DE2800240A1

DE2800240A1 - Integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2800240A1
Application number: DE19782800240
Authority: DE
Inventors: Heshmat Khajezadeh
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-01-12
Filing date: 1978-01-04
Publication date: 1978-07-13
Also published as: SE7714594L; JPS5388586A; FR2377704A1; IT1088974B

Description

Dr.-fng. Reiman Konig - Diol.-fng. Klaus Bergen Ceoilienallee 76 4 Düsseldorf 3O Telefon 452OO8 Patentanwälte

2. Januar 1978 31 906 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Integrierte Halbleiterschaltung"

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung«

Bipolare digitale und lineare integrierte Schaltkreise werden im allgemeinen in einer Halbleiterschicht mit relativ hohem Widerstand hergestellt, die auf einer Schicht desselben Leitungstyps aber mit relativ niedrigem Widerstand liegt. Für Niederspannungs-Hochleistungsbauelemente, z.B. solche in I L-Schaltkreisen, ist es wünschenswert, wenn die schwächer leitende Schicht relativ dünn, z.B. etwa 4 bis 8 Mikrometer dick ist. Für Hochspannungsbauelemente ist es dagegen wünschenswert, wenn die schwächer leitende Schicht relativ dick ist, z.B. etwa 10 bis 16 Mikrometer.

Um die Forderung nach einer dünnen Epitaxialschicht für die Niederspannungs-Bauelemente und nach einer dicken Epitaxialschicht für die Hochspannungs-Bauelemente erfüllen zu können, werden die Niederspannungs- und Hochspannungs-Bauelemente bisher auf getrennten Chips hergestellt.

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Bei- ^rfSndnag liegt die Aufgabe zugrunde, beide genannten üaBHELLesaeEitarten auf einem Chip zu kombinieren, insbesondere im einer integrierten Schaltung der eingangs genanasfcesi Art die Schichten mit schwächerer Leitfähigkeit und verschiedener Dicke zu vereinigen und ein Verfahren zu. schaffen, nach dem diese Schichten herzustellen und dasii-t Miederspannungs- und Hochspannungsbauelemente in eim&Bi einzigen Halbleiterchip zu vereinigen sind. Die

Lösung für den integrierten Schaltkreis

1~~ im Patentanspruch 1 beschrieben. Ein Verfahren zum H^nrwi3ellra der erfindungsgemäßen Schaltung ist im Patentanspruch f angegeben.

ErxjJidtaBgsgjemäß wird zunächst in einem halbleitenden Substrat eines ersten Leitungstyps wenigstens eine !lochen.» <erte Zone des zweiten Leitungstyps eindiffundiert. Uaraufhim üird auf der Oberfläche des Substrats eine weniger hochdotierte Schicht aus Halbleitermaterial des zweiten Leiiaingstyps gebildet. In dieser weniger hochdotierten Schicht wird sodann - gegebenenfalls im Bereich -über einer von mehreren der ersten hochdotierten Zonen eine ebenfalls hochdotierte Zone eindiffundiert. Im Bereich oberhalb wenigstens einer der ersfen in das Substrat eindiffundierten hochdotierten Zonen erfolgt dabei jedoch die Ausbildung der zweiten hochdotierten Zonen nicht. Nach dem Eindiffundieren der zweiten hochdiffundierten Zone (Zonen) in der ersten auf das Substrat aufgebrachten, weniger hochdotierten Schicht wird auf dieser und den darin eindiffundierten hochdotierten Zonen eine zweite weniger hochdotierte Schicht des zweiten Lei- _±ungstyps hergestellt.

Die zweite weniger hochdotierte Schicht wird zwar in zwei Abschnitten gebildet, dabei wird jedoch Sorge

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getragen, daß eine störende Grenzschicht zwischen den beiden Teilschichten nicht auftritt. Im Ergebnis liegt also erfindungsgemäß ein Halbleiterkörper vor, der aus einem Substrat des einen Leitungstyps und einer darauf, z.B. epitaxial, aufgebrachten Halbleiterschicht des zweiten Leitungstyps besteht, wobei innerhalb des Halbleiterkörpers wenigstens zwei hochdotierte Zonen des zweiten Leitungstyps eingebettet sind, von denen die erste innerhalb des Substrats liegt und bis zu dessen Oberfläche reicht und die zweite innerhalb des unteren Teils der weniger hochdotierten Schicht des zweiten Leitungstyps liegt und bis zu dessen ursprünglicher Oberfläche reicht. Die zuletzt genannte hochdotierte Schicht des zweiten Leitungstyps kann dabei ganz innerhalb des unteren Teils der weniger hochdotierten bzw. schwachdotierten Schicht des zweiten Leitungstyps angeordnet sein oder aber bis in das Substrat reichen. Es sind in dem aus einem Substrat des einen Leitungstyps und einer darauf in zwei Abschnitten aufgebrachten schwachdotierten Schicht des zweiten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper also mindestens zwei hochdotierte Zonen des zweiten Leitungstyps eingebettet, von denen die eine von der äußeren Oberfläche der aufgebrachten Schicht nur durch deren zweiten Teil getrennt ist, während auf der anderen hochdotierten Zone des zweiten Leitungstyps die volle Stärke der in zwei Abschnitten aufgebrachten schwachdotierten Schicht liegt.

Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltung;

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Fig. 2 Ms 7 Verfaiirensschritte zum Herstellen der Schaltung gemäß Fig. 1; und

Fig. B und 9 Verfahrensschritte zum Herstellen eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltung.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer integrierten Schaltung 10 mit einer Oberfläche 11, in der ein bipolares Hochspannungs-

bauelement 12 und ein Niederspannungs-I L-Bauelement 14 auf einem einzigen Substrat 16 aus P-leitendem Material vereinigt sind. Das bipolare Bauelement 12 ist in einer ersten, relativ dicken, schwachdotierten Zone 18 aus N-leitendem Halbleitermaterial gebildet und liegt auf einer ersten hochdotierten N⁺-leitenden Zone 20, während das

I L-Bauelement 14 in einer zweiten, relativ dünnen, schwachdotierten N-leitenden Zone 22 gebildet ist, die auf einer zweiten hochdotierten N⁺-leitenden Zone 24 liegt. Die Grenzschicht zwischen den Zonen 18 und 20 ist mit dem Bezugszeichen 19 und die Grenzschicht zwischen den Zonen 22 und 24 mit dem Bezugszeichen 23 versehen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gehören zu dem bipolaren, Hochspannungs-Bauelement 12 eine P-leitende Basiszone 26, eine N⁺-leitende Emitterzone 28 und eine hochdotierte N⁺-leitende Kontaktzone 30. Letztere dient dazu, die als Kollektor des Bauelementes wirkende Zone 18 zu kontaktieren. Die hochdotierte N⁺-leitende Zone 20 stellt einen seitlichen Weg bzw. Nebenweg von der Emitterzone 28 zum Kollektor dar. Um dem bipolaren Bauelement 12 ein hohes Spannungsvermögen zu verleihen, ist es wichtig, eine relativ dicke Kollektorzone 18, d.h. eine Zonendicke zwischen etwa 10 und 16 Mikrometer, vorzusehen. In einem bevorzugten Ausführangs-

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beispiel der Erfindung trennt eine etwa 14 Mikrometer dicke Kollektorzone 18 die N⁺-leitende Zone 20 von der Oberfläche 11 des Bauelements.

Das I L-Bauelement 14, welches von dem bipolaren Bauelement 12 durch einen hochdotierten, P⁺-leitenden Isolierbereich 32 getrennt ist, besteht aus einer P-leitenden Injektorzone 34, die in der dünnen N-leitenden Zone 22 gebildet ist. Mehrere N-leitende Kollektorzonen 36, 38 und 40 sind in einer P-leitenden Basiszone 42 hergestellt. Eine hochdotierte, ringförmige, N⁺-leitende Kontaktzone 44 erstreckt sich durch die N⁺-leitende Zone 22 zu der darunterliegenden hochdotierten N -leitenden Zone 24 und kontaktiert letztere. Obwohl vorstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird, ist es nicht notwendig, daß die Zone 44 ganz bis zu der Zone 24 reicht. Die ringförmige, N⁺-leitende Kontaktzone 44 umschließt die Injektorzone 34 und die Basiszone 42 ganz. Die N⁺-leitende Zone 44 dient dazu, parasitäre Wirkungen von Basiszonen, wie der Zone 42, zu benachbarten Basiszonen und parasitäre Ströme zu dem Isolierbereich 32 zu vermeiden. Pur eine

hohe Leistungsfähigkeit des I L-Bauelements 14 ist es wichtig, daß die N⁺-leitende Zone 22 relativ dünn ist, d.h. daß die Zone 22 eine Dicke zwischen etwa 4 und 8 Mikrometer aufweist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die N⁺-leitende Zone 24 von der Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers durch eine etwa 6 Mikrometer dicke Zone 22 getrennt.

Um Zonen 18 und 22 mit unterschiedlichen Dicken herzustellen, werden erfindungsgemäß die Abstände zwischen den Grenzschichten 19 und 22 einerseits und der Oberfläche 11 des Bauelementes andererseits auf die im folgenden näher erläuterte Weise variiert.

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Anhand der Figuren 2 Ms 7 wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelementes 10 beschrieben. Gemäß Fig. 2 beginnt das Verfahren mit der Auswahl eines schwachdotierten Substrates 16 aus P-leitendem Halbleitermaterial, wie Silizium. Unter Verwendung von in der Halbleitertechnik üblichen photolithographischen Verfahren wird auf der oxydierten Oberfläche des Substrats 16 eine Schicht aus Photoresistmaterial und in dieser Öffnungen gebildet. Als nächstes werden Donator-Dotierstoffe durch die Öffnungen in die Oberfläche des Substrats eindiffundiert, um N⁺-Zonen 20 und 24 zu bilden. Gemäß Fig. 3 wird im Anschluß an die Diffusion der N⁺- leitenden Zonen 20 und 24 eine N-leitende Epitaxialschicht 25 oberhalb der diffundierten Zonen 20 und 24 aufgewachsen. Bei der Auswahl der Dicke der N-leitenden Epitaxialschicht 25 muß der Unterschied der Dicken der gewünschten Zonen 18 und 22 für das fertige Bauelement 10 berücksichtigt werden. Wenn daher die Zone 18 eine Schichtdicke von 14 Mikrometern und die Zone 22 eine Schichtdicke von 6 Mikrometern haben soll, ist die Epitaxialschicht 25 bis zu einer Dicke von 8 Mikrometern aufzuwachsen.

Nach Fertigstellen der Epitaxialschioht 25 wird die Oberfläche dieser Schicht oxydiert und mit einer Photoresistschicht bedeckt. In letzterer und in dem Oxid wird dann oberhalb der N⁺-leitenden Zone 24 eine begrenzte Öffnung gebildet. Darauf folgt das Eindiffundieren von Donator-Dotierstoffen in die Schicht 25, um die Zone 24 bis zur Oberfläche der Schicht 25 auszudehnen, wie das in Fig. 4 dargestellt worden ist.

Im Anschluß an das Diffundieren der Zone 24 bis zu deren vollständiger, gewünschter Dicke, wird eine zusätzliche Epitaxialschicht auf der Oberfläche der Schicht

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aufgewachsen, um die Dicke der Schicht 25 so zu vergrößern, daß diese Schicht schließlich mit der endgültig gewünschten Dicke der Zone 22 auf der Zone 24 liegt. Im vorliegenden Beispiel wird daher die Epitaxialschicht im zweiten Schritt ihres Auf wachsens um zusätzlich 6 Mikrometer dicker gemacht, um eine Schichtdicke von 14 Mikrometern oberhalb der N⁺-leitenden Zone 20 und eine Dicke von 6 Mikrometern oberhalb der N⁺-leitenden Zone 24 zu erhalten. Nach dem Herstellen der Struktur gemäß Fig. 5 wird eine andere Photoresist-Schicht auf die oxydierte Oberfläche der Schicht 25 aufgebracht und es werden eine Reihe von P⁺-leitenden Zonen 32 begrenzt und durch die Schicht 25 bis in das Substrat 16 eindiffundiert, um die Schicht 25 in die Zonal 18 und 22 zu teilen, wie das in Fig. 6 dargestellt ist. Als nächstes wird die hochdotierte, N⁺-leitende Zone 44 begrenzt und durch die Zone 22 in die Zone 24 eindiffundiert. Alsdann wird eine Reihe von P-leitenden Zonen 26, 34 und 42 begrenzt und in die Zonen 18 und 22 eindiffundiert, um die Struktur gemäß Fig. 7 zu bilden. Schließlich wird die N⁺-leitende Zone 28 begrenzt und in die P-leitende Zone 26 eindiffundiert, außerdem werden eine N⁺-leitende Zone 30 in die N-leitende Zone 18 und N-leitende Zonen 36, 38 und 40 in die P-leitende Zone 42 eindiffundiert. Auf diese Weise entsteht die integrierte Schaltung 10 gemäß Fig₀ 1.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel kann in etwas gegenüber dem beschriebenen Verfahren abgewandelter Weise hergestellt werden. Hierbei wird eine N⁺-leitende Zone 45 in einem Substrat 46 gemäß Fig. 8 gebildet. Dann wird auf der Oberfläche des P-leitenden Substrats 46 eine Epitaxialschicht 48 aufgewachsen. Die Dicke der Epitaxialschicht 48 soll dabei der Differenz der Schichtdicke!der

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in "bzw. auf dem Substrat 46 herzustellenden Hochspannungsuiid Niederspannungs-Bauelemente entsprechen. Als nächstes wird eine zweite N⁺-leitende Zone 50 "begrenzt und in die Epitaxialschicht 48 eindiffundiert und daraufhin eine zweite Epitaxialschicht 52 auf der Oberfläche der Schicht 48 und der Zone 50 Ms zu einer Dicke aufgewachsen, die der für das Niederspannungs-Bauelement gewünschten Schichtdicke entspricht. Die weiteren Verfahrensschritte können wie oben beschrieben ausgeführt werden.

Obwohl die Erfindung für den Fall eines mit einem Niederspannungs-I L-Bauelement kombinierten bipolaren Hochspannungs-Bauelementes beschrieben wurde, ist sie beim Herstellen integrierter Halbleiterbauelemente verschiedenster Typen anzuwenden, bei denen die Kombination unterschiedlicher Halbleitertechniken erforderlich ist, wie bei PMOS-(P-Kanal-Metalloxidhalbleiter), NMOS- (N-Kanal-Metalloxidhalbleiter), CMOS-(komplementäre Metalloxidhalbleiter), Bipolar- und I L-Bauteilen und anderen Technologien, für die zum Erzielen einer idealen Betriebsweise verschieden dicke Epitaxialschichten gefordert werden.

Die Erfindung ist im Ausführungsbeispiel zwar anhand von vertikalen NPN- und lateralen PNP-Transistoren beschrieben worden; in einigen Anwendungsfällen kann es jedoch wünschenswert sein, vertikale PNP- und laterale NPN-Transistoren in einem einzigen Halbleiterchip herzustellen, was ebenfalls im Rahmen der Erfindung unter entsprechender Anwendung der damit gegebenen Lehre möglich ist.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

V1.^Integrierte Halbleiterschaltung, gekennzeich net durch einen Halbleiterkörper mit einem Substrat (16) des einen Leitungstyps, mit einer ersten hochdotierten, von der Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers durch eine erste schwachdotierte, halbleitende Zone (18) des zweiten Leitungstyps getrennten, halbleitenden Zone (20) des zweiten Leitungstyps vorbestimmter Dicke und mit einer zweiten hochdotierten, von der Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers durch eine zweite schwachdotierte halbleitende Zone (22) des zweiten Leitungstyps getrennten, halbleitenden Zone (24) des zweiten Leitungstyps, wobei jeweils die erste und zweite schwachdotierte Zone eine niedrigere Leitfähigkeit aufweisen als die zugehörige erste bzw. zweite hochdotierte Zone, wobei weiterhin die zweite schwachdotierte Zone (22) eine von der vorbestimmten Dicke der ersten schwachdotierten Zone (18) abweichende vorbestimmte Dicke aufweist und wobei in der ersten hochdotierten (20) und der ersten schwachdotierten Zone (18) wenigstens ein Halbleiterbauelement (12) sowie in der zweiten hochdotierten (24) und der zweiten schwachdotierten Zone (22) wenigstens ein weiteres Halbleiterbauelement (14) vorgesehen ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die ersten Zonen (18, 20)

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von den zweiten Zonen (22, 24) trennenden Isolierbereich (32) des ersten Leitungstyps.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Isolierbereich (32) eine höhere Leitfähigkeit als das Substrat (16) des Halbleiterkörpers aufweist.
4. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten schwachdotierten Zone (18) etwa 10 bis 16 Mikrometer und die Dicke der zweiten schwachdotierten Zone (22) etwa 4 bis 8 Mikrometer beträgt.
5· Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine höher als die zweite schwachdotierte Zone (22) dotierte, hoohd->!;ie ^¹;* Kontaktzoi-if- (44) des zweiten Leitungstyps von der Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers durch die zweite schwachdotierte Zone hindurch zu der zweiten hochdotierten Zone (24) erstreckt, daß in der zweiten schwachdotierten Zone (22) mit Abstand voneinander eine Injektorzone (34) und eine Basiszone (42) vom jeweils ersten Leitungstyp vorgesehen sind und daß in der Basiszone (42) wenigstens eine sich bis zur Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers erstreckende Kollektorzone (36, 38, 40) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.
6. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten schwachdotierten Zone (18) eine sich bis zur Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers

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erstreckende (zweite) Basiszone (26) des ersten Leitungstyps vorgesehen ist, daß in der (zweiten) Basiszone (26) eine sich Ms zur Oberfläche (11 ) des HaIbleiterkörpers erstreckende Emitterzone (28) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist und daß in der ersten schwachdotierten Zone (18) mit Abstand von der (zweiten) Basiszone (26) eine sich Ms zur Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers erstreckende Kontaktzone (30) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.
7. Verfahren zum Herstellen einer Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

(a) Eindiffundieren wenigstens einer hochdotierten Zone (20, 24) eines ersten Leitungstyps in ein halbleitendes Substrat (16) vom zweiten Leitungstyp;

(b) Herstellen einer weniger hochdotierten Schicht (25, 48) aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps auf der Oberfläche des Substrats (16);

(c) Bilden wenigstens einer höher als die weniger hochdotierte Schicht (25, 48) dotierten Zone (24, 50) des ersten Leitungstyps in der Schicht (25, 48); und

(d) Herstellen einer zweiten weniger hochdotierten Schicht (52) des ersten Leitungstyps auf der ersten Schicht (25, 48).

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