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DE2152225A1 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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Publication number
DE2152225A1
DE2152225A1 DE19712152225 DE2152225A DE2152225A1 DE 2152225 A1 DE2152225 A1 DE 2152225A1 DE 19712152225 DE19712152225 DE 19712152225 DE 2152225 A DE2152225 A DE 2152225A DE 2152225 A1 DE2152225 A1 DE 2152225A1
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DE
Germany
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semiconductor
thin film
clusters
cluster
silicon
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DE19712152225
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German (de)
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DE2152225B2 (en
DE2152225C3 (en
Inventor
Yuriko Sugimura
Shumpei Yamazaki
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YAMAZAKI, SYUMPEI, SHIZUOKA, JP TDK CORPORATION, T
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Description

DlPL-ING. HORST RÜSE DtPUING7PETERKOSELDlPL-ING. HORST RÜSE DtPUING 7 PETERKOSEL PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

3353 Bad Gan<Ur«h«im, 18, Oktober 1971 Ηοηβηηδίβπ 5 Telefon: (05382)28423353 Bad Gan <Ur «h« im, October 18, 1971 Ηοηβηηδίβπ 5 Telephone: (05382) 2842

Telegra'mm-Adresae: Siedpatent GandarahtlmTelegra'mm-Adresae: Siedpatent Gandarahtlm

Unaer· Akten-Nr.: 2554/3 Shumpei YAMAZAKIUnaer file no .: 2554/3 Shumpei YAMAZAKI

Patentgesuch vom 18. Oktober 1971Patent application dated October 18, 1971

Shumpei YAMAZAKIShumpei YAMAZAKI

c/o Yamazaki Kogyo Kabushiki Kaisha 9-7 1-chome Shinkawa, Shizuoka-shi, Shizuoka, Japanc / o Yamazaki Kogyo Kabushiki Kaisha 9-7 1-chome Shinkawa, Shizuoka-shi, Shizuoka, Japan

HalbleiteranordnungSemiconductor device

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem auf einem Halbleitersubstrat angeordneten isolierenden Überzug. Sie betrifft ferner tin Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung dieser Art.The invention relates to a semiconductor arrangement with at least one arranged on a semiconductor substrate insulating cover. It also relates to methods of manufacturing a semiconductor device thereof Art.

Im folgenden werden die in der Halbleiterteohnik gebräuchlichen Abkürzungen verwendet, wie sie zum Teil'bereite in die DIN-Normen Eingang gefunden haben, z.B. DIN 41 852, 41 855 oder die Vornorm DIN 41 858. Ebenso werden soweit möglich die in diesen Normen festgelegten Begriffe verwendet. Ale Abkürzungen finden u.a. Verwendung:The following are those commonly used in semiconductor technology Abbreviations used as they have partly found their way into the DIN standards, e.g. DIN 41 852, 41 855 or the pre-standard DIN 41 858. The terms specified in these standards are also used as far as possible. All abbreviations are used, among other things:

FET FeldeffekttransistorFET field effect transistor

MAS Metall-Aluminiumoxid-HalbleiterC subtrat)MAS metal-aluminum oxide semiconductorC subtrat)

MNOS Metall-Nitrid-Oxid-HalbleiterMNOS metal nitride oxide semiconductor

MIS Metall-Isolierschicht-Halbl-eiterMIS metal insulating layer half-pus

MNS Metall-Nitrid-HalbleiterMNS metal nitride semiconductor

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Bankkonto: Bratinachweiglach· Staatsbank, Filiale Bad Ganderehalm, Kto.-Nr. 22.118.970 ■ Poetecheckkonto: HennoverM715 Ra/Et NBank account: Bratinachweiglach State Bank, Bad Ganderehalm branch, account no. 22,118,970 ■ Poetecheckkonto: HennoverM715 Ra / Et N

MECNS Metall-Nitrid-Cluster-Nitrid-Halbleiter MOOS Metall-Nitrid-Cluster-. -Oxid-Halbleiter MNGIS Metall-Nitrid-Cluster-Isolierschicht-Halbleiter MINCNOS Metall-Isolierschioht-Nitrid-Cluster-Nitrid-MECNS metal-nitride-cluster-nitride-semiconductors MOOS metal-nitride-cluster-. -Oxide semiconductors MNGIS metal-nitride-cluster-insulating-layer-semiconductors MINCNOS metal-insulating-layer-nitride-cluster-nitride-

Oxid-Halbleiter
MICONS Metall-Isolierschicht-Cluster-Oxid-Nitrid-Halbleiter.
Oxide semiconductors
MICONS metal-insulating-layer-cluster-oxide-nitride-semiconductors.

In der Beschreibung werden weitere Abkürzungen verwendet, die nach demselben Prinzip gebildet sind und jeweils den grundsätzlichen Aufbau angeben. -In the description, further abbreviations are used, which are formed according to the same principle and each indicate the basic structure. -

Bei üblichen Halbleitern mit MNOS-Aufbau hat man angenommen, daß sie Fangstellen (Traps) verwenden, welche zufällig gebildet werden, und daß diese Fangstellen auf einer sogenannten Unregelmäßigkeit bzw. einem Gitterdefekt beruhen, also auf der atomaren Ebene zu suchen ■ind.In the case of conventional semiconductors with an MNOS structure, it has been assumed that they use traps which are formed randomly, and that these trapping points on a so-called irregularity or a lattice defect based, so to search on the atomic level ■ ind.

Bs ist eine Aufgabe der Erfindung, Halbleiteranordnungen der eingangs genannten Art zu verbessern und insbesondere solche Halbleiteranordnungen zu schaffen, die als Halbleiterspeicher geeignet sind.Bs is an object of the invention, semiconductor devices to improve the type mentioned at the beginning and in particular to create such semiconductor arrangements, which are suitable as semiconductor memories.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Halbleiteranordnung dadurch erreicht, daß Cluster oder ein Dünnfilm aus Halbleitermaterial schichtartig an der Grenze zwisohen zwei isolierenden Überzügen angeordnet sind. Der Erfinder hat nämlich gefunden, daß die Hystereseersoheinungen, welche in den Kapazitäts-Spannungs-Eennlinien von Halbleiteranordnungen mit MIS-Aufbau und bei MNS- und MNOS-Aufbauten, auf die Cluiter oder den Dünnfilm zurückzuführen sind, welche bzw. welcher im isolierenden Überzug vorhanden sind bzw.According to the invention, this is the case with one mentioned at the beginning Semiconductor arrangement achieved in that clusters or a thin film of semiconductor material layered are arranged at the boundary between two insulating coatings. Namely, the inventor found that the hysteresis signals, which are in the capacitance-voltage curves of semiconductor arrangements with MIS structure and in MNS and MNOS structures to the Cluiter or the thin film, which or which are present in the insulating coating or

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ist und welche als Fangstellen für Elektronen und löcher wirken, und zwar zusätzlich zu den obengenannten Defekten auf 'der atomaren Ebene. Durch die Erfindung werden nun die Cluster oder der Dünnfilm in einer beetimmten räumlichen Anordnung vorgesehen, die sich als besonders günstig erwiesen hat, um die an den Clustern 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 Halbleitermaterial 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 besonderem Vorteil so ausgebildet, daß mindestens die isolierenden Schichten, welche die Cluster oder den Dünnfilm bzw. die Dünnfilme zwischen sich enthalten, arm an Clustern oder vorzugsweise mindestens sehr weitgehend frei von Clustern sind.is and which act as trapping points for electrons and holes, in addition to the above Defects on the atomic level. With the invention, the cluster or the thin film are now in a certain spatial arrangement provided, which has proven to be particularly favorable to the clusters or to control the charge to be captured by the thin film and thus also the current flowing under this layer and to provide a semiconductor device suitable for storage purposes. The semiconductor material is advantageous here the cluster or the thin film (s) are doped with an impurity which is a P-line or an N-line results. Furthermore, the Semiconductor arrangement designed with particular advantage so that at least the insulating layers, which the clusters or the thin film or the thin films contain between them, poor in clusters or preferably at least are very largely free of clusters.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen solcher Halbleiteranordnungen ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:A method according to the invention for producing such semiconductor arrangements is characterized by the following process steps:

1. daß auf einem Halbleitersubstrat eine ein- oder mehrschichtige Isolierschicht erzeugt wird,1. that a single or multilayer insulating layer is produced on a semiconductor substrate,

2. daß auf der Isolierschicht Halbleiter-Clustern oder ein Halbleiter-Dünnfilm erzeugt werden bzw. wird, und2. that semiconductor clusters or a semiconductor thin film are or will be produced on the insulating layer, and

3β daß eine mindestens clusterarme isolierende Schicht auf den Halbleiter-Clustern oder dem Halbleiter-Dünnfilm ausgebildet wird.3β that an at least cluster-poor insulating layer is formed on the semiconductor clusters or the semiconductor thin film.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Aus-Further details and advantageous developments of the invention emerge from the following described and shown in the drawing

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führungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen.management examples, as well as from the subclaims.

Es zeigenShow it

Pig« 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen MISPET,Pig «1 shows a cross section through a MISPET according to the invention,

Figo 2 zehn verschiedene Ausführungsformen für erfindungsgemäße Halbleiteranordnungen,Figo 2 ten different embodiments for semiconductor arrangements according to the invention,

Figo 3 (A) eine Energiebanddarstellung für die Ausführungsformen nach Pig. 2 (A) und (B),Fig. 3 (A) is an energy band diagram for the embodiments after Pig. 2 (A) and (B),

Pigο 3 (B) eine Energiebanddarstellung für die Ausführungsformen nach Pig. 2 (θ) und (D), Pigο 3 (B) an energy band representation for the embodiments according to Pig. 2 (θ) and (D),

Pig. 4 und 5 Meßwerte von einem Versuch mit einem MNCNS-Aufbau,Pig. 4 and 5 measured values from an experiment with an MNCNS setup,

Pig. 6 Meßwerte von einem Versuch mit einem MHCHOS-Aufbau, Pig. 6 measured values from an experiment with an MHCHOS setup,

Pig. I1 8, 9 Meßwerte von einem MISPET, welcher den Aufbau nach Pig. 2 (A) und (B) als Gate verwendet, undPig. I 1 8, 9 measured values from a MISPET, which has the structure according to Pig. 2 (A) and (B) used as gate, and

Pig. 10 das- Kapazitäts-Spannungs-Kennlinienfeld einer MHGNS-Diode, welche den Aufbau nach den Pig. 2 (E) und (P) aufweist.Pig. 10 the capacitance-voltage characteristic field of a MHGNS diode, which is based on the Pig. 2 (E) and (P).

Der im folgenden beschriebene Aufbau eines Isolierüberzugs eignet sich u.a. für eine Halbleiter-Speicheranordnung. Es werden Halbleiter-öluster oder Halbleiter-Dünnfilmschichten an vorgegebenen G-renzflächen oder in ihrer Nähe angeordnet, wobei ein isolierender Überzug mit zwei oder mehr Schichten auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, und es wird auf diese Weise möglich, die Ladung zu steuern, die an den Clustern oder der Dünnfilmschicht eingefangen bzw, angesammelt wird, und zwar kann diese Ladung hinsichtlich Polarität und MengeThe structure of an insulating coating described below is suitable, among other things, for a semiconductor memory device. There are semiconductor oil or thin film layers on predetermined boundary surfaces or in placed near them, with an insulating coating of two or more layers on a semiconductor substrate is formed, and in this way it becomes possible to control the charge that is applied to the clusters or the Thin-film layer is captured or accumulated, and this charge can be in terms of polarity and amount

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gesteuert werden, und damit wird es auch möglich, den Strom zu steuern, welcher im Halbleiter unter diesen Überzügen fließt.can be controlled, and this also makes it possible to use the Control current flowing in the semiconductor under these coatings.

Als Halbleiteranordnungen, welche die Verwendung von Fangstellen in ihren Isolierschichten aufweisen, sind bisher MESFET und MOSi1ET bekannt geworden. Man hat die Fangstellen im MlS- oder MNOS-Aufbau als eine Folge der Ungleichmäßigkeit der atomaren Größe infolge unerwarteter Änderungen während der Herstellung angesehen. MESFET and MOSi 1 ET have so far become known as semiconductor arrangements which have the use of trapping points in their insulating layers. The traps in the MIS or MNOS structure have been viewed as a result of the non-uniformity of atomic size due to unexpected changes during manufacture.

Demzufolge ist es bei diesen bekannten Anordnungen schwierig, die eingefangenen Träger (Elektronen oder Löcher) zu steuern, da es schwierig ist, die Mengen der Fangstellen und ihre Abstände von der Grenzfläche zu bestimmen.As a result, it is difficult with these known arrangements to remove the trapped carriers (electrons or Holes) as it is difficult to control the quantities of traps and their distances from the interface to determine.

Der Erfinder ging von der Annahme aus, daß Metalloder Halbleitercluster gleichförmig im Isolator verteilt sind und - neben den Unregelmäßigkeiten von atomarer Größe - als Fangstellen für die gefangenen Träger wirken, und zwar in der Nähe der Cluster«,The inventor assumed that metal or semiconductor clusters were uniformly distributed in the insulator are and - in addition to the irregularities of atomic size - act as trapping points for the captured porters, in the vicinity of the clusters «,

Wenn also ein clusterarmer oder clusterfreier isolierender Überzug erzeugt wird, so hat dieser wenige oder keine Fangstellen. Wenn Cluster oder ein Dünnfilm aus Halbleitermaterial zwischen solchen clusterarmen oder clusterfreien isolierenden Überzügen angeordnet werden, ist es möglich, die Menge der Fangstellen und ihren Abstand von der Grenzfläche zu bestimmen und daduroh die Möglichkeit der Steuerung duroh eingefangene Träger zu beweisen. Dies wird durch die Erfindung erreicht, wodurch sich vielfältige neue Möglichkeiten ergeben, wie sie im folgenden an Beispielen beschrieben sind.So if a low-cluster or cluster-free insulating coating is produced, it has few or no traps. When clusters or a thin film of semiconductor material between such poor clusters or cluster-free insulating coatings are arranged, it is possible to determine the number of traps and their To determine the distance from the interface and thereby the possibility of control duroh captured Prove carrier. This is achieved by the invention, which results in a variety of new possibilities as described in the following examples.

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Die Erfindung "betrifft ferner den Aufbau des Isolierüberzugs, bei dem die Cluster oder der Dünnfilm von isolierenden Schichten umgeben sind.The invention "also relates to the structure of the insulating coating, in which the clusters or the thin film are surrounded by insulating layers.

Unter Glustern oder Dünnfilm soll eine Fangsteile für Ladungen wie auch die Form dieser Bestandteile verstanden werden, wie sie im folgenden, insbesondere auch an Hand der Zeichnung,noch ausführlich erläutert und beschrieben werden.A catch part should be placed under glitter or thin film understood for charges as well as the form of these components are, as they are explained in detail below, in particular with reference to the drawing to be discribed.

Der Erfinder hat ermittelt, daß es unzweckmäßig ist, die Cluster in der Dickenrichtung der Überzüge zu verteilen, da 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 unregelmäßigem Abstand, z.B. engem Abstand an einem bestimmten Punkt, werden dort Ladungen eingefangen, und das Energieband des Halbleiters in der Nähe der Grenzfläche wird verformt und die Stromcharakteristik in der Nähe der Grenzfläche des Halbleitersubstrats wird sohlechter. Daraus folgt, daß wann der Strom im Halbleitersubstrat dadurch gesteuert werden soll, daß man Polarität und Menge der in den Fangstellen gefangenen Ladung ändert, diese Ladung gleichförmig und mit konstanter Dichte verteilt werden sollte, wobei der Abstand von der G-renzfläohe konstant gehalten werden sollte. Dies wurde experimentell beetätigt. Die vorliegende Er- , findung toizieht eich also auf einen günstigen Aufbau, wie er in der vorstehenden Diskussion der Wirkungsweise der Fangstellen erläutert wurde, und auf eine vorteilhafte Art seiner Herstellung.The inventor has found that it is impractical to distribute the clusters in the thickness direction of the coatings because they function as leakage current paths for direct current. Furthermore, the inventor has determined that it depends on the distance from the interface to the clusters whether the clusters capture the carriers (electrons or holes). If the distance is irregular, for example a close distance at a certain point, charges are trapped there, and the energy band of the semiconductor in the vicinity of the interface is deformed and the current characteristic in the vicinity of the interface of the semiconductor substrate becomes smoother. From this it follows that when the current in the semiconductor substrate is to be controlled by changing the polarity and amount of the charge trapped in the traps, this charge should be distributed uniformly and with a constant density, the distance from the boundary surface should be kept constant . This has been confirmed experimentally. This Er, the invention toizieht calibrated so a favorable structure as explained in the foregoing discussion of the operation of the trap, and in an advantageous manner of preparation.

In der folgenden Beschreibung bedeutet isolierende Schioht oder isolierender Überzug eine Einzelsohioht desIn the following description, insulating layer or insulating coating means a single layer

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Isolators, während unter Isolierüberzug gattungsmäßig der gesamte, gewöhnlich mehrschichtige Aufbau aus isolierenden Schichten, Halbleiterclustern und/oder Halbleiter-Dünnfilm(en) verstanden wird.Isolator, while generically the entire, usually multilayer structure under insulating cover insulating layers, semiconductor clusters and / or semiconductor thin film (s) is understood.

Pig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen MISPET, "bei dem die vorliegende Erfindung zur Herstellung des Gate verwendet wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Halbleitervorrichtung, z.B. ein FET, ein MISFET vom Selbsteinstelltyp mit Siliziumgate, ein üblicher MISFET, ein DSAMISFET etc. eine Vorrichtung darstellen soll, welche als Sensor wirkt, der die vorliegende Erfindung verwendet. Mit anderen Worten: Wird die vorliegende Erfindung für einen Direktzugriffsspeicher verwendet, so soll eine solche Halbleitervorrichtung die Information abfühlen, die im Isolierüberzug gespeichert ist. Wird die vorliegende Erfindung dazu benutzt, um die Schwellenspannung Um0 relativ zu den Betriebsspannungen der Halbleitervorrichtung zu verändern, bo spielt die vorliegende Erfindung eine zweite Rolle.Pig. Fig. 1 shows a cross section of a MISPET in which the present invention is used to manufacture the gate. It should be noted that the semiconductor device, e.g. In other words, when the present invention is applied to a random access memory, such a semiconductor device is intended to sense the information stored in the insulating coating. In order to change the threshold voltage Um 0 relative to the operating voltages of the semiconductor device bo, the present invention plays a second role.

Bei Fig. 1 wird die vorliegende Erfindung zur Herstellung des Gate des MISFET 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 Bezugszeichen 3 bezeichnet), einem Halbleitersubstrat 5, das hier aus P-Silizium besteht, und einer unteren Elektrode 17. Der Strom in der Halbleitervorrichtung fließt durch die Leitung 13» die Source 14» den unter dem Gate liegenden Kanal, den Drain 16 und die Anschlußleitung 15 des Drain. Siliziumoxid wird zum Isolieren der Anschlußleitungen und desReferring to Figure 1, the present invention is used to fabricate the gate of the MISFET. An MIS construction consists of a layer 1 made of metal or doped silicon or germanium, insulating layers 2, 4, olusters or a thin film made of semiconductor material (both designated with the reference number 3 ), a semiconductor substrate 5, which here consists of P-silicon, and a lower electrode 17. The current in the semiconductor device flows through the line 13 »the source 14» the under-gate channel, the drain 16 and the lead 15 of the drain. Silicon oxide is used to insulate the leads and the

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Substrats verwendet, wodurch die Streukapazität zwischen ihnen verkleinert wird.Substrate used, whereby the stray capacitance between them is reduced.

Fig. 2 zeigt den Aufbau verschiedener Ausführungsformen, der vorliegenden Erfindung. Dabei bedeutet jeweils das Bezugszeiehen 1 eine Leiterelektrode; mit 2, 4, 6, 8 und 11 werden isolierende Schichten bezeichnet, und mit 3 und 7 Cluster oder ein Dtinnfilm aus Halbleitermaterial. Als Leiterelektrode werden neben Metallen wie Aluminium, Gold, Titan, Platin, etc. Verunreinigungen vom P- oder N-Typ verwendet, die aus ein- oder beidseitig dotiertem mehrkristallinem Silizium oder Germanium hergestellt sind. Die Cluster, die in den Pig. 2 (A), (C), (E), (G), (I), (J), (K), (L) dargestellt sind, haben etwa d.J e Form von Halbkugeln und sind ebenso wie die Dünnfilme aus Silizium oder Germanium hergestellt. Eine Elektronen-Mikrograp&ie ergibt, daß die Cluster in zusammengedrückter Form sowie als Halbkugel ausgebildet sind und Durchmesser in der Größenordnung von einigen zehn L bis 3000 £ haben. Die schräg schraffierten Flächen in den Fig. 2 (B), (D), (F) f (H), (I) und (J) stellen den Halbleiter-Dünnfilm dar. Infolge von Meßschwierigkeiten konnte die genaue Dicke des Dünnfilme nicht ermittelt werden, jedoch wird angenommen, daß sie durchschnittlich im Bereich von 5 bi· 300 i liegt.Fig. 2 shows the structure of various embodiments of the present invention. The reference number 1 denotes a conductor electrode; 2, 4, 6, 8 and 11 denote insulating layers, and 3 and 7 clusters or a thin film of semiconductor material. In addition to metals such as aluminum, gold, titanium, platinum, etc., impurities of the P or N type, which are made from single or double-sided doped multicrystalline silicon or germanium, are used as conductor electrodes. The clusters that are in the Pig. 2 (A), (C), (E), (G), (I), (J), (K), (L) have about d. The shape of hemispheres and, like the thin films, are made of silicon or germanium. An electron micrograph shows that the clusters are compressed and formed as a hemisphere and have a diameter of the order of a few tens of liters to 3000 pounds. The diagonally hatched areas in Figs. 2 (B), (D), (F), (H), (I) and (J) represent the semiconductor thin film. Due to measurement difficulties, the exact thickness of the thin film could not be determined but it is believed to be in the range of 5 to 300 i on average.

Die isolierende Schicht 2, welche in engem Kontakt mit den Halbleiter-Clustem bzw. dem Halbleiter-Dünnfilm steht, muß gegen die Wärmebehandlung geschützt werden, und aus diesem Grund ist für den Überzugswerkstoff entweder Siliciumnitrid, Siliisiumoxinitrid, Germaniumnitrid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Tantaloxid oder Titanoxid verwendet worden. Abhängig von der Verwendung hat man auch eine Kombination dieser Werkstoffe gewählt. ImThe insulating layer 2, which is in close contact with the semiconductor clusters or the semiconductor thin film must be protected against the heat treatment, and for this reason is for the coating material either Silicon nitride, silicon oxynitride, germanium nitride, Silicon oxide, aluminum oxide, tantalum oxide or titanium oxide have been used. Depending on the use one has a combination of these materials was also chosen. in the

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allgemeinen erzeugt ein Oxid Sauerstoff, wenn es einer Wärmebehandlung unterzogen wird, und das Gas reagiert mit den Olustern oder dem Dünnfilm und gibt ihnen eine zusammengepreßte Form. Aue diesem Grunde wird erfindungsgemäß meist Siliziumnitrid verwendet. Bs sollte darauf geachtet werden, daß Silizium- oder Germaniumcluster Im wesentlichen aus der Schicht 2 ausgeschlossen werden*generally, an oxide generates oxygen when subjected to heat treatment, and the gas reacts with it the oluster or the thin film and gives them a compressed shape. Aue for this reason is the invention mostly silicon nitride used. Care should be taken to ensure that silicon or germanium clusters Im be excluded from layer 2 *

In Pig. 2 (A), (B), (B), (P), (G), (H), (I), (J) und (K) wird eine Binzelschicht der aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Germaniumnitrid hergestellten Isolierschicht unter den Halbleiteralustern oder dem Halbleiter-Dünnfilm verwendet. In Pig. 2(C), (D) und (L) werden Mehrfachechichten bestehend aus den Überzügen 4 und 11 verwendet.In Pig. 2 (A), (B), (B), (P), (G), (H), (I), (J) and (K) a single layer of silicon oxide, Silicon nitride or germanium nitride made insulating layer under the semiconductor patterns or the Semiconductor thin film used. In Pig. 2 (C), (D) and (L) are multiple layers consisting of the coatings 4 and 11 used.

Bei einem Silizium-Halbleitersubstrat wird ein Siliziumoxidüberzug mit einer Dicke von weniger als 200 £, typisch zwischen 10 und 50 1, mit einem daraufliegenden isolierenden Überzug aus Siliziumnitrid oder Germaniumnitrid gewählt, weloher Überzug eine Dicke von etwa 200 A, typisch «wischen 10 und 50 £, aufweist. Im allgemeinen bildet ein Siliziumhalbleiter leicht Siliziumoxid auf «einer Oberfläche, und dies nacht die Oberfläche stabil. Wenn jedoch das Siliziumoxid bei der Wärmebehandlung nit den Halbleiterolustern oder dem Dünnfilm reagiert, werden dadurch die leolieraharakterietik, die Grenzsohiohtcharakteristik etc. schlechter. Zum Überwinden dieser Schwierigkeiten wird «in wftrmefeeter Nitridfiim 4 auf der Oberfläche des Siliziumoxids 11 gebildet, und dann werden die Halbleiterclueter bzw. der Halbleiter-Dünnfilm auf dem Nitridfilm 4 gebildet.In the case of a silicon semiconductor substrate, a silicon oxide coating with a thickness of less than 200 pounds, typically between 10 and 50 1, with an insulating coating made of silicon nitride or germanium nitride on top chosen which coating has a thickness of about 200 A, typically between £ 10 and £ 50. In general A silicon semiconductor easily forms silicon oxide on a surface, making the surface stable. However, if the silicon oxide in the heat treatment reacts with the semiconductor olusters or the thin film, thereby the leolieraharakterietik, the Grenzsohiohtcharakteristik etc. worse. To overcome these difficulties, nitride film is used in hot water 4 is formed on the surface of the silicon oxide 11, and then the semiconductor clueter or the semiconductor thin film formed on the nitride film 4.

In Pig. 2 (K) und (L) besteht die Isolierschicht aus einem Nitridüberzug 2 und einem anderen isolii?aoi:aoiiIn Pig. 2 (K) and (L) does the insulating layer consist of a nitride coating 2 and another isolii? a oi: aoii

- ίο -- ίο -

Überzug, z.B. Siliziumoxid, dotiertem Siliziumoxidj oder einem Überzug mit höherer Dielektrizitätskonstante wie Tantaloxid oder Titanoxid, Der Hitridüberzug wird auf letzterem Überzug ausgebildet, so daS die Isolierschicht monolithisch ist. Die Dicke des Isolierüberzugs liegt etwa im Bereich von 300 bis 3000 £, entsprechend der vorliegenden Verfahrenstechnik.Coating, e.g. silicon oxide, doped silicon oxide j or a coating with a higher dielectric constant such as tantalum oxide or titanium oxide. The nitride coating is formed on the latter coating so that the insulating layer is monolithic. The thickness of the insulating coating is roughly in the range of £ 300 to £ 3000, accordingly the present process engineering.

Wie oben beschrieben und in Fig. 2 dargestellt, bestehen also nach der Erfindung verschiedene Möglichkeiten für den G-rundaufbau einer Isolierschicht s Entweder eine Dreifachsohicht, in der die Cluster nach den im folgenden zu erörternden Schritten hergestellt und sohiohtartig angeordnet eindj oder Ausbildung der isolierenden Schicht 2 auf den Haibleiterclustern oder dem Dünnfilm 3, die oder der auf dem isolierenden Einschichtüberzug 4 oder den isolierenden Mehrschicht-Überzügen 4 und 11 ausgebildet lind bzw, ist. Die Überzüge sind als dünne Überzüge auf dem Halbleitersubstrat 5 auszubilden. In der Zeichnung aind zwei Schichten von isolierenden Überzügen dargestellt, jedoch kann die Zahl der Überzüge erhöht werden.As described above and shown in FIG. 2, there are various possibilities according to the invention for the basic structure of an insulating layer s Either a triple layer in which the clusters after the in the following steps to be discussed manufactured and arranged in a row or formation of the insulating Layer 2 on the semiconductor clusters or the Thin film 3 deposited on the single-layer insulating coating or multilayer insulating coatings 4 and 11 is formed or is. The coatings are as to form thin coatings on the semiconductor substrate 5. In the drawing there are two layers of insulating Coatings shown, but the number of coatings can be increased.

Ale Material für die Cluster oder den Dünnfilm kann entweder Metall oder ein Halbleiter verwendet werden, jedoch wurden bei ϋ·η Versuchen Halbleiter wie Si oder Ge verwendet, weil Metall die Charakteristik von Kapazität zu Gatespannung in einer positiven Richtung nicht reversibel vereohieben würde, während ein Halbleiter eine reversible Hyetereeecharakteristik aufweist.All material for the clusters or the thin film can be either metal or a semiconductor, however semiconductors such as Si or Ge were used in ϋ η experiments because metal would not reversibly change the capacitance-to-gate voltage characteristic in a positive direction while a Semiconductor has a reversible hygienic characteristic.

Bei einer Ausführungsform werden die Cluster oder der Dünnfilm aus Si durch chemische Bedampfung mit Silan, Vakuumverdampfung oder Siliziumzerstäubung hergestellt, und die Cluster oder der Dünnfilm aus GeIn one embodiment, the clusters or the thin film are made of Si by chemical vapor deposition Silane, vacuum evaporation or silicon sputtering is made, and the cluster or thin film is made of Ge

wird durch Vakuumverdampfung oder Pyrolyse von Germaniumwasserstoff hergestellt. Im Falle der Clusterherstellung durch Vakuumverdampfung wurde experimentell ermittelt, daß die Oberfläche, an der die Cluster ausgebildet werden sollen, auf einer niedrigeren Temperatur ohne Vorerwärmung und bei etwa 30O0C gehalten werden soll. Auch war die chemische Bedampfung mit Silan beim experimentellen Verfahren leicht, verglichen mit der Verwendung eines reaktiven Gaees wie SiH2Cl2, SiHCl.,,is made by vacuum evaporation or pyrolysis of germanium hydrogen. In the case of producing cluster by vacuum evaporation has been experimentally determined that the surface on which the clusters are to be formed, to be maintained at a lower temperature without pre-heating and at about 30O 0 C. Also, chemical vapor deposition with silane in the experimental method was easy compared to the use of a reactive gas such as SiH 2 Cl 2 , SiHCl. ,,

SiCl- etc. Falls eine dreibasische oder fünfbasische 4SiCl- etc. If a three-basic or five-basic 4th

Verunreinigung wie Phosphor oder Bor, die für das Halbleitersubstrat zu verwenden ist, mit diesen reaktiven Gasen dotiert ist, wodurch die Cluster oder der Dünnfilm mit B- oder N-leitung versehen werden bzw. wird, kann das Niveau im Energieband der Cluster geändert werden. Zusätzlich kann eine Mischung von Metall und Halbleiter für die Cluster oder den Dünnfilm verwendet werden.Impurity such as phosphorus or boron, which is responsible for the semiconductor substrate is to be used, is doped with these reactive gases, creating the cluster or the thin film be or will be provided with a B or N line the level in the energy band of the clusters can be changed. In addition, a mixture of metal and semiconductors can be used can be used for the cluster or the thin film.

Fig. 3 zeigt Energiebänder für die Aufbauten nach Fig. 2(A), (B), (C) und (D). Bei der Anordnung nach Fig. 3 (A) werden ein Metallgate 1 aus Aluminium, eine Siliziumnitridschicht 2, Cluster oder ein Dünnfilm 3 aus Silizium, eine Siliziumnitridschicht 4 und ein Halbleitersubstrat 5 verwendet! diese Anordnung hat also die Struktur MNCNS (Metall-Nitrid-Cluster-Nitrid-Substrat). Es ist darauf hinzuweisen, daß die Siliziumcluster dazu ausgebildet werden, als Fangstellen Elektronen oder Löcher zu fangen, und daß sie dieselbe Bandkonfiguration haben wie das Siliziumsubstrat. Aus diesem G-runde werden nach, der vorliegenden Erfindung nicht die bisher üblichen Fangstellen von Atomgröße verwendet, welche normalerweise mehr als eine Mikrosekunde zur Injektion und Rekombination von Trägern erfordern. Vielmehr werden Elemente verwendet,Fig. 3 shows energy bands for the structures of Fig. 2 (A), (B), (C) and (D). When arranging according to 3 (A), a metal gate 1 made of aluminum, a silicon nitride layer 2, clusters or a thin film 3 are shown made of silicon, a silicon nitride layer 4 and a semiconductor substrate 5 are used! so this arrangement has the Structure MNCNS (metal nitride cluster nitride substrate). It should be noted that the silicon clusters do this designed to trap electrons or holes as trapping sites and that they have the same ribbon configuration like the silicon substrate. For this reason, according to the present invention, the previously customary ones do not become Atom-sized traps are used, which normally take more than a microsecond for injection and recombination require from carriers. Rather, elements are used

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welche sich aus der Anwesenheit der Cluster und/oder des Dünnfilms ergeben. Hierdurch unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihrem technischen Konzept vollständig von der üblichen MNOS-Struktur.which results from the presence of the cluster and / or of the thin film. As a result, the present invention differs completely in its technical concept from the usual MNOS structure.

Fig. 3 (B) entspricht den Pig. 2 (0) und (D) und weist ein Metallgate 1 aus Aluminium, eine Schicht 2 aus Siliziumnitrid, Cluster oder einen Dünnfilm 3 aus Silizium, eine Schicht 4 aus Siliziumnitrid, eine Siliziumoxidschicht 11 und ein Silizium-Halbleitersubstrat 5 auf, und hat demzufolge die Struktur JBaTCUTOS. (Die vorstehend angegebenen Stoffe wurden bei den Versuchen verwendet; sie stellen nur Beispiele dar).Fig. 3 (B) corresponds to the Pig. 2 (0) and (D) and has a metal gate 1 made of aluminum, a layer 2 of silicon nitride, cluster or a thin film 3 of silicon, a layer 4 of silicon nitride, a Silicon oxide layer 11 and a silicon semiconductor substrate 5, and consequently has the structure JBaTCUTOS. (The above specified substances were used in the tests; they are only examples).

Gegebenenfalls kann das Halbleitersubstrat 5 aus Germanium, Galliumarsenid etc. anstatt aus Silizium bestehen. Obwohl die Bandstruktur dazu nicht dieselbe iat, soll der Werkstoff für die Schichten 2, 4 Silisiumnitrid oder Germaniumnitrid sein, der Werkstoff fürThe semiconductor substrate 5 can optionally be made of germanium, gallium arsenide, etc. instead of silicon exist. Although the band structure is not the same, the material for the layers 2, 4 should be silicon nitride or germanium nitride, the material for

das Gate 1 soll dotiertes Si oder Ge sein, und der für 3 Germanium.
Beispiel 1;
the gate 1 should be doped Si or Ge, and that for 3 germanium.
Example 1;

Dieses bezieht sich auf Fig. 2 (A) und (B). Die folgende Diskussion gibt die Einzelheiten der Herstellung der MNCIS-Struktur und ihr Ergebnis an. Hierbei steht "I" für "isolierender Überzug".This refers to Figs. 2 (A) and (B). The following discussion gives the details of manufacture the MNCIS structure and its result. Here stands "I" for "insulating coating".

Silizium, Germanium, Galliumarsenid etc. können für das Halbleitersubstrat verwendet werden; beim Versuch wurde ein Siliziumhalbleiter mit einer Verunreinigungs-Silicon, germanium, gallium arsenide, etc. can be used for the semiconductor substrate; while trying a silicon semiconductor with an impurity

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dichte von No = 1 χ 10 cm und der Kristallorientierung 100 verwendet. Nach der Reinigung des Halbleiter Substrats wurden die isolierenden Überzüge 2 und 4 mittels Festkörperdampfreaktions-Niederschlag und chemischer Bedampfung aufgebracht. Beim ersteren Verfahrensschritt
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density of No = 1 χ 10 cm and the crystal orientation 100 are used. After cleaning the semiconductor substrate, the insulating coatings 2 and 4 were applied by means of solid-state vapor reaction precipitation and chemical vapor deposition. In the former process step

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wurde das Substrat zur thermischen Oxidation entweder in trockenen oder in nassen Sauerstoff bei einer Temperatur von 500 bis 11000G gebracht. Die Zeit von 5 Sekunden bis zu einer Minute wurde für thermische Oxidation bei 900 bis 1100°0 benötigt. Beim letzteren Verfahrensschritt wurde das Substrat entweder in Stickstoff oder in Ammoniak bei 1000bis 155O0O gebracht, um einen Siliziumnitridüberzug auf ihm zu erzeugen. Es ergab sich eine Überzugsdicke von weniger als 100 & bei 1150 ... 12000G in 10 Minuten bis einer Stunde.the substrate for the thermal oxidation was placed either in dry or in wet oxygen at a temperature 500 to 1100 G 0. The time from 5 seconds to a minute was required for thermal oxidation at 900 to 1100 ° 0. In the latter process step, the substrate was placed in either nitrogen or ammonia at 1000 to 1550 0 O to produce a silicon nitride coating on it. The result was a coating thickness of less than 100% at 1150 ... 1200 0 G in 10 minutes to one hour.

Ein Siliziumoxidüberzug mit einer Dicke von weniger als 200 α wurde durch chemische Heaktion zwischen Silan von 0,1 ml/min und Sauerstoff von 10 bis 500 ml/min mit einem Stickstoff-Trägergas von 5 l/min bei 200 bis 5000G erzielt.A silica coating having a thickness of less than 200 α was obtained by chemical Heaktion between silane of 0.1 ml / min and oxygen of 10 to 500 ml / min with a nitrogen carrier gas of 5 l / min at 200 to 500 0 G.

Ein Siliziumnitridüberzug wurde dadurch erzeugt, daß Silan oder SiH2CIg oder SiHGl, oder SiGl, bei 500 bis 9000C zur Reaktion mit Ammoniak oder Hydrazin gebracht wurde. Die einzelnen Angaben sind wie folgt:A Siliziumnitridüberzug was produced in that silane or SiH 2 CIG or SiHGl or Sigl, was reacted at 500 to 900 0 C for reaction with ammonia or hydrazine. The details are as follows:

Silan oder SiH2Cl2 : 0,2 bis 0,4 ml/min Ammoniak: 100 bis 300 ml/minSilane or SiH 2 Cl 2 : 0.2 to 0.4 ml / min. Ammonia: 100 to 300 ml / min

Stickstoff-Trägergas: 2,5 l/min bei SilizidNitrogen carrier gas: 2.5 l / min for silicide

0,5 l/min bei Ammoniak Ofen : Vertikaler Reaktionsofen mit0.5 l / min for ammonia furnace: vertical reaction furnace with

reduziertem nickeloxid alsreduced nickel oxide than

Katalysator zum Aktivieren desCatalyst to activate the

Ammoniaks.Ammonia.

Der sich ergebende Siliziumnitrid-Überzug enthielt keine Cluster oder eine vernachlässigbare Menge von Clustern. Falls man weniger als 100 ppm Sauerstoff oder Stickstoffoxid zum Reaktionsgas nachThe resulting silicon nitride coating contained no clusters or a negligible amount of Cluster. If you add less than 100 ppm oxygen or nitrogen oxide to the reaction gas

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dem obigen Verfahren hinzufügte, ergab sich Siliziumoxinitrid, also eine Oxid-Nitrid-Mischverbindung.Adding to the above procedure resulted in silicon oxynitride, thus an oxide-nitride mixed compound.

Germaniumnitrid wurde erzeugt duch Reaktion von GeH^ oder GeGl. mit Ammoniak bei 400 bis 7000C. Germaniumwasserstoff von 0,2 ... 0,4 ml/min wurde benutzt, wobei die Temperatur des Substrats beim Versuch bei 55O0C gehalten wurde. Die anderen Daten blieben dieselben wie beim Herstellen des Siliziumnitridüberzugs.Germanium nitride was produced by the reaction of GeH ^ or GeGl. with ammonia at 400 to 700 0 C. germane of 0.2 ... 0.4 ml / min was used, with the temperature of the substrate was maintained at the test at 55O 0 C. The other data remained the same as when the silicon nitride coating was made.

Die chemische Bedampfung unter Verwendung von Silizium- oder Germaniumwasserstoff war ein wirkungsvolles Verfahren für die Cluster oder den Dünnfilm, jedoch erleichterte die Verwendung von SiHpCIo die Herstellung· Bei letzterem Verfahren wurde bei Ammoniak ein Wasserstoff-Trägergas mit 0,5 l/min und bei SiHpCIp ein Stickstoff-Trägergas mit 2,5 l/min verwendet. Ein Halogenid von Silizium oder Germanium, z.B· Siliziumtetrachlorid, Germaniumtetrachlorid oder Trichlorsilan, kann beim Herstellen verwendet werden, jedoch wurden Silan und Germaniumwasserstoff gewählt, weil sie leichter verarbeitet werden können. Mit diesen kann ein Gas von Silizium oder Germanium, Ammoniak oder Hydrazin, welche beide ein geringeres Gasvolumen haben als die ersteren, verwendet werden, um die Clusterabscheldung zu erhöhen,, Außer dem obigen kann auch Vakuumverdampfung oder Zerstäubung verwendet werden, jedoch erfordern diese zur Erzeugung des Bestandteils 3 eine von der für die Herstellung des Siliziumnitridüberzugs bestimmten Station getrennte Station. Deshalb wird hierbei die Oberfläche der Cluster oder des Dünnfilms verschmutzt oder oxidiert.Chemical vapor deposition using silicon or germanium hydrogen has been effective Method for the cluster or the thin film, however, the use of SiHpCIo facilitated the Production · In the latter process, a hydrogen carrier gas was used with ammonia at 0.5 l / min and with SiHpClp a nitrogen carrier gas at 2.5 l / min is used. A halide of silicon or germanium, e.g. silicon tetrachloride, Germanium tetrachloride, or trichlorosilane, can be used in manufacturing, however, were Silane and germanium hydrogen chosen because they are easier to process. With these a gas of Silicon or germanium, ammonia or hydrazine, both of which have a smaller gas volume than the former, used to increase cluster logoff, In addition to the above, vacuum evaporation or atomization can also be used, but these require Production of the component 3 one of the for the production station separate from the silicon nitride coating. That is why this is where the surface the cluster or the thin film becomes dirty or oxidized.

Fig. 4 zeigt das Ergebnis, das man bei einem MNCNS-Aufbau erhält, welcher für die Schicht 2 und dieFIG. 4 shows the result obtained with an MNCNS structure which is used for layer 2 and the

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Schicht 4 einen Siliziumnitridüberzug durch chemische Bedampfung verwendet. Die Gesamtdicke des Überzugs "betrug 1250 JL Fig. 4 basiert auf den allgemeinen Kapazität s-Spannungs-Charakteristiken der MNCNS-Struktur, wie sie z.Be Pig. 6 zeigt. In Fig. 4 stellt die x-Achse die Gatespannung oder die Feldstärke und die y-Achse stellt den Grad der Hysterese in der Form von /\ U1311,Layer 4 uses a silicon nitride coating by chemical vapor deposition. The total thickness of the coating "was 1250 JL. Fig. 4 is based on the general capacitance s-voltage characteristics of the MNCNS structure such as shown in Pig. 6. In Fig. 4 the x-axis represents the gate voltage or field strength and the y-axis represents the degree of hysteresis in the form of / \ U 1311 ,

(entsprechend der Spannungsänderung bei Flachband) oder Δ ν dar (letzteres ist die Ladungsdichtenänderung, die durch die Cluster oder den Dünnfilm bei Flachband eingefangen wurde).(corresponding to the change in voltage in the case of flat belts) or Δ ν (the latter is the change in charge density, which was captured by the clusters or the thin film in flat band).

Die Experimente mit No. 304 und No. 308 zeigen, daß bei Zunahme der Cluster oder des Dünnfilms 3 (in Fig. mit C bezeichnet) in der Dicke die Hysterese nur zunimmt. Die Experimente mit No. 308 und 309 zeigen, daß wenn die Isolierschicht 4 (in Fig. 4 mit I bezeichnet) zunimmt, die Hysterese abnimmt. Macht man also die Isolierschicht 4 kleiner und die Cluster oder den Dünnfilm 3 größer, sovird die einzufangende Ladungsdichte vergrößert. Macht man jedoch die Isolierschicht 4 zu dünn, so stört die eingefangene Ladung den Strom durch den Halbleiter oder schwächt das Festhaltevermögen für die eingefangene Ladung.The experiments with No. 304 and No. 308 show that as the clusters or thin film 3 (in Fig. denoted by C) the hysteresis only increases in thickness. The experiments with No. 308 and 309 show that if the Insulating layer 4 (denoted by I in FIG. 4) increases, the hysteresis decreases. So you make the insulating layer 4 smaller and the clusters or thin film 3 larger, the charge density to be captured is increased. Power however, if the insulating layer 4 is too thin, the trapped charge disturbs the current through the semiconductor or weakens the retention capacity for the trapped cargo.

Die in Fig. 4 dargestellten Daten zeigen, daß Δ ΝρΒ = 8,2 χ 1012 cm"2 .The data shown in Fig. 4 show that Δ Ν ρΒ = 8.2 χ 10 12 cm " 2 .

Dieser Wert ist etwa fünfmal größer als bei einer üblichen MNOS-Struktur, welche zufallsbedingt eine Hysterese aufweist, und bei welcher giltThis value is about five times larger than a usual one MNOS structure, which has a random hysteresis, and which applies

Δ NpB = 1... 2 χ 1012 cm"2.Δ N pB = 1 ... 2 χ 10 12 cm " 2 .

Hieraue ergibt sich die überragende Neuheit der vorliegenden Erfindung.It is here that the outstanding novelty of the present invention arises.

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Pig. 5 seigt das Ergebnis eines Versuche, bei dem die aateepannung konetantgehalten wurde (U__o^ = - 50 V,Pig. 5 shows the result of an experiment in which the voltage was kept constant (U__ o ^ = - 50 V,

4- fs ο4- fs ο

E = - 4 x 10 V/cm), während Λ UFB sowie die NiedersehlagBsseit sowohl für die Cluster oder den Dünnfilm 3 und den iiolierenden Überzug 4 geändert wurden. Wenn für den isolierenden Überzug 4 Siliziumnitrid verwendet wird, reagiert die Oberfläche des unter dem Siliziumnitrid liegenden Siliziumsubstrats mit dem Sauerstoff der Luft und erzeugt einen Siliziumoxidüberzug von 5 ... 20 1 bei normaler Temperatur. Dieser Oxidüberzug wird in Amm'oniakgas bei über 10000O in mehr als 10 Minuten entfernt, und ein Teil des Oxidüberzugs wird in Siliziumnitrid umgewandelt. Der Oxidüberzug wird andererseits mit dem speziellen Reinigungsverfahren des Siliziumsubstrats entfernt. Falls ein reiner MNS-Aufbau erforderlich ist, muß die vorstehende Behandlung vorgenommen werden. Der Oxid-Dünnfilm, welcher bei normalen Temperaturen erzeugt wird, kann in der Praxis vernachlässigt werden. Das sogenannte natürliche Oxid, wie es hier vorliegt, zeigt einen zufallsbedingten Dickenverlauf an der Oberfläche des Substrats. Z.B. kann die Dicke an einer Stelle 20 A und an einer anderen Stelle desselben Substrats 0 SL betragen.E = - 4 x 10 V / cm), while Λ U FB as well as the lowering side were changed for both the clusters or the thin film 3 and the insulating coating 4. If silicon nitride is used for the insulating coating 4, the surface of the silicon substrate lying under the silicon nitride reacts with the oxygen in the air and produces a silicon oxide coating of 5 ... 20 1 at normal temperature. This oxide coating is removed in ammonia gas at over 1000 0 O in more than 10 minutes, and part of the oxide coating is converted into silicon nitride. The oxide coating, on the other hand, is removed with the special cleaning process of the silicon substrate. If a pure MNS structure is required, the above treatment must be carried out. The oxide thin film which is generated at normal temperatures can be neglected in practice. The so-called natural oxide, as it is here, shows a random thickness profile on the surface of the substrate. For example, the thickness can be 20 Å at one point and 0 SL at another point on the same substrate.

In Fig. 5 zeigt der Siliziumnitrid-Überzug eine Wachstumsgeschwindigkeit von 1 ... 2 .8/see. Die erwähnte vom Zufall abhängige Dicke sollte bei 0 see auf der y-Achse berücksichtigt werden. Der Punkt A in Fig. 5 bedeutet eine MNS-Diode. Der entsprechende Wert von Ujvg ist 8 V, mit ί 4 x 10" v/cm. Hierbei ist die Hysterese sehr klein, wenn die Cluster oder der Dünnfilm nicht durch Silanniederschlag gebildet worden sind bzw. ist. Wenn der Überzug 4 (Fig. 2) als OxidüberzugIn Fig. 5, the silicon nitride coating shows a growth rate of 1 ... 2.8 / sec. The one mentioned random thickness should be taken into account at 0 see on the y-axis. The point A in Fig. 5 means an MNS diode. The corresponding value von Ujvg is 8 V, with ί 4 x 10 "v / cm. Here is the Hysteresis is very small if the clusters or the thin film are not formed by silane deposition or is. If the coating 4 (Fig. 2) as an oxide coating

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bei hohen Temperaturen gebildet worden war, war die Hysterese (Λυ ) t>ei gleicher Dicke Heiner al· 1 T bei derselben Feldstärke.had been formed at high temperatures, the hysteresis (Λ υ ? Β ) t> ei the same thickness Heiner al · 1 T at the same field strength.

Palis zur Bildung der Cluster oder des Dünnfilms Silan niedergeschlagen wird, nimmt mit zunehmender Zeit für den Niederschlag^TJ-Qg zu, wie das aus den aufeinanderfolgenden Kurren 24, 23, 22 und 21 in Pig. 5 hervorgeht. Dagegen nimmt Aüjm mit zunehmender Dicke des Siliziumnitridüberzugs 4 in Pig. 2 (A) und (B) ab. Wenn die Hiedersohlagsseit des Siliziums etwa zwischen 30 und 60 see lag, wurden Siliziumcluster gebildet. Messungen unter dem Elektronenmikroskop zeigten, daß die Durohmesser der Siliziumcluster zwisohen 300 und 1500 £ lagen. Der Silizium-Dünnfilm entstand, wenn die Niederschlagszeit mehr als 300 see. betrug. Beträgt die Dioke des niedergeschlagenen Pilms mehr als 500 JL, so sollte ein solcher PiIm als Diokfilm bezeichnet werden . - Wenn bei der vorliegenden Erfindung die durchschnittliche Dicke des niedergeschlagenen Halbleiterfilms weniger als 100 R. beträgt, werden die Cluster erzeugt. Wenn diese Dioke zwisohen 100 und 500 1 liegt, wird der Halbleiter-Dünnfilm erzeugt. Wird der Halbleiter-Dickfilm im Isolierüberzug erzeugt, so wird er gewöhnlich als schwebendes Siliziumgate eines MIS-Feldeffekttransistors bezeichnet. Beim vorliegenden Versuch sollte, wenn der Dickfilm erzeugt wird, der isolierende Überzug 4 nach Pig. 2 (B) eine Dioke von mehr als 500 Ä haben, damit er keine iochstellen (pinholes) oder sonstige leitenden Wege aufweist. Bei der Bildung der Cluster kann das Einführen von Ammoniak oder Hydrazin mit gleichem Volumen wie dem des Silangases oder auoh mit geringerem Volumen als dem des Silangases die Schnelligkeit der CTusterbildung erhöhen. Palis is precipitated to form the clusters or the thin film of silane, increases with increasing time for the precipitation ^ TJ-Qg, like that from the successive Kurren 24, 23, 22 and 21 in Pig. 5 emerges. On the other hand, Aüjm increases as the thickness of the silicon nitride coating 4 in Pig increases. 2 (A) and (B). When the low bottom side of the silicon was between about 30 and 60 seconds, silicon clusters were formed. Measurements under the electron microscope showed that the durometers of the silicon clusters were between £ 300 and £ 1500. The silicon thin film was created when the precipitation time more than 300 see. fraud. If the Dioke of the downcast Pilm is more than 500 JL, such a PiIm should be called Diokfilm. - In the present invention, when the average thickness of the deposited semiconductor film is less than 100 R , the clusters are generated. When this diameter is between 100 and 500 liters, the semiconductor thin film is produced. When the semiconductor thick film is formed in the insulating coating, it is commonly referred to as the silicon floating gate of an MIS field effect transistor. In the present experiment, when the thick film is produced, the insulating coating 4 according to Pig. 2 (B) have a dioke of more than 500 Å so that it does not have any pinholes or other conductive paths. When the clusters are formed, the introduction of ammonia or hydrazine of the same volume as that of the silane gas or less than that of the silane gas can increase the rate of pattern formation.

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Wenn eine kleine Menge gasförmiges Nitrid eingeleitet wird, wird es schwierig, den Dünnfilm aus dem Siliaiua-Halbleiter zu erzeugen. Die Siliziuncluster werden erzeugt, wenn die Aisscheidungszeit etwa 300 see oder mehr beträgt bei derselben Fließgeschwindigkeit von Silan, wie bei der Herstellungsbedingung der Siliziumcluster in Fig· 5. (Anstelle des Begriffs "Abscheidung11 wird im folgenden Text der Begriff "Niederschlag" verwendet.If a small amount of nitride gas is introduced, it becomes difficult to form the silicon semiconductor thin film. The Siliziuncluster be generated when the Aisscheidungszeit see about 300 or more at the same flow rate of silane as in the manufacturing condition of the silicon clusters in FIG · 5 (Instead of the term precipitation "" deposition 11, the term in the following text "is used.

Es ist demzufolge möglich, infolge des Einfangena der Löcher Ader Elektronen an den Clustem eine lange Speicherung zu erreichen, selbst wenn die Schicht 4 zwischen den Gluetem und dem Substrat 5 oder der Gateelektrode eine Anzahl von Lochstellen oder leitenden Wegen aufweist.It is therefore possible, as a result of the trapping Holes wire electrons to the clustem to achieve a long storage, even if the layer 4 is between the gluetem and the substrate 5 or the gate electrode has a number of holes or conductive paths.

Falls dagegen Lochstellen in der Schicht 4 beim Halbleiter-Dünnfilxa 3 vorhanden sind, lecken die am Dünnfilm eingefangenen Elektronen oder Löcher zum Substrat 5· Deshalb sind hier die Speichereigenschaften für einen Halbleiterspeicher nicht besonders günstig.If, on the other hand, there are holes in the layer 4 in the case of the semiconductor thin film 3 are present, the electrons or holes trapped on the thin film leak to the substrate 5 · Therefore are here the storage properties are not particularly favorable for a semiconductor memory.

Experimentell wurde ermittelt, daß bei Verwendung von Silizium- oder ßermaniumclustern die Speicherzeit mehr als 2000 Stunden betrug, dagegen weniger als 500 Stunden, z.B. nur eine Stunde, wenn der Halbleiter-Dünnfilm verwendet wurde. Das erzielte Resultat wird dasselbe sein, wenn das Ammoniakgas nicht beigegeben wird.It has been determined experimentally that when using silicon or ßermanium clusters the storage time is more than 2000 hours was less than 500 hours, for example, only one hour when the semiconductor thin film was used. The result obtained will be the same if the ammonia gas is not added.

Der obige Versuch beweist, daß die Lehre der vorliegenden Erfindung richtig ist. Die Hystereseerscheinungen, welche in den Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien des MNS-Aufbaus und des MNOS-Aufbaus zu finden sind, sollten nicht auf die sogenannte Unregelmäßigkeit der atomaren Abmessungen zurückgeführt werden, vielmehr auf die Cluster, welche in der Isolierschicht vorhanden sind und welche als Fangstellen für Elektronen und Löcher wirken. Damit ist einThe above experiment proves that the teaching of the present invention is correct. The hysteresis phenomena, which in the capacitance-voltage characteristics of the MNS structure and of the MNOS structure should not be attributed to the so-called irregularity of the atomic dimensions rather on the clusters which are present in the insulating layer and which are used as trapping points for Electrons and holes work. So that is a

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Mittel an di* Hand gegeben, wenn der Wunsoh besteht, die Größe und Porm der Hysterese der Kapazitäts-Spannungs-Charakteriatik zu beeinflussen.Means given to hand if the wish exists, the size and shape of the hysteresis of the capacitance-voltage characteristics to influence.

Die vorliegende Erfindung bringt also einen neuartigen Aufbau, wobei die Cluster oder der Dünnfilm als 3?angstellen aufzufassen sind; hierbei werden die Cluster ( oder der Halbleiter-Dünnfilm) gleichförmig und mit einem konstanten Abstand vom Halbleiter-Substrat, also in einer bestimmten geometrischen Konfiguration, verteilt.Thus, the present invention brings about a novel structure wherein the cluster or the thin film are to be understood as 3 jobs; at this time, the clusters (or the semiconductor thin film) become uniform and with a constant distance from the semiconductor substrate, i.e. in a certain geometric configuration, distributed.

Beispiel example 2x2x

Dieses bezieht sich auf Fig. 2 (D) und (E), welche einen MHCI1IgS-Aufbau haben, wobei I1 und I2 die isolierende Schicht 4 bzw. die isolierende Schicht 11 bedeuten. Der Werkstoff und das Verfahren für das Halbleitersubstrat, den isolierenden Überzug, die Cluster oder den Dünnfilm und den Gateleiter sind dieselben wie beim Beispiel 1, Der Aufbau nach Pig. 2 (C) und (D) bringt die Besonderheit des Örtlichen Ausbildens eines Siliziumoxidüberzugs bei normaler Temperatur. Diese Art von Oxidüberzug reagiert, wenn die Wärmebehandlung für die Halbleitercluster oder den Halbleiterdünnfilm bei oberhalb 5000C in einer Stunde vorgenommen wird, wie das zuvor bereits beschrieben wurde. Aus diesem Grunde ist es äußerst wünschenswert, die Halbleitercluster oder den Dünnfilm mit einer Schicht aus Siliziumnitrid oder Germaniumnitrid zu umgeben.This relates to FIGS. 2 (D) and (E), which have an MHCI 1 IgS structure, where I 1 and I 2 mean the insulating layer 4 and the insulating layer 11, respectively. The material and the method for the semiconductor substrate, the insulating coating, the clusters or the thin film and the gate conductor are the same as in Example 1, Pig's structure. 2 (C) and (D) bring the peculiarity of locally forming a silica coating at normal temperature. This type of oxide coating reacts, when the heat treatment for the semiconductor clusters or the semiconductor thin film is carried out at above 500 0 C in one hour, as was previously described. For this reason, it is extremely desirable to surround the semiconductor clusters or the thin film with a layer of silicon nitride or germanium nitride.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten, indem der MNCOS- oder der MUCNS-Aufbau nach dem Beispiel 1 in einen MNONOS-Aufbau umgewandeltThe present invention overcomes these difficulties by using the MNCOS or the MUCNS structure converted into a MNONOS structure according to example 1

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wird. Fig. 2 (L) zeigt einen MINGNOS- oder MICONS- Aufbau, also eine verbesserte Version des MNGONS, wobei ein isolierender Überzug aus Tantaloxid oder Titanoxid mit größerer spezifischer Dielektrizitätskonstante auf den Nitridüberzug 2 aufgebracht wird, der auf dem MNOONS-Aufbau ausgebildet wurde, d.h. auf den Clustern oder dem Dünnfilm. Der MINCNOS-Aufbau hat einen dünnen elektrischen Überzug und einen dicken physikalischen Überzug und schützt dadurch gegen mechanische Beanspruchungen, die auf den G-ateabschnitt der Halbleitervorrichtung ausgeübt werden» Zusätzlich körnen die Cluster oder der Dünnfilm in Mehrfachschichten ausgebildet werden, um ihre Wirkung zu erhöhen. Es handelt sich hier um eine Weiterbildung, die auf der vorliegenden Erfindung beruht.will. Fig. 2 (L) shows a MINGNOS or MICONS structure, So an improved version of the MNGONS, with an insulating coating of tantalum oxide or titanium oxide with larger specific dielectric constant is applied to the nitride coating 2, which is on the MNOONS structure was formed, i.e., on the clusters or the thin film. The MINCNOS structure has a thin one electrical coating and a thick physical coating and thus protects against mechanical stresses, that are applied to the gate portion of the semiconductor device »In addition, the cluster or the Thin film can be formed in multiple layers to enhance their effect. This is one Further development based on the present invention.

Nach dem vollständigen Reinigen des Silizium-Halbleiters, welcher eine Verunreinigungsdichte von N = 1 χ 10 · cm~_ und die Kristallorientierung 100 hat, wurde ein Siliziumoxidüberzug 7 durch Festkörper-Dampf-Reaktion in trockenem Sauerstoff während 100 see bei 1000 C erzeugt. Sodann wurde durch chemische Bedampfung mittels Silan und Ammoniak in 15 see ein Siliziumnitridüberzug erzeugt. Beim Versuch wurden auch SiHpCl2 und SiCl, getestet, und die Ergebnisse waren gleich. Die Cluster oder der Dünnfilm wurden bzw. wurde durch ein Silanniederschlagsverfahren in 300 see erzeugt. Darauf wurde wiederum ein Siliziumnitridüberzug von 1200 A au£ den Clustern bzw. dem Dünnfilm gebildet, wobei die Temperatur des Substrats auf 650 bis 75O0C gehalten wurde. Schließlich wurde ein MKCNOS-Aufbau dadurch fertiggestellt, daß mittels Vakuumverdampfung eine Aluminiumelektrode auf die obige Anordnung aufgebracht wurdeβ After the silicon semiconductor, which has an impurity density of N = 1 × 10 · cm −− and the crystal orientation 100, had been completely cleaned, a silicon oxide coating 7 was produced by solid-vapor reaction in dry oxygen for 100 seconds at 1000.degree. A silicon nitride coating was then produced in 15 seconds by chemical vapor deposition using silane and ammonia. The experiment also tested SiHpCl 2 and SiCl, and the results were the same. The clusters or the thin film were formed by a silane deposition method in 300 seconds. It in turn a Siliziumnitridüberzug of 1200 A was formed au £ the clusters or the thin film, wherein the temperature of the substrate was maintained at 650 to 75O 0 C. Finally, an MKCNOS structure was completed by vacuum evaporation applying an aluminum electrode to the above assembly β

2 Ü 1J H ,' U / 0 9 (J U2 Ü 1 J H, 'U / 0 9 (JU

Δ Uj,B nimmt mit zunehmender Dicke der zur Nitridschicht 4 hinzugefügten Oxidschicht 11 ab, und es nimmt mit zunehmender Miederschlagszeit von Silan zu; die Verhältnisse entsprechen also denen von Pig..5.Δ Uj, B decreases as the thickness of the oxide layer 11 added to the nitride layer 4 increases, and it increases as the precipitation time of silane increases; the proportions correspond to those of Pig..5.

Die Pig. 6 (A) und (B-) zeigen die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien, wie sie sich beim Versuch ergaben.The Pig. 6 (A) and (B-) show the capacitance-voltage characteristics, as they turned out in the attempt.

Δ Up-o nimmt proportional zu TJ (maximale angelegteΔ Up-o increases proportionally to TJ (maximum applied

gmax Gatespannung in V) zu. Pig. 6 zeigt keine Hysterese- g max gate voltage in V). Pig. 6 shows no hysteresis

charakteristik, wenn TJ kleiner als 50 V ist. Diecharacteristic when TJ is less than 50 V. the

smax
kritische Spannung des Versuchsmusters nach Fig. 6 ist 50 V, und die Hysterese,^ U-nmt nimmt mit dem Inkrement der maximalen Gatespannung, TJ , zu. Eine Kapazitäts-
s max
critical voltage of the test sample of FIG. 6 is 50 V, and the hysteresis, ^ U-nmt increases with the increment of the maximum gate voltage, TJ. A capacity

smax Spannungs-Kennlinie ohne Hysterese ist in Fig. 6 (A) dargestellt; diese Figur zeigt, daß die Grenzflächeneigenschaften zwischen dem Substrat 5 und dem Isolator 11,4 eine ideale Charakteristik für ein MISFET-Gate darstellen, weil die ,festen . Zustände und die feste Ladung Q_ /q., welche an der Grenzfläche existieren, fast gleich Null sind. Deshalb ist eine praktisch zwingende Voraussetzung für die Herstellung des vorliegenden erfindungsgemäßen Aufbaus die Teohnik für die Herstellung eines olusterarmen oder clusterfreien Silizium- oder Germaniumnitridüberzugs. s max voltage characteristic without hysteresis is shown in Fig. 6 (A); This figure shows that the interface properties between the substrate 5 and the insulator 11, 4 represent an ideal characteristic for a MISFET gate, because the solid. States and the fixed charge Q_ / q. Existing at the interface are almost equal to zero. Therefore, a practically mandatory prerequisite for the production of the present structure according to the invention is the Teohnik for the production of a low-oluster or cluster-free silicon or germanium nitride coating.

Das vorliegende Beispiel zeigt, daß es möglich ist, den Grad der Hysterese bei Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien dadurch zu beeinflussen, daß man die Herstellungsbedingungen ändert, z.B. die Niedersohlagsgeschwindigkeit oder Niederschlagszeit eines Silizidgases, das Mischungsverhältnis zwischen der kleinen Menge Ammoniak oder Hydrazin, und den Abstand zwischen den Olustern oder dem Dünnfilm, und der Trennfläche· Es ist auch, möglich,The present example shows that it is possible to determine the degree of hysteresis in capacitance-voltage characteristics by changing the manufacturing conditions, e.g. the lowering speed or precipitation time of a silicide gas, the mixing ratio between the small amount of ammonia or hydrazine, and the distance between the olusters or the thin film, and the interface It is also possible to

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den Grad der Hysterese dadurch, zu beeinflussen, daß man die liiedersohlagstemperatur des SDLizidgases über 75O0G oder unter 65O0G ändert.thereby to influence the degree of hysteresis, in that the changes of the liiedersohlagstemperatur SDLizidgases about 75O 0 G 0 or G 65O.

Das Energieband dee Beispiels 2 ist in Pig, 3 (B) dargestellt, wobei die Bezeichnungen denen der Pig. 2 (G) und (D) entsprechen.The energy band of Example 2 is shown in Pig, 3 (B), the designations being those of Pig. 2 (G) and (D) correspond.

Beispiel 3?Example 3?

Dieses Beispiel beschreibt die Charakteristik eines MISFET, der aue der Struktur besteht, wie sie in den Pig. 2 (A) und (B) mit Gate dargestellt ist. Das Beispiel verwendet einen Η-Kanal, und sein grundsätzlicher Aufbau ist in Pig. 1 dargestellt! hierbei ist der Abstand zwisohen der Souroeelektrode 14 und der Drainelektrode 16, die sogenannte Kanallänge, 30 Mikron, und jedes Gate hat eine Länge von 1000 Mikron.This example describes the characteristics of a MISFET that consists of the structure as shown in the Pig. 2 (A) and (B) is shown with gate. The example uses a Η-channel, and its more fundamental Construction is in Pig. 1 shown! here is the distance between the source electrode 14 and the drain electrode 16, called the channel length, 30 microns, and each gate is 1000 microns in length.

Das Substrat ist vom P-Typ, Kristallorientierung 100, und sein spessifisoher Widerstand ist 3 ... 5 0hm . cm. Die Pig· 7 bis 9 zeigen das Ergebnis dieses Versuchs. Der Gate-Isolator, entsprechend der Siliziumnitridschicht in Fig. 2,iat etwa 600 ... 700 1 diok. Dies ist etwa die Hälfte des Wertes nach den Beispielen 1 und 2, Die Dicke dieser Sohioht kann abhängig von der jeweiligen Verwendung geändert werden. Palle ein MISPEI mit P-Kanal gewünscht wird, sollte ein Η-leitendes Substrat zusammen mit einer P+ Source und Drain verwendet werden.The substrate is of the P-type, crystal orientation 100, and its spessifisoher resistance is 3 ... 5 ohms. cm. Pig 7 to 9 show the result of this experiment. The gate insulator, corresponding to the silicon nitride layer in Fig. 2, iat about 600 ... 700 1 diok. This is about half of the value according to Examples 1 and 2. The thickness of this material can be changed depending on the particular use. If a MISPEI with P-channel is desired, a Η-conductive substrate should be used together with a P + source and drain.

In Pig· 7 stellt die x-Achse die GatespannungIn Pig * 7, the x-axis represents the gate voltage

U dar und die y-Achse den Drainstrom Ln. Die Draing DU represents and the y-axis the drain current L n . The Draing D

spannung wurde auf einem konstanten Wert von 100 mV gehalten. Die ü -!--Charakteristik bleibt gleich, während sioh die Schwellenspannung IT10 von + 10V nach - 10V ändert.voltage was kept at a constant value of 100 mV. The ü -! - characteristic remains the same, while the threshold voltage IT 10 changes from + 10V to - 10V.

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daßthat

Die Neigung der Charakteristik zeigt, die Trägerbeweglichkeit im Kanal 400 cm2/V see beträgt.The slope of the characteristic shows that the mobility of the carrier in the canal is 400 cm 2 / V see.

Die sieh aus dem obigen Versuch ergebenden Tatsachen führen zu einer Verneinung des bisher in der Halbleiterteohnik angenommenen Konzepts, daß bei hohen Oberflächenzuständen an der Grenzfläche die Trägerbeweglichkeit im Kanal niedrig sei und daß bei niedriger werdenden Oberflächenzuständen sich die Trägerbeweglichkeit an der Grenzfläche der Beweglichkeit der Träger im Inneren (bulk carrier) annähere.See the facts from the above experiment lead to a negation of the concept previously adopted in semiconductor technology that at high Surface conditions at the interface the carrier mobility in the channel is low and that at lower the carrier mobility at the interface of the mobility of the carrier in the Inner (bulk carrier) closer.

Fügt man eine positive oder eine negative Gatespannung zu der anfänglichen Schwellenspannung von Umo ?= + 2 V hinzu, so bleiben die Daten der U-L0-Kennlinien dieselben, wenn die Gatespannung kleiner als die kritische Spannung U ist. Liegt die Gatespannung über der kritischen Spannung, so verschieben sich die Daten in Richtung der angelegten Spannung. Beim vorliegenden Beispiel war die kritische Spannung ί 23 ... 25 V·If a positive or a negative gate voltage is added to the initial threshold voltage of Umo? = + 2 V, the data of the UL 0 characteristic curves remain the same if the gate voltage is lower than the critical voltage U. If the gate voltage is above the critical voltage, the data shift in the direction of the applied voltage. In the present example, the critical voltage was ί 23 ... 25 V

Die Indices 1 ... 9 in Fig. 7 (dii Indices sind dort von Kreisen umrandet) zeigen die Folge der angelegten größten Gatespannung (U ). Bei U=OV undThe indices 1 ... 9 in Fig. 7 (the indices are surrounded by circles there) show the sequence of the created largest gate voltage (U). With U = OV and

fließendem L0 erhält man die Charakteristiken mit den Indices 6 und 8; dies ist der eingeschaltete Zustand (EIN). Bei U = 0 V ohne L0 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 EIN nach AUS und von AUS nach EIN wiederholt werden kann, so daß die vorliegende Erfindung als Direktzugriffsspeicher verwendet werden kann.flowing L 0 one obtains the characteristics with the indices 6 and 8; this is the ON state. If U = 0 V without L 0 , the characteristic curves with the indices 7 and 9 are obtained; this is the switched-off state (OFF). It can be seen from the characteristics that the transition from ON to OFF and from OFF to ON can be repeated, so that the present invention can be used as a random access memory.

Fig. 8 zeigt das U^ - I^-Kennlinienfeld entsprechend dem Index 9 der Fig. 7 bei einer maximalen GatespannungFig. 8 shows the U ^ - I ^ family of characteristics accordingly the index 9 of FIG. 7 for a maximum gate voltage

2 U 1J H / (J / (J 9 0 6 2 U 1 JH / (J / (J 9 0 6

- 24 von +40 V. Fig. 8 zeigt, daß Ln^ O bei U > 10 Y und- 24 of +40 V. Fig. 8 shows that L n ^ O with U> 10 Y and

1) g 1) g

I=O bei U < + 10 V. Letzteres bedeutet den ausgeschalteten Zustand (AUS).I = O at U <+ 10 V. The latter means that it is switched off State (OFF).

Figo9 zeigt das TL.-Xp.-Kennlinienfeld entsprechend dem Index 8 in Fig. 7, wobei die maximale Gatespannung -40 Y beträgt. Diese Fig. zeigt, daß I^> 0 bei XJ = 0 und Ij)=O bei U < -10 Y. Ersteres bedeutet den eingeschalteten Zustand (EIN).FIG. 9 shows the TL.-Xp. Family of characteristics corresponding to index 8 in FIG. 7, the maximum gate voltage being -40 Y. This figure shows that I ^> 0 with XJ = 0 and Ij) = O with U <-10 Y. The former means the switched-on state (ON).

Wie oben beschrieben, kann man dadurch, daß man eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten von HaIbleiter-Clustern oder Halbleiter-Dünnfilmen in dem isolierenden Überzug anordnet und dadurch dem isolierenden Überzug einen MISFET-Aufbau gibt, nämlich eine isolierende Schicht für das Gate, EIU- und AUS-ZuständeAs described above, one can create a single layer or multiple layers of semiconductor clusters or semiconductor thin films arranged in the insulating coating and thereby the insulating Coating gives a MISFET structure, namely an insulating layer for the gate, EIU and OFF states

bei U =0 V oder bei U «* 0 V erhalten, während man eine g g ' ' at U = 0 V or at U «* 0 V, while a gg ''

variable Schwellenspannung ILq verwendet (wobei U=0 V als Achse der symmetrischen Schwellenspannungen verwendet wird), z.B. innerhalb +10 V bis -10 V.variable threshold voltage ILq used (where U = 0 V is used as the axis of the symmetrical threshold voltages), e.g. within +10 V to -10 V.

Durch Ausnützen der oben erwähnten Tatsache kann man einen energieunabhängigen Speicher erhalten. Auch ermöglicht die Änderung der Schwellenspannung IL,O in positiver oder negativer Richtung in einem bestimmten Ausmaß von 0 Y, daß der MISFET seine dynamische Kennlinie ändert. Hiermit und mit dem symmetrischen Kennlinienfeld mit Mittelpunkt bei U =0 Y, wie man es sowohl von der Kapazitäts-Spannungs-Oharakteristik nach Figo 6 (B) und der U -!„-Charakteristik nach Fig. 7 erhält, wird angenommen, daß eine nach dem Stand der Technik bekannte Grenzschichtladung (meist positiv) und die von den Olustern eingefangene Ladung sich voneinander durch die Stelle unterscheiden, wo diese Ladungen eingefangen " werden.By taking advantage of the above-mentioned fact, an energy independent memory can be obtained. Changing the threshold voltage IL, O in a positive or negative direction to a certain extent from 0 Y also enables the MISFET to change its dynamic characteristic. With this and with the symmetrical family of characteristics with a center point at U = 0 Y, as is obtained from both the capacitance-voltage-characteristic according to FIG. 6 (B) and the U -! "- characteristic according to FIG Boundary layer charge known from the prior art (mostly positive) and the charge trapped by the olusters differ from one another by the location where these charges are trapped.

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Beispiel 4: ~ Example 4: ~

Dieses Beispiel beschreibt den Aufbau nach Fig. (E) und (F) mit isolierendem Überzug. Bei dem Beispiel nach Fig. 2 (A) und (B) liegen die Cluster und der Dünnfilm auf der Seite des Substrats 5; beim vorliegenden Beispiel 4 dagegen liegen sie auf der Seite der Elektrode 1, für welche als Werkstoff gewöhnlich Aluminium oder G-old verwendet wird. Hierbei sind nur Elektronen als Träger vorhanden, und die hierbei sich ergebende Vorrichtung ist dann ein Festwertspeicher und daher eine weniger flexible Speichervorrichtung, da keine Löcher in der Vorrichtung vorgesehen werden können, welche die einzufangenden Elektronen aufheben. Aus diesem Grunde wurden beim Versuch eine von drei Arten von Verunreinigungen, nämlich P-Typ, vom Η-Typ oder beide Arten, sowie hochdotiertes Si adar Ge (in der Größenordnung von 1O19...1O °»cm"3) verwendet. Falls ein Siliziumgate verwendet wird, wird Diboran oder Phosphin mit Silan als Verunreinigung vom P-Typ bzw. vom N-Typ abgeschieden. Diese bewirken, daß sich TJ,,,,This example describes the structure according to FIGS. (E) and (F) with an insulating coating. In the example of Figs. 2 (A) and (B), the clusters and the thin film are on the side of the substrate 5; In the present example 4, however, they are on the side of the electrode 1, for which aluminum or gold is usually used as the material. In this case, only electrons are present as carriers, and the resulting device is then a read-only memory and therefore a less flexible memory device, since no holes can be provided in the device which cancels out the electrons to be captured. For this reason, one of three types of impurities, namely P-type, Η-type or both types, as well as highly doped Si adar Ge (in the order of magnitude of 10 19 ... 10 ° »cm" 3 ) were used in the experiment. If a silicon gate is used, diborane or phosphine with silane will be deposited as P-type and N-type impurities, respectively, causing TJ ,,,,

Ji JjJi Jj

entweder in der Richtung nach rechts oder in der Richtung nach links verschiebt, proportional zum Unterschied der Arbeitsfunktion zwischen dem Substrat und der Elektrode, und gleichzeitig erhält man viele Löcher. Andernfalls existieren kaum Löcher.shifted either in the right direction or in the left direction, proportional to the difference the work function between the substrate and the electrode, and many holes are obtained at the same time. Otherwise there are hardly any holes.

Zur Herstellung des Überzugs 2 ist nur das ohemische Bedampfungsverfahren anwendbar, anders ala für den Überzug 4. Als Überzug 2 wird Süiziumnitrid mit einer Dioke von 10...100 Ä gebildet. Er tragt dazu bei, eine Verunreinigung von außen her zu verhindern.Only the ohemische vapor deposition process can be used to produce the coating 2, otherwise ala for the coating 4. As coating 2 silicon nitride is formed with a Dioke of 10 ... 100 Å. He is contributing to a pollution to prevent from the outside.

Die Ergebnisse der Versuche waren alle symmetrisch. Fig. 10 zeigt den Einfluß zunehmender Dioke der SchichtThe results of the trials were all symmetrical. Fig. 10 shows the influence of increasing diokes of the layer

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in Fig. 2 (E) und (F)0 Das Kennlinienfeld ähnelt demjenigen nach den Fige 2 (A) und (B) bei zunehmender ' ; Dicke der dortigen Schicht 4. - Die Bezugszeichen in Fig. 10 haben folgende Bedeutung ■in Fig 2 (E) and (F) 0 The characteristic diagram similar to that of FIGS e 2 (A) and (B) with increasing '. Thickness of the layer 4 there. The reference symbols in FIG. 10 have the following meanings

Bezugszeichen Schichtdicke (K) .; Reference symbol layer thickness (K) .;

31 15 .■ . ,; 31 15th ■. , ;

■ -32 25■ -32 25

33 50 -.-,..33 50 -.-, ..

34 20034 200

* Die Daten bei U= ± 100 Y waren 120 V fürü U77113.* The data at U = ± 100 Y were 120 V for U 77113 .

Zur Erhöhung der zu injizierenden Ladung sollte der Abstand zu einer Injektionsquelle, also der Abstand zwischen dem Halbleitergate 1 und den Clustern oder dem Dünnfilm 7 verkürzt werden. Die Tendenz ähnelt den Daten nach dem Beispiel 1, Fig. 5. Das Experiment bewies, daß die Cluster, z.B. die Cluster 7 nach Fig. 2 (E), eine hohe Produktion ergeben. Bei Verwendung eines Halbleiter-Dünnfilms, wie er bei 7 in Figo 2(F) dargestellt ist, lassen Löcher (pinholes) im isolierenden Überzug 2 die eingefangene Ladung wegfließen»To increase the charge to be injected, the Distance to an injection source, that is to say the distance between the semiconductor gate 1 and the clusters or the thin film 7 can be shortened. The tendency is similar to the data according to Example 1, Fig. 5. The experiment proved that the clusters, e.g., cluster 7 of Fig. 2 (E), give high production. When using a Semiconductor thin film, as shown at 7 in Figo 2 (F), leave holes (pinholes) in the insulating Cover 2 to flow away the trapped charge »

Es wurde dann ermittelt, daß für eine praktische ' "Verwendbarkeit der Ausführungsform nach Fig. 2 (F) die mittlere Dicke der Schicht 2 mehr als 50 Ä betragen sollte. Wie beim Beispiel 1 beschrieben, ist es wünschenswert, dem Silizidgas eine kleine Menge von gasförmigem Nitrid. , z.B. Ammoniak, beizumischen, wenn die HaIb- leitercluster erzeugt werden, um eine lange Speicherzeit zu erhalten.It was then determined that for practical use of the embodiment of Fig. 2 (F) the average thickness of the layer 2 should be more than 50 Å. As described in Example 1, it is desirable to add a small amount of silicide gas to the silicide gas to mix gaseous nitride. such as ammonia, when the HaIb- generated cluster manager to obtain a long storage time.

In Fig. 2 stallen die Anordnungen (Gr), (H), (I) und (J) die Kombination von (A) und (E), (B) und (F), In Fig. 2 the arrangements (Gr), (H), (I) and (J) represent the combination of (A) and (E), (B) and (F),

^0920/09^^ 0920/09 ^

- -27 -- -27 -

(B) und (E) "bzw. (F) und (A) dar, um die jeweilige Punktion zu verdoppeIn0 (B) and (E) "or (F) and (A) to double the respective puncture 0

Die vorliegende Erfindung gibt also u.ae die Lehre, Halbleitercluster oder einen oder mehrere Halbleiter-Dünnfilme und einen isolierenden Überzug darauf oder seinerseits auf der Oberfläche des Halbleiters vorzusehen und dabei einen konstanten Abstand zwischen ihnen aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung gibt die Mittel an die Hand, um den Grad der Hysterese bei der Kapazitäts-Spannungs-Oharakteristik zu steuern, indem man die Bedingungen bei der Herstellung der Cluster oder des Dünnfilms bzw. der Dünnfilme sowie den Abstand zwischen der G-renzflache und ihnen änderte Grundlage der vorliegenden Erfindung ist eine vom Anmelder neu entwickelte Theorie über Ladungs-Fangstellen; somit unterscheidet sich die Erfindung auch ganz wesentlich vom üblichen MtTOS-Aufbau, bei dem längsteilen verwendet werden, die zufällig bei dieser technischen Konzeption gebildet werden.Thus, the present invention provides, inter alia, the teaching e, semiconductor clusters or one or more semiconductor thin films and an insulating coating thereon and, in turn, provide on the surface of the semiconductor and thereby maintain a constant distance between them. The present invention provides the means to control the degree of hysteresis in the capacitance-voltage characteristic by considering the conditions in the formation of the cluster or the thin film (s) and the distance between the interface and them changed The basis of the present invention is a theory newly developed by the applicant about charge trapping points; thus the invention also differs quite significantly from the usual MtTOS structure, in which long parts are used which are formed by chance in this technical conception.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen bei allen Arten von Halbleitervorrichtungen zu schaffen, und insbesondere bei MIS-Peldeffektransistoren.It is an object of the present invention to provide improvements in all types of semiconductor devices to create, and especially with MIS pelde effect transistors.

In der vorausgehenden Beschreibung wurde von Olustern oder von einem Dünnfilm gesprochen, da Untersuchungen unter dem Elektronenmikroskop die Existenz von Clustern allein, die. Existenz von Dünnfilm allein und die Mischung von beiden zeigten. Eine Struktur mit einer Mischung beider Erscheinungsformen gehört also ebenso in den Rahmen der Erfindung wie die reinen Erscheinungsformen. In the preceding description, olusters or a thin film were used as investigations under the electron microscope the existence of clusters alone that. Existence of thin film alone and showed the mixture of both. A structure with a mixture of both manifestations is therefore necessary just as within the scope of the invention as the pure manifestations.

Die Erfindung ermöglicht eine leichte und einfacheThe invention enables an easy and simple

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Herstellung, sowie die willkürliche Beeinflussung von Parametern.Manufacturing, as well as the arbitrary influencing of parameters.

Die Größe, Dichte und Dicke der Cluster kann so leicht geändert werden, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung vielfältig verwendet werden kann, z.B. als energieunabhängiger Speicher, MIS-lPeldeffekttransistor mit variabler Schwellenspannung, etc.The size, density and thickness of the clusters can be changed so easily that the device according to the invention Can be used in many ways, e.g. as an energy-independent storage device, MIS field effect transistor with variable threshold voltage, etc.

Patentanwälte Dipl.-Ing. Horst Rose Dipl.-Ing. Peter Kos el Patent attorneys Dipl.-Ing. Horst Rose Dipl.-Ing. Peter Kos el

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Claims (1)

DIPL-ING. HORST ROSE DIPL-ING. PETERDIPL-ING. HORST ROSE DIPL-ING. PETER PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS 3353 Bad Gandereheim, 18. Oktober 1971 Hohenhafen 5 Telefon: (05382)2842 Telegramm-Adresse: Siedpatent Gandereheim3353 Bad Gandereheim, October 18, 1971 Hohenhafen 5 Telephone: (05382) 2842 Telegram address: Siedpatent Gandereheim Unsere Akten-Nr.: 255 4/3Our file number: 255 4/3 Shumpei ΪΑΜΑΖΑΚΙShumpei ΪΑΜΑΖΑΚΙ Pat en tge such, vom 18. Oktober 1971Pat en tge search, October 18, 1971 Pat en-f? ansprächePat en-f? talks M ./Halbleiteranordnung mit mindestens einem auf einem Halbleitersubstrat angeordneten isolierenden Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß Cluster (3f 7) und/oder ein Dünnfilm (3; 7) aus Halbleitermaterial in einer vorbestimmten geometrischen Konfiguration, vorzugsweise schichtartig, im Bereich der Q-rense zwischen zwei isolierenden Überzügen (2, 4; 2, 6) angeordnet sind«M ./semiconductor arrangement with at least one on one Semiconductor substrate arranged insulating coating, characterized in that cluster (3f 7) and / or a Thin film (3; 7) made of semiconductor material in a predetermined geometric configuration, preferably layered, are arranged in the area of the Q-rense between two insulating coatings (2, 4; 2, 6) « 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1f dadurch gekennzeichnet, daß mehrere isolierend? Überzüge (2, 4, 6, 8, 11) vorgesehen sind, und da£ an den Grenzflächen mindestens eines Teiles (2, 4? 6) dieser Überzugs schichtartig angeordnete Cluster (3» 7) und/oder Dünnfilme (5, 7) aus Halbleitermaterial vorgesehen sind«2. Semiconductor arrangement according to claim 1 f, characterized in that several insulating? Coatings (2, 4, 6, 8, 11) are provided, and that clusters (3 »7) and / or thin films (5, 7) arranged in layers at the interfaces of at least one part (2, 4? 6) of this coating are made of semiconductor material « 3«, Halbleiteranordnung nach Anspruch ' oder S5 dadurek. gekennzeichnet, daß der Stromfluß unter den Überaügc?-^ (2, 4} 2, 4, 6) gesteuert wird unter der Verwendung äsr Cluster und/oder des Dünnfilms bzw« der Dünnfilme als Fängstellefri) für Ladungenf wodurch die Art der eingegangenen Ladung und die Ladungsmenge der Ladung gesteuert wird.3 ", semiconductor arrangement according to claim 'or S 5 dadurek. characterized in that the current flow is controlled under the Überaügc? - ^ (2, 4} 2, 4, 6) using a cluster and / or the thin film or the thin films as a trap for charges f thereby the type of charge received and the amount of charge of the charge is controlled. ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED — 2Γ —- 2Γ - 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 Dünnfilm bzw. Dünnfilmen (3, 7) dem Gate (1) zugeordnet ist.4. Semiconductor arrangement according to at least one of claims 1 to 3 »characterized in that it is as MIS field effect transistor (Fig. 1) is formed, its arrangement of insulating layers and clusters and / or a thin film or thin films (3, 7) the gate (1) is assigned. 5ο Halbleiteranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster (3i 7) und/oder der Dünnfilm bzw, die Dünnfilme (31 7) aus Silizium oder Germanium ausgebildet sind.5ο semiconductor arrangement according to at least one of the Claims 1 to 4 »characterized in that the clusters (3i 7) and / or the thin film or the thin films (31 7) are made of silicon or germanium. " 6. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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, Germaniumnitrid, Siliziumoxid und/oder Aluminiumoxid oder einer Kombination einiger dieser Stoffe ausgebildet sind."6. Semiconductor arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the insulating layers (2, 4 * 6) that make up the clusters (3, 7) and / or the thin film or the thin films (3, 7) contained between them, made of silicon nitride, silicon oxynitride, germanium nitride, silicon oxide and / or Aluminum oxide or a combination of some of these substances are formed. 7. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Cluster (3j 7) oder ein Dünnfilm {5% 7) aus Halbleitermaterial in einem Abstand von weniger als 200 £, vorr zugsweise zwischen 10 und 50 A, vom Halbleitersubstrat (5) angeordnet sind bzw. ist.7. Semiconductor arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cluster (3j 7) or a thin film {5% 7) of semiconductor material at a distance of less than 200 pounds, preferably between 10 and 50 A, from the semiconductor substrate (5 ) are or is arranged. 8β Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, äaJ bei einer eine Steuerelektrode (1) aufweisenden Ancrä.-nung Cluster (7) oder ein Dünnfilm (7) aus Halbleitermaterial in einem Abstand von weniger als 200 'L1 vorzugsweise zwischen 10 und 100 £, von dieser Steuerelektrode angeordnet sind bzw. ist»Semiconductor arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that, in the case of a crayon having a control electrode (1), a cluster (7) or a thin film (7) made of semiconductor material at a distance of less than 200 'L 1, preferably between 10 and 100 £, from this control electrode are or is » :·; 2 0/090: ·; 2 0/090 9. Halbleiteranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der Cluster (3 t 7) und/oder dea Dünnfilms bzw. der Dünnfilme (3, 7) mit einer Verunreinigung dotiert ist, welche eine B-Leitung oder eine N-Iieitung ergibt.9. Semiconductor arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor material of the clusters (3 to 7) and / or the thin film or the thin films (3, 7) with an impurity is doped, which results in a B line or an N line. gnindestens,at least, 10. Halbleiteranordnung nachVeinem 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.10. Semiconductor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least the insulating layers (2, 4, 6), which the clusters (3, 7) and / or the thin film or the thin films (3, 7) contained between them, poor in clusters and preferably at least substantially free from clusters. 11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens-11. The method for manufacturing a semiconductor device according to at least one of the preceding claims, characterized by the following process Bchrittet ^mindestens clusterarmer. Bchrittet ^ s minde least cluster poor. 1. daß auf einem Halbleitersubstrat (5) einYein- oder mehrschichtiger Isolierüberzug (4; 4, 11) erzeugt wird,1. that on a semiconductor substrate (5) a Yein- or multilayer insulating coating (4; 4, 11) is produced, 2. daß auf dean Isolierüberzug Halbleiter-Cluster (3; 7) oder ein Halbleiter-Dünnfilm (3| 7j erzeugt werden bzw. wird, und2. That on dean insulating coating semiconductor clusters (3; 7) or a semiconductor thin film (3 | 7j is produced will or will, and 3. daß ein mindestens clusterarmer isolierender Überzug (2j 6) auf den Halbleiter-Clustern (3} 7) oder dem Halbleiter-Dünnfilm (3j7) ausgebildet wird.3. that at least one low-cluster isolating Coating (2j 6) is formed on the semiconductor clusters (3} 7) or the semiconductor thin film (3j7) will. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfahrensschritt 3· mindestens ein Teil der genannten Verfahrensschritte wiederholt wird, um je nach Bedarf eine Anordnung mit mehreren in einem Isolierüberzug angeordneten Schichten (3, 7) von Clustern und/oder Dünnfilmen aus Halbleitermaterial zu erhalten.12. The method according to claim 11, characterized in that that after process step 3 at least some of the process steps mentioned are repeated, to create an arrangement with several in one as required Layers (3, 7) of clusters and / or thin films of semiconductor material arranged in an insulating coating obtain. 209820/0906209820/0906 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster und/oder der Dünnfilm durch chemische Bedampfung oder durch Vakuumverdampfung hergestellt werden.13. The method according to claim 11 or 12, characterized characterized in that the cluster and / or the thin film by chemical vapor deposition or by vacuum evaporation getting produced. 14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 his 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung der Cluster und/oder des Dünnfilms ein Silizidgas oder eine gasförmige Germaniumverbindung mit Ammoniak oder Hydrazin im Volumenverhältnis 1 : 1 oder darunter verwendet wird.14. The method according to at least one of claims 11 his 13, characterized in that for the production the cluster and / or the thin film is a silicide gas or a gaseous germanium compound with ammonia or hydrazine is used in a volume ratio of 1: 1 or less. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Silizidgas Silan, Dichlorsilan, Trichlorsilan oder Siliziumtetraclorid verwendet wird.15. The method according to claim 14, characterized in that that as silicide gas silane, dichlorosilane, trichlorosilane or Silicon tetrachloride is used. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmige Germaniumverbindung Germaniumwasserstoff oder Germaniumclorid verwendet wird.16. The method according to claim 14, characterized in that the gaseous germanium compound germanium hydrogen or germanium chloride is used. Patentanwälte Dipl.-Ing. Horst Rose Dipl.-Ing. Peter Kose! Patent attorneys Dipl.-Ing. Horst Rose Dipl.-Ing. Peter Kose! 209820/0906209820/0906 LeerseiteBlank page
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