CH619072A5

CH619072A5 -

Info

Publication number: CH619072A5
Application number: CH1215777A
Authority: CH
Inventors: Robert Lee Ayers; Raymond Weaver Hamaker
Original assignee: Ibm
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1980-08-29
Also published as: JPS5354490A; GB1584990A; IT1114162B; ES463621A1; FR2369687A1; SE7711985L; DE2746700A1; DE2746700C2; SE431272B; BR7706777A; JPS5424270B2; US4113512A; FR2369687B1; NL7711278A; CA1057419A

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Integrierte Halbleitervorrichtung mit Treibertransistor, mit einer epitaktischen Schicht ersten Leitfähigkeitstyps und wenigstens einer Isolationszone zweiten Leitfähigkeitstyps, gekennzeichnet durch einen Isolationsring (8) zweiten Leitfähigkeitstyps zur Vermeidung der Diffusion von Verunreinigungen, wenn die Isolationszone gegenüber der epitaktischen Schicht in Leitungsrichtung vorgespannt ist, welcher Ring die Isolationszone (2) umgibt.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitfähigkeit vom P-Typ und die zweite vom N-Typ ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitfähigkeit vom N-Typ und die zweite vom P-Typ ist.

4. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erzeugen von Isolationszonen ersten Leitfähigkeitstyps in einer epitaktischen Schicht zweiten Leitfähigkeitstyps und Erzeugen eines Isolationsringes ersten Leitfähigkeitstyps, der die Isolationszone umgibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring zusammen mit der Basiszone eines Bipolartransistors hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring durch thermische Diffusion hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring durch Ionen-Implantation hergestellt wird.

In integrierten Schaltungen wird die Minderheitsträgerlebensdauer häufig durch Verunreinigungen in Form von Metallionen verkürzt. Die Erscheinung wird im allgemeinen auf gleichmässige Verteilung der metallischen Verunreinigung im Halbleiter zurückgeführt. In der Literatur wurde auch schon auf die Getterung verunreinigender Metallionen in mit Bor hoch dotierten Halbleiterzonen hingewiesen. Vergleiche dazu J. E. Lawrence, Trans. AIME 242,484 (1968). Auch wurde schon festgestellt, dass ionisiertes Kupfer durch einen PN-Übergang hindurch diffundiert, wenn dieser durch eine Vorspannung leitend wird, vgl. F. Barson et al., Fall Meeting of Electrochem. Society, October 1969, Abstract 196. Dabei wurden vor allem Kupferionen festgestellt, die in Zwischengitterplätzen der P-Zone gelagert waren, und solche, die in der N-Zone durch Substitution frei wurden.

Es ist bekannt, dass auch Zink als Akzeptor-Dotierung zur Herstellung von PN-Übergängen in GaAs-Halbleitern brauchbar ist Das Zink in der P-Zone wandelt sich unter bestimmten Dotierungsbedingungen zu einem interstitiell angeordneten Donor. Dieses interstitielle Zink hat eine sehr hohe Diffusionsrate, weshalb es unter Einfluss des elektrischen Feldes den PN-Übergang durchwandert. Durch diese unerwünschte Zinkdiffusion in GaAs werden allzu hohe Leckströme sowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsvorspannung erzeugt, vgl. Longini, Solid State Electronics, 5,127 (1962).

Es wurde auch festgestellt, dass in Leitrichtung vorgespannte Übergänge, wie der Isolations-Kollektor-Übergang eines NPN-Transistors, durch die Diffusion von Schwermetallionen, besonders Kupfer, beschädigt wurden. Dies wird hauptsächlich durch die hohe Konzentration von Kupferionen in der Isolationszone verursacht, und es ist bekannt, dass die Zone wegen der hohen Löslichkeit von Kupfer als Getter für dieses Metall wirkt. Dazu kommt die hohe Versetzungsdichte im Kristall, die mechanische Spannungen erzeugt. Die Verunreinigungen diffundieren unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, das durch Verkleinerung der natürlichen Übergangsspannung und in den P- und N-Zonen infolge des ohmschen Spannungsabfalls entsteht, wenn der Übergang leitet.

Fig. la ist ein Querschnitt einer P-Isolationszone 2, die üblicherweise mit mehr als 1019 Atomen/cm3 Bor dotiert ist. Die Zone liegt in der epitaktischen Siliziumschicht 4, die mit 1015 Atomen/cm3 Arsen dotiert ist. Eine metallische Verunreinigung, z. B. durch Kupfer, wird in der Isolationszone 2 gegettert.

Fig. lb zeigt das Konzentrationsprofil für Bor, Arsen und die Kupferverunreinigung in Fig. la. Die Kupferverunreinigung liegt etwa zwei Grössenordnungen unter der Bor-Dotierung, vgl. Hall et al., Journal of Applied Physics, 35,379 (1964).

Fig. lc zeigt das Übergangsverhalten bei der Neuverteilung der metallischen Verunreinigung gemäss Fig. lb im Fall eines stark leitend vorgespannten Übergangs, der ein vernachlässigbares, natürliches Feld in der Sperrschicht und keine elektrischen Felder in den P- oder N-Zonen aufweist. Unter stetigen Verhältnissen und solange kein inneres elektrisches Feld besteht, wird die Verunreinigungskonzentration in allen Zonen gleich gross sein.

Fig. ld zeigt das Übergangsverhalten bei einer Neuverteilung der metallischen Verunreinigung gemäss Fig. lb bei geringerer Vorwärtsvorspannung als in Fig. lc, wenn das natürliche Feld 8j in der Sperrschicht von Bedeutung ist. Die Verunreinigung diffundiert nun in geringerem Mass als bei Fig. lc wegen der kompensierenden Wirkung von £j. Eine Verteilung der Verunreinigung, wie sie sich unter verschiedenen Vorspannungen ergibt, ist in Fig. le gezeigt.

Fig. lf zeigt den Übergang unter Vorwärtsvorspannung, wenn die Sperrschicht ein leicht verzögerndes Feld und die P-Zone ein beschleunigendes Feld aufweist. Wie ersichtlich, haben beide Zonen noch eine ungleiche Konzentrationsverteilung, die durch die Drift- und Diffusionskräfte bedingt sind. Unter diesen Bedingungen diffundieren mehr metallische Verunreinigungen über den Übergang als gemäss Fig. ld, jedoch weniger als bei dem stark vorgespannten Übergang gemäss Fig. lc.

Nachfolgend wird die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert, durch welche unerwünschte Leckströme in solchen Halbleiterelementen unterdrückt werden. Die schon erwähnte Fig. la zeigt eine diffundierte Isolationszone 2 innerhalb einer Epitaxiezone 4, die Teil eines bipolaren Treibertransistors bildet. Wenn der Transistor Strom liefert, wird die Isolationszone in Bezug auf die Epitaxiezone nach vorwärts vorgespannt. Verunreinigende Metallionen, wie Kupfer, Gold, Nickel und Eisen, innerhalb der Isolationszonen 2 diffundieren dadurch in die Epitaxiezone 4. Wenn die Isolationszone 2 in Sperrichtung vorgespannt ist, bilden die Verunreinigungen Générations- oder Rekombinationszentren in der Sperrschicht 6. Dadurch entsteht Leckstrom zwischen der Epitaxiezone 4 und der Isolationszone 2.

Gemäss der Erfindung wird die Leckstrombildung verhindert durch einen Isolationsring 8, der die Isolationszone 2 umgibt und dieselbe Art Leitfähigkeit wie diese aufweist, vgl. Fig. 2a. Dazu wird eine Diffusion geringerer Oberflächenkonzentration als für die Isolationszone 2 eingebracht. Dies kann in Bipolartechnik z. B. eine Basisdiffusion sein, die die Isolation 2 überlappt, so dass das durch ohmschen Spannungsabfall erzeugte Feld sich nicht bis in die Isolationszone erstreckt, welche stärker verunreinigt ist Die Basisdiffusionszone 8 ist infolge der geringen Borkonzentration nur geringfügig verunreinigt. Die Dotierungskonzentrationsprofile sind in Fig. 2b angegeben. Die Zone 8 kann auch durch Ionen-Implantation erzeugt werden.

Wenn die Epitaxiezone aus Silicium besteht, mit 1015 Atomen/cm3 Arsen dotiert ist und eine Dicke von 12 jxm aufweist,

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wenn ferner die bordotierte Isolationszone 2 eine Oberflächen- bis zum Übergang 6' und nennenswerte Leckströme können konzentration von 2 x 102 Atomen/cm3 und eine Breite von 32 darum nicht entstehen. Es genügt dazu, die Diffusion 8 nur mit

(im aufweist, kann der Isolationsring 8 mit 1018 Atomen/cm3 geringer Tiefe auszuführen, da die Verunreinigungskonzentra-

bordotiert sein und sich etwa 3 (im breit ausserhalb des Randes tion mit der Tiefe von der Oberfläche sehr rasch abnimmt und der Isolationszone 2 erstrecken. Die Oberflächenkonzentration 5 die Zone 2 unterhalb des Isolationsringes 8 nur wenige Metall-

im Isolationsring 8 wird etwa zwischen die der Isolationszone 2 ionen enthält.

und der epitaktischen Zone 4 gelegt. Sie muss so hoch sein, dass Der Isolationsring 8 löst ein wesentliches Problem bei der ein merklicher ohmscher Spannungsabfall in der Isolations- Herstellung integrierter Schaltungen mit Treibertransistoren,

zone 2 vermieden und der PN-Übergang 6' mit seinem Span- Ohne Isolationsring muss zusätzlicher Schaltungsaufwand nungsfeld ej aus der Isolationszone 2 hinausverschoben wird. i o getrieben werden, wenn Treibertransistoren in integrierten

Die Konzentration soll aber nicht so gross sein, dass dadurch Schaltungen angeordnet werden sollen. Das Problem der uner-

die metallischen Verunreinigungen während der Diffusionsope- wünschten Beeinflussung von Isolationsübergängen durch Dif-

ration in den Isolationsring selbst eindringen. fusion metallischer Verunreinigungen unter Vorspannung

Da das durch ohmschen Spannungsabfall erzeugte elektri- konnte bisher nicht gelöst werden. Die hier aufgezeigte Lösung sehe Feld sich nicht bis in die Zone hoher Verunreinigung 15 ist besonders vorteilhaft, wenn lineare Schaltungen zur Verar-

erstreckt, wandern die Verunreinigungen nur in geringem Mass beitung analoger Signale integriert werden sollen.

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2 Blatt Zeichnungen