DE1207013B - Mikrominiaturisierte integrierte Halbleiter-schaltungsanordnung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES '/WWW* PATENTAMT Int. α.:

HOIl

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1207 013

Aktenzeichen: T18342 VIII c/21 g

Anmeldetag: 6. Mai 1960

Auslegetag: 16. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikrominiaturisierte integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit mehreren Halbleiterschichten oder Halbleiterzonen, in denen oder auf denen jeweils ein oder mehrere Schaltungselemente gebildet sind, sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art sind eine Anzahl von aktiven und/oder passiven Schaltungselementen an der einen Fläche eines einzigen HaIbleiterplättchens so gebildet, daß sie im wesentlichen elektrisch voneinander getrennt sind. Dadurch ist es möglich, eine große Vielzahl von Schaltungselementen in einem einzigen Halbleiterplättchen zu bilden und zu den verschiedenartigsten integrierten Schaltungsanordnungen zusammenzuschalten.

Dennoch bestehen bei diesen bekannten Anordnungen gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Bildung der Schaltungselemente, weil hierbei die Eigenschaften des ursprünglichen Halbleiterplättchens berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise ist dieses Halbleiterplättchen ursprünglich meist so dotiert, daß Teile davon unmittelbar Zonen oder Abschnitte bestimmter Schaltungselemente darstellen. Diese Dotierung muß dann bei der Bildung anderer Schaltungselemente berücksichtigt werden; sie erfordert insbesondere oft eine zusätzliche gegenseitige Isolierung verschiedener Schaltungselemente.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art, die von diesen Einschränkungen frei ist und daher eine größere Vielseitigkeit und bessere Anpassungsfähigkeit ergibt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Zonen oder Schichten elektrisch voneinander getrennt und im Abstand voneinander in oder an der einen Oberfläche einer scheibenförmigen Halbleiterunterlage so angeordnet sind, daß sie sich nicht bis zu deren entgegengesetzten Oberfläche erstrecken.

Bei der nach der Erfindung ausgeführten Halbleiterschaltungsanordnung können die Eigenschaften der Zonen oder Schichten völlig unabhängig von den Eigenschaften der scheibenförmigen Halbleiterunterlage bestimmt werden, weshalb sie mit größerer Freiheit und meist auch einfacher an den jeweiligen Zweck, insbesondere an die darin oder darauf zu bildenden Schaltungselemente angepaßt werden können. Andererseits können die Eigenschaften der Halbleiterunterlage so gewählt werden, wie sie für deren Bestimmung als Träger und zur gegenseitigen Isolation der Zonen oder Schichten am günstigsten Mikrominiaturisierte integrierte Halbleiterschaltungsanordnung und Verfahren zu deren
Herstellung

Anmelder:

Texas Instruments, Incorporated,

Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,

Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Jack St. Clair Kilby, Dallas, Tex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. Mai 1959 (811476) - -

sind. Darüber hinaus ergibt die Verwendung einer Halbleiterunterlage den Vorteil einer guten mechanischen und elektrischen Verträglichkeit mit den Zonen oder Schichten sowie den darin oder darauf gebildeten Schaltungselementen.

Für die Anbringung der Zonen oder Schichten in oder an der Halbleiterunterlage gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Zonen durch Diffusion in der aus eigenleitendem Halbleitermaterial bestehenden Unterlage gebildet sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Schichten mit einem isolierenden Bindemittel auf der scheibenförmigen Halbleiterunterlage befestigt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschaltungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß zunächst eine zusammenhängende Halbleiterschicht auf der Unterlage angebracht und anschließend zur elektrischen Trennung und Bildung des gegenseitigen Abstands der Schichten unterteilt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt

So Fig. 1 die Oberansicht einer mikrominiaturisierten integrierten Halbleiterschaltungsanordnung nach der Erfindung,

3 4

Fig. 2a das Schaltbild der Anordnung von Fig. 1, bildet wird, eine Basiszone 20 des Typs ρ und zwei

Fig. 2b und 2c Schaltbilder von abgeänderten Emitterzonen22 und 24 des Typsn. Ohmsche Kon-Ausführungsformen der Anordnung von Fig. 1 takte26, 28 und 30 werden auf die entsprechenden und 2 a, Halbleiterzonen aufplattiert oder aufgedampft. Eine

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 von Fig. 1, sauf die Unterlage 10 aufgelötete oder auflegierte

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 von Ausgangsklemme 33 erstreckt sich bis unter das linke

Fig. 1, Ende des Streifens 12 und bildet mit diesem und da-

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 von mit auch mit der Kollektorzone 18 des Transistors

Fig. 1, und TR-2 einen ohmschen Kontakt. Der Doppelemitter-

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 von io transistor TR-3 ist dem Transistor TR-2 völlig gleich.

Fig. 1. An die Basiszone20 schließt sich ein Streifen32

In Fig. 1 ist eine mikrominiaturisierte integrierte aus Material des Typs ρ an, das in die Schicht 12 Halbleiterschaltungsanordnung dargestellt, die als eindiffundiert ist. Der Streifen 32 folgt einem gewunein mit einer Torschaltung ausgestatteter bistabiler denen Pfad und bildet einen Querkopplungswider-Multivibrator arbeitet. Auf einer scheibenförmigen 15 standöl mit einem Widerstandswert von 7kOhm. Halbleiterunterlage 10 sind mittels Lötglas n-Schich- Die linke Hälfte 34 der Schicht 12, von der ein Abten 12 und 14 aus einem einkristallinen Halbleiter- schnitt unter dem p-Streifen 32 liegt, bildet einen material befestigt. Für das Halbleitermaterial korn- Vorspannungswiderstand R 2 mit dem Wert 5 kOhm. men Germanium, Silicium, intermetallische Legie- Am anderen Ende des p-Streifens 32 ist ein ohmrungen wie Galliumarsenid, Aluminiumantimonid, 20 scher Kontakt 36 gebildet, mit dem dieses Ende des Indiumantimonid und viele andere Stoffe in Frage. Widerstands R1 an die Ausgangsklemme 38 ange-Der Zwischenraum 16 zwischen den beiden Schich- schlossen ist. Der Widerstand R 2 ist an die Spanten wurde dadurch gebildet, daß zunächst von einer nungsklemme 40 angeschlossen, die auf der Untereinzigen breiten Schicht aus Halbleitermaterial aus- lage 10 befestigt ist und bis unter die Schicht 12 ragt, gegangen wurde, die dann durch Ätzen in zwei Ab- 25 mit dem sie in ohmschem Kontakt steht. Ein Streifen schnitte unterteilt wurde. Dieser Formgebungsvor- 42 des Typs ρ und der darunterliegende Abschnitt gang hat den Zweck, eine Isolierung zwischen den in 44 der Halbleiterschicht 12 bilden in gleicher Weise den Schichten 12 und 14 gebildeten Schaltungsele- Widerstände R 3 und R 4. Die verteilte Kapazität an menten zu erzeugen; es ist offensichtlich, daß eine den pn-Ubergängen, die zwischen den p-Streifen32 entsprechende elektrische Isolierung auch durch 30 bzw. 42 und den darunterliegenden Abschnitten des andere Maßnahmen als durch ein vollständiges Typsn bestehen, entspricht einem KondensatorC3 Durchätzen einer breiteren Halbleiterschicht unter bzw. einem Kondensator C 4, von denen jeder einen Bildung von zwei Abschnitten erzielt werden könnte. Wert von 1000 pF hat.

Beispielsweise könnte die elektrische Isolierung da- In der n-Schicht 12 ist ferner ein Transistor TR-I durch erhalten werden, daß in der Schicht zwischen 35 gebildet, dessen Kollektorzone aus einem Abschnitt den zu isolierenden Schaltungselementen ein Gebiet der Schicht 12 besteht. Eine eindiffundierte p-Zone mit hohem Widerstand gebildet wird. Dieser hohe 45 (Fig. 1) stellt eine Basiszone dar, und eine einWiderstand stellt dann praktisch eine Unterbrechung diffundierte n-Zone 46 bildet eine Emitterzone. Ein dar, die eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung ohmscher Kontakt 48 ist auf die Emitterzone 46 der betreffenden Schaltungselemente verhindert. Bei 4° und ein ohmscher Kontakt 50 auf die Basiszone 45 der in F i g. 1 gezeigten Ausführung ist aber die Iso- aufplattiert, so daß elektrische Leitungen zwischen lierung zwischen zwei Abschnitten der integrierten diesen Kontakten und anderen Schaltungselementen Halbleiterschaltungsanordnung dadurch erhalten, daß angeschlossen werden können. Im Querschnitt ist der der Zwischenraum 16 in eine ursprünglich zusam- Transistor TR-I ähnlich der Darstellung von F i g. 3 menhängende Halbleiterschicht eingeätzt ist, so daß 45 mit der Ausnahme, daß dieser Transistor nur eine zwei räumlich voneinander getrennte Schichten 12 eindiffundierte Emitterzone hat. Das Schaltungsund 14 gebildet sind. element TR-I hat zwar die Form eines Transistors,

Bei der Herstellung wird auf der ursprünglichen es stellt aber praktisch mittels seiner pn-Übergänge

Schicht des Leitungstyps η durch Diffusion eine zwischen Kollektor und Basis bzw. Emitter und

Schicht von Halbleitermaterial des Leitungstyps ρ ge- 50 Basis zwei Flächendioden dar. Bei der dargestellten

bildet, so daß ein pn-übergang entsteht. Darin wer- Schaltungsanordnung wird dieses Schaltungselement

den dann die Schaltungselemente dadurch gebildet, nicht in üblicher Weise als Transistor verwendet,

daß das Halbleitermaterial stellenweise fortgeätzt sondern als zwei getrennte pn-Flächendioden D1

wird und daß stellenweise Material des Leitungs- und D 4.

typs η in die p-Schicht eindiffundiert wird. An den er- 55 Ferner ist in der Schicht 12 eine pn-Flächendiode

forderlichen Zonen werden dann zur Bildung elek- D3 gebildet, deren Querschnitt in Fig. 6 gezeigt ist.

irischer Anschlüsse Metallkontakte aufplattiert oder Diese Diode enthält einen eindiffundierten pn-Über-

aufgedampft. gang zwischen dem Abschnitt 52 des Typs η und der

In der Schicht 12 ist ein npn-Transistor TR-2 ge- eindiffundierten p-Schicht 54, die einen ohmschen

bildet, in dessen Basiszone des Typs ρ eine zweite 60 Kontakt 56 trägt.

η-Zone eindiffundiert ist, so daß praktisch ein Dop- Die in die n-Schicht 14 eindiffundierte p-Zone 58 pelemittertransistor gebildet wird. Ein Schnitt durch wird nicht weggeätzt, und in die p-Zone 58 werden den Transistor TR-2 ist in Fig. 3 gezeigt. Dieser zwei η-Zonen zur Bildung von gleichen Flächen-Doppelemitteraufbau ergibt praktisch einen npn- dioden D 2 und Dl eindiffundiert. Ein Querschnitt Transistor mit einer eingebauten Diode, die durch 65 der DiodeD2 ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem den zusätzlichen eindiffundierten pn-übergang ge- Fall wird der pn-übergang zwischen der eindiffunbildet wird. Der Transistor TR-2 hat eine Kollektor- dierten p-Zone 58 und der eindiffundierten n-Zone zone 18 des Typsn, die durch die Schicht 12 ge- 60 gebildet, während die n-Schicht 14 lediglich als

Unterlage dient. Auf die n-Zone 60 wird ein Metall- sind. Die 100-kOhm-Widerstände von Fig. 2c haben

kontakt 62 aufplattiert, mit dem die Diode an andere die Aufgabe, den Strom zu liefern, mit dem die

Schaltungselemente oder Klemmen angeschlossen Diodentore D S, D 6 und D 7 in der Sperrichtung

werden kann. vorgespannt werden. Die Multivibratorschaltung

Auf der Schicht 14 sind ferner zwei Kopplungs- 5 kann zwar auch als mikrominiaturisierte integrierte

kondensatoren Cl und Cl gebildet. Wie in Fig. 5 Halbleiterschaltungsanordnung so aufgebaut werden,

gezeigt ist, gehört zu dem Kondensator Cl ein SiIi- daß sie genau dem Schaltbild von Fig. 2c entspricht,

ciumdioxyd-Überzug 64 auf der p-Zone 58. Dieser doch ist die Bildung von hochohmigen Widerständen,

Überzug dient als Dielektrikum für den Kondensator wie der 100-kOhm-WiderständeR5 bis R8 bei inte-

Cl, während die p-Schicht58 den einen Belag des io grierten Halbleiterschaltungsanordnungen nicht ganz

Kondensators bildet. einfach. Insbesondere erfordern 100-kOhm-Wider-

Auf die Oberseite des Oxydüberzugs 64 ist ein stände entweder ein Halbleitermaterial mit sehr gro-

Metallbelag 66 aufplattiert, der den Kondensator ver- ßem spezifischem Widerstand oder einen großen

vollständigt. Der Kondensator besteht aus den bei- Raum für einen langen Stromweg in einem Material

den leitenden Belägen, die durch die p-Zone 58 und 15 mit niedrigem spezifischem Widerstand. Da diese

den Metallbelag 66 dargestellt sind und durch den Widerstände nur den Zweck haben, die Sperrspan-

als Dielektrikum wirkenden Oxydüberzug 64 vonein- nung für Diodentorschaltungen zu liefern, können

ander getrennt sind. sie durch in der Sperrichtung vorgespannte pn-Flä-

An der Unterlage 10 sind weitere Klemmen be- chendioden ersetzt werden, indem einfach die festigt, die dann benutzt werden, wenn der bistabile 20 Diodentore und die Vorspannungsdioden in Serie Multivibrator als Binärzählerstufe verwendet wird. geschaltet werden. Dieser Ersatz ergibt die Unter-Dies sind folgende Klemmen: Eingangsklemme68, schiede zwischen den Schaltungen von Fig. 2b und Löschklemme 70, Einstellklemme 72, Sperrklemme 2c, wobei die Schaltung von Fig. 2b als integrierte 74, Masseklemme 76. Äußere Drähte verbinden in Halbleiterschaltungsanordnung sehr viel leichter herder in Fig. 1 gezeigten Weise die verschiedenen 25 zustellen ist. Die geschilderten Maßnahmen wurden Schaltungselemente miteinander und mit den Klem- bei einem praktisch ausgeführten Multivibrator men, so daß die Schaltung als bistabiler Multivibra- unter zyklischer Temperaturänderung geprüft, und tor arbeitet. es wurde festgestellt, daß sowohl die Grundschaltung

Der allgemeine Betrieb der in Fig. 1 gezeigten von Fig. 2c als auch die abgeänderte Schaltung von

integrierten Halbleiterschaltungsanordnung soll kurz 30 Fig. 2b bis zu 110° C einwandfrei arbeiten,

erläutert werden, damit der Aufbau dieser Anord- Die in Fig. 2a dargestellte bevorzugte Ausfüh-

nung besser verständlich ist. Die Schaltungen von rungsform des mit einer Torschaltung versehenen

Fig. 2b und 2c ergeben den gleichen Betrieb wie bistabilen Multivibrators eignet sich zur Verwen-

die Schaltung von Fig. 2a, sie unterscheiden sich dung als Stufe eines Binärzählers. Mittels der Ein-

aber im Schaltungsaufbau von dieser. 35 stellklemme wird bestimmt, welcher Transistor an-

Die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung von fänglich Strom führt und welcher Transistor gesperrt Fig. 1 läßt sich auch so aufbauen, daß sie genau ^ist- ^Da die Transistoren TR-2 und TR-3 beide vom mit den in Fig. 2b und 2c gezeigten Schaltungen Typ npn sind, wird der Transistor Tr-2 bei Zufühübereinstimmt. Der Unterschied zwischen den Schal- rung eines positiven Impulses an seiner Basis stromtungen von Fig. 2a und Fig. 2b besteht in den 40 führend, und der Transistor TR-3 wird gesperrt. Ein Dioden Dl, D 4, DS und D 6. Diese Dioden sind als an der Eingangsklemme zugeführter negativer Ausgetrennte Schaltungselemente dargestellt, während sie löseimpuls sperrt dann den Transistor TR-2 über die in Fig. 2a in andere Anordnungen eingebaut sind. DiodeD7, den Kopplungskondensator Cl und die So werden bei der Anordnung von Fig. 2a die Dio- DiodeDS, während der Transistor TR-3 stromfühdenDl und DA durch die zwischen Emitter und 45 ^rend wird. Ein zweiter Auslöseimpuls bringt die Basis bzw. Basis und Kollektor des Schaltungsele- Schaltung in den ursprünglichen Zustand zurück. mentsTiM bestehenden Flächendioden gebildet, Durch wahlweises Anlegen von Impulsen an den und die Dioden D S und D 6 sind in den Transistoren Sperreingang können die der Eingangsklemme zuge- TR-2 und TR-3 in Form des zweiten Emitter-Basis- führten Auslöseimpulse blockiert werden, so daß die Übergangs enthalten. 50 Multivibratorschaltung auf diese Auslöseimpulse

Ein weiterer Unterschied zwischen den Anordnun- nicht anspricht. Ein an die Löschklemme gelegter

gen nach Fig. 2a und 2b besteht darin, daß in positiver Impuls bringt die Schaltung in ihren ur-

Fig. 2a die Querkopplungskondensatoren C3 und sprünglichen Zustand zurück. An den Ausgängen 1

C4 von Fig. 2b durch die verteilte Kapazität zwi- und 2 erscheinen Ausgangsimpulse, die den Zustand

sehen den entsprechenden 5 kOhm- oder 7-kOhm- 55 des zugehörigen Transistors anzeigen.

WiderständenR1 und R2 bzw. R3 und RA ersetzt Die in Fig. 2a, 2b und 2c gezeigten Schaltbilder

sind. Wie zuvor erläutert wurde, werden die Wider- eines mit einer Torschaltung versehenen bistabilen

stände R1 und R 3 durch die p-Streifen 32 bzw. 42 Multivibrators entspechen also alle dem Betrieb der

und die WiderständeR2 und RA durch die Ab- in Fig. 1 gezeigten Halbleiterschaltungsanordnung,

schnitte34 bzw. 44 der η-Schicht gebildet. Da an 60 deren Aufbau dem Schaltbild von Fig. 2a genau

den so gebildeten Kapazitäten stets die gleiche PoIa- entspricht.

rität herrscht, ist diese an einem pn-übergang ver- Die scheibenförmige Unterlage 10 kann aus eigenteilte Kapazität durchaus brauchbar. Der Unter- leitendem Halbleitermaterial bestehen, das sich durch schied zwischen den Anordnungen nach Fig. 2b einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand und Fig. 2c besteht darin, daß in Fig. 2b die 65 auszeichnet. In Abänderung des zuvor beschriebenen 100-kOhm-WiderständeRS, R6, Rl und RS von Ausführungsbeispiels kann auch die gesamte Anord-Fig. 2c durch die in der Sperrichtung vorgespann- nung aus einem Block aus eigenleitendem Halbleiterten pn-FlächendiodenD1, D2, D3 bzw. DA ersetzt material gebildet werden, in das Störstoffe zur BiI-

dung von Zonen eindiffundiert werden, die an die Stellen der Schichten 12 und 14 bei der gezeigten Anordnung treten. Im ersten Fall wäre die Unterlage von F i g. 1 dann ein getrennter scheibenförmiger Körper aus eigenleitendem Halbleitermaterial, auf dem die Schichten 12 und 14 befestigt sind, während sie im zweiten Fall körperlich aus einem Stück Halbleitermaterial mit den Zonen 12 und 14 bestünde, die sich dann lediglich infolge einer Dotierung in den elektrischen Eigenschaften von der Unterlage unterscheiden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mikrominiaturisierte integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit mehreren Halbleiterschichten oder Halbleiterzonen, in denen oder auf denen jeweils ein oder mehrere Schaltungselemente gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen oder Schichten (12, 14) elektrisch voneinander getrennt und im Abstand voneinander in oder an der einen Oberfläche einer scheibenförmigen Halbleiterunterlage (10) so angeordnet sind, daß sie sich nicht bis zu deren entgegengesetzten Oberfläche erstrecken.

2. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (12,14) durch Diffusion in der aus eigenleitendem Halbleitermaterial bestehenden Unterlage gebildet sind.

3. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (12, 14) mit einem isolierenden Bindemittel auf der scheibenförmigen Halbleiterunterlage (10) befestigt sind.

4. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Lötglas ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine zusammenhängende Halbleiterschicht auf der Unterlage (10) angebracht und anschließend zur elektrischen Trennung und Bildung des gegenseitigen Abstands der Schichten (12, 14) unterteilt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung durch Ätzung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung durch Bildung eines Gebietes hohen Widerstands erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 833 366;

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1011081;

USA.-Patentschriften Nr. 2663 830, 2776 381,
2791759.

Zeitschrift »Instruments and Automation«, Vol. 30, April 1957, S. 667 und 668.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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