DE1764556C3 - Verfahren zur Herstellung eines Sperrschichtkondensatorelements und danach hergestellte Sperrschichtkondensatorelemente - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Sperrschichtkondensatorelements und danach hergestellte Sperrschichtkondensatorelemente

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DE1764556C3 DE1764556A DE1764556A DE1764556C3 DE 1764556 C3 DE1764556 C3 DE 1764556C3 DE 1764556 A DE1764556 A DE 1764556A DE 1764556 A DE1764556 A DE 1764556A DE 1764556 C3 DE1764556 C3 DE 1764556C3
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Description

Aus der US-Patentschrift 33 50 760 ist bekannt, die Raumiadungskapazität von pn-Obergangsflächen als Sperrschichtkondensatorelement in einer monolithischen Festkörperschaltung auszunutzen. Aus dem Aufsatz »Die Planartechnik bei Transistoren und h" integrierten Schaltungen« aus der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd. X, Fase- 4 (1964), Seiten 97 bis 122, ist ferner bekannt, die Sperrschichtkapazität der Emitter-Basis-Sperrschicht oder der Kollektor-Basis-Sperr^ schicht eines Planartransistorelements in einer inte- 1^ grierten Schaltung, gegebenenfalls auch in der Parallelschaltung, als Sperrschichtkondensatorelement zu Verwenden.
Die Erfindung geht von der Verwendung eines aus der zuletzt genannten Literaturstelle bekannten Planartransistorelements als Sperrschichtkondensatorelement aus. Bei diesem bekannten als Planarstruktur ausgebildeten Planartransistorelement ist von einer Oberflächenseite eines Halbleitergrundkörpers, welcher mit einer Epitaxschicht vom dazu entgegengesetzten Leiifähigkeitstyp versehen ist, die Emitterzone in die Basiszone und beide Zonen in die Epitaxschicht durch das allgemein bekannte Planardiffusionsverfahren eingesetzt Die Kollektorzone, die sich bis zum pn-Obergang zwischen der Epitaxschicht und dem Grundkörper erstreckt, ist gleichstrommäßig gegen die benachbarten Elemente der monolithischen Festkörperschaltung durch eine ringförmige Isolierzone, weiche die Epitaxschicht durchdringt, elektrisch getrennt.
Bei Verwendung eines derartigen Planartransistorelements ais Sperrschichtkondensatorelement in einer monolithischen Festkörperschaltung stehen soi.iit drei pn-Obergänge zur Verfugung, von denen der Emitter-Basis-Übergang wegen der relativ hohen Dotierung des emitterseitigen Basisgebietes die höchste spezifische Kapazität (Kapazität pro Flächeneinheit der Halbleiteroberfläche) und eine Abbruchspannung von etwa 6 bis 8 Volt in der Praxis aufweist. Zur Erhöhung der spezifischen Kapazität eines derartigen als Sperrschichtkondensatorelement verwendbaren Planartransistorelements und da nit zu einer besseren Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Halbleiteroberfläche ist bereits vorgeschlagen worden, bei den Diffusionsprozessen während der Herstellung der Festkörperschaltung an Stelle einer Basisdiffusion eine Isolationsdiffusion vorzunehmen, in welche die Emitterzone durch Planardiffusion eindiffundiert wird. Dabei ergibt sich eine pn-Übergangsfläche, welche vom Grundkörper in die Epitaxschicht ausgebuchtet ist, wodurch eine begrenzte Verwendung als Sperrschichtkondensatorelement gegen Masse gegeben ist. Bei einer Ausnutzung der Isolationsdiffusion zur Herstellung des Sperrschichtkondensatorelements e'ner Festkörperschaltung ergibt sich aber ohne besondere Zusatzmaßnahmen der Nachteil, daß die Abbruchspannung uurch die besonderen Konzentrationsverhältnisse der Dotierungen herabgesetzt ist.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus. das oben beschriebene bekannte Planartransistorelement zur Verwendung als Sperrschichtkondensatorelement derart abzuwandeln, daß sich eine erhöhte spezifische Kapazität, d. h. gute Ausnutzung der Halbleiteroberfläche bei relativ hoher Abbruchspannung des Sperrschichtkondensatorelements ergibt. Diese Abwandlung soll außerdem so getroffen werden, daß möglichst nicht mehr Diffusionsprozesse erfolgen müssen, als ohnehin für die Herstellung der Planartransistorelemente der gleichen Festkörperschaltung erforderlich sind. Aus diesem Grunde werden in der folgenden Beschreibung auch sich auf Planartransistorelemente beziehende Begriffe verwendet, wie »Emitterdiffusion«. »Basisdiffusion« und »Isolationsdiffusion« für Prozesse, welche gleichzeitig zur Herstellung von sich noch auf der gleichen Halbleiterplatte befindlichen Planartransistorelemente erfolgen. Für die entsprechenden Zonen werden in gleicher Weise Begriffe wie »Emitterzone« oder auch »Basiszone« verwendet, obwohl es sich beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung um Sperrschichtkondensatorelemente und nicht um Planartransistorelemente handelt. Dies soll jedoch nicht als Einschränkung auf solche Sperrschichtkondensatorele-
mente aufgefaßt werden, deren sämtliche Zonen nur gleichzeitig mit den entsprechenden Zonen von Planartransistorelementen der gleichen Festkörperschaltung hergestellt werden können. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch die den Zonen von Planartransistorelementen entsprechende Zonen der Sperrschichtkondensatorelemente in mehr als einem Diffusionsprozeß herzustellen, wodurch die Tiefe und Konzentrationsverteilungen d°r Zonen entsprechend den gewünschten elektrischen Werten abgewandelt werden können.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Sperrschichtkondensatorelements, dessen pn-Obergangsfläche die Emitterzone eines Planartransistorelements begrenzt, wobei die Kollektorzone als Teil einer Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeitstyps angeordnet von einer die Epitaxschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers umgeben ist und an der Grenzfläche zwischen der Epitaxschicht und dem Grundkörper eine hochdotierte Zwischenschicht vom Leufähigkeitstyn der Epitaxschicht aufweist.
Die spezifische Kapazität eines derartigen Sperrschichtkondensatorelements wird erfindungsgemäß dadurch erhöht, daß gleichzeitig mit der Isolierzone eine Zone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers eindiffundiert wird, welche die Kollektorzone und die an die Emitterzone angrenzende Basiszone innerhalb der Flächenbegrenzung der Emitterzone und der Berandung der Zwischenschicht bis an oder in die Zwischenschicht durchdringt.
Ein mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung hergestelltes Sperrschichtkondensatorelement ist besonders als Teil einer in Form einer Planarstruktur ausgebildeten monolithischen Festkörperschaltung geeignet.
Aus der französischen Patentschtift 13 90 594 ist zwar ein Sperrschichtkondensatorelement, dessen an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers gelegene Zone des einen Leitfähifkeitstyps innerhalb der Berandung von einer Zone vom anderen Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers durchdrungen ist, bekannt. Die Durchdringung der an der Oberfläche gelegenen Zone erfolgt zur Erzielung eines erhöhten Kapazitätshubes, was eine hohe Abbruchspannung erfordert. Beim Gegenstand der Erfindung soll dagegen die spezifische Kapazität erhöht werden, wozu unter Umständen auch eine Erniedrigung der Abbruchspannung im Innern des Halbleiterkörpers unter die an der Halbleiteroberfläche in Kauf genommen werckn kann. Die französische Patentschrift betrifft aber auch kein Sperrschichtkondensatorelem:nt, dessen pn-Übergangsfläche die Emitterzone eines Planartransistorelements begrenzt und dessen Kollektorzone als Teil einer Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeitstyps angeordnet von einer die Epitaxschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers umgeben ist. Die französische Patentschrift kann auch ein Sperrschichtkondensatorelement mit den Merkmalen der Erfindung nicht nahelegen, da bei einem solchen Sperrschichtkondensatorelement ein erhöhter Kapazitätshub nicht zu realisieren wäre, wenn nicht nur die an der Halbleiteroberfläche gelegene Zone des einen Leitfähigkeitstyps, sondern auch noch eine angrenzende weitere Zone entsprechend der Basiszone eines Planartransistorelements durchdrungen wird. In diesem Falle wäre nämlich die Feldzonenausdehnung durch die Kollektorxonendikke begrenzt. Dagegen kann sich die Feldzone des Sperrschichtkondensatorelements nach der französischen Patentschrift frei in den Halbleiterkörper ι ausdehnen. Schließlich ist auch keine Durchdringung einer weiteren an die Oberflächenzone anschließende Zone vorgesehen.
Bei einem nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Kondensatorelement endet die der Isolier-
!0 schicht entsprechende Zone also an der Zwischenschicht. Werden nun die »Emitterzone« und die »Basiszone« kontaktiert, so ergibt sich ein Sperrschichtkondensatorelement, welches gleichstrommäßig gegen den Halbleitergrundkörper durch einen pn-Obergang elektrisch getrennt ist. Beim Fehlen dieser Zwischenschicht würde dagegen die »Basiszone« in den Grundkörper vom gleichen Leitfähigkeitstyp übergehen. Ist nun nach der Erfindung eine der Isolierzone entsprechende Zone vorgesehen, dann ergibt sich der Vorteil einer weiter erhöhten spezifischen Kapazität ohne Absenkung der DurchbruchspaPn'jng des Sperrschichtkondensatorelements. da die Isunerdiffusion eine wesentliche Erhöhung der Dotierungskonzentration an der die Kapazität bestimmenden pn-Übergangsfläche ergibt, ohne daß die Dolierungskonzentrationsver! ältnisse der nn-Übergangsfläche an der Halbleiteroberfläche geändert werden. Dort wurde nämlich bei Fehlen der der Isolierzone entsprechenden Zone zunächst bei anwachsender Sperrspannung der elektrische Durch· bruch erfolgen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in der die
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten
J5 Sperrschichtkondensatorelements bedeutet, die
Fig. 2 zur Erläuterung dei relativen Dotierungsverhältnisse mit zunehmender Diffusionstiefe von der Halbleiteroberfläche dient und die
Fig. J eine abgewandelte Ausführungsform eines
■»η nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Sperrschichtkondensatorelements mit erhöhter spezifischer Kapazität betrifft.
In der Fig. 2 bedeutet die Kurve Eden Abfall der Dotierungskonzentration in der »Emitterzone« 5 der
« F i g. 1. wobei Nm die Oberflächenkonzentratio.i bedeutet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine η-dotierte Verunreinigung, wozu vorzugsweise Phosphor verwendet wird. In der Fig. 2 sind ferner relativ zur Kurve £die Konzentrationsprofile für
ίο die Isolierzone /mit der Oberflächenkonzentration N11, und für die Basisdiffusion B mit der Oberflächenkonzentration M)B aufgetragen.
Die Sperrschichtkapazität des verwendeten Emitter-Basis-Übergangs ist nach der F i g. 2 durch die Docierungskonzentrationsverhältnisse in einer Diffusionstiefe entsprechend dem Schnittpunkt der E-Kutve mit der S-Kurve gegeben, wenn keine zusätzliche Diffusion einer der Isolationszone entsprechenden Zone nach der Erfindung erfolgt. Diese zusätzliche Isolations-
" diffusion, welche, v;e aus der Fig. 2 ersichtlich, mit erhöhter Oberflächenkonzentration und größerer Diffusionstiefe als die Basiszonendiffusion erfolgt, ergibt jedoch um den Schnittpunkt der E-Kurve mit der /-Kurve, also der pn-Übergangsfläche, Verhältnisse
·■' erhöhter Dotierungskonzentration und damit eine erhöhte Raumladungr.!?apazifät. Die Abbruchspannung an dieser pn-Übergangsfläche, welche im wesentlichen durch die Dotierungsverhältnisse an der Halbleiterober-
fläche gegeben ist, wird jedoch nicht erniedrigt, wenn die »Emitterzone« 5 die Zone 8 gemäß der Fig. 1 an deren gesamten Berandung an der Halbleiteroberfläche überlappt, und wenn mail durch Wahl eines geeigneten Profils der /-Kurve dafür sorgt, daß die Abbruchspannung nicht erniedrigt wird. Die gemäß der Fig. 1 überlappend angebrachte und gemäß der 5-Kurve diffundierte »Basiszone« 4 ermöglicht darüber hinaus die Kontaktierung des p-Gebietes, ohne die Abbruchspannung durch diese Maßnahme herabzusetzen.
Ein Sperrschichtkondensatorelement gemäß der F i g. 1 wird unter Anwendung des allgemein bekannten Verfahrens zum Herstellen von Epitaxschichten und des Planar-Diffusionsverfahrens unter Verwendung von gegen die Eindiffusion von Dotierungen maskierenden Oberflächenschichten als Maske und Anwendung der Photolithographie nach der Erfindung wie folgt hergestellt:
Ein p-leitender Grundkörper 1 in Form einer Silicium-Platte erhält zunächst nach einer Oxydmaskierung entsprechend der Geometrie der Zwischenschicht 6 eine hochdotierte n+'Diffusionsschicht. Danach wird nach Entfernen der Oxydmaske die η-leitende Epitaxschicht 2 aufgebracht. Danach werden in bekannter Weise durch Planardiffusionen die »Basiszone« 4, die »Emitterzone« 5 und gleichzeitig mit der Isolierzone 7 die Zone 8 derartig eindiffundiert, daß sich eine Struktur "gemäß der F i g. 1 ergibt. Dabei verhindert die η+ -Diffusionsschicht, daß die Zone 8 bis zum p-leitenden Grundkörper vordringt. Das sich ergebende Sperrschichtkondensatorelement wird über die Zonen kontaktierenden Metallschichten 11 und 12 in bekannter Weise, beispielsweise mittels Golddrähten 9 und 10, kontaktiert.
Um bei nicht abgesenkter Abbruchspannung (etwa normalerweise L/eb = 6 bis 7 V) eine maximale Sperrschichtkapazität zu erhalten, wird durch eine zusätzliche Diffusion die Durchbruchspannung des Teiles der pn-Obergangsfläche zwischen der »Emitterzone« 5 und der angrenzenden Zone 8 an die Durchbruchspannung an der Halbleiteroberfläche zwischen der »Emitterzone« 5 und der »Basiszone« 4 beispielsweise dadurch angenähert, daß die Konzentralion im Punkt A gleich der Oberflächenkonzentfation der Basisdiffusion Mjo gemacht wird. Dasselbe kann selbstverständlich nach der Erfindung auch dadurch erreicht werden, daß man in ein Vorhandenes Isolationsprofil der Zone 8 die Diffusion der »Emitterzone« 5 liefer eintreibt. Unter Umständen kann die Abbruchspannung im Inneren des Halbleiterkörpers unter die an der Halbleiteroberfläche abgesenkt werden, wenn eine besonders hohe spezifische Kapazität und keine besonders hohe Durchbruchspannung verlangt wird.
Die F i g. 3 betrifft ein anderes Sperrschichtkondensalorelement nach der Erfindung. Eine derartige Abwandlung kann dann vorgenommen werden, wenn nicht beide Zonen des Sperrschichtkondensatorelements gleichstrommäßig gegen den Grundkörper elektrisch getrennt werden müssen. Bei dem Sperrschichtkondensatorelement gemäß der Fig.3 überlappen die »Emitterzone« 5 teilweise die »Kollektorzone« 3 und die »Basis/one« 4 teilweise die Isolierzone 7, wie ersichtlich. Ein Sperrschichtkondensatorelement gemäß der Fi g. 3 weist eine gegenüber dem Sperrschichtkondensatorelement der F i g. 1 erhöhte spezifische Kapazität auf und entspricht einer Parallelschaltung sämtlicher drei pn-Übergänge eines Planartransistorelements mit einer Ko'lektorzone als Teil einer Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeitstyps und einer die Epitaxschicht durchdringenden Isolierzone der bekannten Art.
Ein nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestelltes Sperrschichlkondensatorelement kann als Einzelelement vorteilhaft verwendet werden, um die Abmessungen eines Gehäuses, beispielsweise den Durchmesser eines zylinderförmigen Gehäuses für eine Kapazitätsdiode klein zu halten. Dabei ist ohne weiteres eine Verdoppelung der Kapazität gegenüber herkömmlichen Sperrschichtkondensatoren unter Beibehaltung
■40 der Halbleiteroberfläche möglich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

io Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Sperrschichtkondensatorelements, dessen pn-Übergangsfläche die Emitterzone eines Planartransistorelements begrenzt, wobei die Kollektorzone als Teil einer Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeitstyps angeordnet von einer die Epitaxschicht durchdringenden isolierzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers umgeben ist und an der Grenzfläche zwischen der Epitaxschicht vom und dem Grundkörper eine hochdotierte Zwischenschicht vom Leitfähigkeitstyp der Epitaxschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Isolierzone (7) eine Zone (8) von Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers (1) eindiffundiert wird, welche die Kollektorzone (3) und die an die Emitterzone (5) angrenzende Basiszone (4) innerhalb der Flächenbegrenzung der Emitterzone (5) und der Berandung der Zwischenschicht (6) bis an oder in die Zwischenschicht (6) durchdringt
2. Mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 hergestelltes Sperrschichtkondensatorelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung des Teils der pn-Übergangsflpche zwischen der Emitterzone (5) und der angrenzenden Zone (8) höchstens gleich der Durchbruchspannung an der Halbleiteroberfläche zwischen der Emitterzone (5) und der Basiszone (4) ist.
3. Mit Hilf.' des Verfahrens nach Anspruch 1 hergestelltes Sperrschichtkondensatorelement, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (S) -.eilweise die Kollektorzone (3) und die Basiszone V4) teilweise die Isolierzone (7) überlappen.
4. Mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 hergestelltes Sperrschichtkondensatorelement, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkonzentration der der Isolierzone (7) entsprechenden Zone (8) größer als die Oberflächenkonzentration der Basiszone (4) und niedriger als die Oberflächenkonzentration der Emitterzone (5) ist.
5. Mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1 hergestelltes Sperrschichtkondensatorelement, insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es Teil einer in Form einer Planarstruktur ausgebildeten Festkörperschal- so tungist.
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