß jeder auf der Platte 1- bestehende NBU-Feldeffekt-^ransistor
sei a&tiv und individuell den besonderen 3edürf-
nissen der Schaltung, in der er zur. Verwendung kommen
soll, angepaßt werden kann* Nehmen wir beispielsweise an, daß die Feldeffekt-Transistoren T. ,T und T- "·
identische Kennwerte aufweisen, beispielsweise eine "Einschalt"-Spannung von. etwa -8 Volt gemäß Fig. 3Α.,8«*£-
ueisen und nehmen wir ferner an, daß der KBT-FeIdeffekt-Transistor
T1 so zugeschnitten werden soll, daß er eine
"•Einschalt "-Spannung von etwa.-4 Volt( Überschuß-Modus), der Feldeffekt-Transistor Tk eine "Einschalf-Spannung
von etwa -4 Volt (Erschöpfungs-Modus) und der Transistor T eine »Einschalf-Spannung ton Full Volt bekommen
sollen,, Während die Platte 1 in der Heizungsanordnung 33
auf einer vorbestimmten Umgebungstemperatur von beispielsweise 300 ° Celsius gehalten wird, sind die Schalter 45
geschlossen und die den Transistoren T.., Tp und T- zugeordneten
Spannungsquellen 49 und die mit der Platte 1
verbundene ^pannungsquelle 65 entsprechend den aus dem
zu
Diagramm von Fige 4·^ entnehmenden Werten eingestellte . Da für alle Transistoren die Behandlungsdauer die gleiche ist, so ist das -"-usmaß des Zuschnitts der Transistoren T1, Tpund T- aliein durch die Einstellung der zugeordneten Spannungsquelle 49 bestimmt» die mit der Platte 1 verbundene '
Diagramm von Fige 4·^ entnehmenden Werten eingestellte . Da für alle Transistoren die Behandlungsdauer die gleiche ist, so ist das -"-usmaß des Zuschnitts der Transistoren T1, Tpund T- aliein durch die Einstellung der zugeordneten Spannungsquelle 49 bestimmt» die mit der Platte 1 verbundene '
^j Spannungsquelle 65 wird auf einen vorbestimmten Wert ein-
to gestellt« Unter Bezugnahme auf -^ig« 4A läßt sich bei
co -
^> einer ein-stündigen thermischen Vorspannungsbehandlung ^er
ο
an
to
an
to
gewünschte Zuschnitt durch Anlegen von 50 Volt, 30 Volt
■und 40 ^olt an die entsprechenden Steuerelektroden 13 der
Transistoren T., T2 bea*. T, erzielen, wenn die Platte 1 a^^f
Null1 Volt gehalten w'ird»· Anschließend läßt man die Platte
auskühlen unter Beibehaltung der an die Steuerelektrode!!
BAD ORIGINAL
?7 9 15Η038
13 der Feldeffekt-Transistoren T.., T^ und T, angelegten
Vorspannungen«, Die hier beschriebene, thermische Vorspannungsbehandlung ändert die Form der Betriebskennlinien der einzelnen ^eldeffekt-l'ransistoren nicht
wesentlich; eine solche Behandlung bewirkt vielmehr deren Verschiebung ,wie in Figur 4B dargestellt ist,
um die "Einschalt"-Spannung zu ändern. Wenn die '
"Einschalt"-Spannung eines Feldeffekt-Transistors nicht
zugeschnitten zu werden braucht, so bleibt der entsprechende Schalter 45 ausgeschaltet, so daß der Transistor lediglich
einer thermischen Behandlung unterworfen wird«, Wie weiter .vorn bereits ausgeführt wurde, ist eine thermische Behandlung
allein unwirksam hinsichtlich einer Veränderung des Operations-Modus des Feldeffekt-Transistors„
Ein gewünschter, charakteristischer Zuschnitt eines Feldeffekt-Transistors läßt sich auch durch- aelektives
Anlegen bestimmter Spanlungskombinationen an die Platte 1,
die Quellelektrode 3, die Absaugele&trode 5 und die
Steuerelektrode 13 erzielen* Betrachtet man beispielsweise
Figur 2, so kann der Transistor T- aus dem Brschöpfungsin
den Überschuß-Modus auch dadurch ül-erführt werden, daß
J0 die Steuerelektrode 13 in bezug auf die Quell- und Absaugto
elektroden 3' und 5 und / oder die Platte 1 negativ vorge-
ro spannt wird, das heißt, daß jeder der Schalter 45, 51
""* und 53 geschlossen ist. Bei'diesem Verfahren werden die
f? ■ ; ■ elektrischen Felder an die zwischen Quell- und Aüsaugelek-."*
troden 3 und 5 bezvi Platte 1 sowie Isolierschicht 7
def.vinierten Flächen, angelegte Wenn die Schalter geschlossen
sind und eine gleich große Spannung an die Platte 1,
■ID. 1527 -30-r ·
an die Quell- und Absaugelektroden 3 und 5 angelegt wird, ergibt sich gegenüber der vorher beschriebenen
Methode eine "Verbesserung um 20 fo hinsichtlich der
Zeit; bei einer gegebenen Umgebungstemperatur erhält
man auch eine Total-Yerachiebung der Betriebskennlinien
in den.selben Verhältnissen. Eine Überführung eines
FfEi-Peldeffekt-Transistors in den Überschuß-Modus kam:.
sowohl durch das Anlegen tangentialer als auch longitudinaler elektrischer Felder am Leitfähigkeitskanal 17
erzielt werden..Während, die Steuerelektrode 13 in ^ezug
auf die Platte 1 negativ vorgespannt ist, werden beispielsweise die Spannungsquellen 59 und 61 so eingestellt, daß
sie eine positive Vorspannung der Absaugelektrode 5 gegenüber
der Quellelektrode 3 bewirken, ^a die zwischen der
Steuerelektrode 13 und der Quellelektrode 3 angelegten Spannungen sich von den Spannungen unterscheiden, die
zwischen der Steuerelektrode 13 und der Absaugelektrode
anliegen, so sind die entlang des Leitfähigkeitskanals
anliegenden resultierendem elektrischen Felder nicht einheitlich. Das #irkt sich derart aus, daß sich der Leitfähigkeit
skanal 17 verjüngt, wobei die hichte der Ladungsträger
zustände an ihm entlang abgestuft ist und eine
^5 Asymmetrie in die Kennlinien des Feldeffekt-Transistors
to eingeführt wird.
k> .
""** Während vorangehend der Zuschnitt, oder die Einstellung von
^ UiU-ffeldeffekt-Transistoren auf gewünschte Betriebscharakteristiken
beschrieben wurde, sollte es klar sein, daß eine
ähnliche Kennwert- einstellung auch "bei PNP-Feldeff ekt-Transistoren
durchgeführt werden kann«. In diesem -^aIIe
wird eine gleiche Polarität von ^-annungen an die"Platte
1, die"taeH-und Absaugelektroden 3 und 5 und auch an
die °teuerffilektrode 13 angelegt, -^s ist kalr, daß
PIP-Feldeffkt-iEransistoren, .die normaler weise einen
Überschuß-Modus aufweisen, durch eine hohe Dichte von Donatorsuständen an der Grenzfläche 19 gekennseichnet sind.
Durch das Anlegen elektrischer Felder von gleicher Polaritat
wird deshalb die Dichte der Acceptorzustände en'tlang
des Leitfähigkeitskanals 17 erhöht ,so daß sich der Lei -
tungsvii derstand des Materials entsprechend dem weiter
oben beschriebenden Phänomen bis auf einen Viert verringert,
bei d em ein merklicher Quell-Absaugstrom Ig-^ bei einer
Vorspannung Null an der Steuerelektrode fließt (Brschßpfungs
riodus).
Patentansprüche:
908826/0531
Claims (1)
- ID 1527 -32-PatentansprächeΙ» Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Sransistors mit isolierter Steuerelektrode, aas folgende Schritte umfaßt:-Schaffung in einer Halbleiterplatte eines "Leitfähigkeitstyps Quell- bear«, Absaugelektroden bildende räumliche Diffusionszonen eines zweiten, .dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, Bildung einer.Isolierschicht zu- mindest auf einem Teil der Halbleiterplatte zwischen den genannten Diffusionszonen, wobei die schmale Oberflächenzone in der Platte zwischen den räumlichen Diffusionssonen einen LeitiThigkeitskanal zwischen diesen Zonen def. iniert,. und Auf-bringu.ug einer metallischem Steuerelektrode auf der Isolierschicht, so daß elektrische Felder an den Leitfähigkeitskanal angelegt werden können, dadurch .gekennzeichnet, daß elektrisch geladene Störelemente in die Isolierschicht, eindiffundiert werden, deren Gegenwart einen Raumladungseffekt entlang des Leitffäh'igkeitskanals (17) bedingt, wodurch die zurückbleibende Ladungsträgerdichte entlango - des'Leitfähigkeitskanals steuerbar beeinflußt wird. to»^ 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r. c h g e k e η ηen zeichnet, daß die Isolierschicht^) der-* Einwirkung elektrischer Felder ausgesetzt und der T-ran-wahrend des I3i.awirken3 dieser Felder auf einehöhere ünj^eb .r.gsten ■ e/ctiu/ gehstxcfii» wird rmn Zwecke -jteu 3Pbi-.rtn .-'sei::::;'lussuii:' .er '-I]JIi.-!/ v'eo Σ-{-':ύ^-^ύ±'(ίί^ Its-!canals (17) auftretenden Rauinladunge effekte iingesichts des Vorhaadenseins der genannten Storelemente in der Isolierachicht (7). ■3 s Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c Ii g e k e η η zeichnet, daß der Transistor auf eine Temperatur gebracht wird, die oberhalb 290° Celsius4o Verfahren nach ^nepruch 1 oder einem der folgenden , dadurch g e k e η η a e i c h η e t , daß auf einer Halbleiterolatte (T) innere IPeldeffelct-Sransietoren (T^/Jlg,1!^) vorgesehen sind, die zum Zwecke einer individuellen Jiinstellung der gewünschten Betriebscharakteristiken an sel^i. tiv einstellbare fcJpamiungsquellen (49,59,61,65) anschliejBb^r sind.5„ Verfahren ach Anspruch 1, da durch g e k e η η s ei c h η e t , da ß als elektrisch geladene Störelenente Oxyde von Elementen aus der Gruppe HIB des Periodischen Systems der -üiieraente verwendet v;er§eno · -QQ - ·i*o 6. Verfahren nach Anspruch 5, da'du. roh g e -o> ■■■'.-■■■■"■ . " '"^ kennzeichnet, daß die Stör elementeο .■-'"■ . ■ . ■^ - durch -^oEoxyd dargestellt sind·.,.-'■ 7 β Verfahren nach Anspruch^ dadurch g e -ϊ«^ΐ' ken η ζ eic Hn e t , d aß die StöfcelementeID 1527 -34-durch Aluminiumoxid dargestellt sind»8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eindiffuiidierten elektrisch geladenen 3tcrelemente eine geri....gere Mobilität haben als die Anionen-^reistel^.en in dem ü-itter der Isolierschicht, v/obei die Anionen-Freis^ellen die Ursache der für die zurückbleibende Ladungsträgerdichte verantwortlichen Raumladungseffekte sind.9 ο Verfahren nach Ausbrüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die erhöhte Temperatur die ^lobilität der Anionen-l^reistellen erhöht wird, so daß beim ^nle^en elektrischer IPelcier an die Isolierschicht eine Abwanderung ier Anionen-J?reist eilen von der Halbleiter-Isolator-Grenzschicht (19) stattfindet, so daß die elektrisch geladenen utörelemente zu- mindest eine teilweise Neutralisation eines Teils der durcl -die Anionen-Freisteilen, die in der Umgebung der benannten ixrenzflache (19) verbleiben, bedingten Raumladungseffekte herbeizuführen in der Lage sind»10. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion der elektrisch geladenen Störelemente in die Isolierschicht^) möglichst gleichmäßig erfolgt,11. Verfahren nach -"-nspruch 9, d a d u r c h g e -9 0 9820/0531 . bad originalI-u 1527 -35-., - ■-kennzeichnet, daß die Menge der in die Isolierschicht eindiffundierten elektrisch ge- ■ ' ladenen Storelemente so benessen ist, daß eine vollständige iieutralisation der genannten Hauml adungs effekte rüu.atande kommt, wenn die Isolierschicht dein -Einfluß der genannten elektrischen Felder ausgesetzt wird.120 Verfahren nach Anspruch 9» d a d u r c Ii gekennzeichnet, daß die in die Isolierschicht eindiffundierten elektrisch geladenen Störelemente mengenmäßig so bemessen sind, daß eine "Überkompensation der genannten Haumladungseffekte bewirkt wird, wenn die Isolierschicht (7) dem Einfluß der genannten elektrischen Felderausgesetzt.wird. '13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Halbleiterplatte (1) aus Siilizium besteht, die Isolierschicht (7) aus einem ^iliziumoxyd gebildet wird und die elektrisch geladenen ^törelemente durch ein Dreivalenz-Oxyd in einem glasähnlichen Zustand dargestellt wirdo14r Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß die Isolierschicht (7) dur-ch Oxydation dei? Oberfläche der HalbTeiterplatte ' (1) gebildet wird und daß die elektrisch geladenen Störelemente nach der Eindiffusion in die Gitterstruktur der genannten Oxydschicht in einem glasförmigen Zustand existier ene909Ö26/0531 BAD ORIGINALID 1527 -36-15» "Verfahren, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterplatte (1) und die Isolierschicht (7) von der erhöhten Temperatur auskühlen gelassen werden, während die auf die Isolierschicht einwirkenden elektrischen Felder weiter- - hin aufrecht .eihalten bleiben.16, Verfahren nach Anspruch 4* dadurch g e,-ken η zeichnet, daß das Eindiffundieren der elektrisch geladenen Störelemente in die Isolierschicht (7) noch vor dem Anbringen der Steuerelektrode (13) vorgenommen wird«,17· ^erfahren nach Anspruch 2 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß einstellbareelektrische Felder angelegt werden zwischen der Steuerelektrode (13) und der Halbierterplatte(1) und zwischen der Steuerelektrode (13) und den Quell- und Absaugelektroden (3,5).18, Verfahren nach Anspruch 17,dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerte und der Quellelektrqde eine Spannung angelegt wird, «° deren Größe verschieden ist von der ü£iannung zwischen ^ der Steuer- und Absaugelektrode.ω 19· Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch'. ge kennzeichnet, daß die Halbleiterplatte (Τ) in eine Sauerstoffatmosphäre gebracht wird, das elementare Bor in gasförmiger Form über die Isolier-schicht (7) hinwegstreichen gelassen wird bei einer Umgebungstemperatur oberhalb 950 ^elsius, wobei das elementare ^or zu Boroxyd oxydiert und eine Störelemente gichicht bildet, von der aus die Eindiffusion in die Isolierschicht ausgehto909826/053!
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---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
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DE1514038A1 true DE1514038A1 (de) | 1969-06-26 |
DE1514038B2 DE1514038B2 (de) | 1972-09-07 |
DE1514038C3 DE1514038C3 (de) | 1974-03-14 |
Family
ID=23549423
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1514038A Expired DE1514038C3 (de) | 1964-08-26 | 1965-08-19 | Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Steuerelektrode |
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CH (1) | CH434487A (de) |
DE (1) | DE1514038C3 (de) |
GB (1) | GB1095412A (de) |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3465209A (en) * | 1966-07-07 | 1969-09-02 | Rca Corp | Semiconductor devices and methods of manufacture thereof |
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