-
Monolithisch integrierte Festkörperschaltung und Herstelltmgsverfahren
Die Erfindung beschäftigt sich mit einer monolithisch integrierten Festkörperschaltung,
welche mindestens einen 1 2L-Schaltungsteil und mindestens einen bipolaren Analogschaltungsteil
enthält, wie sie aus der Zeitschrift 'tValvo-Berichte", Bd. XVIII, Heft 1/2, (April
1974), Seiten 215 bis 216, bekannt war. Eine solche monolithisch integrierte Festkörperschaltung
wird durch das allgemein bekannte Planardiffusionsverfahren mit sechs Maskierungsschritten
hergestellt.
-
Da Analogschaltungen bekanntlich mit relativ hohen Versorgungsspannungen
betrieben werden, sind epitaktische Schichtexl hohen spezifischen Widerstandes,
beispielsweise 2 bis 3 Scm, und großer Dicke (ca. 15 cm) erforderlich. Dabei sind
aber die für den I2L-Schaltungsteil erforderlichen Stromverstärkungen der
Transistoren,
deren Kollektoren bekanntlich an der Halbleiteroberfläche liegen, schwer zu realisieren
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen monolithisch integrierten
Festkörperschaltung im I2L-Schaltungsteil eine relativ hohe Stromverstärkung (B
= IC von etwas mehr als 20) ohne Verminderung der Spannungsfestigkeit im Analogschaltungsteil
und ohne erheblichen Mehraufwand bei der Herstellung, insbesondere hinsichtlich
der anzahl der Planardiffusionsprozesse, zu realisieren.
-
Die Erfindung betrifft somit eine monolithisch integrierte Festkörperschaltung
mit einem 1 2L-Schaltungsteil und einem bipolaren Analogschaitungsteil, deren planare
Basiszonen in die freiliegende Oberfläche einer halbleitenden Epitaxschicht des
einen Leitungstyps eingebracht sind, die mit einer einkristallinen Substratplatte
des anderen Leitungstyps eine Grenzfläche bildet, an der zumindest unter den Basiszonen
des I2L-Schaltungsteils mindestens eine hochdotierte Zwischenschicht vom Leitungstyp
der Epitaxschicht vorhanden ist.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß bei gleicher Dicke der Basiszonen im I2L-Schaltungsteil und im Analogschaltungsteil
die Epitaxschicht im Analogschaltungsteil dicker ist als im I2L-Schaltungsteil,
so daß zwischen den beiden Schaltungsteilen an der freiliegenden Halbleiteroberfläche
eine Stufe vorhanden ist Bei der Herstellung einer solchen monolithisch integrierten
Festkörperschaltung ist es aber schwierig, einwandfreie photolithographische Ätzmaskierungsprozesse
nach dem Herstellen der Stufe anzuwenden, da störende laterale Unterstrahlungen
auftreten. Diese Schwierigkeit wird bei dem Verfahren zum Herstellen der monolithisch
integrierten Festkörperschaltung
nach der Erfindung erfindungsgemäß
dadurch behoben, daß nach dem Herstellen der Stufe photolithographische Ätzmaski.erungsprozesse
angewendet werden, deren zur Belichtung der Photolackschichten erforderliche Photomasken
über den Verlauf der Stufen in einer Breite größer als die Stufenbreite lichtundurchlässig
sind, so daß nach Ausrichtung der Photomaske relativ zu der mit Photolack beschichteten
Halbieiterplatte der monolithisch integrierten Fest1cörperschaltung eine Belichtung
der Stufe ausgeschlossen wird.
-
Die Merkmale der Erfindung und deren Vorteile werden im folgenden
anhand der Zeichnurs erläutert, deren Fig.1 und 2 zwei bevorzugte Ausführungsformen
von monolithisch integrierten Festkörperschaltungen nach der Erfindung betreffen
und deren Fig.3 zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung dient.
-
Die Figuren der Zeichnung bedeuten Ausschnitte von Schnittansichten
senkrecht zur Oberfläche von Halbleiterplatten, welche eine Mehrzahl von monolithisch
integrierten Festkörperschaltungen nach der Erfindung enthalten. Nach dem Herstellen
der Zonen und der Verbindungen zwischen den Zonen in Form von auf eine isolierende
Oberflächenschicht aufgebrachten Leitbahnen wird, wie es bei der Herstel'.ung von
Halbleiterbauelementen üblich ist, die Halbleiterplatte in die einzelnen Festkörperschaltungen
geteilt. Vorzugsweise werden Dotierungen verwendet, welche den in den Figuren eingetragenen
Leitungstypen entsprechen, d.h. es wird eine p-leitende Substratplatte, insbesondere
aus Silicium, verwendet, auf die n-leitendes Halbleitermaterial, vorzugsweise ebenfalls
Silicium, epitaxial aufgebracht wird.
-
C bezeichnet d:.e Grenze zwischen dem Analogschaltungsteil A und dem
12L-Schaltungsteil B. Beide Teile können beliebig viele P3.anartransistorelemente
enthalten. Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Planartransistorelement mit der Basiszone
3 sowie der Emitterzone 8 im bipolaren Analogschaltungsteil A und zwei Planartransistorelemence
mit den Basiszonen 4 sowie den Kollektorzonen 9 bzw. 10 im I2L-Schaltungsteil B.
Das n-leitende Halbleitermaterial ist mit einer Schraffur versehen.
-
Die p-leitenden Injektorzonen sind nicht eingezeichnet.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 wird von einer p-leitenden Subs#ratplatte
1 ausgegangen, in deren eine Oberflächenseite im Analogschaltungsteil A in bekannter
Weise zur Bildung von Zwischenschichten 5 unterhalb der Kollektorzonen der Planartransistorelemente
im Analogsohaltungsteil und zur Bildung einer zusammellhängenden Zwischenschicht
6 im I2L-Schaltungsteil n+-Zonen eindiffundiert werden. Dabei bleibt der 1 L-Schaltullgsteil
B bis auf die p+-Substratkontaktierungszonen unmaskiert.
-
Anschließend wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.1 eine
einheitliche n-dotierte Epitaxschicht 2 mit einen spezifischen Widerstand von etwa
2#cm, jedenfalls aber von mehr als 0,5#cm in einer Dicke von mehr als 8/um, beispielsweise
zwischen 10/um und 14/um aufgebracht.
-
Nach dem Abdecken der Oberfläche des Analogschaltungsteils A mit einer
Ätzmaskierungsschicht, beispielsweise einer Siliciumoxid-Siliciumnitrid-Schichtenfolge,
werden 2 bis 4 um der nichtmaskierten Oberfläche des IL-Schaltungsteils B abgeätzt,
so daß eine Stufe 7 mit einer entsprechenden Höhe von 2 bis 4/um entsteht. Anschließend
wird entsprechend dem noch zu schildernden Verfahren nach der Erfindung verfahren.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der. Fig.2 wird die Stufe 7 auf
andere Weise als bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1
erzeugt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird im Analogeschaltungsteil A eine aus zwei übereinander
angeordneten Teilschichten 2' und 2" bestehende Epitaxschicht 2 verwendet. Dabei
wird zunächst eine erste n-leitende Teilschicht 2" von etwa 2 gcm spezifischem Widerstand
und in einer Dicke von 2 bis 4/um aufgebracht und diese in gleicher Weise wie beim
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nach Aufbringen einer Ätzmaskierungsschicht nur auf
die Oberfläche des I2L-SchiRltungsteils durch Ätzen wieder entfernt. Danach wird
über die gesamte Oberfläche eine n-leltende Epitaxschicht in einer Dicke von 6 bis
8/um und einem spezifischen Widerstand von 2 9cm aufgebracht, so daß im Analogschaltungsteil
A auf der ersten epitaxialen Teilschicht 2" eine weitere zweite epitaxiale Teilschicht
2' zu liegen kommt, welche an der Grenzfläche C in die epitaxiale Teilschicht 2
des I2L-Schaltungsteils überge.l.lt.
-
Das anhand der Fig. 2 beschriebene Ausführungsbeispiel hat gegenüber
dem der Fig 1 den Vorteil, daß der spezifische Widerstand der ersten Teilschiciit
2" gegenüber dem der zweiten Tei 1-schicht 2 innerhalb bestimmter Grenzen frei wählbar
ist.
-
Die somit entstandene Stufe 7 soll möglichst nicht scharf sein, um
Unterbrechungen der sie überquerenden Leiterbahnen welche auf in den Figuren nicht
dargestellten isolierenden Ober flächenschichten zu liegen kommen, auszuschließen.
Es empfiehlt sich daher für die Stufe 7 ein flacher Konkavverlauf. Im Interesse
einer Platzersparnis kann, wie die Figuren 1, 2 und 3 veranschaulichen, unter der
Stufe 7 eine Isolierzone 11 hergestellt werden, welche gleichzeitig mit den weiteren
im Analogeschaltungsteil A noch erforderlichen Isolierzonen 7' unter Anwendung des
Planardiffusionsverfahrens hergestellt wird.
-
Bei den nach der Herstellung der Stufe 7 noch durchzuführenden Planardiffusionsprozessen
unter Verwendung photolithographisch hergestellten Atzmaskierungen treten aber Unschärfen
und ungewollte Belichtungen auf. Es wurde festgestel].t, daß diese auf Reflexionen
des Lichtes bei der Belichtung der Photolackschichten
an der Stufe
7 zurückzuführen sind.
-
Zur Verhinderung dieses Nachteils ist erfindungsgemäß bei den auf
die Herstellung der Stufe 7 folgenden photolithographischen Ätzmaskierungsprozessen
die Verwendung von Photomasken vorgesehen, welche über den Verlauf der Stufen in
einer Breite größer als die Stufenbreite lichtundurchlässig sind. Diese Photomask#n
werden dann jeweils relativ ZU. der mit dem Photolack beschichteten Halbleiterplatte
der monolithisch integrierten Festkörperschaltung so ausgerichtet, daß eine Belichtung
der Stufe ausgeschlossen wird. Dies bedeutet, daß die Photomasken über den Verlauf
der Stufen lichtundurchlässig sein müssen, ob nun ein negativer oder ein Positiver
Photolack verwerdet wird Ein Ausführungsbeispiel der Herstellung einer Isolierzone
11 an der Stufe 7 wird im folgenden anhand der Fig.3 beschrieben, welche einen vergrößerten
Ausschnitt der Fig.7 betrifft.
-
Um eine Belichtung der Stufe 7 auszuschließen, wird bei der Verwendung
von positiv arbeitendem Photolack bei der Herstellung der Planardiffusionsmaskierung
unter Verwendung eines positiv arbeitenden Photolackes eine Photomaske 12 verwendet,
welche einen die Stufe 7 überlappenden Teil 13 aufweist, der lichtundurchlässig
ist. Dies bedeutet, daß die Stufe 7 mit gehärtetem Photolack bedeckt wird und die
ssolationszone 11 in zwei Isolationsteilzonen 11' und 11" aufgeteilt ist, welche
aber während des Isolationsprozesses ineinander diffundieren.
-
Bei Verwendung eines negativ arbeitenden Photolackes bleibt die Stufe
7 dagegen ohne Diffusionsmaskierung. In diesem Falle sind die Diffusionen so zu
führen, daß die Isolationsdiffusionen über alle anderen hinaus reicht, wie es im
allgemeinen der Fall ist.
-
Durch die Pfeile in der Fig.3 ist die Richtung des einstrahlenden
Lichtstrahls der UV-Belichtung angedeutet. Die p+-Isolationszone 11 kann im übrigen
im I2L-Schaltungsteil als SuPstratanschluß verwendet werden, da sowohl die Trennzonen
14 als auch die p-leitenden Basiszonen 4 dieses Schaltungsteils im logischen Zustand
1 in di.e Substratplatte 1 injizieren und ein auftretender Substratstrom durch Potentialaufbau
am Substratwiderstand zur Substratinjektion führen kann. P + -Substratanschlüsse
schaffen hier im IL-Schaltungsteil B eine Äquipotentialfläche in der Substratplatte
1.
-
Das Verfahren nach der Erfindung wird in gleicher Weise auch bei allen
weiteren Planardiffusionsprozessen zum Herstellen von Kollektorkontaktierungszonen,
den Basiszonen 3 im Analogschaltungsteil A gleichzeitig mit den Basiszonen 4 im
1 L-Schaltungsteil B und den Emitterzonen 8 im Analogschaltungsteil A gleichzeitig
mit den Kollektorzonen 9 eines Doppelkollektortransistorelements und den Kollektorzonen
10 eines Dreifachkollektortransistorelements angewendet werden Die Zwischenschichten
5 (Teil A) und 6 (Teil B) werden üblicherweise gleichzeitig ausgeführt. Gleichzeitig
mit diesen Planardiffusionsprozessen, welche entsprechend dem Verfahren nach der
Erfindung durchzuführen sind, können im Bedarfsfalle auch noch weitere Zonen eingebracht
werden, wie sie beispielsweise zur Verbesserung der lateralen Stromverstärkung im
I2L-Schaltungsteil zur Verbesserung der lateralen Stromverstärkung vorgesehen werden
können.
-
Die p -Aufbringung hat vor der n -Aufbringung zu erfolgen, da die
P+-Isolationsdif fusion. infolgegrößererEpitaxschichtdicke im Bereich des Analogschaltungsteils
A mehr Diffusionszeit benötigt als die n -Trennzonendiffusion im 1 L-Schaltungsteil
B.
-
Diese beiden Diffusionen können dann gleichzeitig ausgeführt werden.
-
6 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit 3 Figuren