DE1589891B - Integrierte Halbleiterschaltung - Google Patents

Integrierte Halbleiterschaltung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleitergrundkörper eines ersten Leitungstyps und mit einer Hauptoberfläche, mit mindestens zwei im gegenseitigen Abstand vorgesehenen Schaltungselementen, die Halbleiterzonen eines zweiten, vom Leitungstyp des Grundkörpers verschiedenen Leitungstyps aufweisen, die sich von der Hauptoberfläche in den Halbleitergrundkörper erstrecken, wobei die Halbleiterzonen vom zweiten Leitungstyp mit dem Halbleitergrundkörper sich bis zur Hauptoberfläche erstreckende PN-Übergänge bilden, ferner mit einer die Hauptoberfläche bedeckenden Isolierschicht und einer sich über die Kanten von zwei verschiedenen Schaltungselementen zugehörigen PN-Übergängen über der Iso- lierschicht erstreckenden leitenden Schicht.
Allgemein besteht in einer integrierten Halbleiterschaltung das Problem der Verbindung zwischen den Schaltungselementen. Dieses Problem erhält mehr und mehr Bedeutung, da heutzutage in solch einer Schaltung die Zahl der Elemente innerhalb eines begrenzten Halbleitergrundkörpers steigt, damit eine komplexe Funktion ausgeübt werden kann. Eines der Probleme, die sich aus der Verbindung zwischen den Elementen ergeben, ist dasjenige, welches den parasitären Feldeffekt betrifft. In der herkömmlichen, eingangs erläuterten, integrierten Schaltung ist es z. B. die übliche Praxis, die Oberfläche des Halbleitergrundkörpers einschließlich einiger Elemente mit einem Isolator, wie z. B. Siliziumdioxyd (SiO2) oder etwas ähnlichem zu bedecken und die Elemente untereinander mittels einer auf den Isolator aufgedampften Metallschicht zu verbinden. So wird eine MIS-Struktur hergestellt, welche aus einer aufgedampften Metallschicht, einem Isolierfilm und einem Halbleitergrundkörper besteht. Bei der MIS-Struktur ist es gut bekannt, daß eine bestimmte Spannung, die zwischen dem Halbleitergrundkörper und der Metallschicht darauf angelegt wird, bewirkt, daß sich die Oberflächenschicht des Halbleitergrundkörpers unmittelbar unterhalb des Isolators in der elektrischen Trägerkonzentration unter dem Einfluß des elektrischen Feldes ändert. Das bedeutet, daß das Energieband an seinem Ende gekrümmt wird. Die Tatsache, daß die Leitfähigkeitsmodulation des Halbleiters in dieser Weise erzielt wird, ist als Feldeffekt bekannt.
Wenn indessen der Feldeffekt im Falle der MIS-Struktur auftritt, weil die Elemente in der oben beschriebenen integrierten Schaltung verbunden werden, kann der Feldeffekt das Energieband der Halbleiteroberflächenzone unabhängig vom Leitfähigkeitstyp des Halbleitergrundkörpers abbiegen, und daher wird entweder der Majoritätsträger in der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers verstärkt, oder es wird eine Schicht des dem des Grundkörpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps induziert, nämlich die sogenannte Inversionsschicht. Hier stellt die erwähnte MIS-Struktur ein Problem dar, wenn wenigstens zwei elektronische Schaltungselemente im wesentlichen aus einem Teil des Halbleitergrundkörpers gebildet und elektrisch voneinander isoliert und in dem Grundkörper gemeinsam angeordnet werden und der Halbleitergrundkörper zwischen diesen beiden Elementen darauf eine Verbindung entsprechend der MIS-Struktur aufweist. In diesem Falle verhindert ein unerwünschter Kanal auf Grund des FeldeSekts die elektrische Isolation zwischen den beiden Elementen. Dies tritt ein, weil der Feldeffekt bewirkt, daß die Halbleiteroberflächenschicht unmittelbar unter der verbindenden leitenden Schicht in eine leitende Schicht mit Kurzschlüssen zwischen den Elementen verwandelt wird. In solchen Fällen kann die integrierte Schaltung nicht länger ihre gewünschte Funktion erfüllen und ihren stabilen Betrieb beibehalten.
Ein anderes Problem, welches sich aus der MIS-Struktur wegen der gegenseitigen Verbindung ergibt, ist dasjenige, welches mit der Streukapazität zusammenhängt. In der MIS-Struktur wird zwischen dem Metall und dem Halbleiter eine Kapazität gebildet, die eine Spannungsabhängigkeit hat (insbesondere findet eine besonders starke Kapazitätsänderung bei einer Spannung statt, bei welcher eine Verarmungsschicht unter der leitenden Schicht hervorgerufen wird), und diese Kapazität verteilt sich zwischen den beiden zu verbindenden Zonen. Daher ändert sich mit der Potentialänderung der Wert der Streukapazität und macht einen stabilen Betrieb der integrierten Schaltung unmöglich. Nach allem ist es wünschenswert, daß der Wert der Streukapazität klein und frei von jeder starken Änderung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs ist, welcher an die leitende Metallschicht angelegt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen, d. h. im elektrischen Betrieb stabile Verbindungen zu erzielen, bei denen kein störender Kanaleffekt auftritt und der Anstieg der Streukapazität zwischen Metall und Halbleiter der MIS-Struktur geeignet gesteuert wird, um letzten Endes den Arbeitsspannungsbereich der Schaltung bis zum Auftreten einer Verarmungsschicht unter der leitenden Schicht zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiterschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine sich von einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitergrundkörpers erstreckende Halbleiterzone des ersten Leitungstyps mit einer gegenüber der Verunreinigungskonzentration des Halbleitergrundkörpers hohen Verunreinigungskonzentration unterhalb der Isolierschicht und der leitenden Schicht und im Abstand zu den Zonen der durch die leitende Schicht verbundenen Schaltungselemente vorgesehen ist, um infolge ihrer Verunreinigungskonzentration und ihrer Tiefe jede Inversionsschicht zu beseitigen, die in dem Halbleitergrundkörper unterhalb der leitenden Schicht während des Betriebes der Halbleiterschaltung induziert wird.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine elektronische Schaltung, welche unter Einschluß eines MOS-Feldeffekttransistors und einer PN-Diode integriert werden soll,
F i g. 2 eine zum Teil weggeschnittene perspektivische Sicht einer integrierten Schaltung mit den innerhalb der Strichpunktlinie in F i g. 1 darin integrierten Elementen,
F i g. 3 zum Teil im Schnitt die integrierte Schaltung nach F i g. 1 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 4 eine Aufsicht auf die integrierte Schaltung nach F i g. 1 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
F i g. 5 ein Schnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Vor der Beschreibung der Erfindung ist es zweckmäßig, einige herkömmliche Beispiele zu erläutern, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
In F i g. 1 ist ein einfacher Wandlerkreis dargestellt, welcher einen P-Kanal-Verstärker 1 vom Typ MOSFET (Abkürzung für Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor, die auch im weiteren so verwendet werden soll) mit einer isolierten Gatterelektrode 4 aufweist, welche mit einer PN-Diode 6 verbunden ist und eine Kollektorelektrode 3, welche ihrerseits mit einem Lastwiderstand 5 verbunden ist, der an die Kollektorspannung (—VD) angeschlossen ist. Ein negativer Pulspfad von veränderlichem Pulsniveau, der durch einen Eingangsanschluß 9 eintritt, wird durch die Diode 6 auf ein im wesentlichen konstantes Pulsniveau begrenzt und tritt zwischen dem Emitter 2 des MOSFET 1 und der Gatterelektrode 4 in der Weise ein, daß die Gatterelektrode 4 negativ vorgespannt wird, wodurch der MOSFET 1 in den »EIN«- Zustand gebracht wird. Zu dieser Zeit nähert sich das Ausgangssignal 10 dem Erdpotential von etwa O Volt. Wenn der Puls nicht am Eingangsanschluß 9 ankommt, nimmt der MOSFETl den »AUS«-Zustand ein, und der Ausgangsanschluß 10 ist auf angenähert (—)VD Volt. In dieser Weise erscheint das Pulssignal, welches durch den Eingangsanschluß 9 eintritt, am Ausgangsanschluß 10 mit einer Phasendifferenz von 180°, wobei es bis zu einem gewissen Grad verstärkt wird. In solch einer Schaltung ist zu bemerken, daß die Diode 6 nicht nur die Begrenzungswirkung, wie beschrieben, ausübt, sondern auch dazu dient, zu verhindern, daß die Gatterelektrode 4 des MOSFET 1 einem dielektrischen Durchschlag infolge einer statischen Ladung, eines großen Signals, Geräusches od. dgl. unterworfen wird, um dadurch die Gatterelektrode von solch einem Schaden zu bewahren. Das durch gestrichelte Linien gezeigte Element 7 ist ein parasitärer MOSFET, was in der Be-Schreibung in Zusammenhang mit F i g. 2 deutlich wird. F i g. 2 ist eine zum Teil weggeschnittene perspektivische Ansicht, die eine Anordnung zeigt, in welcher die Elemente innerhalb der Strichpunktlinie in F i g. 1 in einem N-leitenden Halbleiter-Grundkörperil integriert sind. Wie dargestellt, stellt 12« eine P-leitende Diffusions-Emitterzone und 12 b eine Emitterelektrode dar. 13 a bezeichnet eine P-leitende Diffusions-Kollektorzone und 13 b eine Kollektorelektrode. 14« zeigt eine Gatterelektrode, 14 & einen P-leitenden Kanal, der durch die negative Ladung der Gatterelektrode 14 α induziert wird, und 14 c eine Isolierschicht aus Siliziumdioxyd (SiO2). Außer·' dem sind die leitende Diffusionszone 16 a und die Elektrode 16 & der Diode 6 dargestellt. 17 a bezeichnet eine Verbindungsleitung, welche die Diodenelektrode 16 b mit der Gatterelektrode 14 α verbindet, YIb einen P-leitenden Kanal, der durch das negative Potential der Leitung 17 a induziert wird, und 17 c einen Isolierfilm, wie z. B. Siliziumdioxyd (SiO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4), der zwecks Verbindung und Oberflächenpassivierung vorgesehen ist. Ein Eingangs-Pulsgenerator 19 ist einfach unter Einschluß eines Schalters 19 a und einer Gleichstromquelle 19 & dargestellt. Die Durchschlagsspannung des PN-Überganges (16a-ll) der Diode 6 wird so gewählt, daß sie kleiner ist als wenigstens die dielektrische Durchschlagsspannung der Gatterisolierschicht 14 c. Unter der Annahme, daß ein negativer Puls von der Signalquelle 19 an die integrierten Elemente 16 b, Yl α und 14 a geliefert wird, wird der P-leitende Kanal 14 b zwischen der Emitterelektrode 12 a des MOSFET und der Kollektorelektrode 13 α auf Grund des Feldeffekts induziert, wodurch der MOSFET den »EIN«- Zustand annimmt. Wie dargestellt ist, wird indessen der P-leitende Kanal 17 b zwischen der P-leitenden Zone 16 a der Diode und der Emitterzone 12 a ebenfalls induziert. Mit anderen Worten bedeutet 16 a- 17a-12a einen »parasitären« MOSFET, und so wird nicht nur die Gegenwart der Diode im wesentlichen aufgehoben, sondern auch der Eingangswiderstand des MOSFET, vom Anschluß der Diode 6 aus gesehen, merklich reduziert. Diese Erscheinung wird äquivalent durch das Bezugszeichen 7 in F i g. 1 dargestellt, wofür der Begriff »parasitärer MOSFET« gewählt wird. Wie bereits erwähnt, ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen und eine Halbleiteranordnung mit gesicherter stabiler Arbeitsweise zu schaffen.
Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 und 4 folgt nun die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. F i g. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 nach F i g. 4, und dieser Schnitt entspricht genau in seiner Stellung dem Schnitt in Fig. 2. Daher sind gleiche Teile in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In den F i g. 3 und 4 umfaßt eine Halbleiteranordnung einen N-leitenden Siliziumhalbleitergrundkörper 11a mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand von 1 bis 2 Ω ■ cm. Eine Emitterzone 12 a, eine Kollektorzone
13 a und eine P-leitende Diodenzone 16a, die jeweils einen Oberflächenwiderstand von 10 bis 15 Ω/Π haben, werden gleichzeitig aus einem P-Leitung erzeugenden Dotierungsmittel, wie Bor, welches in den Grundkörper eindiffundiert wird, gebildet. Die Halbleiteranordnung weist außerdem Kanäle 14 b und YIb auf, von denen jeder eine Oberflächenelektronendichte in der Größenordnung von etwa 3 · IO11 Elektronen/cm2 aufweist, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird (diese Kanäle zeigen tatsächlich eine Steigerung ihrer ganzen Dichte bei einem bestimmten Wert des elektrischen Feldes, welches von der Rückoberfläche des Grundkörpers zur entgegengesetzten Oberfläche herrscht und bilden dadurch die sogenannte Inversionsschicht.) Das Bezugszeichen 14 c zeigt eine Gatterisolierschicht aus Siliziumdioxyd von etwa 1500 A, und 17 c bezeichnet einen Isolierfilm ebenfalls aus Siliziumdioxyd von 5000 bis 10 000 A, welcher zwecks Oberflächenschutzes und zur Verbindung vorgesehen ist. Aufgedampfte Emitter-, Kollektor- und Gatterelektroden sind mit Bezugsziffern 12 b, 13 b und 14 α bezeichnet. Eine aufgedampfte Verbindungsleitung 17 α verbindet eine Elektrode 16 & der Diode mit der Gatterelektrode
14 a, und eine Pulssignalquelle 19 ist aus Gründen der Einfachheit so dargestellt, daß sie einen Schalter 19 α und eine Spannungsquelle 19 b aufweist. Da die Struktur, wie beschrieben, ohne weiteres nach bekannter Methode, wie z. B. durch selektive Diffusion und Photoätztechnik hergestellt werden kann, soll nur eine der Herstellungsmethoden beschrieben werden. Nachdem die Emitter-, Kollektor- und Diodenzonen auf dem Silizium-Grundkörper lla gebildet sind, werden alle Oberflächen des Grundkörpers lla mit Siliziumdioxyd bedeckt. Die Menge von Siliziumdioxyd, die den Teil der Grundkörperober-
fläche bedeckt, in welcher eine N-leitende Zone 11b von hoher Verunreinigungskonzentration geformt werden soll (z. B. eine kleine Zone der Halbleiteroberfläche zwischen den Zonen 12 a und 16 a, wie man in F i g. 4 sieht), wird nach der Photoätztechnik entfernt. In diesen Teilen des Grundkörpers, von welchen Siliziumdioxyd entfernt wurde, wird ein N-Leitung erzeugendes Dotierungsmittel eindiffundiert, um eine Zone mit einem Oberflächenwiderstand von 1 bis 5 Ω/Q zu bilden (in diesem Augenblick ist die Verunreinigungsdichte höher als die des Grundkörpers, und keine Oberflächeninversionsschicht wird innerhalb des Betriebsspannungsbereiches gebildet). Zu dieser Zeit wird diese Zone wieder mit thermisch gewachsenem Siliziumdioxyd bedeckt. Danach wird der Siliziumdioxyd-Film 17 c durch die Photoätztechnik nur in dem Teil verdünnt, in welchem die Gatterelektrode 14 a gebildet werden soll. Anschließend werden Vertiefungen für die eine der Diodenelektroden, die Emitterelektrode und die KoI- zo lektorelektrode gebildet. Schließlich wird Aluminium auf die Vertiefungen gedampft, um die Elektroden und die Verbindung zu bilden. In diesem Fall ist die Verbindungsleitung so angeordnet, daß sie die hochdotierte Zone 11 & kreuzt. Die hochdotierte Zone
11 b muß nicht immer in der Art vorgesehen werden, wie sie in diesem Beispiel gezeigt wird, aber es genügt, daß die Zone 11 b unterhalb wenigstens der Verbindungsleitung angeordnet ist.
Entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Inversionsschicht 17 b, welche natürlich durch das Signal von der Signalquelle 19 induziert werden wird, durch die hochdotierte Zone 11 b ausreichend isoliert, und so wird die Durchschlagsspannung des Dioden-PN-Übergangs (16α-11α) auf ihrem geeigneten Wert gehalten (welcher üblicherweise einige 10 Volt beträgt und niedriger liegt als die dielektrische Durchschlagsspannung der Gatterschicht 14 c). Die Schwellenspannung des parasitären MOSFET mit dem Kollektor
12 a, dem Emitter 16 a und dem Gatter 17 a ist 5 bis 6 Volt, was eine stabile Funktion zur Folge hat, ohne daß die Emitterzone 12 a und die Diodenzone 16 a kurzgeschlossen werden, selbst wenn ein Spannungssignal von z. B. etwa 4 Volt auftritt. Darüber hinaus wird, wie in F i g. 5 gezeigt ist, die hochdotierte Zone 11 b über einen verhältnismäßig weiten Bereich unterhalb der Metallschicht 17 a gebildet, so daß sie fähig ist, die Spannung zu steigern, bei welcher die Kapazität eine starke Änderung zeigt, und den Grad der Änderung der Kapazität zu verringern, wodurch sich ein ausgedehnter stabiler Arbeitsspannungsbereich der integrierten Schaltung erreichen läßt.

Claims (8)

Patentansprüche: 55
1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Halbleitergrundkörper eines ersten Leitungstyps und mit einer Hauptoberfläche, mit mindestens zwei im gegenseitigen Abstand vorgesehenen Schaltungselementen, die Halbleiterzonen eines zweiten, vom Leitungstyp des Grundkörpers verschiedenen Leitungstyps aufweisen, die sich von der Hauptoberfläche in den Halbleitergrundkörper erstrecken, wobei die Halbleiterzonen vom zweiten Leitungstyp mit dem Halbleitergrundkörper sich bis zur Hauptoberfläche erstreckende PN-Ubergänge bilden, ferner mit einer die Hauptoberfläche bedeckenden Isolierschicht und einer sich über die Kanten von zwei verschiedenen Schaltungselementen zugehörigen PN-Ubergängen über der Isolierschicht erstreckenden leitenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich von einem Teil der Hauptoberfläche des Halbleitergrundkörpers erstreckende Halbleiterzone (11 b) des ersten Leitungstyps mit einer gegenüber der Verunreinigungskonzentration des Halbleitergrundkörpers hohen Verunreinigungskonzentration unterhalb der Isolierschicht (17 c) und der leitenden Schicht (17 a) und im Abstand zu den Zonen (12 a, 16 a) der durch die leitende Schicht verbundenen Schaltungselemente vorgesehen ist, um infolge ihrer Verunreinigungskonzentration und ihrer Tiefe jede Inversionsschicht zu beseitigen, die in dem Halbleitergrundkörper unterhalb der leitenden Schicht während des Betriebes der Halbleiterschaltung induziert wird.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste der beiden durch die leitende Schicht verbundenen Schaltungselemente ein in dem Halbleitergrundkörper (11α) gebildeter Feldeffekttransistor mit Emitterzone (12 a) und Kollektorzone (13 α) des zweiten Leitungstyps ist, die bis zur Hauptoberfläche reichen, wobei eine Gatterelektrode (14 a) auf der Halbleitergrundkörperoberfläche zwischen der Emitterzone und der Kollektorzone elektrisch von der Halbleitergrundkörperfläche isoliert angebracht und eine Isolierschicht (14 c) zwischen der Gatterelektrode und dem Halbleitergrundkörper eingefügt sind.
3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterelektrode (14 a) elektrisch mit der leitenden Schicht (17 a) verbunden ist.
4. Integrierte Halbleiterschaltung nach An^ spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (14 c) unterhalb der Gatterelektrode (14 a) dünner als die Isolierschicht (17 c) untere halb der leitenden Schicht (17 a) ist.
5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite der beiden durch die leitende Schicht verbundene Schaltungselement als Diode (6) ausgebildet ist, deren PN-Übergang mit dem Halbleitergrundkörper eine Durchschlagsspannung aufweist, die niedriger als die Durchschlagsspannung der Isolierschicht (14c) unterhalb der leitenden Schicht ist.
6. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsspannung des PN-Überganges der Diode niedriger als die Durchschlagsspannung der Isolierschicht (14 c) unterhalb der Gatterelektrode (14 a) ist.
7. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper N-leitend ist.
8. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper N-leitend ist und die Zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp P-leitend sind und daß die Isolierschicht (17 c) im wesentlichen aus Siliziumdioxyd besteht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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