DE2016760B2 - Halbleiteranordnung - Google Patents
HalbleiteranordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Halbleiteranordnung dieser Art ist aus »Scientia Electrica« X (1964) 4,97 -122 bekannt.
Solche Halbleiteranordnungen finden z. B. vielfach in monolithischen integrierten Schaltungen Anwendung.
Bei den bekannten Anordnungen besteht die Gefahr, daß, wenn im Betrieb der Kollektor-Basis-Übergang
wenigstens zeitweise in Durchlaßrichtung geschaltet ist, Minoritätsladungsträger in das inselförmige Gebiet
injiziert und von dem immer in Sperrichtung betriebenen isolierenden PN-Übergang, der die Insel begrenzt,
gesammelt werden.
Dabei können die injizierten Minoritätsladungsträger zu einem wesentlichen Teil in das Substratgebiet
gelangen, dadurch, daß der in der Sperrichtung polarisierte isolierende PN-Übergang zwischen der
Insel und dem Substrat die durch das Inselgebiet hindurchdiffundierten Minoritätsladungsträger ansammelt.
Der entsprechende Leckstrom geht dabei verloren, wodurch der Wirkungsgrad der Anordnung
abnimmt und auch andere schaltungstechnische Schwierigkeiten auftreten können.
Aus der US-PS 32 43 669 ist eine Halbleiteranordnung mit einer Schutzringzone bekannt, die mit einem
Anschlußleiter versehen ist. Dabei ist der Transistor aber nicht in einer mittels eines PN-Überganges
isolierten Insel angebracht und die Schutzringzone ist nicht zum Sammeln injizierter Minoritätsladungsträger
geeignet.
Der Vollständigkeit halber sei noch auf die ältere deutsche Patentanmeldung P 18 09 687.2 verwiesen, in
der eine Anordnung zur Vermeidung von parasitären Effekten zwischen einer integrierten Schaltung zugehörigen
Transistoren vorgeschlagen ist, bei der zwischen den Transistoren eine in die Kollektorzone hineinragende
Trennzone mit einem der Kollektorzone entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehen ist.
Weiter ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 17 89 026.5 ein Halbleiterbauelement mit einer
eingesetzten Ringzone vorgeschlagen, die in der Basiszone angeordnet ist und den normalerweise in
Durchlaßrichtung betriebenen Emitter-Basis-Ubergang umgibt
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 so auszugestalten, daß die oben erwähnten Leckstromverluste beseitigt werden und gleichzeitig die
Möglichkeit gegeben wird, den Polarisaticnszustand des Kollektor-Basis-Oberganges zu erkennen und/oder zu
stabilisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst
Dabei kann der Anschlußleiter mit der Insel oder mit einem anderen Punkt der Anordnung verbunden sein,
damit der von der Ringzone gesamme'te Ladungsträgerstrom in die Insel zurückgeführt oder auf andere
Weise ausgenutzt wird. Dem Anschlußleiter kann aber auch ein Signal entnommen werden, um den Polarisationszustand
des Kollektor-Basis-Überganges zu bestimmen oder zu regeln.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Gegensatz zu den erwähnten, bekannten Anordnungen,
werden bei der Anordnung nach der Erfindung Minoritätsladungsträger, die bei Polarisierung des
/W-Überganges zwischen der Basiszone und der Insel
von der Basiszone her in das inselförmige Gebiet injiziert werden, zu einem wesentlichen Teil von der
Ringzone gesammelt. Dies trifft insbesondere für diejenigen Ladungsträger zu, die in Richtungen nahezu
parallel zu der Oberfläche injiziert werden. Über den auf der Ringzone angebrachten Anschlußleiter kann der
entsprechende Strom einem anderen Punkt der Schaltung zugeführt und dort ausgenutzt werden.
Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß in Folge der Nähe der Ringzone der Strom in seitlicher Richtung
in das Kollektorgebiet injizierter Minoritätsladungsträger in bezug auf den Strom dieser Ladungsträger quer
zur Oberfläche zunimmt. Dadurch wird ein größerer Teil der insgesamt injizierten Ladungsträger tatsächlich
von der Ringzone gesammelt.
Es sei noch bemerkt, daß das durch den Leckstrom herbeigeführte Signal an dem mit der Ringzone
verbundenen Anschlußleiter auch vorteilhaft benutzt werden kann, um festzustellen, ob in Schaltungen, in
denen dies unerwünscht ist, bei einem bestimmten Transistor der Kollektor-Basis-Übergang in der Durchlaßrichtung
polarisiert wird. Auch kann in diesem Falle über eine geeignete Rückkopplung des erwähnten
Signals die Einstellung des betreffenden Transistors auf einfache Weise automatisch korrigiert werden.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß es unter Umständen vorteilhaft sein kann, wenn zwischen der
Ringzone und dem inselförmigen Gebiet eine Vorspannung
in der Sperrichtung angelegt wird, um den Kollektorwirkungsgrad der zweiten Zone zu verbessern.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
F i g. 2 schematisch einen Querschnitt längs der Linie H-II der Fig. 1 durch die Anordnung nach Fig. 1,
Fig.3 schematisch eine Draufsicht auf eine andere
Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, und
F i g. Λ schematisch einen Querschnitt längs der Linie
F i g. Λ schematisch einen Querschnitt längs der Linie
ο IV-IV der F i g. 3 durch die Anordnung nach F i g. 3.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet wobei der Deutlichkeit halber insbesondere
die Abmessungen in der Dickenrichtung stark übertrieben dargestellt sind. Entsprechende Teile sind in den
iü F i g. 1 —4 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet In
den Draufsichten sind die Umrisse von Metallschichten gestrichelt dargestellt In den schematischen Querschnitten
ist der Einfachheit halber eine Diffusion in seitlicher Richtung (parallel zu der Oberfläche) nicht
ιr. berücksichtigt
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht und Fig.2 schematisch
einen Querscnnitt längs der Linie H-II der Fig. 1 durch
eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 1 aus
2i> Silicium mit einer praktisch ebenen Oberfläche 2, die mit
einer Siliciumoxydschicht 3 überzogen ist (siehe F i g. 2). Der Körper enthält ein P-leitendes Substratgebiet (4,5),
das aus einem Teil 4 mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ω · cm und eindiffundierten P-Ieitenden Trennka-
:· nälen 5 besteht, die an die Oberfläche grenzen.
An die Oberfläche 2 grenzt ferner ein /V-Ieitendes
inselförmiges Gebiet (6, 7), das im Halbleiterkörper völlig vom Substratgebiet (4, 5) umgeben ist. Dieses
inselförmige Gebiet besteht aus einem durch eine etwa
in 10 μΐη dicke n-leitende epitaktische Schicht mit einem
spezifischen Widerstand von 0,6 Ω · cm gebildeten Teil
6 und einer /V-Ieitenden vergrabenen Schicht 7, die teilweise in die epitaktische Schicht 6 und teilweise in
das Substratgebiet 4 eindiffundiert ist und eine höhere
i") Dotierung als die epitaktische Schicht 6 aufweist Das
/V-leitende inseiförmige Gebiet (6, 7) grenzt an das
P-Ieitende Substratgebiet (4, 5) und bildet mit diesem
Gebiet einen PN-Übergang 8. Dieser PN-Übergang 8, der im Betriebszustand in der Sperrichtung polarisiert
■w ist, bildet eine elektrische Trennung oder Isolierung
zwischen dem Substrat (4,5) und der Insel (6,7).
In der Insel (6, 7) ist eine an die Oberfläche 2 grenzende völlig vom inselförmigen Gebiet (6, 7)
umgebene erste P-leitende Zone 9 angebracht, in der
Γι sich eine an die Oberfläche grenzende /V-Ieitende Zone
10 befindet, die völlig von der Zone 9 umgeben ist. Die Zone 10 bildet die Emitterzone eines Transistors, dessen
Basiszone durch die Zone 9 und dessen Kollektorzone durch das inselförmige Gebiet (6, 7) gebildet wird. Die
ι" Zonen 6,9 und 10 sind über Fenster in der Oxydschicht 3
mit Aluminiumkontaktschichten 11, 12 bzw. 13 verbunden. Dabei ist zur Sicherung eines guten r.iederohmigen
Kontakts mit der Kollektorzone eine diffundierte /V-leitende Kontaktzone 14 gleichzeitig mit der
Γι diffundierten Emitterzone angebracht.
F i g. 2 zeigt schematisch eine Phasendetektorschaltung,
in die der Transistor aufgenommen ist. Dabei werden dem Kollektor positive Spannungsimpulse
zugeführt, während dem Basisstrom Ib positive Strom-
ΙΊ impulse überlagert werden. In Abhängigkeit von der
Korrelation der Reihenfolge und der Größe der erwähnten Impulse kann der Kollektor-Basis-Übergang
15 zeitweilig in der Durchlaßrichtung polarisiert werden. Dabei werden über diesen Übergang 15 Löcher
•■i in die AZ-leitende Insel (6, 7) injiziert werden. Diese
Löcher werden bei dem oben beschriebenen Transistor infolge der Transistorwirkung der durch die Zone 9, das
Gebiet 6 und den Trennkanal 5 gebildeten Struktur
teilweise über den gesperrten pn-übergang 8 in die zum Substratgebiet gehörende Trennkanäle 5 gelangen. Der
dadurch auftretende Leckstrom geht im Substrat verloren.
Um diesen Nachteil zu vermeiden bzw. zu verringern, ist nach der Erfindung neben der Basiszone 9 eine an die
Oberfläche 2 grenzende innerhalb des Halbleiterkörpers völlig vom yv-leitenden Gebiet 6 umgebene
P-leitende Ringzone 16 angebracht, die die Zone 9 umgibt (siehe Fig. 1) und die mit einem Anschlußleiter
11 versehen ist, der in diesem Beispiel zugleich den Kollektorkontakt bildet, so daß die Ringzone 16 mit
dem Gebiet 6 verbunden ist. Infolgedessen werden die in das Gebiet 6 injizierten Löcher zu einem großen Teil
von dem als Kollektor wirkenden Ring 16 gesammelt
und dieser Strom kann über den Kollektorkontakt 11 abgeleitet werden. Dabei führt auch die vergrabene
Schicht 7 ein elektrisches Feld im Gebiet zwischen der Schicht 7 und der Zone 9 herbei, wodurch die injizierten
Löcher einer vom Substratgebiet 4 abgewandten Kraft unterworfen werden, so daß endgültig praktisch keine
Löcher zu dem Substrat als Leckstrom abfließen werden.
Die Dotierung des Gebietes 6 ist derartig, daß die größte Dicke, die die Erschöpfungsschicht an den
/W-Übergängen 15 oder 17 im Gebiet 6 erreichen kann,
etwa 3 μπι beträgt. Der Abstand zwischen den Zonen 9 und 16 beträgt 10 μσι und ist daher erheblich größer als
die Dicke der erwähnten Erschöpfungsschicht im Betriebszustand. Die Diffusionslänge für Löcher im
Material der epitaktischen Schicht 6 beträgt etwa 25 μηι. Der Abstand zwischen den Zonen 9 und 16 ist
somit kleiner als die erwähnte Diffusionslänge, so daß die durch die Zonen 9,6 und 16 gebildete Struktur einen
verhältnismäßig guten lateralen Transistor bildet.
Die beschriebene Halbleiteranordnung kann durch allgemein übliche planare Techniken hergestellt werden.
Die Zonen 10 und 14 sind durch Diffusion von Phosphor erhalten und haben eine Eindringtiefe von
2 μπι. Die Zonen 9 und 16 sind durch eine Bordiffusion
erhalten und haben eine Eindringtiefe von etwa 2,7 μπι.
F i g. 3 zeigt eine Draufsicht auf und F i g. 4 schematisch einen Querschnitt längs der Linie IV-IV der F i g. 3
durch einen Teil einer integrierten monolithischen Schaltung, die einen Transistor der im vorangehenden
Beispiel beschriebenen Art und einige Widerstände enthält. Der Transistor (6,9,10) hat praktisch die gleiche
Bauart und die gleichen Abmessungen wie der Transistor nach den Fi g. 1 und 2. Die Ringzone 16 ist in
diesem Falle aber, im Gegensatz zu dem vorangehenden Beispiel, nicht mit der Kollektorzone 6 verbunden,
sondern ist (siehe F i g. 3) über Kontaktfenster 31 und 32 und eine auf der Oxydschicht 3 liegende Aluminiumschicht
33 elektrisch mit einem außerhalb der Insel (6, 7) liegenden Schaltungselement in Form eines Widerstandes
35 und außerdem mit einer auf der Oxydschicht liegenden Aluminiumkontaktfläche 36 verbunden. Dieser
Widerstand wird durch eine in einer anderen /V-Ieitenden Insel 37 angebrachte diffundierte P-leitende
Zone gebildet (siehe auch F i g. 4). Die Emitterzone ist mit einem Widerstand 38 und die Kollektorzone ist mit
einem Widerstand 39 verbunden. Die Widerstände 35 und 38 sind an ihrem anderen Ende mit einer auf der
Oxydschicht 3 liegenden Aluminiumkontaktfläche 40 verbunden, während der Kollektorwiderstand 39 mit
einer Kontaktfläche 41 verbunden ist, die über das Kontaktfenster 42 und eine untenliegende diffundierte
N+ -Kontaktzone mit der Insel 37 verbunden ist.
Wenn die Kontaktfläche 40 geerdet und die Kontaktfläche 41 auf ein festes positives Potential
gebracht wird, wird, wenn der Basisstrom einen bestimmten Grenzwert überschreitet, der Transistor in
den Sättigungszustand gesteuert, so daß der Basis-Kollektor-Übergang 15 in der Durchlaßrichtung polarisiert
wird. Die dabei durch den Übergang 15 in die Basiszone 9 injizierten Löcher werden von der Ringzone 16
gesammelt, während der entsprechende Strom über den Widerstand 35 einen Spannungsabfall herbeiführen
wird. Dieser Spannungsabfall kann z. B. zwischen den Kontaktflächen 40 und 36 entnommen und erforderlichenfalls
mittels eines (nicht dargestellten) Rückkopplungskreises zur Korrektur der Einstellung des Transistors
verwendet werden, so daß der Basis-Kollektor-Übergang wieder in der Sperrichtung polarisiert wird
und der Transistor in den ungesättigten Zustand zurückkehrt.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft bei einer Diode angewendet werden, die z. B. dadurch erhalten wird, daß
in den beschriebenen Beispielen die Emitterzone 10 fortgelassen wird. Die Ringzone 16 kann auch direkt mit
einem außerhalb des Halbleiterkörpers liegenden Schaltungselement verbunden werden. Die Erfindung
ist naturgemäß ebenfalls bei den komplementären Strukturen anwendbar, die dadurch erhalten werden,
daß die erwähnten Leitungstypen durch die entgegengesetzten ersetzt werden. Als Halbleitermaterial können
andere Materialien als Silicium, ζ. Β. Germanium oder A'"BV-Verbindungen verwendet werden, während
die Oxydschicht 3 ebenfalls aus anderen Materialien, wie z. B. Siliciumnitrid oder Kombinationen derselben,
bestehen kann. Auch kann erforderlichenfalls eine Vorspannung in der Sperrichtung zwischen der Zone 16
und dem Gebiet 6 zur Verbesserung der Kollektorwirkung der Zone 16 angelegt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper (1) mit einer wenigstens teilweise mit einer
Isolierschicht (3) überzogenen, praktisch ebenen Oberfläche (2), einem an diese Oberfläche grenzenden
ersten Gebiet (4, 5) eines ersten Leitungstyps, einem ebenfalls an diese Oberfläche grenzenden,
inselförmigen zweiten Gebiet (6) eines zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps, das im Halbleiterkörper
völlig vom ersten Gebiet (4,5) umgeben ist, mit diesem einen als elektrische Isolierung dienenden,
in Sperrrichtung betriebenen PN-Übergang (8) bildet und die Kollektorzone eines bipolaren
Transistors darstellt, einer im zweiten Gebiet (6) angeordneten, an die genannte Oberfläche grenzenden
Basiszone (9) vom ersten Leitungstyp, die mit dem zweiten Gebiet (6) den normalerweise in
Sperrichtung betriebenen Kollektor-Basisübergang
(15) des Transistors bildet und in der eine an die genannte Oberfläche grenzende Emitterzone (10)
vom zweiten Leitungstyp eingebettet ist, und mit einer zwischen der Basiszone (9) und dem isolierenden
/W-Übergang (8) angeordneten, an die genannte Oberfläche grenzenden, innerhalb des Halbleiterkörpers
völlig vom zweiten Gebiet (6) umgebenen Ringzone (16) mit vom zweiten Gebiet verschiedener
Dotierung, die die Basiszone (9) völlig umgibt und mit einem Anschlußleiter (ll]i versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzone (16) vom ersten Leitungstyp ist und in bezug auf
das zweite Gebiet (6) in Sperrichtung betrieben ist, so daß diese die von dem ggf. zeitweilig in
Durchlaßrichtung gepolten Kollektor-Basisübergang (15) in das zweite Gebiet (6) injizierten
Ladungsträger sammelt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch !,dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand der Basiszone (9) von der Ringzone (16), parallel zu der genannten
Oberfläche (2) gemessen, größer als die Dicke der Verarmungsschicht ist, die sich im Betriebszustand
zwischen der Basiszone und der Ringzone erstreckt.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen
der Basiszone (9) und der Ringzone (16), parallel zu der genannten Oberfläche (2) gemessen, höchstens
gleich der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im inselförmigen Gebiet (6) vom zweiten
Leitungstyp ist.
4. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlußleiter (11) die Ringzone
(16) elektrisch mit dem inselförmigen Gebiet (6) vom zweiten Leitungstyp verbindet.
5. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlußleiter (33) die Ringzone (16) elektrisch mit einem außerhalb des inselförmigen
Gebietes (6) liegenden weiteren Schaltungselement (35) verbindet
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte weitere Schaltungselement
(35) im Halbleiterkörper (1) angebracht, und daß der Anschlußleiter eine teilweise auf
der Isolierschicht (3) liegende Metallschicht (33) ist.
7. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das inselförmige Gebiet (6) unter der
ι ο
Basiszone (9) eine an das Substratgebiet (4) des ersten Gebietes (4,5) grenzende vergrabene Schicht
(7) vom zweiten Leitungstyp enthält, die praktisch parallel zu der genannten Oberfläche (2) verläuft und
eine höhere Dotierung als der übrige Teil des inselförmigen Gebietes aufweist
8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Kollektor-Basis-Obergang (15) zwischen der
Basiszone (9) und dem inselförmigen Gebiet (6) wenigstens zeitweilig in der Durchlaßrichtung
polarisiert werden kann.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit der Ringzone (16)
verbundenen Anschlußleiter (11) ein Signal zum Feststellen des Poiarisationszustandes des Kollektor-Basis-Oberganges
(15) zwischen der Basiszone (9) und dem inselförmigen Gebiet (6) entnommen wird.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Signal über
eine geeignete Rückkopplung die Einstellung des Poiarisationszustandes des Kollektor-Basis-Überganges
(15) derart regelt, daß dieser Übergang wieder in Sperrichtung gepolt ist.
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