DE2658090C2 - Monolithisch integrierter bipolarer Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand - Google Patents
Monolithisch integrierter bipolarer Transistor mit niedrigem SättigungswiderstandInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithisch integrierten bipolaren Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Herstellung von Transistoren in monolithischer integrierter Schaltungsform eröffnet dem Schaltungsgestalter
einen großen Bereich von Möglichkeiten bezüglich der Entwicklung von elektrischen Schaltungen, die
sich zum Durchführen zahlreicher Funktionen eignen. Im allgemeinen erfordert jedoch die Herstellung von
integrierten Schaltungen auf einem Substrat bestimmten spezifischen Widerstandes Kompromisse bezüglich
der Transistorcharakteriätiken, wenn Transistoren weitgehend unterschiedlicher Leistungs- oder Spannungseigenschaften
erforderlich sind. Beispielsweise kann die Forderung nach einem niedrigen Sättigungsspannungsabfall
in einem Starkstrom-, Niederspannungssignaltransistor nicht leicht in einem integrierten Schaltungsaufbau erreicht werden, der Hochspannungs-, Starkstrom-Leistungstransistoren
enthält, deren Eigenschaften den Typ des für die integrierte Schaltung benötigten
ίο Halbleitermaterials vorschreiben. Wenn beispielsweise
die Herstellung eines Transistors mit einer Kollektor-Basis-Durchbruchspannung von etwa 500 Volt erwünscht
ist, ist es im allgemeinen erforderlich, ein Halbleitersubstrat mit einer darauf ausgebildeten epitaxialen
Schicht mit einem spezifischen Widerstand von zumindest 10 Ohm · cm sowie einer Dicke von etwa 45 bis
50 um auszuwählen. W^nn es andererseits erwünscht
ist, eine Halbleitervorrichtung mit einer Kollektor-Basis-Durchbruchspannung
von nur 50 Volt herzustellen, führt eine epitaxiale Schicht mit 1 Ohm · cm und etwa
10 bis 12 μπι zu einer optimalen Leistungsfähigkeit
Wenn es erwünscht ist, sowohl Hochspannungsleistungstransistoren
(d. h. solche mit einer Kollektor-Basis-Durchbruchspannung
von mehr als einigen hundert Volt), als auch Niederspannungssignaltransistoren (d. h.
solche mit einer Kollektor-Basis-Durchbruchspannung
von weniger als 100 Volt) auf demselben integrierten Schaltungssubstrat auszubilden, muß ein Substrat ausgewählt
werden, das den strengeren Forderungen der Hochspannungsleitungstransistoren genügt und den
Charakteristiken der Niederspannungssignaltransistoren gerecht wird.
Diese kompromißbehaftete Vorrichtung enthält im allgemeinen einen unannehmbar hohen Kollektorserienwiderstand,
der sich aus der Geometrie der Vorrichtung ergibt
Die Erfindung geht aus von einem monolithisch integrierten bipolaren Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Transistor ist in der US-PS 36 65 266 beschrieben.
Bei diesem ist zwischen einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps und einer darauf aufgewachsenen
epitaxialen Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps eine vergrabene Schicht angeordnet, deren
Leitfähigkeit höher als die der epitaxialen Schicht ist und die zur Verringerung des Kollektorwiderstandes
und damit zur Verringerung des Bauelementwiderstandes im Sättigungsbetrieb dient. In die epitaxiale Schicht
sind weiterhin mehrere parallel verlaufende, stark dotierte Kollektorkontaktierungsbereiche eindiffundiert,
die mit der vergrabenen Schicht sowie mit quer zu ihnen verlaufenden weiteren Kollektorkontaktierungsbereichen
in Verbindung stehen, womit im Halbleiterkörper einzelne rechteckige Inseln gebildet sind, in denen jeweils
ein langgestreckter Basisbereich sowie ein in den Basisbereich eindiffundierter Emitterbereich ausgebildet
sind. Das bekannte Halbleiterbauelement besteht somit aus einer Mehrzahl von seitlichen aneinander angrenzend
angeordneten, langgestreckten Einzeltransistoren, die entsprechend miteinander verbunden sind.
Mit einer derartigen Anordnung läßt sich zwar der mit Sättigungsbetrieb des Halbleiterbauelements auftretende
Sättigungswiderstand verringern, jedoch sind hierbei keine sehr niedrigen Werte erzielbar, so daß die im Sättigungsbetrieb
auftretenden, unerwünschten Leistungsverluste dennoch relativ groß sind.
Aus der US-PS 34 60 006 sind Halbleiterbauelemente bekannt, die auf einem gemeinsamen Träger angeord-
3 4
net und durch Grenzbereiche voneinander isoliert sind Wicklung des Transformators 13, wodurch wiederum
Zur Verringerung der Wechselwirkungen zwischen den eine Spannung in der sekundären Wicklung induziert
einzelnen Halbleiterbauelementen, d h. zur gegenseiti- wird, um die Last 14 mit Leistung zu versorgen,
gen Isolierung, weist jedes der als Transistoren ausge- F i g. 2 zeigt einen bipolaren, Niederspannungstransi-
führten Halbleiterbauelemente angrenzend an den je- 5 stör 20 mit ineinandergeschachtelten Basis-, tmitter-
weiligen Kollektorbereich eine äußerst schwach dotier- und Kollektorelektroden. Der bipolare Transistor 20
te und damit sehr hohen spezifischen Widerstand besit- hat ein Halbleitersubstrat 21 eines ersten Leitfahigkeits-
zende Schicht auf, die einen Stromfluß zu benachbarten typs, wie ein Substrat vom P-Typ. Eine epitaxiale
Elementen nahezu vollständig unterbindet Mit der be- Schicht 22 eines zweiten Leitfähigkeitstyps (W-Typ) ist
kannten Anordnung lassen sich jedoch ebenfaUs keine io auf einer Hauptoberfläche des Substrats 21 ausgebildet,
geringen Sättigungswiderstandswerte erzielen. An der GrenzsteUe zwischen dem Substrat 21 und der
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu- epitaxialen Schicht 22 ist eine vergrabene Schicht 23
gründe, einen Transistor gemäß Oberbegriff des Patent- eines N+-Leitfähigkeitstyps ausgebildet In typischer
Anspruchs 1 derart auszugestalten, daß der im Sätti- Weise wird die Schicht 23 durch bekannte Diffusions-
eunesbetrieb auftretende Sättigungswiderstand weiter 15 techniken hergestellt
verringert ist Ein tiefer Kollektorkontaktbereich 24 vom N+-LeU-
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil fähigkeitstyp erstreckt sich von der Oberfläche durch
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst die epitaxiale Schicht 22 bis zur Schicht 23. Von der
Der Basisbereich des Halbleiterbauelemer.tes ist so- Oberfläche der epitaxialen Schicht erstreckt sich durch
mit in einen in der epitaxialen Schicht ausgebildeten 20 diese bis zum Substrat 21 ferner ein P-Typ Bereich 25,
Taschenbereich eingebettet, dessen spezifischer Wider- der vollständig den Kollektorbereich (einschließlich der
stand niedriger als der der epitaxialen Schicht ist und in vergrabenen Schicht 23 und des Kollektorkontaktberei-
dem darüber hinaus zusätzliche Kollektorbereichsteile ches 24) umgibt und diesen Teil der epitaxialen Schicht
ausgebildet sind, so daß der durch den hiermit drastisch 22 von allen ihren anderen Teilen elektrisch sowie
verringerten Kollektorwiderstand erheblich beeinflußte 25 räumlich trennt.
Sättigungswiderstand einen äußerst geringen Wert auf- Wenn Hochspannungs-Leistungshalbleitervornchweist,
der noch dadurch verringert ist, daß Kollektor-, tungen in monolithischen integrierten Schaltungen her-Emitter-
und Basisbereich ineinander verzahnt ausge- zustellen sind, machen die Spannungs- und Stromchaführt
sind. rakteristika der erwünschten Vorrichtung unter ande-Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf 30 rem die relative Dicke der epitaxialen Schicht und den
die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt spezifischen Widerstand derselben erforderlich, wie es
Fig 1 - in einem schematischen elektrischen Dia- oben beschrieben wurde. Für einen Leistungstransistor
gramm einen typischen Schaltungsaufbau mit Hoch- mit einer Kollektor-Basis-Durchbruchspannung von
spannungsleistungs- und Niederspannungssignaltransi- 500 Volt und einem Strom von etwa 1 Ampere ist es in
stören in einem Hochfrequenzinverter, 35 typischer Weise erforderlich, einen spezifischen Wider-F
i g. 2 - in einer perspektivischen sowie teilweise stand von etwa 15 Ohm · cm und eine Dicke der epitageschnittenen
Ansicht eine Ausführungsform der vorlie- xialen Schicht von etwa 45 u.m auszuwählen. Während
genden Erfindung und dieser Parameter zum Ausbilden von Hochspannungs-F i g. 3 - die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform Leistungsvorrichtungen zweckmäßig sind, führt die
der Erfindung in Draufsicht 40 Herstellung von Niederspannungssignalvorrichtungen
Bei dem erfindungsgemäßen Transistor sind viele An- in einer solchen epitaxialen Schicht durch bekannte
Wendungen möglich. Eine der im Augenblick vorauszu- Techniken zur Herstellung eines Transistors, der sich
sehenden Anwendungen ist die Benutzung in einem durch einen großen Kollektorserienwiderstand ein-Gleichstrom/Wechselstrom-Inverter
bzw. -Wandler, schließlich des Kollektorhaupt- bzw. -grundwiderstander
bei einer relativ großen Frequenz (beispielsweise 45 des, des Widerstandes der vergrabenen Schicht und des
bei 25 Kilohertz) arbeitet Diese hochfrequente Wech- Widerstandes des Kollektorkontaktbereiches auszeichselstromausgangsgröße
des Inverters bzw. Umformers net Daher zeigt das sich ergebende zur Signalverarbeiwird
dann zum Ansteuern einer Wechselstromlast be- tung dienende Halbleiterelement einen großen Sattinutzt,
oder die Ausgangsgröße des Inverters kann gungswiderstand, eine eindeutig unerwünschte Eigengleichgerichtet
und geeignet gefiltert werden, um eine 50 schaft für einen schaltend betriebenen Transistor, bei
Gleichstrom-Ausgangsspannung zu bilden, wenn dieses dem der große Sättigungswiderstand in unerwünschter
erwünscht ist. Weise die Leistungsverluste in der Vorrichtung vergrö-
So zeigt beispielsweise Fig. 1 eine typische Inverter- ßert
schaltung, in der die Transistoren der vorliegenden Er- Diese Schwierigkeiten durch Anordnung eines Ta-
findung benutzt werden können. Im einzelnen zeigt 55 schenbereichs 31 niedrigen spezifischen Widerstandes
F i g 1 einen Inverter 10 mit Hochspannungs-Leistungs- in einem getrennten Teil bzw. Bereich 26 der epitaxialen
transistoren 11 sowie 12,deren Kollektorelektroden mit Schicht 22 überwunden. In Fig. 2 ist dieser Bereich
der primären Wicklung eines Transformators 13 ver- niedriger spezifischen Widerstandes bezüglich seines
bunden sind, dessen sekundäre Wicklung an eine Last 14 Umrisses durch die Hinweiszahl 31 bezeichnet, und die-
angeschlossen ist. Der Transformator 13 enthält ferner 60 ser Bereich kann beispielsweise durch eine Kapseldiffu-
eine tertiäre Wicklung, die mit einer Steuerschaltung 15 sionstechnik gebildet werden. Wenn es erwünscht ist,
verbunden ist welche den Leitungszustand von Transi- ein preiswertes Verfahren zu schaffen, können gewisse
stören 11 12 und eines Niederspannungssignaltransi- technische Beti achtungen die Gesamtwirksamkeit die-
stors 16 steuert, dessen Kollektorelektrode mit den ses Schritts begrenzen. Beispielsweise müssen diese tie-
Emitterelektroden der Schalttransistoren verbunden ist. 65 fen Diffusionen gegenüber den erforderlichen niedrigen
Wie es für viele Inverter der in F i g. 1 dargestellten Art Oberflächenkonzentrationen und angemessenen Diffu-
typisch ist führt ein abwechselndes Leiten der Transi- sionszeiten abgewägt werden, einschließlich der mit den
stören 11 und 12 zu einem Stromfluß durch die primäre Diffusionszeiten verbundenen Kosten.
Wenn in einem spezifischen Beispiel ein einzelner Basisdiffusionsschritt
für beide Leistungs- und Signalvorrichtungen erwünscht ist, dann kann die Oberflächenkonzentration
des Bereichs 31 nicht diejenige der für die Leistungsvorrichtungscharakteristiken ausgewählten P-Typ
Basisdiffusion übersteigen. Der Oberflächenkonzentrationswert für die P-Typ Basisdiffusion beträgt in
typischer Weise 1018 Atome/cm3. Somit beträgt der
mittlere spezifische Widerstand nahe der Oberfläche etwa 03 Ohm · cm, wobei dieser Wert jedoch bis zum
Hintergrundwert des spezifischen Widerstandes ansteigt (d. h. 10—12 Ohm · cm). Daher kann der mittlere
spezifische Widerstand über dem Taschenbereich 3t etwa 1 Ohm · cm betragen. Aus ähnlichen praktischen
Gründen kann sich auch die Tiefe des Taschenbereiches 31 nicht vollständig bis zur vergrabenen Schicht 23 erstrecken,
so daß ein Bereich 27 gleichförmigen spezifischen Widerstandes vorhanden ist, der von der unmodifizierten
epitaxialen Schicht 22 gebildet wird.
Innerhalb des Taschenbereiches 31 mit geringerem spezifischem Widerstand ist eine Vielzahl von Basisabschnitten
32 beispielsweise durch eine P-Typ Diffusion ausgebildet Gemäß der Darstellung sind die P-Typ Basisabschnitte
32 langgestreckt und, wie es ferner aus der Draufsicht aus Fig.3 ersichtlich ist, durch einen gemeinsamen
P-Typ Bereich sowie durch ein darüberliegendes leitendes Gitter 42 verbunden. Eine erste Vielzahl
von Abschnitten 33 vom N+ -Leitfähigkeitstyp ist
ebenfalls beispielsweise durch Diffusion in die F-Typ Basisabschnitte 32 eingebaut, wobei diese Abschnitte 32
jeweils den Emitterbereich bilden. Eine zweite Vielzahl
von Abschnitten 34 mit N+ -Leitfähigkeit (die gleichzeitig
mit den Abschnitten 33 ausgebildet werden können) befindet sich zwischen den Basisabschnitten 32 und
weist einen Teil des Kollektorbereiches der Halbleitervorrichtung auf.
Kurz gesagt ist in F i g. 2 ein bipolarer Transistor dargestellt mit einem Kollektorbereich einschließlich der
vergrabenen Schicht 23, mit dem Kollektorkontaktbereich 24 und mit der Vielzahl von Kollektorabschnitten
34 vom ^+-Leitfähigkeitstyp, wobei diese Abschnitte 34
im Bereich 31 niedrigeren spezifischen Widerstandes ausgebildet und mit den Basisabschnitten 32 verschachtelt
sind.
Gemäß Fig.2 ist die Oberfläche der epitaxialen
Schicht 22 wahlweise mit einem isolierenden Material 35, wie Siliziumdioxid, und einem selektiv geformten
bzw. gemusterten leitenden Material bedeckt, wie Aluminium, Molybdän, polykristallinem Silizium oder anderen
geeigneten Elektrodenmaterialien. Die sich ergebende Elektrodenkonfiguration enthält ineinandergeschachtelte
Glieder zum Hersteller, eines Kontakts mit den darunter befindlichen Halbleiterbereichen.
Der verschachtelte Elektrodenaufbau ist klarer in F i g. 3 dargestellt, die eine Draufsicht der in F i g. 2 gezeigten
Ausführungsform der Erfindung beinhaltet Die Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden sind mit den
Hinweiszahlen 41, 42 und 43 bezeichnet Es ist darauf hinzuweisen, daß F i g. 3 nur einen Teil einer monolithischen
integrierten Schaltung zeigt, die zahlreiche andere Komponenten enthält, beispielsweise Hochspannungs-Leistungstransistoren,
die in der Schaltungskonfiguration aus F i g. 1 anwendbar sind
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Monolithisch integrierter bipolarer Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand und mit einem
Substrat (21) eines ersten Leitfähigkeitstyps (P), einer auf diesem aufgewachsenen epitaxialen Schicht
(22) eines dem ersten entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps (NX einer zwischen dem Substrat
(21) und der epitaxialen Schicht (22) angeordneten vergrabenen Schicht (23) des zweiten Leitf ähigkeitstyps,
einem sich durch die epitaxiale Schicht (22) von deren Oberfläche bis zu der vergrabenen Schicht
erstreckenden Bereich (24) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N+\ einem sich durch die gesamte epitaxiale
Schicht (22) von deren Oberfläche zu dem Substrat (21) erstreckenden schmalen Bereich (25) des
ersten Leitfähigkeitstyps, der die epitaxiale Schicht
(22) in mehrere miteinander nicht in Verbindung stehende Bereiche unterteilt, einer Vielzahl von in der
epitaxialen Schicht (22) ausgebildeten, in ihrer Gesamtheit den Basisbereich des Transistors bildenden
Basisabschnitten (32) des ersten Leitfähigkeitstyps (P), einer Vielzahl von in den Basisabschnitten (32)
ausgebildeten, in ihrer Gesamtheit den Emitterbereich des Transistors bildenden Emitterabschnitten
(33) des zweiten Leitfähigkeitstyps (JV+) und einer
Vielzahl von zwischen den Basisabschnitten (32) ausgebildeten, in ihrer Gesamtheit einen Teil des Kollektorbereichs
des Transistors bildenden Kollektorabschnitten (34) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N+),
dadurch gekennzeichnet, daß in der epitaxialen Schicht (22) ein Taschenbereich (31) ausgebildet
ist, der von der freiliegenden Oberfläche der epitaxialen Schicht (22) ausgehend sich nicht vollständig
bis zur vergrabenen Schicht (23) erstreckt und dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der
epitaxialen Schicht (22) ist, daß in dem Taschenbereich (31) die Basisabschnitte (32) und die Kollektorabschnitte
(34) ausgebildet sind, und daß.der Kollektorbereich,
der Basisbereich und der Emitterbereich ineinandergreifend verschachtelt ausgestaltet sind.
2. Monolithische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterabschnitte
(33) und die Kollektorabschnitte (34) eine höhere Leitfähigkeit als der Taschenbereich (31) aufweisen.
3. Monolithische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Emitterabschnitte (33) durch einen gemeinsamen Bereich desselben Leitfähigkeitstyps (N+) verbunden
sind.
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