DE2654816A1 - Monolithische halbleiterstruktur - Google Patents

Monolithische halbleiterstruktur

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DE2654816A1 DE19762654816 DE2654816A DE2654816A1 DE 2654816 A1 DE2654816 A1 DE 2654816A1 DE 19762654816 DE19762654816 DE 19762654816 DE 2654816 A DE2654816 A DE 2654816A DE 2654816 A1 DE2654816 A1 DE 2654816A1
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    • H01L27/075—Bipolar transistors in combination with diodes, or capacitors, or resistors, e.g. lateral bipolar transistor, and vertical bipolar transistor and resistor
    • H01L27/0755—Vertical bipolar transistor in combination with diodes, or capacitors, or resistors
    • H01L27/0761—Vertical bipolar transistor in combination with diodes only
    • H01L27/0766—Vertical bipolar transistor in combination with diodes only with Schottky diodes only
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    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
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Description

Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: FI 975 O18
Monolithische Halbleiterstruktur
Die Erfindung betrifft eine monolithische Halbleiterstruktur ;
mit, in einer a,uf ein Halbleitersubstrat aufgebrachten Epitaxie- j schicht durch Bereiche entsprechender Dotierung gebildeten,
vertikal angeordneten, bipolaren Transistoren mit gemeinsamem ι Kollektor, für Verknüpfungsglieder enthaltende Schaltungen,
Bei den bekannten Halbleiterstrukturen mit Transistoren wird
gewöhnlich ein hochdotierter η -Subkollektorbereich in die obere
Oberfläche eines Halbleitersubstrats eindiffundiert. Danach wird ; auf das Substrat eine Epitaxieschicht aufgebracht, wobei der ' Subkollektor teilweise in die Epitaxieschicht ausdiffundiert. :
Dann wird ein p-leitender Basisbereich in die Epitaxieschicht ' eindiffundiert. Schließlich wird zur Bildung des Emitterbereichs
des Transistors eine n-leitende Dotierung, wie Arsen oder Phosphor r in den Basisbereich des Transistors einduffundiert. '
Es ist bekannt, daß bei dieser Struktur die Transistorwirkung im
wesentlichen in dem Gebiet unter dem Emitterbereich auftritt. Ein
großes Gebiet zwischen den Bereichen der Basis und des Kollektors
bzw. Subkollektors sowie zwischen dem Kollektor bzw. Subkollektor
und dem Substrat tragen zu der Transistorwirkung nicht bei, fügen
jedoch zusätzliche Kapazitäten hinzu, die störend sind.
,· 709827/0593
ί '4·.
,Es ist ferner bekannt, daß die Größe der Emitterdiffusion einen !Einfluß auf die Basis-Emitter-Schwellenspannung (Vb ) des Transistors ausübt. Ein Transistor mit einem kleineren Emitter kann
schneller vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt schalten, hat aber den Nachteil, daß er eine geringere Rauschjtoleranz besitzt. Bei der gegenwärtigen Herstellung von Transistoren wird der Platzbedarf eines Transistors geändert, um verschiedene V, -Kennlinien zu erhalten«
j
!Aufgabe der Erfindung ist es, eine flexible Halbleiterstruktur i j
anzugeben, bei welcher die Größe der Emitterbereiche individuell | !variiert werden kann, ohne die Ausmaße der Struktur zu beeinflusse^,
j Gleichzeitig soll eine Verringerung des Platzbedarfs erreicht ! werdenf um die Anzahl der auf einem Substrat angeordneten
Transistoren erhöhen zu können. Dabei soll auch die parasitäre j Kapazität zwischen Kollektor und Basis der Transistoren sowie
j die Kapazität zwischen dem Kollektor und dem Substrat reduziert ι
werden. Die Struktur soll auch eine Möglichkeit bieten r eine j
iSchottky-Diode ohne zusätzlichen Platzbedarf unterzubringen, ;
I Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Halbleiter-■ struktur der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in der Epitaxieschicht ein ringförmiger Kollektorbereich angeordnet ist, ' und daß darüberliegend mehrere, den Kollektorbereich mindestens teilweise überdeckende, durch isolierende Zonen voneinander getrennte Basisbereiche und innerhalb dieser, über dem Kollektorbereich angeordnete Emitterbereiche gebildet sind,
Die sich auf diese Weise ergebende Struktur hat den Vorteil, daß , insbesondere Transistoren mit mehreren Emittern auf einem kleineren Raum untergebracht werden können. Daraus ergibt sich eine höhere j Packungsdichte, die besonders bei Integration in großem Maßstab j wichtig ist. Durch die ringförmige Kollektor-Subkollektor-Struktur! werden die unerwünschten parasitären Kapazitäten zwischen Kollektair und Basis und zwischen Kollektor und Isolation wesentlich reduzieret. Ein weiterer und sehr entscheidender Vorteil der Erfindung be-
FI 975 °18 709827/0593
- -ar -
steht in der Möglichkeit, die Emittergröße jedes einzelnen Gliedes eines Multiemitter-Transistors zu ändern ohne die Gesamtgröße des Transistors verändern zu müssen. Auf diese Weise wird auch erreicht, daß die übrigen Teile der Schaltung auf dem Substrat durch diese Änderungen nicht beeinflußt werden.
Vorteilhafte Ausbildungen der Halbleiterstruktur sind in den Unter ansprüchen enthalten. Dabei besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Halbleiterstruktur darin, daß der ringförmige Kollektorbereich einen Innenraum höherer Impedanz umschließt, der dadurch entsteht, daß der Innenraum des Kollektorbereichs dieselbe Leitungsart wie der Kollektor, jedoch eine geringere Dotierungsstoffkonzentration aufweist. Dieser Bereich höherer impedanz erstreckt sich mindestens an einer Stelle bis zur Oberfläche der Struktur Und dient zur Bildung einer Schottky-Diode, die in der Epitaxiej schicht durch einen Ausleger des Kollektorringes kontaktiert ist.
Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben.
Es zeigen;
Fig, 1 in einer schematischen Darstellung die Halbleiter
struktur in Draufsichtf
Fig. 1A einen Querschnitt durch die Halbleiterstruktur
entlang der Linie 1A-1A in Fig, 1,
Fig, 1B einen Querschnitt durch die Halbleiterstruktur
entlang der Linie 1B-1B in Fig. 1r
Fig, 1C einen Querschnitt durch die Halbleiterstruktur
entlang der Linie 1C-1C der Fig. 1, und
Fig. 2 eine Schaltung, in welcher die Halbleiterstruktur
Verwendung finden kann.
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Ό.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Draufsicht der Halbleiterstruktur j isind verschiedene Bereiche so gezeichnet, als ob sie durchsichtig wären, um darunterliegende, vergrabene Bereiche sichtbar machen !zu können. Der ringförmige Kollektorbereich 10 bildet einen gemein-j-'samen Kollektorbereich für alle Bauelemente innerhalb der dargestellten Transistorstruktur. Der Kollektorbereich 10 ist normalerweise vergraben innerhalb der Struktur angeordnet und wird über eine an die Oberfläche durchstoßende Verbindung und den Kollektorkontakt 12 angeschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der ringförmige Kollektorbereich 1O die Gestalt eines Quadrats, an dessen vier Seiten die Basisdiffusionen 20, 22, 24 und 26 eingebracht sind. Die Basisbereiche werden über die Basiskontakte 201, 221, 24' und 26' angeschlossen.
Innerhalb der Basisbereiche sind die Emitterbereiche 30 r 32, 34 und 36 angeordnet, die mindestens teilweise über dem Kollektorbereich 10 liegen. Die mit 30', 32', 34' und 36" bezeichneten Emitterkontakte sind innerhalb der Emitterbereiche angeordnet. Die Basisbereiche sind gegeneinander isoliert durch eine Oxidschicht, So ist der Basisbereich 20 gegenüber dem Basisbereich 26 durch die ^Oxidschicht 40 isoliert. In entsprechender Weise dienen die Oxidschichten 42, 44 und 46 zur Isolierung der übrigen Basis- ;bereiche gegeneinander.
Der mittlere Bereich der dargestellten Struktur ist zur Bildung einer Schottky-Diode besonders geeignet, wenn eine solche erforderlich ist. Bei der Bildung des ringförmigen Kollektorbereichs 10 : liegt die angestrebte Konzentration der Dotierungsstoffe in der
2O
Größenordnung von 10 . Der Kollektorring 10 umgibt normalerweise ein Halbleitergebiet, das eine wesentlich geringere Konzentration : von Dotierungsstoffen in der Größenordnung von 2 χ 10 aufweist. Ein solches Gebiet ist in Fig. 1 mit 50 bezeichnet. Es ist bekannt,, daß ein metallischer Bereiche 52, der über einem n-leitenden Gebietj mit niedriger Konzentration von Dotierungsstoffen eine Schottky- j
ι Diode bildet.
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Wie bereits erwähnt, besteht ein wesentlicher Vorteil der Struktur in der hohen Packungsdichte, was bedeutet, daß eine große Anzahl von derartigen Strukturen auf einem einzigen Halbleitersubstrat untergebracht werden kann. Um die einzelnen Strukturen gegeneinander zu isolieren, ist ein weiterer, isolierender Oxidbereich 60 vorgesehen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, unter den isolierenden Bereich 60 einen diffundierten Bereich 62 anzuordnen, der auch aus den folgenden Figuren ersichtlich ist.
Aus Fig. 1A, die einen Querschnitt entlang der Linie 1A-1A der Fig. 1 darstellt, ist zu ersehen, daß bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem Siliciumsubstrat 70 ausgegangen wird, das eine p~-Dotierung aufweist. Durch bekannte Verfahren, wie Diffusion oder Ionenimplantation wird in dem p"-Substrat der Subkollektor/KollektorHBereich 10 gebildet«
Die Ausdrücke "Kollektor" und "Subkollektor" werden in dieser ' Beschreibung wahlweise benutzt. Bei der Herstellung der Halbleiter4 struktur tritt eine Ausdiffusion des Subkollektors in eine danach I auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Epitaxieschicht auf, Nach dem Bilden eines Basisbereichs entsteht ein pn-übergang zwischen dem Basisbereich und den ausdiffundierten Dotierungsstoffen des Subkollektors, die den Kollektor des Transistors bilden. Die Kollektor- und Subkollektorbereiche entstehen somit aus den ursprünglich in das Substrat eingebrachten Dotierungsstoffen. Sie haben dieselbe Leitungsart und können daher allgemein als Kollektojj1/ Subkollektor-Bereich bezeichnet werden.
Zur Erzeugung der η-Leitung kann beispielsweise Arsen durch Diffusion oder Ionenimplantation mit einer Konzentration in der
20
Größenordnung von 10 eingebracht werden. Es ist zu bemerken, idaß der ringförmige Kollektorbereich 10 keinen einheitlichen Querschnitt zu haben braucht; vielmehr ist ein damit zusammenhängender Bereich der Schottky-Diode gebildet. Wie gesagt, können die Ausdrücke Subkollektor und Kollektor wahlweise benutzt werden, da sie einen zusammenhängenden Halbleiterbereich derselben Lei-
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tungsart bilden, der nur durch die verschiedene Konzentration der !Dotierungsstoffe unterscheidbar ist.
■Im Substrat 70 wird ferner ein ρ -Isolationsring 62 gebildet, 'Danach wird auf das monokristalline Substrat 70 eine Epitaxiejschicht 72 aufgebracht. Der ringförmige Subkollektor 10 und der ringförmige Isolationsbereich 62 diffundieren, wie dargestellt, j aus dem Substrat in die Epitaxieschicht, Während der Ausdiffusion nimmt die Konzentration der Dotierungsstoffe ab, so daß beispielsweise die obere Oberfläche des η -Bereichs 10 eine Konzentration Iin der Größenordnung von 2 bis 3 χ 10 erreicht, eine Leit- ι jfähigkeit, die nicht mehr als η bezeichnet werden kann. Die j 'aufgebrachte Epitaxieschicht ist, soweit nicht anderweitig labsichtlich dotiert, n~dotiertc wie durch den Bereich 74 ange-
deutet, ι
Nunmehr werden die Basisbereiche 20 und 24 unter Verwendung der bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen üblichen photolithograph!schen Verfahren gebildet. Die Dotierung ist " [derart, daß für die Basisbereiche ρ -Leitung entsteht. Der Basisbereich 20 wird über den Kontakt 20' und der Basisbereich |24 über den Kontakt 24' angeschlossen. Danach wird der Emitter-'bereich 30 im Basisbereich 20 und der Emitterbereich 34 im Basis- !bereich 24 gebildet. Der Emitterbereich 30 wird über den Kontakt ί 30' und der Emitterbereich 34 über den Kontakt 34' angeschlossen.
IZur Isolation der einzelnen Basisbereiche sind die Oxidschichten ι 142 und 44 eingebracht, während die Isolation zwischen den einzelnen Strukturen durch den eingebrachten Oxidbereich 60 gebildet wird. ' Diese Oxidbereiche werden dadurch gebildet, daß ein Teil der Epita4 xieschicht weggeätzt wird und dann thermisch oxidiert wird, wobei das Silicium der Epitaxieschicht in Siliciumoxid umgewandelt wird. ;
Wie bereits erwähnt, nimmt bei der Ausdiffusion des ringförmigen Bereichs 10 die Konzentration der Dotierungsstoffe ab, derart, daß ein Bereich 50 in der Nähe der oberen Oberfläche der Struktur
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eine Konzentration in der Größenordnung von 2 χ 10 aufweist, eine Leitfähigkeit die richtigerweise mit η oder n~ zu bezeichnen ist. Die Aufbringung des metallischen Kontaktes 52 ergibt daher eine Schottky-Diode. Metalle für den Kontakt 52, wie z.B. Platinjsilicid, sind zur Bildung von Schottky-Dioden in Verbindung mit 'n-leitendem Halbleitermaterial bekannt. Schließlich wird die Struktur mit einer dünnen Oxidschicht 76 überzogen,
1B stellt einen Querschnit entlang der Linie 1B-1B der
jFig. 1 dar. Entsprechende Teile der bisherigen Beschreibung sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der ringförmige Bereich hat einen einheitlichen Querschnitt, da kein dotierter Ausleger zur Bildung einer Schottky-Diode wie in Fig, 1A vorgesehen ist. Der Isolationsring 62 befindet sich an derselben Stelle mit einer DotierungsstoffXQnzentra,tiQnr die ausreicht f um eine Inversion an der Grenzfläche mit dem eingebrachten Oxid zu verhindern. Die vorher getrennten Oxidbereiche gehen in diesem Querschnitt ineinanjder über, so daß die Bereiche 40 und 46 einen einheitlichen Bereich bilden.
Aus Fig, 1Cf die einen Querschnitt durch die Fig« I entlang der Linie 1C-1C darstelltf ist insbesondere der Kollektoranschluß 12 zu ersehen. Ein bekanntes Verfahren zur Kontaktierung des Subkollektorbereichs 10 und damit des Kollektors eines Transistors besteht darin, eine bis zur Oberfläche reichende Diffusion mit η -Leitung
zubringen.
η -Leitung einzubringen und dann einen metallischen Kontakt auf-
Eine Schaltung, die mit der beschriebenen Struktur realisiert werden kann, ist in Fig, 2 dargestellt. Dabei ist die Struktur durch gestrichelte Linien abgegrenzt. Auch finden, soweit möglich, dieselben Bezugszeichen Verwendung, Der Transistor mit mehreren Emittern hat einen gemeinsamen Kollektorbereich 10, vier Emitterbereiche und vier Basisbereiche, die mit den bereits verwendeten Bezugszeichen versehen sind. Der metallische Kontakt 52 der
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Schottky-Diode ist, wie dargestellt, mit der Basis 20 verbunden, während die Kathode 50 mit dem Kollektor 10 verbunden ist, wie sich bereits aus der Darstellung der Fig. 1A ergibt. Die zusätzliche Schottky-Diode S2, der zusätzliche Transistor T2 und die zusätzlichen Widerstände R1, R2 und R3 sind lediglich beispielhaft zur Vervollständigung der Schaltung. Diese Art von Schaltungen wird als Transistor-Transistor-Logik (TTL) bezeichnet. Ein sehr realer, wenn auch unerwünschter Teil der Schaltung der Fig. 2 sind ,die Kapazitäten C1 zwischen Kollektor und Substrat und C2 zwischen Kollektor und Basis. Die Basis-Kollektor-Kapazität ist eine !Funktion des gemeinsamen Bereiches zwischen der Basis und dem [Kollektor, Durch Reduzierung dieses Bereichs kann diese unerwünschte Kapazität reduziert werden. Unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Figuren, insbesondere auf Fig, 1B, wird daraufhingewiesen, daß der gemeinsame Bereich zwischen Basis und Kollektor durch den ringförmigen Kollektor wesentlich reduziert ist. Dies ist besonders in denjenigen Bereichen der Basis der Fall, die ! nicht durch den Emitter überdeckt sind und daher zu der Transistor*- wirkung nichts beitragen. Ebenso ist der Bereich zwischen Kollektor und Substrat reduziert, wodurch die parasitäre Kapazität C1 eben- ; falls reduziert wird.
Wie bereits erwähnt wurde, sind die Kennlinien aller Transistoren I einschließlich des Multiemittertransistors wesentlich von der
; Emittergröße abhängig. Insbesondere variieren die Basis-Emitterj Spannung (V, ) und die Rauschtoleranzen sehr stark mit der Emitter-I größe. Diese Eigenschaften eines Transistors sind im voraus theo- ! retisch sehr schwierig zu bestimmen, da bei den Herstellungsschritten der Halbleiterstruktur viele unvorhersehbare Variablen auftreten. So tritt die Notwendigkeit, die Größe eines Emitters zu; ändern, oft erst nach der vollständigen Herstellung einer Schaltung zutage. Es ist natürlich bekannt, daß derartige komplexe , Schaltungen auf einem einzigen Halbleitersubstrat nach strengen, miteinander im Zusammenhang stehenden Verfahrensschritten und j Schaltungsregeln hergestellt werden. Bei den bekannten Schaltungen) bewirkt die Notwendigkeit, daß die Kennlinie eines einzigen Tran-
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sistors geändert wird, eine Änderung in der Größe des Emitters, i wodurch seinerseits die Größe des Transistors geändert wird, so ; daß das sogenannte Layout in seiner Gesamtheit geändert werden ' muß. Bei der beschriebenen Halbleiterstruktur können die Emitter \ 30, 32, 34 und 36 der einzelnen Transistoren geändert werden, ohne· daß die durch die Transistoren eingenommene Fläche geändert werden
muß. Die ganze integrierte Schaltung braucht in einem solchen FaIl^ nicht neu entworfen werden.
Die beschriebene Halbleiterstruktur kann zu einem Multiemitter- ; Transistor ausgebildet werden, der einen kleineren Platzbedarf
aufweist als alle bisher bekannten Transistoren dieser Art. Die
Struktur weist eine Flexibilität auf, die erlaubt f die Emitter- ; größe zu ändernc ohne daß der übrige Teil der Struktur oder andere ι Strukturen auf demselben Substrat davon betroffen werden r und ergibt
niedrigere Kapazitäten, wodurch die Eigenschaften der Schaltung ; verbessert werden.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Monolithische Halbleiterstruktur mit, in einer auf ein Halbleitersubstrat aufgebrachten Epitaxieschicht durch i Bereiche entsprechender Dotierung gebildeten, vertikal j angeordneten, bipolaren Transistoren mit gemeinsamem ι Kollektor, für Verknüpfungsglieder enthaltende Schaltungen,! dadurch gekennzeichnet, daß in der Epitaxieschicht (72) j ein ringförmiger Kollektorbereich (10) angeordnet ist, , und daß darüberliegend mehrere, den Kollektorbereich (10) mindestens teilweise überdeckende, durch isolierende Zonen (40, 42, 44f 46) voneinander getrennte Basisbereiche 120, 22, 24, 26) und innerhalb dieser, über dem Kollektorbereich angeordnete Emitterbereiche (30f 32, 34f 36) gebildet sind,
    ι ■
    ι 2, Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorbereich (TO) als Vieleck ausgebildet ist, und daß die in den Innenraum des Vielecks sich erstreckenden Basisbereiche 120, 22 f 24f 26) und die in ihnen gebildeten Emitterbereiche (30, 32, 34, 36) jeweils über einer Seite des Vielecks angeordnet sind.
    3, Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 24 dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (70) aus Silicium (Si) besteht und daß die die Basisbereiche voneinander trennenden, isolierenden Zonen (40, 42, 44, 46) aus, vorzugsweise durch selektive Umwandlung des Siliciums gebildetes Siliciumdioxid (SiO2) bestehen.
    4. Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Kollektorbereich von einem hochdotierten Isolationsring 162) mit gegenüber dem Kollektor entgegengesetzter Leitungsart umgeben ist.
    pi 975 01B 709827/0593
    ■ ' ■ ' · ORSGIMAL !MSPECTED
    5. Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche ! 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige
    Kollektorbereich (10) einen Innenraum (74) höherer Impedanz umschließt,
    6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (74) des Kollektorbereichs dieselbe Leitungsart wie der Kollektor, jedoch eine geringere Dotierungsstoffkonzentration aufweist.
    7. Halb leiter s truktur nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich höherer Impedanz sich mindestens an einer Stelle (50) bis zur Oberfläche der Struktur erstreckt und zur Bildung einer Schottky-Diode dient (Metallisierung 52)f die in der Epitaxieschicht durch einen Ausleger des Kollektorringes (10) kontaktiert ist.
    oje 709827/0593
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