DE1639549B1 - Integrierte Halbleiterschaltung - Google Patents

Integrierte Halbleiterschaltung

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Description

1 2
Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiter- ringem Maße verhindert, wenn die Schicht entsprechend schaltung mit einer Schicht aus Halbleitermaterial dick ist. Bei der in der integrierten Haltleitertechnik übeines Leitfähigkeitstyps, die in Zonen unterteilt ist liehen sehr hohen Packungsdichte wirkt sich der für
durch wenigstens eine die Zonen gegeneinander iso- diese Schicht erforderliche Platzbedarf bereits sehr un-
lierende Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leit- 5 günstig aus.
fähigkeitstyps, die durch Diffusion von Dotierungs- Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Stoffen in die Oberfläche der in Zonen unterteilten verbesserte integrierte Halbleiterschaltung mit die Schicht gebildet ist und sich ganz durch diese Schicht Zonen gegeneinander elektrisch isolierenden Schichten hindurcherstreckt. mit verhältnismäßig niedriger Kapazität zu schaffen. . Die Erfindung wird am vorteilhaftesten in einer io Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung angewandt, die die Form eines bzw. jede die Zonen gegeneinander isolierende Schicht Plättchens hat und aus einem Substrat aus Halbleiter- zusätzliche Seitenbereiche mit dem gleichen Leitfähigmaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer keitstyp, jedoch einer geringeren Dotierungskonzenepitaktisch aufgewachsenen Schicht oder Film eines tration aufweist, die sich von der Oberfläche aus nur Halbleitermaterials entgegengesetzten Leitfähigkeits- 15 durch einen Teil der Schichtdicke der in Zonen typs besteht. unterteilten Schicht erstrecken und dort den höher
Bei der Herstellung einer derartigen integrierten dotierten Hauptbereich der die Zonen gegeneinander Halbleiterschaltung ist es üblich, die epitaktisch aufge- isolierenden Schicht von den benachbarten Zonen des wachsene Schicht durch Schichten aus Halbleiter- anderen Leitfähigkeitstyps trennen,
material des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der des 20 Zum besseren Verständnis wird die Erfindung an Substrats in Zonen zu unterteilen, um große Flächen Hand von Beispielen unter Bezugnahme auf die entgegengesetzt gepolter pn-Übergänge zwischen den Zeichnungen näher beschrieben, und zwar zeigt Zonen vorzusehen. Die pn-Übergänge isolieren die F i g. 1 den Querschnitt einer Scheibe mit einem p- m Zonen elektrisch voneinander. Beim Anlegen einer leitenden Siliziumhalbleitersubstrat, einer n-leitenden angemessenen Vorspannung an diese Übergänge ver- 25 epitaktisch aufgewachsenen Schicht aus auf dem Subhindern sie, daß Strom zwischen den in Zonen unter- strat abgelagertem Halbleitermaterial und einer auf der teilten Halbleiterteilen fließt. Demgemäß wird eine Oberfläche dieser Schicht befindlichen Siliziumoxyd-Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Halb- schicht,
leiterteilen im wesentlichen unterbunden, und einige F i g. 2 einen Querschnitt der Scheibe gemäß F i g. 1
der parasitären Wirkungen, die in diesen Halbleiter- 30 nach dem Eindiffundieren von Dotierungsstoffen in
schaltungskomplexen beobachtet wurden, werden ver- die Halbleiterschicht zur Bildung der Zonen entgegen-
ringert. gesetzten Leitfähigkeitstyps,
Eine bekannte Art, die Zonen gegeneinander iso- F i g. 3 einen Querschnitt der Scheibe gemäß F i g. 2, lierenden Schichten zu bilden, besteht darin, einen nachdem geeignete Öffnungen in der Siliziumoxyd-Dotierungsstoff des gleichen Leitfähigkeitstyps wie 35 schicht für den nächsten Diffusionsvorgang angebracht der des Substrats von der Oberfläche der epitaktisch wurden,
aufgewachsenen Schicht in ausgewählte Bereiche der- F i g. 4 einen Querschnitt der Scheibe gemäß F i g. 3 selben bis zu einer Tiefe einzudiffundieren, bis sie auf nach der Diffusion von Dotierungsstoffen in die die das Substrat trifft. Um eine Diffusion zu erreichen, Zonen gegeneinander isolierende Schicht der benachmuß die einzudiffundierende Dotierung, obwohl sie, 40 barten Zonenbereiche zum Erzeugen der zusätzlichen von derselben Art wie die des Substrats ist, eine höhere Seitenbereiche der isolierend wirkenden Schichten, Konzentration haben. Alle Übergänge in der integrier- F i g. 5 einer Querschnitt einer integrierten HaIbten Halbleiterschaltung, einschließlich der isolierend leiterschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit wirkenden Übergänge, gehorchen bei dieser Herstel- einer Abwandlung der Zonen und mit Kontakten zur Λ lungsstufe den normalen Diodengleichungen für die 45 Veranschaulichung einer elektrischen Schaltung, ™ Kapazität und den Stromfluß. Die isolierend wirken- F i g. 6 eine schematische Darstellung einer Draufden Übergänge sind großflächig und besitzen eine hohe sieht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der er-Gesamtisolierkapazität, die die Wirkungsweise der findungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung.
Halbleiterschaltung in bezug auf Geschwindigkeit und Das Substrat 10 hat eine Dotierungskonzentration Leistung verschlechtert. Es ist deshalb erwünscht, daß 50 von ungefähr 5 · 1014 bis 1016 pro Kubikzentimeter die mit den isolierend wirkenden Übergängen ver- und einen spezifischen Widerstand von ungefähr 30 bundene hohe Gesamtisolierkapazität wesentlich her- bis 1,0 Ω cm. Es ist p-leitend, da als Dotierung Bor abgesetzt wird. Das Verlangen nach dieser Verringerung oder andere Stoffe der III. Gruppe des Periodischen der Isolierkapazität wird noch dringender in Fällen, in Systems dem Silizium beigefügt werden, um einen denen die Schaltungseigenschaften, eine verhältnis- 55 Überschuß an freien Löchern in der Kristallstruktur mäßig hohe Konzentration der Dotierung sowohl der des Siliziums zu bewirken. Die Schicht 11 hat eine epitaktisch aufgewachsenen Schicht als auch der Dotierungskonzentration von 1016 bis 1017 pro Kubiksonstigen angebrachten großflächigen Bauelemente, Zentimeter und einen spezifischen Widerstand von unwie z. B. Widerstände und Kondensatoren, erfordern, gf fähr 0,6 bis 0,1 Ω cm. Sie ist η-leitend, da Phosphor die eine beträchtlich höhere Gesamtisolierkapazität 60 oder andere Stoffe der V. Gruppe des Periodischen erzeugen. Systems dem Silizium zugefügt worden sind, um einen
Aus der französischen Patentschrift 1 266 703 ist es Überschuß an freien Elektronen in der Kristallstruktur
bekannt, zwischen die zu isolierenden Zonen eine oder des Siliziums zu erzielen. Eine Schicht 12, beispiels-
mehrere zusätzliche Schichten einzufügen, die aus weise aus Siliziumoxyd, bedeckt die obere Fläche der
reinem, also nicht dotiertem Material, z. B. Silizium, 65 Schicht 11.
bestehen. Diese zusätzlichen Schichten sollen »Tran- Das Substrat 10 wird aus einem Siliziumeinkristall
sistoreffekte« verhindern. Außerdem werden die an den gewonnen, der in der herkömmlichen Weise aufge-
Übergängen entstehenden Kapazitäten dann in ge- wachsen wurde. Die epitaktisch aufgewachsene SiIi-
3 4
ziumschicht 11 wird auf das Substrat 10 in bekannter somit große Kapazitäten in der Schaltung zur Folge
Weise, z. B. durch Aufdampfen des Siliziums auf das hat.
erhitzte Substrat 10 im Vakuum, aufgebracht. Die Nach dem vorgenannten Diffusionsschritt, mit dem
Siliziumoxydschicht 12 wird ebenfalls durch ein in der die Schichten 15 erzeugt wurden, wird eine Oxyd-Technik bereits bekanntes Verfahren gebildet, z. B. 5 schicht über die Oberfläche der Schichten 15 und über
dadurch, daß die Schicht 11 Feuchtigkeit oder Luft die Oberfläche der Zonen 14 gelegt,
ausgesetzt oder ein oxydierendes Mittel, z. B. Wasser- Gemäß F i g. 3 wird die Oxydschicht durch die Her-
stoffperoxyd, angewendet wird. stellung einer Vielzahl von durch diese hindurchgehen-
F i g. 2 zeigt, wie die Oxydschicht 12 durch Erzeugen den Öffnungen 17 und 18 noch einmal in eine Abdeckeiner Vielzahl von durch sie hindurchführender io maske umgeformt. Die Öffnungen 17 in der Oxyd-Öffnungen 13 zu einer Maske geformt wird. Das Ent- schicht dienen normalerweise zur Bildung verschiedefernen der Oxydschicht in den Öffnungen 13 kann ner weiterer Zonen in den Zonen 14 nittels eines nachdurch photolithographische Technik, z. B. durch folgenden Diffundierschritts. Zur Herstellung der HaIb-Ätzen mit Fluorwasserstoff, bewirkt werden. Nach leiterschaltung gemäß der Erfindung werden außerdem der Herstellung der mit einer Maske versehenen 15 noch die Öffnungen 18 in der Oxydschicht vorgesehen. Platte ist es üblich, einen Dotierungsstoff desselben Die Öffnungen 18 befinden sich oberhalb der Randbe-Leitfähigkeitstyps wie der des Substrats 10 in die reiche der Schichten 15 und überlappen die Zonen 14 Schicht 11 von der Oberfläche her durch die Öffnun- nur gering. Dann wird, während ein Dotierungsstoff gen 13 bis zu einer Tiefe einzudiffundieren, in der er desselben Leitfähigkeitstyps wie der Schichten 15, praktisch bis zu dem Substrat gelangt. Diese Dotierung 20 jedoch mit einer geringeren Konzentration, von den muß eine höhere Konzentration als die des Substrats 10 Oberflächenbereichen durch die Öffnungen 17 in die besitzen. Der vorgenannte Diffusionsschritt wird ausge- Zonen 14 eindiffundiert wird, gleichzeitig noch eine führt, um verschiedene elektrisch gegeneinander derartige Dotierung durch die öffnungen 18 in die isolierte Zonen in der Schicht 11 herzustellen. Diese den Schichten 15 banachbarten Bereichen 19 der Zonen 14 bestehen alle aus demselben Leitfähigkeits- 25 Zonen 14 von den Oberflächenbereichen aus eindiffunmaterial und sind durch die Schichten 15 aus dem diert, um zusätzliche Seitenbereiche 20 (F i g. 4) zu Material mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und bilden. Während dieses letztgenannten Diffusionshoher Dotierungskonzentration, das durch den ge- schritts gelangt praktisch kein Dotierungsstoff in die nannten Diffusionsschritt erzeugt wurde, voneinander Schichten 15, da der neu zugeführte Dotierungsstoff elektrisch isoliert. Bei der vorhergehenden Darstellung 30 eine niedrige Konzentration hat als die schon vorhansind große pn-Flächenübergänge 16 und 16' auf den dene Dotierungskonzentration in den Schichten 15.An entgegengesetzten Seiten der Schicht 15 und zwischen den Stellen jedoch, an denen die öffnungen 18 in der jeder der Halbleiterzonen 14 entstanden. Die ent- Oxydschicht die Zonen 14 überlappen, tritt eine Diff ugegengesetzten Durchlaßrichtungen der pn-Übergänge sion bis zur Tiefe der Zonen 21 und 22 des p-leitenden bewirken einen hohen Widerstand gegenüber Strom- 35 Halbleitermaterials auf. Die zusätzlichen Seitenbsreiche fluß zwischen benachbarten Bereichen 14. Diese 20 haben eine Dotierungskonzentration von ungefähr Schichten 15 haben eine Dotierungskonzentration von 1018 pro Kubikzentimeter, die im Hinblick auf die viel ungefähr 1020 pro Kubikzentimeter. niedrigere Diffusionstiefe dieser Seitenbsreiche im
Gemäß der beschriebenen herkömmlichen Praxis, Vergleich zu der Diffusionstiefe des Hauptbsreichs
eine elektrische Isolation der Zonen 14 gegeneinander 40 der die Zonen gegeneinander isolierenden Schichten
zu erzielen, wird es als notwendig erachtet, eine hohe verwendet werden kann.
Konzentration von Dotierungsstoffen in die Schicht 11 Wie in Fig. 4 gezeigt, wird im Anschluß an den einzudiffundieren, um die verschiedenen Zonen 14 zweiten Diffusionsschritt, bei dem die zusätzlichen durch die Schichten 15 voneinander zu isolieren. Ein Seitenbereiche 20 und die Zonen 21 und 22 gebildet Nachteil der vorgenannten »Isolationstechnik« liegt 45 werden, nochmals eine Oxydschicht 23 übsr die Oberdarin, daß sich eine große Gesamtkapazität, insbe- fläche der Platte gelegt. Dann wird eine weitere nicht sondere nahe der Oberfläche der Siliziumschicht 11, gezeigte Öffnung in der Schicht 23 gebildet und ein ergibt, wo die Dotierungskonzentration am größten Dotierungsstoff eines Leitfähigkeitstyps, der demist. Diese Kapazität tritt an den Übergängen 16 und jenigen der Zone 21 entgegengesetzt ist, mit einer 16' auf und rührt von der Differenz in der Dotierungs- 50 höheren Konzentration als die Dotierungskonzentrakonzentration und den Arten des Halbleitermaterials tion der Zone 14, in die Zone 21 diffundiert, um eine an beiden Enden derselben her. Diese Wirkung ist weitere Zone 24 zu bilden.
einem Zweiplattenkondensator analog, und die Kapa- Nach der Bildung der Zone 24 bsdeckt eine Oxydzität steht in reziproker Beziehung zu der Entfernung d schicht 25 nochmals die Oberfläche der Platte. Dann (F i g. 2) des Raumladungsbereichs C = EA/d, wobei 55 werden darin weitere Öffnungen vorgssehen, um eine E das Dielektrikum des Materials und A die Über- Verbindung zu den Zonen 14, 21 bzw. 24, die dem gangsfläche ist. Die Verbreitung der Raumladung Kollektor, der Basis und dem Emitter eines Transiswächst mit einer Verminderung der Dotierungskonzen- tors entsprechen, und zu der Zone 22 herzustellen, die tration. Deshalb wäre zu erwarten, daß bei dem nor- einem Widerstandselement entspricht. Dann wird, wie malen Übergang, wie z. B. 16 oder 16', wo die Zone 14 60 in F i g. 5 gezeigt, ein ohmscher Kontakt, bestehend (η-leitendes Halbleitermaterial) auf einer Seite des aus einer elektrischen Leitung 26, in Verbindung mit Übergangs 16 gegenüber dem Material auf der anderen der oberen Fläche der Kollektorzone 14 hergestellt. Seite des Übergangs 16 eine relativ niedrige Dotie- Ein weiterer ohmscher Kontakt, nämlich eine elektrirungskonzentration aufweist, im wesentlichen die sehe Leitung 27, wird mit der oberen Fläche der Basisganze Raumladungserweiterung in dem Bereich 14, wie 65 zone 21 verbunden, und ein weiterer Kontakt, nämlich es bei dl in F i g. 2 gezeigt ist, auftritt. Das bedeutet, eine elektrische Leitung 28, wird mit dem Oberteil der daß dl in F i g. 2, insbesondere in der Nähe der Emitterzone 24 in Verbindung gebracht. Das Wider-Zonenoberfiäche 14, auf einem Minimalwert ist und Standselement wird durch das Anbringen zweier ohm-
scher Kontakte mit den elektrischen Leitungen 29 und 30 an der oberen Fläche der Zone 22 vervollständigt.
Durch die Bildung der zusätzlichen Seitenbereiche 20 der die Zonen gegeneinander isolierenden Schichten gemäß dieser Erfindung werden nun in dem Bereich 19 (F i g. 3), in dem sich bei bekannten integrierten Halbleiterschaltungen die größte Kapazität befand, Übergänge, z. B. der Übergang 31 (F i g. 4), erzeugt, die auf beiden Seiten Material mit hohem Widerstand besitzen, die dadurch den Raumladungsbereich {dl in F i g. 4) auf den zusätzlichen Seitenbereich 20 vergrößern (Vergrößerung des Abstandes zwischen den Platten des gedachten Kondensators) und die gesamte Isolationskapazität beträchtlich verringern.
Aus dem Vorhergehenden geht hervor, daß die Schaltungskapazität der integrierten Halbleiterschaltung ohne die Anwendung von mehr Diffusionsschritten, als bei der bisherigen Technik bereits verwendet werden, verringert wird; so können die zusätzlichen Bereiche 20 (F i g. 4) zur gleichen Zeit wie die Basiszone 21 eines Transistors und die Zone 22 eines Widerstandselements gebildet werden. Das Frequenzverhalten und die Arbeitsgeschwindigkeit einer integrierten Halbleiterschaltung wird im allgemeinen durch die Kapazität der verschiedenen Bereiche begrenzt. Deshalb wird durch die Erfindung eine bemerkenswerte Verbesserung des Frequenzverhaltens und somit auch der Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung durch eine niedrigere Gesamtkapazität erreicht.
Obwohl sich die vorhergehende Beschreibung des Verfahrens zur Verminderung der Isolierkapazität auf eine Halbleiterschaltung einer Platte mit einem Substrat und einer epitaktisch aufgewachsenen, darauf abgelagerten Schicht bezieht, kann sie ebenso für integrierte Halbleiterschaltungen mit einer einzigen Schicht angewandt werden.
F i g. 6 ist eine Draufsicht einer integrierten Halbleiterschaltung der Art, wie sie in F i g. 5 gezeigt ist, mit einem Substrat und einer epitaktisch aufgewachsenen, auf ihr abgelagerten Schicht. Die Schicht ist in eine Vielzahl von voneinander getrennten Zonen 32 (ähnlich der Zonen 14 in F i g. 2, 3, 4 und 5) mittels einer diffundierten, die Zonen gegeneinander isolierenden Schicht 33 geteilt. Bei der Halbleiterschaltung gemäß dieser Erfindung weist die Schicht 33 einen Hauptbereich 34 (entsprechend den Schichten 15) mit einer höheren Dotierungskonzentration als die Zonen 32 sowie schmalere Seitenbereiche 35 (entsprechend den zusätzlichen Seitenbereichen 20) mit einer Dotierungskonzentration auf, die geringer als die des Hauptbereichs 34 ist. Zum Zweck der besseren Darstellung hat die Zone 32 in der Mitte der Schaltung ausgebildete Zonen 36 und 37 (ähnlich der Zonen 21 und 24 der F i g. 5), die die Basis- und Emitterzonen eines Transistors bilden. Es zeigt sich somit, daß die gemäß der Erfindung ausgebildete Schicht 33 eine elektrische Isolierung der Zonen 32 gegeneinander bewirkt und damit eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer niedrigen Gesamtisolierkapazität schafft.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einer Schicht aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, die in Zonen unterteilt ist durch wenigstens eine die Zonen gegeneinander isolierende Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die durch Diffusion von Dotierungsstoffen in die Oberfläche der in Zonen unterteilten Schicht ge- g bildet ist und sich ganz durch diese Schicht hin- % durch erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede die Zonen gegeneinander isolierende Schicht (15, 34) zusätzliche Seitenbereiche (20 bzw. 35) mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp, jedoch einer geringeren Dotierungskonzentration aufweist, die sich von der Oberfläche aus nur durch einen Teil der Schichtdicke der in Zonen unterteilten Schicht (11) erstrecken und dort den höher dotierten Hauptbereich (15 bzw. 34) der die Zonen gegeneinander isolierenden Schicht von den benachbarten Zonen (14 bzw. 32) des anderen Leitfähigkeitstyps trennen.
    2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Zonen unterteilte Halbleiterschicht (11) aus einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht besteht, die auf einem Substrat des Halbleitermaterials (10) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.
    3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der bzw. jeder die Zonen gegen- ■ einander isolierenden Schicht ungefähr 101.8 pro Kubikzentimeter in den Seitenbereichen (20 bzw.
    35) und ungefähr 1020 pro Kubikzentimeter in dem Hauptbereich (15 bzw. 34) beträgt.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DE1639549A 1964-06-23 1965-06-19 Integrierte Halbleiterschaltung Expired DE1639549C2 (de)

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