DE2017172B2 - Halbleiteranordnung, die eine Passivierungsschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie eine ladangsstabiiisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist.

Die Ladungsstabilisierung von SiO₂-Passivierungsschichten durch Phosphorsilikatschichten ist aus IBM Journal, Bd. 8 (1964), H. 4, Seiten 376 bis 384 bekannt geworden.

B«i der Herstellung stark verkleinerte, integrierter Schaltungen und insbesondere bei der Erstellung der Parallelität der Bit-Leiter einer großen Anzahl monolithischer Speichervorrichtungen ergeben sich besondere Schwierigkeiten durch das Auftreten übermäßig großer Leckströme und bei integrierten Schaltungen tritt besonders ein Muster aus leitenden und zwischenverbindenden metallischen Gebieten hervor, die sich über die mit einem Oxid bedeckten Oberfläche des monolithischen Chips ausbreiten. Diese Schicht ist eine dielektrische Schicht, z. B. Glas. Das zwischenliegende Metall liegt dabei in der Zwischenzone zwischen einer Schicht aus (hermischen Oxidmsrteriat und einer Schicht aus einkapselndem oder isolierendem Glas. Durch das Glas sind Löcher geatzt, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Gebieten und den Paketklemmen herzustellen. Die Gesamtvorricritung ist außerdem in eine Kapsel, Dose, Plastik oder dgl. eingeschlossen.

Ks ist experimentell gefunden worden, daß Veninrei nigtingen aus Alkalimetall, zum Beispiel Natrium, das im Pro/eßmnserial oder im Kapselniatsrinl enthalten ist, durch die Passivierung hinabwandern und das Halblettermaterial verunreinigen. Diese Verunreinigungen wirken wie bewegliche positive Ladungszentren, welche die relativ niedrig dotierten Halbleitergebiete vom P-Typ im monolithischen Chip zum entgegengesetzten N-Typ-Bereich invertieren. Dies führt zu einer merklichen Steigerung des Leckstromes der Halbleiteranordnung, wie bereits in der US-Patentschrift 33 35 340 erörtert wurde.

ίο Es ist bekannt, daß durch Bildung einer oberen Oberfläche aus Phosphorsilikat über der Schicht aus thermisch hergestelltem Oxid vor dem Metallisieren bewegliche Ladungen an der Grenzfläche der Oxidschicht und der Oberfläche aus Phosphorsilikat abgefangen werden können.

Durch die US-Patentschrift 33 63 152 ist es bereits bekanntgeworden, eine leitende Schicht über der passivierenden Schicht eines Einzeltransistors anzuordnen und dabei ein negatives Potential anzuwenden. Bei dieser bekannten Halbleiteranordnung wurde jedoch nicht das Problem der Verhütung von Ladungsinversion in Betracht gezogen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, P-Typ-Inversionen im N-Typ-Bereich bei mit einer dielektrischen, passivierten Deckschicht bekapselter, integrierten, monolythisch-integrierten und anderen Halbleite^anordnungen zu vermeiden oder zumindest erheblich einzudämmen.

Für eine Halbleiteranordnung mit PN-Übergängen,

die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie einer ladungsstabilisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist besteht danach die Erfindung darin, daß eine negativ geladene Auffangelektrode auf der Phosphorsilikat schicht gegebenenfalls unter Zwischenfügung einer Isolierschicht so angeordnet ist, daß sie sich flächenhaft über das Gebiet des PN-Oberganges erstreckt und daß die Auffangelektrode eine Schichtdicke von 500 bis 700 nm aufweist

Die negativ aufgeladene Auffaftgefektrode nach der Erfindung kann auch bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren verwendet werden. Sie kann dagegen verwendet werden, um Leckströme zwischen Halbleiteranordnungen zu isolieren oder zu verhindern. Sie kann ν !iterhin dazu verwendet werden, um Verunreinigungen aus positiven ionenmetallen abzufangen.

Durch Anbringen einer metallischen, leitenden oder abfangenden Elektrode über der passivierenden Schicht und durch Verbindung der Elektrode mit der negativen Klemme einer Stromquelle wird die Elektrode bewegliche positive Ladungszeniren anziehen und einfangen. Solange wie die Elektrode mit negativer Spannung gespeist ist, können positive Ladungszentren die Oberfläche des Halbleitermaterials nicht erreichen, um auf diese Weise eine Inversion herbeizuführen.

Die aufgeladene Auffangelektrode hindert bewegliche Ladungsträger an der Bewegung durch die Phosphorsilikatschicht zu den P-Typ-Flächen der Oberfläche des Halbleitermaterials. Die Phosphorsili katschicht und die Auffangelektrode arbeiten somit zusammen, um eine Inversion in der Ρ·Τνρ·Bereichen oder eine Verstärkung der N-Typ-Bereiche zu verhindern.

Die Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung

h'i für eine beispeilsweise Ausführungsform näher erläii tcrt:

Pig. I ist eine isometrische Darstellung einer I lalbleiteranordniing. welche gemäß der F.rfindiing eine

Auffangelektrode enthält,

F i g, 2 ist eine Querschnittsdarstellung einer Feldeffektanordnung, welche eine Elektrode gemäß der Erfindung zum Auffangen von Ladungen und/oder eine isolierende Vorrichtung enthält

Fig,3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2,

Fig.4 ist eine logsrithmische Darstellung des Auffangelektrodenpotentiales, normalisiert auf 100 nm der Dicke des Siliciumdioxids zur Inversionsverhinderung bei verschiedenen Konzentrationen der Verunreinigungen pro cm³ im Halbleitermaterial.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Schicht aus halbleitendem Material bezeichnet Diese schließt eine Fläche 2 ein, welche die üblichen monolithischen Schaltungen mit ihren PN-Übergängen zwischen Zonen verschiedenen Leitungstyps enthält Obgleich derartige Halbleiterschaltungen meist mit vielen Schaltungen in benachbarten Bereichen eines Halbleiterplättchens hergestellt werden, ist in Fig. 1 zur Erleichterung der Erklärung nur ein Chip mit einer einzelnen Schaltung dargestellt Unmittelbar über oder daneben enthält die Halbieiterschicht 1 eine Schicht 3 aus isolierendem Material. Dieses Material besteht insbesondere aus thermisch hergestelltem Oxidmaterial mit einer Schicht 4 aus Phosphorsilikat

Die Bildung einer solchen Phosphorsilikatschicht ist an sich bereits durch die US-Patentschrift 33 43 049 bekanntgeworden. Die Phosphorsilikatschicht ist eine Mischung des thermischen Oxides mit Phosphorpentoxid.

Auf der Schicht 4 befindet sich eine Anzahl metallischer Gebiete oder leitender Bereiche 5,6 und 7 wie man sie bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet Diese Bereiche werden von den Schichten 3 und 4 getragen und sind, was nicht besonders gezeigt ist, mit dem Halbleiter 2 entsprechend der zu konstruierenden Schaltung verbunden.

Unmittelbar über und neben der Schicht 4 und den Gebieten ist eine Schicht 8 für die Einkapselung und/oder isolation des Halbleiterkörpers und des metallischen Materials, insbesondere aus Glas oder Siliciumnitrid vorgesehen. Die Glasschicht kann durch das in der US-Patentschrift 32 47 428 beschriebene Verfahren hergestellt werden. Eine Anzahl von äußeren Kontaktverlängerungen oder Kontaktklemmen 9, 10 und 11 sind vorgesehen. Die Herstellung geschieht mit den üblichen photolithographischen Verfahren und Ätzmethoden. Zusätzliche, in der Zeichnung nicht besonders dargestellt? Schichten, die der Schicht 3 ähnlich sind, können auf die Schicht 8 aufgetragen werden und schließen leitende Teile zum Anschluß an die Stromkreisteile 5, 6 und 7 durch geeignete, mein besonders gezeigte Mittel ein.

In dieser Anordnung dient die Schicht 8 als Isolation zwischen den leitenden Teilen. Die Auffangelektrode ist demgemäß nicht auf ein einzelnes Niveau der Passivierung und Einkapselung beschränkt.

fm Falle dieses Ausführungsbeispieles ist angenommen, daß die Schaltung derart konstruiert ist, daß der Kontakiansehluß 9 ein negatives Potential, welches vorzugsweise das am stärksten negative Potential beim Anschluß der Halbleiteranordnung ist. aufnimmt. Es kann jedoch eine getrennte negative Potentialqiicllc verwendet werden. Eine leitende Elektrode 12 ist nls Auffang auf dor oberen Oberfläche der Schicht t angeordnet, welche über den Leiter 13 mit dem Anschluß 9 vci bunden ist und sich über clic gesamte

Fläche oder einen Teil des Bereiches 2 in der Schicht 1 erstreckt

Der Letter 13 kann einen hohen Widerstand haben. Der Widerstand kann in den Halbleiterkörper 1 durch die Diffusion hergestellt werden und in geeigneter Weise mit dem Leiter 13 verbunden sein. Die negativ geladene Auffangelektrode 12 7ieht dann die beweglichen positiven Ladungen an.

Die Auffangselektrode 12 kann zusätzlich die Phosphorsilikatschicht 4 ergänzen, indem sie die beweglichen Verunreinigungen innerhalb der thermischen Schicht 3 anzieht, und zwar insbesondere dort wo die Schicht 4 in ihrer Dicke und/oder Dotierungskonzentration entsprechend ihrem konstruktiven Aufbau beschränkt ist Die beweglichen Ladungen erreichen deshalb nicht den P-Typ-Bereich in der PN-Obergangszone 2, und die Ladungsträgerinversion wird vermieden. Die Auffangelektrode 12 muß eine Dicke haben, die groß genug ist, damit diese als Äquipotentialfläche dienen kann. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist diese Dicke etwa 500 bis 700 nm. Ae Auffangelektrode 12 kann irgendeine Form haben urd braucht nicht notwendig die in F i g. 1 gezeigte Form aufzuweisen. Die Lage der Auffangelektrode 12 liegt über den Bereichen, die gegen eine Laduiigsträgerinversion oder Verstärkung anfällig sind. Es können auch mehrere Auffangelektroden in verschiedenen Niveaus angeordnet werden.
Die Kontaktklemmen 10 und 11 würden normalerweise durch einen Metallniederschlag und durch einen Ätzprozeß in konventioneller Weise über Öffnungen in der Einkapselungsschicht 8 hergestellt werden. Die Auffangelektrode 12 kann während deselben Verfahrensintervalles aufgebracht werden wie das Kontaktmetall. Wenn zum Beispiel eine Chrom-Kupfei-Gold-Elektrode als Kontaktmetall bevorzugt wird, könnte diese auch als Elektrodenmetall dienen. Andererseits kann Molybdän oder Aluminium als Material für die Elektrode verwendet werden.

Die F i g. 2 zeigt eine Feldeffektanordnung mit einem P-Typ-Substrat Γ sowie mit den N-Typ-Zonen 2a und 2b. Diese Zonen arbeiten als Source- bzw. Drain-Zone. Die Schicht 3' repräsentiert die Passivierungsschichten und schließt eine aktive Gate-Oxidzone ein. Sie enthält auch die Passivierung für die metallische Zwischenverbindung.

Eine Einkapselungsschicht 8', vorzugsweise aus Glas. Nitrid oder dergleichen, bedeckt die Passivierung und das Verbindungsmetall. Auf der Einkapselungsschicht

Y) ist, wie in F i g. 1 beschrieben, eine Auffangelektrode 12' gebildet. Diese zieht die beweglichen positiven Ladungen in der Schicht 8' in Ergänzung mit der Wirkung der Phosphorsilikatschicht 4' an. in der Schicht 8' sind feei^iiste Durchgangsöffnungen gebildet, um Verbindüngen mit Stromquellen und Schaitungsteilen herstellen zu könnerr. Der negative Anschrtrß für die Auffangselektrode 12' kann, wie in Verbindung mi; F i g. 1 bereits beschrieben, eine getrennte Zufuhr sein.

Eine andere Feldeffektstruktur ist in F i g. 3 gezeigt Hierbei ist die Auffangelektrode 12" auf die Passivierungsschichten 3" und 4" aufgebracht Diese wird durch die Einkapselungsschicht 8" bedeckt. Die Auffangelektrode 12" kann den gesamten Zwischenraum oder einen Teil des Zwischenraumes /wischen der Source-Elektmde und der Gain-Flektrode bedecken. Der Elektrode kann ein negatives Potential durch geeignete, in der Zeichnung nicht besonders dargestellte Mittel, wie in den Fig. 1 und 2 vorgeschlagen, zugeführt werden. Im

Falle der Fi g. 3 zieht die Auffangelektrode bewegliche Ladungen aus der darüberliegenden Schicht 8" al), während im Falle der Fig. 2 die auffangende Schicht von der darunterliegenden Schicht 8' Ladungen abzieht. Die Fig.4 veranschaulicht den Mechanismus der Ladungsansammlung in der Einkapselungsschicht 8. der Phosphorsilikatschicht 4, der Passivierungsschicht J und dem Halbleiter 1 für den Fall einer Metalloxid llalbleiter-Kapazitanz. Die Ladungen pro cm² im Halbleiter I sind in Fig.4 Abszissenwerte. Es gilt hierfür die folgende Gleichung 1:

*„= -Ar,,,- -fjL„_{x}ax-ljL_s{x*_x-fjL:_lx)ax.

In dieser Gleichung sind

Λ/,,, *** Gesamtzahl der Ionen pro cm² in den verschiedenen Oxidschichten 3,4 und 8 in F i g. I;

N_Cfi — Effektive Zahl der induzierten Ionen-Ladungen pro cm² in der Silciumschicht 1 von Fig. 1:

q = Einheitsbetrag der in Coulomb gemessenen Ladungen:

ν = Dicke des Dielektrikums, gemessen gegenüber der Siliciumschicht 1 nach F i g. 1 von der Auffangpotentialbelegung (Schicht 12 in Fig. t) incni;

fo = Messung an der oberen Oberfläche der Schicht 8incm;

fi = Messung am Abschnitt zwischen dem unteren Teil der Oberfläche der Schicht 8 und der oberen Oberfläche der Schicht 4 in F i g. I in crr:

t₂ = Messung am Abschnitt zwischen der unteren Oberfläche der Schicht 4 und der oberen Oberfläche der Schicht 3 nach Fig. I in cm;

ti = Messung am Abschnitt zwischen der unteren Oberfläche der Schicht 4 und der oberen Oberfläche der Schicht 1 in F i g. 1 in cm;

ij = lonenladungsverteilung in der SiO2-Schicht 8 der Fig. I in Coulomb pro cm':

I = Ladungsverteilung der Ionen in der Phosphorsilikatschicht 4 der F i g. I in Coulomb pro cm³:

* = Ladungsverteilung in der thermischen SiO₂-Schicht 3 nach F i g. 1 in Coulomb pro cm³.

Sowohl die Schicht 8 als auch die Schicht 3 enthalten Verunreinigungen, zum Beispiel Natrium. Blei. Lithium und Kalium sowie Protonen, welche positiv geladen sind. Die Schicht 4 hilft beim Auffangen und beim Gettern dieser Ionen. Die Wirkung der Schicht 8 ist jedoch, infolge ihrer Verunreinigung, der Wirkung der Schicht 4 entgegengesetzt. Die Anwendung eines negativen Potentials an einer Auffangelektrode ergänzt den Mechanismus der Schicht 4.

Das Auffanespotential. welches in Fig.4 in der Ordinatenachse aufgetragen ist. wird durch die Gleichung 2 berechnet:

V=-1--(N,-N_tfi) (2)

In dieser Formel sind:

γ = Das Potential pro Einheit der Dicke des Dielektrikums, welches auf die metallische Auffangelektrodenschicht 12 nach F i g. 1 aufgetragen ist, in Volt pro cm;

ι = Der Einheitsbetrag der Ladung in Coulomb;

/V₁ = Die Oberflächenliidungsdichte, welche gleich der Anzahl von Ladungen pro cm- ist. die man braucht, um soeben die Oberfläche der Halbleiterschicht I nach F i g. 1 mit einer Bulk-Dotiemngskonzentration Ni im Halbleitermaterial /u invertieren:

Neu — Die Anzahl ucr Bmnüumrt'cn pro cm-'. gcgCi/Cn durch die Gleichung (I):

f = Die Dielektrizitätskonstante in Farad pro cn-.

In Gleichung (2) ist die Größe /V, durch die Gleichung (3)beMimmt:

.V₁ = 2, KTN₁₁

/V>

q ε K In dieser Gleichung (3) sind:

Die Anzahl der Substratladungseinheiten pro cm²;

Einheitsbetrag der Ladung in Coulomb;

Dielektrizitätskonstante in Farad proem;

Boltzmann-Konstante in Elektronenvolt pro Kelvin;

T = Absolute Temperatur in Kelvin;
Ni — Verunreinigungskonzentration im Halbleiter-^J" substrat in Einheiten der Verunreinigung pro

cm³;
n, = Intrinsic-Trägerkonzentrationprocm³.

F i g. 4 zeigt, daß für den Wert Nett von 1.5 χ 10 pro

.<-, cm² ein P-Substrat, welches eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁵ Atomen pro cm³ aufweist, an der Auffangelektrode 12 eine Spannung von 0,3 Volt pro 100 bm verlangt, um die Ladungsträgerinversion zu verhindern. In einer anderen Weise angegeben, braucht

ν. man zum Beispiel bei einer Dicke von 2000 nm in den Schichten 3, 4 und 8 ein negatives Potential vo: 6 Volt als Minimum, um die Ladungsträgerinversion im Halbleiterkörper zu verhindern.

Es wurde gefunden, daß bei wachsender Umgebungstemperatur am Halbleiterkörper größere Ladungsmenger. in den Schichten 3 und 8 den Halbleiter 1 invertieren. Demgemäß wird das Auffangspotential weiterhin negativ erhöht, um die Ladungsträgerinversion zu verhindern. Die höheren Temperaturen führen jedoch zur Steigerung der Beweglichkeit der Ionen. Die in den Schichten 3 und 8 entwickelten Ionen werden daher durch die Auffangelektrode 12 in einer kürzeren Zeitperiode angezogen als dies bei niedren Temperaturen der Fall ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Halbleiteranordnung mit PN-Übergängen, die eine Passivierungsschicht aus thermisch gewachsenem Oxid sowie eine ladungsstabilisierende Phosphorsilikatschicht an der Halbleiteroberfläche aufweist, dadurcli gekennzeichnet, daß eine negativ geladene Auffangelektrode (12) auf der Phosphorsilikatschicht (4) gegebenenfalls unter Zwischenfügung einer Isolierschicht (8) so angeordnet ist, daß sie sich flächeohaft über das Gebiet des PN-Übergangs erstreckt und daß die Auffangelektrode (12) eine Schichtdicke von 500 bis 700 nm aufweist

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Auffangelektrode (12) in verschiedenen Niveaus in Verbindung mit entsprechenden Phosphorsilikatschichten (4) vorgesehensind

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (13) zur Auffangelektrode (12) einen hohen Widerstand hat

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Leiters (i3) für die Auffangelektrode (12) durch eine Diffusionszoue im Halbleiterkörper (1) gebildet und mit einem metallischen Leiter (13) verbunden ist

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der Auffangelektrode (12) pro 100 nm ihrer Schichtdicke 03 Vq¹. beträgt, wenn das P-leitende Substrat ein? Störstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ Atomen pro cm^Jauf\v ist