DE2634618A1

DE2634618A1 - Mesatransistor mit einem kollektorkoerper

Info

Publication number: DE2634618A1
Application number: DE19762634618
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Phys Wolf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-07-31
Filing date: 1976-07-31
Publication date: 1978-02-02

Description

Mesatransistoren mit einem Kollektorkörper
Die Erfindung betrifft einen Mesatransistor mit einem Kollektorkörper, einer epitaktisch hergestellten Basiszone und einer in die Basiszone eingelassenen Emitterzone mit einem sich zu einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers hin erstreckenden Emitter-Basis-pn-Ubergang.
Derartige Epitaxial-Mesatransistoren sind bekannt. Bei den bekannten Anordnungen ist der Basis-Kollektor-pn-Ubergang eben und tritt an der Seitenfläche des Halbleiterkörpers im Bereich des Mesagrabens an die Halbleiteroberfläche.
Diese Halbleiteroberfläche ist in der Regel unpassiviert, so daß an der Oberfläche im Bereich des Mesagrabens auftretende Oberflächenstörungen oder Ansammlungen von Rekombinationszentren zu einer Verschlechterung der Transistoreigenschaften führen. Insbesondere besteht bei diesen Anordnungen die Gefahr, daß bei einer Belastung des Basis- Kollektor-pn-Überganges in Sperrichtung ein unkontrollierbarer und undefinierter Spannungsdurchbruch an der Oberflächenstelle erfolgt, an der der pn-Übergang ungeschützt ist. Um die genannten Nachteile zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Halbleiteroberfläche auch im Bereich des Mesagrabens nach der Eindiffusion der Emitterzone in die Basis-Epitaxieschicht mit einer Siliziumdioxydschicht oder mit einer ähnlichen passivierenden Isolierschicht abzudecken. Vielfach lassen sich jedoch nicht genügend dicke Passivierungsschichten durch Oxydation des Halbleitermaterials im Bereich der Mesagräben erzeugen, so daß auch die dünnen Passivierungsschichten im Mesagraben der Transistoren keine absolute Gewähr für eine Verhinderung eines unerwünschten Spannungsdurchbruchs an der Halbleiteroberfläche geben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Epitaxial-Mesatransistor anzugeben, bei dem ein Spannungsdurchbruch des Basis-Kollektor-pn-Überganges an der Halbleiteroberfläche im Bereich des Mesagrabens mit Sicherheit verhindert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Mesatransistor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in die Basiszone im Bereich der Mesagräben eine bis zur Kollektorzone reichende Oberflächenrandzone vom Leitungstyp der Kollektorzone eingelassen ist, die sich bis zu der mit einer Isolierschicht passivierten einen Oberflächenseite der Halbleiteranordnung erstreckt und die Basiszone umgibt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Mesa-Epitaxial-Transistors hat den Vorteil, daß der Basis-Kollektor-pn-Übergang nunmehr unter der großflächigen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers endet, an der auch der Emitter-Basispn-Übergang angrenzt. Die Passivierungsschicht an dieser Oberfläche, die bei Siliziumtransistoren in der Regel aus thermisch gewachsenem SiO2 besteht, ist an der dem Basis-Kollektor-pn-Übergang überdeckenden Stelle so dick, daß von außen beeinflußte Oberflächeneffekte mit Sicherheit vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Randzone vom Leitungstyp der Kollektorzone und damit auch vom Leitungstyp der Emitterzone gleichzeitig mit der Emitterzone-in den Halbleiterköper eindiffundiert werden kann, so daß kein zusätzlicher Diffusionsschritt erforderlich ist.
Da die Emitterzone relativ hoch dotiert ist, weist dann auch die Randzone des gleichen Leitungstyps eine entsprechend große Dotierung und auch eine der Emittereindringtiefe entsprechende Dicke auf. Bei einer Belastung des Basis-Kollektor-pn-Überganges in Sperrichtung wird sich daher die vom pn-Übergang ausgehende Raumladungszone im wesentlichen in den relativ schwach dotierten Teil der epitaktisch hergestellten und homogen dotierten Basiszone erstrecken, so daß ein Spannungsdurchbruch nur im Inneren des Halbleiterkörpers erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Mesatransistor wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß vor der Emitterdiffusion die Halbleiteroberfläche mit einer die für die Mesagräben vorgesehenen Oberflächenbereiche der Halbleiteranordnung freilassenden Ätzmaske abgedeckt wird. Dann werden in die Halbleiteranordnung die bis in den niederohmigen Kollektorgrundkörper reichenden Mesagräben eingeätzt. Schließlich wird nach der Freilegung des Emitter-Diffusionsfensters die Emitterzone und damit gleichzeitig die Randzone vom gleichen Leitungstyp in den Halbleiterkörper eindiffundiert.
Bei einer anderen vorteilhaften Herstellungsweise wird wiederum zunächst in die die Oberflächenseite des Halbleiterkörpers bedeckende Isolierschicht das Emitter-Diffusionsfenster eingebracht und die Emitterzone eindiffundiert. Danach wird die gesamte Oberflächenseite mit Ausnahme der für die Mesagräben vorgesehenen Oberflächenbereiche mit einer zweiten Isolierschicht abgedeckt. Dann werden die bis in den Kollektorgrundkörper reichenden Mesagräben durch Ätzen hergestellt, und schließlich wird die Randzone vom Leitungstyp der Kollektorzone in die Mesagräben eindiffundiert.
Schließlich wird die zweite Isolierschicht wieder von der Oberfläche der Halbleiteranordnung entfernt. Bei der zuletzt genannten Herstellungsweise besteht die erste Isolierschicht in aller Regel aus thermisch erzeugtem Siliziumdioxyd während die zweite Isolierschicht vorzugsweise aus Silizium-Nitrid besteht.
Bei beiden Herstellungsmethoden für den erfindungsgemäßen Epitaxial-Mesatransistor wird vor der Herstellung der Emitterzone und der Randzone gleichen Leitungstyps in die epitaktisch hergestellte, relativ schwach dotierte Basiszone eine dünne, hochdotierte Oberflächenzone von Leitungstyp der Basiszone eindiffundiert. Die Eindringtiefe dieser Basis-Kontaktzone ist kleiner als die der Emitterzone. Es muß ferner darauf geachtet werden, daß diese hochdotierte Oberflächenzone nicht bis zum äußeren Rand der Basiszone reicht, da sie dort mit der hochdotierten Randzone zusammenstoßen würde, was einen Spannungsdurchbruch bereits bei relativ niederen Werten für die Basis-Kollektor-Sperrspannung zur Folge hätte.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im weiteren noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen im Schnitt verschiedene Fertigungsstadien des erfindungsgemäßen Mesatransistors. Dabei sei darauf hingewiesen, daß diese Transistoren in einer Vielzahl auf einer Halbleiterscheibe gleichzeitig hergestellt werden. In den Figuren 1 bis 4 ist zur Erhaltung der Übersichtlichkeit nur der Teil einer Halbleiterscheibe dargestellt, der ein Transistorelement umfaßt.
Gemäß Figur 1 geht man von einem zweischichtigen Grundkörper 1 aus, der, wenn ein npn-Transistor hergestellt werden soll, die Zonenfolge n n aufweist. Dieser Grundkörper wird dadurch hergestellt, daß auf einen n+-leitenden Ausgangskörper 1a, der beispielsweise 300 - 400 /um dick ist und eine Leitfähigkeit von ca. 0,01 Ohmcm aufweist, eine erste Epitaxieschicht Ib aufgebracht wird.
Diese Epitaxieschicht 1b ist n-leitend, ca. 8 bis 10 /um dick und mit einer Leitfähigkeit von ca. 7 Ohmcm versehen. Auf diese erste Epitaxieschicht 1b wird eine zweite Epitaxieschicliit 2 aufgebracht, die p-leitend ist, eine Dicke von ca. 15 um aufweist und deren Leitfähigkeit ca.
10 Ohmcm beträgt.
Nach der Durchführung der Epitaxieprozesse wird die Halbleiteroberfläche mit einer thermisch erzeugten Oxydschicht 3 versehen, die bei einem Silizium-Halbleiterkörper aus SiO2 besteht. In diese Oxydschicht 3 wird dann ein Basis-Diffusionsfenster 4a eingebracht, durch das in die eigentliche Basiszone 2 eine dünne, hochdotierte, p -leitende Oberflächenzone 4 eindiffundiert wird. Diese Oberflächenzone 4 hat einen Schichtwiderstand von ca. 100 Ohm/ bei einer Oberflächenkonzentration von ca. 3 x 1018 Atomen/6m3 und einer Dicke von ca. 2 um Danach wird gemäß Figur 2 das Basisdiffusionsfenster 4a wiederum mit einer thermisch erzeugten Oxydschicht 3a geschlossen, in die danach mit Hilfe der bekannten Fotolackmaskierungs- und Ätzprozesse das Emitterdiffusionsfenster 5 eingebracht wird. Außerdem wird die Oxydschicht im Randbereich des Transistors 7 über den Oberflächenteilen der epitaktisch erzeugten Basiszone 3 entfernt, die für die Herstellung der Mesagräben vorgesehen sind.
Die gesamte Halbleiteroberfläche wird mit Ausnahme der für die Mesaätzung vorgesehenen Oberflächenbereiche mit einer Ätzmaske, beispielsweise mit einer Fotolackmaske 6, bedeckt Gemäß Figur 3 werden nun die Randteile des Halbleiterkörpers so abgetragen, daß die dargestellte mesaförmige Halbleiterstruktur entsteht und der Ätzgraben 8 bis in den hochdotierten Halbleitergrundkörper 1a reicht. Der Basis-Kollektorpn-Übergang tritt somit zunächst im Bereich des Mesagrabens 8 an die Halbleiteroberfläche. Danach wird die Maskierungsschicht 6 (Figur 2) wieder von der Halbleiteroberfläche entfernt und damit das Emitter-Diffusionsfenster 5 freigelegt. In einem gleichzeitigen Diffusionsprozeß kann nun die Emitterzone und die Randzone 10 gleichzeitig in den Halbleiterkörper eindiffundiert werden. Zur Eindiffusion dieser Zone wird beispielsweise Phosphor verwendet. Die Emitterzone 9 und die Randzone 10, die bei diesem Diffusionprozeß entstehen, weisen beispielsweise eine Eindringtiefe von 2,5 /um auf. Die Randzone 10 reicht somit von dem hochdotierten n+-leitenden Halbleitergrundkörper 1a bis zu der mit der Oxydschicht bedeckten Oberflächenseite des Halbleiterkörpers. Der Kollektor-Basis-pn-Ubergang 14 endet somit unter der Oxydpassivierungsschicht -3, während der gesamte Randteil des Halbleiterkörpers praktisch zum Kollektorgrundkörper 1a gehört. Dieser Randbereich 10 umgibt die Basiszone 2 des Mesatransistors vollständig.
Die in der Figur 3 dargestellte Halbleiteranordnung wird nun noch vorzugsweise einem Temperaturprozeß unterworfen, bei dem die Emitterzone und die Randzone tiefer in den Halbleiterkörper eindringt (bis ca. 4 um). Gleichzeitig bildet sich über der Emitterzone und auch über der Randzone im Bereich der Mesagräben eine Oxydschicht 3b bzw. 3c, wie dies aus der Figur 4 ersichtlich ist. Die Oxydschicht 3c über der Randzone 10 im Bereich der Mesagräben bietet einen zusätzlichen Schutz der gegen äußere Einflüsse empfindlichen Halbleiteroberfläche.
Nach der Passivierung der Halbleiteroberfläche mit der SiO2-Schicht 3b bzw. 3c müssen in die Isolierschicht noch die Emitter- und Basis-Xontaktfenster mit Hilfe des bekannten fotolithographischen Verfahrens eingebracht werden.
Das Basiskontaktierungsfenster wird über der stark dotierten p+ -leitenden Zone 4 erzeugt. Dieses Kontaktierungsfenster ist vorzugsweise ringförmig ausgestaltet, so daß die Basiszone mit einem ringförmigen Basisanschlußkontakt 11, der sich vorzugsweise auf die Isolierschicht 3, erstreckt, kontaktiert werden kann. Der Emitterkontakt ist in der Figur 4 mit der Ziffer 9 versehen, während an die Rückseite der Halbleiteranordnung an den stark dotierten n+-leitenden Grundkörper ein Anschlußkontakt 13 angebracht wird. Der Basis- und Emitterkontakt besteht vorzugsweise aus Aluminium Anstelle der geschilderten Verfahrensweise kann vorteilhafterweise auch so vorgegangen werden, daß nach der Eindiffusion der Basisanschlußzone 4 in der thersisoh erleugten Oxydschicht Uber dem Diffusionsfenster 4& das DRitterdiffusionsfenster geöffnet und die Emitterzone eindiffundiert wird. Danach wird die Oxydschicht über dei Emitterdiffusionufonster wieder geschlossen und in die Oxydschicht die Emitter- und Basiskontaktfenster eingebracht. Db Halbleiteroberfläche -wird dann mit einer silizium@@@@@@@@chich bedeckt, die die für die Mesagräben vorgesehenen Oberflächenbereiche freiläßt. Danach werden die Mesagräben in den Halbleiterkörper eingeätzt und die Randzone 10 eindiffundiert. Die Siliziumnitridschicht wird abschließend, beispielsweise mit heißer Phosphorsäure, wieder entfernt.
Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß für die Randzone und die Emitterzone unterschiedliche Eindringtiefen und unterschiedliche Störstellenkonzentrationen gewählt werden können. Außerdem ist eine Silizium-Nitridmaske sehr gut für die Ätzung der Mesagräbengeeignet.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß anstelle eines npn-Epitaxial-Transistors auch ein pnp-Transistor in entsprechender Weise hergestellt werden kann.
leerseite

Claims

Patentansprüche U Mesatransistor mit einem Kollektorkörper, einer epitaktisch hergestellten Basiszone und einer in die Basiszone eingelassenen Emitterzone mit einem sich zu einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers hin erstreckenden Emitter-Basis-pn-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß in die Basiszone im Bereich der Mesagräben eine bis zur Kollektorzone reichenden Oberflächenrandzone vom Leitungstyp der Kollektorzone eingelassen ist, die sich bis zu der mit einer Isolierschicht passivierten einen Oberflächenseite der Halbleiteranordnung erstreckt und die Basiszone umgibt.
2) Mesatransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Randzone eine der Emitterzone entsprechende Störstellenkonzentration und Eindringtiefe aufweist.
3) Verfahren zum Herstellen eines Mesatransistors nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Emitterdiffusion die Halbleiteroberfläche mit einer die für die Mesagräben vorgesehenen Oberflächenbereiche der Halbleiteranordnung freilassenden Ätzmaske abgedeckt wird, daß dann in die Halbleiteranordnung die bis in den Kollektorgrundkörper reichenden Mesagräben eingeätzt werden, daß danach und gleichzeitig die Emitterzone und die Randzone gleichen Leitungstyps in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird.
4) Verfahren zum Herstellen eines Mesatransistors nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Oberflächenseite bedeckende Isolierschicht das Emitterdiffusionsfenster eingebracht und die Emitterzone eindiffundiert wird, daß danach die gesamte Oberflächenseite mit Ausnahme der für die Mesagräben vorgesehenen Oberflächenbereiche mit einer zweiten Isolierschicht bedeckt wird, daß dann die in den Kollektorgrundkörper reichenden Mesagräben eingeätzt werden und danach die Randzone vom Leitungstyp der Kollektorzone eindiffundiert wird und daß schließlich die zweite Isolierschicht von der Oberfläche der Halbleiteranordnung wieder entfernt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht Siliziumdioxyd und als zweite Isolierschicht Siliziumnitrid verwendet wird.
6) Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Herstellung der Emitterzone und der Randzone gleichen Leitungstyps in die epitaktisch hergestellte Basiszone eine dünne, hochdotierte Oberflächenzone vom Leitungstyp der Basiszone eindiffundiert wird, deren Eindringtiefe in die Epitaxieschicht kleiner ist als die der Emitterzone und die nicht-bis zu der hochdotierten Randzone reicht.