DE2559001C2

DE2559001C2 - Integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2559001C2
Application number: DE19752559001
Authority: DE
Inventors: Shintaro Ito; Masanori Nakai; Junichi Nakamura; Yoshio Yokohama Nishi; Satoshi Shinozaki; Yukuya Tokumaru
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1975-12-29
Publication date: 1984-11-29
Also published as: JPS5536187B2; FR2296265B1; FR2296265A1; DE2559001A1; JPS5182581A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

cl.l) die erste Zone (6) von der Oberfläche der epitaktischen Haibleiterschicht (2) aus durch die epitaktische Halbleiterschicht (2) hindurch bis zum Halbleitersubstrat (1) reicht.

2. Integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

c2.1) die dritte Zone (9) eine höhere Fremdatomkonzentration aufweist als die erste Zone (6).

3. Integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der eine Leitungstyp der N-Leitungstyp ist und daß der entgegengesetzte Leitungstyp der P-Leitungstyp ist.

Die Erfindung betrifft eine integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung ist Gegenstand des älteren deutschen Patents 25 12 737.

Eine integrierte Injektions-Logik (abgekürzt mit ILL oder I²L) als logische Schaltungsanordnung besitzt die Vorteile einer einfachen Struktur bei hohem Integrationsgrad und darüber hinaus eine kleine Verlustleistung verglichen mit einer herkömmlichen logischen Halbleiterschaltungsanordnung, wie einer Transistoi-Tranststor-Logik (abgekürzt mit TTL). Bei der I²L-Halbleiterschaltungsanordnung sind laterale und vertikale Transistoren in einem Halbleitersubstrat derart ausgebildet, daß sie eine gemeinsame Teilzone verwenden. Eine derartige integrierte Injektionslogik ist beispielsweise in »Valvo-Berichte«, Band XVIII (1974), Heft 1/2. Seiten 215 bis 226, beschrieben.

ίο Bei dem Vertikal-npn-Transistor dieser I²L-Halbleiterschaltungsanordnung besteht die Emitterzone aus einer n--Halbleiterschicht mit niedriger Fremdatomkonzentration, und die Basiszone besteht aus einer ersten p-diffundierten Zone mit hoher Fremdatomkonzentration. Daher wird die Fremdatomkonzentration der Basiszone größer als diejenige der Emitterzone, so daß die Wirksamkeit der Injektion der Minoritätsträger von der Emitterzone in die Basiszone sehr stark vermindert wird. Da die Emitterzone des Vertikal-npn-Transistors und die Basiszone des Lateral-pnp-Transistors die n--HaIbleiterschicht gemeinsam verwenden, führt eine Veränderung der Fremdatomkonzentrationsverteilung zum Zwecke der Verbesserung des Emitter-Injektionswirkungigrades eines Transistors zu einer Verminderung des Emitter-Injektionswirkungsgrades des anderen Transistors. Aus diesem Grund ist es auch unmöglich, die Stromverstärkungsfaktoren <x_pn? und ß„_p„ von beiden Transistoren gleichzeitig zu erhöhen.
Demnach besitzt die bekannte I²L-Halbleiterschaltungsanordnung den Nachteil, daß einige ihrer Eigenschaften nicht ohne weiteres verbessert werden können. Gegenstand des älteren deutschen Patents 25 12 737 ist eine integrierte Injektionslogik-Halbleiterschaltungsanordnung, bei der von der oberen Halbleiterschicht der Halbleiterschaltungsanordnung ausgehend eine V-förmige Nut in der Halbleitervorrichtung ausgebildet wird, wobei in den freiliegenden Wänden der V-förmigen Nut Isolationszonen ausgebildet werden. Diese Isolationszonen reichen tief in das Substrat hinein.

Aufgrund des Aufbaus dieser bekannten Halbleitervorrichtung ist eine erhöhte Integrationsdichte der Bauelemente nicht realisierbar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, welche die Fähigkeit besitzt, die Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren bei schnellem Ansprechverhalten und geringem Energieverbrauch zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Da die Emitterzone des Vertikal-Transistors nicht gemeinsam mit der Basiszone des Lateral-Transistors ausgeführt ist, lassen sich die jeweiligen Fremdatomkonzentrationsverteilungen von sowohl dem Vertikal-Transistor als auch dem Lateral-Transistor unabhängig voneinander optimal gestalten. Als Ergebnis lassen sich daher die Stromverstärkungsfaktoren beider Transistoren gleichzeitig verbessern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. IA bis IH die Herstellungsschritte zur Herstellung einer I²L-Halbleiterschaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Schnittdarstellung der Schaltungsanordnung entsprechend dem Ausführungsbeispiel, welches gemäß den Schritten nach den Fig. IA bis IH hergestellt wurde.

Fig.3 einen Stromlaufplan einer Äquivalentschaltung der Schaltungsanordnung von F i g. 2, und

F i g. 4 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung.

Gemäß Fig. IA wird eine p--Halbleiterschicht 2 epitaktisch iuf einem η+-Halbleitersubstrat bis zu einer Dicke von 2 bis 3 μΐη aufgezüchtet Die Fremdatomkonzentration der p--Halbleiterschicht 2 wird sehr viel geringer (beispielsweise 10'⁴ bis 10¹* Atome/cm³) gewählt als diejenige des ti⁺-Halbleitersubstrats. In diesem Fall wird Bor als p-Typ-Fremdatom verwendet. Als nächstes wird gemäß F i g. 1B eine Siliziumdioxid-Schicht als Isolierfilm 3 auf die p--Halbleiterschicht 2 aufgebracht, und weiter wird eine erste öffnung 4 mit Hilfe einer üblichen Photoätztechnik geschaffen. Als l.ächstes wird gemäß Fig. IC die p-'Halbleiterschicht 2 mit einer SiO₂-Schicht 5 versehen, die mit Phosphor als n-Typ-Fremdatom dotiert ist. Durch Erwärmen der SiO₂-Schicht 5 in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Diffusionstemperatur von UOO⁰C und durch Eindiffundieren von Phosphor in den Abschnitt der p-'Halbleiterschicht 2, der unter der ersten Öffnung 4 liegt, wird eine n-Diffusionszone 6 (erste Zone) in einer Weise ausgebildet, daß sie durch die Halbleiterschicht 2 bis zum n⁺-Halbleitersubstrat reicht. Die Fremdatomkonzentration der n-Zone 6 liegt in der Größenordnung von 10¹⁶ bis 10¹⁸ Atome/cm³, also höher als diejenige der p--Halbleiterschicht 2.

Gemäß F i g. 1D werden mit Hilfe einer Photoätztechnik in den Isolierschichten 3, 5 erste und zweite Öffnungen 7 und 8 jeweils so ausgebildet, daß sie untereinander einen Abstand besitzen.

Gemäß Fig. IE werden in der n-Zone 6 und in der p-'Halbleitersciiicht 2 p⁺-Zonen 9,10 jeweils ausgebildet, was durch Eindiffundierung von Bor als p-Typ-Fremdatom in die n-Zone 6 und die p-^Halbleiterschicht 2 über die öffnungen 7, 8 in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Diffusionstemperatur von 1050⁰C erfolgt. In dem geschilderten Fall wird die Diffusion bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 μΐη ausgebildet, und es werden dabei die Flächen der n-Zone 6 und der p--Schicht 2 mit einem isolierenden Siliziumdioxidfilm 11 überzogen. Die ρ+ -Zone 9 (dritte Zone) stellt die Emitterzone dar, d. h. den Injektor des Lateral-pnp-Transistors, und die p+-Zone 10 stellt eine Ohmsche Kontaktzone der Basiszone des Vertikal-npn-Transistors dar. Die n-Zone 6 und die ρ+ -Zonen 9,10 brauchen nicht notwendigerweise durch ein Diffusionsverfahren ausgebildet zu werden und können durch lonenplantationsverfahren oder andere Verfahren hergestellt werden.

Gemäß Fig. IF wird in den Isolierschichten 3, 5 mit Hilfe einer Photoätztechnik eine vierte Öffnung 12 ausgebildet, und gemäß Fig. IG wird Phosphor als n-Fremdatom thermisch von der vierten Öffnung 12 unter einer Hochtemperatur-Oxidationsatmosphäre eindif- w> fundiert, um eine η+ -Zone 13 (zweite Zone) auszubilden, welche die Kollektorzone des Vertikal-npn-Transistors darstellt. Nach der Ausbildung der η—Zone 13 durch Diffusion wird auf der Oberfläche der Zone 13 ein isolierender Siliziumdioxidfilm 14 aufgebracht. Danach wer- t» den gemäß F i g. 1 H eine Elektrode 15 für den Injektor, eine Elektrode 16 für die Basiszone und eine Elektrode 17 für die Kollcktorzone in üblicher Weise ausgebildet.

so daß dadurch die Herstellung eines Halbleiterbauelements vervollständigt wird.

Gemäß F i g. 1H wird ein Lateral-pnp-Transistor hergestellt, dessen Emitterzone, Basiszone und Kollektor zone jeweils durch die p+-Zone 9, die erste n-Zone 6 und die p^Halbleiterschicht 2 gebildet werden, und ein vertikaler npn-Transistor wird hergestellt, dessen Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone jeweils durch das n+-Halbleitersubstrat 1, die p-'Halbleiterschicht 2 und die zweite n+-Zone 13 gebildet werden.

Gemäß Fig. IC kann die phosphordotierte Siliziumdioxidschicht 5 beispielsweise durch Fluor nach der Ausbildung der n-Zone 6 entfernt werden. Durch das Entfernen der Schicht 5 wird nicht nur der Schritt der Ausbildung der zweiten Öffnung 7 durch eine Photoätztechnik vermieden, sondern es wird auch die Möglichkeit geschaffen, nach der Ausbildung der p-Zone 9 durch Bor-Diffusion, die erste Öffnung 4 gemeinsam zu verwenden, so daß dann, wenn eine doppelte Diffusion für die Ausbildung der n-Zone 6 und der p-Zone 9 durchgeführt wird, eine genaue Selbstausrichtung erreicht werden kann.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer PL-Halbleiterschaltungsanordnung, die gemäß dem Herstellungsprozeß nach F i g. 1 hergestellt wurde.

Die Injektorelektrode 15, die die Emitterzone 9 des Lateral-pnp-Transistors kontaktiert, muß mit einem mit einer konstanten Stromquelle verbundenen Stromversorgungsanschluß E verbunden werden, der Basisanschluß des Vertikaltransistors muß mit einem Eingangssignal-Anschluß / und der Kollektoranschluß 17 muß mit einem Ausgangssignal-Anschluß O verbunden werden.

F i g. 3 zeigt eine äquivalente Schaltung der Vorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Als nächstes soll die Betriebsweise der zuvor erwähnten Ausführungsform der FL-Halbleiterschaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung unter Hinweis auf die F i g. 2 und 3 erläutert werden.

Das η+-Halbleitersubstrat l,d. h. die Emitterzone des Vertikal-npn-Transistors, betrage angenommenermaßen Null-Potential (Erdpotential), und es sei weiter angenommen, daß ein logisches »I «-Signal (0.8 V) dem Basisanschluß 16 des Vertikal-npn-Transistors vom Eingangssignal-Anschluß / zugeführt wird. Der Injektor, d. h. die Emitterelektrode 15 des Lateral-pnp-Transistors wird vom Stromversorgungsanschluß Emit Strom versorgt, und es werden Löcher von der ρ+ -Zone 9, welche die Emitterzone des Lateral-Transistors darstellt, in die n-Zone 6, welche die Basiszone des Lateral-Transistors darstellt, injiziert. Die in die Basiszone 6 injizierten Löcher gelangen durch die Basiszone 6 zur p-'Halbleiterschicht 2, welche die Kollektorzone darstellt. Da die Kollektorzone 2 auch als Basiszone des Vertikal-npn-Transistors verwendet wird, werden die Elektronen von der Emitterzone 1 des Vertikal-npn-Transistors in die Basiszone 2 mit übermäßig vielen Löchern injiziert. Aus diesem Grund ist der Basis-Emitter-Übergang des Vertikal-npn-Transistors vorwärts vorgespannt, so daß der Vertikal-npn-Transistor in den Einschaltzustand gelangt. Daher besitzt die Kollektorzone 13 Jn Potential von im wesentlichen »0«. so daß eine logische »(!«-Ausgangsgröße am Ausgangsanschluß O über die Koilektorelcktrode 17 erscheint

Es sei nun angenommen, daß ein logisches »0«-Signal (Null-Potential) zur Basiselektrode 16 des Vertikal-npn-Transistors vom Eingangssignal-Anschluß / gelangt.

Dann fließt der der Injektorelektrode 15 des Lateralpnp-Transistors von dem Stromversorgungsanschluß E zugeführte Strom nach außen vom Eingangssignal-Anschluß /, und zwar durch die Emitterzone 9 und die Basiszone 6 des Lateraltransistors und die Basiszone 2 und die Ohmsche Kontaktzone des Vertikaltransistors. Da die Kollektorzone 2 des Lateral-npn-Transistors, d. h. die Basiszone 2 des Vertikal-npn-Transistors daran gehindert wird, übermäßig viele Löcher zu sammeln, wird der Vertikal-npn-Transistor nicht-leitend, so daß ein logisches »!«-Signal am Ausgangsanschluß O über die Kollektorelektrode 17 erscheint. Die PL-Halbleiterschaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung bildet somit eine logische Schaltung mit Invertereigenschaften. Durch Kombination einer Vielzahl von is PL-Halbleilersehaitungsanordnungen mit den Merkmalen nach der Erfindung läßt sich eine grundlegende logische Schaltung, wie beispielsweise NAND-, NOR-Gatter, bei hoher Dichte konstruieren.

F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung, bei welcher zwei Kollektorzonen 13 und zwei Kollektorelektroden 17 des Vertikal-npn-Transistors ausgebildet sind, um die Möglichkeit zu schaffen, daß Ausgangssignale an jeweils zwei Ausgangsanschlüssen Ot. Oi erscheinen.

Die vorangegangen beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen den Fall, bei welchem die Halbleiterschaltungsanordnung auf einem n-Halbleitersubstrat 1 ausgebildet wurde. Wenn der Leitungstyp jeder Schicht und Zone der Halbleiterschaltungsanordnung der ge- jo schilderten Ausführungsbeispiele entgegengesetzt gewählt wird, um eine Halbleiterschaltungsanordnung mit einem p-Typ-Substrat zu verwenden, so arbeitet die auf diese Weise erhaltene Halbleiterschaltungsanordnung entsprechend den geschilderten Ausführungsbeispielen. J5

Es wird die p-'Halbleiterschicht 2 mit niedriger Fremdatomkonzentration als Basiszone des Vertikalnpn-Transistors verwendet, und weiter wird das n ⁺ -Halbleitersubstrat 1 mit hoher Fremdatomkonzentration als Emitterzone des Vertikal-npn-Transistors verwendet. Aus diesem Grund werden der Emittcrinjektionswirkungsgrad zum Erzielen eines hohen Stromverstärkungsfaktors erhöht, und gleichzeitig wird auch die Betriebsgeschwindigkeit erhöht, d. h. es wird der Energieverbrauch klein gehalten. Da weiter die Emitterzone des Vertikal-npn-Transistors nicht gemeinsam mit der Basiszone 6 des Lateral-pnp-Transistors ausgeführt ist, lassen sich die jeweiligen Fremdatomkonzentrationsverteilungen von sowohl dem Vertikal-npn-Transistor als auch dem Lateral-pnp-Transistor unabhängig voneinander optimal gestalten. Als Ergebnis lassen sich die Stromverstärkungsfaktoren ß„_pn und x_pnp beider Transistoren gleichzeitig verbessern. Da weiterhin in dem Lateral-pnp-Transistor die Injektionszone 9 und die Basiszone 5 durch das doppelte Diffusionsverfahren in der erwähnten Reihenfolge ausgebildet werden, sind die Grenzen beider Zonen 9 und 5 in der gleichen Richtung gekrümmt, so daß die Basiszone eine geringe Breite besitzt und auch eine im wesentlichen einheitliche Weite oder Breite in irgendeinem Tiefenabschnitt der Halbleitervorrichtung besitzt, so daß der Stromverstärkungsfaktor des Lateral-pnp-Transistors erhöht wird

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Injektions-Halbleiterschaltungsanordnung, bestehend aus

a) einem Halbleitersubstrat (1) eines Leitungstyps,

b) einer auf das Halbleitersubstrat (1) aufgebrachten, epitaktischen Halbleiterschicht (2) des entgegengesetzten Leitungstyps, die

bl) eine geringere Fremdatomkonzentration aufweist als das Halbleitersubstrat (1),

c) einer ersten Zone (6) des einen Leitungstyps, die in der epitaktischen Halbleiterschicht (2) ausgebildet ist und

el) mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden ist,
c2) einer in der ersten Zone (6) von deren Oberfläche ausgehend ausgebildeten dritten Zone (9) vom entgegengesetzten Leitungstyp, und

d) aus wenigstens einer zweiten Zone (13) des einen Leitungstyps, die in der epitaktischen Halbleiterschicht (2) auf Abstand zur ersten Zone (6) ausgebildet ist, wobei

e) die dritte Zone (9), die erste Zone (6) und die epitaktische Halbleiterschicht (2) einen Lateral-Transistor einer Polarität bilden,

F) das Halbleitersubstrat (1), die epitaktische Halbleiterschicht (2) und die zweite Zone (13) einen Vertikal-Transistor der entgegengesetzten Polarität bilden,