DE2038283C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterplättchen eines ersten Leitungstyps, mit einem ersten, innerhalb des Plättchens befindlichen und sich zu dessen Oberfläche erstreckenden Bereich eines zweiten Leitungstyps, einem zweiten, sich innerhalb des ersten Bereichs befindenden und sich zur Oberfläche erstreckenden Bereich des ersten Leitungstyps, mit einem dritten, innerhalb des Pliittehens befindlichen und sich ebenfalls zu dessen Oberfläche erstreckenden Bereich, der den ersten Bereich umgibt, jedoch im Abstand zu diesem liegt, und der den gleichen Leitungstyp wie das Halbleiterplättchen, jedoch einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist, mit einem über den Bereichen auf der Oberfläche des Halbleitcrplättchens befindlichen Schutzüberzug aus schwer schmelzbarem Material und mit auf dem Überzug verlaufenden, in elektrischer Verbindung mit dem ersten und zweiten Bereich stehenden Kontaktunterlagen, die zur Befestigung von Zulcitungsdrähtcn dienen, wobei der Schutzüberzug unterhalb der Verbindungsstellen zwischen den Zuleiiungsdrähten und den Kontaktun'.erlagen im Vergleich zu dem über dem dritten Bereich befindlichen Teil des Überzugs verhältnismäßig dick ausgebilc'et ist.

Aus der deutschen Auslegeschrifi 1 299 075 ist. ein Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors mit einem hoduihmigen Halbleiterkörper eines Leitungstyps und einem die Basiszone im Abstand ungeben-

den Schutzring aus hochdotiertem Material des gleichen Leitungstyps bekannt, wobei die Basiszone durch Eindiiiundieren von den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugendem Dotierungsmaterial in i^:ner Öffnung einer auf einer Oberfläche des HaIb-

leiterköipers aufgebrachten Isolierschicht erzeugt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird nach dem Herstellen der Basiszone die Isolierschicht in einem die Basiszone umgebenden ringförmigen Bereich entfernt: sodann wird auf der gesamten noch teilweise mit der Isolierschicht bedeckten Oberfläche eine Metallschicht mit den I.eitungstyp des Halbleiterkörper erzeugendem DolierungsstolT aufgebracht und mittels einer geeigneten Maskierungsät/-technik wieder teilweise derart entfernt, daß nur

as Material auf einem der Emitterzone entsprechenden Bereich innerhalb d.r Basiszone und dem diese umgebenden, von der Isolierschicht freien ringförmigen Bereich verbleibt. Nach dem Einlegieren des genannten Materials werden die einzelnen Zonen unter Anwendung eines Maskierungsätzverfahrens kontaktiert. Weiterhin ist es aus der Zeitschrift Industrie-Elektrik und Elektronik. 12. Jahrgang (1967), Nr. B 19, S. 388 bis 392, bekannt, auf einem Schutzüberzug verlaufende Metalifilme als Kontaktunterlagen zur Befestigung von Zuleitungsdrähten zu verwenden, wobei diese vorzugsweise nach dem Thermokompressionsverfahren angeschlossen werden. Eine entsprechende Kontaktierungswc':,e für Halbleiterbauelemente ist außerdem aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 6. Nr. 2, Juli 1963, S. 94 und 95, bekannt.

Die obengenannten bekannten Anordnungen und Verfahren führen jedoch bei der Fertigung und im Betrieb zu vielfältigen Schwierigkeiten, auf die nacnfolgend hingewiesen wird:

Verunreinigungen oder mechanische Beschädigungen der Oberfläche selbst oder angrenzender Bereiche von Halbleiterbauelementen können deren elektrische Eigenschaften nachteilig beeinflussen.

Dies gilt allgemein für ein bekanntes Silicium Bauelement vom Planartyp. Bei einem solchen Siiicium-Planar-Bauelement können Oberflächenverunreinigungen in der Grenzfläche zwischen der Siliciumoberfläche und eines Überzuges aus Siliciumoxyd oder Verunreinigungen von an die Grenzfläche angrenzenden Gebieten eine Kanalbildung hervorrufen. Unter Kanalbildung versteht man im wesentlichen die Umkehrung des Leittingstyps eines Oberflächengebietes oder eines Teiles davon in den entgegengesetzten Leitungstyp. Diese Umkehrung kann einen Kurzschluß des Bereiches hervorrufen, falls sie über dem gesamten Oberflächengebiet eines Bereiches vorliegt.

Ist der spezifische Widerstand eines Bereiches erhöht, so ist die Neigung zum Entstehen von Kanälen stärker. Ist der spezifische Widerstand eines Bereiches herabgesetzt, so ist das Gegenteil der Fall. Als Folge davon verhindert man im Stand der Technik

das Vorhandensein von vollständig über einen Bereich reichenden Kanülen dadurch, daß man einen schmalen Oberflächenstreifen eines Bereiches hoch dotiert. Existieren jedoch Kanäle auf den gegenüberliegenden Seiten des hoch dotierten Streifens, so kann immer noch ein Kurzschluß auftreten. Elektrisch leitende Verunreinigungen auf oder in dem Streifen können Kanäle quer über einen Streifen miteinander verbinden. Ferner kann ein ungenaues Ausrichten einer zur Herstellung eines schmalen Streifens verwendeten Maske dazu führen, daß ein unvollkommener Streifen entsteht. Dl·, s könnte eine Bahn hinterlassen, in der ein Kanal einen Kurzschluß quer über einen Bereich bilden könnte. Aus diesen Gründen wurden die genannten hochdotierten Streifen oder Schützlinge, wie sie im folgenden genannt werden, ziemlich breit ausgebildet. "

Die bekannten Siliciimi-Planar-PNP-Transi-.loren unterliegen auch der Kanalbildung quer über die (i'ierfläche des Kollektorbereiches.

Die geringe Größe vieler Planar-1 yp-Strukturen schreibt ofi vor, daß aufgedampfte Auflagekontakte zur Herstellung der elektrischen Verbindungen mit den Basis- und llmitterbereichen verwendet werden müssen. Diese Emitter- und Basiskontakte weisen im allgemeinen ein kleines Elektrodenteil auf. das integral mit einer verhältnismäßig großen Kontaktunter-I a ge verbunden ist, an der ein Zuleitungsdralu angebracht werden kann. Die Elektrodenteile der Kontakte stehen in elektrischer Verbindung mit den jeweiligen Basis- und Emitterbereichen, und zwar durch kleine Öffnungen in dem Oxydüberzug hindurch, der über den Bereichen liegt. Der Kontakt erstreckt sich von der Elektrode aus über die oberste Fläche des Oxyds hin zur Kontaktunterlage, die über dem Kollektorbereich liegt. Die externen Schaltverbindu gen sind mit der Kontaktunterlage des Auflagekontakles verbunden. Diese externen Verbindungen werden gebräuchlicherweise durch herkömmliche Druckverbindungsverfahren ausgeführt, wie z. B. durch Wärmedruckverfahren oder durch Ultraschallverfahren.

Es wirkt sich nachteilig aus, daß bei Verwendung eines erweiterten Schutzrings über die gesamte Kollektoroberfläche die dünne Oxydschicht über dem Schutzring infolge des bei den Wärmedruck- oder Ultraschallverbindungsverfahren ausgeübten Drukkes ungünstig beeinflußt werden kann. Darüber hinaus -nuß diese Oxydschicht undurchdringlich sein, damit sie den Kollektor-Basis- und den Emitter-Kollektor-Potentialdifferenzen widerstehen kann.

Aus den vorgenannten Verbindungsverfahren folgt, daß sich ein Kurzschluß unter den Emitter- und Basiszuleitungsdraht-Kontaktunterlagen ausbilden kann. Die ungünstigen Bedingungen, unter denen sich Kurzschlüsse ausbilden können, müssen nicht unmittelbar auftreten. Der Oxydüberzug kann jedoch so geschwächt werden, daß als Folge davon Kurzschlüsse auftreten und die Bctriebszuverlässigkeit des Bauelementes nachteilig beeinflußt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei gleichbleibend guten betrieblichen Eigenschaften besonders einfach zu fertigen ist.

Zur Lösung Jisser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß sich die unter Anwendung von Druck erzeuEten Verbindungsstellen zwischen den Zuleitungsdrähten und den Kontakiunterlayen über im Ahstand voneinander innerhalb des dritten Bereiches angeuidneten inselförmigen Bereichen des ersten Leiuingstvps befinden.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß das Halüleiierplättchen aus einem I'-Tvp-Silicium gebildet ist, dab der erste Bereich vom N-Tyρ ist, daß der zweite Bereich vo;n P-T>p ist, daß der dritte Bereich vom P -Typ ίο ist, und daß der Überzug aus Siliciumoxyd besieht.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ist darin zu sehen, daß der starke und schwer schmelzbare Überzug über dem Schutzring im Kollektorbereich in einem einzigen Schritt hergestellt werden kann, indem eine unveränderte insel des ursprünglichen Kollektorbereiches vollständig innerhalb des Schutzringes bestehen bleibt, auf welcher die Kontaktunterlagen aufgedampft werden. Diese unveränderte Insel besitzt von Natur aus eine bedeutend diChcre Oxydschicht, als dies bei den bekannten Anordnungen der Fall ist. Dadurch können die auf dieser stärkeren Oxidschicht angeordneten Kontaktunterlagen für die Zuleitungs-L'ähte den Belastungen durch die Druckverbindung wesentlich besser standhalten;

Außerdem hat sich gezeigt, daß die erfindungs-

gemäßen Halbleiterbauelemente auch bei starken thermischen und mechanischen Beanspruchungen praktisch unbegrenzt mit außerordentlicher Zuverlässigkeit arbeiten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterhauelementes, das gemäß der Erfindung hergestellt ist. und

F i g. 2 ein Schnittbild nach Linie 2-2 der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Silicium-Planar-PNP-Transistor, der ein P-Typ-Silicium-Plättchen 12 mit den Grundflächen 14 und 16 aufweist, von denen jede Längen- und Breitenabmessungen von ungefähr 0,0508 cm besitzt. Die Dicke des Plättchens 12 beträgt ungefähr 203.2 u. Auf der Oberfläche 14 sind zum Schütze ein schwer schmelzbarer Überzug aus Siliciumoxyd und Aluminiumauflagekontakte 20 und 22 angebracht.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, befinden sich innerhalb des Plättchens 12 Bereiche von verschiedenem Leitungstyp, die sich alle zur Oberfläche 14 hin erstrecken. Diese Bereiche enthalten einen N-leiteni" den Basisbereich 24, einen P-Ieitenden Emiiterbereich 26 innerhalb des Bereiches 24 und einen P -^;- -leitenden, erweiterten Schutzringber'nch 28. Der Kollektorbereich des Transistors bildet den Teil des Plättchens 1.1, der weder Emitterbereich 26 noch Basisbereich 24 und P ■· -Bereich 28 ist. Demgemäß besteht eil. Kollcktor-Basis-PN-Übergang 32 an der Gleitfläche zwischen dem Bereich 24 und dem Plättchen 12. Ein Emitter-Basis-PN-Übcrgang 34 liegt an der Grenzfläche zwischen den Bereichen 24 und 26 vor.

Der Ba^cisbereich 24 besitzt auf der Oberfläche 14 Breiten- und Längenabmessungen von ungefähr 0,0178 cm und wird von einem schmalen Kollektorrand 36 mit ungefähr 0,0025 cm Breite umgeben. Der Rand 36 hat einen Abstand von wenigstens 0,0127 cm vom Umfang der Oberfläche 14. Der P -♦- Bereich 28 umgibt den Rand 36 und grenzt an diesem an und umgibt den Basisbereich 24 auf der

Fläche 14. an dem er jedoch nicht angrenzt, wobei er von dem Bereich 24 durch den schmalen Kollcklorriind 36 getrennt ist. Der I' ^; -Bereich 28 erstreckt sich vom Rand 36 bis /um Umfang der Fläche 14, außer den darin befindlichen zwei Kollektorinseln 38 und 40. Die Kollektorinseln 38 und 4« liegen neben den gegenüberliegenden Seiten des Randes 36 und haben nach außen einen Abstand von diesem von ungefähr 0,0025 cm. Diese Inseln haben eine halbkreisförmige Gestalt auf der Oberfläche 14 und eine maximale Abmessung von ungefähr O.O152cm und besitzen vom Umfang der Oberfläche 14 einen Abstand von ungefähr 0,0025 cm.

Über dem Kollektorrand 36 und den Kollektorinseln 38 und 40 liegt ein verhältnismäßig dicker schützender Überzug 42 aus schwer schmelzbarem Siliciumoxyd mit einer Dicke von ungefähr 9000 A. Über dem P -I -Bereich 28 und einem Teil des Emitterbereiches 26 liegt ein verhältnismäßig dünner Überzug 44 aus Siliciumoxyd. Der Überzug 44 ist ungefähr 1200 Λ dick. Hin Siliciumoxydüberzug 46 mit einer zwischen den oben angegebenen Werten liegenden Dicke liegt über dem Basis-Emitler-Übcrgang auf der Plättehenobcrflächc.

Die Auflagckontaktc 20 und 22, von denen jeder ungefähr 10 0000 A dick ist. stehen in elektrischer Verbindung mit dem Emitterbereich 26 bzw. mit dem Basisbereich 24. Jeder von den Auflagekontakten, die auf die Überzüge aus Siliciumoxyd aufgedampft sind, weist eine Kontaktunterlage und in einem Stück daraus geformte Elektroden auf. Die Emilterkontaktuntcrlagc 48 liegt über der Insel 38 und die Basiskontaktuntcrlage 50 über der Insel 40. Ineinandergreifende Elektroden 49 und 51 erstrekken sich von den Unterlagen 48 bzw. 50 aus. um durch geeignete Öffnungen in dem Oxvdüberzug hindurch in Eingriff mit den Basis- und Einitlerbereichen zu stehen. Der Emittcrzulcitungsdraht 52 und der Basiszulcitungsdraht 54 sind mit den Unterlagen 48 bzw. 50 durch bekannte Druckverbindungsverfahren verbunden. Beim Verbinden der Zuleitungsdrähtc unter Druck mit den jeweiligen Unterlagen wird der größte Teil der Kraft senkrecht zur Oberfläche 14 ausgeübt. In der Zeichnung ist zu beachten, daß die Auflagekontaktc nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind. Ferner geben sie nicht exakt die Welligkeit des Kontaktes zwischen den Kontaktunterlagen und den Elektroden wieder, die über dem Oxydüberzug wechselnder Stärke liegen. Der Kontakt ist zur leichteren Erläuterung und Veranschaulichung statt dessen in diesem Gebiet konisch dargestellt.

Obwohl die beschriebene bevorzugte Ausführungsform einen verhältnismäßie dicken Oxvdüberzug von ungefähr 9000 A besitzt, können für einige Anwendungsfälle andere Bauelemente gemäß der Erfindung mit 5000 A dünnen Insel-Oxydüberzügen hergestellt werden. Vorzugsweise werden jedoch dickere Insel-Oxydüberzüge verwendet, damit zufriedenstellende Ergebnisse gewährleistet sind.

Die hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung stellt einen Transistor dar. der innerhalb des erweiterten Schutzringes nur zwei Kollcktorinseln benötigt; es können jedoch andere Bauelemente mit einer oder einer Vielzahl von Inseln gemäß der Erfindung hergestellt werden.

Obwohl der Rand der bevorzugten Ausführungsform, der den Basisbereich umgibt und ihn von dem erweiterten Schut/bereich trennt, als 0.0025 cm stark beschrieben wurde, richtet sich diese Stärke nach dem beabsichtigten Anwendungs/weck. und die Breite des Bandes kann demgemäß variieren, ohne das Anwendungsgebiet der Erfindung zu verlassen. Das lrequen/verhaltcn des Transistors kann jedoch nachteilig beeinflußt werden, wenn die Randbreite wesentlich erhöht ist. Es hat sieh gezeigt, daß die Kollektor-Basis-KapazU'iit verringert ist. wenn die

ίο Raiulbreitc verkleinert wird.

Zur Herstellung des beschriebenen Transistors wird die Oberfläche 14 des Plättchens 12 gereinigt, poliert und in bekannter Weise behandelt, um darauf einen Oxydüber/ug zu bilden. Dies wird zur Vorbereitung für eine Diffusion der Basis-, Emitter- und Schut/ringhereiche durch gewöhnliche Oxydschicht-Maskenverfiihren durchgeführt, die darin bestehen, eine ursprüngliche Oxydschicht auf der Oberfläche 14 zu bilden, darin zur Frcilcgung eines vorbestimmten Gebietes der Oberfläche 14 ein Fenster cinzuätzen und Verunreinigungen vom N-Typ in das Plättchen 12 zu diliundiercn, damit der Basisbereich 24 gebildet wird. Daraufhin wird wieder vollständig über die Oberfläche 14 cn Oxydschichtübcrzug gebildet, dessen Stärke sich zur Dicke des ursprünglich'. .·.: nicht geätzten Oxydschichtüberzuges, der das Basisgebiet umgibt, addiert. Der Emitlcrbcreich 26 wird dadurch gebildet, daß man eine neue kleinere öffnung durch, den wieder gebildeten, den Basisbereich überlagernden Oxydüberzug hindurch cinätzt und Verunreinigungen vom P-Typ eindiffundieri-n läßt, damit der Emittcrbcrcich 26 gebildet wird.

Gleichzeitig mit dem Bilden des Emitterbereiches

26 entsteht auch der P -\ -Bereich 28. Die gesamte dicke Oxydschicht, die auf der Oberfläche 14 vom Rand 32 bis zur Peripherie der Oberfläche 14 liegt, wird bis auf den Teil entfernt, der über den Inseln 38 und 40 liegt. Während der Emitterdiffusion diffundieren die Verunreinigungen vom P-Typ deshalb ebenfalls in die Plättchenoberflächc außerhalb des Basisbereiches und bilden den P -! -Bereich 28. Darauf wird wieder ein Oxydschichtüberzug über dem P ■- -DilTusionsgebiet gebildet, was gleichzeitig die Stärke der ursprünglichen dicken Oxydschicht crhöht, die bereits die Inseln 36 und 38 bedeckt.

Eine P-^: -Diffusion in ein Siliciumplättchen vom P-Typ stellt im allgemeinen ein verhältnismäßig kurzzeitiges Hochtemperaturverfahren ]ar. So ist z, B. bei der Herstellung der bevorzugten Ausführungsform das gesamte P + -Diffusionsverfahren in annähernd 8Minuten abgeschlossen. Miteingeschlossen sind dabei das Absetzen der Verunreinigungen vom P-Typ auf der Plättchenoberfläche und ihr nachfolgendes Eindringen unter einer oxydierenden Atmosphäre. Die Eindringtemperatur liegt in der Größenordnung von 115O⁰C. Der während dieser Diffusion gebildete Oxydüberzug, der hier als dünner Überzug 44 bezeichnet wurde, weist eine Dicke von uiigefähr 1000 bis 1500A auf. Im Gegensatz dazu liegt die Dicke des Oxydüberzuges, der hier als dicker Überzug 42 bezeichnet wurde, infolge des additiven Effektes der Basis- und Emiterdiffusionen in der Größenordnung von 9000 A.

Für Kontakteingriffe werden in den Oxvdüberzug, der über dem Emitterbereich 26 und dem Basisbereich 24 liegt, geeignete Öffnungen angebracht. Diese öffnungen werden durch herkömmliche Ätzverfahren gebildet. Dann dampft man auf die Oxyd-

schicht und die Oberfläche 14 Aluminiumauflage kmitiikle 20 uiid 22 mittels herkömmlicher Aufdampfverfahren auf. Dies muß jedoch sorgfältig durchgeführt werden, damit gewährleistet ist. daß die ineinandergreifenden Hlektroden 49 und 51 eine durciipeliende Verbindung von ihren jeweiligen Verbindtingsunterlagen /u den Basis- und FmiUerbereichen bilden. Da die darunterliegende Fläche einen Oxydüberzug veränderlicher Stärke aufweist, muß ferner darauf geachtet werden, daß gewährleistet ist, daß diese ineinandergreifenden Elektroden keine hoehohmigen Verbindungen bilden. Kontaktstärken, die über der maximalen OxydstärkedifTerenz liegen, können niederohmige Verbindungen gewährleisten.

Heim Verbinden der F.mitter- und Basiszuleitungsdrähte mit den Kontaktunlerlagen wird der größte

Teil des Verbindungsdruckes senkrecht zur Oberfläche 14 ausgeübt. Diese Verbindung erfolgt über dem Teil des dicken Oberzuges 42. der über den Inseln 36 und 38 liegt.

Würde die Oxydschicht, die über den Inseln 36 und 38 liegt, während der P ■ -bildenden Diffusion nicht geschützt werden, so würden die Kontaktunterlagen der Auflagckontaktc direkt auf dem dünnen Oxydiiberzug 44 liegen. Der nachfolgend ausgeübte

ίο Verbindungsdruck, der erforderlich ist, den Emitter-/ulcitungsdraht 52 und den Basiszuleitungsdraht 54 anzubringen, könnte einen derartigen dünnen, zerbrechlichen Überzug beschädigen, was, wie bereits vorausgehend ausgeführt, zum Ausbilden eines Kurz-Schlusses zwischen den verschiedenen Bereichen unterschiedlichen Leitungstyps führen könnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

JO9 650/4

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterplätichen eines ersten Leitungstyps, mit einem ersten, innerhalb des Pliittehens befindlichen und sich zu dessen Oberflaehe erstreckenden Bereich eines zweiten Leitungstyps, einem zweiten, sich innerhalb des ersten Bereichs befindenden und sich zur Oberfläche erstreckenden Dereich des ersten Leitungstyps, mit einem dritten, innerhalb des Plättchens befindlichen und sich ebenfalls zu dessen Oberfläche erstreckenden Bereich, der den ersten Rereich umgibt, jedoch im Abstand zu diesem liegt und der den gleichen Leitungstyp wie das Halbieiterplättchen. jedoch einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist, mit einem über den Bereichen auf der Oberfläche des Halbleiierplüttchens befindlichen Schutzüberzug aus schwer schmelzbarem Material und mit auf dem Überzug verlaufenden, in elektrischer Verbindung mit dem ersten und /weiten Bereich stehenden Knntaktunterkigen. die /ur Befestigung \on Zuleitungsdrähten dienen, wobei der Schutzüberzug unterhalb der Verbindungsstellen zwischen den Zuleitungsdrähten und den Kontaktunterlagen im Vergleich zu dem über dem dritten Bereich befindlichen Teil des Überzugs verhältnismäßig dick ausgelrldet ist. dadurch gekennzeichnet, dall sich die unter Anwendung von Druck erzeugten Verbindungsstellen zwischen den Zuleitungsdrähten (5?.. 54) und den Kontaktunterlagen (48. 50) über im Al, tand voneinander innernalb des dritten Bereichs (28) angeordneten inselförmigen Bereichen (38, 40) des ersten Leitungstyps befinden.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbieiterplättchen (12) aus einem P-Typ-Silicium gebildet ist, daß der erste Bereich (24) vom N-Typ i=t. daß der zweite Bereich (26) vom P-Typ ist, daß der dritte Bereich (28) vom P -+--Typ ist und daß der Überzug aus Siliciumoxyd besteht.