DE1614816B2 - Integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit auf einem Halbleitergrundkörper angeordneten, durch Separationssperrschichten voneinander elektrisch isolierten Halbleiterbereichen, in denen Halbleiterbauelemente eingebracht sind.
Beim Aufbau integrierter Halbleiterschaltungen wird auf einen beispielsweise p-leitenden Grundkörper, der meist als Substrat bezeichnet wird, eine dann n-leitende Schicht epitaktisch aufgebracht, deren Störstellendotierung meist größer ist als die des Halbleitergrundkörpers. Durch die Eindiffusion von rahmenförmigen, p-leitenden Zonen wird die η-leitende Oberflächenschicht in inselförmige Halbleiterbereiche aufgeteilt, die innerhalb des Halbleiterkörpers von pn-Übergängen umgeben sind. Da durch diese pn-Übergänge die in die Halbleiterbereiche einzubringenden Bauelemente der integrierten Schaltung elektrisch voneinander isoliert werden, bezeichnet man die genannten pn-Übergänge meist als Separationssperrschichten. Für eine einzelne integrierte Schaltung werden anschließend die Bauelemente, die elektrisch voneinander zu trennen sind, in benachbarte Halbleiterbereiche eingebracht. Bei den meisten integrierten Schaltungen, die im wesentlichen logische Verknüpfungen oder Verstärkerschaitungen sind, können die Widerstände als diffundierte Widerstände in einen gemeinsamen Halbleiterbereich eingebracht werden, während in anderen Halbleiterbereichen Dioden und Transistoren der integrierten Halbleiterschaltung eingelassen sind. Die einzelnen Bauelemente der integrierten Schaltung werden gemäß der zu bildenden Schaltung auf der Halbleiteroberfläehe durch metallische Leitbahnen miteinander verknüpft, wobei diese Leitbahnen, abgesehen von den Kontaktstellen zu den einzelnen Bauelementen, durch Isolierschichten vom Halbleiterkörper getrennt sind. Die Widerstände der integrierten Schaltung werden vielfach auf das höchste Potential der Versorgungsspannung für die Schaltung gelegt, während das Substrat mit dem niedrigsten Potential versehen wird.
Es hat sich nun gezeigt, daß durch Schaltvorgänge
innerhalb der integrierten Schaltung große Widerstandsänderungen und damit große Veränderungen der durch die Schaltung fließenden Ströme verursacht werden. Die großen Stromstärkeverschiebungen ziehen ihrerseits wiederum starke Belastungsänderungen der die Schaltung versorgenden Spannungsquellen nach sich, so daß es häufig zu unerwünschten Änderungen der das Verhalten der Schaltung bestimmenden Spannungsverhältnisse kommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, eine integrierte Halbleiterschaltung anzugeben, bei der ohne Vergrößerung der Schaltkreise die an der Schaltung anliegende Spannung stabilisiert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die die Sperrschichtkapazität maßgeblich bestimmenden Teile einer oder mehrerer Separationssperrschichten bei vorgegebener Größe der eingeschlossenen Halbleiterbereiche flächenmäßig derart vergrößert sind, daß die von der betreffenden Separationsschicht gebildete Kapazität die an der Separationssperrschicht liegende Spannung stabilisiert.
Aus der Zeitschrift »IEEE spectrum«, Bd. 1, Juni 1964, Heft 6 sind zwar die kapazitiven Eigenschaften von Separationsdiffusionszonen bei integrierten Halbleiterschaltungen bekannt. Es ist jedoch keine vorteilhafte Ausnutzung dieser Sperrschichtkapazität zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgesehen. Es ist ferner bekannt, Widerstände in den zugeordneten Bereichen eines Halbleiterkörpers mäanderförmig auszubilden (US-PS 3 209 214). Auch ist es bereits bekannt, speziell 3c auch Widerstandsbereiche bei integrierten Halbleiterschaltungen mit hochdotierten vergrabenen Schichten zu versehen (US-PS 3 271 685).
Eine Separationssperrschicht soll vor allem so ausgebildet bzw. so groß gewählt werden, daß eine Stabilisierung der Versorgungsspannung für die integrierte Schaltung erzielt wird.
Vorteilhafterweise dient zur Stabilisierung der Versorgungsspannung die Separationssperrschicht, die den Halbleiterbereich mit den Widerständen der integrierten Schaltung umgibt. Dazu wird der die Widerstände enthaltende Halbleiterbereich mit dem einen Pol und der Halbleitergrundkörper mit dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden.
Es hat sich gezeigt, daß die Kapazität einer Separationssperrschicht bei den heute im allgemeinen üblichen Abmessungen zu klein ist, um für eine wirksame Spannungsstabilisierung auszureichen. Die Kapazität des Halbleiterbereichs für die Widerstände der integrierten Schaltung beträgt bei den heute üblichen integrierten logischen Verknüpfungen etwa 30 bis 50 pF. Eine Vergrößerung dieser Kapazität wäre durch eine Vergrößerung des Halbleiterbereichs für die Widerstände möglich, da sich hierbei die Separationssperrschicht und damit die Kapazität dieser Sperrschicht vergrößert. Eine derartige Vergrößerung eines Halbleiterbereichs einer integrierten Schaltung führt aber zwangläufig zu einer Vergrößerung der Halbleiterschaltung und damit zu einer Verringerung der Zahl von integrierten Schaltungen, die aus einer einzigen Halbleiterscheibe gefertigt werden können. Hierdurch würde die Herstellung der integrierten Schaltungen teurer werden.
Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß nicht alle Teile der Separationssperrschicht in gleicher Weise zu dem Kapazitätswert dieser Sperrschicht beitragen. Die Kapazität eines pn-Übergangs wird immer durch die an die Sperrschicht angrenzende Zone bestimmt, die den größeren spezifischen Widerstand aufweist, da sich eine ladungsträgerfreie Raumladungszone in der Umgebung einer Sperrschicht im wesentlichen in die schwächer mit Störstellen dotierte Zone erstreckt. Die Ausdehnung der Raumladungszone bestimmt neben der Fläche der Sperrschicht deren Kapazität. Bei integrierten Halbleiterschaltungen ist der Halbleitergrundkörper bzw. das Substrat in der Regel sehr schwach dotiert; der spezifische Widerstand beträgt dort etwa 10 Ohm · cm. Die für die Aufnahme der einzelnen Bauelemente vorgesehene Halbleiterbereiche sind meist stärker dotiert; ihr spezifischer Widerstand beträgt beispielsweise 1 Ohm · cm. Am stärksten dotiert sind die rahmenförmigen Sperationsdiffusionszonen, die die einzelnen für die Bauelemente der Schaltung vorgesehenen Bereiche voneinander trennen; ihr spezifischer Widerstand beträgt beispielsweise 0,i Ohm · cm. Aus diesen Angaben ergibt sich, daß vor allem der Teil der Separationssperrschicht, der zwischen den für Bauelemente vorgesehenen Halbleiterbereichen und den Separationsdiffusionszonen liegt, den hauptsächlichen Beitrag zur Sperrschichtkapazität liefert. Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, im wesentlichen diesen kapazitätsbestimmenden Teil der Separationssperrschicht zu vergrößern, ohne daß eine Vergrößerung des von der Separationssperrschicht eingeschlossenen Halbleiterbereichs und damit der integrierten Schaltung notwendig wird.
Die Erfindung soll in ihren Einzelheiten an Hand einiger in den F i g. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
F i g. 1 zeigt beispielhaft eine zu integrierende Halbleiterschaltung, während an Hand der
F i g. 2 die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden;
F i g. 3 zeigt eine mäanderförmig ausgebildete Separationssperrschicht, die den für die Widerstände der integrierten Schaltung vorgesehenen Halbieiterbereich umgibt;
F i g. 4 zeigt wiederum den für die Widerstände vorgesehenen Halbleiterbereich, von dem Teile von kanaiartigen Zonen durchdrungen sind, die den dem Grundmaterial entsprechenden Leitungstyp aufweisen;
F i g. 5 zeigt einen Teilausschnitt des in F i g. 4 dargestellten Halbleiterbereichs für die V/iderstände der integrierten Schaltung;
F i g. 6 zeigt den für die Widerstände der integrierten Schaltung vorgesehenen Halbleiterbereich, der an eine vergrabene Schicht angrenzt, während die in
F i g. 7 dargestellte Anordnung eine Weiterbildung der in F i g. 6 dargestellten Anordnung zeigt
F i g. 1 zeigt eine Dioden-Transistor-Logik-Schaitung, die ein sogenannten NAND-Gatter bildet. Die Schaltung besteht aus einem Transistor t, drei Dioden 2,3 und 4 und zwei Widerständen 5 und 6. Die Dioden 2 und 3 bilden die Eingänge A und B der Schaltung. Der eine Widerstand 5 ist mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden und an den positiven Pol 7 der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen. Auch der zweite Widerstand 6, der zu dem von den Dioden der Schaltung gebildeten Knoten 8 führt, ist mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden. Der Emitter des Transistors wird auf das Potential des Substrats gelegt, das seinerseits wiederum mit dem negativen Pol 9 der Versorgungsgleichspannung verbunden ist. Nach der Erfindung soll zwischen die Pole 7 und 9 der Versorgungsspannungsquelle eine Kapazität iO ge-
schaltet werden, die dann der Reihenschaltung aus Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 1 und Widerstand 5 parallel geschaltet ist.
Diese Kapazität 10 wird nach der Erfindung — wie die F i g. 2 zeigt — durch die Separationssperrschicht 11 des für die Widerstände der integrierten Schaltung vorgesehenen Halbleiterbereichs 12 realisiert. In F i g. 2 ist im Schnitt ein Teil der integrierten Schaltung nach F i g. 1 dargestellt. Die Halbleiteranordnung besteht beispielsweise aus einem schwach dotierten, p-leitenden Substrat 20, das durch die in der Figur gestrichelt eingetragene Linie 13 begrenzt wird. Auf diesem Grundkörper befindet sich eine η-leitende Epitaxieschicht 14, die ihrerseits durch eindiffundierte, rahmenförmige, p-leitende Separationszonen 15 in inseiförmige Halbleiterbereiche 12a, 126, ... aufgeteilt ist. Die Halbleiterbereiche 12a, 126, ... sind höher dotiert als der Grundkörper, während die Separationsdiffusionszonen 15 ihrerseits höher als die Halbleiterbereiche 12a, 126, ... dotiert sind. In den Halbleiterbereich 12a wird beispielsweise ein Transistor eingebracht, indem in den als Kollektor dienenden Bereich 12a eine p-leitende Basiszone 16 und in die Basiszone eine n-leitende Emitterzone 17 eindiffundiert wird. In den Halbleiterbereich 126 werden die Widerstände 5 und 6 (F i g. 1) eindiffundiert. In anderen, in der F i g. 2 nicht dargestellten Halbleiterbereichen, befinden sich die weiteren Bauelemente der integrierten Schaltung. Um den Halbleiterbereich 126 ist als punktierte Linie die Ausdehnung der ladungsträgerfreien Raumladungszone dargestellt, die sich bei einer bestimmten Sperrspannung an der Separationssperrschicht 11 ausbildet. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Ausdehnung der Raumladungszone zwischen dem Halbleiterbereich 126 und der Separationsdiffusionszone 15 sehr gering, d. h., der Beitrag zur Kapazität der Sperrschicht ist an dieser Stelle besonders groß, während er im Sperrschichtbereich zwischen dem Grundkörper 20 und dem Halbleiterbereich 126 nur sehr gering ist. Zur Ausnutzung der Sperrschichtkapazität zur Spannungsstabilisierung ist das Halbleitersubstrat 20 über die Separationsdiffusionszone 15 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle und der Halbleiterbereich 126, in dem sich die Widerstände der Schaltung befinden, mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden. In der F i g. 2 ist die Verbindung der einzelnen Schaltelemente über auf der Halbleiteroberfläche verlaufende Leitbahnen nicht dargestellt, ebensowenig wie die Verbindung zwischen dem einen Anschluß der Widerstände 5 und 6 und der Anschlußstelle der Versorgungsspannung am Halbleiterbereich 126.
F i g. 3 zeigt in der Draufsicht auf eine integrierte Schaltung, wie die Kapazität der Separationssperrschicht 11 dadurch vergrößert wird, daß der zur Halbleiteroberfläche hin verlaufende Teil dieser Sperrschicht mäanderförmig ausgebildet ist.
Durch diese Maßnahme wird die Fläche des kapazitätsbestimmenden Teils der Sperrschicht und damit die Kapazität selbst wesentlich vergrößert. Innerhalb des Halbleiterbereichs befinden sich in Form von p-leitenden, diffundierten Zonen die Widerstände 5 und 6 der integrierten Halbleiterschaltung, während im Halbleiterbereich 126 der Transistor 1, im Halbleiterbereich 12c die Dioden 2 und 3 und im Halbleiterbereich 12J die Diode 4 untergebracht ist.
In der Fig.4 ist in einer Draufsicht dargestellt, wie die Kapazität der Sperrschicht 11 auf andere Weise vergrößert werden kann. Hierzu werden in die Teile des η-leitenden Halbleiterbereichs 126, die nicht mit den diffundierten Widerständen 5 und 6 ausgefüllt sind, kanalartige, p-Ieitende Zonen 18 eindiffundiert. Diese Zonen 18 durchdringen, wie die F i g. 5 in einem Ausschnitt in perspektivischer Ansicht zeigt, den Halbleiterbereich 126 und vereinigen sich mit dem p-leitenden Material des Substrats 20. Die Zonen 18 sind vorteilhafterweise sehr hoch dotiert und damit niederohmig, so daß bei einer Belastung der durch die kanalartigen Zonen flächenmäßig stark erweiterten Sperrschicht 11 in Sperrichtung die Ausdehnung der Raumladungszone sehr klein bleibt und die Kapazität der Sperrschicht sehr groß wird. Am vorteilhaftesten entspricht die Dotierung der Zone 18 der Dotierung der Separationsdiffusionszonen 15, so daß die genannten Zonen durch den gleichen Diffusionsprozeß hergestellt werden können. Die kanalartigen Zonen 18 können ringförmig, rechteckig oder beliebig andersartig ausgebildet sein. Es wird dabei die Form vorzuziehen sein, die die größte Flächenvergrößerung der Sperrschicht 11 ergibt.
F i g. 6 zeigt, teils im Schnitt, teils in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Halbleiterkörper durchsichtig gedacht ist, eine völlig andersartige Anordnung, die gleichfalls zu einer Kapazitätserhöhung der Sperrschicht 11 führt. In Fig.6 ist nur derjenige Teil der integrierten Schaltung dargestellt, der den Halbleiterbereich 126 für die Widerstände 5 und 6 enthält.
Zur Herstellung der Halbleiteranordnung nach F i g. 6 wird in den p-leitenden Grundkörper 20 zunächst eine n+-dotierte Zone 19 als sogenannte vergrabene Schicht eindiffundiert. Danach wird auf den Halbleiterkörper und die vergrabene Schicht eine n-leitende epitaktische Schicht 14 abgeschieden, die durch ρ+ -leitende Separationsdiffusionszonen 15 in inselförmige Halbleiterbereiche (126) unterteilt wird. Die Separationsdiffusionszonen dürfen jedoch die vergrabene Schicht 19 nicht durchstoßen, sondern sollen an diese nur angrenzen. Der Querschnitt des Halbleiterbereichs 126 muß nun so gewählt werden, daß dieser kleiner ist als der Querschnitt der vergrabenen Schicht, die unmittelbar an den zur Halbleiteroberfläche reichenden Bereich 126 anschließt. Vorteilhafterweise ist der Halbleiterbereich 126 zentrisch auf der vergrabenen Schicht 19 angeordnet. Da der Querschnitt der hochdotierten vergrabenen Schicht 19 wesentlich größer ist als der Querschnitt des Halbleiterbereichs 126, ergeben sich an den Stellen, wo die Separationsdiffusionszone 15 an den Halbleiterbereich 126 bzw. an die vergrabene Schicht 19 anstößt, Sperrschichtbereiche großer Kapazität.
Da die Sperrschicht 11 direkt in die Sperrschicht 20 zwischen der vergrabenen Schicht 19 und der Separationsdiffusionszone 15 übergeht, trägt also auch die Sperrschichtkapazität zwischen diesen Zonen zur Kapazität der Sperrschicht 11 bei.
F i g. 7 zeigt in gleicher Ansicht eine Weiterbildung der Anordnung nach F i g. 6. Bei dieser Anordnung ist der Halbleiterbereich 126, dessen Querschnitt kleiner ist als der der vergrabenen Schicht 19, unmittelbar an der Halbleiteroberfläche durch eine nachträglich eindiffundierte, η-leitende Zone 21 mit geringer Eindringtiefe auf den Querschnitt der vergrabenen Schicht erweitert. Durch diese Maßnahme wird der kapazitätsbestimmende Teil der Sperrschicht 11 nach Fig.6 durch den Teil 22 erweitert, der sich zwischen der Zone 21 und der Separationsdiffusionszone 15 befindet. Hierdurch läßt sich eine weitere Kapazitätsvergrößerung
erzielen.
Durch die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Halbleiteranordnungen konnte die Sperrschichtkapazität auf etwa 300 bis 500 pF vergrößert werden, was einer etwa lOfachen Vergrößerung der bei den üblichen integrierten Schaltungen vorhandenen Kapazität entspricht. Es ist selbstverständlich, daß durch eine derartige Kapazitätsvergrößerung eine wesentliche Verbesserung der Spannungsstabilisierung erzielt bzw. diese Spannungsstabilisierung erst möglich wird. Die Anordnungen nach den Ausführungsbeispielen können natürlich in den Einzelheiten variiert werden. So sind beispielsweise die Schaltung selbst, die Art, wie die einzelnen Halbleiterbauelemente miteinander verbunden sind und die jeweilige Dotierungsart der Halbleiterzonen von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist die Tatsache, daß durch die Kapazitätsvergrößerung einer Sperrschicht bei integrierten Halbleiterschaltungen die durch die Sperrschicht gebildete Kapazität mit in die Schaltung einbezogen und zur Spannungsstabilisierung verwendet werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
409 540/104

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Integrierte Halbleiterschaltung mit auf einem Halbleitergrundkörper angeordneten, durch Separationssperrschichten voneinander elektrisch isolierten Halbleiterbereichen, in denen Halbleiterbauelemente eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Sperrschichtkapazität maßgeblich bestimmenden Teile einer oder mehrerer Separationssperrschichten (11) bei vorgegebener Größe der eingeschlossenen Halbleiterbereiche (126) flächenmäßig derart vergrößert sind, daß die von der betreffenden Separationssperrschicht gebildete Kapazität (10) die an der Separationssperrschicht liegende Spannung stabilisiert.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch
1, gekennzeichnet durch die Verwendung der Separationssperrschicht eines Widerstände enthaltenden Halbleiterbereichs (126) zur Stabilisierung de/ an ihr liegenden Versorgungsspannung der integrierten Halbleiterschaltung.
3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Separationssperrschichten (11) in ihrem zu der allen Halbleiterbauelementen gemeinsamen Halbleiteroberfläche hin verlaufenden Teil zumindest teilweise mäanderförmig ausgebildet ist.
4. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit Widerständen ausgefüllten Teile der die Widerstände enthaltenden Halbleiterbereiche (126) von kanalartigen Zonen (18) durchsetzt sind, die den dem Halbleiterbereich entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen und mit dem Halbleitergrundkörper (20) verbunden sind.
5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Halbleiterbereich durchsetzenden kanalartigen Zonen (18) kreisförmige Grundflächen aufweisen.
6. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Halbleitergrundkörpers (20) vom einen Leitungstyp eine parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufende, hochdotierte Schicht (19) vom zweiten Leitungstyp derart vergraben ist, daß sie mit einem zur Halbleiteroberfläche reichenden Bereich (126) des zweiten Leitungstyps verbunden ist, dessen Querschnitt an der Verbindungsfläche mit der vergrabenen Schicht wesentlich kleiner ist als der der vergrabenen Schicht
7. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zur Halbleiteroberfläche erstreckende Bereich (126) vom zweiten Leitungstyp zentrisch an die im Inneren des Halbleitergrundkörpers (20) befindliche vergrabene Schicht (19) vom zweiten Leitungstyp anschließt.
8. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des zur Halbleiteroberfläche reichenden Bereichs (126) vom zweiten Leitungstyp unmittelbar an der Halbleiteroberfläche derart vergrößert ist, daß er an dieser Stelle im wesentlichen dem Querschnitt der vergrabenen Schicht (19) entspricht.
9. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Halbleitergrundkörper (20) vom ersten Leitungstyp eine flache hochdotier-
te Zone (19) vom zweiten Leitungstyp als vergrabene Schicht eindiffundiert und anschließend auf der mit der vergrabenen Schicht versehenen Oberfläche des Halbleitergrundkörpers eine Halbleiterschicht (14) vom zweiten Leitungstyp epitaktisch gebildet wird, und daß in diese epitaktisch gebildete Schicht Zonen (15) vom ersten Leitungstyp derart eindiffundiert werden, daß der Halbleitergrundkörper (20) mit diesen Zonen verbunden ist und mindestens ein Halbleiterbereich (126) vom zweiten Leitungstyp entsteht, der sich von der vergrabenen Schicht (19) zur Halbleiteroberfläche erstreckt.
10. Verfahren nach Anspruch 9 zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Herstellung des zur Halbleiteroberfläche reichenden Bereichs (126) vom zweiten Leitungstyp in die Halbleiteroberfläche eine Zone (21) geringer Eindringtiefe vom zweiten Leitungstyp derart eindiffundiert wird, daß der Halbleiterbereich (126) vom zweiten Leitungstyp unmittelbar an der Halbleiteroberfläche auf einen Querschnitt erweitert wird, der im wesentlichen dem der vergrabenen Schicht (19) entspricht.
DE19671614816 1967-05-24 1967-05-24 Integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung Expired DE1614816C3 (de)

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DET0033927 1967-05-24

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DE1614816B2 true DE1614816B2 (de) 1974-10-03
DE1614816C3 DE1614816C3 (de) 1976-08-05

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DE1614816A1 (de) 1970-12-23
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