DE2313725A1

DE2313725A1 - Monolithische integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2313725A1
Application number: DE19732313725
Authority: DE
Inventors: Mario Alphonse Battista; Larry Ernest Freed; Richard Stephen Harbison; William John Nestork; James Robert Struk; Daniel Tuman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-03-29
Filing date: 1973-03-20
Publication date: 1973-10-11
Also published as: FR2177767A1; JPS4916392A; FR2177767B1; CH546010A; IT971835B; ES413097A1

Description

Böblingen, 8. März 1973 bm/fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Ärmonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 063

Monolithische integrierte Halbleiterschaltung

Die Erfindung betrifft eine monolithische integrierte Halbleiterschaltung mit einer planaren Oberfläche, von der aus sich Zonen verschiedenen Leitungstyps in das Halbleitermaterial erstrecken, um aktive und/oder passive Bauelemente sowie jeweils zwischen einzelnen oder mehreren dieser Bauelemente liegende Isolationsbereiche zu bilden.

Da sich alle pn-übergänge einer integrierten Schaltung von der planaren Oberfläche aus in das Halbleitermaterial erstrecken, ist diese Oberfläche mit einer Schicht aus isolierendem Material, beispielsweise Siliciumdioxid, bedeckt, um die Halbleiteroberfläche nicht der umgebenden Atmosphäre auszusetzen. Auf der isolierenden Schicht befindet sich ein Metallisierungsmuster, das zur elektrischen Verbindung der einzelnen Halbleiterbauelemente untereinander als auch nach außen dient. Das Metallisierungsmuster ist mit den Bauelementen der integrierten Schaltung über durch öffnungen in der isolierenden Schicht hindurchgehende elektrische Kontakte verbunden. Es werden häufig integrierte Schaltungen verwendet, die mehr aktive und passive Bauelemente enthalten, als tatsächlich benötigt werden. Die Auswahl bestimmter Bauelemente erfolgt hierbei durch die spezielle Ausgestaltung des Metallisierungsmusters, bei der die nicht benötigten

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Elemente nicht an das Metallisierungsmuster angeschlossen werden (Masterslice-Prinzip) . Derartige Halbleiteranordnungen sind z.B. in der US-Patentschrift 3 539 876 beschrieben.

Die elektrische Trennung einzelner Bauelemente oder Bauelementegruppen untereinander erfolgt bei monolithischen Halbleiterschaltungen gewöhnlich durch die Elemente umgebende Isolationsbereiche. Diese erstrecken sich von der Oberfläche ausgehend in das Halbleitermaterial und bilden mit den die Elemente enthaltenden Halbleiterzonen isolierende pn-übergänge. Die einzelnen Isolationsbereiche gehen in der Regel ineinander über. Sie werden gewöhnlich im ersten Diffusionsvorgang in der epitaxialen Schicht nach deren Aufbringen auf das Halbleitersubstrat hergestellt.

Die Bildung von Versetzungen oder ähnlicher kristallographischer Fehler in der epitaxialen Schicht stellt ein Problem dar, das in einem mehr oder weniger großen Ausmaß die Fabrikation von integrierten Halbleiterschaltungen behindert. Die Kristallversetzungen tragen bei zur Bildung röhrenförmiger Fehlstellen in der Epitaxieschicht, die die Ausbeute bei der Herstellung integrierter Schaltungsanordnungen herabsetzen. Die Bedeutung derartiger Fehlstellen nimmt mit steigender Dichte der Bauelemente in der Halbleiteranordnung noch zu. Wegen der erhöhten Bauelementendichte ist man dazu übergegangen, den Energiepegel der elektrischen Signale in den integrierten Schaltungen herabzusetzen, um eine Verminderung der Verlustleistung zu erreichen. Dies ist erforderlichχ da sonst die Erwärmung der Halbleiterplättchen beim Betrieb der integrierten Schaltungen das zulässige Maß überschreiten würde. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, daß die durch die kristallographischen Defekte bewirkten elektrischen.Störungen die Größe der Nutzsignale erreichen oder sogar übersteigen. Aus diesem Grunde sollten die kristallographischen Fehler sowohl in ihrer Anzahl als auch in ihrer Größe so gering wie möglich gehalten werden.

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Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine monolithische integrierte Halbleiterschaltung anzugeben, die eine möglichst geringe Anzahl von kristallographischen Fehlern aufweist. Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Halbleiterschaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst _f daß die einzelnen Isolationsbereiche eine angenähert gleiche Breite aufweisen. Vorzugsweise sind dabei nur bestimmte der im Halbleitermaterial befindlichen Bauelemente an äußere Zuleitungen angeschlossen. Die Bauelemente befinden sich vorteilhaft in einer auf ein Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsenen Schicht, wobei die durch diese Schicht hindurchgehenden Isolationsbereiche sowie das Substrat den einen Leitungstyp und die Schicht den anderen Leitungstyp aufweisen.

Es wurde gefunden, daß bei Isolationsbereichen mit im wesentlichen gleicher Breite die durch das Auftreten kristallographischer Fehler bewirkte Herabsetzung der Ausbeute bei der Herstellung integrierter Schaltungen verringert wurde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf ein bekanntes, integrierte

Schaltungen enthaltendes Halbleiterplättchen, bei der die' Isolationsbereiche besonders gekennzeichnet sind,

Fig. IA die Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen, das

eine beanspruchte integrierte Halbleiterschaltung

enthält,-

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Halbleiterp la ttchens, das eine beanspruchte integrierte Halbleiterschaltung enthält und

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Fig. 3 einen Querschnitt durch das Halbleiterplättchen

in Fig. 2 entlang der Linie 3-3.

Bei der beanspruchten Halbleiterschaltung besitzen die Isolationsbereiche, die sowohl die aktiven als auch die passiven Bauelemente der Schaltung umgeben, eine angenähert gleiche Breite. Dies wird anhand eines Vergleiches der Fign. 1 und IA verdeutlicht. In Fig. 1 ist die Draufsicht auf ein bekanntes Halbleiterplättchen gezeigt, bei dem die Breite der einzelnen, die Bauelemente umgebenden Isolationsbereiche rein zufällig ist und beliebig schwankt. Die Isolationsbereiche 10 vom p-Leitungstyp gehen ineinander über und umgeben die Bereiche 11 in der Epitaxialschicht des Halbleiterplättchens. Die einzelnen, nicht dargestellten Bauelemente, wie Widerstände, Transistoren oder Dioden, werden in den Bereichen 11 gebildet und durch die übergänge 12 zwischen den Isolationsbereichen IO vom p-Leitungstyp und den Bereichen 11 vom n-Leitungstyp elektrisch voneinander getrennt.

Bei der beanspruchten Halbleiterschaltung nach Fig. IA umschließen die ineinander übergehenden Isolationsbereiche 1OA die Bereiche oder Taschen HA' in der Epitaxieschicht.. Die hier ebenfalls nicht gezeigten aktiven und passiven Bauelemente werden in den Bereichen 11Ä ausgebildet. Die elektrische Trennung der Bauelemente oder Bauelementegruppen untereinander erfolgt durch · die übergänge 12A, die sich zwischen den Isolationsbereichen lOA vom p-Leitungstyp und den Bereichen HA vom n-Leitungstyp befinden.,..Die äußeren Anschlußstellen 13 und 13A sind in den Fign. 1 und IA strichpunktiert dargestellt.

In der Anordnung nach Fig. IA besitzen im wesentlichen alle Isolationsbereiche zwischen den aktiven und passiven Bauelementen die gleiche Breite. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung von Isolationsbereichen mit angenähert gleicher Breite die kristallographischen Defekte in der integrierten Halbleiterstruktur so · gering wie möglich sind, so daß auf diese Weise die Ausbeute bei der Herstellung derartiger Halbleiterschaltungen erhöht werden

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Obwohl dieser Effekt zur Zeit noch nicht vollständig erklärt werden kann, wird angenommen, daß durch die angenähert gleiche Breite der Isolationsbereiche die mechanischen Spannungen in der Halbleiterstruktur während der Bildung der Isolationsbereiche so gering wie möglich gehalten werden. Wie aus den Fign. 1 und IA ersichtlich ist,- bilden die Isolationsbereiche ein ineinander übergehendes Netzwerk. Es wird angenommen, daß bei der Bildung dieses Netzwerkes in einem einzigen Diffusionsschritt bei Isolationsbereichen unterschiedlicher Breite die Bewegung der eindiffundierenden Störstellen ein ungleichförmiges Spannungsmuster erzeugt, das das Auftreten kristallographischer Fehler begünstigt. Wenn dagegen die Isolationsbereiche eine angenähert gleiche Breite besitzen, dann ist auch das Spannungsmuster während der Eindiffusion der diese Isolationsbereiche bildenden Störstellen relativ gleichförmig. Man erhält dadurch in ihrer Größe als auch in ihrer Anzahl geringere kristallographische Defekte.

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die kristallographischen Fehler speziell dort besonders stark ausgeprägt sind, wo die Unterschiede in der Breite der Isolationsbereiche am größten sind. Es ist daher erforderlich, daß zumindest die aktiven Bauelemente, wie z.B. Transistoren, von Isolationsbereichen umgeben sind, die eine untereinander gleiche Breite aufweisen. Der Einfluß kristallographischer Fehler wirkt sich besonders nachteilig bei aktiven Bauelementen aus.

In den Fign. 2 und 3 ist eine nähere Einzelheiten enthaltende Darstellung einer beanspruchten integrierten Halbleiterschaltung gezeigt. Eine epitaktisch aufgewachsene Schicht 20 vom n-Leitungstyp befindet sich auf einem Substrat 21 vom ρ -Leitungstyp. Durch die Schicht 20 erstrecken sich ρ -Isolationsbereiche 22 bis hin zum Substrat 21 und bilden so Taschen 23 in der n~Epitaxieschicht. Alle Isolationsbereiche 22 weisen die gleiche Breite auf. Die in den Taschen 23 enthaltenen Bauelemente stellen

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— O —

einen Widerstand R sowie zwei Transistoren T dar. Die in Fig. 3 gezeigte Halbleiteranordnung kann nach einem Verfahren hergestellt werden, wie es in der US-Patentschrift 3 539 876 beschrieben ist. Dabei werden zuerst im Substrat die hochdotierten η -Bereiche 24 gebildet. Anschließend wird die Schicht 20 epitaktisch auf das Substrat 21 aufgewachsen. In dieser werden als nächstes die ρ Isolationsbereiche 22, die eine untereinander gleiche Breite besitzen, eindiffundiert. Die Transistoren werden hergestellt, indem zuerst die Basisbereiche 25 vom p-Leitungstyp und darin die Emitterbereiche 26 vom n-Leitungstyp gebildet werden. Der η -Bereich 27 des Widerstandes R kann im gleichen Verfahrensschritt wie die Emitterbereiche 26 der Transistoren erzeugt werden. Es wird nun auf der Epitaxialschicht 20 eine isolierende Schicht 28 gebildet. In dieser werden öffnungen hergestellt, um die darunterliegenden Bereiche der Transistoren und des Widerstandes kontaktieren zu können. Zur Kontaktierung der Transistoren T sind dabei die öffnungen 29, 30 und 31 und zur Kontaktierung des Widerstandes 27 die öffnungen -32 und 33 vorgesehen. Die öffnung 31 für den Kollektorkontakt befindet sich über einer hochdotierten η -Kollektoranschlußzone 34, die aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die äußeren Anschlußstellen des Halbleiterplättchens, beispielsweise die in den Fign. 2 und 3 angedeutete Anschlußstelle 35, befinden sich auf der isolierenden Schicht 28 und stehen nicht in direktem Kontakt mit der Halbleiteroberfläche. Die Anschlußstellen sind an das Metallisierungsmüster angeschlossen, das die einzelnen aktiven und passiven Bauelemente in gewünschter Weise verbindet. Dieses Metallisieruhgsmuster ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den einzelnen Figuren nicht dargestellt. Es können Halbleiterschaltungen verwendet werden, bei denen alle in der Halbleiterstruktur befindlichen Bauelemente benötigt und somit an das Metallisierungsmuster angeschlossen werden, oder es werden Halbleiterschaltungen benutzt, bei denen in der Halbleiterstruktur nicht benötigte Bauelemente vorhanden sind, die nicht mit dem Metallisierungsmüster in Verbindung stehen.

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Claims

TANSPRÜCHE

Monolithische integrierte Halbleiterschaltung mit einer planaren Oberfläche, von der aus sich Zonen verschiedenen Leitungstyps in das Halbleitermaterial erstrecken, um aktive und/oder passive Bauelemente sowie jeweils zwischen einzelnen oder mehreren dieser Bauelemente liegende Isolationsbereiche zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Isolationsbereiche eine angenähert gleiche Breite aufweisen.

Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur bestimmte der im Halbleitermaterial befindlichen Bauelemente an äußere Zuleitungen angeschlossen sind.

Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bauelemente in einer auf ein Halbleitersubstrat epitaktisch aufgewachsenen Schicht befinden und daß die durch diese Schicht hindurchgehenden Isolationsbereiche sowie das Substrat den einen Leitungstyp und die Schicht den anderen Leitungstyp aufweisen.

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