DE2012945C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE2012945C3 DE19702012945 DE2012945A DE2012945C3 DE 2012945 C3 DE2012945 C3 DE 2012945C3 DE 19702012945 DE19702012945 DE 19702012945 DE 2012945 A DE2012945 A DE 2012945A DE 2012945 C3 DE2012945 C3 DE 2012945C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Halbleiterbauelement ist z. B. aus der FR-PS 13 37 348 bekannt. Die weitere Zone dient dabei z. B. als Isolierung /wischen benachbarten Transistoren und eine hochdotierte, kanalunterbrechende Zone grenzt an den PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone, wodurch dessen Durchschlagspannung herabgesetzt wird.
Die weitere Zone kann aber auch zum Erhöhen der Durchschlagspannung dieses PN-Übergangs dienen. So ist z.B. aus der FR-PS 14 21 136 ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem die zweite Zone von einer oder mehreren weiteren Zonen im Abstand umgeben ist, und bei dem jede folgende weitere Zone die zweite Zone und alle vorhergehenden weiteren Zonen umgibt. Durch Anwendung derartiger weiterer Zonen vom zweiten Leitungstyp konnte die Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone durch HerabSetzung des Einflusses der Oberflächenbedingungen auf diesen Durchschlag erheblich gesteigert werden.
Es hat sich aber gezeigt, daß derartige Halbleiterbauelemente unter Umständen nicht stabil sind, da bei ihrem Betrieb, wenn der PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone in Sperrichtung vorgespannt ist, die Isolierschicht elektrisch aufgeladen wird und dabei die Neigung hat, das Potential der Kontaktschicht anzunehmen. Dadurch kann in der ersten Zone eine Oberflächenschicht vom zweiten Leitungstyp, eine sogenannte Inversionsschicht, induziert werden, die die weiteret. Zonen miteinander und mit der zweiten Zone über einen Inversionskanal verbindet, so daß die Wirkung der erwähnten weiteren Zone neutralisiert und die Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone herabgesetzt wird.
Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement mit zum trhöhen der Durchschlagspannung dienenden weiieren Zonen, bei dem sich Inversionsschichten bilden können, kanalunterbrechende Oberflächenzonen unter Berücksichtigung des geringen zur Verfügung stehenden Raumes derart anzubringen, daß dadurch keine Herabsetzung der Durchschlagspannung verursacht wird.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten
Vj Halbleiterbauelement erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Es ließe sich erwarten, daß durch das Vorhandensein einer derartigen kanalunterbrechenden Oberflächenzone, die in die weitere Zone an der Innenseite eingeschoben ist, die Durchschlagspannung zwischen der weiteren Zor.c und der ersten Zone und somit auch die Durchschlagspannung zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone erheblich herabgesetzt werden würde. Überraschenderweise stellt sich aber heraus, daß dies in der Praxis nicht der Fall ist. Dies ist auf den Strom zurückzuführen, der im Betriebszustand in Sperrichtung über den PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone längs der Halbleiteroberfläche fließt. Infolge dieses Sperrstromes ist die der zweiten Zone zugewandte Seite (die Innenseite) des PN-Übergangs zwischen der weiteren Zone und der ersten Zone in Durchlaßrichtung polarisiert, während die Außenseite dieses PN-Übergangs dagegen in Sperrichtung polarisiert ist, wie dies aus der US-PS 33 91 287 bekannt ist. Da sich die kanalunterbrechende Oberflächenzone auf der Innenseite der weiteren Zone befindet, wird dadurch die Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone nicht oder nahezu nicht beeinflußt.
Die kanalunterbrechende Oberflächenzone ist weiter längs ihres ganzen Innenumfangs von der ersten Zone begrenzt, während der Außenumfang der kanalunterbrechenden Oberflächenzone der Kontaktschicht näher
e5 liegt als der Außenumfang der weiteren Zone. Die kanalunterbrechende Oberflächenzone liegt also von allen in Sperrichtung polarisierten Teilen der vorhandenen PN-Übergängc entfernt, so daß die Gesamtspannung.
gleich wie in Abwesenheit der kanalunterbrechenden Oberflächenzone, über die weiteren Zonen verteilt werden kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsforni ist auf der Isolierschicht eine leitende Schicht angebracht die die Kontaktschicht praktisch völlig umgibt, wobei, parallel zu der Oberfläche gemessen, der Abstand der Kontaktschicht von der weiteren Zone größer als der Abstand der Kontaktschicht von der leitenden Schicht ist, und Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe an die leitende Schicht ein Potential gelegt werden kann, wie dies z. B. aus der US-PS 33 91 287 bekannt ist Eine derartige leitende Schicht kann, wenn sie auf ein geeignetes Potential gebracht wird, durch Induktion an der Oberfläche eine derartige Feldverteilung herbeiführen, daß auch der außerhalb der kanalunterbrechenden Oberflächenzone liegende Teil eines Inversionskanals beseitigt wird, wie in der o. g. US-PS beschrieben ist.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für diejenigen Fälle, bei denen die erste Zone aus P-leitendem Silicium besteht, weil die erwähnten !Inversionsschichten sich leicht auf diesem Material bilden, z. B. infolge thermischer Oxydation, wie sie bei der Herstellung planarer Strukturen üblich ist
Die Erfindung ist weiterhin besonders vorteilhaft bei einem Halbleiterbauelement, in dem die erste Zone die Kollektorzone und die zweite Zone die Basiszone eines Transistors ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
F i g. 1 und 2 schematisch im Querschnitt verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelements nach der Erfindung.
Alle beschriebenen Beispiele sind der Einfachheit haiber drehsymmetrisch zu der Linie M-M in den Figuren gewählt.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet, wobei insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt sind. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In F i g. 1 ist schematisch im Querschnitt ein Teil eines Halbleiterbauelements dargestellt.
Das Bauelement umfaßt im vorliegenden Fall einen Transistor, der einen Halbleiterkörper 1 aus Silicium mit einer praktisch ebenen Oberfläche 2 enthält. An diese Oberfläche 2 grenzen eine erste P-leitende Zone 3 und eine zweite N-Ieitende Zone 4, die innerhalb des Halbleiterkörpers völlig von der Zone 3 umgeben ist. Der PN-Übergang 5 zwischen den Zonen 3 und 4 endet an der Oberfläche 2.
Auf der Oberfläche 2 ist eine isolierschicht 6 aus SiIiciumoxyd angebracht, die mit einem Kontak:fenster 7 versehen ist, in dem eine Aluminiumkontaktschicht 8 auf der zweiten Zone 4 angebracht ist.
Das Bauelement nach F i g. 1 enthält ferner eine P-leitende Zone 9, die über eine öffnung in der Oxydschicht 6 mit einer Aluminiumschicht 10 verbunden ist. Dabei bildet die Zone 9 die Emitterzone, die Zone 4 die Basis- eo zone und die Zone 3 die Kollektorzone eines Transistors. Eine Metallschicht 30 bildet einen praktisch ohmschen Kontakt mit der Kollektorzone 3 auf der anderen Seite der Siliciumscheibe.
In dem Betriebszustand ist, wie in F i g. 1 schematisch dargestellt ist, der PN-L'bergang 5 zwischen den Zonen 3 und 4 in Sperrichtung vorgespannt, während der PN-l'lhenrane 11 zwischen den Zonen 4 und 9 in der Durchlaßrichtung vorgespannt ist Zwischen den Klemmen 12 und 13 kann dem Emitter ein Signal zugeführt werden, das nach Verstärkung dem Kollektor, z. ß. über den Widerstand 14 entnommen werden kann.
Das Bauelement enthält ferner zur Steigerung der Kollektordurchschlagspannung eine neben der zweiten Zone 4 liegende weitere N-leitende Zone 15, die an die Oberfläche 2 grenzt und innerhalb des Halbleiterkörpers von der ersten Zone 3 umgeben ist Dabei endet der PN-Übergang 17 zwischen der Zone 3 und der Zone 15 zum Teil an der Oberfläche 2. Die Zone 15 umgibt die erwähnte zweite Zone 4.
Die Kollektordurchschlagspannung des so gebildeten Transistors ist, wie sich herausgestellt hat in der Praxis nicht stabil, weil beim Betrieb die Oxydschicht 6 elektrisch aufgeladen wird. Dadurch kann in der P-leitenden Zone 3 an der Oberfläche eine N-leitende Schicht, eine sogenannte Inversionsschicht gebildet werden, die die Zone 15 mit der Zone 4 verbindet Dadurch wird die Wirkung der Zone 15 neutralisiert wodurch die Durchschlagspannung zwischen den Zonen 3 und 4 abnimmt.
Außerdem ist meistens, wenn die Zone 3 P-leitend ist, wie dies im vorliegenden Beispiel der FaI ist, auch dann an der Oberfläche 2 ein Inversionskanal unterhalb der Oxydschicht 6 vorhanden, wenn keine Spannungen angelegt sind.
Zur Verhinderung dieser Abnahmne der Kollektordurchschlagspannung ist neben der Zone 15 auf der Seite der Kontaktschicht 8 eine ringförmige kanalunterbrechende Oberflächenzone 18 in Form einer eindiffundierten P-leitenden Zone 18 angebracht, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die Zone 3 hat. Die kanalunterbrechende Oberflächenzone 18 ist teilweise in die Zone 15 eingebaut, so daß der Abstand, der Kontaktschicht 8 von dem Außenumfang der Zone 18, parallel zu der Oberfläche 2 gemessen, größer als der Abstand der Kontaktschicht 8 von dem Innenumfang der weiteren Zone 15 ist. Dadurch wird ein sehr geringer Teil des Raumes zwischen den Zonen 4 und 15 von der Zone 18 beansprucht. Dies ist wichtig, weil unter Umständen dieser Zwischenraum infolge der gewählten Dotierungen sehr gering sein kann. Dabei ist, parallel zu der Oberfläche gemessen, der Abstand der Kontaktschicht 8 von dem Außenumfang der weiteren Zone 15 größer als der Abstand der Kontaktschicht 8 von dem Außenumfang der Zone 18. Die Oberflächenzone 18 grenzt längs ihres ganzen Innenumfangs an die erste Zone 3.
Die P-leitende Zone 18 ist gleichzeitig mit der Emitterzone 9 eindiffundiert worden. Die Akzeptorkonzentration dieser Zone ist derart hoch, daß darin kein Inversionskanal gebildet werden kann, so daß ein zwischen den Zonen 4 und 15 vorhandener Inversionskanal an der Stelle der Zone 18 unterbrochen ist. Dadurch wird die bereits beschriebene ungünstige Einwirkung eines derartigen Inversionskanals auf die Durchschlagspannung des PN-Übergangs 5 vermieden.
Dadurch, daß im Betriebszustand längs der Oberfläche 2 ein gewisser Sperrstrom durch den Halbleiterkörper (in üblichem Sinne von der Zone 4 zu der Zone 3) fließt, wird der PN-Übergang 17 auf der Außenseite der ;ugehörigen Zone 15 in der Sperrichtung polarisiert, während dieser PN-Übergang auf der Innenseite der Zone 15 in der Durchlaßrichtung polarisiert ist. Dadurch übt das Vorhandensein der hochdotierten Zone 18 keinen oder nahezu keinen Einfluß auf die Durchschlagspannung zwischen den Zonen 3 und 4 aus, weil die Wirkung der Zone 15 praktisch nicht herabgesetzt wird.
Die ganze Struktur ist von einer P-Ieitenden Oberflächenzone 22 zur Unterbrechung einer auf der Außenseite der Zone 15 gebildeten Inversionsschicht umgeben.
Das beschriebene Halbleiterbauelement kann durch Verwendung allgemein üblicher planarer Techniken hergestellt werden. Die P-leitende Zone 3 hat in diesem Beispiel einen spezifischen Widerstand von 50 Qcm. Die Zonen 4 und 15 haben eine Dicke von etwa 10 um und sind gleichzeitig durch Diffusion von Phosphor bei einer Oberflächenkonzentration von 1018 Atomen/cm3 erzeugt. Die Zonen 9, 18 und 22 haben eine Dicke von etwa 6 μπι und sind gleichzeitig durch Diffusion von Bor bei einer Oberflächenkonzentration von 1020 Atomen/ cm3 erzeugt. Die Dicke der Oxydschicht 6 beträgt etwa 1 μιη, die der Aiuminiurnschichten etwa 0,5 um Der ge- i-s genseitige Abstand der Zonen 4 und 15 beträgt etwa 90 μιη, die Breite der Zone 15 ist etwa 30 μηι, während die Zone 4 z. B. einen Durchmesser von 200 μηι und die Zone 9 einen Durchmesser von 100 μιη aufweist.
Schließlich zeigt F i g. 2 schematisch im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach der Erfindung. Dabei ist die Halbleiterstruktur nahezu gleich der der Fig. 1. Außerdem ist aber auf der Oxydschicht 6 eine Aluminiumschicht 21 angebracht, die die Kontaktschicht 8 umgibt, wobei, parallel zu der Oberfläche 2 gemessen, der Abstand der Kontaktschicht 8 von der Zone 15 größer als der Abstand der Kontaktschicht 8 von der Aluminiumschicht 21 ist, die über die hochdotierte Zone 22, die den gleichen Leitungstyp wie die Zone 3 aufweist, mit der Zone 3 verbunden ist. Dadurch erhält die Schicht 21, wenn der PN-Übergang 5 in der Sperrichtung polarisiert ist, ein derartiges Potential, daß in den unterhalb der Schicht 21 liegenden Oberflächenteilen der Zone 3 die Bildung einer Inversionsschicht verhindert wird. Da eine derartige Inversionsschicht, wenn auch von der Zone 18 unterbrochen, durch die Vergrößerung der effektiven Oberfläche des PN-Übergangs 5. woduch z. B. unerwünschte und nichtreproduzierbare Kapazitäten auftreten, dennoch einen nachteiligen Einfluß ausüben kann, ist die Ausführungsform nach F i g. 2 besonders günstig.
Die Halbleiterbauelemente brauchen keineswegs drehsymmetrisch zu sein. Eine oder mehrere Zonen können quadratisch, rechteckig, oval usw. ausgebildet sein, wobei vorzugsweise der gegenseitige Abstand der unterschiedlichen Zonen längs ihres ganzen Umfangs gleich gewählt wird. Die Leitungstypen der unterschiedlichen Zonen können alle unter Umkehrung der Polarisationsspannungen durch die entgegengesetzten Leitungstypen ersetzt werden. Auch brauchen die Dotierungen und Dicken von Zonen eines gleichen Leitungstyps einander nicht gleich zu sein. Die Emitter- und Basiszonen können erforderlichenfalls auf übliche Weise als kammartig ineinander eingreifende Zonen ausgebildet werden. Als Halbleitermaterial können statt SiIicium auch andere Materialien, z. B. Germanium oder IH-V-Verbindungen, verwendet werden. Die Isolierschicht 6 kann statt aus Siliciumoxyd aus anderen Materialien, z. B. aus Siliciumnitrid oder aus mehreren aufeinander liegenden Schichten verschiedener Werkstoffe bestehen, während die Metaltschichten statt aus Aluminium auch aus anderen Metallen bestehen können. Die Form und die Abmessungen des Halbleiterbauelements sowie die Dotierungen können innerhalb weiter Grenzen geändert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einer praktisch ebenen Oberfläche, einer ersten Zone vom ersten Leitungstyp, einer an diese Oberfläche grenzenden zweiten Zone vom zweiten Leitungstyp, die innerhalb des Halbleiterkörpers von der ersten Zone begrenzt wird, und mindestens einer neben der zweiten Zone liegenden weiteren Zone vom zweiten Leitungstyp, die an diese Oberfläche grenzt und innerhalb des Halbleiterkörpers an der ersten Zone angrenzt, wobei der PN-Übergang zwischen der weiteren Zone und dem angrenzenden Halbleitermaterial vom ersten Leitungstyp an dieser Oberfläche endet, bei dem die weitere(n) Zone(n) die zweite Zone seitlich umgibt (umgeben), bei dem auf dieser Oberfläche eine Isolierschicht angebracht ist, die mit einem Kontaktfenster versehen ist, in dem eine Kontaktschicht auf der zweiten Zone angebracht ist, und bei dem neben mindestens einer weiteren Zone auf der Seite der Kontaktschicht eine ringförmige kanalunterbrechende Oberflächenzone vom ersten Leitungstyp, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die erste Zone aufweist und längs ihres Außenumfangs an die benachbarte weitere Zone grenzt, derart angeordnet ist, daß der parallel zu der Oberfläche gemessene Abstand der Kontaktschicht von dem Außenumfang der weiteren Zone größer als der Abstand der Kontaktschicht von dem Außenumfang der kanalunterbrechenden Oberflächenzone ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (4) innerhalb des Halbleiterkörpers (1) völlig von der ersten Zone (3) umgeben ist und damit einen an der Oberfläche endenden PN-Übergang bildet, daß die kanalunterbrechende Oberflächenzone (18) längs ihres ganzen Innenumfangs an die erste Zone (3) grenzt und daß der Abstand der Kontaktschicht (8) von dem Außenumfang der kanalunterbrechenden Oberflächenzone (18), parallel zu der Oberfläche gemessen, größer als der Abstand der Kontaktschicht (8) von dem Innenumfang der weiteren Zone (15) ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolierschicht (6) eine leitende Schicht (21) angebt ±v.M ist, die die Kontaktschicht (8) praktisch völlig umgibt, daß, parallel zu der ebenen Oberfläche (2) gemessen, der Abstand der Kontaktschicht (8) von der weiteren Zone (15) größer als der Abstand der Kontaktschicht von der leitenden Schicht (21) ist, und daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe an die leitende Schicht (21) ein Potential gelegt werden kann (F ig. 2).
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