DE2515707C3

DE2515707C3 - Monolithisch integrierte Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2515707C3
Application number: DE2515707A
Authority: DE
Inventors: Steven Hopewell Junction N.Y. Magdo (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-04-10
Publication date: 1978-03-16
Also published as: FR2273374B1; US3936856A; CH580338A5; IT1034369B; FR2273374A1; CA1027256A; JPS54386B2; SE7505941L; JPS50157083A; AU8067775A; DE2515707A1; DE2515707B2; BE827875A; NL7505569A; SE406840B; ES437033A1; GB1501215A

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist

In der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 22 59 256 ist eine raumladungsbegrenzte Transistorstruktur beschrieben, die im wesentlichen durch ein paar laterale Transistoren in einem Halbleitersubstrat gebildet wird, dessen spezifischer Widerstand relativ hoch ist und wobei je zwei Transistoren übereinanderliegen. Hierbei stellt der untere Transistor den lateralen Raumladungsbegrenzungstransistor dar, während der obere Transistor als parasitärer, lateraler, bipolarer Transistor ausgebildet ist Bei Basis-Emitter-Vorspannung mit dem Wert »0«, sind beide Transistoren gesperrt. Wird nun der Emitterübergang zunehmend in Durchlaßrichtung vorgespannt, dann entsteht zunächst im unteren Transistor ein raumladungsbegrenzter Strom. Sowie die Vorspannung in Durchlaßrichtung auf höhere Werte ansteigt, wird auch der obere Transistor wirksam.

Komplementäre raumladungsbegrenzte (RBL) Transistoren sind für hochgradige Integration von erheblichem Vorteil. So können sie mit einem Minimum an Verarbeitungsschritten hergestellt werden, so daß sich hohe Fertigungsraten ergeben, und zudem ist ihr Stromverbrauch bei Betrieb relativ gering, so daß relativ hohe Packungsdichten im Halbleitersubstrat mögl'ch sind.

Eine integrierte RLB-Schaltung enthält Bereiche jeweils entgegengesetzten Leitungstyps, die in einem Halbleitei substrat mit hohem spezifischem Widerstand eines ersten Leitungstyps eindiffundiert sind, wie eingangs erwähnt.

Beim Aufbau monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen mit RLB-Trarsistoren ist es wichtig, den Abstand zwischen zwei isolierten Zonen des gleichen Leitungstyps zu reduzieren, und zwar aus zwei Gründen.

Erstens lassen sich zwei benachbarte Transistoren im Halbleitersubstrat um so dichter zueinandersetzen, je kleiner der Abstand zwischen zwei voneinander isolierten Zonen, z. B. Kollektoren, ist. Da Emitter- und Kollektorzone eines jeweiligen Transistors voneinander genauso getrennt sein müssen wie benachbarte Kollektorzonen zweier Transistoren, bestimmt zweitens der geringste Abstand zwischen zwei isolierten Halbleiterzonen zudem die kleinste Basisbreite eines Transistors. In der integrierten Schaltungstechnik sollte die Basisbreite bekanntlich so klein wie möglich sein, um eine größstmögliche Leistungsfähigkeit zu erzielen.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß bei monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen unter Verwendung von RLB-Transistoren der Leckstrom unverhältnismäßig groß ist und darüber hinaus unkontrollierbar wird, wenn der Abstand zwischen zwei Halbleiterzonen des gleichen Leitungstyps auf ungefähr 5 μιη oder weniger reduziert ist. Auch das Auftreten scharfer Kanten in der horizontalen Geometrie der Halbleiterzonen läßt den Leckstrom übermäßig groß werden, selbst wenn der Abstand zwischen den genannten Halbleiterzonen mehr als 5 μπι beträgt. Diese Nachteile sind insofern schwerwiegend, als dadurch der minimal mögliche Abstand zwischen zwei voneinander getrennten Halbleiterzonen nicht auf das gewünschte Maß herabgesetzt werden kann. Es lassen sich nämlich heute mit Hilfe der Photolithographie bereits Leitungsbreiten von etwa 2,5 μπι und mittels Eiektronenstrahllithographie sogar Leitungsbreiten unterhalb von 1 μπι erzielen. Damit würden sich aber die an sich erreichbaren Möglichkeiten bei Anwendung von RLB-Transistoren, wie sie bisher bekannt sind, nicht optimal ausschöpfen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Bcreiisttmüng einer integrier ien Kaibieiteranordnune.

die es gestattet, sowohl Packungsdichte als auch Leistungsfähigkeit von raumladungsbegrenzten Transistoren gegenüber bisher wesentlich zu e.höhen, indem gleichzeitig sowohl die Herstellung vereinfacht als auch das Auflösungsvermögen anwendbarer Lithographieverfahren voll ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gezeigten Maßnahmen gelöst. Es hat sich gezeigt, daß in der Praxis mit Hilfe der Erfindung der Mindestabstand zwischen zwei voneinander isolier- ι ο ten Halbleiterzonen gleichen Leitungstyps wesentlich gegenüber bisher reduzierbar ist. Dabei ist die bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung auftretende Isolationswirkung völlig verschieden von der üblichen Übergangsisolation, wie sie sich bei Transistoren ergibt, die in Substraten mit relativ niedrigem spezifischem Widerstand eingebracht sind.

Bei der integrierten Halbleiteranordn-ng nach der Erfindung nämlich sind dicht an der Oberfläche des Substrats N-Zonen und P-Zonen lateral durch Übergänge isoliert, die mehr oder weniger metallurgisch bzw. herstellungsmäßig bedingt sind. Im Halbleitersubstrat-Innern hingegen ist diese gegenseitige Isolation durch »elektrische« Übergänge bedingt, die sich vertikal an die metallurgischen Übergänge anschließen. Die »elektrischen« Übergänge bilden sich im Substn: t hohen spezifischen Widerstands durch entsprechende Löcherdiffusion bzw. Überschußelektronendiffusion aus den darüberliegenden P- und N ⁺ -Halbleiterzonen aus. Es zeigt sich nämlich, daß vertikale Kanäle mit hohem spezifischem Widerstand, die durch »elektrische« Übergänge voneinander isoliert sind, im Substrat unterhalb der verschiedenen Halbleiterzonen auftreten. Der sich dabei ergebende Isolationswiderstand liegt um eine Größenordnung höher als derWiderstandswert, der sich aus dem Ausbreitungswiderstand des Substrats mit vorzugsweise 30 kficm ergibt. Prüfergebnisse von erfindungsgemäß aufgebauten monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen bestätigen diese guten Eigenschaften. So hat sich bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung gezeigt, daß der typische Isolationswiderstand zwischen benachbarten Kollektorzonen im Halbleitersubstrat etwa zwischen 200 und 300 ■ 10⁶ Ohm liegt.

Demgegenüber ist bei der eingangs erwähnten bekannten integrierten Halbleiteranordnung durch die Übereinanderar.ordnung der Transistoren die Herstellung wesentlich komplizierter, und zum anderen ist auch der hohe Isolationswiderstand zwischen voneinander zu trennenden Zonen ohne weiteres nicht zu erzielen, so so daß auch hierdurch schon große Packungsdichten nicht zu erzielen sind.

Dank der durch die Erfindung erzielten Eigenschaften läßt sich die Größe von integrierten RLS-Schaltungen wesentlich herabsetzen. So konnte z. B. der Abstand zwischen benachbarten Transistoren sowie deren Basisbreite auf etwa 2,5 μΐη reduziert werden. Unter der Voraussetzung eines N-Substrats betragen die Elementarbereiche eines NPN-Transistors 570 μπι² und einen PNP-Transistors 900 μιτι²; dies sind aber Werte, die bei der bekannten Anordnung nicht zu erreichen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiteranordnung nach der Erfindung lassen sich den Unteranspüchen entnehmen. Bei Anwendung der Erfindung ist es dabei von untergeordneter Bedeutung, '*> ob das Halbleitersubstrat voni P- oder vom N-Leitungstyp ist.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt aus einer integrierten Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung,

f i g. 2 ein Ersatzschaltbild für die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3A und 3B Ausschnitte aLS monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen mit der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 4 und 5 Halbleiterausschnitte zur Erläuterung der Betriebs- bzw. Wirkungsweise der Halbleiteranordnung nach der Erfindung,

F i g. 6 eine graphische Darstellung für den Leckstrom als Funktion vom Zonenbreitenverhältnis bei einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 7 ein Halbleiterbauelement in erfindungsgemäßer Ausgestaltung.

F i g. 1 zeigt ein allgemeines Ausführungsbeispiel einer integrierten Halbleiteranordnung nach der Erfindung, worin N+ -Zonen durch P-Zonen abgeteilt sind und umgekehrt. Die N' -Zonen 2 und 4 sind also durch die P-Zone 6 getrennt, und die P-Zonen 12 und 14 sind durch die N⁺-Zone 16 getrennt.

Wie schon an anderer Stelle beschrieben, weist der RLB-Transistor ein N-Substrat 20 auf. dessen spezifischer Widerstand oberhalb von lOOOOkncm liegt und worin aktive Zonen diffundiert sind. Die N+-Zonen 2, 4 und 16 sind stärker dotiert und haben eine größere Diffusionstiefe als die P-Zonen 6, 12 und 14. Die N + -Zonen sind seitlich voneinander getrennt und durch die sie umgebenden P-Zonen elektrisch isoliert; umgekehrt sind die P-Zonen seitlich durch die sie umgebenden N+ -Zonen getrennt. N*-Zonen und P-Zonen sind durch das Substrat 20 mit hohem spezifischem Widerstand jeweils vertikal getrennt und voneinander isoliert.

Wie an anderer Stelle beschrieben, bilden die N+ -Wannen horizontale Hoch-Niedrig-Übergänge 22 im Substrat 20 (Nh/Nn). Die stark dotierte Seite besitzt dabei eine positiv geladene, teilweise verarmte Zone (nicht dargestellt). Elektronen diffundieren aus dieser Zone in die niedrig dotierte Zone, um dort eine Elektronenwolke zu bilden. Die Tiefe der Wolke beträgt ungefähr 3 · Lde, wobei Lde die Debye-Länge bei Störstellenleitung der niedrig dotierten Zone ist. Diese Tiefe ist praktisch vom Dotierungsgrad der stark dotierten Zone unabhängig. Der Rand der Elektronenwolke ist definiert als Fläche mit einer diffundierten Elektronendichte von 10% über der Störstellendichte. Die Dichte der Elektronenwolke nimmt sehr schnell mit dem Abstand vom Hoch-Niedrig-Übergang ab. Bei einem Abstand von ungefähr 0,5 Lde ist die Dichte der freien Elektronen nur um eine Größenordnung höher als der thermische Gleichgewichtswert. Diese Strecke ist definiert als die effektive Tiefe L_crr der Elektronenwolke.

Die P-Wannen bilden horizontale asymmetrische P/NN-Übergänge 2:4 mit dem Substrat. Die P-Zonen haben negativ geladene, teilweise verarmte Zonen (nicht dargestellt). In der NN-Zone befindet sich eine eindiffundierte Löcherwolke 25. Dieser folgt eine positiv geladene, teilweise verarmte Zone 28. Der Übergang 26 wird gebildet, wo N = P = N₁ ist.

In gemäß der Erfindung hergestellten Halbleiteranordnungen beträgt die Versetzung des Überganges 26 gegenüber dem Übergang 24 ungefähr 1,5 Lde oder 13 μιτι für ein Substrat mit 30 kOcm. Diese Versetzung hängt teilweise nur vom Dotierungsgrad des N-Substra-

tes 20 ab, wobei angenommen wird, daß das Dotierungsgradverhältnis P/Nn größer als 10⁵ ist. Die Tiefe der Verarmungszone 28 unter der Löcherwolke 25 beträgt, gemessen vom metallurgisch bedingten P-Nn-Übergang 24 bei null Volt Vorspannung etwa 70 μη-ι. Die Dichte der Löcherwolke nimmt sehr schnell mit dem Abstand vom metallurgisch bedingten Übergang ab. Bei einem Abstand von ungefähr 0,5 Lot: sinkt die Dichte der freien Löcher unter die Störstellendichte des Substrates ab. Der Abstand ist definiert als die effektive Tiefe Lett der Löcherwolke.

Sowohl Leitungs- als auch Valenzbänder in den elektronenverarmten Zonen 28 (Löcherdiffusion) und in den elektronendiffundierten Zonen 29 verschieben sich zur P-Ebene bzw. N-Ebene. Auf diese weise bilden sich unter den N+ -Zonen und den P-Zonen des Substrates vertikale, leitende Kanäle, die horizontal jeweils durch eine Potentialstufe voneinander getrennt sind. Wenn eine geringe Vospannung in Durchlaßrichtung entweder zwischen den getrennten N+ -Zonen 2 und 4 oder den P-Zonen 12 und 14 angelegt wird, ist ein Leckstromweg auf die leitenden Kanäle 29 oder 28 beschränkt und breitet sich im N-Substrat 20 aus. Dieser Strom ist in Fig. 1 durch die ausgezogenen Pfeilpfade im Substrat 20 gekennzeichnet. Mit zunehmender Spannung fließt außerdem ein zunehmender Anteil des raumladungsbegrenzten Stromes über die Defektelektronenbereiche zwischen den Kanälen. Dieser Strom ist vernachlässigbar klein.

Die soeben beschriebene Kanalisolationsstruktur tritt nur in Erscheinung, wenn das Substrat dieselbe Leitfähigkeit hat wie die hochdotierten, tief eindiffundierten Zonen, im Ausführungsbeispiel sind dieses die N-Ieitenden Zonen. Andererseits kann das Substrat 20 auch P-Ieitend sein, wobei die stark dotierten, tief eindiffundierten Zonen P+-Ieitend sind. Wenn die Leitfähigkeit jedoch P- wäre, und die stark dotierten, tief eindiffundierten Zonen N⁺ bleiben, bilden sich im Substrat 20 Verarmungszonen unter den N+ -Zonen. In diesem Fall würden sich die Verarmungszonen miteinander verbinden, weil die N+ -Zonen tiefer sind als die P-Diffusionen, so daß die Kanäle verschwinden und der Isolationswiderstand genauso groß wird wie der Ausbreitungswiderstand. Es hat sich dann auch tatsächlich gezeigt, daß Bauelemente dieser Art für die vorliegende Erfindung nutzlos sind.

Die für die Isolation zwischen N-Wannen und P-Wannen entwickelte äquivalente Schaltung ist in F i g. 2 gezeigt, wobei der RLB-Strom vernachlässigt ist. In diesem Fall beläuft sich der Isolationswiderstand zwischen je zwei N- oder P-Wannen auf:

R_is — 2R_c

R_sp

worin /?_c/, der Kanalwiderstand und R_sp der Ausbreitungswiderstand ist. Der Kanalwiderstand ist gegeben durch die Formel:

R_ch = η LI A

worin ρ der spezifische Widerstand des Substrates 20, L die Kanallänge und A die Querschnittsfläche des Kanals in der horizontalen Ebene (jir₀ ²) ist Der Ausbreitungswiderstand ist gegeben durch die Formel:

Rsp = i'/2r₀ (3)

worin /o der dargestellte Kanalradius ist, beispielsweise für die Bereiche 2 und 14 in Fig. 1.

Die Formel (1) gilt nur, wenn dP> ro. Wenn dPz. B auf /o (dP-r^) reduziert wird, würde R_sp um 50°Λ verringert. Wenn in diesem Falle R_sp in Gleichung (1 überwiegen würde, könnten die Wannen 2 und 4 nichi dichter als etwa 2 ro zueinander liegen. Da /o typischer weise etwa 13 μπι beträgt, beliefe sich der Mindestabstand dP zwischen Wannen gleicher Leitfähigkeit aul etwa 25 μίτι, womit hohe Packungsdichten unmöglich

in wären.

Andererseits ist R_Ch vom Abstand dP unabhängig solange die Kanäle 29 und 28 nicht zusammenbrechen Ein Kanalzusammenbruch läßt sich, wie weiter unten noch ausgeführt, unter bestimmten Voraussetzungen

is verhindern. Für spezifische widerstands-Werte des Substrats bei lOOOOkOcm und darüber überwiegt der Wert für R_ch und ist etwa um eine Größenordnung höher als R_sp. Somit kann der Ausdruck R_sp in (1] vernachlässigt und der jeweilige Abstand zwischen den RLB-Transistoren gut auf Werte unterhalb von 25 μΐη festgelegt werden.

Nimmt man z. B. an, daß die Wannen 2 und 4 einen Bereich A von 22 ■ 10⁶ cm² einnehmen (n, = 8 · 1O⁴Cm) und der spezifische Widerstand des Substrates ρ = 30

2s kQcm ist, dann würde die Tiefe des Verarmungsbereiches L = 70 · 10-" cm betragen. Setzt man diese Werte in die Gleichungen (2) und (3) ein, dann ergibt sich:

Reh =10,5 · 10⁷und
R_sp =18,8 ■ 10*. damit aus (1):

R₁S =22,9 · 10⁷

Testdaten für Bauelemente bestätigen diese Berechnungen, wobei für R,_s Werte zwischen 200 und 300 · 10' Ohm auftreten.

Fig. 3A und 3B zeigen einen Teil einer integrierter RLB-Schaltung mit zwei NPN-Transistoren, zwei PNP-Transistoren und zwei Widerständen (P-Typ und N-Typ), die vorzugsweise gleichzeitig in demselben Substrat 51 hergestellt werden. Die beiden NPN-Transistören in F i g. 3A enthalten die Emitterzonen 50 und 50' die Basiszonen 52 und 52' und die Kollektorzonen 53 und 53' und sind durch die P-Zone 55 voneinander isoliert. Die N+ -Zone 57 wirkt als Scheinzone, um die

4s P-Zone 55 an der Seite des N+-Kollektors 53 abgrenzend zu definieren. Das wäre z. B. nötig, wenn eir Transistor fehlt oder an der Kante eines Chips. Die beiden PNP-Transistoren enthalten die Emitterzoner 60 und 60', die Basiszonen 62 und 62' und die Kollektorzonen 63 und 63' und sind durch die N+-Zone 65 voneinander isoliert. Der P-Widerstand in Fig. 3E enthält die Zone 66, die durch die Zone 67 vom Substrat isoliert ist; der N-Widerstand enthält die Zone 69 unc die Kontaktzonen 70.

Die monolithisch integrierte Halbleiterschaltung kann mittels üblicher Diffusionsverfahren oder durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die Ionenim plantation ist besonders attraktiv für die Herstellung von Widerständen mit hohen Widerstandswerten. Zt diesem Zweck werden die Widerstandszonen währenc des P-Diffusions-Heizvorgangs abgedeckt und die Widerstände 66 und 69 dann separat in das Substrat 51 mit entsprechend hohem Widerstandswert implantiert Alle integrierten Bauelementkomponenten haben eine gemeinsame Außenzone 55 mit P-Störstellen. Die NPN-Transistoren und der N-Widerstand 69 sind damr gewissermaßen selbstisolierend. Die PNP-Transistorer und der P-Widerstand müssen von der Außenzone 5f

mit P-Störstellen und auch voneinander durch N-Isolationen 65 (Fig. 3A) und 67 (Fig. 3b) isoliert sein. Entsprechende Zonen sind vorzugsweise allen PNP-Transistoren und P-Widerständen gemeinsam, um so die Packungsdichte zu erhöhen. Die Anzahl der obenerwähnten Bauelemente innerhalb jeder separaten N-Isolationszone sollte in jedem Fall so groß wie möglich sein. Die separaten N-lsolationszonen können außerdem elektrisch über Metallisierungen miteinander verbunden sein.

Emitter-, Basis- und Kollektorzonen der Transistoren sowie die Zonen 67 und 69 für die Widerstände sind wie üblich an entsprechende Leitungszüge (nicht dargestellt) angeschlossen. Diese Leitungszüge dienen als elektrische Verbindungen zwischen Transistoren, Widerständen und Stromquellen. Der Emitter-Übergang eines jeden Transistors ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der Kollektor-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, um den Transistor- und Schaltbetrieb durchführen zu können. Bei einem Schaltvorgang kann jedoch der Kollektor-Übergang periodisch in Durchlaßrichtung und der Emitter-Übergang in Sperrichtung vorgespannt werden. Die äußeren P-leitenden und N-Ieitenden isolationszonen liegen vorzugsweise nicht an festem Bezugspotential. Die P-leitenden Zonen können auch mit der am meisten negativen Stromversorgungsleitung und die N-leitenden Zonen mit der am meisten positiven Stromversorgungsleitung verbunden sein, um damit den Isolationswiderstand zu erhöhen.

Um die Packungsdichte der in den Fig.3A und 3B gezeigten integrierten Schaltungsstruktur zu erhöhen, sollte Abstand zwischen benachbarten Bauelementen möglichst klein gehalten sein. Der Abstand zwischen den N-Kollektorzonen 53 und 53' in Fig. 3A, d.h. die Breite der P-lsolationszone 55, sollte daher möglichst klein sein. Versuchsergebnisse und theoretische Überlegungen zeigen jedoch, daß der hiermit gebildete Isolationskanal anfängt zusammenzubrechen, wenn der Abstand zwischen den Zonen 53 und 53' beider benachbarter Transistoren kleiner als ungefähr

Dieser Isolationskanal-Zusammenbruch zwischen beiden benachbarten N+ -Kollektoren 53 und 53' ist in Fig.4 angedeutet. Die Hoch-Niedrig-Übergänge 22 haben eine Tendenz von beiden Seiten, Elektronen seitlich in den Löcher-Akkumulationsbereich 28 unter der Zone 55 eindiffundieren zu lassen. Diese seitlich eindiffundierten Elektronen können den Verarmungsbereich 28 abschnüren und sogar die Löcherwolke zurückstoßen, wenn der Abstand kleiner als L_cn oder 0,5 Lde ist. Infolgedessen wird der im Substrat 20 gebildete P-N-Übergang 26 durch das Feld des metallurgischen P-N-Überganges 24 in Richtung auf den metallurgischen Übergang hin verschoben, so daß die Elektroner.wolken dazu neigen, sich miteinander zu verbinden; was zu einem Kurzschluß zwischen den beiden N+-Zonen führen kann. Der Wert von 0,5 Lde und somit der kleinstmögliche Abstand zwischen benachbarten Kollektoren wäre daher etwa 4,7 μτη für ein Substrat mit 30 kiicm. Diese Mindestabstände sollten jeweils auch für zwei durch eine N+-Zone getrennte P-Zonen eingehalten werden, wie z. B. die P-Zonen 60 und 63 und die N-Zone 62, die in Fig.3A einen PNP-Transistor bilden.

Eine wichtige Erkenntnis vorliegender Erfindung liegt darin, daß der oben angegebene Mindestabstand von 0,5 Lde rwischen zwei N+-Zonen sich um jeden Betrag reduzieren läßt, wenn die Breite der N⁴ -Zoner ebenfalls jeweils so reduziert wird, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

(IP/dN > 0,75

worin dN die Breite der N+-Zonen und dP die Breite der die dN+-Zonen trennenden P-Zone ist. Vorzugswei se gilt:

dP/dN> 1,0

Wie sich die geringere Breite der N+ -Zonen 53 unc 53" auswirkt, ist in F i g. 5 gezeigt. Die Dichte, unc dadurch L_cn, für die diffundierten Elektronenwolken ir der Zone 29 wird reduziert, weil die Breiten dN dei Hoch-Niedrig-Übergänge 22 geringer sind als L_en Somit wird das seitliche Eindringen der Elektronen ir die Verarmungszone 28 so klein wie möglich gehalten.

Der Mindestabstand zwischen zwei durch eine N+-Zone getrennte P-Zonen läßt sich ebenfalls aul jedes Maß reduzieren, wenn die P-Zonen ebenfalls se reduziert werden, daß folgende Bedingung eingehalter wird:

dN/dP > 0,25

Aus Kombination mit (7) folgt:
0,75 <dP/dN < 4

In Fig. 6 ist der Leckstrom über dem Verhältnis dP/dN für zwei Werte von dP aufgetragen, wobei beide Werte kleiner sind als L_ch- In beiden Fällen ist der Leckstrom relativ konstant, wenn das Verhältnis dP/dN größer ist als etwa 0,75. Wenn das Verhältnis dP/dN jedoch unter 0,75 absinkt, beginnt der Leckstrom beträchtlich zu steigen.

Aus Fig.6 ist weiter zu ersehen, daß die Kurve wesentlich steiler ansteigt, wenn die Breite der Bereiche abnimmt Die Steigung der Kurve für dP=2\im ist wesentlich größer als die für dP=3,25\Lm. Für den PNP-Transistor im N-Substrat der Fig. 1 erhaltene Ergebnisse zeigen, daß das Verhältnis dN/dPbis auf 0,25 heruntergehen kann, ohne daß die Isolation nennenswert vermindert wird, wenn die Trennung zwischen den P-Wannen kleiner ist als L_eff-

Das Isolationsmodell einer Halbleiteranordnung nach der vorliegenden Erfindung gilt auch für den Emitter-Kollektor-Abstand, also für die Basisweite, und den Abstand zwischen Basis und Isolationszone, also Kollektorweite, eines einzelnen Transistors in der integrierten Schaltung. Emitter-, Basis- und Kollektorweite müssen also ebenfalls den Gleichungen 7 und 9 genügen, um den Leckstrom zwischen Emitter und Kollektor bzw. Basis und Isolation möglichst klein zu halten oder Kurzschlüsse zu vermeiden.

Das Isolationsmodell läßt sich direkt auf Bauelemente anwenden, die in Streifenform ausgeführt sind, wie sie an anderer Stelle gezeigt sind. Der Kanteneffekt des elektrischen Feldes an den Ecken des Emitters von Bauelementen mit geschlossener Struktur wie in F i g. 3, ist jedoch von besonderer Bedeutung, weil hierdurch der Emitter-Kollektor-Leckstrom vergrößert wird.

Geschlossene Strukturen sind Strukturen, bei denen jeweils der Kollektor vollständig die Emitterzone umgibt Der Kanteneffekt für den Emitter des NPN-Transistors ist in Fig.3A angedeutet Der

Klarheit halber ist dies nur an der Oberfläche des NPN-Transistors gezeigt. Die Auswirkung ergibt sich tatsächlich in der hohen Widerstand besitzenden Basiszone unter der P-Diffusionszone 52, wenn eine entsprechende Vorspannung zwischen Emitter 50 und s Kollektor 53 angelegt wird. Infolgedessen wird die Potentialstufe im Substrat 51 zwischen Emitter und Kollektor reduziert. Dadurch wiederum nimmt der RLB-Leckstrom zwischen Emitter und Kollektor zu.

Eine ähnliche Flußinterferenz entsteht auch zwischen ι ο der N-Diffusionszone (Kollektor) im Substrat mit hohem Widerstand, wodurch der Basis-Isolationsleckstrom des NPN-Transistors erhöht wird. Dies tritt jedoch wegen der großen Tiefe der N-Zone weniger in Erscheinung. Die ^NP-Transistoren sind auf gleiche i_s Weise betroffen.

Zur Reduzierung des Kanteneffekts wählt man vorzugsweise eine Kreisform oder rundet die Ecken der aktiven Zonen ab. Fig. 7 zeigt einen NPN-Transistor mit einem ringförmigen Emitter 72 um P-Zone 76, in dem die Ecken des Emitters 72, der Basis 73 und des Kollektors 74 abgerundet sind. Meßergebnisse bei ringförmigen Zonenanordnungen dieser Art zeigen tatsächlich eine wesentliche Abnahme des Emitter-Kollektor-Leckstromes. Für Treiber mit hohem Strom muß der Emitterumfang des RLB-Transistors groß sein, was somit auch zu großer Emitterweite führt. Um das Verhältnis von Emitter- und Basisweite dP/dNoberhalb des Wertes von 0,75 zu halten, muß die Basisweite dP/dN oberhalb des Wertes von 0,75 zu halten, muß die Basisweite vergrößert werden, wodurch dann widerum die Leistung des RLB-Transistors herabgesetzt wird. Mit einem ringförmigen Emitter obiger Art für Treiber mit hohem Strom wird dieses Problem jedoch gelöst, weil dann der Emitterumfang von der Emitterweite unabhängig ist.

Es ist ein Isolationsmodell für integrierte RLB-Schaltungen beschrieben. Dicht an der Oberfläche des Halbleitersubstrats mit hohem Widerstand sind voneinander getrennte Störstellenzonen gleicher Leitfähigkeil mit Hilfe konventioneller metallurgischer Übergänge isoliert. Tief im Substrat erzielt man eine entsprechende Isolation mit elektrisch herbeigeführten Übergängen, die mit den oberhalb liegenden metallurgischen Übergängen in Verbindung stehen. Die elektrischen Übergänge bilden sich im Substrat zwischen den Löcher- und Elektronenwolken, die von den darüberliegenden P-leitenden und N-Ieitenden .StörsteHen7onen ausdiffundieren. Die elektrischen Übergänge führen zu vertikalen Kanälen derselben Leitfähigkeit wie die darüberliegende Störstellenzone. Wenn zwischen zwei getrennten Störstellenzonen desselben Typs eine Vorspannung angelegt wird, wird der Leckstrom auf die so gebildeten Kanäle hohen Widerstands begrenzt, um sich erst am Kanalende im Substrat hohen Widerstands auszubreiten. Die Kanallänge entspricht etwa 70 Ohm für ein Substrat mit 30 kQcm. Der resultierende Isolationswiderstand ist um eine Größenordnung größer als der aus dem Ausbreitungswiderstand alleine resultierende Wert. Der typische Isolationswiderstand zwischen zwei benachbarten Kollektoren beträgt 200 bis 300 · 10⁶Ω für ein Substrat mit 30 kncm. Durch Verringerung des Abstands zwischen den diffundierten N-leiienden oder P-leitenden Zonen wird der Isolationswiderstand nicht wesentlich herabgesetzt, wenn das Verhältnis dP/dN zwischen 0,75 und 4_:0 beibehalten wird, wobei dP und dN ja die Weiten der diffundierten P-leitenden und N+-leitenden Zonen sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, das einen spezifischen Widerstand von mindestens lOkOcm aufweist, einer auf dem Substrat befindlichen Halbleiter-Oberflächenschicht des entgegengesetzten Leitungstyps und mit streifenförmigen hochdotierten Zonen vom ersten Leitungstyp, die sich durch die gesamte Oberflächenschicht bis in das ι ο Halbleitersubstrat hinein erstrecken, wobei die dielektrische Relaxationszeit in den zwischen den hochdotierten Zonen liegenden Gebieten des Halbleitersubstrats sehr viel größer als die Laufzeit der Ladungsträger in diesen Gebieten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite dN der hochdotierten Zonen (2,4 16,50,50', 53,53', 57, 62, 62', 65, 67, 70, 72, 74) und die Breite dP der dazwischenliegenden Zonen (6,12,14,52,52', 55,60, 60', 63,63', 66,69,73, 75, 76) der Halbleiter-Oberflächenschicht derart bemessen sind, daß sie der Bedingung 0,75 < dP/dN< 4 genügen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bildung eines raumladungsbegrenzten (RLB) Transistors das Verhältnis dP/dN angenähert gleich »Eins« ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines RBL-Transistors die Emitter- und Kollektorzonen durch die hochdotierten Zonen (50, 53) und die Basiszone durch den hierzwischenliegenden Bereich (52) der Oberflächenschicht (55) dargestellt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines RBL-Transistors die Basiszone durch eine hochdotierte Zone (62) und die Emitter- und Kollektorzonen durch jeweils benachbarte Bereiche (60, 63) der Oberflächenschicht dargestellt sind, die wiederum von einer hochdotierten Zone (65) als Isolationszone umgeben sind.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der hochdotierten Zonen (72,74) und der dazwischenliegenden Zonen (73) als streifenförmig ausgebildete, in sich geschlossen verlaufende Zonen (72, 73, 74) jeweils die andere umgebend mit abgerundeten Ecken und Kanten versehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter eines RBL-Transistors eine in sich geschlossen verlaufende Zone (73) bildet.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistorpaar von einer gemeinsamen Isolationzone (65) umgeben ist und gegenseitig durch einen Isolationszonensteg isoliert ist, der entsprechende Seiten der gemeinsamen Isolationszone (65) miteinander verbindet.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine entsprechend dotierte Zone (66, 69) zwischen zwei hochdotierten Zonen (70) bzw. innerhalb einer in sich geschlossenen hochdotierten Zone (67) zur Darstellung eines Widerstands dient.