DE1539079A1

DE1539079A1 - Planartransistor

Info

Publication number: DE1539079A1
Application number: DE19651539079
Authority: DE
Inventors: Husher John D; Pollock Larry J
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1964-03-20
Filing date: 1965-03-19
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3341755A; BE661403A; DE1539079B2; GB1041681A

Description

München, den f 9 ^*«? w 410 - Dr. Hk/Di

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WESTINGHOUSS ELECTEIC CORPORATION in East Pittsburgh,'Pa.,

V. St. A.

Planartransistor,

Die Erfindung betrifft einen Transistor, der in einer Halbleiterscheibe derart ausgebildet ist, daß die K-ollelctor- gren% schicht auf der gleichen Oberfläche endet, auf welcher der Emitter angebracht ist, wobei der Kollektorkontakt an der gleichen Oberfläche anzubringen ist. Solche Transistoren werden häufig als Planartransistoren bezeichnet.

Während bei einzelnen Transistoren ein Kollektorkontakt an * der Oberseite im allgemeinen nicht erforderlich ist, ergibt sich die Notwendigkeit eines solchen in integrierten Schaltungen mit einem passiven Substrat, weil dort der Kollektor von der Unterseite her nicht zugänglich ist. Die bekannten Transistoren solcher integrierter Schaltungen haben insbesondere im Schaltbetrieb eine'unerwünscht hohe Sättigungsspannung und eine lange Schaltzeit, weshalb sie im allgemeinen im Vergleich mit handelsüblichen Einzeltrans t stören ungünstig abschneiden.

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Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Transistoranordnung mit verringerter Sättigungsspannungund Schalt— zeit, die zum Einbeziehen in integrierte Schaltungen besonders geeignet ist.

Wie noch im einzelnen erläutert wird, erleichtert der erfindungsgemäße Transistoraufbau insbesondere die Anbringung ohmscher Elektroden an die Emitterzone, die Basiszone und die Kollektorzone, wobei sämtliche Elektroden sich auf dergleichen Hauptoberfläche der Halbleiterscheibe befinden. Auch ergibt sich ein geringer Widerstand zwischen der Kollektorzone und der Kollektorelektrode und das Volumen der lollektorzone, worin Minderheitsladungsträger gespeichert werden können, wird herabgesetzt, so daß die Schaltzeit verkürzt wird.

Der erfindungsgemäße Planartransistor ist dadurch gekennzeichnet , daß die Kollektorzone an ihrer der Kollektorgrenzschicht abgewandten Seite in einen stärker dotierten Bereich gleichen-Leitfähigkeitstyps übergeht, der aus einer im Inneren der Halbleiterscheibe verlaufenden Schicht und einer die lollektorzone ringförmig umgebenden, von der Schicht bis zur Hauptoberfläche, an welcher der Transistor ausgebildet ist, reichenden Wand besteht.

Die stärker dotierte Wand hat im Vergleich zur eigentlichen Kollektorzone eine größere Leitfähigkeit und verringert

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dadurch den Bahnwiderstand der Träger zwischen der Kollektorgrenzschicht und der Kollektorelektrode. Aus Messungen ergibt sich eine Verringerung des Sättigungswider Standes um etwa 50 % und demgemäß eine entsprechende Herabsetzung der Sättigungsspannung im Vergleich mit sonst gleichartig aufgebauten Transistoranordnungen ohne die den Kollektor umgebende Wand hoher Leitfähigkeit.

Außerdem verringert die Verkleinerung des Volumens der Kollektorzone die Speicherzeit und damit die Schaltzeit auf etwa 80 % des Wertes bekannter gleichartiger Transistoren mit der gleichen Grenzflächenausdehnung.

Die stark dotierte Wand hoher Leitfähigkeit kann durch Diffusion ausgebildet werden. Eine dotierende Verunreinigung wird an der gewünschten Scelle angebracht und während der Erwärmungsvorgänge, die zur Eindiffusion der Basiszone und der Emitterzone dienen, gleichzeitig in die Kollektorzone durch Diffusion vorgetrieben. Dies bedeutet, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellungszeit und die Herstellungskosten nicht wesentlich erhöht. Die Möglichkeit, andere aktive oder passive Elemente auf der gleichen Halbleiterscheibe integriert unterzubringen, wird in keiner Weise ungüngstig beeinflußt.

Die Erfindung ist nicht nur bei Schalttransistoren, sondern auch bei Transistoren für Verstärlcunaszwecke vorteilhaft.

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Im letzteren Falle ergibt sich ein verbessertes Frequenzverhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 eine Draufsicht eines Ausschnitts aus einer

< integrierten Halbleiterschaltung mit einer Transistoranordnung bekannter Art;

Fig. 2 ein Schnitt der Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie H-II;

Fig. 3 ein entsprechender Schnitt einer erfindungsgemäßen Transistoranordnung und Fig. 4 bis 6 Schnitte der Halbleitervorrichtung in verschiedenen Stufen des . , Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung.

Die Abbildungen zeigen nur einen Ausschnitt aus einer integrierten Halbleitervorrichtung, da die Erfindung,wie gesagt, insbesondere auf in solchen integrierten Schaltungen ausgebildete Transistoren anwendbar ist. Die Ausbildung anderer aktiver und passiver Elemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Unipolartransistoren, kann in bekannter Weise erfolgen.

Das dargestellte_<Ausführungsbeispiel betrifft einen npn-Transistor. Selbstverständlich ist die Erfindung genau so gut auf einen pnp-Transistor anwendbar. Ferner ist die

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Zeichnung stark vergrößert, insbesondere in Dickenrichtung. Die Gestalt, Fläche und Dicke der verschiedenen Zonen ergibt sich in bekannter Weise aus Überlegungen hinsichtlich der leistung, der Verstärkung usw.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Transistoranordnung, die bisher allgemein iff integrierten Schaltungen verwendet wird. Auf einem Substrat 10 vom p-Typ befinden sich eine n+~Schicht 12 und eine n-Schicht 13. Beispielsweise können diese durch Epitaxialwachstum in bekannter Weise auf dem Substrat TQ ausgebildet sein. Stattdessen kann die n+-Schicht 12 durch Diffusion einer Donatorsubstanz wie Arsen in die Oberfläche des Substrats 10 gebildet sein, wobei die Schicht 13 dann epitaxial auf die Diffusionsschicht aufgebracht werden kann.

Die beiden Schichten 12 und 13 dienen zur Schaffung einer geringen Verunreinigungslconzentration in demjenigen Teil der Kollektorzone, in welchem die Kollektorgrenzschicht gebildet wird, und zur Schaffung einer höheren Verunreinigun;.rskonzentration unterhalb dieses Teils, um den . ■ Sättigungswiderstand des Transistors herabzusetzen.

Die Basiszone 18 vom p-Typ wird in die Schicht 13 vom η-Typ eindiffundiert. Anschließend wird die Emitterzone 20 vom n+-Typ in die Basiszone 18 eindiffundiert. Gleichzeitig damit wird eine n+-Zöne 22 von hoher Konzentration in

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die Kollektorzone 13 eindiffundiert, um als Kontaktbereich des Kollektors zu dienen. Der Zweck der n+-Zone 22 ist die Bereitstellung stark dotierten Materials, so daß ohmsche Kontakte dort leicht durch Aufdampfen und Verschmelzen eines Metalls wie Aluminium gebildet werden können. Schließlich ist eine Trennwand 16 vom p+-Tyρ vorgesehen, die den Transistor umgibt und in bekannter Weise dazu dient, ihn von anderen Teilen der Halbleitervorrichtung zu trennen. Die Trennwand 16 wird durch Diffusion von Verunreinigungen durch die ganzen Schichten 12 und 13 hindurch von der Hauptoberfläche 14 zum Substrat 10 gebildet. Diese Diffusion wird im allgemeinen vor der Diffusion der Zonen 18, 20 und 22 durchgeführt. Wie man sieht, enden die durch die Basis 18 und den Emitter gebildeten pn-Übergänge 17 und 19 an der Hauptoberfläche 14 der Halbleiterscheibe. Die Diffusionsvorgänge werden in bekannter Weise ausgeführt, indem Dotierungsmaterial in Fenster von Oxydmasken, welche photographisch und durch Atzen ausgebildet werden, aufgebracht wird.

In integrierten Schaltungen der dargestellten Art tritt ein Problem auf, das bei Einzel transistoren nicht vorhanden ist. Der Kontakt mit der Kollektorzone 13 sol] nämlich im vorliegenden Falle an der Oberseite 14 des Halbleiters angebracht werden. Wenn ein solcher Transistor als Schalttransistor betrieben wird, d.h. zwischen

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Sättigung (beide Grenzschichten in Durchlaßrichtung beansprucht mit maximalem Kollektorstrom) und Sperrung (beide Grenzschichten in Sperrichtung belastet mit minimalem Kollektorstrom), so soll die Impedanz im Sättigungszustand möglichst klein sein. Der Widerstand und der Spannungsabfall am Transistor im Sättigungszustand für gegebene Lastbedingungen sollen also möglichst stark herabgesetzt sein.

In den bekannten Transistoren der dargestellten Art verläuft aber nun die Bahn der Mehrheitsladungsträger ( Elektronen bei einem npn-Transistor) vom Emitter über die Basiszone 18, die n-Zone 13 zur n+-Zone 12, dann längs der n+-Zone 12, durch die n-Zone 13 außerhalb der Basiszone und schließlich nach oben zur n+-Zone 22. Diese verhältnismäßig große Sahnlänge im Vergleich zu Einzeltransistoren bewirkt, daß die Stromträger einen verhältnismäßig hohen Widerstand vorfinden, und macht deshalb den ^ättigungswiderstand und die Sättigungsspannung des Transistors verhältnismäßig hoch.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnungen liegt darin, daß das ganze Volumen der Schichten 12 und 13 innerhalb der Trennwand 16 zur Speicherung von Minderheitsladungsträgern zur Verfugung steht und damit die Umschaltzeit der Anordnung, d.h. die Zeit, die zum Über-

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gang zwischen dem leitenden und dem gesperrten Zustand erforderlich ist, erhöht.

Fig. 3 zeigt demgegenüber die erfindungsgemäße Transistoranordnuny. Die Draufsicht wäre identisch mit derjenigen nach Fig. 1. Die einzelnen Teile der Anordnung nach Fig. 3 tragen Bezugszeichen, deren letzte zwei Ziffern mit den entsprechenden Teilen der Anordnung nach Fig. 1 und 2 übereinstimmen. Erfindungsgemäß befindet sich die n+-Zone 122 nicht nur an der Oberfläche 114 der Anordnung, sondern erstreckt sich von dieser Oberfläche durch die Kollektorzone 113 vom η-Typ hindurch bis zur darunter befindlichen n+-Zone 112. Infölgedessen ist der Bahnwiderstand für die Träger von der Kollektorgrenzschicht 117 zur Oberfläche der n+-Zone 122 verringert.

Typisch hat die n+-Schicht 112 einen spezifischen Wider-

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stand von etwa 25 Ohm cm ,die n-Schicht 113 hat einen

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Widerstand von etwa 120 Ohm cm und die n+-Wand 122 einen

2 mittleren Widerstand von etwa 3 Ohm cm . Typische Abmessungen für die Schichten 112 und 113sind etwa vier Mikron bzw. 12 Mikron Dicke, wobei sich die Grenzschichten 117 und 119 in einer Tiefe von etwa vier bzw. drei Kilcrcn unter der Oberfläche befinden. Es wurde gefunden, daß beispielsweise die Sättigungsspannung von etwa 0,25 Volt bei 20 Milliampere Strom in einem Transistor bekannter

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Art auf etwa 0,14 Volt bei der gleichen Stromstärke bei einer erfindungsgemäßen Anordnung abgesunken ist. An den einzelnen Zonen des Transistors befinden sich ohmsche Kontakte. Die Emitterzone 120 ist mit dem Iontakt 123, die Basiszone 118 mit dem ringförmigen Kontakt und die n+-Zone 122 mit dem ringförmigen Kontakt 122 verbunden. Die Kontaktgestaltung wird durch das Erfordernis der Verbindung der einzelnen Zonen mit anderen Teilen der integrierten Schaltung bestimmt. Die Verbindungen laufen über die passive Oberflächenschicht 11 5, die sich auf der ganzen Oberfläche der Halbleiteranordnung mit Ausnahme der Kontaktstellen befindet:. Aus diesem Grunde sind die Kontakte 124 und 125 keine vollständig ge- : _ schlossenen Singe, sondern haben Lücken, durch welche die leitenden Verbindungen hindurchtreten können.

Bekanntlich steigt bei den normalen Transistoren, bei denen der Kollektorkontakt sich auf der Unterseite der Halbleiterscheibe entfernt vom Emitter befindet, die Speicherzeit im Schaltbetrieb mit dem Quadrat der Dicke der KoIiektorzone , Bei Transistoren in integrierten Schaltungen, bei denen der Kollektorkontakt sich auf der gleichen Fläche wie die Emitterzone befindet, wird die Speicherung von Minderheitsladungsträgern durch das seitliche Volumen der Kollektorzone weiter erhöht. Im Schaltbetrieb ist die Kollektorgrenzschicht bis zur

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Sättigung in Durchlaßrichtung beansprucht und,. Löcher werden in die Kollektorzon,e 113 vom η-Typ nicht nur unmittelbar unter der Emitterzone 120, sondern auch von der ganzen Ausdehnung der Kollektorgrenzschicht 117 injiziert. Bei den bekannten Anordnungen, etwa nach Fig. 2, konnten diese Träger durch die ganze Kollektorzone 113 wandern, soweit es die Trennwand 116 zuließ. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung durchwandern die Träger dagegen nur den durch die n+-Zone 122 eingeschlossenen Raum und das für ihre Speicherung verfügbare Gesamtvolumen ist verringert, ohne daß sich die Grenzflächenausdehnung des Transistors verkleinert oder andere Parameter der Anordnung ungünstig beeinflußt werden.

Fig. 4 bis 6 zeigen aufeinanderfolgende Stufen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Erzeugung der Anordnung nach Fig. 3· Der Fabrikationsverlauf hinsichtlich der Bereitstellung des Substrats 11C vom p-Typ, der Anbringung der n+- und n-Schichten 112 und 113 und der Trennwand 116 vom p+-Typ kann in gleicher Weise erfolgen wie gemäß Fig. 1 und 2. Nach der Eindiffusion der Trennwand 116 und vor der Diffusion der Basiszone und der Emitterzone wird dagegen erfindungsgemäß eine Verunreinigung 122a vom η-Typ durch eine Oxydmaske 115a an derjenigen Stelle abgelagert, an der die n+-Zone 122 entstehen soll. Die Einlagerung 122a ist mit n++

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bezeichnet, weil sie eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist. In dieser Verfahrensstufe werden jedoch die Dotierungsstoffe vom Donatortyp in der Ablagerung 122a noch nicht merklich in die n-Zone 113 eingeführt, weil die Anzahl der Erwärmungsvorgänge und die gesamte Herstellungszeit der Anordnung möglichst gering gehalten werden sollen.

Fig. 5 zeigt die gleiche Anordnung nach Ausbildung einer Oxydschicht 115b auf der Oberfläche und Anbringung eines neuen Fensters an der Stelle, wo die Basiszone 118 eindiffundiert werden soll. Während der Ausbildung der Oxydschicht und des Fensters in bekannter Weise diffundiert die Ablagerung 122a nicht merklich in die Zone'113 ein. Die Verunreinigung» vom p-Typ für die Ausbildung der Basiszone werden in dem Fenster der Oxydschicht 115b abgelagert und durch Erwärmung der Anordnung während einer bestimmten Zeit zur Diffusion veranlaßt, um die- gewünschte Tiefe der Basiszone 118 zu erreichen. Gleichzeitig wird die Ablagerung 122a in die Zone 113 eindiffundiert, und zwar dringen die Verunreinigungen in der Ablagerung 122a tiefer in die Zone 113 ein, als die Verunreinigungen für die Basiszone 118 in die Schicht 113, weil die Diffusion vcn Verunreinigungen vom n—Typ in eine n-Zone schneller vcr sich geht, als diejenige vcn Verunreinigungen vom p-Typ in eine n-Zone.

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Fig. 6 zeigt die Anordnung nach Diffusion der Basis vom P^ Typ und dem Vortreiben' der Verunreinigungen vom n-Typ derart, daß sich ein neuer Bereiche indiffundierten η-Materials 122b gebildet hat, der weiter als die Zone 118 in die Zone 113 hineinreicht. Möglicherweise durchdringen die η-Verunreinigungen für die Zone 122 bereits in dieser Verfahrensstufe die n-Zone 113 und erreichen die n+-Schicht 112, so daß die Bildung des Bereiches 122 bereits abgeschlossen ist. Dies ist aber nicht erforderlich, da noch eine Diffusion zur Ausbildung der Emitterzone 120 erforderlich ist.

In Fig. 6 ist eine weitere Oxydmaske 115c auf der Oberfläche 114 zwecks Emitterdiffusion angebracht.. Sie besitzt ein Fenster innerhalb der Basiszone 118. Anschließend wird eine Verunreinigung vom n-'fyp in das Fenster der Maske 115c eingebracht; und durch V/Mrmeanwendung zur Bildung der Emitterzone 120 eindiffundiert. Gleichzeitig diffundieren die Verunreinigungen in dem Bereich 122b weiter ins Innere des Halbleiters, bis sie die n+-Schicht 112 erreichen, wenn das nicht bereits im vorhergehenden Diffusionsvorganc geschehen ist. Damit ist die Transistcranordnung fertig. Man sieht also, daß das_ erfinduncscemgp.e Verfahren nur "eine zusätzliche AtI ageruno , närnlöi die Ablagerung 122a in Fig. 4 erfordert. Dieser eine zusätzliche Verfahrensschritt verlängert die Herstellungs -zeit und

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die Erwärmungszeit nicht wesentlich und läßt sich'ohne erhebliche zusätzliche Fabrikationskosten durchführen.

Die erfindungsgemäße Anordnung könnte auch durch andere Verfahrens schritte als gemäß Fig. 4 bis 6 hergestellt werden. Beispielsweise kann die Ablagerung der Verunreinigungen, die zur Bildung der Zone 122 dienen, unmittelbar vor oder nach der Aufbringung der Verunreinigungen für die Trennwand 116 geschehen, so daß der Vortrieb der Verunreinigungen für die Zone 122 mindestens teilweise während der Diffusion der Verunreinigungen für die Trennwand 116 erfolgt. ·

Die angewandten Kunstgriffe für das Spicaxialwachsturn, die Verunreinigungsdif'fusion und die Ausbildung der Oxydmasken stehen im Hinklang mit bekannten Verfahren und bratichcn deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Die ADlagerunp für die Ausbildung der n+-Zone 122 kann die gleiche sein, wie sie früher für die Ausbildung des Bereichs 22 in Anordnungen nach Fig. 2 durchgeführt wurde, aber da die Verunreinigungen einer längeren Diffusions-•zeic ausgesetzt .sind, weil sie sowohl bei der Diffusion der Basiszone, als'auch bei derjenigen der Emitterzone vorhanden sind, dringen sie tiefer in die Kollektorzone ein. Ss wurde gefunden, daß eine Phosphormenge, deren Verunreinigungekonzentration an der zur Ausbildung des Bereichs 122 bestimmen Stelle einen Widerstand von mindestens

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etwa 2 Ohm cm entspricht, für diesen Zweck ausreicht. \ ...

Eine höhere Konzentration kann angewandt werden, um den Sättigungswiderstand weiter herabzusetzen. ,_.

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Claims

F a t e n t an s. ρ r ü c la e

1. In einer Halbleiterscheibe derart ausgebildeter Planartransistor, daß die Kollektorgrenzschicht an der gleiche*! Bauptoberflache der Scheibe endet, an der sich der Emitter\be£indet _t dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzcne (113) an ihrer der ICcllektörgrenzschicht (H7) äbceü/andten Seite in einen stärker dotierten. Bereich gleichen Leitfähigkeitstyps übergeht , der aus einer entfernt von der Hauptcberflache (115) verlaufenden Schichii (112) und einer die Kollektorzone ringförmic umgebenden, von der Schicht (112) bis zur Hauptoberfläche reichenden Wand (122) besteht. ~ "

2. transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;, daß die Halbleiterscheibe ein Substrat (HO) vcn entgegengesetztem Leitf^hiclceitstyp v/ie die Kollektorzone aufweist und die Schicht (112). "der Kollektorzcne sich unter Eildung eines p-n-Überganges auf dem Substrat befindet.

3. Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 6r von anderen auf der Halbleiterscheibe ausgebildeten Bauelementen durch eine Trennwand (116) von

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L.eitfäMgkeitstyp wie die Kollektorzoiae isoliert ist und: daß sieh die Trennwand von der Hauptoberfltäehe bis zu dem Substrat erstreckt.

4., Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ohmsche Emitter-,. Basis- und Kollektorelektroden (123, 124, t25_) an der Emitterzone (120),. der Basiszone (118) und der ringförmigen Wand "(i:-22) der Kollektorzone angebracht sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Transistors nach den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einer Halblei terscheibe ausgebildet wird,, die eine Oberflächenschicht (.1:13) von einem Leitfahigkeitstyp und einer darunter befind]iche Schicht" (11;2) vom bleichen Leitfshigkeitstyp mit stärkerer Dotierung aufweist, unter Anwendung folgender Verfahrensstufen:

(a) Aufbringen einer dotierenden Verunreinigung-(i22a) von dem betreffenden Leitfähigkeitstyp auf "eine bestimmte Stelle der Oberflächenschicht und ISindif fund Leren der Verunreinigung durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bildung der 77and-(.122) hoher Leitfähigkeit;

(b) Eindiffundieren eines dotierenden Materials vorn entgegengesetzten Leitfahigkeitstyp an einer anderen Stelle der Oberflächenschicht zur'. I■."dung der Basiszone und der Kellektorgrenzschichi:;

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(c) Eindiffundieren einer Verunreinigung vom ersten Leitfähigkeitstyp an einer bestimmten Stelle der Basiszone zur Bildung der Emitterzone und der Emittergrenzschicht.

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