DE1789119A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

DR-ING. DIPL.-ΙΝβ. M. SC. OIPL.-PHYS. DR. DJPL.-PHYS.

HÖGER-STELLRECHT--GRIESSBACH-HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Texas Instruments. Incorporated Dallas, Texas, U. S. A.

135oo North Central Expressway

Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Grundkörper aus Halbleitermaterial und mit mindestens einem darin ausgebildeten Halbleiterbauelement.

Ein in der Halbleitertechnologie seit langem vorliegendes Problem ist der Abbau von in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergängen in Vorrichtungen, welche hohen Betriebstemperaturen unterliegen. Der zu diesem Abbau am meisten beitragende Faktor ist

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die Oberflächeninversion, nämlich die Tendenz des Halbleitermaterials, an der Oberfläche sich von einem Leitungstyp in den entgegengesetzten Leitungstyp umzuwandeln. Dieser Effekt herrscht insbesondere in p-Silizium mit aufgebrachter Siliziumoxydschicht vor, wobei die Oberfläche dazu neigt, sich in n-Silizium zu verwandeln. Da ferner der Kollektor-Basis-Übergang eines Transistors stark in Sperriehtung,vorgespannt ist und die Kollektorzone gewöhnlich schwächer als BAsis und Emitter dotiert ist, tritt der schädliche Effekt der Oberflächeninversion am stärksten in der Kollektor-Basis-Kennlinie von pnp-Silizium-Planar-Transistoren in Erscheinung. Die Inversion wird durch stärkere Dotierung der p-Kollektorzone reduziert, jedoch beschränkt dies den Transistor auf niedere Kollektor-Basis-Durchbruchs spannungen. Zu einer teilweisen Lösung des Inversionsproblems führt die Verwendung eines einen hohen Widerstand besitzenden p-Materials für den Kollektor und die anschliessende Bildung einer stark dotierten p+ Zone in der Nähe der Grundkörperoberfläche in der Kollektorzone, die die Basiszone umgibt, jedoch im Abstand von dieser liegt (vergleiche z.B. kanadische Patentschrift 667 423 und die Zeitschrift "Internationale Elektronische Rundschau", 1964, Heft 8, Seiten 423 bis 426). Bei diesem Aufbau wird die p+ Zone als "Schutzring" (guard ring) bezeichnet, obwohl in manchen Fällen dieser Bereich nicht ring- oder kreisförmig, sondern vielmehr quadratisch oder rechteckig ist. In jedem Falle liegt jedoch eine in sich geschlossene Konfiguration vor. Der Schutzring verlangsamt den auf der Oberflächeninversion beruhenden Abbau des pn-Überganges uricl ermöglicht trotzdem, dass die KoHektorzone einen hohen Widerstand

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besitzt, so dass die Durchbruchs spannung in Sperrichtung hoch sein kann. .

Obwohl der Schutz- oder Sicherheitsring sich bei konventionellen Transistoren als sehr wirksam erwiesen hat, verliert er seine Wirksamkeit, wenn metallische Streifen auf die Siliziumoxydschicht aufgebracht werden, die die Oberfläche der Halbleitervorrichtung bedeckt, vie dies bei integrierten Schaltungen für die Zwischenverbindungen und bei Transistoren mit breiten Kontakten (expanded contacts) notwendig und beispielsweise aus der US-Patentschrift 2 9 72 o9 2 und der französierten Patentschrift 1 26 2 176 bekannt ist. Der Leitungsstreifen begünstigt die Bildung einer Inversionsschicht an der Grundkörperoberfläche , wenn er in Bezug auf das darunter liegende Halbleitermaterial stark positiv vorgespannt ist. Dabei wird eine starke Konzentration an Elektronen (η-Typ Ladungsträger) im Silizium dicht unter dem Streifen erzeugt. Es entsteht also in Wirklichkeit eine n+ ZOne ,und dort, wo diese an den p+ Sicherheitsringbereich angrenzt, ergibt sich ein p+/n+ Obergang. Ein solcher übergang zeigt von Natur aus eine sehr niedrige Durchbruchs spannung in Sperrichtung und wirkt praktisch als Kurzschluss. Der durch die Felder der über dem Halbleitermaterial laufenden Verbindungsleitungen, bzw. Elektroden bewirkte Effekt ist dabei so stark, dass er bei einer bekannten Halbleiteranordnung zu deren Steuerung verwendet wurde (britische Patentschrift 9 54

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (DT-OS 1 539 o7o), zur - -H-

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Vermeidung von Oberflächenströmen auf der Isolierschicht im Bereich des pn-Übergangs eine elektrisch leitende Schicht anzuordnen, die mit dem als Elektrodenanschluss dienenden Kontakt für den einen oder anderen der an den pn-übergang angrenzenden Bereiche in elektrisch leitender Verbindung steht.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ergab sich nun die Aufgabe, die Einflüsse der Oberflächeninversion bei Halbleitervorrichtungen zu reduzieren, wobei für Halbleitervorrichtungen mit einem Halbleitergrundkörper, in dem mindestens ein elektronisches Bauelement vorgesehen ist und die mit metallischen Verbindungsleitungen versehen sind, die verschiedene Teile des Bauelements bzw. der Bauelemente miteinander verbinden und die von der Oberfläche des Grundkörpers durch eine nicht leitende Schicht isoliert sind, der Vorschlag gemacht wurde (vergleiche DT-OS 1 514 855), dieses Problem dadurch zu lösen, dass jeweils zwischen den Verbindungsleitungen und der Oberfläche des Grundkörpers ein elektrisch leitendes Abschirmelement angeordnet wird, das mit einem Oberflächenbereich des Grundkörpers, der im Abstand vom elektronischen Bauelement bzw. einer Grenzfläche desselben angeordnet ist, elektrisch leitend verbunden ist.

Bei der Entwicklung und Prüfung dieser Halbleiterbauelmente stellte es sich nun jedoch heraus, dass auch bei Halbleitervorrichtungen mit üblichen Kontakten des nicht expandierten Typs , d.h. ohne Leitungsstreifen, die oberhalb von Übergängen der Halbleiterbauelemente an der Oberseite einer Oxydbeschichtung

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verlaufen, eine Oberflächeninversion auftreten kann. Die Versuchsergebnisse legten den Schluss nahe, dass auch bei diesen Halbleitervorrichtungen die OberflächeninveBion aufgrund eines elektrischen Feldeffektes auftritt". " ' da sich ein elek- . trisches Feld selbst dann senkrecht zu der Oxydschicht aufzubauen scheint, wenn sich keine Metallstreifen über das Oxyd erstrecken.

Ohne dass es möglich gewesen wäre, die Vorgänge im einzelnen genau aufzuklären, war doch anzunehmen, dass dieser Effekt auf eine Ionisierung der Oberseite der Oxydschicht zurückgeht, welche die Bildung einer positiven Ladung ermöglicht, wenn die Elektronen zum positiven Kontakt einer Halbleiteranordnung fliessen. Die Oberfläche des unter dem Oxyd liegenden p-leitenden Siliziums kann dann natürlich bei einer entsprechenden Konzentration von Elektronen auf der Oberseite der Oxydschicht invertiert werden. Es wurde beobachtet, dass dieser Effekt mit steigender Temperatur zunimmt.

Die Oxydschicht kann, vielleicht durch Ionenwanderung, einen polarisierten Zustand einnehmen, so dass das Feld und die Inversionsschicht auch dann erhalten bleiben, wenn die Vorspannung in Sperrichtung entfernt und die Temperatur abgesenkt wird.

Ausgehend von dem eingangs geschilderten Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung aufgrund der vorstehend geschilderten Beobachtungen nun die Aufgabe zugrunde, auch für Halbleiteranordnungeri der eingangs beschriebenen Art, d.h. für HaIb-

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leiteranordnungen, bei denen keine expandierten Leitungen oberhalb von pn-Übergängen an der Oberseite einer Oxydschicht verlaufen, Massnahmen vorzuschlagen, die geeignet sind , bei diesen Halbleitervorrichtungen das Auftreten einer Oberflächeninversion zu .verhindern bzw. die ungünstigen Einflüsse einer solchen Oberflächeninversion zu reduzieren.

Diese Axigabe wird nun erfindungsgemäss durch eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei der ein elektrisch leitendes Abschirmelement vorgesehen ist, welches mit der Oberfläche des Grundkörpers in einem Oberflächenbereich in Kontakt steht, im Abstand von dem Halbleiterbauelement bzw. einer Grenzfläche desselben angeordnet ist und das gleiche Potential aufweist, welches der mit ihm in Kontakt stehende Obeiflächenbereich aufweist.

Als günstig hat sich dabei erwiesen, wenn das elektrisch leitende Abschirmelement durch eine über der Oberfläche des Grundkörpers angebrachte Oxydschicht hindurchreicht und auf der Oberseite der Oxydschicht,diese teilweise überdeckend, endet.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine erfindungsgemässe Halbleiteranordnung ferner dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement teilweise oberhalb eines Bereiches des Halbleiterbauelements bzw. einer ,Grenzfläche desselben liegt und davon durch eine Oxydschicht isoliert ist.

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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung zeigt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung handelt es sich um einen pnp-Trahsistor in einem Grundkörper loo aus p-leitendem Silizium, der gleichzeitig den Kollektor des Tranistors bildet. Der Transistor weist ferner einen BAsisbereich lol aus η-leitendem Material auf, sowie einen Emitterbeieich Io2 aus pleitendem Material. Die Oberfläche des Grundkörpers ist von einer Oxyds chi cht Io3 bedeckt. Der Basiskontakt lo'M- und der Emitterkontakt Io5 bestehen aus Metall, welches auf der Oberfläche des Gründkörpers loo in den durch die Öffnungen in der Oxydschicht hindurch freiliegenden Bereichen abgeschieden wurde. Auf der Rückseite des Grundkörpers loo ist ein ebenfalls aus Metall bestehender Kollektorkontakt Io6 angeordnet. Wenn zwischen der Basis und dem Kollektor eine Vorspannung in Sperrrichtung angelegt wird, wird der Basiskontakt lo*i in BEzug auf den Kollektorkontakt Io6 positiv. Dabei scheint sich, wie bereits eingangs erläutert, ein elektrisches Feld aufzubauen, welches senkrecht zu der Oxydschicht Io3 gerichtet ist,und zwar trotz der Tatsache, dass keine Metallstreifen auf der Oberseite des Oxyds angebracht sind. Es ist anzunehmen, dass dieser Effekt auf die. Ionisierung der Oberseite der Oxydschicht zurückgeht, welche die Bildung einer positiven Ladung ermöglicht,

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wenn die Elektronen zu dem auf einem positiveren Potential liegenden Basiskontakt Io4 fliessen. Obwohl die physikalischen Ursachen für die beobachteten Effekte nicht vollständig geklärt sind, wurde festgestellt,'dass die Ausbildung eines elektrischen Feldes und die hieraus resultierende Inversion durch Anwendung eines Abschirmelementes Io7 verhütet werden kann, welches die Basiszone umgibt, jedoch im Abstand von ihr angeordnet ist. Das Abschirmelement 1Ό7, bildet, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, mit der Fläche des p-leitenden Siliziums im Kollektorbereich einen ohm'sehen Kontakt und verläuft von da durch die Oxydschicht Io3 hindurch zu deren Oberseite und auf der Oberseite der Oxydschicht Io3 nach einwärts, d.h. in Richtung auf den Basis- und den Emitterbereich. Die Gegenwart des Abschirmelements auf der Oxydfläche verhütet die Ausbildung von Ladungen bzw. die Ausbildung eines elektrischen Feldes zumindest unterhalb des Metalles, da dieser Teil der Oberfläche des Oxyds mit dem darunterliegenden Silizium kurzgeschlossen ist. Auf diese Weise kann ein Kanal, der die Basis gegenüber dem Kollektorjkurz-schliesst ,aufgrund der erläuterten Effekte nicht entstehen.

Es versteht sich, dass auch bei einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung in an sichbekannter Weise ein sog. Schutzring aus hochdotiertem Material vorgesehen werden kann, der dann zusätzlich einen auf der Oberflächeninversion beruhenden Abbau des pn-Übergangs verlangsamt und es ermöglicht, dass die Kollektorzone einen hohen Widerstand besitzt, so dass die Durchbruehsspannung in Sperachturig hoch sein kann.

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Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass die Herstellung einer erfindungsgemässen Halbleiteranordnung, wenn man von .der Notwendigkeit des Anbringens des Abschirmelementes einmal absieht, in der dem Fachmann geläufigen Weise erfolgt. Einzelheiten eines derartigen Herstellungsverfahrens lassen sich beispielsweise der bereits erwähnten DT-OS 1 514 85 5 entnehmen, die ebenfalls auf eine Anmeldung der Anmelderin zurückgeht.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   Halbleiteranordnung mit einem Grundkörper aus Halbleitermaterial und mit mindestens einem darin ausgebildeten Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitendes Abschirmelement (Io7) vorgesehen ist, welches mit der Oberfläche des Grundkörpers (loo) in einem Oberflächenbereich in Kontakt steht, im Abstand von dem Halbleiterbauelement (lol, Io2) bzw. einer Grenzfläche desselben angeordnet ist und das gleiche Potential aufweist, welches der-mit ihm in Kontakt stehende Oberflächenbereich aufweist.

   2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement (Io7) durch eine über der Oberfläche des Grundkörpers (loo) angebrachte Oxydschicht (Io3) hindurchreicht und auf der Oberseite der Oxydschicht,diese teilweise überdeckend, endet.

   3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g-ekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Abschirmelement (Io7). teilweise oberhalb eines Bereiches des Halbleiterbau-

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   A 38 79o b - - «MT-

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   elements (Io1, Io2) bzw. einer Grenzfläche desselben liegt und davon durch die Oxydschicht Clo3) isoliert ist.

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