DE2348262A1

DE2348262A1 - Integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2348262A1
Application number: DE19732348262
Authority: DE
Inventors: Tadaharu Tsuyuki; Yoshifumi Yabuki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1973-09-25
Publication date: 1974-04-18
Also published as: FR2200636A1; CA1004780A; JPS4953386A; NL7313221A; NL184814B; JPS521877B2; GB1429696A; FR2200636B1; IT994322B; NL184814C

Description

Integrierte Halbleiterschaltung

Die Erfindung betrifft integrierte Halbleiterschaltungen und ist insbesondere auf Verbesserungen an solchen Schaltungen gerichtet, welche mindestens eine Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (MlS; und andere elektrische Elemente aufweisen, die ein gemeinsames Halbleitersubstrat haben.

Bei einer integrierten Halbleiterschaltung, die aus einer Vielzahl von elektrischen Elementen, wie beispielsweise Transistoren, Widerstände und Kondensatoren bestehen, die auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet sind, sind diese elektrischen Elemente elektrisch voneinander entweder durch einen P-N-Ubergang oder durch dielektrisches Material und von dem Halbleitersubstrat durch einen P-3M-Ubergang isoliert, welcher in Sperrichtung vorgespannt ist. Die Isolation durch P-IM-Übergänge definiert eine Vielzahl von inselartigen Bereichen, in welchen die ent-

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sprechenden elektrischen Elemente formiert sind. Eines oder mehrere elektrische Elemente können von einer MIS-Struktur gebildet sein,, welche beispielsweise einen Kondensator darstellt. Dieser besteht aus einem inselartigen Bereich aus einem Halbleitermaterial, welches die untere Elektrode bildet. Ein Isolator bildet das Dielektrikum. Dieser Isolator kann beispielsweise aus einer Siliciumdioxyd-Schicht (SiO₂) bestehen. Auf dem Isolator kann eine Metallelektrode aufgebracht sein, die die obere Elektrode darstellt. Ein derartiger Kondensator ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 400 310 beschrieben.

Ein anderes Beispiel für die Verwendung einer MIS-Struktur ist, daß der Metallbereich der MIS-Struktur den Anschlußpunkt für eine Metallelektrode eines elektrischen Elementes, beispielsweise eines Transistors bildet, der in einem angrenzenden inselähnlichen Bereich formiert ist. Da die Transistoren und andere elektrische Elemente integrierter Schaltungen eine Vielzahl von kleinen Bereichen aufweisen, beispielsweise den Emitterbereich, den Basisbereich und den Kollektorbereich bei einem Transistor, ist es nicht einfach, die Zuleitungen direkt mit diesen kleinen Bereichen zu verbinden. Nach der bisherigen Praxis werden Metallzuleitungen nach aussen von den kleinen Bereichen des Transistors oder eines anderen Elementes weg zu leitenden Anschlußpunkten aus Metall geführt,, die auf eine Isolatorschicht aufgesetzt ist. Mit diesen leitenden Metall-Anschlußpunkten können die Zuleitungen beispielsweise durch .Ultraschall in geeigneter Weise verbunden werden. Im zuvor beschriebenen. Fall werden der Verbindungspunkt, die Isolatorschicht und das darunterliegende Halbleitermaterial von einer MIS-Struktur gebildet.

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Wenn eine MIS-Struktur auf einem inselähnlichen Bereich einer integrierten Halbleiterschaltung formiert wird, so erscheint zwischen dem Substrat und dem entsprechenden inselähnlichen Bereich an dem P-N-Übergang eine Streukapazität. Bei den bisher bekannten integrierten Halbleiterschaltungen hat die Streukapazität einen relativ hohen Wert Q, welcher das Verhältnis der gespeicherten Energie zu der verlorenen Energie wiedergibt. Ein niedriger Wert Q für die Streukapazität führt zu einem Verlust von Signalenergie an der Streukapazität oder zu einer Verschlechterung des Signales.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltung zumindest mit einer verbesserten MIS-Struktur auszustatten, welche sich dadurch auszeichnet, daß der Wert Q der Streukapazität erhöht wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist gelöst mit einer integrierten Halbleiterschaltung, welche dadurch gekennzeichnet, ist, daß sie ein Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitstype aufweist, daß auf einer der Hauptflächen oder Flächen des Halbleitersubstrates eine Epitaxialschicht einer zweiten Leitfähigkeitstype aufgebracht ist, welche durch einen selektiv in die' Epitaxialschicht eindiffundierten Isolierbereich der ersten Leitfähigkeitstype in gegenseitig isolierte Inseln unterteilt ist, daß das Halbleitersubstrat mit mindestens einer MIS-Struktur versehen ist, welche einer der isolierten Inseln beispielweise zur Bildung eines Kondensators zugeordnet ist, wobei die MIS-Struktur einen versenkten, hochdotierten Bereich der gleichen Leitfähigkeitstype wie das Substrat aufweist, das zwischen letzterem und mindestens derjenigen isolierten Insel der Epitaxialschicht angeordnet ist, welcher die MIS-Struktur zugeordnet ist_# und daß das Halbleitersubstrat der

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ersten Leitfähigkeitstype den IsolierDereich an dem P-N-Übergang zwischen dem Substrat und der erwähnten insel der Epitaxialschicht zur Erhöhung des Q-7/ertes der Streukapazität kontaktiert. Der versenkte hochdotierte Bereich kann auf, einem besonderen elektrischen Potential, beispielsweise auf Kassepotential durch einen i:etallkontakt gehalten werden, der mit dem Isolierbereich verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine integrierte Halbleiterschaltung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht von oben auf die in Fig. 1dargestellte integrierte Halbleiterschaltung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Q-Werte der Streukapazität in integrierten Halbleiterscheltungen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik miteinander vergleicht;

Fig.. 4,5 und 6 Darstellungen nach Art der Fig. 1, welche die einzelnen Stufen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung zeigen;

Fig. 7 eine Ansicht von oben auf die inFig. 6 dargestellte Herstellungsstufe der integrierten Halbleiterschaltung.

In Fig. 1 erkennt man, daß die dargestellte integrierte HaIbleiters-.chaltung ein P-Silicium-Substrat 1 enthält, das zwei gegenüberliegende Hauptflächen aufweist. Diese beiden Hauptflächen sind im vorliegenden Beispiel die Oberfläche und die Bodenfläche. In die Oberfläche des Substrates 1 ist eine H-SiIicium-Schicht 2 epitaxial eindotiert worden. Auf einem Isolierbereich 4, der beispielsweise aus Siliciumdioxyd besteht,

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befindet sich eine Metallelektrode 3. Unter der Isolierschicht 4 und darüber hinaus erstreckt sich in der Epitaxialscüicht 2 ein N⁺-Bereich 5. Dieser ist mit einer Metallelektrode 6 versehen, welche auf den JM -Bereich 5 aufgesetzt
ist. Die Metallelektrode 3, die Isolierschicht 4, der N -.bereich 5 und die Metallelektrode 6 bilden zusammen eine MIS-Struktur
7. Diese MIS-Struktur 7 stellt einen Kondensator dar.

In einem anderen Bereich 10 der Epitaxialschicht 2, welcher
zu dem mit dem MlS-Kondensator 7 versehenen Bereich einen
Abstand hat, ist ein P-Bereich 9 eindotiert worden. In einem
Teil des P-Bereiches 9 ist ein N⁺-Bereich 8 eindotiert worden. ^: Die Bereiche 8 und 9 bilden den Emitter und die Basis eines ! bipolaren Transistors 11, dessen Kollektor von einem Bereich ^; 10 der Epitaxialschicht 2 gebildet wird. Auf dem Emitter-Be- ; reich 8 befindet sich eine Emitterelektrode 12. Auf dem Basis- j bereich 9 befindet sich eine Basiselektrode 13. Auf dem ; Kollektorbereich 10 befindet sich eine Kollektorelektrode 14. i Zur Erleichterung des Verbindens einer ^nicht dargestellten)
Zuleitung mit der Kollektorelektrode 14 dient eine Schicht aus

einem leitenden Metall, die beispielsweise aus Aluminium besteht. Diese Schicht geht von der Elektrode 14 aus und bildet
einen Anschlußpunkt 15 mit einer relativ großen Anschlußfläche, die der j.£»uli erschient 16 überlagert ist. Die Isolierschicht
16 besteht beispielsweise ?us Siliciumdioxyd und deckt die
Epitaxialschicht 2 als assivierende Schicht ab. Es ist offensichtlich, daß der Metallanschluß 15, der Bereich der Isolier- . schicht 16, welchem der Anschluß 15 überlagert ist, und der \ darunter liegende Bereich 17 der Epitaxialschicht 2 eine andere MIS-Struktur 18 bilden. ^;

Um die elektrischen Elemente oder Komponenten der integrierten ; Schaltung voneinander zu isolieren erstreckt sich ein Isolier- ί bereich 19 der P-Leitfähigkeitstype ^das ist die gleiche Leit- ΐ fähigkeitstype wie diejenige die auch das Substrat 1 hat; :

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durch die Epitaxialschicht 2 zu dem Substrat 1 herum und zwischen die HIS-Strukturen 7 und 18 und zu dem Transistor Die KIS-Strukturen 7 und 18 sowie der Transistor 11 sind daher elektrisch voneinander durch P-JM-Übergänge isoliert..

Die integrierte Halbleiterschaltung ist ferner mit einem versenkten hochdotierten .bereich 20 versehen, der von der gleichen Leitfähigkeitstype wie das Substrat 1 ist. Es handelt sich hierbei um die F⁺-Leitfähigkeitstype. Der versenkte hochdotierte Bereich 20 erstreckt sich zwischen dem Substrat 1 und der Epitaxialschicht 2 unter dem KIS-Kondensator 7 und der MIS-Struktur 18 und steht in Kontakt mit der Isolierschicht Der Isolierbereich 19 und der versenkte hochdotierte Bereich 20 unterteilen die Epitaxialschicht 2 an der MlS-Struktur 13 und dem MI3-Kondensat or 7 in Inseln 17 und 21. Die Inseln 17 und 21 sind gegeneinander isoliert. Sie sind auch durch einen P-iM-Übergang 22, welcher zwischen der entspx echenden Insel und den Bereichen 19 und 20 definiert ist, von dem Substrat 1 isoliert. Eine Metallelektrode 23, welche in Kontakt mit dem Isolierbereich 19 steht istjWie dargestellt, mit Kasse verbunden. Die Metallelektrode 23 kann aber auch mit einem anderen .Bezugspotential, beispielsweise mit demjenigen des Substrates 1 verbunden sein. Dem P- Typ-Sub st rat und dem versenkten hochdotierten P+-Jöereich 20 wird das Potential über die Elektrode 22 und den Isolierbereich 19, der mit der Elektrode 23 und dem Substrat 1 in Verbindung steht, zugeführt. Dieses Potential ist Massepotential, da die Elektrode 23 entsprechend an Messepotential liegt.

Im Falle des dargestellten RIS-Kondensators 7 bildet der entsprechende P-N-Übergang 22 eine Streukapazität. Der Q-Wert der Streukapazität hängt von der Kapazität C des P-w-Überganges dem Widerstand R von dem P-M-Übergang 22 nach Masse und dem Widerstand R. der zwischen dem Bereich 5 mit N -Leitfähigkeit und dem P-im-Üb er gang 22 angeordneten Insel 21 ab. Obwohl der versenkte hochdotierte Bereich 20 entsprechend seiner Aus-

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bildung nach der vorliegenden Erfindung den Kapazitätwert C des P-W-Überganges 22 leicht erhöht, vermindert doch der Bereich 20 die Widerst-ände R und R. in starkern Kaße mit dem Ergebnis, daß der Q-Wert der Streukapazität sehr erhöht wird. In dieseu Zusammenhang wird auf Figur 3 hingewiesen, in welcher die .Abszisse die Frequenzen von Signalen repräsentiert, die von der Streukapazität übertragen werden, und in welcher die Ordinate den Q-Wert der Streukapazität repräsentiert. Die Linie 24 zeigt die Abhängigkeit des Q-Wertes von den einzelnen Frequenzen bei Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung, das heißt bei V rwendung eines versenkten hochdotierten Bereiches 20, der sowohl durch den Isolierbereich

19 und die Elektrode 23 als auch durch das Substrat 1 mit Hasse verbunden ist. Die Linie 25 zeigt den entsprechenden Verlauf

. einer integrierten Halbleiterschaltung in welcher der Bereich

20 weggelassen ist und nur das Substrat mit jyjasse verbunden ist. 3Ds ist offensichtlich, daß bei jeder Frequenz der Q-Wert äer Streukapazität bei Verwendung des versenkten hochdotierten Bereiches 20 wesentLich höher liegt.

Die Effektivität des Bereiches 20 bei der Erhöhung des Q-Wertes der Streukapazität hat ihre Ursache darin, daß, obwohl das Substrat 1 bezüglich seiner Hauptflächen einen relativ großen Bereich einnimmt, die Dicke des Substrates und sein spezifischer Widerstand sehr hoch sind. Wenn der versenkte hochdotierte Bereich 20 weggelassen ist, so ist der P-N-Übergang über das relativ dicke Substrat mit dem erwähnten hohen spezifischen Widerstand mit Masse verbunden, wodurch der Widerstandwerts R hoch ist. Wenn der versenkte hochdotierte

Bereich 20 dagegen vorgesehen und über den Isolierbereich 19 und die Elektrode 23 mit Hasse verbunden ist, so hat der sich dadurch ergebende Stromweg einen relativ niedrigen Wert von R . Das Substrat 1 kann beispielsweise die typische Dicke von 180 Micron und dem spezifischen Widerstand von 3-4 0hm x cm haben. Die Dicke der Epitaxialschicht 2 und daher die Tiefe des

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Isolierbereiches 19 soll beispielsweise 15 Micron betragen. Der Isolierbereich 19 und der versenkte hochdotierte Bereich

ρ 20 haben dann einen spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm χ cm.

Die folgende Beschreibung bezieht sich nun auf die Herstellung der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung, bei der der versenkte hochdotierte Bereich 20 zur Reduzierung der effektiven Dicke der N-Typ-Insel 21 zwischen dem N -.Bereich 5 und dem P-N-Übergang 22 dient. Das Ergebnis ist, daß der Widerstandswert R. ebenfalls reduziert und der Q-Wert der Streukapazität erhöht ist.

Aus den Figuren 4 bis 7 kann entnommen werden, daß bei dem Verfanren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung wie sie beispielweise in den Figuren 1 und 2 beschrieben ist, das SuDstrat 1 zunächst eis P-Silicium Hergestellt wird, welches den spezifischen Widerstand von 3-4 Ohmtfcm und eine ' Dicke von etwa 180 Micron hat. In einen bestimmten Bereich , der Hauptfläche, beispielweise in die Oberfläche des Suustrates 1 werden geeignete Verunreinigungen selektiv eindotiert, um : den hochdotierten Bereich 20 mit einer Störstellen-Konzentratior zu formieren, welche etwa 10 Atome/cm (Fig. 4) an der Ooerfläche beträgt. Wenn es gewünscht ist, so können entsprechend ! Figur 4 andere Verunreinigungen in einen Bereich der Oberfläche des Substrates eindiffundiert werden, welcher von dem Bereich 20 entfernt ist. Auf diese Weise wird ein Bereich 10' i der N -Leitfähigkeitstype auf dem Substrat formiert, welcher ι eventuell unter dem bipolaren Transistor 11 zu liegen kommen.

Dann wird die Epitaxialschicht 2 der N-Leitfähigkeitstype ; in die Oberfläche des Substrates 1 (Figur 5) eindotiert, so daß diese eine Dicke von etwa 15 Micron und einen spezifisehen Widerstand von 2 Ohm χ cm hat.

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Nach dem Eindotieren der Epitaxialschicht 2 werden n^ch einem gitterähnlichen Muster geeignete Verunreinigungen in diese eindiffundiert, um den P-Isolierbereich 19 ^Figuren 6 und 7) zu formieren, welcher die Schicht 2 in gegenseitig isolierte Inseln 10,17 und 21 unterteilt. Darauf wird der P-Basisbereich 9 des Transistors 11 in einen ausgewählten Teil der Insel 10 eindiffundiert. Dann werden der hochdotiere N⁺-Bereich 5 des MIS-Kondensators und der Emitterbereich 8 des Transistors 11 gleichzeitig in die entsprechenden Teile der Insel 21 und des isasisbereiches 9 eindifjundiert.

Es versteht sich, daß während des 3rwärmungsprozesses, mittels welchem die Bereichs 5,8,9 und 19 durch die Diffusion formiert werden, ein sog. Rückdiffusions-Phänomen in Bezug auf den versenkten hochdotierten Bereich 20 auftritt. Dieser äußert sich darin, daß der Bereich 20 der P -Leitfähigkeitstype wächst j oder sich gegen die Epitaxialschicht 2 erstreckt, wodurch der ! Abstand zwischen dem P-N-Übergang und der MIS-Struktur 7 reduj ziert wird. Die Folge davun ist, daß in der kompletten integrierten Schaltung der Widerstandswert R. wesentlich vermindert ist, wodurch wiederum der Q-Wert der Streukapazität wie ! zuvor beschrieben erhöht wird.

Schließlich wird die Isolierschicht 16, die wie zuvor erwähnt, aus Siliciumdioxyd ^SiO₂) oder einem anderen geeigneten isolierenden oder passivierenden Material, wie beispielsweise Alumimium (AIpO^) oder Silicium-Nitrid (,Si^JM/ J besteht, entweder als Einzelschicht oder als Mehrfachschicht aus verschiedenen Materialien aufgelegt. Dann werden die Elektroden 6,12,13 und 14 durch geeignet angebrachte Öffnungen in der Isolierschicht 16 aufgesetzt. Die Metallelektrode 3 und der Verbindungsanschluß 15, welcher mit der Elektrode 14** verbunden ist, werden auf entsprechenden Bereichen der Isolierschicht angeordnet, um die in Fig. 1 und 2 dargestellte integrierte Halbleiterschaltung zu vollenden.

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Bei der dargestellen erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Bereiche und Teile der integrierten Halbleiterschaltung umgekehrt werden. Das heißt, diejenigen Teile und Bereiche, die mit P- oder P -Leitfähigkeit dargestellt sind, können von der w- bzw. der N⁺-Leitfähigkeitstype sein. Diejenigen Teile und Bereiche, die mit der N- oder N -Leitfähigkeitstype dargestellt sind, können dann die P- oder P -Leitfähigkeitstype haben.

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Claims

Ansprüche

1 ^Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleitersubstrat einer ersten Leitfähigkeitstype,welches gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, mit einer Epitaxir-lschicht, einer zweiten Leitfähigkeitstype, die sich auf einer der Hauptflächen des Substrates befindet, mit einem Isolierbereich der ersten Leitfähigkeitstype, der selektiv in die Epitaxialschicht eindiffundiert ist und die Epitaxialschicht in gegeneinander i isolierte Inseln unterteilt₍und mit mindestens einer MIS- ; Struktur auf der Epitaxialschicht, welche einer der Inseln !

i j

; Zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein versenkter | i hochdotierter Bereich (20 j der ersten Leitfähigkeitstype

(P⁺J in die eine Hauptfläche des Substrates eindiffundiert j I ist und sich mindestens über den Teil des Substrates erstreckt, ! ^! der der erwähnten einen Insel (.17 oder 21) entspricht und j daß der versenkte hochdotierte Bereich (.20; mit dem Isolieri bereich (19) in Kontakt steht.

i 2) Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch ! gekennzeichnet, daß die MIS-struktur ein Kondensator (7) { ist.

3) Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MIS-Kondensator (7) neben der einen : isolierten Insel (21) eine Isolierschicht (.4; auf der erwähnten einen Insel (21) aufweist und ferner einen Metallkontakt (6;, der sich durch die Isolierschicht ^4) zu der einen Insel (21) erstreckt, sowie eine Metallelektrode (3), die auf der Isolierschicht (4; angeordnet ist.

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4; Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hochdotierte Bereich ^5) der zweiten Leitfähigkeitstype in die eine isolierte Insel (.21) eindiffundiert ist und sich unter der Elektrode (3) und darüber hinpus zu dem Metellkontakt erstreckt.

5) Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor {ΛΛ) auf einer anderen isolierten Insel (10; gebildet ist und einen Ketallkontakt (14) enthält, welcher integral mit dem Letall {15) einer KIS-Struktur (18) auf der angrenzenden isolierten Insel (17) verbunden ist und einen Verbindungsanschluß bildet.

6) Integrierte Kalbleiterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trrnsistor (11) einen Bereich (9; der ersten Leitfähigkeitstype enthält, welcher in die entsprechende Insel (10) eindiffundiert ist und einen Kollektor definiert, daß ein Bereich (6; der zweitenLeitfähigkeitstype in einen Teil des basisbereiches {9} eindiffundiert ist und den Emitter definiert, und daß ein hochdotierter versenkter üereich(IO') der zweiten Leitfähigkeitstype sich zwischen dem Kollektorbereich (10) und dem Substrat (1) erstreckt.

7) Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallkontakt (23) auf dem Isolierbereich (19) vorgesehen ist, welcher zur Zuführung eines elektrischen Potentials zu dem hochdotierten Bereich (20) der ersten Leitfähigkeitstype dient.

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