DE2515707A1

DE2515707A1 - Monolithisch integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2515707A1
Application number: DE19752515707
Authority: DE
Inventors: Steven Magdo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-04-10
Publication date: 1975-12-11
Also published as: SE7505941L; ES437033A1; IT1034369B; BE827875A; CA1027256A; FR2273374B1; NL7505569A; SE406840B; GB1501215A; DE2515707B2; FR2273374A1; JPS54386B2; AU8067775A; US3936856A; JPS50157083A; DE2515707C3; CH580338A5

Description

bu-fr

, den 3. April 1975

Am.ielderin: International business Machines

Corporation, Απηοηκ, N.Y. lü^lj0k

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktanzeichen der Anmelderin: FI 973

Monolithisch integrierte Halbleiterschaltung

Die Erfindung betrifft ein halbleitersubstrat voia ersten Leitfänigkeitstyp mit spezifischen Widerstand von mindestens 10 kß cm, aessen Oberflächenschicht durch eine Zone vom zweiten Leitfähigiteitstyp gebildet ist, wodurch hochdotierte Zonen vom ersten Leitfähigkeitstyp mit jeweils einer durch die gesamte Oberflächenschichtdicke bis in das Iiochwiderstandsgebiet des nalbleitersubstrats reichenden Tiefe eingebracht sind, wobei die dielektrische Relaxationszeit im nochwiderstandsgebiet des.h'albleitersuostrats zwiscaen diesen hochdotierten Zonen sehr viel größer als die LadungsträgerÜbergangszeit ist. Die Überflächenschicht kann dabei in einer anderen Version auch eine Halbleiterzone gleichen Leitfähigkeitstyps wie die des Substrats darstellen.

An anderer Stelle ist ein Transistor mit Raumladungsbegrenzung beschrieben, der im wesentlichen aus einem Paar lateraler Transistoren in einem Halbleitersubstrat gebildet wird, dessen spezifischer Widerstand relativ hoch ist und wobei die beiden Transistoren übereinander liegen. Hierbei ist der untere Transistor der laterale Raumleitungsbegrenzungstransistor während der obere Transistor als parasitärer lateraler bipolarer Transistor vor-· liegt. Bei tsasis-Lmittervorspannung mit dem Wert "0", sind beide Transistoren gesperrt. Wird nun der Basis-Emitterübergang zunenmend in Durchlaufrichtung vorgespannt, dann entsteht zunächst

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"- 2 —

im unteren Transistor ein raumladungsbegrenzter Strom. Sowie die Vorspannung in Durchlaßriciitung auf höhere Werte ansteigt, wird auch der obere Transistor wirksam.

komplementäre Kaumleitungs-jsegrenzungs-CHLB)-Transistoren sind für Hochgradige Integration von erheblichem Vorteil. 3o können sie mit- einem Minimum an Verarbeitungsschritten hergestellt werden, so daß sich hohe Fertigungsraten ergeben und zudem ist ihr Stromverbrauch bei oetrieu relativ gering, so daß relativ noh3 raekungsaichten im Halbleitersubstrat mö^licn sind.

integrierte RLa-Schaltung enthält Bereiche jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die in einem ualbleitersubstrat mit hohem spezifischen Widerstand einer ersten Leitfähigkeit ein-

■ diffundiert sind, jie eingangs erwähnt.

,Beim Aufbau monolytisch integrierter halbleiterschaltungen mit : RuB-Transistoren, ist es wichtig, den Abstand zwischen zwei iso-Ilierten Zonen des gleichen Leitfähigkeitstyps zu reduzieren und zwar aus zwei Gründen.

Erstens lassen sich zwei benachbarte Transistoren im rialbleiter- !sudstrat um so dichter zueinander setzen, je kleiner der Abstand !zwischen zwei voneinander isolierten Zonen, z.ß. Kollektoren, ist.

■ Da Emitter- und Kollektorzone eines jeweiligen Transistors voneinander genauso getrennt sein müssen wie benachbarte Kollektor- ; zonen zweier Transistoren, bestimmt zv/eitens der geringste Ao-. i stand zwischen zwei isolierten Halbleiterzonen zudem die kleinste !üasisbreite eines Transistors. In der integrierten Schaltungs-' technik sollte die Basisbreite bekanntlich so klein wie laöglicn ¹ sein, um eine größtmögliche Leistungsfähigkeit zu erzielen.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß bei monolytisch integrierten nalbleitersehaltungen unter Verwendung von RLB-Transistoren der Leckstrom unverhältnismäßig groß ist und darüberhinaus unkontro-

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liierbar wird wenn der Abstand zwischen zwei Halbleiterzonen des gleichen Leitfähigkeitstyps auf ungefähr 5 /um oder weniger reduziert ist. Auch das Auftreten scharfer Kanten in der horizontalen Geometrie der ilalbleiterzonen, läßt den Leckstrom übermäßig groß werden, selbst wenn der Abstand zwischen den genannten Halbleiterzonen mehr als 5 um beträgt. Diese Nachteile sind insofern schwerv;iegend als dadurch der minimal mögliche Abstand zwischen zwei voneinander getrennten Halbleiterzonen nicht auf das gewünschte i'laß herabgesetzt werden kann. Es lassen sich nämlich heute mit inilfe der Fotolithographie bereits Leitungsbreiten von etwa 2,5 nm und mit der Elektronenstrahltechnik sogar Leitungsbreiten unternalb von 1 um erzielen. Damit würden aber die an sich erreichbaren Möglichkeiten bei Anwendung von RLB-Transistoren, wie sie bisher beschrieben sind, nicht optimal ausschöpfen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, sowohl Packungsidichte als auch Leistungsfähigkeit von RLB-Transistoren in monolytisch integrierten Halbleiterschaltungen so zu erhöhen, daß die sonstigen technologisch bedingten Möglichkeiten voll ausgeschöpft •werden können, urn zu optimalen Ergebnissen zu gelangen.

Diese Ausgabe wird mit Hilfe der im Patentanspruch 1 und 2 gezeigten Maßnahmen gelöst. Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe der Erfindung tatsächlich der Mindestabstand zwischen zwei voneinander isolierten Halbleiterzonen gleichen Leitfähigkeitstyps stark reduzierbar ist. Dabei ist die mit Hilfe der Erfindung erzielte Isolationswirkung völlig verschieden von der üblichen Übergangsisolation, wie sie sich in Transistoren findet, die in Substraten mit relativ niedrigen spezifischen Widerstand eingebracht sind.

bei der Erfindung nämlich sind dicht an der Oberfläche des Substrats N-Zonen und P-Zonen lateral durch übergänge getrennt, die inehr oder weniger metallurgisch bzw. herstellungsmäßig bedingt sind

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Tief im Halbleitersubstrat hingegen, ist diese Trennung durch "elektrische" übergänge herbeigeführt, die sich vertikal an die metallurgischen Übergänge anschließen. Die "elektrischen" übergänge bilden sich iia substrat hohen spezifiscnen Widerstands durch entsprechende Löcherdiffusion bzw. überschußelektronendiffusion aus den dar üb er liegenden F- und Ί* -iialbleiterzonen. Es hat sicn Herausgestellt, daß sich vertikale Kanäle mit hohem (Spezifischen Widerstand, die durch "elektrische" übergänge voneinander getrennt sind, im Substrat unterhalb ucr verschiedenen jiialbleiterzonen bilden. Der sich dabei ergebende Isolationswiderjstand liegt um eine Größenordnung oberhalb des uiderstandswertes, |der sich aus dem Ausbreitungswiderstarid des Substrats mit vorteilhafter weise ~j>u κ Ω cm ergibt. Tatsächlich erhaltene Prüf daten vom ierfinüungsgemäß ausgebauten monolytisch integrierten Halbleiterschaltungen, bestätigen diese guten Eigenschaften. So hat sich gezeigt, daß der typische Isolationswiderstand zwischen benachbarten Kollektorzonen im Halbleitersubstrat etwa 200 bis 3OC · 10 ohm beträgt.

Dame der durch die trfinqung erzielten eigenschaften läßt sicn die Größe von integrierten RLü-Schaltungen wesentlich heraosetzen. do konnte z.b. der Abstand zwischen benachbarten Transistoren sowie deren ßasisbreite, auf etwa 2,5 /um reduziert v/erden. Jnter der Voraussetzung eines H-3ubstrats, oetragen die Elementaroe-

2
reicne eines dfN-Transistors 570 μπα und eines PnP-Trarisistors

900 pm².

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen, ßei Anwendung der Erfindung ist es dabei von untergeordneter Bedeutung, ob das Halbleitersubstrat vom P- oder vom N-Leitfähigkeitstyps ist.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert.

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ι·'Ϊ£. 1 eineii ausschnitt aus einem Halbleiterbauelement

mit aen erfindungsgemäßen i-Iaknahmen,

!■'ig. 2 ein Ersatzschaltbild für die nnorünung nach

Fig. 1,

1'^ΊΪ£. 3^ u. 3^ Ausschnitte aus monolytisch integrierten nalb-

leiteraciialtungen mit den erfindungsgemäßen iiai'riahmen,

Fig. 4 u. b nalbleiterausschnitte zur Erläuterung der betriebs- bzw. Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung für den Leckstrom

als Funktion vom Zonenbreitenverhaltnxs gemäß der Erfindung,

Fig. 7 ein iialbleiterbauelement mit erfindungsgemäßen

Maßnahmen.

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Fig. 1 zeigt ein allgemeines Ausführungsbeispiel der Erfindung, worin n -Zonen durch P-Zonen abgeteilt sind und umgekehrt. Die i\i -Zonen 2 und 4 sind also durch die P-Zone 6 getrennt und die P-Zonen 12 und 14 sind durch die iJ⁺-Zone 16 getrennt.

wie schon an anderer Stelle beschrieben, weist der RLb-Transistor ein W-Substrat 20 auf, dessen spezifischer Widerstand oberhalb von lü OüOk ti cm liegt und worin aktive Zonen diffundiert sind. Die H -Zonen 2, 4 und 16 sind stärker dotiert und haben eine größere Diffusionstiefe als die P-Zonen 6, 12 und 14. Die ^i⁺-Zonen sind seitlich voneinander getrennt und durch die sie umgebenden P-Zonen elektrisch isoliert; umgekehrt sind die P-Zonen seitlich durch die sie umgebenden i-I -Zonen getrennt. i\i⁺-Zonen und P-Zonen sind ^;durch das Substrat 20 mit honem spezifischen "Widerstand jeweils vertikal getrennt und voneinander isoliert.

Wie an anderer Stelle beschrieben, bilden die K⁺-Wannen horizontale hocn-niedrig-übergänge 22 im Substrat 20 (N^i-ί ). Die stark !dotierte Seite besitzt dabei eine positiv geladene, teilweise verarmte Zone (nicht dargestellt). Elektronen diffundieren aus dieser Zone in die niedrig dotierte Zone, um dort eine Elektronenwolke zu bilden. Die Tiefe der Wolke beträgt ungefähr 3 · L_D£» ι wobe*iL_nr, die Debye-Länge bei Störstellenleitung der niedrig do-

i DL·

ίtierten Zone ist. Diese Tiefe ist praktisch vom Dotierungsgrad der stark dotierten Zone unabhängig. Der Rand der Elektronenwolke ist definiert als Fläche mit einer diffundierten Elektronendichte von 10 % über der Störstellendichte. Die Dichte der Elektronenwolke nimmt sehr schnell mit dem Abstand vom hochniedrig übergang ab. Bei einem Abstand von ungefähr 0,5 L_D£ ist I die Dichte der freien Elektronen nur um eine Größenordnung höher I als der thermische Gleichgewichtswert. Diese Strecke ist definiert I als die effektive Tiefe L _ff der Elektronenwolke.

; Die P-Wannen bilden horizontale asymmetrische P/i^-übergänge 24 mit dem Substrat. Die P-Zonen haben negativ geladene, teilweise

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verarmte Zonen (nicht dargestellt). In der wL,-Zone befindet sich eine ein diffundierte Löcherwolke 25. Dieser folgt eine positiv geladene, teilweise verarmte Zone 28. Der übergang 26 wird gebildet, wo N=P = N. ist.

In gemäß der Erfindung hergestellten Bauelementen, beträgt die Versetzung des Überganges 26 gegenüber dem übergang 24 ungefähr 1,5 L_ÜE oder 13 /um für ein Substrat mit 30 k ω cm. Diese Versetzung hängt teilweise nur vom Dotierungsgrad des N- Substrates 20 ab, wobei angenommen wird, daß das Dotierungsgradverhältnis P/N,, größer als 10-⁵ ist. Die Tiefe der Verarmungszone 28 unter der Löcherwolke 25 beträgt gemessen vom metallurgisch bedingten P-N,,-Üb er gang 24 bei null Volt Vorspannung etwa 70 yuia. Die Dichte der J-röeherwolke nimmt sehr schnell mit dem Abstand vom metallurgisch bedingten Übergang ab. Bei einem Abstand von ungefähr 0,5 L_n-, sinkt die Dichte der freien Löcher unter die Störstellendichte

des Substrates ab. Der Abstand ist definiert als die effektive Tiefe L^^„ der Löcherwolke.

Sowohl Leitungs- als auch Valenzbänder in den elektronenverarmten Zonen 28 (Löcherdiffusion) und in den elektronendiffundierten Zonen 29, verschieben sich zur P-Ebene bzw. N-Ebene. Auf diese Weise bilden sich unter den N -Zonen und den P-Zonen des Substrates vertikale, leitende Kanäle, die horizontal jeweils durch eine Potentialstufe voneinander getrennt sind. Wenn eine geringe Vorspannung in Durchlaßrichtung entweder zwischen den getrennten U -Zonen 2 und 4 oder' den P-Zonen 12 und 14 angelegt wird, ist ein Leckstromweg auf die leitenden Kanäle 29 oder 28 beschränkt und breitet sich im N- Substrat 20 aus. Dieser Strom ist in Fig. 1 durch die ausgezogenen Pfeilpfade im Substrat 20 gekennzeichnet. Mit zunehmender Spannung fließt außerdem ein zunehmender Anteil des raumladungsbegrenzten Stromes über die Defektelektronenbereiche zwischen den Kanälen. Dieser Strom ist vernachlässigbar klein.

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Die soeben beschriebene Kanalisolationsstruktur tritt nur in Erscheinung, wenn das Substrat dieselbe Leitfähigkeit hat wie die
hochdotierten, tief eindiffundierten Zonen. Im Ausführungsbeispiel
sind dieses die κ-leitenden Zonen. Andererseits kann das Substrat
20 auch P- leitend sein, wobei die stark dotierten, tief eindiffunjdierten Zonen P - leitend sind. Wenn die Leitfähigkeit jedoch P
wäre, und die stark dotierten, tief eindiffundierten Zonen Ij blei-| |ben, bilden sich im Substrat 20 Verarmungszonen unter den II -Zonen. In diesem Fall würden sich die Verarmungszonen miteinander ver- ■ binden, weil die II -Zonen tiefer sind als die P-Diffusionen, so daß

die Kanäle verschwinden und der Isolationswiderstand genauso groß | wird wie der Ausbreitungswiderstand. Es hat sich dann auch tatsächlich gezeigt, daß Bauelemente dieser Art für die vorliegende |

Erfindung nutzlos sind. j

Die für die Isolation zwischen N-Wannen und P-Wannen entwickelte : äquivalente Schaltung, ist in Fig. 2 gezeigt, wobei der RLB-Strom j vernachlässigt ist. In diesem Fall beläuft sich der Isolations- '

widerstand zwischen je zwei N- oder P-Wannen auf:. · !

(4) R. = 2R . + R

is ch sp

worin R , der Kanalwiderstand und R der Ausbreitungswiderstand
ist. Der Kanalwiderstand ist gegeben durch die Formel:

(5) R_ch =p L/A

worin _p der spezifische Widerstand des Substrates 20, L die
Kanallänge und A die Querschnittsfläche des Kanals in der horizontalen Ebene (^ r_Q ) ist. Der Ausbreitungswiderstand ist gegeben durch die Formel:

(6) R_sp = ρ /2r₀

worin r der dargestellte Kanalradius ist, beispielsweise für

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■■'"3

die Bereiche 2 und l4 in Fig. 1.

Die Formel 4 gilt nur, wenn dP > r . Wenn dP z.B. auf r (dP = r )

' O OO

reduziert wird, würde R um 50 ^ verringert. Wenn in diesem Falle R in Gleichung 2 überwiegen würde, könnten die Wannen 2 und*

j4 nicht dichter als etwa 2 r zueinander liegen. Da r typischerweise et via 13 ^m beträgt, beliefe sich der Mindest ab stand dP zwischen Wannen gleicher Leitfähigkeit auf etwa 25 /tfii, womit [hohe Packungsdichten unmöglich wären.

!Andererseits ist R , vom Abstand dP unabhängig, solange die 'Kanäle 29 und 28 nicht zusammenbrechen. Ein Kanalzusammenbruch jläßt sich, wie weiter unten noch ausgeführt, unter bestimmten [Voraussetzungen verhindern. Für spezifische-Widerstands-Werte ides Substrates bei 10 000 k n cm und darüber, überwiegt der Wert

für R , und ist etwa um eine Größenordnung höher als R . Somit ch sp

kann der Ausdruck R in 2 vernachlässigt und der je- · I sp

;weilige Abstand zwischen den RbB-Transistoren gut auf Werte unterhalb von 25 fi-ΐΆ festgelegt werden.

JNimmt man z.B. an, daß die Wannen 2 und 4 einen Bereich A von 22 · ¹⁰ cm einnehmen (r = 8 · 10~ cm) und der spezifische Widerstand des Substrates ρ = 30k o, cm ist, dann würde die Tiefe Ides Verarmungsb ereiches L = 70 · 10 cm betragen. Setzt man diese Werte in die Gleichungen 3 und 4 ein, dann ergibt sich:

R , = 10,5 . 10⁷ und R = 18,8 · 10⁶ und : R_is = 22,9 · 10'

Testdaten für Bauelemente bestätigen diese Berechnungen, wobei für Rj^ Werte zwischen 200 und 300 · 10 0hm auftreten.

Fign. 3A und 3B zeigen einen Teil einer integrierten RLB-Bchaltung mit zwei NPN Transistoren, zwei PNP Transistoren und !zwei Widerständen (P-Typ und N-Typ), die vorzugsweise gleich-

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zeitig in demselben Substrat 51 hergestellt werden. Die beiden NPN transistoren in Fig. 3A enthalten die Emitterzonen 50 und •50', die Basiszonen 52 und 52' und die Kollektorzonen 53 und 53' j und sind durch die P-Zone 55 voneinander isoliert. Die N⁺-Zone ■57 wirkt als ocheinzone, um die P-Zone 55 an der Seite des N⁺-

•Kollektors 53 zur Befriedigung obiger Gleichung (2) abzugrenzend zu definieren. Das wäre z.B. nötig, wenn ein Transistor fehlt oder an der Kante eines Chips. Die beiden PiIP Transistoren enthalten die ulmitterzonen 60 und 60' , die Basiszonen 62 und 62' und die Kollektorzonen 63 und 63' und sind durch die N -Zone 65 voneinander isoliert. Der P-tfiderstand in Fig. 3B enthält die Zone 66, die durch die Zone 67 vom Substrat isoliert ist; der N-Widerstand enthält die Zone 69 und die Kontaktzonen 70.

Die monolythisehe integrierte halbleiterschaltung kann mittels üblicher Diffusionsverfahren oder durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die Ionenimplantation ist besonders attraktiv für die Herstellung von Widerständen mit hohen Widerstandswerten. Zu diesem Zweck werden die Widerstandszonen während des P-Diffusions-Heizvorgangs abgedeckt und die Widerstände 66 und 69 dann separat in das Substrat 51 mit entsprechend hohem Widerstandswert j implantiert. Alle integrierten Banelementkomponenten haben eine !gemeinsame Außenzone 55 mit P-Störstellen. Die NPN-Transistoren und der N-Widerstand 6^ sind damit gewissermaßen selbstisolierend. Die PNP-Transistoren und der P-Widerstand müssen von der Außenzone 55 mit P-Störstellen und auch voneinander durch N-Isolatiojnen 65 (Fig. 3A) und 67 (Fig. 3B) isoliert sein. Entsprechende ;Zonen sind vorzugsweise allen PNP-Transistoren und P-Widerständen gemeinsam, um so die Packungsdichte zu erhöhen. Die Anzahl der oben erwähnten Bauelemente innerhalb jeder separaten N-Isolations- ¹ zone sollte in jedem Fall so groß wie möglich sein. Die separaten N-Isolationszonen können außerdem elektrisch über Metallisierungen miteinander verbunden sein.

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emitter-, Basis- und KolleKtorzonen der Transistoren sowie die Zonen 67 und 69 für die widerstände sind wie üblich an entsprechende Leitungszüge (nicht dargestellt) angeschlossen. Diese Leitungszüpe dienen als elektrische Veroindungen zwischen '.transistoren, '.,'iderständen und otroiiiquellen. Der ^mitter-übergang eines jeden Transistors ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der AolleKtor-übergang in Gperrichtung vorgespannt ist, um den Tranaistorunu Schalt betrieb durchführen zu können, ^ei.einem ochaltvorgang ^ann jedoch der Kollektor-uoergang periodisch in DurchlaL·- richtung und der Lraitter-übergang in Sperrichtung vorgespannt werden. Die äuiaeren r-leitenderi und iJ-leitenaen Isolationszonen liegen Vorzugs v/eise nicht an festem Bezugs potential. Die P-leitendon Zonen können auch mit; der ar,¹ meisten negativen Stromversorgungleitung und die ^-leitenden Zonen uit der arr. raeisten positiven otroraversorgunrsleitung verounden sein, um damit den Isolationsv.iderotand zu erhöhen.

lira aie Packungsdichte der in den Fign. 3A und 3B gezeigten inteigrierten ichaltungsstruktur zu erhöhen, sollte Abstand zwischen !benachbarten Bauelementen möglichst klein gehalten sein. Der Abstand zwischen den iJ -KolleKtorzonen 53 und 53' in Fig. 3A, d.h. die breite der P-Isolationszone 55, sollte daher möglichst klein sein. Versuchsergebnisse und theoretische Überlegungen zeigen jedoch, daß der hiermit gebildete Isolationskanal anfängt zusammenzubrecnen, wenn der Abstand zwischen den Zonen 53 und 53' beider benachbarter Transistoren kleiner als ungefähr L _„ oder 1/2 L_n,,

eil Jjüi

Dieser Isolationskanal-Zusammenbruch zwischen beiden benachbarten Ii -Kollektoren 53 und 53' ist in Fig. 4 angedeuted. Die hoch-niedrig Übergänge 22 haben eine Tendenz von beiden Seiten, Elektronen seitlich in den Löcher-Akkumulationsbereich 28 unter der Zone 55 eindiffundieren zu lassen. Diese seitlich eindiffundierten Elekjtronen können den Verarmungsbereich 28 abschnüren und sogar die Löcherwolke zurückstoßen, wenn der Abstand kleiner als L „„ oder

er ι

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1/2 L-, ist. Infolgedessen wird der im Substrat 20 gebildete P-N übergang 26 durch das Feld des metallurgischen P-Ij Überganges 24 jin Richtung auf den metallurgischen Übergang hin verschoben, so daß die Elektronenwolken dazu neigen, sich miteinander zu verbinjden; was zu einem Kurzschluß zwischen den beiden N -Zonen führen |kann. Der Wert von 1/2 L_D-, und somit der kleinstmögliche Abstand zwischen benachbarten Kollektoren wäre daher etwa 4,7 /um für ein Substrat mit 30 k Ω cm. Diese Mindestabstände sollten jeweils auch für zwei durch eine u -Zone getrennte P-Zonen eingehalten werden, wie z.B. die P-Zonen 60 und 63 und die N-Zone 62, die in Fig. 3A einen PNP-Transistor bilden.

Eine wichtige Erkenntnis vorliegender Erfindung liegt darin, daß der oben angegebene Mindestabstand von 1/2 L~_7; zwischen zwei N Zonen sich um jeden ßetragfreduzieren lässt, wenn die Breite der i\i -Zonen ebenfalls jeweils so reduziert wird, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

(7) dP > 0,75

άϊί

worin dN die Breite der N -Zonen und dP die Breite der die dN -

[Zonen trennenden P-Zone ist. Vorzugsweise gilt:

(8) dP >_ 1,0

dN

Wie sich die geringere Breite der N -Zonen 53 und 53'' auswirkt, ist in Fig. 5 gezeigt. Die Dichte, und dadurch L , für ; ; eff !

!die diffundierten Elektronenwolken in der Zone 29 wird reduziert, ι [weil die Breiten dN der hoch-niedrig übergänge 22 geringer sind ials L_e|._f· Somit wird das seitliche Eindringen der Elektronen in ! die Verarmungszone 28 so klein wie möglich gehalten. I

Der Mindestäbstand zwischen zwei durch eine N -Zone getrennte P-Zonen lässt sich ebenfalls auf jedes Maß reduzieren, wenn

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-Hr-

die P-Zonen ebenfalls so reduziert werden, daß folgende Bedingung eingehalten wird:

(9) dii/_dp > 0,25

aus Koinoination mit (7) folgt:

(10) o,75 < dP/_dri < i\

[En Fig. 6 ist der Leckstrom über dem Verhältnis dP/^-j für zwei Werte von dP aufgetragen, wobei beide Werte kleiner sind als £j „. In beiden Fällen ist der Leckstroru relativ konstant, wenn

das Verhältnis dP/dN größer ist als etwa 0,75. Wenn das Verhältnis dP/dW jedoch unter 0,75 absinkt, beginnt der Leckstrom beträchtlich zu steigen.

jAus Fig. 6 ist weiter zu ersehen, daß die Kurve wesentlich steller ansteigt, wenn die Breite der Bereiche abnimmt. Die-Steigung der Kurve für dP = 2 yum ist wesentlich größer als die. für dP = 3,25 μπι. Für den PWP-Transistor im N- Substrat der Fig. 1 erhaltene Ergebnisse zeigen, daß das Verhältnis dN/dP bis auf 0,25 heruntergehen kann, ohne daß die Isolation nennenswert vermindert wird, wenn die Trennung zwischen den P-Wannen kleiner ist als L „„.

Das Isolationsmodell vorliegender Erfindung gilt auch für den JEmitter-Kollektorabstand, also für die Basisweite, und den Abstand zwischen Basis und Isolationszone, also Kollektorweite, eines einzelnen Transistors in der integrierten Schaltung. Emitter-, Basis- und Kollektorweite müssen also ebenfalls den Gleichungen !7 und 9 genügen, um den Leckstrom zwischen Emitter und Kollektor bzw. Basis und Isolation möglichst klein zu halten oder Kurzsch,lüsjse zu vermeiden.

Das Isolationsmodell läßt sich direkt auf Bauelemente anwenden, die in Streifenform ausgeführt sind, wie sie an anderer Stelle gezeigt (sind. Der Kanteneffekt des elektrischen Feldes an den Ecken

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jdes Emitters von Bauelementen mit geschlossener Struktur wie in 3, ist jedoch von besonderer Bedeutung, weil hierdurch der

tmitter-Kollektor-Leekstrom vergrößert wird. Geschlossene Strukturen sind Strukturen, bei denen jeweils der Kollektor vollstän-

dig die Emitterzone umgibt. Der Kanteneffekt für den Emitter ies NPiJ-Transistors ist in Fig. 3A angedeutet. Der Klarheit haloer ist dies nur an der Oberfläche des NPN-Transistors gezeigt. Die Auswirkung ergibt sich tatsächlich in der hohen Widerstand besitzenden Basiszone unter der P-Diffusionszone 52, wenn eine entsprechende Vorspannung zwischen Emitter 50' und Kollektor 53 angelegt wird. Infolgedessen wird die Potentialstufe im Substrat 51 zwischen Emitter und Kollektor reduziert. Dadurch wiederum nimmt ier RLB-Leckstrom zwischen Emitter und Kollektor zu.

iine ähnliche Flußinterferenz entsteht auch zwischen der N Diffusionszone (Kollektor) im Substrat mit hohem Widerstand, wodurch ier Basis-Isolationsleckstrom des NPN-Transistors erhöht wird. Dies tritt jedoch wegen der großen Tiefe der N-Zone weniger in Ercheinung. Die PNP-Transistoren sind auf gleiche Weise betrofffen.

Zur Reduzierung des Kanteneffekts wählt man vorzugsweise sine"Kreisform oder rundet die Ecken der aktiven Zonen ab. Fig. 7 zeigt einen NPN-Transistor mit einem ringförmigen Emitter 2 um P-Zone 76, in dem die Ecken des Emitters 72, der Basis 73 und des Kollektors 74 abgerundet sind. Messergebnisse bei ringförmigen Zonenanordnungen dieser Art zeigen tatsächlich eine wesentliche Abnahme des Emitter-Kollektor-Leckstromes. Für Treiber mit hohem Strom muß der Emitterumfang des RLB-Transistors groß sein, was somit auch zu großer Emitterweite führt. Um das Verhältnis von Emitter- und Basisweite dP/dN oberhalb des Wertes von 3,75 zu halten, muß die Basisweite vergrößert werden, wodurch iann wiederum die Leistung des RLB-Transistors herabgesetzt wird, iit einem ringförmigen Emitter obiger Art für Treiber mit hohem itrom wird dieses Problem jedoch gelöst, weil dann der Emitter-Einfang von der Emitterweite unabhängig ist. .

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lis ist ein Isolationsmodell für integrierte RLB-Schaltungen beschrieben. Dicht an der Oberfläche des Halbleiters mit hohem Widerstand sind voneinander getrennte Störstellenzonen gleicher · Leitfänigkeit mit nilfe konventioneller metallurgischer übergänge isoliert. Tief im Substrat erzielt man entsprechende Isolation mit elektrisch herbeigeführten Übergängen, die mit den oberhalb liegenden metallurgischen übergängen in Verbindung stehen. Die elektriscnen Übergänge bilden sich im Substrat zwischen den Löcher-j

und Llektronenwolken, die von den darüberliegenden P-leitenden j •und «-leitenden Störstellzonen ausdiffundieren. Die elektrischen j übergänge führen zu vertikalen Kanälen derselben Leitfähigkeit wie die darüberliegende Störstellenzone. Wenn zwischen zwei getrennten Störstellenzonen desselben Typs eine Vorspannung angeregt wird, wird der Leckstrom auf die so gebildeten Kanäle hohen v/iderstands begrenzt, um sich erst am Kanalende im Substrat hohen Widerstands auszubreiten. Die Kanallänge entspricht etwa 70 Ohm für ein Substrat mit 30 k U cm. Der resultierende Isolationswider-

!stand ist um eine Grüßenordnung größer als der aus dem Ausbrei-/fcungswiderstand alleine resultierende Wert. Der typische Isolations !widerstand zwiscnen zwei benachbarten Kollektoren beträgt 200 bis ;3üü · 10 ti für ein Substrat mit 30 k Ω cm. Durch Verringerung des IAbstands zwischen den diffundierten N-leitenden oder P-leitenden !Zonen wird der Isolationswiderstand nicht wesentlich herabgesetzt, wenn das Verhältnis dP/dH zwischen 0,75 und 4,0 beibehalten wird, wobei dP und dN ja die Weiten der diffundierten P-leitenden und ■i\i -leitenden Zonen sind.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Halbleitersubstrat vom ersten Leitfänigkeitstyp mit spezifischen Widerstand von mindesdens lü k M cm, dessen Oberflächenschicht durch eine Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist, itforin hochdotierte Zonen vom ersten Leitfänigkeitstyp mit jeweils einer durch die gesamte überf lächensciiichtdicke bis in das riochwiderstandsgebiet des Halbleitersuostrats reicnenden Tiefe eingebracht sind, wobei die dielektrische lielaxationszeit im nochwiderstandsgebiet des üalbleitersubstrats zwischen diesen hochdotierten Zonen sehr viel grüßer als die Ladungsträgerübergangszeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des lateralen Abstandes zwischen benachbarten hochdotierten Zonen (50, 53) zur jeweiligen lateralen Breite einer hochdotierten Zone (50 oder 53) größer oder gleich o,75 ist.

12. Halbleitersubstrat vom ersten Leitfähigkeitstyp mit spezifischen Widerstand von mindestens 10 k ω ^cm und einer Jialbleiterzone gleichen Leitfähigkeitstyps als oberflächenschicht, worin hochdotierte Zonen vom zweiten leitfähigkeit styp ausgehend von der .Substratoberflache und bis zum Halbleitersubstrat reichend eingebracht sind, wobei die dielektrische Relaxationszeit im Hochwiderstandsgebiet des Kalbleitersubstrats zwischen diesen hochdotierten Zonen sehr viel größer als die Ladungsträgerübergangszeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des lateralen Abstandes zwischen benachbarten hochdotierten Zonen (50, 53) zur jeweiligen lateralen Breite einer hochdotierten Zone (50 oder 53) größer oder gleich 0,25 ist.

FI 973 063

5098SO/0663

251.57Q7

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bildung eines Raumladungsbegrenzten (RLB) Transistors das Verhältnis angenähert gleich "Eins" ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines RBL-Transistors die Emitter- und Kollektorzonen durch die hochdotierten Zonen (50, 53) und die Basiszone durch den hierzwischen liegenden Bereich (52) der Oberflächenschicht (55) dargestellt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines RBL-Transistors die Basiszone durch eine hochdotierte Zone (62) und die Emitter- und Kollektorzonen durch jeweils benachbarte Bereiche (60, 63) der Oberflächenschicht dargestellt sind, die wiederum von einer hochdotierten Zone (65) als Isolationszone umgeben sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1. bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß streifenförmig ausgebildete, in sich geschlossen verlaufende Zonen (72, 73» 7*0 jeweils die andere umgebend mit abgerundeten Ecken und Kanten versehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter eine in sich geschlossen verlaufende Zone (73) bildet.

8. Anordnung nach Anspruch 5 bis Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistorpaar von einer gemein- < samen Isolationszone (65) umgeben ist, und gegenseitig durch einen Isolationszonensteg isoliert ist, der entsprechende Seiten der gemeinsamen Isolationszone (65) miteinander verbindet.

PI 973 063

509850/0663

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.9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
■ eine Zone (66 oder 69) zur Darstellung eines Wrderstan-

I j

1 des dient. ]

PI 973 063

509050/0663

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