DE1941279A1 - Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maithinen GeielUchaft mbH

Böblingen, 12. August 1969 sa-rz-hl

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1ü

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 968 05 2 Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit einem zwischen Quellen- und Senkenelektrode befindlichen, leitenden Kanal, über dem eine isolierte Steuerelektrode angeordnet ist, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Transistors.

In der Technik werden zur Zeit große Anstrengungen bezüglich der Entwicklung verbesserter Feldeffekttransistoren bzw. verbesserter Herstellungsverfahren für diese gemacht. Bei diesen Herstellungsverfahren ist es wichtig, daß sie sich für Massenfertigung von Transistoren eignen. Der Feldeffekttransistor ist an sich für derartige Massenherstellungsverfahren besonders geeignet. Normalerweise besitzen Feldeffekttransistoren eine metallische Steuerelektrode, die sich in einem definierten Abstand oberhalb des in der Regel aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper angebracht ist, wobei eine dünne Zwischenschicht aus dielektrischem Material als Isolator für die Steuerelektrode

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dient. Weiterhin sind quellen- und Senkenelektroden vorgesehen, welche von der überfläche her in einem definierten Abstand in das Halbleiterplattchen eindiffundiert sind, wobei ein sehr dünner Zwischenbereich auf der überfläche des Halbleiterplättchens einen leitenden Kanal abgibt, dessen "Stro:nfluß von der Steuerelektrode gesteuert wird* uei einer geeignet gewählten Vorspannung der Steuerelektrode modulieren die von den Steuerspannungen hervorgerufenen elektriseilen Felder die Trägerdichte innerhalb des leitenden kanals und daher auch den StrojufluÜ zwischen Quellen- und Senkenelektroden. Die Arbeitsweise eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode ähnelt sehr derjenigen einer Vakuumtriode, da es sich um ein Verstärkereleinent mit Spannungssteuerung handelt und da die gesteuerten Arbeitsströme zwischen quellen- und Senkenelektroden lediglich aus Majoritätsladungsträjem bestellen. Normalerweise ist bei der Massenherstellung von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode lediglich ein einziger Diffusionsschritt erforderlich, in welchem die Quellen- und Senkenelektrode eindiffundiert wird. Darüberhinaus bedarf es zur Fertigstellung der Transistorstruktur lediglich noch der Aufbringung einer dünnen Isolierschicht für die Steuerelektrode und der metallischen Steuerelektrode selbst auf diese Isolierschicht.

Die Arbeitscharakteristiken, welche derartige Feldeffekttransistoren mit isoliertem Steuergitter aufweisen, werden durch die Schwellwertspannung V gekennzeichnet, wobei dieser iiert von Raumladungseffekten abhängt, die für das Oberflächenpotential

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des Siliziums bestimmend sind. Derartige Ladungen können auch zurückzuführen sein auf eine Restträgerdichte an den Zwischenflächen zwischen den Silizium- und Siliziumdioxydoberflächen, die den leitenden Kanal bilden. Die Raumladungseffekte entstehen im wesentlichen durch eine Ladung des Oxyds, die sich anseneinend innerhalb des Isolators für das Steuergitter ausbildet, und weiterhin durch die Wanderung von Alkali ionen, insbesondere von Natrium, die sich durch die SiO -Schicht unter gewissen Voraussetzungen hindurchbewegen. Diese Raumladungseffekte, die sich oft auch während längerer elektrothermischer Belastungen der Verstärkerelemente ändern, stellen ein ernstes Problem in der Technologie der Feldeffekttransistoren dar, und es besteht ein starkes Bedürfnis, diese Effekte zu vermeiden oder doch wenigstens, beispielsweise durch Kompensation, herabzumindern. Wie unerwünscht derartige Effekte sind, geht auch bereits daraus hervor, daß Änderungen der Schwellwertspannung V nach längerem Gebrauch der Verstärkerelemente die Funktion von Schaltungen,, die mit diesen Elementen aufgebaut sind, sehr stark beeinträchtigen körinen.

Es ist bereits bekannt, daß durch die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschicht auf einer SiO -Schicht, die sich auf der Oberfläche eines Si-Plättchens befindet, offenbar eine Stabilisierung oder Passivierung der Oberflächenpotentiale auf der Si-Oberflache auftritt. Anwendungen derartiger Phosphorsilikatglas schichten als Passivierungsschichten in integrierten HaIbleiterschaltungen sind beispielsweise in der US-Patentschrift

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3 343 Ü49 beschrieben. Hier wurde die Phosphorsilikatglasschicht im allgemeinen gebildet durch ürhitzen der Siliziumdioxydschicht in Gegenwart einer Phos^hor-Sauerstoffverbindung, beispielsweise von P₉U , PüCl_ und ahnlicher Verbindungen. Diese Verbindungen reagieren mit der SiO_-Schicht und geben eine Schicht von I^ür-SiG^-klas von unbekannter Zusammensetzung, l.'ährend der Diffusion nimmt dabei die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht auf Kosten der SiO -Schicht zu, wobei die Verschiebung der Trennfläche durch den Diffusionsvorgang gesteuert wird.

Ls wurde auch bereits in einem Aufsatz von D.R. Kerr mit dem Titel "Stabilisierung von Passivierungsschichten aus Siliziumdioxyd mit P_ü ", erschienen im IBM-Journal vom September 1964, berichtet, daß die Anwesenheit einer Phosphorsilikatglasschicht eine lirhöhung der Stabilität bezüglich des Überflächenpotentials an Trennflächen zwischen Si und Siü- durch Verringerung der üntstehungsgeschwindigkeit von positiven Raumladungen bewirkt.

Weiterhin ist aus dem Aufsatz "Ionentransporterscheinungen in isolierenden dünnen Schichten¹¹ von Jb.Ii. Snow et al. im "Journal of Applied Physics" von Mai 1965 bekannt, daß sich derartige Raumladungen unter der Einwirkung von Natriumionen ausbilden, die sich stets in SiO -Schichten befinden. Derartige, in unpassivierten SiO -Schichten vorhandene Alkaliionen zeigen die Tendenz, innerhalb dieser Schicht zu wandern, wenn diese elektrisch belastet wird, so daß sich die liauml a dungs verteilung an der Trennschicht zwischen Si und SiO- und somit bei Feld-Docket YO 968 052 009808/1290

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effekttransistoren die Bedingungen, im leitenden Kanal in unkontrollierter Weise ändern. Auch bei Beobachtung großer Sorgfalt während des ilerstellungsprozesses ist es außerordentlich schwierig, die Anwesenheit von Alkali ionen, insbesondere von Na, in SiO.-SchichtGn auszuschließen. Es hat sich herausgestellt, daß bei der Benutzung von phosphorhaltigen Substanzen zur Stabilisierung der Feldeffekttransistoreigenschaften sich nicht ohne weiteres eine Verbesserung der Transistoreigenschaften ergibt; vielmehr tritt häufig das Gegenteil ein, und man hat ürund zu der Annahme, daß bei einem zu hohen Phosphoranteil eine Überkompensation bzw. weitere noch unbekannte Phänomene eintreten, die insgesamt eine Verschlechterung der Charakteristik der Transistoren ergeben. Untersuchungen, die bezüglich der Eigenschaften von SiL^-P^O^-Systemen angestellt wurden, haben ergeben, daß in solchen Systemen eintretende Polarisationseffekte unter Umständen die Stabilität von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden verschlechtern können. Hierzu sei auf einen Aufsatz von E.H. Snow et al. im "Journal of the Electrochemical Society" vom März 1966 verwiesen. Ein in der genannten Zeitschrift unter dem Titel "Polarisationsphänomene und andere Eigenschaften von dünnen Phosphorsilikatglasschichten auf Silizium" berichtet, daß zwar auf SiO -Schichten aufgebrachte Phosphorglasschichten als wirksame Barriere zur Verhinderung der Wanderung von Alkaliionen benutzt werden können, daß jedoch gewisse Polarisationsvorgänge in dieser Schicht zu verstärkten Instabilitäten bezüglich der Charakteristik der Transistoren beitragen können, wobei diese schädlichen Polarisationseffekte

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besonders bei einer längeren elektrischen Belastung unter hoher Temperatur auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Struktur und ein Verfahren zur Herstellung der Struktur eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode anzugeben, bei welchem unerwünschte Oberflucnenladungen in der bebend der Steuerelektrode so kompensiert sind, daß eine stabile Arbeitscharakteristik des Transistors, d.h. insbesondere eine relativ konstante Sciiwellwertspannung V an der Steuerelektrode über längere Zeiten auch bei elektrotherr.isciicn überbeanspnchungen gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurcn cldst, daß die isolierende Schicht zwischen Kanal und Steuerelektrode aus einer ersten dielektrischen Teilschicht der Dicke χ und einer weiteren dielektrischen Schicht der Dicke X_n aus Phosphorsilikatglas besteht, und daß das Verhältnis χ Jx und die Phosphorkonzentration innerhalb der Teilschicht aus Phosphorsilikatglas so gewählt sind, daß an den Grenzflächen der üesamtisolierschicht und der Steuerelektrode bzw. des leitenden Kanals eine weitgehende Kompensation der unerwünschten Raumladungseffekte eintritt, und daß gleiciizeitig Raumladungseffekte infolge von Ionenwanderung vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verschiebung der Schwellwertspannung Δν_, nicht nur abhängt vom Verhältnis χ /x , d.h. dem Verhältnis der Dicke der Phosphorsilikatglas-Docket YO 968 05 2 009808/1230

schient zu der restlichen dielektrischen Schient, aus der die dielektrische Ccsaintschicht- zwischen leitendem Kanal und Steuerelektrode aufgebaut ist, sondern daß auch noch eine Abhängigkeit von der konzentration des in die Phosphorsilikatglasschicht eingebauten Phosphorpentoxyds besteht. So wurde empirisch gefunden, daß die Abweichung der Schv;ellwertspannung Δν"_τ gegeben ist durch den Ausdruck:

Δν_τ - -κ is N²v

wobei k eine Proportionalitätskonstante, N den Molenbruch des eingebauten Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatglasschicht und V, die Vorspannung des Steuergitters bedeuten.

In vorteilhafter V.'cise sind gemäß der Erfindung das Dickenverhältnis χ /x der Teilschichten der Isolierschicht sowie die g ο

Konzentration des Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatglasschicht so gewählt, daß die Relation

0,3V >

E+mN+Ex /x_o

gilt, wobei B die Dielektrizitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht, N der Molenbruch des Phosphorpentoxyds, m eine Proportionalitätskonstante mit dem Wert von etwa 30 und V die maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeu-

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Aus einer gegebenen P₇O -Konzentration kann somit das Verhältnis

χ /x berechnet v;erden und umgekehrt. Um eine Verunreinigung g ο

der unter der Isolierschicht liegenden Si-Oberfläche zu vermeiden, ist es dabei vorteilhaft, daß das Verhältnis χ der Phosphor-

silikatglasschicht zur Dicke χ der restlichen Isolierschicht ^ 3 ist.

Eine wesentliche Maßnahme nach der Lehre der Erfindung besteht darin, dafür zu sorgen, daß der Molenbruch des Anteils an in die Phosphorsilikatglasschicht eingebautem P«ü_ innerhalb eines kritischen Bereichs gehalten wird. Hierbei liegt die obere Grenze bei 0,09, womit sichergestellt ist, daß die Ladungspolarisation noch keine störende Rolle spielt, und die untere Grenze ist gegeben durch die Beziehung

N = 2 · 10"⁴ ώ. + 1),

womit noch für eine ausreichende Wirksamkeit der eingebauten Substanz als Barriere gegen eine Ionenwanderung, insbesondere von Alkaliionen, gesorgt ist.

Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen von Feldeffekttransistoren ist so ausgebildet, daß im Rahmen eines an sich bekannten Massenherstellungsverfahrens POCl- + O-in einem inerten Trägergas über die SiO2"Schicht bei einer Temperatur von 8Ou⁰C bis 1000 C geleitet wird, derart, daß durch

Eindiffusion von P₂ ⁰S *ⁿ ^*^e SiO -Schicht die Phosphorsilikat-Docket YO 968 052 0098Ö8/1290

glasschicht entsteht.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1D einige Verfahrensschritte bei der Herstellung

der erfindungsgemäßen Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 1D

dargestellten Querschnitts, wobei eine positive Vorspannung der Steuerelektrode angenommen ist,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit

der Schwellwertspannungs Verschiebung Δ^ν _τ in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung bei niedriger Temperatur, aufgetragen als Funktion χ /χ , wobei als Parameter verschiedene Konzentrationen von P₂ ⁰S innerhalb der Phosphors ililcatglasschicht angenommen sind,

Fig. 4 Änderungen der Größe Δν unter verschiedenen

Bedingungen durch längere elektrische Belastung bei hohen Temperaturen, und

Fig. 5 ein Diagramm des Verhältnisses x_g/^x _o in Ab Docket YO 968 052 00 9808/1290

hängigkeit von der P ^-Konzentration innerhalb

Lt O

der Phosphors ililcatglasschicht mit bestimmten V/er te η der Verschiebung Δν der Schwellv/ertspannung als Parameter.

Die Fig. IA bis 1D erläutern einige Zwischenstufen des i.-erstellungsverfahrens von i^;eldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode. Ein derartiger Herstellungsprozess wurde bereits anderweitig beschrieben. Durch dieses Verfahren können viele derartige Transistoren in Massenfabrikation aus einem einzigen Kalbleiterplättchen hergestellt werden, wobei der Kanal entweder vom n- oder vom p-Leitungstyp ist.

In Fig. 1 ist mit 1 ein p-leitendes Siliziumplättchen bezeichnet, das durch konventionelle Verfahren mechanisch geläppt und chemisch poliert wurde, um alle fremden Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Der eigentliche Herstellungsprozeß beginnt damit, daß die überfläche des Plättchens 1 einen Oxydationsprozeß unterworfen wird, wobei sich eine dicke Schicht 3 aus SiO auf der Oberfläche bildet. Das Plättchen 1 kann zu diesem Zweck beispielsweise einem "Trocken-Naß-Trocken"-Prozeß unterworfen werden, wobei das Plättchen sukzessive einer Sauerstoffatmosphäre, einem Wasserdampf und wiederum einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt wird, wäheid das Plättchen mit Umgebung auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise auf 96O⁰C aufgeheizt wird. Meist wird eine SiO -Schicht 3 von der Dicke zwischen

O Q

2000 A und 7000 A aufgebracht, die gleichzeitig auch als Maske Docket YO 968 052 009808/1290

bei der Eindiffusion der Quellen- bzw. Senkenelektroden dienen kann. Beispielsweise werden zu diesem Zwecke die Diffusionsfenster 5 und 7 in der SiO„-Schicht angebracht, wozu übliche photolithographische Ätzverfahren benutzt werden können.

Zur Herstellung der η-leitenden Quellen-Senken-Gebiete 9 und Π wird das Plättchen 1 mit der 3iO_-Maske 3 mit einer überfläche einem gasförmigen Phosphorstrom zum Eindiffundieren ausgesetzt. Das Plättchen 1 wird dabei auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise auf 87O⁰C aufgeheizt. Es bildet sich eine dünne (in der Figur nicht gezeigte) Schicht aus einer Phosphor-Silizium-Saue rs to ff verbindung auf allen freiliegenden Oberflächen des Plättchens 1 und auf der gesainten maskierenden SiO_-Schicht Anschließend wird das Plättchen 1 auf eine höhere Temperatur, beispielsweise auf 1000°C bis 1300 C aufgeheizt. Hierbei wird die Phosphor-Silizium-Sauerstoffschicht in dem Quellen- und Senken-üebiet teilweise zersetzt und es ergibt sich eine Phosphordiffusion in die infolge der Maskenfenster freigelegten Quellen- und Senken-Gebiete 9 und 11 des Plättchens 1. Gleichzeitig diffundiert P-O₁- in die Oberfläche der SiO -Schicht 3 ein, wodurch diese in die endgültige Phosphorsilikatglasschicht 13 umgewandelt wird. Da die Phosphorsilikatglasschicht 13 und die Quellen- und Senken-Gebiete 9 und 11 durch den gleichen Diffusionsprozeß erzeugt werden, ist die erforderliche Tiefe und die erforderliche Dotierungskonzentration der Quellen- und Senkenelektroden 9 und 11 leicht in kontrollierbarer Weise zu erhalten. Dementsprechend ist die P_0_-Konzentration in der Docket YO 90S 052 009808/12 9 0

Phosphorsilikatglasschicht 13 hoch, beispielsweise mehr als 10 Mol %, sodaß sich eine verstärkte Ladungsträgerpolarisation entsprechend einem an späterer Stelle beschriebenen Mechanismus ergibt. Demnach kann die Dicke der Phosphorsilikatglasschicht nicht unabhängig gesteuert werden. Raumladungseffekte entlang der Si-Oberfläche 15 der Trennschicht zwischen Si und SiU sind nicht kritisch. Sie können in bekannter Weise durch eine Vorspannung des Substrats, wie sie im folgenden noch im Zusammenhang mit der Fig. ID beschrieben wird, kompensiert werden.

1st der Diffus ions Vorgang für das ',juellen- und Senken-Gebiet 9 und 11 abgeschlossen, so wird, wie aus hig. 1B zu ersehen, die Steuerelektrode gebildet und das Plättchen mit der Isolierschicht 17 für die Steuerelektrode versehen. Im allgemeinen bilden Teile der Oxydschicht 3 zusammen mit Bereichen der Phosphorsilikatglasschicht 13 die Oberfläche auf dem Plättchen 1 an der Stelle zwischen Quelle und Senke 9 und 11. Dieser Bereich des Transistors entspricht dem Kanal 15'. Das Plättchen 1 wird nun in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer erhöhten Umgebungstemperatur zwischen 900 C und 1150 C einem Reoxydationsprozeß unterworfen (Fig. 1B). Während dieser Reoxydation erfolgt ein Durchdringen der Quellen- und Senken-Elektroden 9 und 11 zusammen mit einer Vergrößerung der Dicke χ der Phosphorsilikatglasschicht 13» wobei das Anwachsen der letzteren auf Kosten der SiO2"Schicht 3 geschieht. Zusätzlich wird zwischen Quelle und Senke 9 und 11 eine dünne SiO -Schicht 17 auf der oberfläche des Plättchens 1 gebildet. Die dünne SiO₂-Schicht 17, die bei Docket YO 968 052 009808/1290

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der fertiggestellten Transistorstrulctur die Isolierschicht für das Steuergitter abgibt, wird vorzugsweise mit einer etwas reduzierten Dicke, d.h. mit einer Dicke zwischen 200 A und 1000 X hergestellt, einer Dicke, bei v/elcher kapazitive Effekte, die bei der Modulation der Minoritätsträgerdichte innerhalb des leitenden Kanals 15· eine Rolle spielen, verstärkt und die Steilheit g vergrößert werden können.

Die passivierende Phosphorsilikatglasschicht 19, die oberhalb des leitenden Kanals 15' gebildet wird, erhält eine P2O.-Konzentration, die innerhalb eines bestimmten Wertbereichs gesteuert wird. Hierzu wird nach der Herstellung der dünnen SiO -Schicht 17 das Plättchen 1 nochmals einer gasförmigen Atmosphäre eines geeigneten Dotierungsmaterials ausgesetzt, dessen Konzentration jedoch geringer ist als die in Verbindung mit der Fig. 1A beschriebene. Diese niedrigere Konzentration kann beispielsweise durch Transport von POCl₃ + O₂ in einem Trägergasstrom aus Stickstoff bei einer Temperatur von 800⁰C über das Plättchen 1 durchgeführt werden. Dadurch bildet sich eine dünne Schicht einer (nicht dargestellten) Phosphorsilizium-Sauerstoffverbindung auf den freigelegten Oberflächenbereichen der Phosphorsilikatglasschicht 13 sowie auf der dünnen SiO₂-Schicht 17. Das Plättchen 1 wird sodann in einer neutralen Umgebung auf eine Temperatur von 1000⁰C über eine Zeit aufgeheizt, die ausreicht, um das PO in die dünne SiO₂-Schicht 17 einzudiffundieren und die dünne Phosphorsilikatglasschicht 19 zu bilden. Hierbei wird die Konzentration des Phosphorpentoxyds sowie die Dicke der Phos-

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phorsilikatglasschicht 13 ein wenig erhöht. Die Diffusionspararaeter werden in der IVcise gesteuert, daß sich ein geeignetes Verhältnis χ _T/x der Phosphorsilikatglasschicht 19 und der dünnen SiO -Schicht 17 ergibt, wobei sich gleichzeitig eine bestimmte P-O^-Konzentration einstellt, "ie nachstehend beschrieben, wird durch diese MaiJnanmen erreicht, daß die Schwellwertabweiellung Δν sich innerhalb eines annehmbaren Kcrtebereichs bewegt.

Als letzter Schritt bei der Herstellung erfoljt, wie aus Fij 1D hervorgeht, ein Metallisierungsschritt zur herstellung der Kontakte 21 und 23 für die quellen- und Senken-Llektroden sowie für die Steuerelektrode 25, welche sich oberhalb des leitenden Kanals 15' erstreckt. Zu diesem Zxveck werden zunächst Durchbrüche in der dünnen Oxydschicht 17 mittels konventioneller photolithographischer Methoden hergestellt, -wodurch Teile der Quellen- und Senken-Elektroden 9 und 11 freigelegt und der Kontaktierung zugängig gemacht werden.--Anschließend wird eine zusammenhängende Metallschicht, beispielsweise aus Aluminium, auf die gesamte Oberfläche des Plättchens 1 aufgebracht, wobei sich die Metallisierung auch durch die vorher erstellten Offnungen innerhalb der Schicht 17 erstreckt und so einen Ohm'schen Kontakt zu den eindiffundierten Quellen- und Senkenelektroden 9 und 11 bildet.

Mit Hilfe von bekannten photolithographischen und Atzverfahren wird schließlich die Elektrode 25 zur Kontaktierung der Steuer-Docket YO 968 052 009808/1290

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elektrode zusammen mit den erforderlichen Schaltverbindungen zwischen den verschiedenen, einer größeren Schaltungseinheit angehörenden Feldeffekttransistoren auf dem Plättchen 1 erstellt. In der schematisch in l^Jig. 1D dargestellten Konfiguration sind die Verbindungen mit einem äußeren Schaltkreis schematisch angedeutet, wobei der Quellenkontakt 21 an Erde liegt, der Senkenkontakt 23 an einer geeigneten Spannungsquelle +V über einen Arbeitswiderstand K. geführt ist und die Steuerelektrode an eine Eingangssignalquelle S über ein weiteres Metallisierungsmuster hinweg angeschlossen ist. Weiterhin ist das Plättchen selbst negativ vorgespannt mittels der Spannungsquelle -V. Hiermit wird erreicht, daß keinerlei Inversionsschicht an der Grenzfläche 15 zwischen Silizium und Siliziumdioxyd infolge von Raumladungscffekten auftreten kann.

Die Fig. 2, in welcher der Bereich der Steuerelektrode der in Fig. 1D gezeigten Struktur ausschnittsweise vergrößert dargestellt ist, dient zur Erläuterung, auf welche Vfeise durch Steuerung der Raumladungseffekte eine Stabilisierung des Spannungsschwellwertes V erreicht wird. Kurz gesagt, werden die Raumladungseffekte dadurch gesteuert, daß die P.0 -Konzentration in der Phosphorsilikatglasschichtherabgesetzt wird und daß die Dicke X_n der Phosphorsilikatglasschicht 19 zu der Dicke χ der SiO -Schicht 17 in ein bestimmtes Verhältnis x_p/x_ gebracht wird.

Aus physikalischen Gründen ist anzunehmen, daß bei elektrothermischer Beanspruchung der Struktur innerhalb der Phosphor-Docket YO.968 052 009808/129 0

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silikatglasschicht 19 eine Ladungsrückverteilung stattfindet. Bei elektrischer Belastung im Bereich niedriger Temperaturen tritt infolge der Drift von nicht zur Brückenbildung beitragenden Sauerstoffionen zwischen Zentren entgegengesetzter Ladung innerhalb des Gitternetzes der Phosphorsilikatglasschicht 19 eine Zurückorientierung der Dipole ein. Bei elektrischer Beanspruchung unter hohen Temperaturen wandern die Sauerstoffionen durch das Gitternetz der Phosphorsilikatglas schicht 19 hindurch und sammeln sich bei positiver Steuerelektrodenvorspannung an der Trennschicht 27 zwischen Metall- und Phosphorsilikatglasschicht. Bisherige Erfahrungen lassen nicht darauf schließen, daß innerhalb der dünnen SiU -Schicht 17 eine Ladungspolarisation stattfindet, da thermisch aufgewachsenes und anschließend einer geeigneten Wärmebehandlung unterworfenes Siu aus einem chemisch gesättigten Gitternetz aus tetraederartig angeordneten SiO -Ionen aufgebaut ist. Da andererseits innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 SiO₄-Tetraeder durch PO₄-Tetraeder substituiert sind, ist ein nicht brückenförmig gebundenes Sauerstoff ion mit jedem anderen der willkürlich über das gesamte Gitternetz verteilten Phosphaatome verbunden. Die Neigung der nicht in Brückenform gebundenen Sauerstoffionen, zwischen den LadungsZentren zu driften, ist jedoch eine Funktion des Abstandes dieser Zentren, also der P O_-Konzentration und eine Funktion der elektrothermischen Beanspruchung der Phosphorsilikatglasschicht, also der Vorspannung V · Das Driften von Sauerstoff-

ionen ohne Brückenbindung zwischen LadungsZentren hat einen dipolaren Effekt zur Folge, durch welchen, wie in Fig. 2 ange-Docket YO ₉68 052 „_09β0β/1290

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deutet, eine Raumladung entgegengesetzter Polarität entlang der gegenüberliegenden, hauptsächlichen Oberflächen der Phosphorsilikatglasschicht 19 auftritt.

Für die Wahrscheinlichkeit, daß sich innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht zwei Zentren entgegengesetzter Ladung in enger Nachbarschaft befinden, kann eine quadratische Abhängigkeit von der P 0_-Konzentration angenommen werden. Diese quadratische Abhängigkeit von der P 0 -Konzentration gilt jedoch nur für verhältnismäßig verdünnte Lösungen; für konzentriertere Lösungen ergibt sich aus einfachen statistischen Gründen eine Abweichung von diesem quadratischen Gesetz. Da die Ladungspolarisation auf die Phosphorsilikatglasschicht 19 begrenzt ist, kann das Verhältnis χ /x als Steuerparameter benutzt werden.

Die Wirkungen der Ladungspolarisation bestehen darin, daß eine kompensierende Raumladung entlang des leitenden Kanals 15 des Feldeffekttransistors induziert wird, wodurch sich eine Verschiebung des Schwellwertes V ergibt. Z.B. wird die negative Raumladung, die aufgrund der Polarisation an der oberen Oberfläche der Phosphorsilikatglasschicht 19 auftritt, entlang der angrenzenden Oberfläche der Steuerelektrode 25 fast völlig kompensiert. Infolge der durch die Polarisation entstandenen, positiven Ladung entlang der Trennfläche 29 zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SiO_-Schicht wird sowohl im Gebiet der Steuerelektrode 25 als auch im leitenden Kanal 15 eine kompensierende Raumladung induziert. Der Betrag der kompensierenden Docket YO 968 052 009808/1290

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Raumladung.entlang des leitenden Kanals T5' ist gegeben durch den Ausdruck

x Q

X₀ ^{+ x}g

wobei Q die gesamte, durch Polarisation hervorgerufene Raumladung entlang der Trennfläche 29 zwischen der Phosphorsilikatglasschicht und der SiO^-Schicht bedeutet. Hs wurde empirisch gefunden, daß die Größe der Raumladungseffekte bzw. der Verschiebung der Schwellwertspannung Av eine lineare Abhängigkeit vom Verhältnis χ /χ besitzt. Die infolge der Reorientierung der Dipole und weiterhin durch Ladungswänderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 zustande kommende Abweichung der Schwellwertspannung A^_T erreicht einen oberen Vfert, der im wesentlichen von der Vorspannung V. der Steuerelektrode abhängt. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Sättigung des Schwellwertspannungswertes V^ einstellt ist jedoch temperaturabhängig, da sowohl die Reorientierung der Dipole als auch die Ladungswanderung thermisch aktivierte Prozesse sind.

Unter elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen stellt sich die Verschiebung der Schwellwertspannung Av innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 für ein gegebenes Verhältnis χ /x und für eine gegebene P,0 -Konzentration in relativ kur-

g ο ^{L 5}

zer Zeit, gewöhnlich innerhalb einer Stunde ein. Unter solchen Bedingungen wächst die Verschiebung Av als Funktion der P₉O-Konzentration in der Phosphorsilikatglasschicht 19 an und strebt Docket YO 968 052 O_0980871290 ^

der in Fig. 3 dargestellten Sättigung zu. Sobald die Struktur elektrischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, ist die Verschiebung Δν jedoch im wesentlichen wegen der Ladungswanderung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 weiteren Einwirkungen unterworfen. In diesem Falle ist, wie aus Fig. 4 hervorgeht, der Wert, auf den sich die Schwellxtfertspannung V„ stabilisiert, maßgeblich von der Größe der Vorspannung V, der Steuerelektrode abhängig. Die Zeit, die zur Stabilisierung dieser Schwellwertspannung V_T benötigt wird, ist jedoch eine Funktion der Umgebungstemperatur. Änderungen der Verschiebung Δν der Schwellwertspannung unter verlängerter elektrischer Belastung bei hohen Temperaturen gehorchen dem Ausdruck:

Δν_τ =Δν_τ + A log t,

in welchem Δν die jeweilige Schwellwertverschiebung bedeu-

¹O

tet, die durch die Reorientierung der Dipole infolge der elektrischen Beanspruchung bei niedriger Temperatur zustande kommt, t

ein Zeitwert ^. einer Stunde und A eine mit (N_{D n} ) multiplies zierte Proportionalitätskonstante ist, wobei η ^: 2 ist.

In Fig. 3 ist die auf die Vorspannung der Steuerelektrode bezogene Verschiebung der Schwellwertspannung Δν^ als Funktion des Verhältnisses χ /χ für verschiedene Prozentanteile der

g ο

P-O -Konzentration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 unter der Voraussetzung einer elektrischen Beanspruchung bei niederer Temperatur aufgetragen. Die beobachteten Verschiebungs-Docket YO 968 052 0 0 9 8 0 8/1290

werte Δν streben in Abhängigkeit von χ /χ für jede einzelne P-Ojj-Konzentration innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 verschiedenen Sättigungswerten zu. Die Sättigung erfolgt bei
niederen Temperaturen d.h. bei Temperaturen die in der Nähe von 40 C und darüber liegen, infolge der Orientierung der Dipole
sehr schnell, wie schon erwähnt, in weniger als einer Stunde.
Die Fig. 3 zeigt, daß unter der Voraussetzung elektrischer Belastung bei niedrigen Temperaturen die Schwellwertspannungsab-

weichung Δν sowohl von dem Verhältnis x„/x als auch von der ⁰T go

P-Og-Konzentration abhängt. Das Eintreten in die Sättigung der Kurven in Fig. 3 bei wachsendem Verhältnis χ /χ zeigt an, daß die innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 angehäufte
Ladung an der Trennschicht 29 zwischen Phosphorsilikatglasschicht und SiO -Schicht entlang dem leitenden Kanal 15· im wesentlichen völlig kompensiert ist, wenn

X + X

1.

Die unter elektrischer Beanspruchung bei hoher Temperatur sich einstellende Abweichung Δν der Schwellwertspannung ist in
Fig. 4 dargestellt. Tatsächlich ist das in Fig. 3 dargestellte Verhalten ebenfalls in den Kurven der Fig. 4 enthalten. Die Fig. 4 berücksichtigt zusätzlich jedoch die Raumladungseffekte, die durch die Ladungsbewegung hervorgerufen werden. Die Abweichung Δν_ z.B., d.h. die Abweichung der Schwellwertspannung nach

einer Zeit von einer Stunde, wird hervorgerufen durch den zusammengesetzten Effekt der Orientierung der Dipole bei niedriger Docket YO 968 052 009808/1290

Temperatur und gleichfalls durch die Ladungsbewegung, die infolge der elektrischen Belastung bei hoher Temperatur auftritt. Die Differenzen zwischen den Kurven der Fig. 3 und 4 sind somit verursacht durch den Beitrag der Ladungsbewegung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19, welche ihrerseits abhängt von der Temperatur, bei welcher der Feldeffekttransistor mit isolierter Steuergitterelektrode betrieben wird. Wiederum hängt die Anzahl der Sauerstoffionen ohne Brückenbindung innerhalb des Gitternetzes der Phosphorsilikatglasschicht 19 und daher die angehäufte Raumladung entlang der Trennschicht 29 zwischen der Phosphorsilikatglas- und der SiO -Schicht ab von der P₂O₅-KOnzentration in der Schicht 19. Die Neigung der einzelnen Kurven der Fig. 4 wird bei einer elektrischen Belastung durch eine gegebene Vorspannung V, der Steuergitterelektrode maßgeblich bestimmt durch die Temperatur, welcher die Struktur unterworfen ist. Aus der halblogarithmisehen Auftragung der Meßergebnisse in Fig. 4 ist zu ersehen, daß die Abweichung Δ V^ der Schwellwertspannung in Wirklichkeit eine Sättigung aufweist bei einem Wert, der maßgeblich durch die Vorspannung V^ der Steuerelektrode bestimmt;ist. Diese Sättigung stellt sich nach einer Zeit ein, die abhängt von der thermischen Beanspruchung, welcher die Phosphorsilikatglasschicht 19 ausgesetzt ist. Normalerweise arbeiten Feldeffekttransistoren bei Temperaturen, die unter 100 G liegen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist nach einer Betriebsdauer von 10 Stunden bei einer P^O^-Konzentration in der Phosphorsilikatglasschicht von 4 Mol % und bei einem Verhältnis χ /x

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von 0,13 sowie bei einer Gesamtdicke der Phosphorsilikatglasschicht 19 und der Siliziumdioxydschicht 17 von 1000 S eine Abweichung Δν von weniger als -0,2 Volt des Schwellv;ertes führeine Steuerelektrodenvorspannung V, = 20 Volt zu erwarten.

Für den Fall, daß die P,0_-Konzentration ^ 9 Mol % ist, erhält

ο man eine Abweichung AV von weniger als -0,3 Volt / 1000 A. Ist der Molenbruch des P20,.-Gehalts ^ 0,09, so wird die Polarisation der Ladung innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht im wesentlichen nur durch die Reorientierung der Dipole bestimmt. Iüne Ladungsverschiebung tritt auch unter lang anhaltender elektrischer Belastung bei hoher Temperatur nur in sehr ^eringfügiger Weise ein. Vorzugsweise sollte der Molenbruch des P 0 -Gehalts in der Phosphorsilikatglasschicht 19 mindestens so hoch sein, daß er ausreicht, um die Wanderung der Alkaliionen zu blockieren, d.h. M sollte höchstens den folgenden Wert besitzen:

ΙΟ"⁴ ( ifi + 1) ^xg

Unter dieser Voraussetzung sind die Raumladungseffekte entlang dem leitenden Kanal 15' im wesentlichen reduziert und die Abweichung Δν wird gesteuert durch geeignete Wahl des Verhältnisses x /x und einer geeigneten P₂0r-Konzentration entsprechend der Fig. 3. Nach Bestimmung der P₂0₅-Konzentration in der Phosphorsilikatglasschicht* Ϊ9 kann das geeignete Verhältnis x_fT/x ' berechnet werden. Aus praktischen Gründen empfiehlt es sich, dieses Verhältnis so zu wählen, daß es nicht über 3 liegt, um eine Ver-Docket YO 968 052 009808/1 290

unreinigung der darunterliegenden Siliziumoberfläche, d.h. des Gebiets des Leitungskanals 15' durch Diffusionsvorgänge aus der Phosphorsilikatglas schicht zu vermeiden. Die Polarisierbarkeit X der Phosphorsilikatglasschicht 19 ist durch den Ausdruck X = mN gegeben, wobei m eine Proportionalitätskonstante ist, für die experimentell der Wert 30 festgestellt wurde. Aufgrund der Gesetze der Hlektrostatik für schichtartig angeordnete, dielektrische Strukturen gilt hiernach für die Schwellwertspannungs· verschiebung ÄV„ eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode und mit eingebauter Phosphorsilikatglasschicht 19 der Ausdruck:

_{Δν =} . ^Xg* ^Vb

₀ + Ex_g E+mN2 + Ex_g/x_Q

wobei E die Gesamtdielektrizitätskonstante des Steuergitterisolators, d.h. die Dielektrizitätskonstante der Phosphorsilikat glasschicht 19 und diejenige der SiO^-Schicht 17 bedeutet, welche beide etwa 4 betragen.

Die in Fig. 5 dargestellten Kurven verbinden Punkte gleicher Verschiebung Δν_τ von -0,3 Volt / 1000 % und -0,1 Volt / 1000 Ä miteinander, wobei die Feldbelastung bei 100 C 2 * 10 V/cm beträgt. Für Schaltungsanwendungen kann eine Verschiebung des

ο Schwellwertes von etwa 0,3 Volt / 1000 A als maximaler Wert zugelassen werden. Weitere Kurven, die Punkte gleicher Schwellwertabweichungen zusammenfassen, können durch Auftragung von x /x gegen N für spezielle Werte von V erhalten werden, wo-Docket YO 968 052 _a0m8/1290

bei folgender Zusammenhang zugrunde gelegt wird:

fl ^mN'² + E

Ist der Molenbruch von P₂O₅ ^ 0,09, so wird die Polarisation der Ladung im wesentlichen nur durch die Rückorientierung der Dipole innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht bestimmt. Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode mit einem Verhältnis x„/x und einem P?0_-Molenbruch ^ 0,09 innerhalb der Phosphorsilikatglasschicht 19 sind in der Fig. 5 links von der Kurve einzuordnen, die mit -0,3 Volt / 1000 X bezeichnet ist. Solche Transistoren zeigen stabile Eigenschaften über sehr lange Betriebszeiten.

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Claims (7)

194127g PATENTANSPRÜCHE

1.J Feldeffekttransistor mit einem zwischen Quellen- und Senken-Elektrode befindlichen, leitenden Kanal, über dem eine isolierte Steuerelektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht zwischen Kanal (15*) und Steuerelektrode (25) aus einer ersten dielektrischen Teilschicht (17) der Dicke χ und einer weiteren, dielektrischen Schicht (19) der Dicke χ aus Phosphorsilikatglas besteht, und daß das Verhältnis x„/x und die Phosphorkonzentration innerhalb der Teilschicht (19) aus Phosphorsilikatglas so gewählt sind, daß an den Grenzflächen (27, 29) der Gesamtisolierschicht (17, 19) und der Steuerelektrode (25) bzw. des leitenden Kanals (15¹) eine weitgehende Kompensation der unerwünschten Raumladungseffekte eintritt, und daß gleichzeitig Raumladungseffekte infolge von Ionenwanderung vermieden werden.

2. Feldeffekttransistoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickenverhältnis χ /x der Teilschichten (17, 19) der Isolierschicht sowie die Konzentration des Phosphorpentoxyds in der Phosphorsilikatglasschicht so gewählt sind, daß die Relation

mN²V, χ /x_ft
03V^ ^b S °

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gilt, wobei L· die Dielektrizitätskonstante der gesamten dielektrischen Schicht, N der Molenbruch des Phosphorpentoxyds, m eine Proportionalitätskonstante mit dem l'.'ert von etwa 30 und V, die maximal an den Steuerelektroden anliegende Vorspannung bedeuten.

3. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis χ der Phosphorsilikatglasschicht (19) zur Dicke x_Q der restlichen Isolierschicht (17) -< 3 ist.

4. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikatglasschicht enthaltenen Phosphorpentoxyds ^ 0,9 ist.

5. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Molenbruch des in der Phosphorsilikatglasschicht enthaltenen Phosphorpentoxyds zwischen 2 · 10"⁴ (x_q/x + 1) und 0,09 liegt.

6« Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die nicht aus Phosphorsilikatglas bestehende Teilschicht der Gesamtisolierschicht Siliziumdioxyd gewählt ist.

7. Verfahren zum Herstellen von Feldeffekttransistoren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im

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Rahmen eines an sich bekannten liassenherstellungsverfahrens POCl + 0 in einem inerten Trägergas über die SiCU-Schicht

O °

(17) bei einer Temperatur von 800 C bis 1000 C geleitet wird, derart, daß durch Eindiffusion von IS^S *ⁿ Schicht (17) die Phosphorsilikatglasschicht (19) entsteht

DOCkCtYO₉₆₈OS₂ „„„„β,

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