DE2538326A1

DE2538326A1 - Halbleiteraufbau

Info

Publication number: DE2538326A1
Application number: DE19752538326
Authority: DE
Inventors: Jorge Agraz-Guerena; Alan William Fulton
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1974-09-03
Filing date: 1975-08-28
Publication date: 1976-03-11
Also published as: ES440561A1; FR2284192B1; BR7505600A; AU8438775A; JPS5617828B2; IT1044030B; JPS5160177A; CH591164A5; US4199775A; SE408244B; NL7510336A; SE7509474L; ES442842A1; GB1521518A; FR2284192A1; MY8000165A; HK73179A; CA1044817A; US4076556A; BE832839A

Description

2B3832S

BLUMBACH · WESER ♦ BERGEN . KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radedcestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

Western Electric Company, Incorporated Agraz-Guerena 2-3

New York, IT.Y., USA

Haiti e i t er aufb au.

Die Erfindung betrifft einen Halbleiteraufbau mit einer auf einem Halbleitersubstrat liegenden Epitaxieschicht eines ersten Leitungstyps, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Erfindungsgemäß werden vertikale Dreielemente-Halbleiterbauelemente in einer Epitaxieschicht gebildet, die über einer relativ niederohmigen Zone eines Substrates liegt, so daß sich die Kollektor- und die Emitterzone von der jeweiligen Oberfläche der Epitaxieschicht aus erstreckt und die Basiszone zwischen dieser Emitter- und dieser Kollektorzone angeordnet ist und sich nicht bis zur freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht erstreckt.

Vorteilhafterweise können viele solche Bauelemente im Abstand voneinander angeordnet werden, um Logikschaltungskoiaplexe zu

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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erzeugen, und die niederohmige Zone des Substrates kann vorteilhaft erweise dazu verwendet werden, Energie an die Vertikalstrukturen zu verteilen. Außerdem können laterale Dreielemente-Bauelemente, die sich ebenfalls in der Epitaxieschicht befinden, dazu verwendet werden, den Zwischenelementen der vertikalen Strukturen Energie zuzuführen, ohne daß metallische Oberflächenverbindungen erforderlich wären.

Erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente erhält man durch einen Verfahrensablauf, der folgende Schritte enthält (auf die er jedoch nicht begrenzt ist), die an einem Chip (Plättchen) durchgeführt werden, das eine Epitaxieschicht eines ersten Leitungstyps aufweist, die auf einer Ohmschen Substratzone desselben Leitungstyps liegt:

1.) In der Epitaxieschicht wird eine Zone des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt, die sich durch die Epitaxieschicht hindurch zum Substrat erstreckt und so geformt ist, daß sie eine ausgewählte Zone der Epitaxies chi cht umschließt.

2.) Eine Zone-'-des entgegengesetzten Leitungstyps wird zwischen die Oberflächen der Epitaxieschicht, aber in einem Abstand von diesen, implantiert, so daß in Jeder umschlossenen Zone ein vertikales Dreielemente-Halbleiterbauelement gebildet wird. 3.) Kb? jede umschlossene Zone wird ein entsprechender metallischer Kontakt an der freiliegenden Oberfläche Epitax schicht gebildet, der über einem Teil der

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entsprechenden umschlossenen Zone liegt.

Die mithilfe dieser Schritte erzeugten Halbleiterbauelemente weisen vorteilhafterweise einen hohen Grad an Symmetrie hinsichtlich des elektrischen Verhaltens auf, und zwar aufgrund der Symmetrie des Störstellenprofils der implantierten Basiszone. In den solcherart gebildeten Halbleiterbauelementen können die Elemente an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht demzufolge als Kollektoren oder Emitter ohne Einbuße an elektrischer Leistungsfähigkeit verwendet werden. Für den Fall, daß eine Asymmetrie des elektrischen Verhaltens erwünscht ist, ist es theoretisch möglich, durch aufeinanderfolgende Implantierungen die gewünschte Asymmetrie zu schaffen. Mit aufeinanderfolgenden Implantierungen tritt jedoch eine Verbreiterung der Basiszone auf, was unerwünscht sein kann.

Aufgrund der Symmetrie der erfindungsgemäß erhaltenen vertikalen Dreielemente-Bauelemente ist es vorteilhafterweise möglich, komplexe Logikschaltungsanordnungen zu erzeugen, bei welchen die Kollektoren der Bauelemente entweder an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht oder an der an das Substrat angrenzenden Oberfläche der Epitaxieschicht liegen können. Somit können leistungsfähige Logikschaltungsanordnungen, wie die in den Fig. 3 und 6 gezeigten, hergestellt werden.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung liegt eine IT-leitende Epitax schicht auf einem IT+ -Substrat, und die

ι t /η■-'-b

NPN-Bauelemente aufweisenden "Vertikalstrukturen sind durch
entsprechende niederohmige P-leitende Zonen umgeben, die zur
Verbindung der P-Elemente der vertikalen Strukturen untereinander und mit einer Signalquelle dienen.

Vorteilhafterweise erlauben die Dreielemente-Vertikalstrukturen, wie sie zuvor beschrieben sind, das Aufbringen metallisierter Kontakte auf der Oberfläche der Epitaxieschicht, so daß Ohm'sche Kontakte geringen Widerstandes und Schottky-Diodenkontakte selektiv gebildet werden können.

Die vertikalen Dreielemente-Halbleiterbauelemente, die erfindungsgemäß aufgebaut sind, weisen gegenüber bekannten Drei-Elemente-Vertikalbauelementen, deren Kollektoren an den freiliegenden Epitaxieschichtoberflächen liegen, eine verbesserte
Ansprechzeit auf. Deren Ansprechzeit ist verbessert ohne eine Energieerhöhung des angelegten Signals und deren äußerste Ansprechzeit bei erhöhter Energie ist kleiner als die Ansprechzeit bekannter Bauelemente. Die Möglichkeit, Schottky-Dioden
bauelemente, wie sie bekannt sind, an den Kollektoren dieser
vertikalen Bauelemente vorzusehen, reduziert außerdem die Erfordernis für Zwischenverbindungen in Lokigschaltungskomplexen und macht reduzierte Logiksignalwerte verfügbar.

Die Ansprechzeit der erfindungsgemäßen vertikalen Bauelemente ist als direktes Ergebnis der Störstellenprofile solcher Bauelemente gegenüber bekannten vertikalen Doppeldiffusionsstrukturen verbessert. Die erfindungsgemäße implantierte Basis weist

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■bezüglich der Emitter- und der Kollektorzone ein symmetrisches Störstellenprofil auf, und diese Symmetrie trägt dazu bei, das verlangsamende Feld auszuschalten, das in vertikalen Doppeldiffusionsstrukturen auftritt, bei welchen der freiliegende Teil der Epitaxieschicht als Kollektor zone verwendet wird. Außerdem ist die Ladung in der Emitterzone bekannter vertikaler Doppeldiffusionsstrukturen wesentlich höher als die Ladung in der Emitterzone erfindungsgemäiSer Bauelemente. Diese Ladungsverringerung trägt ebenfalls dazu bei, die Anspruchszeit dieser Bauelemente zu verbessern. Die Kollektorzonen vertikaler Bauelemente, die mit dem bekannten Doppeldiffusionsverfahren hergestellt sind, haben einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die Kollektorzonen der erfindungsgemäß hergestellten vertikalen Bauelemente, und deshalb weisen diese bekannten Bauelemente eine höhere Kollektor-Basis-Kapazität auf, was zu einer Erhöhung der Ansprechzeit beiträgt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer IT-leitenden Epitaxieschicht auf einem if+ -Substrat erläutert wird, ist es natürlich möglich^ die vorliegende Erfindung durch die Verwendung einer P-leitenden Epitaxieschicht auf einem P+ -Substrat praktisch auszuführen. Die resultierenden vertikalen PKP-Strukturen weisen längere Ansprechzeiten als die entsprechenden NPIT-Bauelemente des hier erläuterten Ausführungsbeispiels, und zwar aufgrund der natürlichen geringeren Beweglichkeit von Löchern, im Vergleich zu Elektronen. Außerdem ist der Bereich der Metalle, die zur Erzeugung von Schottky-Diοden auf der freiliegenden

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Oberfläche von PNP-Bauelementen geeignet sind, viel stärker begrenzt.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Diagramm eines bekannten Bauelementes, das einen Multikollektortransistor aufweist sowie eine mit dessen Basis verbundene laterale Dreielemente-Stromquelle ;

Fig. 2 ein Querschnitt der körperlichen Ausführungsform der bekannten Schaltung nach Pig. 1; Pig. 3 zwei der Schaltungsanordnungen nach Pig. 1 in Kaskade, wobei jedem der Kollektoren eine Schottky-Diode beigefügt ist;

Pig. 4 einen Querschnitt einer körperlichen Ausführungsform der Schaltung nach Pig. 3;

Pig. 5 eine mögliche Anordnung mehrerer Bauelemente, wie sie in den Pig. 3 und 4- gezeigt sind, zusammen mit den Anordnungen für die Verteilung von E ergie und Signalen; Pig. 6 ein schematisches Diagramm einer Variante der Schaltung nach Pig. 3» bei welchem einem einzigen Kollektor drei Schottky-Barrier-Dioden zugeordnet sind. Pig. 7 ein Querschnitt einer körperlichen Ausführungsform der Schaltung nach Pig. 6; und

Pig. 8 und 9 Querschnitte von Varianten der Anordnung nach Pig. 4- zur Erzeugung isolierter Transistoren.

Logikschaltungen wie die bekannte Schaltung nach Pig. 1 und erfindungsgemäße Schaltungen wie die in den Pig. 3 und 6 ge-

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zeigten sind in komplexen Anordnungen typischerweise in Kaskade geschaltet, um gewünschte Logikfunktionen zu erhalten. Typischerweise ist ein Kollektor, "beispielsweise A1 der Schaltung nach Fig. 1, mit einem Eingangs- oder Basisanschluß A einer nachfolgenden Schaltung verbunden. Der Leitungszustand eines Transistors 102 mit Vielfachkollektor, dessen Emitter mit Erde, dessen Basis mit dem Anschluß A und dessen drei Kollektoren mit Anschlüssen A1, A2 bzw. A3 verbunden sind, wird durch den Zustand der die Basis des Transistors 102 treibenden Schaltung gesteuert. Die das Potential +V aufweisende Stromquelle und ein Transistor 101 befinden sich andauernd im leitenden Zustand. Der am Kollektor des Transistors 101 auftretende Strom dient zum Einschalten des Transistors 102, es sei denn, der Kollektorstrom des Transistors 101 wird über einen Weg geringerer Impedanz derart abgeleitet, daß das Potential an der Basis des Transistors 102 niedriger als die Einsehaltspannung des Transistors 102 ist. Typischerweise liegt die Einsehaltspannung des Transistors 102 bei 0,6-0,7 Volt. Wenn sich der mit dem Anschluß A in Fig. 1 verbundene treibende Transistor im leitenden Zustand befindet, wird der Strom vom Kollektor der Stromquelle 101 über einen Weg, welcher die Übergänge von Kollektor nach Basis und von Basis nach Emitter des treibenden Transistors einschließt, nach Erde abgeleitet. Im leitenden Zustand liegt das Potential am Kollektor des treibenden Transistors im Bereich von 0,05-0,1 Volt. Die Größe des Spannungsabfalls hängt vom Bauelementeaufbau ab und kann während der Herstellung innerhalb angemessener Grenzen gesteuert werden. Demzufolge wird der Strom von der Stromquelle 101 über den treibenden Transistor nach Erde abgeleitet und der Transisto:

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102 wird im AUS-Leitungszustand gehalten.

Wenn sich der treibende Transistor im nichtleitenden Zustand befindet, wird die Impedanz des über die Übergänge von Kollektor nach Basis und von Basis nach Emitter dieses Transistors nach Erde führenden Weges extrem hoch und es wird sehr wenig Strom von der Stromquelle 101 über diesen Weg nach Erde abgeleitet. Demzufolge fließt der Strom vom Stromquellentransistor 101 in den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 102 und bringt den Transistor 102 in den EIN-Leitungszustand.

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung, die zwei Schaltungen oder Stufen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, in Kaskade aufweist, ändert sich die Spannung am Knoten A des getriebenen Transistors zwischen 0,05 Volt und etwa 0,7 Volt. Die auf den getriebenen Transistor 102 ausgeübte Steuerung wird hauptsächlich durch den steuernden Strom zwischen dem Basis-Emitter-Übergang des getriebenen Transistors und den Kollektorkreis des treibenden Transistors bewirkt. Da damit zu rechnen ist, daß der treibende und der getriebene Transistor auf einem einzigen Chip (Plättchen) untergebracht ist, auf welchem sich keine bemerkenswerte Rauschquelle befindet, ist die zuvor beschriebene Signaländerung von etwa 600 Millivolt am Knoten A unangemessen hoch und unvereinbar mit schnellem Einschalten und, in geringeren Grad, mit schnellem Ausschalten des getriebenen Transistors.

Die zeitliche Verzögerung beim Einschalten des getriebenen Transistors ist direkt proportional zur Größe der Spannungs-

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Schwankung am Eingang, beispielsweise an der Basis des getriebenen Transistors. Wie hier zuvor erläutert, stellt die Arbeitsgeschwindigkeit der erfindungsgemäß aufgebauten Bauelemente eine bedeutende Verbesserung gegenüber bekannten Aufbauten dar. Wie vorstehend erläutert, beruht dies auf den verbesserten Störstellenprofilen. Eine zusätzliche Verbesserung der Schaltungsleistungsfähigkeit kann dem Vorhandensein von Schottky-Dioden zugeschrieben werden, wie sie in der Schaltungsanordnung der Fig. 3 gezeigt sind. In Fig. 3 sind ein getriebener Transistor 302, eine Stromquelle 301 für den Transistor 303» ein treibender Transistor 312, eine Stromquelle 311 für den treibenden Transistor 312 und eine Mehrzahl Schottky-Dioden, beispielsweise 313 und 303, dargestellt, die in -den Kollektorkreisen sowohl des treibenden als auch des getriebenen Transistors 312 bzw. 302 angeordnet sind. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Eollektoranschluß A1 des treibenden Transistors 312 mit einem Enoten A¹ verbunden, welcher der Basisanschluß des getriebenen Transistors 302 ist. Eine Schottky-Diode, beispielsweise 315» hat typischerweise einen Durchlaß-Schwellenwertspannungsabfall im Bereich von 0,4-0,5 YoIt. Die Größe des Spannungsabfalls kann bei der Herstellung bestimmt und gesteuert werden. Wenn der Durchlaßspannungsabfall der Diode 315 zvan Spannungsabfall des treibenden Transistors 312 im EIN-Zustand addiert wird, führt mir den EM-Zustand des Transistors 312 zu einem Potential zwischen 0,45 und 0,6 Volt. Wie zuvor erläutert, werden die wirklichen Spannungsabfalle der Diode und des Transistors durch Aufbau

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und Herstellungssteuerung gesteuert. Das maximale Potential am Knoten A wird durch den Basis-Emitter-Abfall des getriebenen Transistors 302 bestimmt, und dieser Spannungsabfall liegt, wie zuvor erwähnt, im Bereich von 0,7 Volt. Dementsprechend ist es möglich, daß die Spannung am Knoten A zwischen 0,45 und 0,7 Volt geändert werden kann, um den AUS- und den EIN-Zustand des getriebenen Transistors 302 zu bestimmen. Diese Schwankung von 0,4-5 bis 0,7 Volt oder von 250 Millivolt ist wesentlich niedriger als die Signalschwankungsbreite in Schaltungen bekannter Art gemäß Darstellung in Fig. 1. Dementsprechend sind die Einschaltzeiten des getriebenen Transistors der in J¹Ig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung wesentlich kleiner als diejenigen der Schaltungen gemäß Fig. 1. Die Schwankungsbreite von 250 Millivolt ist berechnet auf der Grundlage eines minimalen Spannungsabfalls im Kollektorkreis des treibenden Transistors und minimalen Durchlaßspannungsabfalls der Schottky-Diode im Kollektor des treibenden Transistors. Es kann erwartet werden, daß sich im wirklichen Fall die Spannung am Knoten A eines getriebenen Transistors aufgrund von Konstruktionsmaßnahmen in einem Schwankungsbereich von etwa 100 Millivolt ändert, und zwar zwischen einer AUS-Spannung von 0,6 Volt und einer EIN-Spannung von etwa 0,7 Volt. Diese Schwankungsbreite führt zu einer recht beträchtlichen Reduzierung der Ansprechzeit. Demzufolge bringt die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 eine wesentliche Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit für einen gegebenen Leistungswert und für einen gegebenen Transistoraufbau mit sich.

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Logikfunktionen können dadurch, ausgeführt werden, daß die Kollektoransclilüsse zweier unabhängiger Stufen miteinander verknüpft werden. Solche miteinander verbundenen 'Transistoren dienen zur Erzeugung einer UITD-Funktion. Wenn die beiden (oder mehr) Transistoren, deren Kollektoren miteinander verknüpft sind, sich im nichtleitenden Zustand befinden, wird der Strom von der Stromquelle der getriebenen Stufe so gesteuert, daß der Transistor der getriebenen Stufe auf EIN geschaltet wird. Wenn jedoch der treibende Transistor leitend ist, wird der getriebene Transistor im AUS-Zustand gehalten. Bekanntlich können andere Logikfunktionen, beispielsweise ODER, ausgeführt werden durch die Verwendung einer Inversion und dieser grundsätzlichen Zusammenschaltung der Kollektoranschlüsse zur Erzeugung einer MBr-Funktion.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 befindet sich der Transistor 302 nie im vollständig nichtleitenden Zustand. Das heißt, wenn die Spannung an dessen Basisanschluß typischerweise zwischen 0,6 und 0,7 Volt verändert wird, variiert der Koliektorstrom zwischen einem Wert entsprechend geringer Leitung, beispielsweise 1 oder 2 Prozent der Sättigung, und einem Strom entsprechend relativ hohem Leitungswert, beispielsweise einem Milliampere*. Dementsprechend ist eine Schottky-Diode in einem Kollektorkreis des Transistors 301, beispielsweise die Diode 305? für alle Leitungszustände des Transistors 302 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und es treten keine großen Signalschwankungen am Kollektor des Transistors 302 auf.

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Die den Transistoren, beispielsweise 302 und 312, und den Schottky-Dioden, beispielsweise 303» 304 und 305» zugeordneten Spannungsabfälle sind typisch für einen bestimmten Wert des Stromes, der durch den Stromquellentransistor 301 geliefert wird. Die, Spannungsabfälle in den Transistoren, beispielsweise 312, und in den Schottky-Dioden, beispielsweise 315» sind,beide in gleicher Weise mit der Größe des vom Transistor 301 gelieferten Stroms verknüpft. Wenn sich der Strom von der Quelle 301 durch Konstruktionseinflüsse oder andere Umstände innerhalb vernünftiger Grenzen ändert, folgen die durch den Transistor und durch die Schottky-Dioden beigesteuerten Spannungsabfälle im wesentlichen parallelen Maßstabsänderungswegen. Dementsprechend neigt die Größe der Differenz zwischen der EIU- und der AUS-Spannung' an der Basis des getriebenen Transistors dazu, unabhängig von der Größe des von der Quelle 301 gelieferten Stroms konstant zu bleiben. In gleicher Weise folgen die Spannungsabfälle im Transistor, beispielsweise 312 und der Schottky-Diode, beispielsweise 315» im wesentlichen parallelen Haßstabsänderungswegen als Funktion einer Temperaturänderung innerhalb vernünftiger Grenzen. Deshalb neigt die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 "bei Temperaturänderungen innerhalb vernünftiger Grenzen dazu, eine konstante Spannungsdifferenz an der Basis des Transistors 302 aufrechtzuerhalten. Als Folge davon ist die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 selbstkompensierend gegenüber dem Auftreten angemessener Größenänderungen des von der Stromquelle 301 gelMerten Stroms, und sie kompensiert angemessene Temperaturänderungen der Bauelemente.

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Eine Seitenansicht einer typischen Anordnung, "beispielsweise des Stromquellentransistors 301 und des getriebenen Transistors 302 ist in Pig. 4 dargestellt. Die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Pig. 4 verwendet eine N-leitende Epitaxieschicht 401, die über einem N+ -Substrat 403 liegt. Die Elemente der Seitenansicht der Fig. 4 kann man am besten verstehen, wenn man die entsprechende Draufsicht der Fig. 4 und die Schaltung der Fig. betrachtet. Die in der Schaltung der Fig. 3 verwendeten Buchstabenkennzeichnungen stimmen mit denjenigen überein, die in den Fig. 4 und 5 der Vorrichtung verwendet sind.

Die Elemente eines Dreielemente-Halbleiterbauelementes werden gewöhnlich willkürlich als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet, und zwar entsprechend der besten Betriebsart des Bauelementes. Dies geschieht in Berücksichtigung der Tatsache, daß Dreielemente-Halbleiterbauelemente hinsichtlich Aufbau und elektrischem Verhalten generell nicht symmetrisch sind. Die in einem Dreielemente-Halbleiterbauelement vorhandene gewöhnliche Asymmetrie liegt in der Basiszone des Bauelementes und ist durch die Dotierung von Kollektor und Emitter bedingt. Beispielsweise ist bei der bekannten Anordnung gemäß Fig. 2 die Basiszone 204 an den dichter an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht liegenden Teilen stärker dotiert als in demjenigen Teil, der näher am Substrat 203 liegt. Da bei der bekannten Anordnung gemäß Fig. 2 der StörStellengradient in der Basiszone 204 in Sichtung Emitter zeigt, der aus der epitaktischen Schicht 201 gebildet wird, wird dieses Bauelement vom Standpunkt einer akzep-

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tierten Terminologie her in inverser Weise betrieben. Das heißt, die Geometrie der zuvor genannten Zonen der Fig. 2 und die Störstellenprofile in diesen genannten Zonen in Fig. 2 sind derart, daß das elektrische Verhalten besser ist, wenn eines der Elemente 205, 206, 207 als Emitter und derjenige Teil der Epitaxieschicht 201, der ein aktives Element des Dreielemente-Bauelementes bildet, als Kollektor verwendet wird. Im Durchlaßmodenbetrieb des Bauelementes der Fig. 2 ist es somit möglich, mehrere Emitter aber nicht mehrere Kollektoren zu haben, wie es für die Logikschaltungen der Fig. 1 und 3 erforderlich ist. Da das Bauelement gemäß Fig. 2 in inverser Weise betrieben werden muß, um die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zu erhalten, leidet die elektrische Leistungsfähigkeit dieser Schaltungsanordnung hinsichtlich Verstärkung und Ansprechzeit.

Der Stromquellentransistor 101 der Fig. 1 setzt sich in Fig. 2 aus der Emitterzone 208, einem aktiven Basisteil der Epitaxieschicht 201 ufid einem aktiven Kollektorteil der Zone 204- zusammen. In der Anordnung gemäß Fig. 2 ist die Emitterzone 203 des Stromquellentransistors 101 der Fig. 1 vollständig von IT-leitendem Epitaxiematerial umgeben, während im Aufbau gemäß Fig. 4 die Emitterzone 404 des Lateral-Stromquellentransistors 311 der Fig. 3 an das Ohm'sche Substrat angrenzt. Da die Emitterzone 404 am Substrat und an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht von IT+ -Material umgeben ist, ist die Injektion auf die seitliche IT-Zone 406 der Epitaxieschicht begrenzt. Dies verringert die gespeicherte Ladung im Lateral-PlTP-Transistor. Überdies verbessert die in Fig. 4 gezeigte Ohm'sche N+ -Zone

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405 die elektrische Leistungsfähigkeit des lateral-Stroiaquellentransistors 311, da sie dazu "beiträgt, eine Rekombination von Minoritätsträgern an der freiliegenden Oberfläche zu verhindern, und sie somit die Verstärkung des Lateral-Stromquellentransistors erhöht.

Eine mögliche körperliche Anordnung einer Anzahl von Vielfachkollektortransistoren ist in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 wird Energie (+V) an die freiliegende Oberfläche der Epitaxieschicht angelegt und mittels P+ -Kanälen verteilt, die sich von der Oberfläche der Epitaxieschicht hindurch zum Substrat erstrecken. Dementsprechend sind die Emitter der Lateral-Stromquellentransistoren, beispielsweise 301 und 311, durch die P+ -Kanäle untereinander verbunden, und zur Energiezufuhr reicht ein einziger metal liserter Kontakt aus, wenn nicht zusätzliche Verbindungen verwendet werden, um den Schaltungswiderstand zu verringern. In glei-" eher Weise besteht ein verteilter Erdanschluß über das N+ -Substrat, welches an die Emitter, beispielsweise 402 in Fig. 4, angrenzt. Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, sind die Basiszonen B der drei Vertikaltransistoren der Fig. 4 untereinander durch die Vertikaltransistoren umgebende, durch die Epitax schicht hindurchreichende P+ -Kanäle verbunden. Ein aktiver Teil dieses P+ - Kanals weist den Kollektor des Lateral-Stromtransistors auf und der Rest des P+ -Kanals dient dazu, den Kollektor mit den Basiszonen der drei Vertikaltransistoren der Fig. 4 und 5 miteinander zu verbinden. Die in Fig. 4 dargestellte Transistorkonfiguration kann über metallisierte Oberflächenverbindungen _}

Mi 9 R 1 Ί / 0 *? Π 8

die über einer nichtleitenden Schicht, beispielsweise einer Oxidschicht, liegen, mit einer gleichen Konfiguration verbunden werden, oder sie kann an andere Bauelemente auf dem Chip oder außerhalb des Chips angeschlossen werden.

Eine mögliche Variation der körperlichen Struktur der Pig. 3> 4- und 5 ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. In Fig. 6 ist eine Schaltung gezeigt, bei welcher ein Vertikaltransistor verwendet wird mit einem einzigen Emitter, einer einzigen Basis und einem einzigen Kollektor, an welchen mehrere Schottky-Dioden angeschlossen sind. Die in Fig. 3 dargestellten Transistoren 302 und 312 sind so gezeigt, als ob sie einen einzigen Emitter, eine einzige Basis und eine Mehrzahl Kollektoren aufweisen; wie..Fig. 4 zeigt, liegen jedoch tatsächlich drei getrennte Vertikal transistoren vor, deren Emitter und Basen so miteinander verbunden sind, daß diese drei Vertikaltransistoren dazu neigen, wie ein Transistor zu arbeiten. Wie Fig. 7 zeigt, wird die Schaltung naoh Fig. 6 erreicht mithilfe einer einzigen vertikalen WPN-Struktur, deren Kollektorzone drei metallisierte Schottky-Kontakte aufweist. In Fig. 7 ist ein lateraler Stromquellentransistor, der einen Emitter 704, eine Basis 706 und einen Kollektor umfaßt, der ein9n aktiven Teil einer durch die Epitaxieschicht hindurchreichenden P+ -Zone 717 aufweist, zusammen mit einem vertikalen Transistor gezeigt, der eine Kollektorzone 718, eine implantierte Basiszone 719 und eine Emitterzone 720 enthält. Die Struktur der Fig. 7 entspricht derjenigen der Fig. 4- mit der Ausnahme, daß zwei der drei vertikalen Strukturen

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der Fig. 4- weggelassen und drei metallisierte Kontakte an der Kollektorzone 718 vorgesehen sind. Die Schaltung nach Fig. 6 weist gleiche elektrische Eigenschaften wie diejenige nach Fig. 3.auf.

Eine mögliche Variante der Grundstruktur der Fig. 4- ist in den Pig. 8 und 9 gezeigt. In den Fig. 8 und 9 ist ein Dreielement-Vertikal transistor über einer IT+ -Zone gebildet, die in einem P-leitenden Substrat erzeugt ist. Die IT+ -Zone 830 kann im P-leitenden Substrat vor dem Zeitpunkt gebildet werden, zu welchem die Epitaxieschicht auf diesem erzeugt wird. Für den erfindungsgemäßen Zweck arbeitet die IT+ -Zone 830 in derselben Weise wie ein N+ -Substrat wie 403 in Fig. 4-. In Fig. 8 ist ein einziger vertikaler Dreielemente-Transistor mit einem Schottky-Diodenkontakt am Kollektor gezeigt, während in Fig. 9 in ähnlicher Weise ein einziger Dreielemente-Vertikaltransistor mit einer Ohm'sehen Verbindung an der Oberfläche dargestellt ist. In den Fig. 8 und 9 existiert eine Verbindung zum Emitter über eine Ohm'sche Verbindung an der Oberfläche der Epitaxischicht, und eine Verbindung zur Basis wird durch eine Ohm'sche Verbindung zu der durch die Epitaxieschicht hindurchreichenden P+ -Zone und somit über den den Vertikaltransistor umgebenden Bereich hergestellt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen, daß es möglich ist, entsprechend der Erfindung innerhalb eines einzigen Chips getrennte Bauelemente zu erzeugen, und daß eine Verbindung zu solchen Bauelementen

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über Ohm'sche Kontakte an der Oberfläche der Epitaxieschicht hergestellt werden kann.

Der Aufbau und das Verfahren der vorliegenden Erfingung können durch leicht verfügbare Technologie erreicht bzw. durchgeführt werden. Das heißt, Standardhalbleiterverarbeitungsschrifcte, beispielsweise maskieren, ätzen, diffundieren und Ionenimplantation, werden zur Herstellung der beanspruchten Strukturen verwendet. Die hier angegebene Herstellungsmeiihode ist mehr im Hinblick auf die Wirkung als auf spezielle Verfahren dargelegt worden, es sei denn, das Verfahren ist wesentlich für die Ausführung der Erfindung. Beispielsweise werden bei der Ausführung der Erfindung die Basiszonen der vertikalen Transistoren mittels Ionenimplantation erzeugt. Es folgt eine kurze Erläuterung typischer Schritte, die bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Struktur und bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.

Der Halbleiterkörper umfaßt ein N+ -Substrat (oder ein P-Substrat mit einer oder mehreren zuvor in das P-leitende Substrat diffundierten N+ -Zonen) und eine über dem Substrat liegende übliche IT-leitende Epitaxieschicht. Herkömmliche liaskierungsmethoden werden dazu verwendet, die Stellen der durch die Epitaxieschicht hindurchreichenden P+ -Zonen festzulegen, die nachfolgend durch Standarddiffusionsmethoden erzeugt werden. Ein zweiter Maskierungsschritt wird zur Festlegung derjenigen Bereiche verwendet, in welche die P-leitenden Basiszonen im-

B ύ 9 θ 11 / 0 7 Π 6

plantiert werden sollen. Für diesen Punkt im Verfahrensablauf werden wiederum herkömmliche Methoden des Maskierens und der Ionenimplantation verwendet. Im Anschluß an die Herstellung der Basiszonen der vertikalen Transistoren wird ein dritter Maskiervorgang verwendet, um ein Muster für eine dünne IT+ -Schicht an ausgewählten Stellen der Oberfläche zu erzeugen, an welchen ein Ohm'scher Kontakt mit den N-leitenden Zonen erwünscht ist. Diese dünne IT+ -Zone kann durch Diffusion oder durch Ionenimplantation hergestellt werden. Anschließend wird ein Kontaktfenstermuster erzeugt, um diejenigen Stellen festzulegen, an welchen Schottky-Diodenkontakte "gebildet werden sollen. Die Bauelemente auf dem Halbleiterkörper werden danach miteinander verbunden, und zwar durch einen Metallisierungsvor-gang (beispielsweise Aluminium), der sowohl für die Ohm'sehen als auch die Schottky-Diodenkontakte geeignet ist.

ü 9 81 1 / 0 7 f] 6

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

ZWIRNER - HIRSCH 2 5^8326

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Patentansprüche

/i.)y Halbleiteraufbau mit einer auf einem Halbleitersubstrat liegenden Epitaxieschicht eines ersten Leitungstyps, gekennzeichnet durch eine erste Zone (402) des entgegengesetzten Leitungstyps, die sich durch die Epitax schicht (401) hindurch erstreckt und eine derartige Form aufweist, daß sie eine entsprechende ausgewählte Zone der Epitaxieschicht (401) umschließt, eine zweite Zone (B) dieses entgegengesetzten Leitungstyps, die sich innerhalb der umschlossenen Zone zwischen den Oberflächen der Epitaxieschicht, aber in einem Abstand von diesen befindet,

und einen metallisierten Kontakt (A, A^) an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht, der über einem Teil einer entsprechenden umschlossenen Zone liegt.
2.) Halbleiteraufbau nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der

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metallisierte Eontakt (A,) eine Schottky-Diode (313) bildet.
3.) Halbleiteraufbau nach. Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Störstellenprofil der zweiten Zone (B) im wesentlichen symmetrisch zu den Oberflächen der Epitaxieschicht - (401) ist.
4.) Halbleiteraufbau nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem metallisierten Kontakt (A) um eine Ohm'sche Verbindung handelt.
5.) Halbleiteraufbau nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß sich eine dritte Zone (404) des entgegengesetzten Leitungstyps durch die Epitaxieschicht (401) hindurch zum Substrat (403) erstreckt und einen Abstand von der ersten Zone (402) aufweist, so daß ein Lateraltransistor gebildet ist.
6.) Halbleiteraufbau nach Anspruch 5»

dadurch gekennzeichnet, daß eine Ohm'sche Zone (405) des ersten Leitungstyps an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht zwischen der ersten (402) und der dritten (404) Zone vorgesehen ist.

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7·) Halbleiteraufbau nach Anspruch. 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4-03) vom ersten Leitungstyp und stark dotiert ist.
8.) Halbleiteraufbau nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4-03) vom entgegengesetzten Leitungstyp ist und daß im Substrat eine Zone (830) des ersten Leitungstyps mit einem Elektronenüberschuß vorhanden ist, die unter der umschlossenen Zone und der einschließenden Zone in der Epitaxieschicht liegt.
9·) Verfahren zur Herstellung von integrierten Kalbleiterbauelementen auf einem Chip (Plättchen), der eine Epitaxieschicht eines ersten Leitungstyps aufweist, die auf einem Substrat desselben Leitungstyps aber mit höherer Leitfähigkeit als derjenigen der Epitaxieschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Epitaxieschicht eine Zone des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt wird, die sich durch die Epitaxieschicht hindurch zum Substrat erstreckt und so geformt ist, daß sie eine ausgewählte Zone der Epitaxieschicht umschließt, daß eine Zone des entgegengesetzten Leitungstyps zwischen die Oberflächen der Epitaxieschicht, aber in einem Abstand von diesen implantiert wird, so daß in jeder umschlossenen Zone ein vertikales Dreielemente-Halbleiterbauelement Ke-

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bildet wird; und

daß für jede umschlossene Zone ein entsprechender metallischer Eontakt an der freiliegenden Oberfläche der Epitaxieschicht gebildet wird, der über einem Teil der entsprechenden umschlossenen Zone liegt.
10.) Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß in der Epitax schicht eine weitere Zone des entgegengesetzten Leitungstyps gebildet wird, die sich durch die Epitaxieschicht hindurch zum Substrat erstreckt und in einem Abstand von der anderen sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Zone des entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist, so daß in der Epitaxieschicht eine Lateraltransistorschaltung gebildet wird.
11.) Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der Epitaxieschicht in dem die sich durch die Epitaxieschicht hindurcherstreckenden Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps trennenden Bereich eine Zone des ersten Leitungstyps mit starker Dotierung erzeugt wird.

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