DE1539090B1 - Integrierte Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

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Die bekannten Kondensatoranordnungen in inte- Die Erfindung geht aus von einer integrierten

grierten Halbleiteranordnungen bestehen aus Dioden, Halbleiteranordnung, bestehend aus einer Halbleiterdie im allgemeinen durch aufeinanderfolgende DifEu- scheibe mit einer Trägerschicht eines Leitfähigkeitssionen von Verunreinigungen entgegengesetzten Lei- typs und einer darauf befindlichen Oberflächentungstyps in eine in bekannter Weise isolierte Tasche 5 schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die des Halbleitermaterials ausgebildet werden. durch mindestens eine Trennwand des ersten Leit-

Die erste Diffusion für die Diodenanordnung wird fähigkeitstyps mit einer oberflächlichen Fremdstoffgleichzeitig mit der Basisdiffusion für die Transistor- konzentration von wesentlich mehr als 10¹⁸ Atomen/ anordnungen durchgeführt und ergibt demzufolge cm³, die sich durch die Oberflächenschicht hindurch eine verhältnismäßig geringe Oberflächenkonzentra- io von der Außenfläche derselben zur Trägerschicht tion von der Größenordnung von etwa 10¹⁸ Atomen/ erstreckt, in mehrere isolierte Abschnitte zerlegt cm³. Infolgedessen ist die entstehende Kapazität je wird, wobei die Halbleiteranordnung mindestens M-Flächeneinheit recht klein, nämlich typisch etwa gende Teile aufweist:

800 pF/mirf. Um einen· Kondensator größerer Kapa- _{a) ein Diod}enteil, dessen eine Zone mit dem ersten zitat zu bilden müssen also unverhaltmsmaßig große 15 Leitfähigkeitstyp sich von der Außenfläche in Flachen und Räume der mtegnerten Schaltung be- _{einen der Abschnitte der} oberflächenschicht er-

reitgestellt werden , _n ' " , . . , streckt und dessen andere Zone vom entgegen-

Ferner zeigt sich, daß die soeben beschriebenen,· gesetzten Leitfähigkeitstyp auf der ersten Zone

durch doppelte Diffusion entstandenen Kondensator- ausgebildet ist und mit dieser einen pn-Über-

anordnungen verteilte i?C-Effekte zeigen, offenbar 20 bildet*

wegen des verhältnismäßig hohen spezifischen Wider- , _λ . ~ . ' ^ ., , , , . ... „ , ■ Standes der untersten, zuerst diffundierten Zone. Die ^b) ^em Transistorteil, bestehend aus einer Kollektor-Anordnung wirkt deshalb als abgestimmtes Schal- zone vom zweiten Leitfahigkeitstyp, Je sich von |

tungselement, dessen Kapazität stork von der Fre- ^de* Außenfläche der^Halbleiterscheibe in einen

quenz abhängt und das Impulse erheblich verzerrt. *5 ⁸^⁶Ff Abschnitt der Oberflächenschicht er-Mit dem bekannten Diffusionsverfahren lassen f.^, ^emer Basiszone vom ersten Leitfahig-

sich auch träge Dioden schlecht herstellen. Unter J^ei'^st??' ^die sich von der Außenflache in die

einer trägen Diode wird eine solche verstanden, bei Kollektorzone erstreckt und einer auf der Basis-

welcher der Übergang vom Durchlaßzustand des fⁿf_f bfndüchen Emitterzone vom zweiten

pn-Überganges zum Sperrzustand nach einer Polari- 30 Leitfahigkeitstyp unter Bi dung von pn-Übertätsumkehr der angelegten Spannung verhältnis- S^anS^en mischen den einzelnen Zonen,

mäßig lange Zeit benötigt. Eine träge Diode benötigt Die Erfindung besteht darin, daß die erste Zone

etwa 50 Nanosekunden für die Umschaltung, wäh- des Diodenteils etwa die gleiche oberflächliche rend eine schnelle Diode etwa 3 Nanosekunden Fremdstoffkonzentration wie die Trennwand hat, die braucht. 35 jedoch höher als diejenige der Basiszone des Tranin einem integrierten Schaltkreis, der für eine sistorteils ist, und daß die Emitterzone des letzteren logische Aufgabe bestimmt ist, soll im allgemeinen eine oberflächliche Fremdstoffkonzentration hat, die die gesamte Schaltfunktion so rasch wie möglich etwa gleich groß wie diejenige der anderen Diodenablaufen. Es gibt jedoch Fälle, bei denen die rasche zone, aber höher als diejenige der Basiszone des Arbeitsweise bestimmter Komponenten zu einer Ver- 40 Transistorteils ist.

zögerung der Schaltfunktion des gesamten Schalt- Mit dieser Anordnung lassen sich in einfacher

kreises führt. Dies gilt z.' B. für Dioden im Basiskreis Weise träge Dioden zusammen mit schnellen Dioden eines Schalttransistors. und schnellen Transistoren in einer integrierten

Um die Schaltgeschwindigkeit bei den bekannten Halbleiteranordnung ausbilden. Die nach dem Ver- Λ integrierten Schaltungen zu erhöhen, wird häufig die 45 fahren zur Herstellung der vorliegenden integrierten ganze Anordnung einer Diffusion mit einem Metall Halbleiteranordnung hergestellten Dioden haben unterworfen, das in die Zwischenräume des Halb- eine hohe Anfangsleitfähigkeit im Durchlaßbereich leiter-Kristallgitters eindringt. Für diesen Zweck wird und geringe Temperaturempfindlichkeit,
häufig Gold verwendet, da es die Eigenschaft hat, Beide Zonen der Diodenanordnung sind stark

die Lebensdauer der Träger in einem Halbleiter 50 dotiert. Im Gegensatz zu den bekannten Herstellungsherabzusetzen, so daß Speichereffekte vermieden verfahren wird die erste Diodenzone gleichzeitig mit werden. Die Anwendung einer solchen Golddiffusion der Ausbildung der Trennwände und nicht mit den macht aber bei den bekannten Herstellungsverfahren Transistorbasiszonen gebildet. Infolgedessen erhält die Ausbildung von Trägerdioden äußerst schwierig. die erste Diodenzone im wesentlichen die gleiche Aktive Dioden sollen ferner eine hohe Durchlaß- 55 Leitfähigkeit wie die Trennwände. Es wurde geleitfähigkeit haben, um- gegen Rauschen unempfind- funden, daß die Diodenanordnung eine höhere Kalich zu sein und eine kurze Anstiegzeit des Durch- pazitat je Flächeneinheit als bei den bekannten Anlaßstromes aufzuweisen. Auch sollen die Dioden- Ordnungen hat und daß sie als träge Diode arbeitet, anordnungen weitgehend unempfindlich gegen Tem- auch wenn die integrierte Halbleiteranordnung im peraturschwankungen sein. Die in bekannter Weise 30 ganzen einer Golddiffusion unterzogen wird, um die hergestellten Diodenanordnungen lassen auch in Lebensdauer der Träger herabzusetzen,
dieser Hinsicht zu wünschen übrig. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung wer- .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte den nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Halbleiteranordnung zu schaffen, deren- Diodenteile Hierin ist

eine hohe Kapazität je Flächeneinheit, gute Impuls- 65 Fig. 1 ein Teilschnitt einer integrierten Schaltung Übertragung und geringe Frequenzabhängigkeit zeigen bekannter Art,

und deren Herstellung trotzdem nicht allzu schwie- Fig. 2 ein Teilschnitt einer integrierten HaIb-

rig ist. leiteranordnung nach der Erfindung,

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Fig. 3A bis 3G entsprechende Schnitte in ver- Es wurde gefunden, daß die gemäß Fig. 2 hergeschiedenen Verfahrensstufen der Herstellung einer stellten Dioden eine erhebliche Trägheit bei der UmAnordnung nach F i g. 2, schaltung aus der Durchlaßrichtung in die Sperrich-

F ig. 4 das Schaltbild eines typischen Schaltkreises, rung aufweisen, auch wenn eine Golddiffusion durchder erfindungsgemäß als integrierte Schaltung aus- 5 geführt wurde. Dieser unerwartete Vorteil gestattet

gebildet werden kann, und eine zusätzliche Anpassungsfähigkeit im Entwurf

F i g. 5 ein Teilschnitt einer integrierten Halb- integrierter Schaltungen. Dies gilt insbesondere für

leiteranordnung mit abgeänderter Diodenanordnung. bestimmte integrierte Schaltungen, die schnelle

Fig. 1 zeigt eine Halbleiteranordnung bekannten Schalttransistoren und träge Dioden enthalten sollen. Aufbaus mit einem Transistorteil T und einem io Die vorliegende Anordnung kann leicht nach

Diodenteil D, die elektrisch voneinander getrennt, Verfahren hergestellt werden, die mit den bei der

aber baulich vereinigt sind. Ein p-leitendes Substrat Herstellung integrierter Schaltungen üblicherweise

10 dient als Träger für die einzelnen Zonen, welche angewandten Techniken vereinbar sind. Die Dioden-

die aktiven Teile der Anordnungen bilden, und anordnungen können also gleichzeitig mit den anunterstützt die elektrische Trennung derselben. Der 15 deren Bauelementen der integrierten Schaltung auf-

Transistorteil besteht aus den Zonen 12, 14 und 16 gebaut werden.

von abwechselndem Leitungstyp, zwischen denen Fig. 3 A bis 3 G zeigen den Herstellungsgang einer

sich die pn-Übergänge 13 und 15 befinden, welche Anordnung nach Fig. 2. Gemäß Fig. 3A befindet

die Emittergrenzschicht und die Kollektorgrenz- sich auf einer der Hauptoberflächenseiten des n-leischicht darstellen. 20 tenden Trägers 50 eine Diffusionsmaske 51a mit

Der an die Kollektorzone 16 anschließende Be- Fenstern für die Diffusion einer η-Leitung bewirkenreich 36 mit stärker dotiertem η-leitendem Material den Verunreinigung in die Oberfläche des Trägers, bildet einen Teil des Kollektors und unterstützt die Durch die Diffusion werden die Bereiche 86 und 88 Erzielung eines geringen Sättigungswiderstandes des gebildet, die später durch eine epitakisch aufgewach-Kollektors. An den Zonen 12, 14 und 36 sind Kon- 25 sene Schicht überdeckt werden,
takte 22, 24 und 26 für Emitter, Basis und Kollektor F i g. 3 B zeigt die Anordnung nach der Bildung angebracht. einer η-leitenden Schicht 90 durch epitaktisches

Der Diodenteil besteht aus den Zonen 18 und 20 Wachstum auf der Oberfläche des Trägers 50. Hierentgegengesetzten Leitungstyps, zwischen denen sich bei bildet sich eine Grenzschicht 91 zwischen epitakder pn-übergang 19 befindet. Die Zonen 18 und 20 30 tischer Schicht und Träger.

sind mit Kontakten 28 und 30 versehen. Vom Träger F i g. 3 C zeigt die Anordnung nach Durchführung 10 zur Außenfläche der Anordnung erstreckt sich einer selektiven Diffusion durch eine Diffusionseine p+-Wand39, welche die elektrische Trennung maske 51 b zur Bildung von p+-leitenden Zonen 79 des Transistorteils und des Diodenteils bewirkt. Die und 60, wobei die Zonen 79 zur Trennung der ein-Wand39 bildet einen pn-übergang 40 mit getrennten 35 zelnen Abschnitte der η-leitenden Schicht 90 dienen n-Bereichen 16 und 37, in welche die aktiven Teile und die Zone 60 die Anode der Diodenanordnung eingebettet sind. Im Diodenteil ist der Bereich 37 bildet.

ebenso wie die n⁺-Zone38 passiv. Eine passivie- Fig. 3D zeigt die Anordnung nach einer weiteren

rende Oberflächenschicht 11 erstreckt sich über die Diffusion eines Donators durch die Diffusionsmaske

Außenfläche der Anordnung und schützt die Stirn- 40 51c zur Bildung der Bereiche 96 und 98, die jeweils

flächen der pn-Übergänge. einen Ring darstellen, der sich durch die n-leitende

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der verbes- Schicht 90 hindurch erstreckt.

serten Anordnung nach der Erfindung. Die Teile der In Fig. 3E wurde eine weitere Diffusion eines

Fig. 2 sind mit Bezugsziffern versehen, welche die- Akzeptors durch eine Oxydmaske 51 d durchgeführt,

jenigen entsprechender Teile in Fig. 1 um 40 über- 45 um die Zone 54 in demjenigen Abschnitt der n-lei-

steigen. Der Transistorteil der Fig. 2 ist weitgehend tenden Schicht 90 zu bilden, der von dern⁺-leitenden

identisch mit demjenigen der Fig. 1, abgesehen Wand96 umschlossen wird und so die Zone56 in

davon, daß der untere Teil des Bereichs 76 nunmehr F i g. 2 darstellt. Die n+-leitenden Zonen 86 und 96

in die Oberfläche des Substrats 50 eingebettet und bilden zusammen die Zone 76 in Fig. 3E und 2.

nicht auf demselben ausgebildet ist. 50 Fig. 3F zeigt die Anordnung nach einer weiteren

Der Diodenteil weicht insofern von F i g. 1 ab, als selektiven Diffusion durch eine Maske 51 e mit einem die Kathode 58 eine Zone darstellt, welche die Donator, der die Zonen 52 und 108 bildet. Diese Anode 60, abgesehen von einem kleinen Oberflächen- Diffusion beendet die Bildung der Bereiche gemäß teil, der für die Kontaktierung vorgesehen ist, voll- Fig. 2, wobei die Bereiche88, 98 und 108 gemeinständig umhüllt. Ferner ist die Anode 60 eine 55 sam die Zone 58, welche die Kathode der Diode ρ+-Zone, also ungefähr ebenso stark dotiert wie die darstellt, bilden.

Kathode 58. Infolgedessen besitzt die Diodensperr- Fig. 3G schließlich zeigt die Anordnung nach schicht 59 eine erheblich höhere Kapazität je Flächen- Aufbringung einer Oxydschicht 51/ auf der ganzen einheit des Trägers 50 als bei einer Anordnung nach Oberfläche, an der die Diffusionsvorgänge durch-F i g. 1, weil beiderseits der Sperrschicht 59 höhere 60 geführt wurden, und einer Schicht 110 aus mindestens Verunreinigungskonzentrationen vorhanden sind. Die einem der Metalle Gold, Kupfer, Eisen und Mangan starke Dotierung beiderseits der Sperrschicht 59 ergibt auf der entgegengesetzten Hauptoberflächenseite, auch eine hohe Durchlaßleitfähigkeit mit den damit Beispieslweise kann zu diesem Zweck eine Goldverbundenen, in der Einleitung erwähnten Vorteilen. schicht im Vakuum aufgedampft werden. Die Anord-

Die Anordnung der F i g. 2 ergab bei der Verwen- 65 nung wird dann erhitzt, um eine Diffusion des Metalls

dung in integrierten Schaltungen überraschender- durch den ganzen Halbleiter hervorzurufen, so daß

weise weitere Vorteile, die nicht allein durch eine es alle Teile desselben durchdringt. ' ·'■

Kapazitätsvergrößerung im Diodenteil erklärlich sind. Fig. 4 zeigt das Sehaltbild einer naöh-der-Erfin-

dung integrierten Schaltung. Es handelt sich um einen aus Dioden und einem Transistor bestehenden logischen Schaltkreis, der die logische Verknüpfung NAND (negiertes UND) ausführt. Die Dioden D₁, D₂ und D₃ stehen beispielsweise für eine Mehrzahl 5 von schnellen Eingangsdioden, die hierbei verwendet werden können. Die Dioden D₄, D₃ und D₈ sind träge Dioden im Basiskreis des schnell schaltenden Transistors T. Die schnellen Dioden können in bekannter Weise gemäß Fig. 1 hergestellt werden.

Der Schaltkreis nach F i g. 4 wurde, wie oben beschrieben, integriert, wobei der Träger aus p-leitendem Silizium eine Dicke von etwa 0,2 mm und einen spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm-cm hatte. Die epitaktische Schicht 90 wurde durch thermische Reduktion von Süiziumtetrachlorid durch Wasserstoff gebildet, wobei eine Phosphorverunreinigung in den Reagenzien vorhanden war, um einen spezifischen Widerstand von etwa 0,4 Ohm · cm in einer Schicht mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometer zu erzeugen. Die ohne Anschluß bleibenden Kollektorbereiche 86 und 88 wurden mit Phosphor erzeugt, wobei der Flächenwiderstand eines Quadrats nach der Diffusion etwa 50 Ohm betrug und die Schichtdicke etwa 3 Mikrometer betrug.

Die Zonen 79 und 60 wurden durch Diffusion von Bor gebildet, die fortgesetzt wurde, bis sich eine Oberflächenkonzentration von etwa XO²⁰ Atomen/cm^s und ein quadratischer Flächenwiderstand von etwa 5 OhrnQ ergab. Dies reicht aus, um zu gewährleisten, daß die Diffusionsfront die diffundierten Bereiche 88 und 86 erreicht. In ähnlicher Weise wurde Phosphor zur Ausbildung der Bereiche 96 und 98 verwendet, wobei die Oberflächenkonzentration etwa 10²¹ Atome/ cm³ betrug. Für die Transistorbasis 54 wurde Bor eindiffundiert, bis eine Oberflächenkonzentration von etwa 10¹⁸ Atomen/cm³ erreicht war, während für die Bereiche 52 und 108 eine Diffusion von Phosphor bis zu einer Oberflächenkonzentration von etwa 10²¹ Atomen/cm³ verwendet wurde. In jedem Falle waren die Diffusionsmasken aus Siliziumdioxyd und wurden in bekannter Weise durch Photographieren und Ätzen erzeugt.

Mit der vorliegenden Anordnung wurden die folgenden Verbesserungen im Vergleich zu den bekannten Dioden nach Fi g. 1 erzielt. Die Einschaltzeit wurde von 13 auf 7 Nanosekunden herabgesetzt. Die Abschaltzeit wurde von 40 auf 11 Nanosekunden verkürzt. Die neuen Diodenanordnungen hatten eine Kapazität von etwa 2400pF/mm², während die bekannten Dioden etwa eine Kapazität von 800 pF/mm² aufweisen.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Entsprechende Teile tragen Bezugszahlen, deren zwei letzte Ziffern mit denjenigen in Fig. 2 überemstimmen. In diesem Falle wird die Diodensperrschicht 159 nur zwischen den Zonen 208 und gebildet. Wegen der Abnahme der Diffusionskonzentration in der Zone 160 befindet sich der am stärksten dotierte Teil in der Nähe der Zone 208. Die geringe Kapazitätsverringerung bei dieser Anordnung ist nicht erheblich. Es wurde jedoch gefunden, daß diese Anordnung eine steilere Durchlaßkennlinie zeigt, so daß sie unempfindlicher gegen Rauschen ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiteranordnung, bestehend aus einer Halbleiterscheibe mit einer Trägerschicht eines Leitfähigkeitstyps und einer darauf befindlichen Oberflächenschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die durch mindestens eine Trennwand des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer oberflächlichen Fremdstoffkonzentration von wesentlich mehr als 1O¹⁸ Atomen/cm³, die sich durch die Oberflächenschicht hindurch von der Außenfläche derselben zur Trägerschicht erstreckt, in mehrere isolierte Abschnitte zerlegt wird, wobei die Halbleiteranordnung mindestens folgende Teile aufweist:

a) ein Diodenteil, dessen eine Zone mit dem ersten Leitfähigkeitstyp sich von der Außenfläche in einen der Abschnitte der Oberflächenschicht erstreckt und dessen andere Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf der ersten Zone ausgebildet ist und mit dieser einen pn-übergang bildet;

b) ein Transistorteil, bestehend aus einer Kollektorzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die sich von der Außenfläche der Halbleiterscheibe in einen anderen Abschnitt der (| Oberflächenschicht erstreckt, einer Basiszone vom ersten Leitfähigkeitstyp, die sich von der Außenfläche in die Kollektorzone erstreckt, und einer auf der Basiszone befindlichen Emitterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp unter Bildung von pn-Übergängen zwischen den einzelnen Zonen;

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (60, 160) des Diodenteils etwa die gleiche oberflächliche Fremdstoffkonzentration wie die Trennwand (79, 179) hat, die jedoch höher als diejenige der Basiszone (54) des Transistorteils ist, und daß die Emitterzone (52) des letzteren eine oberflächliche Fremdstoffkonzentration hat, die etwa gleich groß wie diejenige der anderen Diodenzone (58, 208), aber höher als diejenige der Basiszone (54) des Transistorteils ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diodenzone (60, 160) einen pn-übergang (59) mit einer ver- A deckten Zone (88, 188) vom zweiten Leitfähig- ™ keitstyp bildet, welche unter dem betreffenden Abschnitt der Oberflächenschicht in der inneren Grenzfläche (91) zu der Trägerschicht (50) liegt.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Zone (98) vom zweiten Leitfähigkeitstyp sich im Diodenteil von der Außenfläche durch den Abschnitt der Oberflächenschicht hindurch zu der verdeckten Zone (88) erstreckt und die erste Diodenzone (60) unter Bildung eines pn-Überganges umgibt sowie die verdeckte Zone mit der zweiten Diodenzone (58) verbindet, so daß ein einziger zusammenhängender pn-übergang (59) zwischen der ersten Diodenzone einerseits und der zweiten Diodenzone, der weiteren Zone und der verdeckten Zone andererseits vorhanden ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Epitaktische Bildung der Oberflächenschicht (90) auf der Trägerschicht (50);

b) Eindiffusion dotierender Verunreinigungen an bestimmten Stellen der Oberflächenschicht derart, daß einerseits die Trennwände (79) zur Unterteilung der Oberflächenschicht in isolierte Abschnitte und andererseits die erste Diodenzone (60) gebildet werden;

c) Bildung der Transistorbasiszone durch Eindiffusion dotierender Verunreinigungen in einen anderen getrennten Abschnitt zur BiI-dung eines Kollektorübergangs mit der Oberflächenschicht;

d) Bildung der Emitterzone des Transistorteils und der zweiten Diodenzone mittels eines weiteren Diffusionsvorganges.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der epitaktischen Bildung der Oberflächenschicht eine oder mehrere später verdeckte Zonen (88) ausgebildet werden, indem entsprechende dotierende Verunreinigungen vom zweiten Leitfähigkeitstyp an einer oder mehreren ausgewählten Stellen in die Trägerschicht (50) eindiffundiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY

009517/Π8