DE1764398C - Sperrschichtkondensator - Google Patents

Description

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Fis ist bekannt, die RaumludungskapaziUit von kannten Sperrsqhichtkondensatoren verringertem pn-ObergangsfUlchcn als Sperrschichtkondensatoren OberHUchenbedarf bei erhöhter Abbruchspannung auszunutzen. In diesem Zusammenhang sind Kapa- der pn-Übergangsflüche zeichnet sich erlindungsgezitäisdiodcn und Sperrschiehtkondcnsaloren als Ein- muß dadurch aus, daß die pn-Übergangsfliiehe vom zelelemenle in monolithischen Festkörperschaltungen s Grundkörper in die Epitaxschicht durch eine Teilallgemein bekannt. Aus dem Aufsatz »Die Planar- zone vom Leitfilhigkeitslyp des Grimdkörpers bis technik bei Transistoren und integrierten Schaltun- an eine OberlHichenzonc dazu entgegengesetzten gen« aus der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd. X, Lcitfühigkeitstyp und höherer Doticrungskonzentra-Fasc, 4 (1964), S. 97 bis 122, ist ferner bekannt, die tion als die Epituxschicht ausgebuchtet ist. Ein sol-Sperrschichtkapazitüt der Emitler-Basis-Sperrschicht io eher Sperrschichtkondensator eignet sich besonders oder der Kollektor-Basis-Sperrschicht einer Planar- gut zum Einbau in eine integrierte Feslkörperschal-Transislor-Struktur in einer integrierten Schaltung, Uing.

gegebenenfalls auch in der Parallelschaltung, als Aus »Proceedings of the IEEE«, 52 (1%4), 10, Sperrschichtkondensator zu verwenden. S. 1268, war zwar ein Sperrschichtkondensator beim einfachsten Falle eines Spcrrschichtkonden- 15 kannt, bei dem die pn-Übergangsfläche durch eine sators, dessen eine Elektrode auf dem Potential des pilzförmigc Tcilzone ausgebuchtet ist. Die pn-Über-Substrats bzw. des Grundkörpers der Festkörper- gangslliichc dieses Sperrschichtkondensators ist aber schaltung liegt, wird lediglich eine Zone durch das durch eine Teilzonc vom entgegengesetzten Leitbekannte Planardiffusionsverfahren im Halbleiter- fähigkeitstyp in bezug auf den Grundkörper von der grundkörper erzeugt und kontaktiert. Es ist auch be- ao Halbleiteroberfläche her in die Epitaxschicht ausgekannt, bei einer monolithischen Festkörperschaltung buchtet. Dadurch wird zwar die pn-Übergangsfläche einen Sperrschichtkondensator zu erzeugen, dessen abhängig von der Vorspannung gebracht, die Lösung beide Zonen durch eine pn-Übergangsfläche elek- des Problems zu kleiner Durchbruchspannungen wird irisch gegen das Substrat bzw. den Grundkörper iso- dadurch aber nicht gefördert,
liert sind. Ein derartiger Sperrschichtkondensator 25 Die Erfindung wird im folgenden an Hand der wird in einer oberflächennahen Zone vom entgegen- Zeichnung erläutert, in der

gesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Grundkörper F i g. 1 eine Ausführungsform als Ausschnitt einer untergebracht. Dabei wird von einem Grundkörper monolithischen Festkörperschaltung im Querschnitt ausgegangen, welcher mit einer Epilaxschicht vom entlang der Linie A-A der Fig. 2,
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Grund- 30 F i g. 2 die Ausführungsform der F i g. 1 in Aufkörper verschen ist. Die oberflächer.nahe Zone, in der sieht,

der Sperrschichtkondensator untergebracht wird, F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der vorlie-

wird gegen die übrigen Halblciterelementc der Fest- genden Erfindung als Ausschnitt einer monolithischen

körperschaltung durch eine die Epitaxschicht durch- Festkörperschaltung im Schnitt entlang der Linie B-B

dringende Ringzone als Isolationszone erhalten. 35 der F i g. 4 und

Die bekannten Sperrschichtkondensatoren haben F i g. 4 den Schnitt entlang der Linie C-C der

den Nachteil, daß sie entweder bei verlangter hoher Fig. 3 veranschaulichen.

Sperrschichtkapazilät eine niedrigere Abbruchspan- Der Sperrschichtkondensator nach der vorliegennung oder einen großen Flächenbedarf aufweisen. den Erfindung mit vergrößerter spezifischer Kapazi-Wird nämlich eine hochdotierte Oberflächenzone, 40 tat und damit geringerem Bedarf an Halbleiteroberbeispielsweisc die Emitterzone eines Planartransi- fläche ist besonders vorteilhaft bei monolithischen slors, gegen die angrenzende Basiszone als Sperr- Festkörperschaltungen herstellbar, da sämtliche anschichtkondensator verwendet, dann wird zwar auf teiligen Zonen gleichzeitig mit den Zonen anderer Grund der hohen Dotierungskonzentration eine re- Halbleiterelemente der gleichen Festkörperschaltung lativ hohe spezifische Kapazität, d. h. Kapazität pro 45 hergestellt werden können. Bei den Ausführungsbei-Oberlliicheneinheit der Festkörperschaltung, erhalten. spielen wird daher davon ausgegangen, daß die Fest-Auf Grund der hohen Dotierungskonzentration ergibt körperschaltung zumindest einen Planartransistor sich jedoch eine relativ niedrige Abbruehspannung des enthält, dessen Kollektorzonc durch einen Teil einer Sperrschichtkondensators, welche dessen Betriebs- Epitaxschicht auf einem Grundkörper dazu entgespannung auf wenige Volt begrenzt. Durch die vor- 50 gengeselzten Leitfähigkeitstyps gebildet wird und liegende Erfindung soll die Struktur eines Sperr- gegen die übrigen Halbleitcrelcmente der Festkörschichtkondensators mit relativ hoher Abbruchspan- perschaltung durch eine die Epitaxschicht durchnung und großer spezifischer Kapazität, d. h. ge- dringende Ringzone als Isolierzone vom Leitfähigringcm Oberlläehenbedarf des Halbleiterkörpers der keilstyp des Grundkörpers elektrisch weitgehend ge-Festkörperschaltung, angegeben werden. 55 trennt ist. Sämtliche Ausführungsbeispiele betreffen Dabei soll gleichzeitig berücksichtigt werden, daß eine derartige Festkörperschaltung mit mindestens die Struktur des Sperrschichtkondensators gleich- einem Planur-Transistor-Element, weil dort die Herzeitig bei den Arheilsgängen hergestellt werden kann, stellung eines Spcrrschiclukondcnsators nach der die ohnehin zur Herstellung von anderen Halbleiter- vorliegenden Erfindung gleichzeitig mit den ohnehin elementen der Festkörperschaltung, insbesondere von 60 erforderlichen Maskierungs-, Aufbringungs- und Planar-Transistor-Elementen, erforderlich sind. Diffusionsprozessen ohne zusätzliche Arbeitsprozesse Die Erfindung betrifft einen Spcrrschichtkonden- zur Herstellung des Sperrschichtkondensators nach sator, dessen pn-Übergangsfläche teilweise zwischen der Erfindung erfolgen kann. Dies ist besonders voreinem Grunilkürper und einer Epilaxschichl zum teilhaft. Aus diesem Grunde wird bei der Beschrei-Grundkörper entgegengesetzten Leitl'ahigkeilstyps 65 bung der Ausführungsbeispiele von einer Emitterausgebildet ist, welche von einer Ringzone vom Leit- zonen- oder Basiszonen-Diffusion gesprochen, wenn fähigkeiistyp des Grundkörpers durchdrungen ist. ein Diffusionsprozeß zur Herstellung des Sperr-Der Sperrschichtkondensator mit gegenüber den be- Schichtkondensators nach der Erfindung gleichzeitig

mit den ohnehin zur Herstellung der Planar-Transistor-Elemente der Festkörperschaltung erforderlichen Zonen erfolgen kann,

Für eine hohe spezifische Kapazität, also geringen Oberlläehenbedarf eines Sperrschichtkondensators mit einem die Kapazität bestimmenden pn-übergang ist e'uiii möglichst hohe Dotierungskonzentration der die pn-Übergangslläehe bildenden beiden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp erforderlich. Auf (irtind der DilFusionsgesetzniäßigkeitcn steht dieses lioeluloticrte und nicderohmige Halbleitermaterial bei [■'eslkürpcrsehallungcn vor allem am Emitter-Basispn-übergang eines Planar-Transistor-Elementcs zur Verfügung. Wird aber ein derartiger Emitter-Basis-Übergang in einer Festkörperschaltung als Sperrschichlkapazita't verwendet und geschaltet oder gleichzeitig entsprechende Zonen eines Sperrschichtkondensator in den allen Halblciterelementen der restkörpcrschalUing gemeinsamen Halbleiterkörper diffundiert, dann ergibt sich der Nachteil einer ledig- ao lieh einige Volt betragenden maximalen Arbeitsspannting des Sperrschichtkondensators, da diese mit der Durchbruchspannung des Emitter-Basis-pn-Übergangs der Planartransistoren der Festkörperschaltung identisch ist.

Da die die Halbleiterelemente der Festkörperschaltung gleichstrommäßig trennenden Isolationszonen, welche den Ringzonen 6 der Figuren entsprechen, ebenfalls eine sehr hohe Dotierungskon-/entration aufweisen, können diese nach der der vorliegendcn Erfindung zugrunde liegenden Grundidee an Stelle der Basiszonen verwendet werden. Von dieser Grundidee ausgehend, ergeben sich die Struktüren von Sperrschichtkondensatoren nach der vorliegenden Erfindung mit höherer Abbruchspannung und geringerem Flächenbedarf als die Emitter-Basis-Übergänge entsprechender Planartransistoren. ·

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. I und 2 wird, wie bei der Herstellung von monolithischen Festkörperschaltungen bekannt, von einem plattenförmigen Halbleitergrundkörper 1 mit einer Epitaxsdiicht 2 ausgegangen, welche den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der Grundkörper I aufweist, wodurch die pn-Übergangsfläche 3 gebildet wird. In die Epitaxschicht 2 werden nun mit den Isolationszoncn der Festkörperschaltung die isolierenden Ringzonen 6 vom Leitfähig^eitstyp des Grundkörpers 1 nach dem allgemein bekannten Planarverfahren diffundiert. Gleichzeitig mit der Diffusion der Isolierzonen und der Ringzone 6 wird aber zur Herstellung des Sperrschichtkondensators nach der vorliegenden Erfindung die Teilzone 4 mit gleicher Dotierimgskonzcntrationsverteilung wie die der Ringzone 6 diffundiert. Anschließend wird das Diffusionsfenster der Teilzone 4 erweitert und die Oberflächenzone 5 diffundiert, welche die Ränder der Teilzone 4 überlappt und den Emitterzonen der Planar-Transistor-Elementen der Festkörperschaltung entspricht. Die Diffusion dieser Oberflächenzone 5 erfolgt gleichzeitig mit der Diffusion der Emitterzonen der Planartransistoren der !'"estkörperschaltung und damit mit höherer Oberflächendotierungskonzcntralion als die Diffusion der p-leitenden Zonen. Es ergibt sieh somit der η ^! -p ' -Übergang 9, der die Durchbruchspannung Lind damit die maximale Betriebsspannung des Sperrschichtkondensators bestimmt, jedoch gegen einen Oberflächcndurchbruch geschützt ist, da dieser Übergang die Halbleiteroberfläche, wie ersichtlich,

nicht erreicht, Die eine Elektrode H des Spcrrschichtkondensator kontakten die OberlUichenzone 5 durch eine öffnung in der maskierenden Oxydscliicht 10. Die andere Elektrode liegt an »Masse«, d. l>„ wird durch den Grundkörper 1 gebildet.

Durch die Ausbuchtung der pn-Übergangsllächc des Sperrschichtkondensators gemäß der 1 ig. 1 crgibt sic|i zusätzlich eine weitere Vergrößerung der spezifischen Kapazität.

Die F i g. 2 veranschaulicht in Aufsicht den Sperr-

schichtkondensator ge muß der Fig. I. Im Interesse der Klarheit ist die Elektrode 8 weggelassen worden. In den Figuren ist die wirksame pn-ÜhergangslUiche als durchgezogene Linie dargestellt.

Die Fig, 3 und 4 betreuen eine weitere Ausführungsform eines Sperrschichtkondensator* nach der vorliegenden Erfindung, der ebenfalls besonders günstig zur Herstellung in eine monolithische I-'estkörperschaltung bezüglich der Formgebung der Zonen ausgebildet ist. Er unterscheidet sich vom Sperrschichtkondensator gemäß den F i g. 1 und 2 durch eine pilzförniige Formgebung der Teilzone 4 und durch eine zusätzliche, in der F i g. 4 schrallierte Halbleiterschicht 7 erhöhter Dotierungskonzentration vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxschicht 2. Die zusätzliche Halbleitcrschicht 7 dient zur Erniedrigung des Ziileitungswiderstandes vom »Stiel« der pilzförmigen Zone zur Kontaktelektrode 8 und wird in bekannter Weise durch Planardiffusion im Grundkörper 1 vor dem Aufbringen der Epitaxschicht 2 hergestellt. Eine derartige Schicht findet auch bei Planar-Transistor-Elementen Verwendung, deren sämtliche Zonen an einer Oberllächenscite des Halbleiterkörpers kontaktiert sind. Bei dem Sperrschichtkondensator gemäß den Fig. 3 und 4 ist zur weiteren Vergrößerung der pn-Übergangsflache, deren Schnitt in der Fig. 3 mittels einer durchgehenden Linie der Festkörperschaltung dargestellt ist, der zur Herstellung der Basiszone eines Planar-Transistor-Ele^mcnts ohnehin erforderliche DifTusionsprozeß ausgenutzt worden. Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 wird also der »Hut« der Teilzone 4 nach der Diffusion des »Stieles«, die gleichzeitig mit der Diffusion der Ringzone 6 erfolgt, während der gleichen Arbeitsgänge, durch die die Basiszonen der noch auf der Festkörperschaltung befindlichen Plnnartransistören erfolgt, nach entsprechender Bemessung der Masken den »Stiel« der Teil/one 4 überlappend diffundiert. Danach erfolgt wie beim Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 1 die Diffusion der den Emitterzonen der Planartransistoren entsprechenden Oberflächenzone 5, welche den »Hut« der pilzförmigen Teilzone 4, wie aus der Fig. 3 ersichtlich, Überläppt. Entlang der pn-Übergangsflächc ändert sich wiederum die Dotierungskonzentration der anliegenden Zonen, da die Flächenteile während verschiedener Dilfusionsprozesse hergestellt wurden. Wiederum ist jedoch die maximal zulässige Betriebsspannung durch die Abbruchspannung des ρ -η · -Übergangs zwischen der Oberllächenzone 5 und der Toilzom- 4 gegeben.

Bei den oben erläuterten Ausfülmingsheispielen wurde die am wenigsten aufwendige Herstellung eines Sperrschichtkondensaiors innerhalb einer mindestens einen Planartransistor noch enthaltenden Feslkörperschaltung geschildert, wobei lediglich entsprechende Masken, aber keine zusätzlichen Maskierungs-, Aufbringungs- und Diffusionsprozesse erforderlich sind.

Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, auch zusätzlich Prozesse anzuwenden, wenn diese auf Girund von besonders geforderten elektrischen Werten, beispielsweise die Durchbruchspannung, nicht zu umgehen sind oder die Diffusion von Zonen anderer Halbleitcrekmente an der gleichen Festkörperschaltung ohnehin erforderlich sind.

Die Erfindung ist aber auch nicht allein bei monolithischen Festkörperschaltungen anwendbar. Sie kann nämlich auch mit Erfolg bei einzelnen Sperrschichtkondensatoren angewendet werden, die in je ein Gehäuse mit Zuleitungen eingebracht werden. Dabei ist insbesondere an Glasgehäuse gedacht, deren Durchmesser auf Grund irgendwelcher Normungen begrenzt sind, so daß nur eine begrenzte Halbleiteroberfläche zur Verfugung steht, welche wiederum bei gegebener Betriebsspannung der herstellbaren Kapazität eine obere Grenze setzt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Sperrschichtkondensator, dessen pn-Ubergangsfläche teilweise zwischen öinem Grundkör- »5 per und einer Epitaxschicht zum Grundkörper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, welche von einer Ringzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers durchdrungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergangsfläche (3) vom Grundkörper (1) in die Epitaxschicht (2) durch eine Teilzone (4) vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers (1) bis an eine Oberflächenzone (5) dazu entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und höherer Dotierungskonzentration als die Epitaxschicht (2) ausgebuchtet ist.

2. Sperrschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die pn-Übergangsfläche (3) zwischen dem Grundkörper (1) und der Epitaxschicht (2) eine Halbleiterschicht (7) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxschicht (2) und demgegenüber erhöhte Dotierungskonzentration angeordnet ist.

3. Sperrschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergangsfläche (3) durch eine pilzförmige Teilzone (4) ausgebuchtet ist (F i g. 3).

4. Verfahren zum Herstellen eines Sp°rrschichtkondensators nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilzone (4) gleichzeitig nach dem bekannten Planarverfahren mit der Ringzone (6) diffundiert wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines Sperrschichtkondensators nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die pilzförmige Teilzone (4) nach dem bekannten Planarverfahren teilweise gleichzeitig mit der Isolationszone und teilweise gleichzeitig mit der Diffusion der Basiszone eines Planartransistors einer den Sperrschichtkondensator enthaltenden Festkörperschaltung diffundiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Teilzone (4) begrenzende Oberflächenzone (5), die Teilzone (4] mit größerer Fläche überlappend, gleichzeitig mil der Emitterzone eines Planartransistors einer der Sperrschichtkondensator enthaltenden Festkörperschaltung diffundiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen