DE7139683U

DE7139683U - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE7139683U
Application number: DE19717139683U
Authority: DE
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2111866A1; FR2111866B1

Description

3353 Bad G.nd.r»h«4rn, 18. Oktober 1971

Hohanhofen 5

Telefon: »53«)28«2

Telegramm-Adresse: Siedpatent Gendershslm

2554/5

Unier· Akten-Nr.: Shumpel TAMASAXI Patentgesuch rom 18· Oktober 1971 Shumpei TANAZAKI

o/o Yamaiaki Kegjo Kainuhiki Kaisha 9-7 1~6hoft· Bhlatawa, Shisuoka-ahi, Shieuoka, Japan

Di· Erfindung betrifft ein· Halbleiteranordnung mit Bindeetene einen auf einen Halbleitersubstrat angeordneten isolierenden übermug. Sie betrifft ferner ein Torfahren mr Herstellung einer Halbleiteranordnung dieser Art·

In folgenden werden die in der Halbleitertfohnik ge» bräuetalieken Abkttrsungen rerwendet, wie sie sum Teil bereits la die BBUIornen Biagaag gefanden haben, ι·Β· BH 4t β52, 41 855 *&·τ dl« Yernorm DU 41 858. 3b#ne© werden soweit möglioh die in diesen Börsen festgelegten Begriffe rerwendet. Als Abkttrsungen finden u.a· Yerw«ndungi

YST Feldeffekttransistor

HAS Metall-Aluminiueoxld-Halbleitorisubtrat) MIOS Metall-eitrid-Oxid-fialbleiter MIS Hetall-Isoliersohioht- Halt-leiter MSS Hetfell-Hitrid-Ealbleifeer

MHCNI3 Metall-Nitrid-Cluster-Nitrid-Halbleiter Püsöüä netall-äjüiria-üiusier- -uxiu-Haibi MNCIS Metall-Nttrid-Cluster-Ieoliersohioht-Halbleiter MINCNOS Metall-Ieoliersehicht-Nitrid-Clueter-Nitrid-

Oxid-Halblelter
MICONS Metall-Isollerschicht-Clueter-Oxid-Nitrid-

Halbleiter.

In der Beschreibung werden weitere Abkürzungen verwendet, die naoh demselben irrinsip gebildet sind und ,^eweila den grundsätzlichen Aufbau angeben. -

Bei üblichen Halbleitern wit «NOS-Aufbau hat man angenommen, daß eie Fang-steilen (Traps) verwenden, welche gebildet wvfaöü, äna dsS diese ?asgstell«s auf

bew. einen Gitter-

defekt beruhen· also auf der ates&u^ Ebene su euohen sind.

Bs let eine Aufgabe der Erfindung, Halbleiteranordnungen der eingangs genannten Art su verbessern und insbesondere solche Halbleiteranordnungen su schaffen, die als Halbleiterspeicher geeignet sind.

ErfindungsgemäB wird dies bei einer eingangs genannten Halbleiteranordnung dadurch erreicht, daß Cluster oder «in Dünnf Ho au« Halbleitermaterial sehiohtartig am der Grrense swlsnhen «wei isölleTendea Obersugen angeordnet sind. Der Erfinder hat nanlich gefundent daß die Hysterese«reehei»UBge&, welche In den Kapaxitäte-

«n von Halbleiteranordnungen alt

MIS-Aufbau und bei MHS- und MNOS-Aufbauten, auf die Cluster oder den PP^mTf"¹» suxüeksufuhren sind» welche hew· welcher im isolierenden Gbersug vorhanden sind bsnr.

Clustern sind.

ist und welche als Fangstellen für Elektronen und Löcher wirken, und zwar zusätzlich zu den oben genanr ten Defekten auf der atomaren Sbens. Durch die Erfindung werden nun die Cluster oder der Dünnfixm in einer bestimmten räumlichen Anordnung vorgesehen, die sich als besonders günstig erwiesen hat, um die an den Clustem oder dem Dünnfilm einzufangende Ladung und damit auch den unter dieser Schicht fließenden Strom zu steuern, und eine für Speicherzwecke geeignete Halbleiteranordnung zu schaffen. Dabei wird mit Vorteil das HaIbxeitermaterial der Cluster oder des Dünnfilms bzw, der Dünnfilme mit einer Verunreinigung dotiert, welche eine P-Leitung oder eine N-Leitung ergibt. Ferner wird die Halbleiteranordnung mit besondarem Vorteil so ausgebildet, daß mindestens die isolierenden Schiebten, welche die Cluster oder den Dünnfiim bzw. die Dünnfilme ζ /ischen sich enthalten, arm an Clustem oder vorzugsweise mindestens sehr weitgehend frei von

Weitere Einzelheiten und vorte'lhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus uen im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Aus-

führungsbeiap elen, sowie aus den Unteranaprüchen.

Lb zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindunixsgemäßen XISZSC₉

Pig. 2 zehn verschiedene Aueführungaformen für t-rf j ndungagemäße Halbleiteranordnungen,

Pig· 3 (*) eine Knergiebanddarstellung für die Ausfunrungeforaen nach Fig. 2 (A) und (B)₉

Pig. 3 (B) eine Energiebanddarstellung für die Ausführung s formen nach Pig. 2 (C) und (D)₉

Pig. 4 und 5 Meßwerte von einem Versuch mit einen

MiJCN S-A ufbau,

Pig· 6 Keßwerte von eines Yersuoh mit einem MfCHOS-Aufbau₉

Pig. 7i 8, 9 Meßwerte τοη einem MISfBl₉ weloher den Aufbau nach Pig· 2 (A) und (B) als Gate verwendet, und

Pig· 10 das gftp*fr4 •fcM'fe^-ffpo^wywgft-g«'"^'' tni »nf»"* ^ einer · MHCHa-Diode, welche den Aufbau nach den Fig· 2 (B) und . (P) aufweist.

Der ia folgenden beschriebene Auf au eines Isolier- ; übentugs eignet sich u.a. für eine H&lbleiter-Speioher- ί anordnung. Kb werden Falbleiter-Oluster oder Halbleiter» Oünnfilmeenleaten an vorgegebenen arennfläohen odor in i ihrer Häno angeordnet, wobei ein isolierender überrag ; mit swoi oder mehr Senlohton auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, und se wird auf diese Weise möglioh, : dio Ladung su steuern, dio an den Ginstern odor Aor Dünnfilaoohioht tiagefaogon bsw, angosaamolt wird» und «war kann diese Ladung hinsichtlich Polarität und Menge

gesteuert werden, und damit wird βε auch möglich, den Strom zu steuern, welcher im Halbleiter unter diesen Überzügen fließt.

Als Halbleiteranordnungen, welche die Verwendung von Pa igsteilen in ihren Isolierschichten aufweisen, sind bisher 14A-SPEI und KTfOS?]i!E bekannt gewerden. Man htt die Fangstellen im MAS- oder MNOS-/ufbau ale eine Folge <?.ei· Ungleichmäßigkeit der atomaren Größe infolge unerwarteter Änderungen während der Herstei!«mg angeaehes,.

Demzufolge lat ea bei diesen bekannten Anordnungen schwierig, die eingefangenem Träger (Elektronen oder Löcher) zu steuern, da ea schwierig ist» die Mengen der Fangstellen und ihre Abstände von der Grenzfläche su bestimmen.

Der Erfinder ging von der Annahme ame, daß Metalloder Halbleixercluster gleichförmig im Isolator verteilt sind und - neben den unregelmäßigkeiten von ateaarer Gröfie - als Pangstellen für die gefangenen Träger wirken, und Bwar in der Sähe fter Cluster.

Wenn also ein clusterarmer oder elusterfreier isolierender überzug erseugt wird, so hat dieser wenige oder keine Fangeteilen. Wenn Cluster oder ein DUnnlTila aus Halbleitermaterial swisehen solchen elueterormon oder clusterfreien isulierenden übersügen angeordnet werden» ist <*s möglich, die Menge der Fangstellen und ihren Abstand von der Gtrensfläche su bestiaaen und dadurch die Müglichkeit der Steuerung dmroh «iagefangsne Träger su beweisen· Dies wird Uuroh die Erfindung erreieht, woduroh sieh Vielfaltige neu· Mttgliekkeiten er~ geben, wie eis ia folgenden an Beispielen besehrieben sind.

Die Erfindung betrifft ferner den Aufbau des Isolierliberzugs, bei dem die Cluster oder der Dünnfilm von isolierenden Schichten umgeben sind.

Unter Clustern oder Dünnfi Lm soll eine Fangstello für Ladungen wie auch die Form dieser Bestandteile verstanden werden, wie aie im folgenden, insbesondere auch an Hand der Zeichnung,noch ausführlich erläutert und beschrieben werden.

Der Erfinder bat ermittelt, dag es unzweckmäßig ist, die Cluster in der Dickenrichtung der Überzüge zu ▼erteilen, la sie als Leckstrompfade für Gleichstrom wirken. Ferner hat der Erfinder ermittelt, daß es vom Abstand von der Grenzfläche zu den Clustern abhängt, ob die Cluster die Träger (Elektronen oder Löcher) einfangen. Bei wsrepelmäßlgem Abstand, z.B. engem Abstand an einin bestimmten funkt, werden dort Ladungen eingefangen, und das Energieband des Halbleiters in der Nähe der Grenzfläche wird verformt und die Stromoharakterlstlk in der Hähe der Grenzfläche des Halbleitersubstrat« wird sctlechter. Daraus folgt, daß wenn der Strom Im Halbleitersubstrat dadurch gesteuert werden soll, daß man Polarität uikt Menge der in den Fangstellen gefangenen Ladung ändert, diese Ladung gleichförmig und mit konstanter Dichte verteilt werden sollte, wobei der Abstand von der Grenzfläche konstant gehalten werden sollte. Dies wurdff experimentell bestätigt. Die vorliegende Erfindimg bezieht sich also auf einen günstigen Aufbau, wie er In der vorstehenden Diskussion der Wirkungsweise der Pangstellen erläutert wurde, und auf eine vorteilhafte Art seiner Herstellung«

In der folgenden Beschreibung bedeutet isolierende Schiebt oder isolierender Überzug eine Binzelsohloht des

Isolators, während unter Isolierüberzug gattungsmäßig der gesamte, gewöhnlich mehrschichtige Aufbau aus isolierend an Schichton, lialbleiterclustern und/oder

n) verstanden wird.

?ig. 1 zei£C einen Querschnitt curcta a inen M"'.iiPJST, be_ dem die vorliegende Erfindung zur ^sratellung des Gate verwendet wird. Ea ist darauf hinzuweisen, daß die Halbleitervorrichtung, z.B. ein PM, ein irHSIi^I vom Seifesteinetelltyp mit Siliziumgate, «in üblichem MISPEI, ein DSAMISPET etc. eine Vorrichtung darstellen soll, welche als Sensor wirkt, der die vorliegende Erfindung verwendet. Hit anderen Worten: Viird die vorliegende Erfindung für einen Direkteugriffaapeioher verwendet* ao soll eine solche "".albleitervorrichtung die Information abfühlen, die im Iaolierüberzug gespeichert let. Wird die vorliegend· Erfindung dazu benutzt, um die Schwallen· spannung U«q relativ zu den Betriebsspannungen der Halbleitervorriehtung z\, verändern, ao spielt die vorliegende Erfindung eine zweite Kolle.

Bei Pig. 1 wird die vorliegende Erfindung zur Herstellung des Gate des MISPKT verwendet· Eine MIS-Konstruktion besteht aus einer Schicht 1 aus Metall oder dotiertem Silizium oder Germanium, isolierenden Schichten 2, 4» Olustern oder einem Dünnfilm aus Halbleitermaterial (beides mit dem Sesugsseiehen 3 bezeichnet), eines Halbleitersubstrat 5, das hier aus ]--Siliziim besteht, und einer unteren Elektrode 17. Der Strom in der Halbleitervorriohtung flieSt durch die Leitung 13t die Source 14, den unter dem Gate liegenden Kanal, den Drain 16 und die Anschlußleitung 15 des Drain. Siliciumoxid wird zum Isolieren der Ansohlußleitungen und den

Substrats Terwendet, wodurch dl· Streukapasltät zwlsohsa

ihnen verkleinert wird·

Pig. 2 seift den Aufbau verschiedener AuofUhrungsformen d«r vorliegenden Erfindung. Dabei bedeutet jeweils dae Besttgsseiohen 1 eine Leiterelektrodej alt 2, 4, 6, θ und 11 werden isolierende Schichten beseiohnet, und alt 3 und ? Cluster oder ein Dünnfilm aas Halbleitermaterial. Als Leiterelektrode werden neben Metallen wie Aluminium, QoId, Titan, rlatin, eto. Verunreinigungen vom P- oder β-Typ verwendet, die aus βία- oder beidseitig dotiertem mehrkrletallinem Sillslum odei titarmanium hergeetellt sind. Die Cluster, die in den ng» 2 (A), (O), (B), (α), (Dt (J)» (K), (L) dargestellt sind, haben etwa die Form τοπ Halbkuf ein und sind ebenso wie die Dttnnf lime aus silicium oder Germanium hergestellt, sins slekironen-Klkrographie ergibt, dai die Cluster in Busammengedrüokter Form sowie als Halbkugel ausgebildet sind und Durohmeseer in dsr <r*u0enordnung τοη einigen sehn £ bis 9000 % haben. Die sohräg schraffierten Flachen in dsn Fig. 2 (B), (Β), (?)· (B), (I) und (J) stellen den Halbleiter-Dünnflim dar. Infolge τοη Meesehwlerigkeitsn konnte dls genaue Dick· des Dünnfllme nicht ermittelt werden, jedoch wird angenommen, daß sie durchschnittlich im Bereich τοη 5 bis 300 ft liegt.

M· isolierend« Schicht 2* wsletae in enge* Kontakt mit d«n Halblelter-Clttetern bsw· dem Halbleit#r->Danwf1 Im steht, maß gegen die wärmebehandlung geeohtütat werdea, und aus diesem Orund 1st für den Übersugswerkstoff entweder Sillsiumnltrid, Silieiumoxinitrid, Gereaniiumitrid, Sllisiumozld, Alaminiumexld, Tantaloild oder Tltanaxld Terwendet worAes,· Abhängig τβη der Verwendung hat man auch eise Kombination dieser Werketorfe gewählt. Im

allgemeinen ersougt ein Oxid Sauerstoff_P wenn ea einer Wärmebehandlung unteraogen wird« und daa Oaa reagiert al' λλλ Q±n*%mrn saa» aa« iranmrixa mat ήντ innen eine ■usamaengepreSte ram· Ana dleaea Gründe wird erflnAungegeaaO aeiet 81U«iumnitrid verwendet. Ba seilte darauf geachtet werden» daS Sillilua- oder Oernanlaaoluster In weaentllehen aua der Sehloht 2 auageaehlonoen werden.

In ng. 2 (A)₉ (B)₉ (B)₉ (Y)₉ (G)₉ (H)₉ (Z)₉ (J) und (K) wird eine Elnselaohloht der aua 8111sluaoxld₉ SiliEluanltrid oder Uormanluanltrid hergestellten Isolierschicht unter den Halbleiteroluatern oder dam Halolelter-Dunnfila verwendet. In Fig. 2(0), (S) vad (L) werden Kehrfaohaehlehten beatehend aua den Überattgen «oad 11 verwendet«

Bei einen silialua-oaibleitvrättbetfat wird ein SillBluBoxldttberaug alt einer Dicke von weniger ala 200 J₉ tjpiaoh awlaohen 10 und 50 I₉ alt einen daraufliegenden isolierenden Obersug aas Slllalumnltrld oder aeraanluanltrid gewthlt, welcher übersug eine Dicke von etwa 200 A₉ typisch «wlaehen 10 und 50 A₉ aufweiat· Ia allgeaelnen bildet ein Sillaluahalblelter leicht Slllaluaoxld avf aelner Qberfl*ehe₉ und dlea aaoht die Oberflftehe atabll. wann Jedoch daa Silieiueoxid bei der Wärmebehandlung alt dem Halbleiterelaatern oder dea Dunnfila reagiert, werden dadareh dl· iBoliereharakteriatiic, «ie (Jren»-

auf der Oberfläche des

wir« ein wärmefester litrldfila ta 11 gebildet, umd dann werden Ale Halblelterolvster asw* der Halbleiter-Btomfilm aef dem lltridfllm 4 gebildet.

Za Fig. 2 (K) VBd (1) besteht die Isolierschicht ame einem lltrld&bersug 2 urne einer, anderem Isolierenden

Überäug, z.B. Siliziumoxid, dotiertem Siliziumoxid, oder einen (ibwraug mit höherer Dielektrizitätskonstante wie T^st^loxid .odeip Titanoxid-. Der Nitridübereug wird uuf letzterem ObuxKUg ausgebildet, so das die isolierschicht monolithisch let. Sie Dioke dea Isolierüberzugs liegt etwa im Bereich von 30( bis 3000 t, entsprechend der vorliegenden Verfahrenstechnik.

Wie oben beschrieben un<i in Fig· 2 dargestellt, bestehen also nach der Erfindung verschiedene Möglichkeiten für den Grundaufbau einer Isolierschicht: Ent weder eine Drei·aohaohioht, in der die Cluster naoh Aen im folgenden au erörternden Schritten hergestellt und sohiohtartig angeordnet sind; oder Ausbildung der isolierenden Schicht 2 auf den Halbleiterclustem oder dem 3, Sie oder der auf des isolierenden ElnsQhichi-

tt« A oder den. isolierendem. Mehrschioht-ÜberBügen 4 und 11 ausgebildet sind bzw. 1st. hie Überzüge sind als dünne Überzüge auf dem Halbleitersubstrat 5 auszubilden. In der Zeichnung sind awei Schichten von isolierenden Überzügen dargestellt, jedoch kann die Zahl der Übersilge erhöht werden.

Als Material für die Cluster oder den Dünnfila kann entweder Metall oder ein Halbleiter verwendet werden, jedoch wurden bei den Versuchen Halbleiter wie Si odor Go verwendet, weil Metall die Charakteristik von Kapazität SU Gateepannung in einer positiven Riehtang nieht reversibel versehieben wurde, während «in Halbleiter •in« reversible Hysterffseeharakterietik aufweist·

Bei einer Auefunrungsfora worden die Cluster oder dor DünnfUb ans Si dnren ehesieehe Bedampfung alt Silan, Takuumverdampfong oder SUlslumserstfiubung hergestellt, and die Cluster oder e'er Dünnf ils ans Se

- 11 -

wird durch Vakuumverdampfung oder Pyrolyse von Germaniumwasserstoff hergestellt. Im Falle der Clusterherstellung durch Vakuumverdampfung wurde experimentell ermittelt * daß die Oberfläche, an der die Cluster susgebiliew werden sollen, auf einer niedrigeren Temperatu ohne Vorerwärmung und bei etwa 3Ou⁰C gehalten werden soll· Auch war die chemische Bedang .\ing mit Silan beim experimentellen Verfahren leicht, verglichen mit der Verwendung eines reaktiven Gases wie SiH₂Cl₂, SiHCl,, SiCl. etc. Falls eine dreibasinohe oder fünfbasische verunreinigung wie Jthosphor ο β±· Bor, die für das Halbleitersubstrat BU verwenden ist, mit diesen reaktiven Gasen dotiert 1st, wodurch die Cluster oder der Uünnfilm mit F- oder K-LeItung versehen werden bzw. wird, kann das Niveau im Energieband der Cluster geändert werden. Zusätzlich kann eine Mischung von Metall und Halbleiter für άίβ ulucrtei· öder den. Darmfilu v5r*fSud6t wSjTuSil.

Fig. 5 seigt Energiebänder für die Aufbauten nach Fig. 2(A)ι (B)₉ (C) und (D). Bei der Anordnung nach Fig. 3 (A/ werden ein Metallgate 1 aus Aluminium, eine Siliziumnitridaohicht 2, Cluster ode** ein Dünnfilm 3 aus Giliaium, «ine Siliziumnitriil schicht A und ein Halbleitersubstrat 5 verwendet; diese Anordnung hat also die Struktur KRCKS (Metall-Sitrid-Cluoter-Kitrid-Substrat). Es ist darauf hinzuweisen, daß die Siliziumclueter dasu ausgebildet werden, als Fangstellen Elektronen oder Löcher se fangen, und daß sie dieselbe Bazwikoofiguration haben wie das Sillziuasubstrat. Aus diesem (Jrunde werden naeh der vorliegenden Erfindung nicht die bisher üblichen Fangstellen r&a. Atoagröße verwendet, welche norealerweise «ehr als eine Mikroeekunde zur Injektion und Rekombistation von Trä>irn erfordern* Vielmehr werden Elemente verwendet,

- 12 - ί ί

welche eich aus der /nwesenheit der Cluster und/oder des Dünnfilms ergeben. Hierdurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihrem technischen Konzeyt vollst ^ndij von der üblichen >' 0S-Struktur.

^Z' 3 (B) entspricht den Pi-. 2 (c) und (3) und ./eiat ein Ketallgute 1 aus ^urainium, eine Schicht 2 -us dilisiunnitrid, Cluster oder einen iJümifilTn 3 aus Silizium, eine Schicht 4 aus Siliziumnitrid, eine Siliciumoxid schicht 11 und ein Silizium-Hr-lbleitersubstrat 5 auf, und hat demzufolge die Struktur MSCHOS. (Die vorstehend angegebenen Stoffe wurden bei den Versuchen verwendet; sie stellen nur Beispiele dar).

Gegebenenfalls kann das Halbleitersubstrat 5 aus Germanium, Jralliumarsenid etc. anstatt aus Silizium bestehen, obwohl die Bandötrukbur dazu nicht dieselbe ist, soll der Werkstoff für die Schichten 2, 4 Siliziumnitrid oder Germaniumnitrid sein, der Werkstoff für das »ate 1 soll dotiertes Si oder Oe sein, und der

fur 3 Germanium. '

Beispiel U

Dieses bezieht sich auf Fig. 2 (A) und (B). Die folgende Diskussion gibt die Einzelheiten der Herstellung der MKCIS-Struktur und ihr Ergebnis an. Hierbei steht "I" für ^Misolierender Überzug".

Silizium, Germanium, Galliumarsenid etc. können für das Halbleitersubstrat verwendet werden; bein Versuch wurde ein Siliziumhalbleiter Bit einer VerunreiKlgungsdlohte von No * 1 χ 10¹⁵ era"³ und der Kristallorientierung 100 verwendet. Nach der .ieJoigung des Halbleitersubstrat· wurden die isolierenden Überzüge 2 und 4 mittels Festkörperdampfreaktions-Niedersohlag und ohemisoher Bedampfung aufgebracht. Beim enteren Verfahrenssohritt

- 13 -

wurde das Substrat zur thermischen Oxidation entweder in trockenen oder in nassen Sauerstoff bei einer Temperatur von 500 bis 1100⁰C gebracht. Die Zeit von 5 Sekunden bis su einer Hinute wurde far thermische Oxidation ">ei 300 bis 1K-⁰Q benötigt. Beim letzteren Verlcnransschritt wurde das Substrat entweder in stickstoff oder in Ammoniak bei 1000 bis 135O⁰G gebracht, um einen Siliziiranitridüberzug auf ihm zu erzeugen. >js ergab sich eiste iifeersögedieke von weniger als 100 X bei 1150 ... 1200⁰C in 10 Minuten bis einer Stunde.

Bin Siliziumoxidüberzug wit einer Dicke von weniger als 200 8 wurde durch chemische reaktion zwischen SiIaη von 0,1 ml/min und Sauerstoff von 10 bis 500 ml/mxn alt einen Stickstoff-Trägergae von 51/aln bei 2OU bis 500°C erzielt.

Ein Siliziumnitri^ttbereug wurde dadurch erz engt, daß Silan oder SiE₂Cl₂ oder SiHGl₃ oder SiOl₄ bei 500 bie 900°C zur Reaktion mit Ammoniak oder Hy&razin gebracht wurde· Die einseinen Angaben eind wie folgtt

Silan oder SlH₂Cl₂ 1 0*2 bis 0,4 ml/min Aamonlek: 100 bis 300 ml/ein

Stickstoff-Tr&gergae: 2,5 1/mln bei Silizid

Oi5 l/min bei Ammoniak Ofen t Vertikaler Reaktlonsofen alt

reduziertem Hiokeloxld ale

Katalysator sum Aktivieren dea

Ammoniaks.

Der eioh ergebende Siliziumnitrid-Überzug enthielt keine Olueter oder eine vernaehläeaigbare Menge von Clustern. Falle man weniger ale 100 ppm Sauerstoff oder Stickstoffoxid sum Reaktlonsgae naoh

IS

713368321.9.72

-H-

dem obigen Verfahre ι hinzufügte, ergab sich Siliniumoxinitrid , also eine Oxid-Nitrid-MibchverMndurig.

Germaniumnitrid wurde erzeugt dach Reaktion von G-eK. oder GeCl. mit fmmoniak bei 400 bis 70u°c. GermaixiuBiwaaseratoff von 0,2 . „. 0,4 ml/min benutzt, wobei die iemperatur des Substrats bein, Versuch DOi 55^°C schalten wurde. Die anderen Daten blieben dieselben wie beim Herstellen, dea oiliziunmitridüberzuga.

Pie chemische Bedampfung unter Verwendung von Silizium- oder dermaniumwasserstoff war ein wirkungsvolles Verfahren für die Cluster oder den "üünnfilm, jedoch erleichterte die Verwendung von aiHgOlp ^₉ Herstellung. Bei letzterem Verfahren wurde bei Ammoniak ein tfasserstoff-Trägergas mit 0,5 1/ain und bei SiflgClg ein Stickstoff-Trägergas mit 2,5 l/min verwendet. Ein Halogenid von Silizium oder Germanium, z.B. Siliziumtetraohlorid, Grermaniumtetrachlorid oder Irichlorallan, kann beim Herstellen verwendet werden, jedoch wurden Silan und German*umwaeserstoff gewählt, weil sie leichter verarbeitet werden können. Hit diesen kann ein Oaa von Silizium oder &«rmanium_y Ammoniak oder Hydrazin, welche beide ein geringeres Gasvolumen haben als die ersteren, verwendet werden» um die Clusteratscheidung zu erhöhen. Außer dem obigen kann auch Vakuumverdampfung oder Zerstäubung verwendet werden, jedoch erfordern diese zur Urzeugung des Bestandteils 7 eine von der für die Herstellung des Siliziumnitridüberzugs bestimmten 3tation getrennte Station. Deshalb wird hierbei die Oberfläche der Cluster oder des Dünnfilms versehmutzt oder oxidiert.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis, das man bei einem MKCHS-Aufbau erhält, welcher für die Schicht 2 und die

- 15 -

Ccbicht 4 einen Sili^iumn cridüberzu^ durch chemische Be/iaupfung verendet. Die Gesamtaicke des Überzugs betrug 1250 X. Pi^. 4 basiert auf den allgemeinen Kapazitäts-SpannangB-Charakteriatiken der ili-iCKS-Struktur, wie sie z.P. Pig. ο zsigt. In Ρ1.ς. 4 stellt die x-Achse die Satfcspanuung oder die ^eldst .χ·».© nru die y- cViSe at eilt den α rad üer Hysterese in der j^orm von. I\ TJ

(. entsprechend dtr Spannun^sünderung bei flacLband) oder A i.,_ dar (letztere? ist die i.Adungsäiehtenänäerung_f die durch die Cluster oder den Dünnfilm bei Flacibtuiä eingefangen wurde)·

Die Experimente mit Ko. 3C4 und So. 308 zeigen, daß bei Zunahme der Cluster oder des Dünnfilms 3 (in Flg. 4 mit C be2seio>aiet) In de*· Dicke die Hysterese war annimmt. Die Experimente mit Ho. 308 un* 309 zeigen, daß wenn die Isolierschicht 4 (in Pig. 4 mit I bezeichnet) zunimmt, die Hysterese abnimmt. Macht man also die Isolierschicht 4 kleiner und die Clur,er oder den Dünnfilm ί größer, sovlrd die einzufangende Ladungsdichte vergrößert. Macht ium. jedoch die Isolierschicht 4 au duua> so stbrt die eingefangene Ladung den Strom durch den Halbleiter oder schwächt das Pesthai tevermögen für die eingefangene Ladung·

Me in Pig. 4 dargestellten Daten zeigea, daß A N₁₈₁, * 8,2 χ 10¹² cm"*² .

Dieser Wert ist etwa fünfmal größer ale bei einer üblichen MNOS-Struktur, welche zufallebedingt eine Hysterese aufweist, und bei welcher gilt

Δ Κ-,. - 1... 2 χ 10¹² cm"². FB

Hieraus ergibt eich die tiberragende KeuÄeit der vorliegenden Erfindung.

- 16 -

Flg. 5 zeigt das Ergebnis einee Vereuohe, bei dem die Sataepannang konstantgehalten wurde (U_-, « - 50 V,

•e» 6 ^* j?

B » I 4 x 10' V/om), während Au^ eöwle Öle Siede?- sohlagsssit sowohl für die Cluster oder den Dttnnfllm 3 und den isolierenden überzug 4 geändert wurden. Wenn für den isolierenden überzug 4 Siliziumnitrid verwendet wird, reagiert die Oberfläche des unter dem Siliziumnitrid liegenden Siliziumsubstrate mit dem Sauerstoff der Luft und erzeugt einen Siliziumoxidüberzug von 5 ... 20 X bei normaler Temperatur. Dieser Oxidüberzug wird In Anraoniakgae bei übe? 1000⁰O In mehr als 10 Minuten entfernt, und ein Teil des Oxidüberzug* wird in Siliziumnitrid umgewandelt. Der Oxidüberzug wird andererseits alt dem speziellen Seialgnsgeverfahren den 3ilisiumsubstrats entfernt« Falle ein reiner ftMS-Aufbau erforderlich ist, aufl die vorstehende Be&anäiung vorgenommen werden. Der Oxld-Dünnfilm, weloher bei normalen Temperaturen erzeugt wird, kann in der Praxis vernachlässigt werden. Das sogenannte natürliche Oxid, wie es hler vorliegt, zeigt einen zufallsbedingten Dlokenverlauf an der Oberfläche des Substrats. Z.B* kann dl*» Dioke an einer Stelle 20 Ä und an einer anderen Stelle desselben Substrats 0 % betragen.

In Fig. 5 zeigt der Slliziumnltrld-Übersug ei&e Wacbstumagesctawindigkeit von 1 ... 2 £/»eo. Die erwähnte vom BtLTaIl abhängige Sicke sollte bei O «se aaf der y-Aehse berücksichtigt werden· Der Punkt A In PIg. 5 bedeutet eine HBS-Dlode. Der entsprechende Wert von U₇₂ lat 8 Y₉ mit - 4 χ 10⁶ ?/cm. Hierbei 1st die Hysterese sehr klein, wenn die duster oder der Dthmfllm nicht durch Silanniederschlag gebildet worden sind bzw. ist. wenn der Überzug 4 (Pig. 2) als Oxidüberzug

• 17 -

bei hohen Temperaturen gebildet worden war, war die Hyetereee (AU_n) bei gleieher Sioke Heiner ale 1 Y

Pall· aar Bildung der Oluater oder dee Dünnfilm· silan nledergoeohlagon wird, nimmt mit sunehaender Seit für den liederaohlag Δυ_γΒ tu» wie daa au· den aufeinanderfolgenden Kurven 24, 23» 22 und 21 in Fig. 5 hervorgeht. Dagegen niaat £t^u _ra Bit sonehmender Dioke dee Sillsiumnltridttbersuge 4 in Fig. 2 (A) und (B) ab. wenn die liederaohlagaseit dta Silicium· etwa swiaehen 30 und 60 ··· lag, wurden Silisiumoluater gebildet. Messungen unter dea Elektronenmikroskop seigten, daft die Durehaeeeer der Silisiuaoluater swieohen 300 und 1500 S. lagen. Der SllJgitta-BHnwf 11w ent et and, wenn die Niedereoalag·- B«it asar al· 300 see. betrug, Beträgt die Dioke de· niedergeschlagenen Filme mehr ale 5θυ χ, ao eoilte ein aoleher Film al· Oiokf ilm be*eiohnet werden · - wenn bei der Torliegenden Erfindung die dureheohnittliohe Dioke de· niedergeechlagenen Halbleiterfilm· wenig·» al· 100 betragt» werden die Cluster erseugt* Wenn die·· Dioke swleehen 100 und 500 1 liegt, wird der Balbleiter-DQnnflla erseugt· Wird der Halblciter-Diekfilm im Isolierttbersag erseugt, so wird er gewöhnlich als sehwebendes SiliBiumg&te eines MIS-Feldeffekttransistors beeeiohnet. Beim vorliegenden Versuch oolite, wenn der Biekfilm erseugt wird, der l*oll«renä* Öbermug 4- nach Fi«. 2 (B) eine Dicke von mehr als 500 % haben, damit er keine Loohstellen (pinholes) «4er sonstige leitenden Wege aufweist. Bei 4mr Bildung der Cluster kann da· Einfuhren von Ammoniak oder Hydras!* ait gleichem Volumen wie dem des Silangases «der aueh mit geringerem Volumen al· dem des gflnwi—» «le Schnelligkeit der Olusterbildung erhüben·

- 18 - C

Wenn ein« kleine Meng· gasförmiges Nitrid eingeleitet wird, wir! es schwierig, den DUnnflls «as des Silislum-Halblelter iu urzeugen. Sie Sillsiumeluster werden erseugt, di

wenn die ABäöheiä«äeSs«i· #tws 5OG s«s sas? ssSr tetr^gt bei derselben Fliefigesohwindigkeit τοη Silan, wie bei der Herstellungsbediuigung der Sllislumoluster in Fig. 5· (Anstelle des Begriffs "Abscheidung" wird im folgenden Text der Begriff "Niederschlag" verwendet.

Ss ist deasufolge möglich, infolge des Einfangens der LBcher Ader Elektronen an den Olustern eine lange Speicherung au erreichen, selbst wenn die Schicht 4 «wischen den Olustern und dem Substrat 5 oder der Oateelektrode eine Ansahl von Loohstellen oder leitenden Wegen aufweist.

Falls dagegen Loehstellen in der Schicht 4 beim Halbleiter-Dünaifila 5 vorhanden sind, leelcen die am IXInnfila eiagexangeaen Slsktreaöa oder Löcher sua Substrat 5. Deshalb sind hier die Speiohereigensohaften .für einen Halbleiterspeicher nicht besonders günstig·

Experimentell wurde ermittelt, daß bei Verwendung τοη Silisl'zm- oder Oeraaniumolustern die Speioherseit mehr als 2000 Stunden betrug, dagegen weniger als $00 Stunden» s.B. nur eine Stunde, wenn der Halblelter-Bunnfilm verwendet wurde. Das ersielte Resultat wird dassellie sein, wenn das Ammomiakgaa nicht beigegeben wird.

Der obige Yersueh beweist, dafi die Lehre der vorliegenden Erfindung richtig ist· Sie Bjrstereeeerecheinengen, welehe in den Kapasitäte-Spanniage^eimi Int en dos MNS-Amfbaus und des MVes-Aufbaus se finden sind, solltw nicht auf die sogenannt· unregelmäßigkeit der atomaren Abmessungen surüekge· führt werden, vielmehr auf die Olueter, welehe la der Ieoliersohieht vorhanden sind und welche als Fangstellen fax Elektronen und Lueher wirken. Damit 1st «im

7138883 2U.72

- 19 -

Kittel an die Hand gegeben, wenn der Wunsoh besteht, die Größe und Form der Hysterese der Kapazitäts-Sppnnui ^esu beeinflussen.

Sie Torliegende Erfindung bring« alao einen neuartigen Aufbau, wobei die Cluster oder der Dünnfilm al« Fangstellen aufzufassen sind* hierbei werden die Cluster ( oder der Halblelter-DUnnfllm) gleichförmig und mit einem konstanten Abstand rom Halbleiter-Substrat, also in einer Ix stimmten geometrisohen Konfiguration, ▼erteilt.

Beispiel 2»

Dieses besieht ei oh auf Fig. 2 (D) und (js), welohe einem MHOI₁ IgS-Aufbau haben, wobei I₁ und I₂ die isolierende Schicht 4 bsw. die isolierende Sehioht 11 bedeuten. Der Werkstoff und das Yerfehren für da« Halbleitersubstrat, den isolierenden Übereug, die Cluster oder den Dünnfilm umd den ßateleiter sind dieselben wie beim Beispiel 1. Der Aufbau naoh Fig. 2 (C^ und (D) bringt die Besonderheit dta örtlichen Ausbildens eines Silisiurnoxidüberisugs bei normaler Temperatur. Die ge Art von Oxldübersug reagiert, wenn die Wärmebehandlung für Me Halbleitercluster oder den Halbleiterdünnfilm bei oberhalb 500⁰C in einer Stund· Torgenommen wi«.d, wie das suvor bereite beeohrieben wurde. Aus diesem Grunde ist es äußeret wünschenswert, die Halbleitercluster oder den Dünnfilm mit liner Sehieht aus Siliciumnitrid oder &ermaniusnltrld na umgebon.

BIe Yorlie^enäe Erfindung rberwin*et diese Sohwierlgkelten, indem der MSCOS-oder der MHGSS-Aufbau naoh des Beispiel 1 In einen MHCBOS-Aufbau umgewandelt

71S966321.9.72

- 20 -

wird. Pi-. 2 (L) zeigt einen MINCKOS- oder MICONS- Aufbau, also eine verbesserte Version dee MHCQNS, wobei ein isolierender Überzug aus Tantaloxid oder Titanoxid mit größerer spezifischer Dielektrizitätskonstante auf den Nitridüberzug 2 aufgebracht wird, der auf dem HKCOwS-Aufbau ausgebildet wurde, d.h. auf den Clustern oder dem Dünnfila. I>er MINCNOS-/ ufbau hat einen dünnen elektrischen Überzug und einen dicken physikalischen überzug und schützt dadurch gegen mechanische Beanspruchungen, die auf den Gateabsohnitt der Halbleitervorrichtung ausgeübt werden. Zusätzlich kön · η die Cluster oder der Düzmfllm in Mehrfachechichten ausgebildet werden, um ihre Wirkung zu erhöhen. Bs handelt «ich hler um eine Weiterbildung» die auf der vorliegenden Erfindung beruht.

Haeh dem vollständigen Heinigen dea Silizium-Halbleiter e, weloher eine Verunreinigungedichte von N * 1 x 10¹⁵. cm"³ und die Kristallorientierung 100 hat, wurde ein Siliziumoxidüberzug 7 durch Festkörper-Dampf-Reaktlon in trockenem Sauerstoff während 100 see bei 1000°C erzeugt. Sodann wurde durch chemische Bedaapfung mittels Silan und Ammoniak in 15 eeo ein Silizlumnitridüberzug erzeugt. Beim Versuch wurden auch SiH₂Ol₂ und SiCl. getestet, und die Ergebnisse waren gleich. Sie Cluster oder der Dtinnfilm wurden bzw. wurae durch ein Silanniederschlagsverfahren in 300 see erseugt. Darauf wurde wiederum ein Siliziumnitridübersug von 1200 A **** den Clustern bzw. dem Dünnfilm gebildet, wobei die Temperatur des Substrats auf 650 bis 750°C gehalten wurde. Schließlich wurde ein MRCNOS-Aufbau dadurch fertiggestellt, daß mittels Vakuumverdampfung eine Aluminiumelektrode auf die obige Anordnung aufgebracht wurde.

- 21 -

_D nimiüt mit zunehmender Dicke der zur Kitridschicht 4 hinzugefügten Oxidschicht 11 ab» und es nimmt mit zunehmender üiederechlagezeit von S^.lan zu; die Verhältnisse entsprechen also denen von Fi£. 5.

Die Pig. 6 (A) und (E) zeigen die Kapazitäta-Spannungs-Kennlinien, wie sie sich beim Versuch ergaben. •Δ,ϋ-rjm nimmt proportional zu ü (maximale angelegte

»max Satespannung in V) zu. Fig. 6 zeigt keine Hysterese-

eharakteristik, wenn U_ kleiner als 50 7 ist. Die

kritische Spannung des Versuchsmusters nach Fig. 6 ist 50 V, und die Hysterese,/X-Uy₂, nimmt mit dem Inkrement der maximal en öatespannung, U , zu. Eine Kap&zitäts-

Spannungt-Kennlinie ohne Hysterese ist in Pig. 6 (A) dargestellt; diese Figur zeigt, daß die Grenzflächeneigenschaft en zwischen dem Substrat 5 und dem Isolator 11, 4- eine ideale Charakteristik für ein MISPET-&ate darstellen, weil die festen Zustände und die feste Tiftdung Q₀₈Al» welche an der Grenzfläche existieren, fast gleich Hull aind. Deshalb ist eine praktisch zwingende Voraussetzung für axe Herstellung des vorliegenden erfindungsgemäSen Aufbaue die lechnik für die Herstellung eines olustorarmen oder clusterfreien Silizium- oder Oermaniumnitrldüberzuga.

Das vorliegende Beispiel zeigt, daß es möglich ist, den Grad der Hysterese bei Kapazitäte-Spannungs-Kennlinien dadurch zu beeinflussen, daß iaan die Herstellungsbedingunjen ändert, z.B. die Hiedersohlagsgeschwindigkeit oder Kiedersohlagezeit eines Silizlügases» das Mischungsverhältnis zwischen der kleinen Menge Ammoniak oder Hydrazin, «ad den Abstand zwischen den Clustern oder dem Dttnnfila, und der Trennfläche. Bs ist auch möglich,

- 22 -

den Grad der Hysterese dadurch zu beeinflussen, daß n> in die Niederschlagetemperatur des S&izidgases über ^O⁰C oder unter 65O⁰C ändert.

Das Snergloband den Beispiele 2 ist in Pig. 3 (B) dargestellt, wobei die Bezeiohnvigen denen der Fi j. 2 (C) und (D; entsprechen.

Beiopiel 3x

Dieses Beispiel beschreibt die Charakteristik eines MISK&I, der aas der Struktur besteht, wie sie in den j>ig. 2 (A) und (B) mit Gate dargestellt 1st. Das Beispiel verwendet einen IS-Kanal, und sein grundeätslicher Aufbau 1st iu Fig. 1 dargestellt; hierbei ist der Abstand «wischen äer Sourceelektrode 14 und der Drainelektrcde 16, die eogena nte Kanallänge, 30 Mikron, und jedes P!ate hat eine Länge von 1ü00 Mikron.

Das Substrat ist vom P-Typ, Kristallorientierung 100, und sein spezifischer Widerstand 1st 3 ... 5 0hm · cm. Sie Fig· 7 bis 9 aeigen das Ergebnis dieses Versuchs. Der Gate-Isolator, entsprechend der Sillziumnitrifisokicht 2 in Pig. 2,ist etwa 600 ... 700 £ dick. Dies ist etwa die Hälfte des Werkes n*veh den Beispielen 1 und 2· Die Dicke dieser Schicht kann abhängig von der jeweiligen Verwendung geändert werden· Falls ein HISFST mit P-Kanal gewünscht wird, sollte ein R-leitendes Substrat zusammen mit einer P* Source und »rain verwende* werden·

In Fig. 7 stellt die x-Aohse die uatespannung U dar und die y-Achee den Drainstrom 1^. Die Drainspannung wurde auf einem konstanten Wert von 100 mV gehalten. Di« U -Ip-ChaiAkterietik bleibt: gleich, während eich die Sohwellenspannung U^q von + 10V nach - 10V ändert·

daß Die Neigung der Charaktr>ri8·» ik zeigt, die lichkeit im Kanal 400 cm²/V" aec beträgt.

Lie aict aus dem obigen Versuch ergebenden Tatsachen führen zu einer Verneinung des bisher in der Kalbleitertechnik angenommenen Konzeuts, daß bei hohen uberflächerizustä ..den an der Grenzfl zie di«* Trägerbewef lichkeit ia Kanal niedrig sei und q i bei niedriger werdenden Oberfläche?) zustand en sich die Träger oewegliohkeit an der Grenzfläche der Beweglichkeit der Träger im Inneren, (bulk carrier) annähere.

Fügt man eine positive oder eine negative Gatespannung zu der anfängliehen Schwellenspannung τοη ^ÜTO = ⁺ 2 V hinzu, so bleiben die D&ten der ^Ü _Ä-^)-Kennlinlen dieselben, wenn die Gate spannung kleiner als die kritische Sjt lnung U ist. Liegt die ftatespannung über der kritischen Spannung, ao verschieben sieh die Säten in Richtung der angelegten Spannung. Beim vorliegenden Beispiel war die kritische Spannung i 23 ... 25 V

Sie Indices 1 ... 9 in Fig· 7 (eilt Indices sind dort von Kreisen umrandet) zeigen die Folg», der angelegten größten Gatee annung (U ). Bei II » OV und

°max ^g fließendem L, erhält man die Charakteristiken mit den Indices 6 und 8; dies ist der eingeschaltete Zustand (EIN). Bei U =» 0 V ohne I^ erhält man die Kennlinien mit den Indices 7 und 9; dies ist der ausgeschaltete Zustand (AUS). Aus den Kennlinien kann man ersehen, daß der Übergang von EIK nach AUS und von AUS nach BIN wiederholt werden kann, so daß die vorliegende Erfindung als Direktzugriffsspeicher verwendet werden kann.

Fig. 8 zeigt das U^ - Lp-Kennlinienfeld entsprechend dem Index 9 der Fig. 7 bei einer maximalen Gatespannung

- 24 -

von +40 V. Piß. 8 aeigt, daß I^ > O bei U > 10 V und β o bei U C + 10 ^v. Letsteree bedeutet den auege-

Pig.9 zeigt da· Up-Ip-Kennlinlenfeld entepreohend dem Index β in Pig· 7» wobei die maximale Oatespannung .40 V betragt* Sie·· fig. zeigt, dafi Z^ ^O bei U *> 0 und Lp»© bei U < »10 7· Erster·· bedeutet den eingeschalteten Zustand (EIN).

Wie oben beschrieben, kann man dadurch, daß man •in· «Inseln· Bohioht oder mehrere Sohiohten τοη HaIblelter-Cluetern oder Halbleitcr-DUnnfilaen in dem isolierenden Überzug anordnet Uid dadurch dem isolierenden Überzug einen MI3PJs5T-Aufbau gibt, nämlloh «in· isolierende Schicht fUr das Gate, £IV- und AUS-Zuetände bei U_fi=0 Y oder bei 5 «OT erhalten» während man eine variable Sohwelleaepannung υ_χ0 verwendet (wobei ΰ «ö T als Achse der eymmetrieohen Sohwellenspannungni verwendet wird), s.B* innerhalb ·*>10 ? bis -10 7.

Durch Ausnutzen der oben erwähnten Tatsache kann man einen energieunabhängigen Speicher erhalten. Auch ermöglicht die Änderung der Sohwellenspannung U__o in positiver oder negativer Richtung in einem bestimmten Ausmaß von OV, daß der HISFEI seine dynamisch· Kennlinie ändert. Hiermit und mit dem symmetrischen KennHnien-

mit Hittelpunkt bei ObO Y, wie man se sowohl Ton der KapaBitate-Spttrmantie-Öharakterietik naeh Pig. β (B) und der U-^-Charakteristik nach TIg. 7 erhält, wird angenommen, daß «Ine naeh dem Stand der £eehnlk bekannte Grenzschicht ladung (meist positiv) und die von den Cluetern eingefangene Ladung sich voneinander durch die Stelle unterscheiden, wo diese Ladungen eingefangea werden.

- 25 -

Beispiel iι

Die··· Beispiel beschreibt den Aufbau naoh Pi#. 2 (E) und (P) alt isolierendem Übersug. Bei den Beispiel B*«* Piff, ? (A) «94 (l) U9£tn A%m Ql^utar und d«f> Bttnnfilm auf der Seite de· Substrats 5i beim vorliegenden Beispiel 4 dagegen liegen sie auf der Seit« der Elektrode 1« für welche als Werkstoff gewöhnlioh Aluminium oder Gold rerwendet wird· Hierbei sind nur Elektronen als Träger vorhanden, und die hierbei sioh ergebende Vorrichtung ist dann ein Festwertspeicher und daher eine weniger flexible Speichervorrichtung,, da keine Löcher in der Vorrichtung vorgesehen werden können, welche die einsufangenden Elektronen aufheben· Aus diesem Grunde wurden beim Versuch eine von drei Arten ▼on Verunreinigungen« nämlich i--Typ_e vom S-Typ oder beide Arten, sowie hochdotiertes Si oder äe (in der vos 10^Ί9...ί0²⁰-«Γ⁵) verwendet* »alls

ein Siliziumgate verwendet wird, wird Diboran öler Phosphin mit Silan als Verunreinigung vom B-Typ baw, ▼on Η-Typ abgeeohieden. Diese bewirken, daS iiich U_yB entweder in der Richtung naoh rechts oder in der Sichtung naoh links verschiebt, proportional sum Unterschied der Arbeitsfunktion «wischen dem Substrat und der Elektrode, und gleichseitig erhält man viele Löcher. Andernfalls existieren kaum Löcher·

Zur Herstellung des Übersmgs 2 ist nur das chemische Bediaipfinageverfahren anwendbar, anders als fur den Oberrug 4· Al« Übeixug 2 wird SLliiumnitrid mit einer Blöke von 10...100 f gebildet. Br trägt daeu bei, eine Tertmreinigting von auSen her bu verhindern.

in yig. 2 (E) und (Ρ). Dae Kennlinienfold ähnelt demjenigen nach den Fig. 2 (A) und (B) bei Bunehmender Dicke der dortigen Schicht 4· - Die Bezugseeiohen in Fig, IO haben folgende

Bezugaaeiohen Schichtdicke (R)

31 15

32 25

33 50 '54 ?00

Die Daten bei U » - 100 T waren 120 V für Δ U₁ Zur Erhöhung der «u injizierenden Ladung sollte der Abstand ku einer Infektionsquelle, also der Abstand zwischen dem Halbleitergat« 1 und den Olustern oder dem Dünnfilm V verWirzt werden. Die Senden« ähnelt den Daten nach dem Beispiel 1, Fig. 5. Das Experiment bewies» daß die cluster, z.B. die oldster T noch Fig. (E)₉ eine hohe Produktion ergeben«. ü&i Verwendung eine· Halbleiter-Dünnfilme, wi- er bei 7 in Fig. 2(F) dargestellt ist» lassen Löcher (pinholes) im isolierenden überzug 2 die eingefangene Ladung wegfließen.

£s wurde dann ermittelt, daß für eine praktisch) Verwendbarkeit der Attsführungsform nach Fig· 2 (F) die mittlere Dioke der schicht 2 mehr als 50 £ betragen sollte* Wie beim Beispiel 1 beschrieben, ist es wünschenswert, dem Siliaidgas eine kleine Menge von gasförmigem Nitrid , z.B. Ammoniak» beisumieeken* wenn Sie HaIblelterclttster erseugt werden, um ein« lange Speieherzeit sm erhalten«

In Fig. 2 stellen die Anordnungen (β), (B)₉ (I) und U) 41« Kombination τοη (A) und (S), (B) und (F),

-27- ^

(B) und (E) bzw. (P) und (A) dar, um die Jeweilige Funktion zu verdoppeln.

Die vorliegende Erfindung gibt alao u.a. die Lehie, Hftibia).teroiueter oder einen oder mear-ere ilartleiiier-Dünnf .Iu9 und einen isolierenden Überzug darauf oder seinerseits auf der Oberfläche des Halbleiters vorzusehen und dabei einen konstanten Ah tand zwischen, ihnen aufrechtzuerhalten. Sie vorliegende ^T rflndung gibt die MCttel an die Hand» um den Grad der Hysterese bei der Kapazitkts-Spannungs-Oharakteriatik zu steuern, indem ip**n die Bedingungen bei der H' rntellung der Cluster oder des Dünnfilms bzw, der DU -nflime sowie den .Abstand zwischen der Grenzfläche und ihnen ändert. Grundlage der vorliegenden Erfindung 1st ein· vom /nmelder neu entwickelte Theorie über Ladur-gs-Fangstelleu; somit, unterscheidet sich die .Erfindung emeh g«s» wesentlich vos üblieheu roC3-As££S5₉ bei des FÄSgs*·!!·» verwendet werden, die zufällig bei dieser technischen Konzeption gebildet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde» Verbesserungen bei allen /rten von Halbleitervorrichtungen zu schaffen, und insbesondere bei HIS-Peldeffektransistoren.

In der vorausgehenden Beschreibung wurde von Clustern oder von einem Dünnfilm gesprochen, da Unter« sOohnngen unter den Slektronenmlkroskop die sxistene reu ^!"ustexn allela, die listens von Btonfilm allein UIt^ die Hisehnng von beiden zeigten, ^lne Struktur mit einer Xiaofraag beider VrseheiHangs'oreen «?ehört alao ebenso In den Rahmen der Erfindung wie die reinen Sracbel mmgsfo-rmen·

Die Krfinduiig errtJglicht eine leichte und einfache

- 28 -

Herstellung, sowie die willkürliche Beeinflussung von Parametern.

Die Größe, Dichte und Dielte der Cluster kann so leicht geändert werden, daL die erfindungsgemäße Vorrichtung vielfältig verwendet werden a.a,.ri._t z.B. al3 energieurkabhun.£iücr ot-eicher, JIIo-"l<"eld.& i iekt"or&.üSietor variabler Sciiweliens^aiinun^, tt.o»

Patentanwälte Dipl.-lng. Horst Rose Dipl.-lng. Peter Kosei

Claims

PIPL-ING. HORST ROSE DIPL-ING. PETER KOSEL PaTE NTAN WALTE 3353 Bad Gandersheim, 9. Juni 1972 Postfach 129 Hohenhöten S Telefon: (05382) 284_ Telegramm-Adresse: Siedpatent BadgE-.de'Sheim Unsere Akten-Nr. 2554/3 & 71 39 683.3 Shumpei Yamazaki Scliutzansprüche

1. Halbleiteranordnung mit mindestens einem auf einem Halbleitersubstrat angeordneten isolierenden Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß Cluster (3;7) und/oder ein Dünnfilm {'s;7) aus Halbleitermaterial in einer vorbestimmten geometrischen Konfiguration, vorzugsweise schichtart.ig, im Bereich der Grenze zwischen zwei isolierenden Überzügen (2,4; 2,6) angeordnet sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere isolierende Überzüge (2,4,6,8,11) vorgesehen sind, und daß an den Grenzflächen mindestens eines Teiles (2,4,6) dieser Überzüge schichtartig angeordnete Cluster (3,7) und/oder Dünnfilme (3,7; aus Halbleitermaterial vorgesehen sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster und/oder der Dünnfilm bzw. die Dünnfilme als Ladungsfangstellen zur Steuerung des Stromflussea unter den Überzügen (2,4; 2,4,6) ausgebildet sind.

4. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als MIS-Feldeffekttransistor (Fig. 1) ausgebildet ist, dessen Anordnung aus isolierenden Schichten und Clustern und/oder einem Dünnflim bzw. Dünnfilmen (3,7) dem Gate (1) zugeordnet ist.

Ra/Hn.

Bankkonto: Norddeutsche Landeebank, Filiale Bad Ganderahelm, Kto.-Nr. 22.118.970 · Postscheckkonto: Hannover 66715

5« Halbleiteranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurci gekennzeichnet, daß die C^u?ter (3,7) und/odsr 4er Dünnfilm bzw. die Dünnfilme (3,7) aus Silizium oder Germanium ausgebildet sind.

6. Halblei ceranordnung nach ir"r destens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gel: umzeichnet, daß die isolierenden Schichten (2,4,6), welche die Cluster (3,7) und/oder den Dünnfilm bzw. die Dünnfilme (3,7) zwischen sich enthalten, aus Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, Germaniuxniitrid, Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxid oder einer Kombination einiger dieser Stoffe ausgebildet sind.

7. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Αηερ üche, dadurch gekennzeichnet, daß Cluster (3,7) ouer ein Dünnfilm (3,7) aus Halbleitermatrrial in einem Abstand von weniger als 200 A,,vorzugsweise zwischen 10 und 50 Ä, vom Halbleitersubstrat (5) angeordnet sind bzw. ist.

8. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer eine Steuerelektrode (1) aufweisenden Anordnung Cluster (7) oder ein Dünnfilm (7) aus Halbleitermaterial in einem Abstand von weniger als 200 &, vorzugsweise zwischen 10 und 100 Ä, von dieser Steuerelektrode angeordnet sind bzv*. ist.

9. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der Cluster (3,7) und/oder des Dünnfilms bzw. der Dünnfilme (3,7) mit einer Verunreinigung dotiert ist, welche eine P-Leitung oder eine N-Leitung ergibt.

713958321.9.72

10. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die isolierenden Schichten (2,4»6), welche die Cluster (3,7) und/oder den Dünnfilm bzw. die Dünnfilme (3,7) zwischen sich enthalten, arm an Clustern und vorzugsweise mindestens nahezu frei von Clustern sind«

Patentanwälte Dipl.-Ing. Horst Röee Dipl.-Ing. Peter Kotel