DE2005940A1

DE2005940A1 -

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Publication number: DE2005940A1
Application number: DE19702005940
Authority: DE
Priority date: 1969-02-13
Filing date: 1970-02-10
Publication date: 1970-09-10
Also published as: SE363701B; BE745832A; GB1295422A; US3676755A; FR2031940A5; DE2005940C3; JPS509554B1; DE2005940B2; NL7001769A

Description

Ing. igrad.) GC^TBrR Μ. DAVID

Annis.'c:,:: H.V. PKITps* GIoeilantipenFabrfek«

Akto: PHI- 4146 ■

Anmeldung/vom: 9. ΪΘΪ>Γ. 1970

'!Halbleiterbauelement und. Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements". ·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche grenzenden schichtförmigen ersten Gebiet von einem ersten Leitungstyp, das auf einem zweiten Gebiet des Körpers liegt und in dem ein Thyristor mit vier auffolgenden Ä Zonen mit abwechselndem Leitungstyp angebracht ist.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements.

Die beschriebenen Bauelemente werden u.a. für Schaltzwecke verwendet, weil sie unter dem Einfluss einer Ueberspannung oder eines Steuersignals von einem Zustand mit hoher Impedanz in einen Zustand mit hoher Leitfähigkeit übergehen können. Zur Ausnutzung der Gleichricht- und Schalteigenschaften dieser Bauelemente in integrierten Schaltungen,

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wie z.B. logischen Schaltungen, ist es erforderlich, dass diese Elemente gleichzeitig mit den anderen aktiven oder passiven Elementen in der Schaltung durch bekannte Verfahren, wie epitaktisches Anwachsen, Diffusion und photolithographische Aetzverfahren, angebracht, werden, wobei die Anschlüsse der auf diese Weise integrierten Bauelemente vorzugsweise auf derselben Hauptfläche wie die der übrigen Schaltungselemente angebracht sind.

Es ist bekannt, dass diese Bauelemente in bezug auf ihre Wirkung als zwei zusammenwirkende Transistoren betrachtet werden können, von denen einer vom pnp-Typ und der andere vom npn-Typ ist, und wobei die Basis eines der Transistoren mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung derartiger Thyristoren besteht in der gleichzeitigen Anbringen eines pnp-Transistors mit lateraler und eines npn-Transistors mit vertikaler Struktur, wobei diese Transistoren zwei gemeinsame Zonen aufweisen und in Vereinigung einem Thyristor gleichwertig sind. Dieser Aufbau weist verschiedene Nachteile auf. Ein grosser Nachteil ist der wesentliche Unterschied zwischen den Verstärkungsfaktoren der beiden erwähnten Transistoren; dö<r erwähnte Unterschied der Verstärkungsfaktoren ist auf diesen Strukturunterschied zurückzuführen.

Der Verstärkungsfaktor des lateralen Transistors ist klein, weil die einander gegenüber liegenden seitlichen Oberflächen der pn-Uebergänge die einzigen aktiven Teile

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dieser Uebergänge bilden. Es ist bekannt, dass das Bauelement nur in den gut leitenden Zustand übergehen kann, wenn die Summe der Verstärkungsfaktoren ^ ι ^+fA _? mindestens gleich 1 ist. Wenn einer der beiden Transistoren vom lateralen Typ ist, muss der Verstärkungsfaktor "des anderen Transistors umso grosser sein. Ausserdem ist der Verstärkungsfaktor eines lateralen Transistors sehr empfindlich für Oberflächenerscheinungen, wodurch die Stabilität und die Genauigkeit der Schaltkennlinien beeinträchtigt werden. Im Vergleich zu dem gleichwertigen (vertikalen) Transistor erfordert ein lateraler Transistor eine grössere Plattenoberfläche, während überdies die zugelassenen Stromstärken mit Rücksicht auf die kleinen aktiven Oberflächen der pn-Uebergänge-dieses. Transistors verhältnismässig gering sind. .

Ein anderes Verfahren zur Herstellung gesteuerter

Gleichrichter mit planarer Struktur, wobei die beiden zusammensetzenden Transistoren eine vertikale Struktur aufweisen, besteht in einer Reihenfolge von Diffusionen von derselben Oberfläche her über verschiedene Diffusionstiefen und mit abwechselnden Leitungs.typen. Diese Technik hat den Nachteil, dass eine Vielzahl von Diffusionen erforderlich ist; dadurch wird die Wahl in bezug auf die Dotierungskonzentration, den Konzentrationsgradienten und das Diffusionsprofil beschränkt, während Zonen mit der richtigen Dicke sich, schwer auf reproduzierbare Weise erhalten lassen. Nach diesem Verfahren wird ausserdem die Mittelzone, die keine Elektroden enthält .und die zum Erhalten genügend hoher Umschaltspannungen und Durch-

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schlagspannungen einen grossen Widerstand aufweisen muss, durch eine tiefe Diffusion von Verunreinigungen hergestellt, wodurch der spezifische Widerstand dieser Mittelzone nicht so niedrig und nicht so genau definiert sein kann wie z.B. bei einer epitaktisch gebildeten Schicht. Dagegen wird eine der Aussenzonen, die stark dotiert sein müssten, durch eine epitaktische Schicht oder durch ein Substrat mit hohem spezifischem Widerstand und schwacher Dotierung gebildet.

•Die Erfindung bezweckt u.a., ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das eine Thyristorstruktur enthält, wobei die obenerwähnten, bekannten planaren Strukturen anhaftenden Nachteile vermieden oder wenigstens in erheblichem Masse verringert werden.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass durch zweckmässige Anwendung einer vergrabenen Zone eine Thyristorstruktur erhalten werden kann, deren gleichwertige pnp- und npn-Transistören eine vertikale Struktur haben und Verstärkungsfaktoren der gleichen Grössenordnung aufweisen, ^^ während der Thyristor ausserdem verhältnismässig hohe Sperr- und Umschaltspannungen aufweisen kann und ein verhältnismässig geringes Oberflächengebiet in Anspruch nimmt.

Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass durch Anwendung zweier auffolgender epitaktischer Schichten ein besonders zweckmässiges Verfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur erzielt werden kann.

Ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der

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Thyristor aus einer ersten Öberflächenzone vom ersten Leitungstyp, die innerhalb des Hälbleiterköfpers völlig von einer zweiten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp umgeben ist, einer unter der zweiten Öberflächenzone liegenden vergrabenen Zone vom zweiten Leitungstyp, die durch das erwähnte erste Gebiet von derzweiten Oberflächenzone und von dem erwähnten zweiten Gebiet getrennt ist, und einer an die Oberfläche ' grenzenden von der zweiten Öberflächenzone getrennten Verbindung szone vom zweiten Leitungstyp, die sich an die erwähnte ^b vergrabene Zone änschliesst, aufgebaut ist.

Die beiden Transistoren, die dem Thyristor nach

der Erfindung gleichwertig sind, haben eine vertikale Struktur, die es ermöglicht, diesen Transistoren Verstärkungsfaktoren der gleichen Grossenordnurig zu erteilen. Die Oberflächeneffekte sind weder für einen, noch für den anderen Transistor vorherrschend und können_ sogar vernachlässigt werden. Die durchzuführenden Diffusionen brauchen nicht über eine grosse Tiefe einzudringen und die auffolgenden Bearbeitungen ermögliehen eine genaue Regelung der Geometrie, der Dotierungen und der Dotierungsgradienten,

Das erste Gebiet (die erste Mittelzone des

Thyristors) kann z.B. eine epitaktische Schicht mit einer niedrigen und homogenen Dotierung sein, wodurch hohe Durchschlagspannungen erhalten werden können'. Dagegen können die erste OberfJLächenzone und die vergrabene Zone -(die Aussenzone des Thyristors) starjc dotiert seinund können die angrenzenden pn-Uebergänge optimale Gradienten aufweisen. Der mittlere Ueber-

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gang, der die Umschaltung bedingt, kann z.B. durch eine einzige Diffusion in die epitaktische Schicht erhalten werden; die Kennlinien sind auf diese Weise genauer definiert als in den Fällen, bei denen der erwähnte Uebergang durch Doppeltdiffusion erhalten ist; das Bauelement lässt sich gut reproduzierbar herstellen.

Nach einer ersten besonderen Ausführungsform ist ein erf indungsgemässes Bauelement dadurch gekennzeichnet, dass A das zweite Gebiet vom zweiten Leitungstyp ist und dass der Thyristor in einem inseiförmigen Teil des ersten Gebietes angebracht ist, der von dem übrigen Teil des ersten Gebietes durch eine Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp getrennt ist, die sich an das zweite Gebiet anschliesst. Der Thyristor kann dabei zusammen mit anderen HalbleiterSchaltungselementen, die in derselben Insel oder in weiteren Inseln liegen, in einer monolithischen integrierten Schaltung angebracht sein.

Die vergrabene Zone kann auf verschiedene Weise, z.B. durch Ionenimplantation, auf der richtigen Tiefe in dem ersten Gebiet angebracht werden. Das Bauelement ist vorteilhaft aber derart aufgebaut; dass das erste Gebiet eine erste epitaktische Schicht vom ersten Leitungstyp enthält, die auf einer zweiten epitaktischen Schicht vom ersten Leitungstyp angebracht ist, die auf zweiten Gebiet liegt, und dass die vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp sich an der Stelle der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten epitaktischen Schicht befindet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungaform ist

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dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet unter der vergrabenen Zone vom zweiten Leitungstyp eine vergrabene Schient vom ersten Leitungstyp angebracht ist, deren Dotierungskonzentration höher als die des ersten Gebietes ist. Durch diese · vergrabene Schicht vom ersten Leitungstyp wird der Verstärkungsfaktor des parasitären Transistors, der durch die vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp, das erste Gebiet vom ersten Leitungstyp und das zweite Gebiet vom zweiten Leitüngstyp gebildet wird, stark herabgesetzt j was einer Herabsetzung des "Haltestroms" (holding current) des Thyristors zur Folge hat.

Die Verbindungsζone kann neben der zweiten Oberflächenzone angebrächt werden. Vorzugsweise ist die Ver— bindungszone aber von der zweiten Oberflächenzone und der darin liegenden ersten Oberflächenzone umgeben. Durch diese· Struktur wird der Verstärkungsfaktor des erwähnten parasitären Transistors nach weiter herabgesetzt und wird die ... /

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aktive Oberfläche des pn-Uebergangs zwischen der zweiten Oberflächenzone und dem ersten Gebiet vergrössert.

., .. ■ Vorteilhaft wird weiter das erste Gebiet n-leitend und das Zweite Gebiet p-leitend gewählt, während der Halbleiterkörper vorzugsweise aus Silicium besteht. Für die Dotierung der vergrabenen Schicht vom ersten Leitungstyp kann dann Arsen verwendet werden, das eine niedrige Diffusionskonstante hat-, wodurch die Dicke der vergrabenen Schicht bei den auffolgenden Diffusionsschritten nicht zu gross wird.

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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist daher nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die p-leitenden Gebiete mit Bor, die vergrabene Schicht vom ersten Leitungstyp mit Arsen und die anderen n-leitenden Gebiete und Zonen Phosphor dotiert sind. Dabei haben vorzugsweise die η-leitende Oberflächenzone und die vergrabene

1R p-leitende Zone Dotierungskonzentrationen, die zwischen 10

21 T

und 10 Atomen/cm liegen, während das η-leitende erste

al· Gebiet und die p-leitende zweite Oberflächenzpne Dotierungs-

Λ £L -I Q ο

konzentrationen zwischen 10 und 10 Atomen/cm haben und das p-leitende zweite Gebiet einen spezifischen Widerstand zwischen 5 und 1OjT»cm. aufweist.

Die unterschiedlichen Zonen werden vorzugsweise derart angeschlossen, dass an der Oberfläche auf der ersten Oberflächenzone und auf der Verbindungszone zu der Anode und der Kathode des Thyristors gehörige Anschlussleiter und auf der zweiten Oberflächenzone ein als Steuerelektrode dienender Anschlussleiter angebracht sind. • Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein

Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach der Erfindung der obenbeschriebenen Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf einem Substrat vom zweiten Leitungstyp (das zweite Gebiet) eine erste Schicht vom ersten Leitungstyp epitaktisch angebracht, dass auf dieser ersten epitaktischen Schicht örtlich eine vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp angebracht wird, dass auf der ersten epitaktischen Schicht und auf der vergrabenen Zone eine zweite Schicht vom ersten Leitungstyp

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epitaktisch, angebracht wird, dass von der Oberfläche her in diese zweite epitaktische Schicht eine Zone vom zweiten Leitungstyp (die- zweite Oberflächenzone) eindiffundiert wird, .dass von der Oberfläche her in diese zweite Oberflächenzone eine Zone Vom ersten Leitungstyp (die erste Oberflächenzone) eindiffundiert wird, die völlig von der zweiten Oberflächenzone umgeben ist, dass von der Oberfläche her eine von der zweiten Oberflächenzone getrennte Verbindungszone vom zweiten Leitungstyp bis zu einer derartigen Tiefe eindiffundiert · jmk

wird, dass sie sich an die vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp anschiiesst, wonach auf der ersten und der zweiten Oberflächenzone und auf der Verbindungszone Anschlussleiter angebracht werden.

Dabei wird vorteilhaft von einem Substrat vom zweiten Leitungstyp ausgegangen, wobei vor der Anbringung der ersten epitaktischen Schicht unter der anzubringenden vergrabenenZohb vom zweiten Leitungstyp örtlich eine vergrabene Schicht vom ersten Leitungstyp angebracht wird, deren Dotierungskonzentration höher als die der ersten epitaktischen Schicht ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind

in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben« Es zeigen: · . ■ ■

Figuren 1 - 11 schematisch im Querschnitt ein

Bauelement nach der Erfindung während auffolgender Herstellungsstufen nach dem erfindungsgemässen Verfahren} ν Fig« 12 eine Draufsicht auf das Bauelement, das

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in Fig. 11 im Querschnitt längs der Linie XI-XI dargestellt ist;

Fig. 13 ein Schaltbild einer integrierten Schaltung mit einer Thyristorstruktur nach der Erfindung, und

Fig. 14 schematisch im Querschnitt eine integrierte Schaltung nach dem Schaltbild der Fig. 13·

Es sei bemerkt, dass die Abmessungen der in den Figuren gezeigten Halbleiterbauelemente nicht masstäblich dargestellt sind, wobei insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung der Deutlichkeit halber stark übertrieben sind.

Die Oxydschichten, die durch die unterschiedlichen thermischen Behandlungen erhalten werden, sind in den Zwischenstufen nicht in den Zeichnungen dargestellt.

Es wird von einer einkristallinen Halbleiterscheibe, z.B. aus p-leitendem Silicium, ausgegangen, die als Substrat dient und in Fig. 1 mit 1 bezeichnet ist. In die Oberfläche 2 dieser Scheibe wird eine n⁺-leitende Schicht 3 (siehe Fig. 2) eindiffundiert, deren Lage und Konfiguration etwa der für die Anode des Thyristors bestimmten Lage und Konfiguration entsprechen. Das für diese Diffusion gewählte Dotierungsmaterial hat eine Diffusionskonstante, die kleiner als die der für die anderen Diffusionen verwendeten Dotierungsmaterialien ist. Vorteilhaft wird die Schicht 3 ntit Arsen dotiert.

Nach dieser Diffusion wird auf derselben Oberfläche 2 eine p⁺-leitende Schicht h (siehe Fig. 3) gebildet, die dem Verlauf der Isolierzonen entspricht, die die Insel

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, . 20059Α0

. -11- . FPHN. kAUe

begrenzen, in der der Thyristor-angebracht werden wird.¹

Die folgende Arbeitung ist das Anwachsen einer η-leitenden epitaktischen Schicht 5 (siehe Fig. k) mit niedriger Dotierungskonzentration auf der Oberfläche 2.

Durch eine p-leitende Diffusion wird dann auf

der Scniclit 2 über der Schicht -3 eine Schicht 6 (siehe Fig. 5) etwa der gleichen Gestalt wie die Schicht 3 und wird, über der Schicht K eine Schicht 7 etwa der gleichen Gestalt,wie die Schicht ^angebracht.

Nach dieser Vordiffusion zur gleichzeitigen Bildung der Schichten.6 und 7 wird auf der Oberfläche der ersten Schicht 5 eine zweite η-leitende epitaktische Schicht 8 gebildet (siehe Fig. 6).

Diese zweite Schicht kann die gleichen Eigenschaften wie die Schicht 5 aufweisen, insbesondere in bezug auf das Dotierungsmaterial, die Dotierungskonzentration und· gegebenenfalls die Dicke. ■

Dann wird auf der Oberfläche der zweiten epitaktischen Schicht 8 eine ρ -Diffusion zur Bildung einer Schicht 10 (siehe Fig. 7) über den Schichtenk und 7 praktisch der gleichen Gestalt wie diese Schichten und einer Schicht 9 über der vergrabenen Zone 6 zur Bildung einer Verbindungszone zwischen der Oberfläche und der Zone 6 durchgeführt.

Die Diffusion zur Bildung der Schichten 9 und" wird fortgesetzt; bis (siehe Fig. 8) die Zone 9 sich an die Zone 6 anschliesst und sich die Zonen V, 7 und 10 aneinander anschliessen, so dass eine isolierte η-leitende Insel erhalten wird.

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Anschliessend wird wider eine p-leitende Diffusion zur Bildung der Zone 11 (siehe Fig. 9) durchgeführt, die eine Mittelzone (die zweite Oberflächenzone) des Bauelements bildet und die Zone 9 umgibt. Diese Zone 11 kommt naturgemäss; weder mit der Zone 9» noch mit den Isolierzonen 12 in Berührung.

Dann wird in einen Teil der Zone 11 eine n-

leitende Zone 15 eindiffundiert (siehe Fig. 10), (die erste Oberflächenzone), wobei die Diffusionstiefe geringer als die

•der Zone 11 ist. Dann erhält man das in Fig. 10 schematisch gezeigte Bauelement mit einer vergrabenen p-leitenden Aussenzone 6, die die Anode bildet, einer η-leitenden Mittelzone, die durch die Teile 13 und 14 der epitaktischen Schichten 5 und 8 gebildet wird, die von den Isolierwänden 12 umgeben sind, einer zweiten p-leitenden Mittelzone 11 (die zweite Oberflächenzone) und einer n-leitenden Aussenzone 15 ( die erste Oberflächenzone), die die Kathode bildet.

Durch die folgenden Bearbeitungen werden auf der Oberfläche auf den Zonen 6, 11 und 15 Kontakte gebildet, wobei ™ der Kontakt mit der Zone 6 über die Zone 9 hergestellt wird. Die Metallbahnen 17, 20 und 21 für die Zone 9, die Zone 11 bzw. die Zone 15 sind z.B. durch Aufdampfen im Vakuum angebracht.

Der so erhaltene Thyristor , der in Fig. 11 im

Schnitt dargestellt ist, kann in Draufsicht verschiedene Konfigurationen aufweisen. Die Zonen 11 und 15 und die Kontakte 20 und 21 können z.B. die Form konzentrischer, kreisförmiger, ovaler, polygonaler oder unregelmässiger Ringe aufweisen,

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-13- FPHN;. 4146

während die Zone 9 Wd der Eontakt 17 auch kreisförmig oder anders gestaltet sein können,

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf das Bauelement, das in Fig. Ti im Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 12 dargestellt ist. Der Thyristor ist ;Ln einer Insel 23 untergebracht, die durch die diffundierten Zonen 12 begrenzt wird, die den Thyristor gegen die in anderen benachbarten Inseln angebrachten Schaltungselemente isolieren.

Die Aussenzone 6 und die lokalisierte vergrabene Schicht 3 haben in diesem Beispiel den mit gestrichelten Linien angedeuteten Umriss 24. Dieser Umriss entspricht etwa dem Aussenumfang der Zone 11.

. Nach einer anderen Ausführungsform befinden sich mehrere Verbindungszonen 9 in einer gleich grossen Anzahl epitafctischer Schiehtteile, die von Zonen 11 umgeben sind. •Auch können diese Verbindungszonen, Schiehtteile und Zonen als Kämmen ausgebildet sein, deren Zähne ineinander eingreifen. Dieser Aufbau ist unter der Bezeichnung "interdigitale Konfiguration" bekannt,

Fig. 13 zeigt ein Schaltbild eines Kippschwingungs oszillators, der einen Thyristor Th enthält, dessen Steuerelektrode bei G nach aussen geführt ist. Der Thyristor Th ist von einem Kondensator C überbrückt, der mit konstanter Stromstärke über die Zenerdiode Dy den Transistor T, und die Widerstände Κ., und E₂ auf ge laden' wird* Der Ausgang S liefert ein sägezahnförmiges Signal,

Der in Pig, T3 gezeigte Oszillator kann, ein-

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schliesslich des Thyristors Th, integriert werden. In dem schematischen Schnitt nach Fig. 14 sind einige Schaltungselemente einer derartigen integrierten Schaltung dargestellt, die in einer p-leitenden Halbleiterscheibe 31 angebracht ist, die mit einer η-leitenden epitaktischen Schicht versehen ist, welche durch die Teilschichten 32 und 33 gebildet wird. Die unterschiedlichen Elemente der Schaltung sind durch die diffundierten Wände 48 der Inseln, in denen diese Elemente α liegen, gegeneinander isoliert.

In einer ersten Insel wird eine Zenerdiode gebildet, die eine als Anode dienende Zone 34 und eine als Kathode dienende Zone 35 enthält, wobei diese Zonen von der Oberfläche der Teilschicht 32 her diffundiert werden.

In einer zweiten Insel wird ein pnp-Transistor

gebildet, dessen Emitter 37 von der Aussenoberflache der Teilschicht 32 her diffundiert wird, dessen Basis 49 durch einen Teil dieser Schicht 32 mit einer Kontaktzone 38 gebildet wird, und dessen Kollektor durch eine, von der Oberfläche der Teil- ^^ schicht 33 her diffundierte vergrabene Schicht 45 und durch eine von der Aussenoberflache der Teilschicht 32 her diffundierte Kontaktzone 36 gebildet wird.

In einer dritten Insel wird ein Transistor gebildet mit einer von der Oberfläche der Schicht 32 her diffundierten und als Kathode dienenden Aussenzone 4o, einer von der Aussenoberfläche der Schicht 32 her diffundierten und als Steuerelektrode dienenden Mittelzone 42, einer durch einen Teil einer epitaktischen Schicht gebildeten Mittelzone 42 und

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; ν - -15- :^r FPHN. Λ Τ 46

einer von der Oberfläche der Schicht 33 her diffundierten vergrabenen Aussenzone 46, die als Anode dient lind mit einer Kontaktzone 39 versehen ist. Eine vergrabene Schicht 47 vom gleichen, Leitungstyp wie die epitaktischen Schicht, aber mit einer stärkeren Dotierung, ist vor der Anbringung der Schicht 33 in das Substrat 31 eindiffundiert. -.

Eine vierte Insel enthält einen diffundierten. Widerstand 43.

Es ist einleuchtend, dass die unterschiedlichen M obenbeschriebenen und in derselben Halbleiterscheibe angebrachten Schaltungselemente auf einfache Weise gleichzeitig hergestellt werden können, wobei die für ihre Herstellung benötigten Bearbeitungen den Bearbeitungen entsprechen, die im Detail an Hand der Figuren 1-11 beschrieben wurden. Ausserdem sind diese Schaltungselemente genügend gegeneinander isoliert, wenn die richtigen P οlari sat ions spannungen dem Substrat und den Zonen zugeführt werden. An die Zone und an die mit dem Substrat 31 verbundenen Zonen 48 werden derartige Spannungen angelegt, dass der diese Zonen voneinander trennende TJebergang in der Sperrichtung geschaltet ist, wobei der Thyristor somit gegen den übrigen Teil der Scheibe isoliert ist. Erforderlichenfalls kann eine Insel mehrere gegebenenfalls identische Bauelemente enthalten.

Naturgemäss können statt der in diesem Beispiel beschriebenen Elemente andere aktive oder passive Elemente durch Bearbeitungen hergestellt werden, die in Vereinigung mit dem oben im Detail beschriebenen Verfahren angewandt werden können. ,

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Bei der Herstellung einer integrierten Schaltung der in Figuren 13 und 14 gezeigten Art ist es günstig, wenn die Diffusionen der vergrabenen Schichten 45 und 46 gleichzeitig durchgeführt werden; dies gilt auch für die Diffusionen des Zwischenteiles der Isolierzonen 48. Dies trifft auch für die Diffusionen zu, die zur Bildung der Zonen 35» 4o und 38 einerseits und 34, 37> 43 und 41 andererseits.

Die Isolierung zwischen den unterschiedlichen

^^ Elementen einer in derselben Scheibe angebrachten Schaltung wird im obenbeschriebenen Beispiel durch Diffusion erhalten. Naturgemäss können andere Isolierungstechniken verwendet werden. Beispielsweise können Nuten angebracht werden, die gegebenenfalls mit einem Isoliermaterial oder mit einem leitenden Material ausgefüllt sind, wobei die Flächen der Nuten dann mit einem isolierenden Ueberzug versehen sind.

Beispielsweise werden nachstehend die unterschiedlichen Bearbeitungsstufen eines Bauelements erwähnt, das einen v

ί gesteuerten Gleichrichter enthält, der mit anderen Schaltungs- ^r elementen, wie sie z.B. in den Figuren 13 und 14 dargestellt sind, in einer Halbleiterscheibe auf die an Hand der Figuren 1-11 beschriebene Weise integriert ist.

Es wird von einer Sche'ibe nach Fig. 1 ausgegangen, die aus einkristallinem p-leitendem Silicium hergestellt ist, das mit Bor dotiert ist. Die Dicke der Scheibe ist etwa 200 /um und ihr spezifischer Widerstand liegt zwischen 5 und 10f\*cm. Diese Scheibe kann gegebenenfalls eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Bauelemente tragen. Auf der Oberfläche 2 der

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: ■ -17- FPHN. 4146

Scheibe -wird mit Arsen eine η -leitende Schicht 3 gebildet (siehe Fig.2). Diese-Diffusion wird während 10 bis 20 Stunden derart durchgeführt, dass eine Diffusionstiefe in der Grössenordnung von 8 /um erreicht wird, wobei während der folgenden Behandlungen das Arsen nicht erheblich tiefer diffundieren

----- ■ ■ PO P1 *λ

soll. Die Konzentration liegt zwischen 10 und 10 Atomen/cm

Dann wird durch eine Bordiffusion eine p-leitende Schicht h gebildet, die den zu bildenden Isolierwänden entspricht. Es wird eine Vordiffusion mit einer Oberflächenkon- ;jjB

- 19 20 /3

zentration zwischen 10 und 10 Atomen/cm durchgeführt, was praktisch der Löslichkeitsgrenze entspricht.

Dann wird eine erste η-leitende epitaktische

Schicht 5 (siehe Fig.k) mit Phosphordotierung gebildet, wobei

■ 16 τ die Dotierungskonzentration etwa 10 Atome/cm beträgt und die Schicht einen spezifischen Widerstand von 0, ^.SX^cra aufweist, während die Dicke der Schicht etwa 10 /um beträgt.

Auf dieser ersten epitaktischen Schicht 5 werden

dann die p-leit enden Zonen-, 6 und 7 durch Borvordiffusion an- ^ gebracht; diese Zonen 6 und 7 liegen über den Schichten 3 und Λ, während die Dotierungskonzentration in diesen Zonen

19 3 der gleichen Grössenordnung z.B. 10 Atome/cm , ist.

Dann wird eine zweite epitaktische Schicht 8

(siehe Fig. 6) gebildet, die eine Dicke von etwa 8 /um hat und die gleichen Kennlinien wie die erste epitaktische Schicht 5 aufweist. In diese zweite epitaktische Schicht wird anschliessend die Zone TO eindiffundiert, die den Isolierwänden entspricht. Die Konzentration, die diese Vordiffusion .

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kennzeichnet, ist gleich der bei den vorangehenden Bordiffusionen verwendeten Konzentration. Eine gleiche Behandlung ergibt zu gleicher Zeit die Verbindungszone 9· Diese beiden Diffusionen werden fortgesetzt, bis die drei auffolgenden diffundierten Zonen, die zusammen die Isolierwände bilden, sich treffen, und bis sich die Verbindungszone 9 ^an <ü^e Zone 6 anschliesst.

Dann werden zwei Diffusionen durchgeführt; zu-

t nächst eine Bordiffusion zur Bildung der mit 11 bezeichneten Thyristorzone, die mit dem Steuerkontakt versehen werden wird,

1 ft T

wobei die Borkonzentration etwa 10 Atome/cm beträgt und die Diffusionstiefe zwischen 2 und 4 /um liegt, und dann eine Phosphordiffusion zur Bildung der mit 15 bezeichneten Thyristorzone, die als Kathode dient, wobei die Phosphorkonzentration

20 21 T

zwischen 10 und 10 Atomen/cm liegt.

Die Herstellung des Bauelements wird durch die Bildung der Anoden-, Kathoden- und Steuerkontakte beendet. Diese werden z.B. durch eine im Vakuum durchgeführte Metalli- ^^ sierung erhalten. Dann wird die der aktiven Oberfläche der Scheibe gegenüber liegende Oberfläche abgeschliffen. Die Dicke der Scheibe wird auf etwa 150 /um herabgesetzt, wobei beim Vorhandensein einer Anzahl unabhängiger integrierter Schaltungen auf der Scheibe diese Scheibe dementsprechend unterteilt wird. Jede Scheibe wird mit Hilfe von Gold auf einem angepassten Träger festgeschweisst.

Die durch den in Detail beschriebenen Behandlungszyklus erhaltenen Bauelemente weisen befriedigende Spannungs-

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^^^^ ; ■'.- 2B05940

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und Schaltkennlinien auf. Die Durchschlagspannung der Uebergänge überschreitet 40 V. Die Sperrzeit liegt in der GrÖssenordnung von 1 ■ yusek.

Die Verbesserung des Verstärkungsfaktors des pnp-Transistors in bezug auf den lateralen Transistor der bekannten Bauelemente kann die Empfindlichkeit des Gleichrichters grosser machen als manchmal erforderlich ist. Die Summe der Verstärkungs— faktoren der gleichwertigen Transistofen kann in diesem Falle auf etwa 1 herabgesetzt werden,wenn eine Golddiffusion durch-

geführt wird, wie sie zur VergrÖsserung der Anzahl Rekombinationszentren der in ein Bauelement injizierten Ladungsträger bekannt ist. Diese Diffusion verbessert zugleich die ^ Umschal^-!·:geschwindigkeit, wenn das Bauelement in den Zustand mit hoher Impedanz übergeht.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung

nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt,· sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abarten möglich sind. So kann die Thyristorstruktur nach der Erfindung ausser als integriertes Element in einer isolierten , " Insel auch als diskretes Element ausgebildet werden. Dabei braucht das zweite Gebiet nicht einen dem des ersten Gebiets entgegengesetzten Leitungstyp aufzuweisen. Die vergrabene Zone von zweiten LeitungStyp kann statt durch das beschriebene Verfahren mit zwei epitaktischen Schichten auch auf andere Weise, z.B. durch Ionenimplantation, gebildet werden. Statt Silicium können andere Halbleitermaterialien verwendet werden, . während statt Siliciumoxyd auch andere Isolierschichten, z.B.

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Siliciumnitrid- oder Aluminiumoxydschachten, Anwendung finden können. Das gleiche gilt für die auf der Isolierschicht angebrachten Metallschichten, während die Leitungstyp alle gleichzeitig durch die entgegengesetzten ersetzt werden können,

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Claims

" -2.1- FPHF. 4146

PATENTANSPHUECHE; ' . . .

,-; 1. \ Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche grenzenden schichtförmigen ersten Gebiet von einem ersten Leitungstyp, das auf einem zweiten Gebiet des Körpers liegt, wobei in dem ersten Gebiet ein Thyristor mit vier auffolgenden Zonen mit abwechselndem Leitungstyp angebracht 1st, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor aus einer ersten Oberflächenzone vom ersten Leitungstyp,.die innerhalb des Halbleiterkörpers völlig von einer ._;φ zweiten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp umgeben ist, einer unter der zweiten Qberflächenzone liegenden vergrabenen Zone vom zweiten "Leitungstyp, die durch das erwähnte erste Gebiet von der zweiten Oberflächenzone und von dem erwähnten zweiten Gebiet getrennt ist, und einer an die Oberfläche grenzenden von der zweiten Qberflächenzohe getrennten Verbindungszone vom zweiten Leitungstyp, die sich an die erwähnte vergrabene Zone anschliesst, aufgebaut ist. 2» Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge- ^

kennzeichnet, dass das zweite Gebiet vom zweiten Leitungstyp ist und dass der Thyristor in einem inseiförmigen Teil des ersten Gebietes angebracht ist, der vom übrigen Teil des ersten .Gebietes durch eine Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp, die sich an das zweite Gebiet anschliesst, getrennt ist. 3» Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet eine erste epitaktische Schipht vom ersten Leitungstyp enthält, die auf einer zweiten epitaktiachen Schicht vom ersten Leitungstyp angebracht

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ist, welche auf dem zweiten Gebiet liegt, und dass die vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp sich an der Stelle der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten epitaktischen Schicht befindet.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stelle der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet unter der vergrabenen Zone vom zweiten Leitungstyp eine vergrabene Schicht

α vom ersten Leitungstyp angebracht ist, deren Dotierungskonzentration höher als die des ersten Gebietes ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungszone von der zweiten Oberflächenzone und der darin liegenden ersten Oberflächenzone umgeben ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet η-leitend und das zweite Gebiet p-leitend ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der ^^ vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus Silicium besteht.

8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 4, 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, dass die p-leitenden Gebiete mit Bor, die vergrabene Schicht vom ersten Leitungstyp mit Arsen und die übrigen η-leitenden Gebiete und Zonen mit Phosphor dotiert sind.

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9. " Halbleiterbauelement nach Anspruch. 8, dadurch
gekennzeienmet, dass die erste η-leitendeOberflächenzone und die vergrabene p—leitende Zone Dotierungskonzentrationen zwisehen 10 und 10 itomen/cm^J aufweisen, und dass das nleitende eTste Gebiet und die p-leitende zweite Oberflächenzone Dotiernngskonzeiitrationen zwischen 10 und 10 Atomen/cm aufweisen, -wahrend das p-leitende zweite Gebiet einen spezifischen Widerstand zwischen 5 und 10-_f£» cm hat»

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10. · Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehendem Ansprüche, dädurph gekennzeichnet, dass an der Oberfläche auf der ersten Oberflächenzone und auf der Verbindung s zone zu der Anode und der Kathode des Thyristors
gehörige Anschlussleiter und auf der zweiten Oberflächenzone ein als Steuerelektrode dienender Anschlussleiter angebracht s ind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Substrat vom zweiten
Leitungstyp (das.zweite Gebiet) eine erste Schicht vom ersten Leitungstyp epitaktisch angebracht wird, dass auf dieser ersten epitaktischen Schicht örtlich eine vergrabene Schicht vom zweiten Leitungstyp angebracht wird; dass auf der ersten epitaktischen Schicht und der vergrabenen Zone eine zweite Schicht vom ersten teitungstyp epitaktisch angebracht wird; dass von der Oberfläche her in diese zweite epitaktische Schicht eine Zone vom zweiten Leitungstyp (die zweite Oberflächenzone)

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eindiffundiert wird; dass von der Oberfläche her in diese zweite Oberflächenzone eine Zone vom ersten Leitungstyp (die erste Oberflächenzone) diffundiert wird, die völlig von der zweiten Oberflächenzone umgeben ist; dass von der Oberfläche her eine von der zweiten Oberflächenzone getrennte Verbindungszone vom zweiten Leitungstyp bis zu einer derartigen Tiefe diffundiert wird, dass sie sich an die vergrabene Zone vom zweiten Leitungstyp anschliesst, wonach auf der ersten und der _Ä zweiten Oberflächenzone und auf der Verbindungszone Anschlussleiter angebracht werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

dass von einem Substrat vom zweiten Leitungstyp ausgegangen wird und dass vor der Anbringung der ersten epitaktischen Schicht unter der anzubringenden vergrabenen Zone vom zweiten Leitungstyp örtlich eine vergrabene Schicht vom ersten Leitungstyp angebracht wird, deren Dotierungskonzentration höher als die der ersten epitaktischen Schicht ist.

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Auszug: ■',. ^; : . -■·."·-.-

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper

mit einem an eine Oberfläche grenzenden schichtförmigen ersten Gebiet von einem ersten Leitungstyp, das auf einem zweiten Gebiet des Körpers liegt und in dem ein Thyristor mit vier auffolgenden Zonen mit abwechselndem Leitungstyp angebracht ist. "■..-; "■ ■ ■ · - ' ' ■

Das Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor aus einer ersten Oberfläehenzone vom ersten Leitungstyp, die innerhalb des Halbleiterkörpers völlig von einer zweiten Oberfläehenzone vom zweiten Leitungstyp umgeben ist, einer unter der zweiten Oberfläehenzone liegenden vergrabenen Zone vom zweiten Leitungstyp, die durch das erwähnte erste Gebiet von der zweiten Oberfläehenzone und von dem erwähnten zweiten Gebiet getrennt ist, und einer an die Oberfläche grenzenden und von der zweiten Oberfläehenzone getrennten Verbindungszone vom zweiten Leitungstyp, die sich an die erwähnte vergrabene Zone anschliesst, aufgebaut ist.

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