DE1614816C3 - Integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Integrierte Halbleiterschaltung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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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 Verstärkerschaltungen 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
Es hat sich nun gezeigt, daß durch Schaltvorgänge
innerhalb der integrierten Schaltung große Widerstandsänderung^
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 HaIbleiterschaltungen
bekannt. Es ist jedoch keine vorteilhafte Ausnutzung dieser Sperrschichtkapazität zur ιοsung
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
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 0,1 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 Halbleiterbereich
umgibt;
F i g. 4 zeigt wiederum den für die Widerstände vorgesehenen Halbleiterbereich, von dem Teile von kanalartigen
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 Widerstände 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-Schaltung, die ein sogenannten NAND-Gatter bildet. Die
Schaltung besteht aus einem Transistor 1, 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 tO 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 inselförmige 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 12"a
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 12d
die Diode 4 untergebracht ist.
In der F i g. 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-leitende 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
'5 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 p + -leitende
Separationsdiffusionszonen 15 in inseiförmige 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, n-leitende Zone 21 mit geringer Eindringtiefe
auf den Querschnitt der vergrabenen Schicht erweitert. Durch diese Maßnahme wird der kapazitätsbestimmende
Teil der Sperrschicht 11 nach F ig. 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 na
türlich 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
609 632/322
Claims (10)
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 d,er 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.
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