DE2554426B2

DE2554426B2 - Verfahren zur Erzeugung einer lokal hohen inversen Stromverstärkung bei einem Planartransistor sowie nach diesem Verfahren hergestellter invers betriebener Transistor

Info

Publication number: DE2554426B2
Application number: DE2554426A
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Murrmann; Ernst Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Wittenzellner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1978-10-26
Also published as: FR2334198B1; JPS5269277A; US4118251A; IT1064433B; GB1502229A; FR2334198A1; DE2554426C3; DE2554426A1

Description

Es sind Digitalschaltungen bekannt (Valvo-Berichte, Band XVIII, Heft 1/2, Seiten 215 bis 226), die die sogenannte integrierte Injektionslogik (I²L)^verwenden. Der Grundgattertyp dieser Technik benötigt nur sehr wenig Kristallfläche, und die Verlustleistung kann außerordentlich niedrig gehalten werden. Als Schaltelemente werden bipolare doppeltdiffundierte oder implantierte Transistoren verwendet. Bei einem invers betriebenen Transistor befindet sich aber im Gegensatz zu einem Transistor der üblichen Planartechnik die Emitterzone nicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers beziehungsweise eintr auf einem Halbleitersubstrat abgeschiedenen epitaktischen Schicht, sondern im Halbleiterkörper selbst, das heißt, unterhalb der Oberfläche der epitaktisch abgeschiedenen Schicht. Ein invers betriebener npn-Transistor hat also zum Beispiel eine η-leitende epitaktische Schicht, die normalerweise den Kollektor eines gewöhnlichen Transistors bildet, als Emitter, während die letzte η+ -Diffusion, die normalerweise den Emitter des gewöhnlichen Transistors bildet, als Kollektor dient Dies bedeutet, das Schaltelement der /²L-Technik ist ein invers betriebener bipolarer npn-Transistor in herkömmlicher Planartechnik.

Ein wesentlicher Vorteil der integrierten Injektionslogik liegt in der sehr hohen Packungsdichte, die auf einem Halbleiterkörper für die integrierte Schaltung zu erzielen ist Dies beruht darauf, daß bei einem entsprechenden Schaltungskonzept keine gegenseitige isolierung erforderlich ist. Dagegen besitzen aber invers betriebene Transistoren eine relativ kleine sogenannte Vorwärts-Stromverstärkung, auch Aufwärtsstromverstärkung genannt (B_up), die der inversen Stromverstärkung im normalen Betrieb entspricht Die inverse Stromverstärkung könnte zwar durch eine entsprechend hohe Grunddotierung der epitaktischen Schicht verbessert werden. Eine derartige hohe Dotierung ist aber wenig sinnvoll, da durch sie die Wirksamkeit eines lateralen pnp-Transistors als Injektor verringert wird (vergleiche Valvo-Berichte, Band 18, Heft 1/2, Seiten 216 und 217) und gleichzeitig die Emitter-Basis-Kapazität des /²L-Transistors erhöht

Aus der DE-OS 25 15 431 ist es bei der Herstellung integrierter Schaltungen bekannt, zur Erhöhung des spezifischen Widerstandes einer Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper Ionen vom Leitungstyp des Halbleiterkörpers zu implantieren und durch eine thermische Nachdiffusion in die angrenzenden Bereiche auszudiffundieren; vergleiche insbesondere den Anspruch 1. Die Herstellung von Transistoren durch Implantation ist aus der US-PS 37 45 070 bekannt. Aus dem Buch von E. R u g e: »Halbleitertechnologie«, Springer-Verlag Berlin, 1975, Seiten 319 bis 321 ist es bei der Herstellung invers betriebener Planartransistoren bekannt, daß als Halbleiterkörper eine η-leitende epitaktische Schicht auf einem an seiner Oberfläche n+-leitenden Halbleitersubstrat verwendet wird, vergleiche insbesondere die F i g. 11.4 nebst dazugehöriger Beschreibung.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen invers betriebenen Transistor anzugeben, der auch bei einer gering dotierten beziehungsweise hochohmigen epitaktischen Schicht oder einem hochohmigen Halbleitersubstrat eine große inverse Stromverstärkung besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen voll wirksamen Injektor und gleichzeitig eine hohe inverse Stromverstärkung. Die parasitäre Kapazität zwischen der genannten Basisfläche und der genannten Emitterfläche ist durch die durch Ionenimplantation eingebrachte höhere lokale Dotierung nur unter der »aktiven« Basisfläche ebenfalls geringer als bei einer erhöhten Grunddotierung der gesamten epitaktischen Schicht beziehungsweise des Substrates. Daraus ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Schaltverhaltens, was einerseits auf dem hohen Injektor-Wirkungsgrad bei dennoch ausreichender inverser Stromverstärkung und andererseits auf einer Verringerung der parasitären Basis-Emitter-Kapazität gegenüber einer Gesamtanhebung der Dotierung beruht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 5 gegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen invers betriebenen

Transistor,

Fig.2 einen vergrößerten Schnitt Il-II durch die Fig-1,

Fig.3 den Dotierungsverlauf in einem Schnitt IH-III der F i g. 2, wobei auf der Abszisse die Eindringtiefe χ in \Ltn (vergleiche den Pfeil χ in Fig.2) und auf der Ordinate die Dotierungskonzentration K in cm-³ aufgetragen sind,

Fig.4 den Dotierungsverlauf in einem Schnitt IV-IV der F i g. 2 entsprechend der F i g. 3.

Ein Silicium-Halbleiterkörper 1 besteht aus einem n⁺+-leitenden Halbleitersubstrat beziehungsweise aus einer vergrabenen Schicht 2 und einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht 3. Die epitaktisch abgeschiedene Schicht 3 hat zum Beispiel eine Schichtdicke von 5 μηι und einen spezifischen Widerstand von 0,8 Qcm entsprechend einer Dotierung von etwa 10¹⁶cm-³ (vergleiche die Kurve 31 in Fig.3 und 4). Der Dotierungsverlauf des Halbleitersubstrates 2 ist in den F i g. 3 und 4 durch eine Kurve 32 angedeutet.

In die epitaktisch abgeschiedene Schicht 3 werden mitteis Ionenimplantation n⁺-ieitende Zonen in den Bereich eingebracht, die später von den Kollektoren überdeckt werden. Die Ionen werden beispielsweise mit 100 keV implantiert Durch eine Nachdiffusion dringen die implantierten Ionen tiefer in die epitaktisch abgeschiedene Schicht 3 ein, so daß die durch sie gebildeten Bereiche 4 höherer Dotierung den in der Fig.2 in Strichlinien dargestellten Verlauf annehmen. In der F i g. 4 ist der Dotierungsverlauf der implantierten Ionen nach der Implantation durch eine Kurve 41 in Strichlinien angedeutet.

Anschließend wird in bekannter Weise die Basis durch Diffusion oder Ionenimplaniation mit Bor dotiert, so daß eine p-leitende Zone 5 mit dem Emitter-Basisübergang bei der Eindringtiefe xeb (vergleiche F i g. 3 und 4) entsteht. Schließlich wird in der Zone 5 eine n+-leitende Zone als Kollektor 6 mit dem Basis-Kollektorübergang bei der Eindringtiefe xsc(vergleiche F i g. 3 und 4) durch Diffusion oder Implantation hergestellt. Die Zone des Kollektors 6 hat eine Eindringtiefe von

ίο etwa 1 μιτι. Der Dotierungsverlauf der Zone 5 beziehungsweise der Zone des Kollektors 6 ist in den Fig.3 und 4 mit 35 beziehungsweise 36 bezeichnet. Schließlich wird in der η-leitenden, epitaktischen Schicht 3 gegebenenfalls zusammen mit der Zone 5 noch eine p-leitende Zone 7 als Injektor durch Diffusion gebildet.

Während der Basisdotierung, einer eventuellen Nachdiffusion und der Dotierung des Kollektors diffundiert die mittels Ionenimplantation eingebrachte Dotierung (vergleiche Kurve 41 in F i g. 4) aus, so daß nach diesen Temperaturbehandlungen ein Dotierungsverlauf entsteht, wie dieser in der F i g. 4 mit der Kurve 42 angedeutet ist.

Die F i g. 3 zeigt den Dotierungsverlauf in einem Schnitt 111- Il I der Fig. 2 ohne den Bereich 4 höherer Dotierung und die Fig.4 den Dotierungsverlauf in einem Schnitt IV-IV mit dem Bereich 4 höherer Dotierung. Die epitaktische Schicht 3 hat unter dem Kollektor 6, also an der Stelle des eigentlichen invers

JO betriebenen Transistors eine höhere Dotierung, die einen guten Emitter-Wirkungsgrad und damit eine hohe inverse Stromverstärkung bewirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer lokal hohen inversen Stromverstärkung bei einem vorzugsweise doppelt diffundierten oder vorzugsweise implantierten, invers betriebenen Planartransistor, der in einem Halbleiterkörper mit einer integrierten Schaltung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Basisdotierung in den Halbleiterkörper (3) unterhalb des für der. Kollektor (6) vorgesehenen Bereiches Ionen vom Leitungstyp des Halbleiterkörpers implantiert und anschließend durch eine thermische Nachdiffusion in die angrenzenden Bereiche ausdiffundiert werden, so daß unter der aktiven Basisfläche im Halbleiterkörper ein Bereich (4) höherer Dotierung entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den ein npn-Transistor hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisdotierung durch Diffusion oder Implantation von Bor durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper (3) eine η-leitende epitaktische Schicht auf einem an seiner Oberfläche n+ +-leitenden Halbleitersubstrat (2) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mit einer Energie von etwa 100 keV implantiert werden und nach der Nachdiffusion bei einer Eindringtiefe von etwa 2,5 μίτι am Basis-Emitter-Übergang eine Konzentration von etwa 2 · 10¹⁷ bis 1O¹⁸Cm-³ aufweisen.

5. Invers betriebener Transistor in integrierter Schaltung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht (3) eine Schichtdicke von etwa 5 μιη und einen spezifischen Widerstand von etwa 0,8 Ωατι entsprechend einer Dotierung von etwa 10¹⁶Cm-³ aufweist, daß die Basiszone (5) eine Schichtdicke von etwa 1,5 μιη und einen Schichtwiderstand von etwa 150Ω/ϋ besitzt und daß der Kollektor (6) eine Eindringtiefe von 1 μπι hat.

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