DE1514038A1 - Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents

Description

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' Franz Hals Straße 21
Telefon 796213

»r. phil. CU B. HA« BIT ^-^<^-^Λ_ΛΑ 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

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

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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 abweichen_c 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

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"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)

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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-

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"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,

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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 cl_er 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

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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

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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

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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

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■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.

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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'ig_ur 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

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... . ..die Leitfäbi.'^k: \Lt \?;Y.'iüCü ;.n ever Qi ic; 1 "I- und Al) «au;'; el η k i. ;\<.i e

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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 t_f 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 ^

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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 I_c,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),

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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)χ_β3θ 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-

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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 Paltte_t 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-

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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 I_D ^. _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 "

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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

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Periodischen Systems ausgewählt'-rwerden,, der auch beispielsweise die Elemente Bo£ (B) und Aluminium (Al) angehören.i>ie Störelemente werden thermisch in das Siii_ziumdioxydgitter 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

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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,

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 E_rscheinung 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 G_ren3fiäche der "Steuerelektrode begrenzt ist, -verbleibt eine endliche Anzahl solcher # stellen in der Umgebung der Halbleiter-Isolator-Grens'flache 19,

BAD ORIGINAL

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-

BAD ORiGiNAU

."■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

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 E_rg-_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

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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

(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 3_edürf-

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 Fig_e 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

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)

1. ID 1527 -32-

   Patentanspräche

   Ι» 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 entlang

   o - des'Leitfähigkeitskanals steuerbar beeinflußt wird. to

   »^ 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r. c h g e k e η η

   en zeichnet, daß die Isolierschicht^) der

   -* Einwirkung elektrischer Felder ausgesetzt und der T-ran-

   wahrend des I3i.awirken3 dieser Felder auf eine

   höhere 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° Celsius

   4o 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§en_o · -

   QQ - ·

   i*o 6. Verfahren nach Anspruch 5, da'du. roh g e -

   o> ■■■'.-■■■■"■ . " '

   "^ kennzeichnet, daß die Stör elemente

   ο .■-'"■ . ■ . ■

   ^ - durch -^oEoxyd dargestellt sind·

   .,.-'■ 7 β Verfahren nach Anspruch^ dadurch g e -

   ϊ«^ΐ' ken η ζ eic Hn e t , d aß die Stöfcelemente

   ID 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 original

   I-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 wird_o

   14r 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 en_e

   909Ö26/0531 BAD ORIGINAL

   ID 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 einstellbare

   elektrische 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 ausgehto

   909826/053!