DE1961641A1 - MOS-Bauelement - Google Patents

Description

Ein HOi-J-jiaueletaent (l-Ietall-Oxid-Halbleiterbaueletaent) besteht im wesentlichen aus einen spannungsgesteuerten Widerstand oder "Kanalgebiot", welches zwei elektrisch getrennt^ hoohleitfähige Gebiete verbindet, m-lrilich die Source-(iuelle-) und die Drain-(3enke-)Gebiete; diese Gebiete besitzen einen ersten Leitfähigkeitetyp und üind durch Diffusion in eine Grundlage (Substrat) aus Halbleitermaterial entgegengesetaten Leitfähigkeitstyps entstanden. Das Kanalgebiet wird dadurch gebildet, daß eine gewählte Spannung an eine aus Metall bestehende Gate-(Gitter-, Tor-)Elektrode angelegt wird, welche derart auf der Grundlage angeordnet, jedoch von ihr isoliert ist, daß der Leitfnhigkeitstyp des unter ihr befindlichen Gebietes der Grundlage umgekehrt wird. Durch i Inder im j der nach der Umkehrung an die Gate-Elektrode angelegten Spannung werden die Zahl der beweglichen Träger (Elektronen oder Defektelektronen) in diesem Kanalgebiet und dementsprechend die Leitfähigkeit des Kanals geändert.

Iio;.;-Bnueleaente werden in der Hegel entweder als Kondensatoren oder als Transistoren verwendet. \Ienxi sie als Kondensatoren verwendet './erden, entspricht eine in der Gate-Elektrode gespeicherte Ladung einer im Eetrag gleichen Ladung entgegengesetzter Polarität, welche in der Grundlage unter der Gate-Elektrode gespeichert

009831/0984

BAD ORIGINAL

ist. Bei Verwendung als Transistor wird der Stromfluß zwischen Source und Drain dadurch gesteuert, daß die an Source und Drain angelegten Vorspannungen und die an die das Kanalgebiet überlagernde Gate-Elektrode angelegte Spannung gesteuert werden.

Es gibt zwei Arten von MOS-Transistoren, nämlich den nach dem "Enhancement"-Verfahren (Verstärkungsverfahren) arbeitenden Transistor, dessen Kanalgebiet normalerweise nicht leitend ist, jedoch bei Anlegen einer Spannung an das Gate umgekehrt und in der Leitfähigkeit erhöht wird, und den nach dem "Depletion"-Verfahren (Verarmungsverfahren) arbeitenden Transistor, dessen Kanalgebiet normalerweise leitend ist und bei Anlegen einer Gate-Spannung seine Leitfähigkeit erhöht oder herabsetzt.

Ein nach dem Enhancement-Verfahren arbeitender p-Kanal-lIOG-Transistor enthält n-IIalbleitermaterialien zwischen den Source- und Drain-Gebieten aus p-Material. Bei Anlegen einer gewählten negativen Spannung an die Gate-31ektrode, die das Kanalgebiet überlagert, jedoch diesem gegenüber isoliert ist, wird das Halbleitermaterial in den Kanal aus den n-Leitfähigkeitszustand in den p-Leitfähigkeitszustand versetzt. Dementsprechend ändert sich die Leitfähigkeit dieses Kanalgebietes von einem niedrigen zu einem hohen 7ert, so daß sich ein gesteuerter Stromfluß von dem p-Source-Gebiet zu dem p-Drain-Gebiet ergibt.

3ei einem nach dem Depletion-Verfahren arbeitenden p-Transistor ist das Kanalgebiet normalerweise leitend. Bei Anlegen einer positiven Spannung an die Metallelektrode, die das Kanalgebiet überlagert, jedoch diesem gegenüber isoliert ist, erfolgt eine Verarmung der positiven beweglichen Träger aus clem Kanalgebiet unterhalb der Gate-Elektrode, so daß dieses Gebiet η-leitend wird. Die pn-übergänge isolieren dann die Source- und Drain-Gebiete, so daß ein sehr hoher widerstand zwischen diesen Gebieten entsteht.

009831/0984

Im ietrieb einen IIOG-Transistors muß die an die metallische Gate-Elektrode angelegte Spannung eine Scliwellwertspannung übersteigen, damit eine Umkehrung des Zustandes im Kanalgebiet unter der Gate-Elektrode eintritt. Die sogenannte "Einschaltspannung" (turn-on voltage), die normalerweise die ICursbeaeichnung V™ erhält, h-üngt unter anderen variablen Größen vor alle·:: r.\ von de:: Differenz der "Austrittsarbeit" 0_T,_a zwischen dem air Gate-ISlektroüe verv/endeten Iletall und de::) TIalbleiterriaterial, von der in der Isolierung zwischen der Gate-Elektrode und üe~n darunter liegenden IZanalf-eliet eingeschlossenen OberflUchenladuir; Q₀₀ und von der otl^;rke und der Dielektrizitätskonstante 'dieser Isolierung. (Die ,.ucirittsnrreit ist definiert als diener.! :c -inercie, die'benötigt wird, um ein Elektron aus de·:: ?err.ii-:;iveHU in eines gegebenen Material ins Vakuum zu bringe»:. Das I'erirrl-ITiveau ist dabei dacjenife Energieniveau in einem IIa^J.-erial, bei dem eine 50 ;'j-ige "./ahrscheinli alike it der Lesetnun,- d'.ii'O:; e".n ",lc-":tron besteht.) Man }iatte dalier bis ietnt verschiede:-; '.'.'' -licV-keiter., die !^Inrciialtspannung eines KC3-".-aueleiaeiites z\i ünlerr.. 7." ie ere te Kb'glichkeit bestand darin, daü man die f"r d^J.e jate-I-.lektride oder die Halbleiter;"7rundlage verv.'endeten I/aterinlien "n^erte. C'..^feiteiir: konnte raan das Verfahren nu::i Aufv/aciicen des thermischen Oxids lindern, so da;.> Q geändert wurde. .jChlieS/lich konnte nian die ot^;'.rke und/ oder den Typ der Isolation Under.¹;. Vo:: diese:; Teifa'.;rerii".;e."-^ei; v.'ird die letzte - die Anderu::.; der 3t".rke der Isolation - arj hv.ufigsten vei'wendet. Vs.n geht dabei ir. -lev Regel cc vor, i·..'- die Isolation unter der Jäte-VILek-jrede u™ einer. Taktor ".0 ά^:ίηΐιοι· ,jenaolit wird ali.^; die Isolation unter der aufgetragenen leitung zur Gate-Elektrode, rndurch ist es :.ü rlich, da.: eine ausreichend hohe 3pannun_;r an die Gate-Elektrode ar.-ele:;t v.-ird, ur, das Ilcmalgebiet unter dieser Gate-Elektrode unsukehrer., oime da:" gleichzeitig 2eile der Halbleitergrundlage unterhalb der leitung zu dieser u:zgekelirt v;erden. Un^ünsti^ ist dabei jedoch, daJ? die

009831/0984

BAD ORIGINAL

Stärke eier Isolation nicht immer genau gesteuert und überwacht wird. Jas Ergebnis kann dann sein, daß eine an eine Gate-Elektrode angelegte Spannung nitunter nicht nur das gewählte Halbleitermaterial unterhalb ei ie rrer Elektrode, sondern auch HalLleiteraaterial uivjer der Leitung sur Elektrode umkehrt. Dadurch werden die Oiicralcteriatiken und die -^rLeitsweise der .'schaltung, welche dnc .■iCo-""'^c"UieleLient enthalt, geändert.

.Ar. r-\f: der „^raLr£cheinlichkei.t der Umkehrung des Halbloitermaterials unter dieser Leitung ißt das Verhältnis der Einschaltspannunr: 7_rpj für dan Halbleitermaterial unterhalb der Gate-Elektroüenlei":~ung sii der Einsciialtcxjannung Y_nr für das Halbleitermaterial unter den Gate sei ort. 7enn die Isolierung unterhall' der Leiten,: eine otiirlre von 1 I'ikron (10.000 .-lngstrora) hat, die Isolierung unterhalt der ;ate-r,lektrode eine Stärke von 1.000 /jz^ctr"'.! hat, die lato-.Jlektrode ε.ιιε aluminium besteht und das Halbleitermaterial Üilisiui.) ict, liegt diese" Verhältnis bei 7. Z)eriontirp?;ecLend genügt eine verhältnismäßig starke Spannung in Kerf:.i:iation nit einer unerv/artet dünnen leitungsisolation, um unervmiinc.ite Teile des Halbleitermaterials umzukehren.

De^;;e ^er/iber ist erfiiidunrsgernäß vorgesehen, daß man die Eincchalt;.:pannung eines I-r^.-'l^ansistor;: dadurch steuert, daß ein in reeirnoter '.."eise notiertes Halbleitermaterial für die Gate-Elektrode verwendet wird. Lurch diese Haßnahrae wird das Verhältnis τα:. 7~-,. zu y._M(i von unter 7 liegenden ',Terten auf über 11 angehoben, UI1.I .^'.es ist ein 7aktor von fast 70 ^₁ wenn die Gate-Isolation eine Jtärke von 0,1 Ilikron hat, die Leitungsisolation zehnmal so stark v/ie die Gate-Isolation ist, und" wenn Silizium sowohl für die -,iate-ZLektroäe als auch für das darunter liegende Halbleitermaterial verwendet wird. Durch Änderung der Störstoffkonzentration

009831/0984

im Gate-Material kann zusätzlich die Differenz der Austrittsarbeit swieehen der Gate-Elektrode und dem darunter tiefindliclien llalbleitermaterial geändert werden, und man kann auf diese '.leise die Binsehaltspannung des Transistors ändern. Die so erhaltenen Änderungen der Einsehaltspannung decken einen gewählten Spannungsbereich ab, welcher in der Hähe jedes Endes des Bandspaltpotentials (band gap potential) des Halbleiter-Gate-Materials liegt. Bei Silizium beträgt dieser Bereich etwa 0,2 Volt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Gate-Elektrode eines liOS-Bauelementes aus amorphem p-Sillaiura hergestellt, während das Kalbleitermaterial aus Einkristall-n-Siliziun besteht, welches p-Source- und p-Drain~Gebiete enthält.

Die Storstoffkonzentration des Gate aus p-Silizium liegt bei

17
10 ' Atomen je ecm oder höher.

Sei einer v/eiteren bevorzugten Ausführun;;aform der Erfindung wird die Gate-Elektrode aus amorphem η-Silizium hergestellt, während das Halbleitermaterial n-Einkristall-Silizium ist, welches p-Source- und n-Drain-Gebiete enthält. Die Störstoffkonzentration

17
des Gate liegt ebenfalls bei etwa 10 ' Atomen je ecm oder höher.

Yon besonderer Bedeutung ist im Zusammenhang mit der Erfindung, daß bei. οiner Kombination der Halbleiter-Gate-Elektroden gemäß der Erfindung, von denen einige ait n-3törstoffen und einige mit p-otörijtoffen dotiert sind, zu einer einzigen integrierten Schaltung Cti'ukturen gebildet werden können, welche sich besonders •"linsti.'j für eine Verwendung als Inverter, komplementäre logische Schaltungen und Kippschaltungen eignen. V/eitere zweckmäßige Anwendungen können im Rahmen fachmännischen Handelns angegeben werden. In Schaltungen dieser Art ist die Halbleitergrundlage unterhalb ,jeder Gate-Elektrode entweder mit p- oder mit n-3törstoffen dotiert, abhängig von der Einsehaltspannung, die für den Kanal

009831/0984

unterhalb jedes Silizium-Gate gewünscht wird, nachfolgend wird ein komplementärer MOS-Inverter in Grundschaltung dargestellt und beschrieben, bei dem amorphe Silizium-Gate-Elektroden sowohl mit p- als auch mit η-Leitfähigkeit über einem dotierten Einkristall-Silizium-Grundkörper vorhanden sind.

Die Erfindung wird zwar im Zusammenhang mit der Verwendung von fc dotiertem Silizium als Gate-Elektrode beschrieben, jedoch können anstelle von Silizium auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden. Da das Fermi-lTiveau der dotierten Halbleiter-Gate-Elektrode in der Ilähe einer der beiden Grenzen des Halbleiter-Bandspalt-Potentials liegen muß, damit der Halbleiter eine hinreichend niedrige Leitfähigkeit hat, un als eine im wesentliehen ^ciuipotentiale Gate-Elektrode zu arbeiten, begrenzt das Bandspaltpotential eines bestimmten I-Ialtleiternaterials den Bereich der ijiderung der Einsciialtspannung, die mit diesem ilaterial erreicht werden kann. Das Bandspaltpotential von Silizium beträgt etwa 1,1 el bei Raumtemperatur, "ei Galliumarsenid beträgt es jedoch etwa 1,4 eY bei Raumtemperatur, während es bei Galliumphosphid von Raumtemperatur etwa 2,4 eY beträgt. Wenn, man Galliumarsenid und " Galliumphosphid in Kombination verwendet, erhält man Verbindungen mit Bandspaltpotentialen im Bereich von 1,4 - 2,4 eY. Außerdem hat Siliziumkarbid ein Bandspaltpotential von 3,0 "bei Raumtemperatur. Durch passende Wahl des Halbleitermaterials für die Gate-Elektrode und entsprechende Dotierung dieses Materials kann also ein weiter Bereich von Einschaltspannungen erreicht werden.

Im Zusammenhang mit der Erfindung werden auch vorteilhafte Verfahren zur Herstellung von MOS-Bauelementen mit Gate-Elektroden aus dotiertem Halbleitermaterial angegeben. Bei einem Verfahren dieser Art wird eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf einer Fläche eines Grundkörpers (wafer) aus Einkristall-Silizium mit

009831/0984

Jt or.nt of fen eines ersten Leitfähigkeitntypn aufrebracht. _ji~ rc^:iließend läßt nan eine Schicht aun amorphen, silicium über diesem .'jiliziuiridioxid aufwachsen, und er werden durch die ciliuiuinrchicht und die Siliziumdioxidschicht öffnungen ^eätst, ·ν..ι die ν or gesehenen Source- und Drain-Gebiete den MOJ-:.?aueleinentec freizulegen. Daraufhin werden Jtörctoffe entweder eines ernten oder eines zweiten leitfähigkeitstypr; in die Source- und Drain-Gehiote eindiffundiert, und auch in die darüberließende .Schicht amorphen Jiliziuras, welche als Gate-üJIelrtrode dienen ε oll. L-ann v/ird au Γ die Oberfläche des Grundkörper." _ Giliniur.idloriü aufgebrannt, welchen die Source- und Drain-Gel:Ic?tn ßov/ie ΰηα 31Iiniua rndec3,t. Durch diese Silisiuradioxidßchioht po^:'i.;:to ■"!'fnun -en leren Teile der Oberflüchen der i'ource- und J)raii)-uol i ate uiif. der 'logierten oiliziura-Gate frei. Über diene Fenster werden echlier.liu-. Λίπη:"--niurakontakte ^u den darunter lie^nnnen OeV.ieten der .>ouroc, de:¹ Drain und dec Silisiuins

Dan dotierte oilisiun-Gate wird \on e Ire-.. I'.anal-obie ·: ;;\:' -aLcm den Source- und Drain-Gebieten .lure! la:· r.:*rui:^;;o:-.· l'ert-r^c :LLisiutndioxid getrennt. Da die diffundiortün 'Teliel-e der or.iree und der Drain Eich in de:.: linkri^taJl-^ilisiu .i unter:.all: Cc ν Jiliniamdio::idschic}:t nuc:. der iierue errl:rec]:or·, v.-eil die Störe::?fe auci. seitlich diffunaieren, Tt erl?.~e::t uic ~.cr ',erte .:.ili^iub-:.'i ;oiilelitrode die imieron Küiidcr der .«e; lote Ie:.' .. 3ui'oe :in\ ior 3)rain, und nie ist auch _Lx'::au dar.v.'irc'.e:. ::::. :rier^J". Tiere izeii¹:,,:- .'_v.Grlu:itunj; der Ga:o-^r'lO::tr;ue cotnt UJo ILap'.;^:/:' -.: a:: ^e:: Zl''iicic:'„ .".ei* G''.te-'Jlektroäe herab, und en \γ'λ\\ ä.-.;".:*rc".:, -"ie V·:rv/e:vZu::. :::öjlic^- ];e:Vu dec IICo- >;tueler:e:i:ee für eic .:. x:.',-\^j v-ei '-i::en Tre;uenc;e:. erheblich verVernei*"j.

jp der 3rfi::^u: · :erder. nacr.^oljer-I ar.":'u:a der

eichnu:: xen ni'.her erl^::.utert.

009831/0984

BAD

Figuren la und. 11, neigen die Potentinlverteilung in einer Alurainiun-riliniuindiozia-olliKimn-Struktur für die beiden Pälle, daß die 'Ia-Ue-UPaIiIiUm; T_f, gleich Hull und die Gate-Spannung gleich der !Differenz 0«._r. der Lustrittearbeit zwischen der niet aiii sollen Gate-Elektrode und den Gilisiura-Halblelterkörpör ist.

Figuren 2a, 2u und 2o zeigen die Potentialverteilung in einer iJili^iur.i-Giliaiiradioicid-fJilisiurn-Strulctur, vremi die Gate-Elektroden-'^-miiung T_& gleich Hull für sirei verrcliiedene Slliziumdioxidßtfirken zwischen der Siliziun-G-ate-Iilektrode und der darunter liegenden Sllisiumgrundlage ist» und wenn die Gate-Elektroden-..iT)^nnun_k'" f-'leicli c-er Differenz 0„„ der Au,"trittsar"beit zwischen dem ^ilisiura-Gate und dem S ilisiuin-Halble iterma ter ial ist.

Figuren 3a - 3e zeigen im Solmitt die Stufen der Herstellung eines "iOS-Bauelementes mit einer Silisiura-Gate-Elektrode, v/elche Mit p-'.'iörstoffen selektiv dotiert ist.

71_;;π·.:-οη 4a - 4d zeigen Kraufsichten auf nelirore Stufen der Herctelluii ■ des I-'03-:?auele::ienteK, wie ez in den figuren 3a - 3e dar-ίjeßteilt ist.

Figur ;5 zeigt i*rj Dia^rt^] die- "nderung der Spannung in Abhängig— keit von der J'apazität bei oinea IIOi'-3:auelet3Gnt rait Siliziura-Gate-^lektrocle ·

ri{r;r 6 zeigt das Fg rmi-ITi ve au 3.^ i:inus das natürliche (intrinsic) Perr.:i-IiiTeau Ξ_Ί. in ."J:häufigkeit von der Gtörstoffkonzentration flir Donatoren- und .Urseptoren-Gtörctoffe im ."iliziuin-Gate.

.'!euren 7a - 7e zeigen ein Verfahren zur Herstellung von I!0S-3au~ elementen rait einer Eiliziura-Gate-Elektrode, welche selektiv iDit n-Gtörstoffen dotiert ist.

009831/0984

Figuren tJa, 8b und 8c zeigen In Draufsicht und. im Schnitt einen komplementären MOS-Inverter sowie das scheraatische Diagramm dieses Inverters.

Figuren 8d - 8g zeigen die entsprechenden Hingangs- und Ausgangssignale des in den Figuren On, 3b und 8c dargestellten Inverters.

Figur 9 cei£t die Verbesserung, die in dem Verhältnis Vm₁-/V_n« erreicht wird, wenn man eine .Cilisiura-Oate-Slektrode mit einer. Siliziur.igrundlage verwendet, im Vergleich au einer Alumiiriura-Crate-Ijlelrtrode mit einer Siliziumgrundlage.

Figuren 1a und 11, se igen in der Beseiohnunjsweise der Elektronenenergie die Po tentinlverteLlung in einer .."J.umiiiium-Siliziumdioxid-Siliziu 1-I· OS-Ctruktur bekannter ^rt, wenn die an da« Al um in lan angelegte 'rate-Spannung gleich Ifull ist. Die Abszisse zeigt verschiedene Lagen entlang einec Querschnittes durch die ίlehrschicht-Struktur» Das Aluminium-Gate ist auf der linken Seite gezeigt, die äilisiumdiojcid-Isolierung liegt in der Mitte, und das n-.ßinkriötall-oilisium befindet sich auf der rechten Seite. Die drei iiaterialscliichten sind im Gleichgev/icht, und daher ist das FermitJnergieniveau, welches durch die gerade Linie Ii₇ in Figur la dar- :;entellj ist, über die ganze Struktur gleich. Da Aluminium ein Leiter Lot, hat es überall im wesentlichen das gleiche Potential, ttnu cölne Elektronen können sehr leicht aus ihren Valensbindungen οηΙΙ'βχΊνα worden. Das Leitungsband und dar; Valenzband der Energie "L;erla"p'pen sich bei Aluminium in bekannter "/eise. Das schraffierte Ueliet linke des Silisiuiadioxids repräsentiert daher das ^leichfijriijige Potential der Aluminiumelektronen als Funktion der Entfernung von dem Siliziumdioxid, Da Siliziuradioxid ein Isolator ist, enthält es Elektronen, welche erheblich größere Energiebetrüge benötigen, um vom Valenzeiiergieband zum Leitungsenergieband

00 9831/0984

BAD ORIGINAL

gebracht werden zu können, als dies bei entsprechenden Aluminiumelektronen der Fall ist. Biese Differenz der Energien erkennt man daran, daß das Leitfähigkeitsenergieband Eq des Siliziumdioxid wesentlich größer als das Leitfähigkeitsenergieband E^ sowohl des Aluminium als auch des dotierten Sinkristallsiliziums ist.

Wenn Materialien mit Elektronen auf verschiedenen Elektronenenerfc gieniveaus zusammengebracht werden, verschieben sich entsprechend der Darstellung in ]?igur 1a die normalen Potentialverteilungen in diesen Materialien aufgrund des Elektronenflusses von einem Material zum anderen. Dieser Elektronenfluß zwischen den Materialien hört auf, wenn die Diffusions- und Feldkräfte bei diesen Elektronen sich zu Null ausgleichen, Wenn daher Aluminium, Siliziumdioxid und Einkristallsilizium entsprechend der Darstellung in Figur 1a zusammengebracht werden, gruppieren sich Elektronen in einem Gebiet des Siliziums in der ITähe der Siliziumdioxid-Siliziumgrenzschichfc. ills Ergebnis dieser Gruppierung ist die Verteilung der Elektronen in jedem Energieband des Siliziums ungleichförmig mit dem Abstand, und die Energiebänder sind in der dargestellten Weise abwärts gebogen, wenn man sich der Silizium-Siliziumdioxid-Grenz- W schicht vom Silizium her nähert. Wenn der Ausgleich erreicht ist, ist das Fermi-Energieniveau E™ über den ganzen Aufbau gleichbleibend.

Wenn man an das Aluminium eine negative Spannung von passendem Wert anlegt, werden die Energiebänder des Siliziums gerade, wie in Figur 1b dargestellt ist; man erhält dann den "Flachband-Zu- · stand" (flat-band-condition), bei dem keine Ladung in dem Silizium-Halbleitermaterial eingeführt wird. Diese Erscheinung ist beschrieben und erläutert von A.S. Grove in Kap. 9 seines Buches "Physics and Technology of Semiconductor Devices", herausgegeben 1967 von John Wiley & Sons.

009831/0984

196 16 Λ 1

Al

Der Flachband-Zustand tritt auf, wenn die Gate-Spannung Y_Q gleich der Sperrspannungsdifferenz zwischen dem Metall und dem Halbleitermaterial ist; das ist dann der Fall, wenn Y_n -~ 0_T«, ist, wobei

U JWiJ

0_MS = 0_M - 0_Ü und die Oberflächenladung Q^₀ = Null ist. 0_M ist die Sperrspannung des Metalls, während 0_n die HalbleiterSperrspannung ist. Diese Sperrenergien sind in dem erwähnten Buch von Grove auf den Seiten 345 und 346 definiert und beschrieben. Das Steigen der negativen Spannung auf der üluminium-GatG-E]ektrode treibt die Elektronen in dem Siliziumgebiet in der liülie der SiIiziumdioxid-Siliziuragrenzschicht von diaper Grensschicht fort, go daß das Valenzband, das Leitungsband and da;: natürliche jlinergieband des Siliziums in eine Gerade übergehen, ',leim dio Gate-Spannung negativer eingestellt wird, werden die Elektronen in diesem Gebiet nahe der Grenzschicht zunehmend vermindert, und woun ehe Gate-Spannung hinreichend hohe negative V/er te amriiHrat₃ wird daß Gebiet unmittelbar unter dieser Gr^nni-uhiciri, ■ · -.^!n^n J'iyor > "^r ten umgekelirt, es ändert sich aluo von n-Jiliii.t-Jüj in ;κϋί J-Dies tritt auf, wenn dau natürliche Energieband h. das Foi.;ni-ivnergieband E,, kreuzt. An diesem Punkt wird die Wahr; cheinliohkeit des Auftretens eine« Elektrons in de:i Leitungsband der Enor,;ie geringer als die gleiche 'rfahrscheinlio-ikeil; in elgeiileiuenden (intrinsic) Silizium, während die V.'ahrncheinlichkeiv de:; ..ui^vüretens eines Defektelektrons im Valensene^piebanu er":;«!' v;ij'u alü die rfahrscheinliciilreit in: ei{:eiileitenuen ;".'ilisi-UTj.

Die Figuren 2a, 2b und 2c seifen die Potontialvertellunj über einem IIOS-Bauelenent, welches amorphes xj-Silisium als Ga te-Elektrode enthält. Nachfolgend wird ünvon auc^egaiitren, Ua.^ das als Gate-Slektrode verwendete Silizium amoi*phes Silizium ist, selbst wenn dies nicht ausdrücklich erwUiint ist; bei Forderung einer anderen Art von Silizium ist dies ausdrücklich angegeben. Die Potentialverteilung über dem p-Silizium ist im wesentlichen

009831 /0984

Al

gleichförmig, da das p-Silizium mit Akzeptor-Störstoffen bis zu

1 7 1 fl
einer Konzentration von 10 ' - 10 Atomen je ecm hoch dotiert worden ist. Der spezifische Widerstand dieses Siliziums ist daher sehr niedrig; er liegt vorzugsweise unter 0,3 Ohm-cm. Das Ergebnis der Verwendung von p-Silizium für die Gate-Elektrode ist, daß Elektronen aus dem η-Silizium von der Grenzschicht des Siliziumdioxid und des n-oilisiums fortgetrieben werden, wie aus Figur 2a erkennbar ist. Dies ist der Fall, weil das Fermi-Niveau in allen drei Materialien gleichförmig sein muß, wenn die Materialien im Gleichgewicht sind* Damit dies geschieht, müssen die Energiebänder in dem η-Silizium aufwärts gebogen sein, wenn man sich der SiIizium-Siliziumdioxid-Grenzschicht von dem Silizium her nähert. Venn, das natürliche Energieband E. das Fermi-Energieband Ej₁ entsprechend der Darstellung in Figur 2a schneidet, wird das Gebiet dieses η-Siliziums an der Siliziumdioxid-Grenzschicht in p-Silizium geändert. Die Stärke des Siliziumdioxids in Figur 2a liegt bei etwa pOO Angström.

Figur 2c zeigt die Energiebänder für den Fall, daß das Siliziumdioxid eine Stärke von 700 - 800 Angström hat. Das natürliche Energieband E. des n-Ei.nkristallsilizium liegt unmittelbar unter-

JL -

halb des Fermi-Energieniveaus EL. In diesem Fall ist die Oberfläche des η-Siliziums, obwohl sie sich nahe der Umkehrung befindet, nicht umgekehrt. *,/onn eine negative Spannung an das p-Silizium-Gate angelegt wird, v/erden Elektronen von der Silizium-Sili-. ziumdioxid-Grenznchicht fortgetrieben und Defektelektronen zur Grenzschicht hingezogen. Wie die Annäherung von E. zu E₁₅, an der · Siliziumoberfläche zeigt, ist nur eine kleine negative Spannung erforderlich, um das Gebiet des Siliziums in der Nähe der SiIizium-Siliziumdioxid-Grenzschicht umzukehren. Die Einschaltspannung des p-Kanal-MOS-Bauelementes ist daher erheblich herabgesetzt.

009831/0 984

196164

In Figur 9 ist die Änderung der Einsehaltspannung zwischen einer Aluminium-Gate-Elektrode und einer amorphen p-Silizium-Gate-Elektrode mit einer Isolation τοη 1.000 Angström Stärke unterhalb der Gate-Elektrode und 10.000 Angström Stärke der Isolation unterhalb der Leitung der Gate-Elektrode verglichen. Die untere Grundlage ist Einkristall-n-Silizium in (111) Orientierung. Pur ein p-Silizium-Gate ist die Einsehaltspannung V,™ -1,4 Volt, während die Einschaltspannung der leitung (Linear proportional der Oxidstärke) bei etwa -15,8 ToIt liegt. Das Verhältnis V^/V^ ist also größer als 11. Bei einem Aluminium-Gate ist Y„n -2,5 YoIt, und V^-r- beträgt -16,9 Volt; Vmx/Vrjwj ist niedriger als 7. Das p-Silizium-Gate mit einer η-Grundlage gibt daher einen größeren Schutz gegen unerwünschte Umkehrung der Schichten in der Siliziumgrundlage als dies bei einer Aluminium-Gate-Elektrode der Pail ist.

eine positive Gate-Spannung an das p-Silizium-Gate angelegt wird, werden entsprechend der Darstellung der Figur 2b Elektronen zu dieser Grenzschicht aus dem η-Silizium angezogen. Das Ergebnis ist, daß das Valenzband, das leitungsband und das natürliche Band des η-Siliziums abgeflacht werden.

Da die Austrittsarbeit des p-Silizium-Gate um etwa 0,2 eV variiert werden kann in Abhängigkeit von der Storstoff-Dotierungskonzentration, ohne daß die für eine Elektrode wesentliche hohe Leitfähigkeit verlorengeht, kann die Gate-Spannung, die zur Umkehrung des Oberflächengebietes des η-Siliziums benötigt wird, um einen gleichen Betrag dadurch geändert werden, daß die Dotierung des Silizium-Gate geändert wird. Diese Änderung der Austrittsarbeit des Siliziums mit der Dotierung, die als eine Verschiebung des Fermi-Energieniveaus Ep relativ zu dem natürlichen Fermi-Niveau E. sowohl für p- als auch n-Störstoffe ausgedrückt ist, ist in Figur 6

009831/0984

dargestellt. Die Ordinate ist in Figur 6 E^, - E^ in Elektronenvolt. Die Abszisse ist die Konzentration der Silizium-Störstoffe in Atomen je ecm, im logarithmisohen Maßstab. Diese Kurven sind nach folgender Gleichung errechnet worden:

= kiln

(D

wenn die Donatoren-Stör stoffe überwiegen, oder nach der Gleichung

- E₁, =

wenn die Akzeptoren-Störstoffe überwiegen. In diesen Gleichungen sind Ep und E^ vorher bestimmt worden, k ist die Boltzmannsche Konstante, T ist die temperatur in Grad Kelvin, N_D und N_A sind die Silizium-Donatoren- bzw. Akzeptoren-Störstoffkonzentrationen in Atomen je ecm, und n^ ist die natürliche (intrinsic) Trägerkonzentration des Siliziums, ebenfalls in Atomen je ecm.

Wenn die Störstoffkonzentration, entweder der Donatoren oder der

10
Akzeptoren, niedriger als 10 Atome je ecm ist, verhält sich der Siliziumkristall im wesentlichen wie eigenleitendes Silizium, und das Fermi-Hiveau E^₁ des Silizium ist angenähert das natürliche (intrinsic) ÜPermi-Mveau E^ des Silizium.

000831/0984

Wenn die Stör Btoff konzentrat ion steigt, entfernt sich das Feraii-Niveau E-B logarithmisch von dem natürlichen Fermi-Niveau E-. Bei Donatoren-Störstoffen steigt das Ferrai-lliveau relativ zu dem natürlichen Fermi-Niveau, bei Akzeptoren-Störstoffen fällt es relativ zu dem natürlichen Fermi-Niveau. Eine maximale Verschiebung im Fermi-Niveau von etwa +0,55 Elektronenvolt von dem natürlichen Energieniveau tritt auf, wenn die Dotierungskonzentration sich

dem tfert von 10 ^ Atomen je ecm nähert. Oberhalb dieser Dotierungskonzentration degeneriert das Silizium, und die Gleichungen für die Errechnung der in Figur 6 dargestellten Beziehungen sind nicht mehr gültig.

Nur eine Akzeptoren- oder Donatoren-Storstoffkonzentration über

17
etwa 10 Atomen Je ecm gibt dem Silizium eine leitfähigkeit, welche hoch genug ist, daß es als Gate-Elektrode in einem HOS-Bauelement verwendet werden kann. Wenn man die Gtörs'üoffkonzentration in dem Silizium von 10 ' auf etwa 10 Atome je ocj iüi qtü, ändert eich E« - S. von etwa 0,55 eV auf etwa 0,55 eV bei n-Stürstoffen, und von etwa -0,35 eV auf etwa -0,55 eV für p-Störstoffe. Die spezifischen Widerstände, die diesem Bereich der Störstoffkonzentrationen zugeordnet sind, ändern sich von etwa 0,5 Ohm-crn auf etwa 0,01 Ohm-cm. Von Bedeutung ist dabei, daß die spezifischen Widerstünde des Siliziums, die bei n-Stürstoffen auftreten, etwa halb so groß oder niedriger nlnu aln die ppesifischeii ./iderstünde des Siliziums, die bei p-Störrtoffen auftreten.

Wie von Grcve in Kap. 9 des genannten SucheQ beschrieben und untersucht wird, ist die Einsclialtspannung V_n eines K0o-I>auelementes eine Funktion der Oberflilchenladung (surface state charge) Q im Siliziumdioxid an der Grenzschicht zwischen dem Siliziumdioxiä und der darunter angeordneten Siliziumgrundlage, der

0Q9831/09Ö*

Gesamtladung Q- in dem Verarmungsgebiet "beim Einsetzen starker Umkehrung, der Kapazität O der Isolation zwischen der Gate-Elektrode und der Grundlage, der Differenz der Austrittsarbeit 0^» oder 0_SS für eine Silizium-Gate-Elektrode, zwischen der Metalloder Halbleiter-Gate-Elektrode und der darunter angeordneten Siliziumgrundlage, und dem Halbleiter-Oberflächenpotential 20-, beim Einsetzen starker Umkehrung, wobei 0™ = E™ - E^ ist. Es besteht die folgende Beziehung:

G ist die Ifominalkapazität je Flächeneinheit der Siliziumdioxidschicht; sie ist umgekehrt proportional der Stärke des Siliziumdioxids. Bei einer p-Grundlage, welche auf eine Störstoffkonzen-

1 "5
tration von etwa 10 ^J Atomen je ecm dotiert ist, heben sich die Wirkungen von Q₁₃ und Q "auf V_m auf; bei einer η-Grundlage mit

Xj S3 X

der gleichen Störstoffkonzentration addieren sich dagegen diese W Wirkungen.

Die Ursachen der Oberflächenladung Q sind noch nicht restlos aufgeklärt. Dagegen sind die Parameter der Behandlung von SiIizium-Siliziumdioxid, welche den tfert von Q beeinflussen, von Deal, Sklar, Snow und Grove in einer Schrift "Characteristics of the Surface State Charge (Q₀₀) of Thermally Oxidized Silicon", veröffentlicht im März 1967, auf den Seiten 266 bis 274 des "Journal of the Electrochemical Society" beschrieben und erläutert. Die Ladung Q_B ist andererseits eine Punktion der Dotierung der Grundlage. Bei Bauelementen mit n-Xanal in "enhancement"-Be-

11 triebsweise ist ein Wert für Q_B von 4 oder 5 χ 10 Elektronen-

009831/0984

-TT-

ladungen je ecm typisch.; bei p-Kanal-Bauelementen liegt Q_B "bei 0,8 - 2,5 x 10 Elektronenladungen je ecm.

Tabelle I zeigt die Beziehung der Einschaltspannung V™ zur Differenz der Austrittsarbeit 0_ao zwischen einem dotierten amorphen Silizium-Gate und einer darunter angeordneten Einkristall-Silizium-Grundlage, wenn eine Siliziumdioxidisolierung von 1000 Angström zwischen dem Silizium-Gate und der Grundlage als Trennschicht angeordnet ist. Die Einschaltspannung V^ ist angegeben für zwei Orientierungen der Silizium-Einkristallgrundlage, nämlich die (111) und die (100) Orientierungen.

Tabelle I (siehe Anlage)

Die Figuren 3a - 3e und 4a - 4d zeigen ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Eine Grundlage oder ein Substrat 11 aus n-Einkristall-Silizium ist in der (111) Ebene geschnitten; der spezifische Widerstand liegt etwa zwischen 5 und 8 Ohm-cm. Auf dieser Grundlage ist eine Schicht 12 aus Siliziumdioxid aufgewachsen. Die Schicht 12 ist vorzugsweise thermisch aufgewachsen zu einer Stärke von 1 Mikron im Gebiet a und 0,1 Mikron im Gebiet b. Das Silizium 11, zusammen mit irgendwelchen darauf angeordneten Schichten aus Metall und/oder Isoliermaterial, wird nachfolgend auch als Grundkörper (wafer) 10 bezeichnet. Figur 4a zeigt eine Draufsicht auf den Grundkörper 10 mit der darauf aufgebrachten Siliziumdioxidschicht 12. Der Teil des Grundkörpers 10, von dem die Schnittansicht A-A in Figur 3a abgeleitet ist, ist in Figur 4a markiert.

009831/0984

Tabelle I

Anlage

Silizium-Grundlage

Silizium-Gate

¹Q]*

Störstoff- Störstoff- Störstoff- Störstofflyp Konzen- Typ Konzentration tration

Orientie- Orientierung (111) rung (100)
der Grund- der Grundlage lage

P P η η

10 10 10 10

15 15 15 15

P η

P η

10 10 10

19 19 19

+0,25	+0,05	+0,85
-0,85	-1,05	-0,25
+0,85	-1,35	-0,55
-0,25	-2,45	-1,65

* Q_e = 3 x 10¹¹ Atome/ccm für (111) und 10¹¹ Atome/ecm für (100)

Q_B = 10¹¹ Atome/ccm für (111) und (100) co cn \

/S

Wie aus Figur 3b hervorgeht, wird anschließend eine Schicht 13 aus amorphen Silizium über bestimmten Teilen der Siliziumäbxidschiöht 12 aufgebracht. Vorzugsweise läßt man die Siliziumschicht 13 bis zu einer Stärke von 0,5 Mikron durch thermische Zersetzung von Siliziumwasserstoff in Silizium und Wasserstoff in einer Wasserstoff atmosphäre bei Temperaturen zwischen 630 und 680° 0 aufwachsen.

Besondere Sorgfalt muß angewendet werden bei der Säuberung der Oberfläche der Siliziumdioxidsohicht 12 vor dem Aufwachsen des amorphen Siliziums 13, da Fremdstoffpartikel auf dieser Fläche bewirken können, daß Zentren für Kristallisationskernbildung und Haarstrukturen in dem amorphen Silizium auftreten. Zur Reinigung der Oberfläche der Schicht 12 wird der Grundkörper 10 etwa 10 Sekunden lang in ein Flßsäurebad mit einer Konzentration 10 : 1 bei Raumtemperatur getaucht. Anschließend wird der Grundkörper 10 für eine Dauer von mehr ale 5 Minuten in entionisiertem Wasser abgesprüht. Wenn auch 5 Minuten zur Reinigung der überfläche der Schicht 12 in der Regel ausreichen dürften, wird aus Sicherheitsgründen vorzugsweise eine Dauer von 15 Minuten anzusetzen sein. Anschließend wird das Wasser von der Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 12 dadurch entfernt, daß der Grundkörper 10 den Dämpfen von Isopropylalkohol ausgesetzt wird. Diese Dämpfe trocknen die Oberfläche der Schicht 12, ohne daß eine Restfeuchtigkeit zurückbleibt. Unmittelbar nach den Trocknungsschritt folgt dann das Aufwachsen der Siliziumschicht 13. Als Alternative kommt in Betracht, daß der Grundkörper 10 unmittelbar aus dem Oxydationsofen herausgenommen und dann sofort in das Reaktionsgefäß zum Aufwachsen der Siliziumschicht 13 eingesetzt wird.

009831/0 9 84

Es ist hervorzuheben, daß die Siliziumschicht 13 auf der Siliziumdioxidschicht 12 aufwächst _t jedoch nicht auf diese Schicht aufgedampft wird. Es hat sich gezeigt, daß aufgedampftes Silizium für die Darstellung der Schicht 13 nicht geeignet ist, da aufgedampftes Silizium beim Aufbringen bricht. Obgleich die Ursache des Auftretens dieser Brüche noch nicht restlos aufgeklärt ist, ist festgestellt worden, daß anschließende Verfahrensschritte des ^ Ätzens und der Diffusion diese Brüche verstärken und zum Auftre- ^ ten von SchaltungsUnterbrechungen in dem aufgedampften Silizium führen, so daß Bauelemente mit Silizium dieser Art nicht verwendbar sind.

Anschließend werden das aufgewachsene Silizium 13 und die freiliegenden Flächen der Siliziumdioxidschicht 12 maskiert, und es werden bestimmte Teile des Siliziums und des Siliziumdioxids fortgeätzt, so daß Teile 14 und 41 (Figur 4b) des darunter befindlichen Siliziumgrundkörpers 11 freigelegt werden.

Der G-rundkörper 10 wird anschließend in einen Diffusionsofen eingebracht, und es werden p-Störstoffe, vorzugsweise Bor, in die Teile H und 41 (Figur 4"b) der Siliziumgrundlage 11 bis zu einer

17 19
Konzentration von etwa 10 bis 10 Atomen je ecm eindiffundiert.

Diese p-Störstoffe diffundieren in gleicher Weise in die aufgetragene Siliziumschicht 13. Diese letztere Diffusion ist wesentlich, um die hochleitfähige Silizium-Gate-Elektrode gemäß der Er-_ findung zu erhalten. Figur 4t> zeigt eine Draufsicht auf den G-rundkörper 10 nach diesem Diffusionsschritt.

Anschließend wird eine Schicht 15 aus Siliciumdioxid über der freiliegenden Siliziumdioxidschicht 12, den p+Gebieten 14 und 41 und der Siliziumschicht 13 aufgebracht. Vorzugsweise ist die Schicht 15 etwa 0,6 - 0,8 Mikron stark. Durch diese so aufgebrachte

009831/0984

SiliziumdioxidscMcht 15 werden Öffnungen 16, 42 und 17 geätzt, so daß !eile' der p-Gebiete 14- und 41 und auch ein Seil des Siliziums 13 freigelegt werden. Figur 4c zeigt die Draufsieht auf Grundkörper 10, dessen Schnittdarstellung C-O in Figur 3c erkennbar ist.

Nachdem die Öffnungen 16, 42 und 17 in die Schicht 15 eingeätzt sind, ist der Grundkörper 10 maskiert, und es wird ein Aluminiumkontakt 18 gemäß der Darstellung in Figur 3d auf den Grunkörper aufgedampft, so daß mit dem freiliegenden Ieil des p+Gebietes 14 Eontakt gebildet wird. Wie Figur 4d zeigt, wird außerdem ein Aluminiumkontakt 48 durch Öffnungen 42 über ein entsprechendes p+Gebiet 41 (Figuren 4b und 4d) aufgedampft, so daß Kontakt zu einem Teil des Gebietes 41 hergestellt wird. Wie in Figur 4d erkennbar ist, wird Aluminium 49 selektiv über der Siliziumdioxidschicht 15 aufgedampft, um den Kontakt mit der darunter liegenden Silizium-Gate-Elektrode 13 durch die in Schicht 15 eingeschnittene Öffnung 17 herzustellen. Figur 3e zeigt im Schnitt diese Aluminiumschicht 49, welche mit der Siliziumelektrode 13 Kontakt bildet. Die Aluminiumschichten 18, 48 und 49 sind vorzugsweise 1 1/2 Mikron stark.

Wie in Figur 4d gezeigt ist, besteht der so gebildete Aufbau aus einem MOS-Bauelement mit p+Source und Drain-Gebieten 14 und 41 und mit einer Silizium-Gate-Elektrode 13, welche durch die Aluminiumschicht 49 mit einer Gate-Spannungsquelle verbunden ist. Da die Silizium-Gate-Elektrode 13 aufgewachsen ist, bevor die Diffusion der Source- und Drain-Gebiete erfolgte, liegt Gate 13 automatisch genau fluchtend zwischen Source und Drain. Wegen der Symmetrie des MOS-Bauelementes können die Gebiete 14 und 41 ;je nach der verwendeten Vorspannungen als Source oder Drain austauschbar verwendet werden. Wenn man an die Silizium-Gate-Elektrode eine

009831/0984

1967641

negative Spannung anlegt, welche im Absolutwert etwas höher als die Ums ehalt spannung (-1,55 Volt) des Bauelementes ist, wird ein Kanalgebiet unterhalb der Gate-Elektrode an n-Irägern verarmt und dadurch in p-Material umgewandelt, so daß das Gebiet hochleitfähig wird. Es kann dann Strom von der Source zur Drain fließen.

Figur 5 zeigt die Verschiebung im Verlauf der Gate-Spannung Y„ über dem Kapazitätsverhältnis G/G bei einem MOS-Bauelement mit

^ Silizium-Gate-Elektrode, die mit Akzeptorstörstoffen in einer Kon-

W 17 19

^w zentration zwischen 10 ' und 10 Atomen je com dotiert ist. Die Kapazität 0 ist die Anfangskapazität des MOS—Kondensators, welche bei einem vorgegebenen Elektrodengebiet eine Funktion der Stärke und der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums ist. C ist die tatsächliche Kapazität des MOS-Bauelementes. Figur 5 zeigt, daß die dotierte Silizium-Gate-Elektrode die Einschaltspannung des MOS-Bauelementes um etwa 1,1 Volt gegenüber der Einschaltspannung des Bauelementes mit einer Aluminium-Gate-Elektrode herabsetzt.

Figuren 7a - 7e zeigen ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung, einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, wobei eine SiIizium-Gate-Elektrode benutzt wird, welche mit n—Stör stoff en dotiert ist.

¥ie aus Figur 7a hervorgeht, ist n-Silizium 101 mit einer thermisch aufgewachsenen Siliziumdioxidschicht 102 bedeckt. Die Schicht 102 ist vorzugsweise 1 Mikron stark im Gebiet a und 0,1 Mikron stark im Gebiet £« Silizium 101 ist als Einkristall ausgeh bildet und in der (111) Ebene geschnitten. Das Einkristallsilizium 101 kann erforderlichenfalls jedoch, auch in der (100) Orientierung geschnitten sein, nachfolgend wird das Silizium 101 zusammen mit irgendwelchen darauf angeordneten Schichten aus Metall und/oder Isoliermaterial als GrundMirper (wafer) 100 bezeichnet.

009831/0984

Wie Figur 7b anschließend zeigt, läßt man nun eine Schicht 103 aus amorphem Silizium über der Siliziumdioxidschicht 102 bis zu einer Stärke von etwa 0,5 Mikron aufwachsen. Dann werden n-Störetoffe in die Siliziumschicht 103 bis zu einer Konzentration von

19
etwa 10 ^ Atomen je com eindiffundiert. Wie Figur 7c zeigt, folgt eine Schicht 104 aus Siliziumdioxid, welche über der Siliziumsohicht 103 ausgebildet wird.

Der größte Teil der Siliziumdioxidschicht 104 und des darunter liegenden Siliziums 103 werden anschließend fortgeätzt, so daß ein Gebiet 110 zurückbleibt, welches aus einer Siliziumschicht 103 besteht, auf der sich eine Siliziumdioxidschicht 104 (Figur 7d) befindet. Durch die Siliziumdioxidschicht 102 werden Öffnungen 109 geätzt, um bestimmte Gebiete des darunter befindlichen Einkristallsiliziums 101 freizulegen. Dann werden p-Störstoffe durch diese öffnungen eindiffundiert, so daß man p-Source- und Drain-Gebiete 111 und 112 in der darunter angeordneten n-Silizium-Grundlage erhält. Die Siliziumdioxidschicht 104 verhindert, daß diese p-Dotierungsmittel den leitfähigkeitstyp des Silizium-Gate 103 vom n-Ieitfähigkeitstyp in den p-Leitfähigkeitstyp ändern.

Anschließend läßt man eine dünne Siliziumdioxidschicht 113 auf der Oberfläche des Grundkörpers 100 aufwachsen. Dann werden Öffnungen durch die Schicht 113 geätzt, um Oberflächenbereiche der Gebiete 111, 112 und der Silizium-Gate-Elektrode 103 freizulegen. Schließlich werden Aluminium-Elektroden 105, 106 und 107 auf die freiliegenden Oberflächenbereiche aufgebracht, so daß man elektrische Eontakte zu den Source- und Drain-Gebieten des MOS-Bauelementes und der Gate-Elektrode 103 erhält.■

Figur 8a zeigt einen integrierten Schaltkreis mit MOS-Bauelementen_f welche dotierte Silizium-Gate-Elektroden gemäß der Erfindung

009831/0984

-"25·-

aufweisen. In dieser Figur ist scheraatisoh eine Draufsicht auf einen komplementären Basis-MOS-Inverter dargestellt. Er enthält in seiner Halbleitergrundlage sowohl n-Silizium 215 als auch p-Silizium 212. Vorzugsweise ist diese Grundlage in der (100) Orientierung geschnitten, um den Wert Q_M möglichst gering zu halten.

1 "5

Gebiet 215 hat eine Störstoffkonzentration von ungefähr 10 Atomen je ecm. Gebiet 212 ist innerhalb des Gebietes 215 dadurch ausgebildet, daß p-Storstoffe in die η-Grundlage bis zu einer Kon-

1 6
zentration von etwa 10 Akzeptor-Atomen je ecm eindiffundiert werden. Source- und- Drain-Gebiete 210 und 211 vom n-Leitfähigkeitstyp werden in das p-Gebiet 212 bis zu einer Konzentration von etwa 10¹⁹ Atomen je ecm eindiffundiert. Silizium-Gate-Elektrode 217 enthält n-Störstoffe, welche in gleicher Weise in einer Konzentration von etwa 10 ^ Atomen je ecm eindiffundiert sind.' Die Elektrode 217 ist von der darunter befindlichen p-Silizium-Grundlage durch eine Isolationsschicht 224 getrennt, welche in 3?igur 8b dargestellt ist.

Innerhalb des n-Silizium-Gebietes 215 befinden sich Source- und Drain-Gebiete 219 und 220. Die Gebiete 219 und 220 bestehen aus p-Störstoffen, die in die n-Silizium-Grundlage 215 bis zu einer

iq
Konzentration von etwa 10 ^ Atomen je ecm eindiffundiert sind. Über dem Kanalgebiet zwischen den Gebieten 219 und 220, durch eine Isolation 224 getrennt, befindet sich eine Silizium-Gate-Elektrode 218. Die Elektrode 218 ist im Gegensatz zur Elektrode 217 mit

•IQ

p-Störstoffen bis zu einer Konzentration von etwa 10 ·* Atomen je ecm dotiert. Durch Öffnungen 221 und 222 sind mit Source 219 und Drain 220 mit p-Ieitfähigkeit Aluminiumelektroden 202 bzw. 203 verbunden. Mit Source-Gebiet 210 und Drain-Gebiet 211, welche die η-Leitfähigkeit haben, stehen über Öffnungen 213 und 214 Aluminiumelektroden 205 bzw. 203 in Verbindung. Das Gebiet 211 liegt also auf dem gleichen Potential wie das Gebiet 220. Die p-Silizium-

009831/0984

Grundlage 212 wird auf ein bestimmtes Potential vorgespannt über Aluminiumleiter 204, welcher mit Grundlage 212 durch. Öffnung 223 in der Siliziumdioxidscliicht 224 in Verbindung steht. Aluminiumkontakt 201 ist an den Silizium-Gate-Elektroden 217 und 218 angebracht. Linie 216 zeigt den np-Übergang zwischen den Gate-Elektroden 217 und 218.

Figur 8c zeigt das Schaltsohema des in Figur 8a dargestellten Kreises. Bei Verwendung der Schaltung als Inverter dient Leitung 210 als Eingangsleitung zu dem Bauelement, während Leitung 203 die Ausgangsleitung aus der Schaltung darstellt. Der pn-übergang zwischen p-Gebiet 212 und n-Gebiet 215 in der Silizium-Grundlage ist gegenvorgespannt durch Anlegen einer negativen Speisespannung über Leitung 204 zum p-Gebiet 212. Leitung 225, welche in Figur 8b gezeigt und mit dem Boden des n-Gebietes 215 verbunden ist, ist geerdet. Leitung 202 zum p-Gebiet 219 ist ebenfalls elektrisch geerdet. Leitung 205 zum n-Gebiet 210 (Figur 8a) ist elektrisch mit der negativen Speisespannung verbunden.

lienn ein Eingangssignal, beispielsweise die in Figur 8d dargestellte Rechteckform, an Leitung 201 angelegt wird, hat das Ausgangssignal auf Leitung 203 die gleiche Form wie dieses Eingangssignal, jedoch ist die Polarität umgekehrt. Die beiden in Figur 8c dargestellten MOS-Bauelemente arbeiten nach dem "enhancement"-Verfahren; das bedeutet, daß die Eanalgebiete zwischen den Source- und Drain-Gebieten der beiden Bauelemente normalerweise nichtleitend sind. Wenn, aber eine positive Spannung, beispielsweise die in Figur 8d dargestellte Rechteokspannung, an Leitung 201 angelegt wird, hat das von Leitung 203 abgegriffene Signal die gleiche Form wie das Eingangssignal, jedoch die entgegengesetzte Polarität. Dies ist darauf zurüokzuführen, daß bei Anlegen einer positiven Spannung an Eingangsleitung 201 ein Gebiet unmittelbar "unter und

009831/0984

einschließlich der Oberfläche des Gebietes 212 der Umkehrung unterliegt und ein Kanalgebiet erzeugt, in dem Minoritätsträger zwischen Source und Drain 211 bzw. 210 vorherrschen. Die Leitfähigkeit dieses η-Kanals ist erheblich größer als die Leitfähigkeit des p-Siliziums. Diee hat die Folge, daß Ausgangsleitung 203 sehr schnell fast auf das Potential der negativen Speisespannung fällt. Dieser Spannungsfall, der das Ausgangssignal erzeugt, ist in Figur 8e dargestellt, Wenn andererseits die Eingangsspannung ^ auf Leitung 201 negativ wird, hat diese Spannung keine Wirkung auf den Yerarmungskanal zwischen den Source- und Drain-Gebieten 211 und 210, jedoch werden die Elektronen aus dem Kanalgebiet zwischen Source und Drain 219 und 220 entfernt. Source 219 ist geerdet. Wenn diese Elektronen aus dem Kanalgebiet abwandern, ändert sich die Polarität des Kanalgebietes in den p-Leitfähigkeitstyp, wobei sich eine Leitfähigkeit einstellt, welche um mehrere Größenordnungen höher als diejenige ist, welche das gleiche Kanalgebiet mit η-Störstoffen enthielt. Dementsprechend steigt die Spannung auf Leitung 203 auf Erdpotential. Die beschriebene Schaltung stellt demnach eine Inverterschaltung dar.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde an-" genommen, daß die Grundlage aus Einkristallsilizium besteht, welches entweder in der (111) oder in der (100) Orientierung geschnitten ist. Es können jedoch auch andere Einkristall-Silizium-Grundlagen zur Ausführung der Erfindung verwendet werden, welche in anderen Orientierungen geschnitten sind. Als Gate-Elektrode wurde bei der obigen Beschreibung selektiv dotiertes amorphes Silizium verwendet, jedoch kann auch selektiv dotiertes Polysiliziilm als Gate-Elektrode verwendet werden. Auch können andere Halbleitermaterialien, beispielsweise Galliumarsenid oder Galliumphosphid oder Kombinationen dieser Stoffe als Gate-Elektroden verwendet

009831/0984

werden. Schließlich war angenommen, daß der Inverter MOS-Bauelemente. verwendet, deren Silizium-Gate-Elektroden mit p- und n-Störstoffen dotiert sind; es können jedoch auch andere geeignete Schaltungen, die auch erheblich komplizierter sein können, unter Verwendung ähnlicher Gate-Elektroden dargestellt werden.

009831/0984

Claims (17)

1. Patentansprüche

   MOS (Metall-Qxid-Halbleiter)-Bauelement mit wenigstens einer Source (Quelle) und einer Drain (Senke) vom ersten Leitfähigkeitstyp in einer Halbleitergrundlage entgegengesetzten leitfähigkeitstyps und mit einer Gate-(Gitter-, Ior-)Elektrode, welche das zwischen den Source- und Drain-Gebieten liegende Kanalgebiet überlagert, jedoch diesem gegenüber durch eine Isolierschicht getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode aus selektiv dotiertem Halbleitermaterial besteht.
2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Gebiete die p-Leitfahigkeit besitzen, daß das Halbleitermaterial, in dem die Source- und Drain-Gebiete angeordnet sind, n-Halbleitermaterial ist, und daß die Gate-Elektrode aus p-Halbleitermaterial besteht.
3. 3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Gebiete die p-Leitfähigkeit besitzen, daß das Halbleitermaterial, in dem die Source- und Drain-Gebiete angeordnet sind, n-Halbleitermaterial ist, und daß die Gate-Elektrode aus n-Halbleitermaterial besteht.
4. 4· Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Gebiete die η-Leitfähigkeit besitzen, daß das Halbleitermaterial, in dem die Source- und Drain-Gebiete angeordnet sind, p-Halbleitermaterial ist, und daß die Gate-Elektrode aus p-Halbleitermaterial besteht.
5. 5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Gebiete die η-Leitfähigkeit besitzen, daß das Halbleitermaterial, in dem die Source- und Drain-Gebiete angeordnet sind, p-Halbleitermaterial ist, und daß die Gate-Elektrode aus n-Halbleitermaterial besteht.

   009831/0984
6. 6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitergrundlage eine Siliziumgrundlage ist, und daß die Gate-Elektrode aus selektiv dotiertem Silizium besteht,
7. 7· Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode aus amorphem Silizium besteht, welche mit einem Akzeptor-Störstoff dotiert ist.
8. 8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die

   amorphe Silizium-Gate-Elektrode mit einem Akzeptor-Störstoff auf

   17
   eine Konzentration von mehr als 10 Atomen je ecm dotiert ist.
9. 9. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Gate-Elektrode aus amorphem Silizium besteht, welches mit einem Donator-Störstoff selektiv dotiert ist.
10. 10. Bauelement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die

    amorphe Silizium-Gate-Elektrode mit einem Donator-Störstoff auf

    17
    eine Konzentration von mehr als 10 ' Atomen je ecm dotiert ist.
11. 11. Halbleiteranordnung mit

    einer Siliziumgrundlage vom ersten Leitfähigkeitstyp, welche wenigstens ein Paar eindiffundierte Source- und Drain-Gebiete entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, welche sich zu einer Oberfläche erstrecken,

    Gate-Elektroden, welche auf gewählten Kanälen zwischen den Source- und Drain-Gebieten angeordnet sind,

    einer Isolierschicht zwischen den Gate-Elektroden und den Kanälen zwischen den Source- und Drain-Gebieten,

    009831/0984

    einer zweiten Isolierschicht über den Gate-Elektroden und den Source- und Drain-Gebieten, welche Öffnungen aufweist» durch die bestimmte Kontaktgebiete auf den darunter liegenden Source- und Drain-Gebieten und den Gate-Elektroden freigelegt sind, und

    Metalleitungen, welche durch die Öffnungen zu den darunter liegenden Source- und Drain-Gebieten und den Gate-Elektroden angebracht sind,.

    dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden aus selektiv dotiertem Silizium bestehen.
12. 12. Halbleiteranordnung nach A_nspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Gate-Elektroden mit Akzeptor-Störstoffen dotiert sind.
13. 13. Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Gate-Elektroden aus amorphem Silizium bestehen, welches mit Akzeptor-Störstoffen auf eine Konzentration von mehr

    17
    als 10 ' Atomen je ecm dotiert ist.
14. 14. Halbleiteranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Akzeptor-Störstoff Bor ist.
15. 15. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Gate-Elektroden selektiv mit Donator-Störstoffen dotiert sind.
16. 16. Halbleiteranordnung nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet', daß die Silizium-Gate-Elektroden aus amorphem Silizium bestehe^ welches selektiv mit Donator-Störstoffen auf eine Konzentration

    17
    von mehr als 10 ' Atomen je ecm dotiert ist.
17. 17. Halbleiteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Donator-Störstoff Phosphor ist...

    009831/0984