-
Transistor für hohe Sperrspannung
-
Die Erfindung betrifft einen Transistor und insbesondere eine Transistorstruktur,
die einer zwischen Kollektor und Emitter anliegenden hohen Sperrspannung standhalten
kann.
-
Die erfindungsgemäße Struktur ist als eine auf einem Halbleiterchip
ausgebildete Mehrtransistorstruktur oder Verbundschaltung geeignet.
-
Eine Verbundschaltung weist im allgemeinen zwei oder mehr Transistoren
auf, die in Darlington-Schaltung od.dgl.
-
verbunden sind und als ein Transistor wirken. Eine derartige Darlington-Schaltung
aus zwei Transistoren wird dadurch gebildet, daß der Emitter des einen Transistors
mit der Basis
des anderen Transistors und die beiden Kollektoren
miteinander verbunden sind. Hinsichtlich der Verbundschaltung bildet dabei die Basis
des einen Transistors die Basis, der Emitter des anderen Transistors den Emitter
und der Verbindungspunkt der beiden Kollektoren den Kollektor der gesamten Verbundschaltung.
Zwischen Basis und Emitter des einen sowie des anderen oder der anderen Transistoren
liegen ein erster und ein zweiter Widerstand, durch die eine hohe Schaltgeschwindigkeit
erreicht und das Auftreten einer selbsterregten Schwingung unterdrückt wird.
-
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Mehrtransistorstruktur in Darlington-Schaltung
auf einem Halbleiterchip aus zu bilden. Dabei wird eine Halbleiterschicht des ersten
Leitfähigkeitstyps auf einem als Kollektor dienenden Halbleitersubstrat des zweiten
Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Die Emitterbereiche des zweiten Leitfähigkeitstyps
werden in der Halbleiterschicht nebeneinander ausgebildet. Der erste der beiden
Emitterbereiche ist elektrisch verbunden mit einem Bereich der Halbleiterschicht
an einer Stelle zwischen den beiden Emitterbereichen. In gleicher Weise ist der
zweite Emitterbereich elektrisch verbunden mit einem anderen Bereich der Halbleiterschicht
an einer Stelle in der Nähe des zweiten Emitterbereichs, Jedoch entfernt vom ersten
Emitterbereich.
-
Dieser zweite Emitterbereich dient als Emitter für die herköinmliche
Verbundschaltung. Die Basiselektrode der Verbundschaltung wird durch Ausbilden eines
ohmschen Kontaktes mit
einem weiteren Bereich der Halbleiterschicht
an einer Stelle in der Nähe des ersten Emitterbereichs und entfernt vom zweiten
Emitterbereich gebildet. Bereiche der Halbleiterschicht unterhalb des ersten und
zweiten Emitterbereichs dienen deweils als erster und zweiter Widerstand.
-
Die herkömmliche Mehrtransistorstruktur oder Verbundschaltung weist
eine parasitäre Diode mit PN-Übergang in Parallelschaltung mit dem Emitter-Kollektor-Weg
der Verbundschaltung auf, und zwar aufgrund des PN-Uberganges zwischen dem Halbleitersubstrat
und der Halbleiterschicht. Im Normalbetrieb der Verbundschaltung ist diese parasitäre
Dioden Sperrichtung vorgespannt. Wenn jedoch eine Sperrspannung zwischen Kollektor
und Emitter angelegt wird, so ist die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Wenn
z.B. die Verbundschaltung als Ausgangstransistor in einer Vertikalablenkschaltung
eines Fernsehempfängers verwendet wird, so wird die zwischen Emitter und Kollektor
anliegende Vorspannung periodisch umgekehrt, so daß damit eine periodische Durchlaßvorspannung
der parasitären Diode auftritt. Gleichzeitig konzentriert sich der durch die Diode
bei der bekannten Verbundschaltung fliessende Strom im oben erwähnten "anderen"
Bereich der Halbleiterschicht, die mit dem als Emitter wirkenden zweiten Emitterbereich
verbunden ist. Dieser Kontaktbereich der Halbleiterschicht stellt eine sehr kleine
Fläche dar, wodurch sehr leicht ein Durchschlag oder Durchbruch der parasitären
Diode und damit eine Zerstörung der Verbundschaltung auftreten kann.
-
Die Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, einen Transistor der
oben beschriebenen Art zu schaffen, der einer hohen Spannung standhalten kann, die
bei der Umkehr einer zwischen Emitter und Kollektor liegenden Spannung auftreten
kann.
-
Der erfindungsgemäße Transistor ist dadurch gekennzeichnet, daß er
aufweist: Ein Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps, eine Halbleiterschicht
des zweiten Leitfähigkeitstyps auf dem Halbleitersubstrat, einen in der Halbleiterschicht
ausgebildeten ersten Bereich des erstenLeitfähigkeitstyps, wobei dieser Bereich
mehrere Löcher aufweist und die Basisschicht solch in diese Löcher erstreckt, eine
elektrisch mit der Halbleiterschicht verbundene Basiselektrode, eine mit dem Halbleitersubstrat
elektrisch verbundene Kollektorelektrode sowie eine sowohl mit dem ersten Bereich
als auch mit den sich in die Löcher des ersten Bereiches erstreckenden Bereichen
der Halbleiterschicht elektrisch verbundene Emitterelektrode. Vorzugsweise sind
die Löcher gleichmäßig über den ersten Bereich verteilt.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Mehrtransistorstruktur
oder Verbundschaltung mit einer Darlington-Verbindung aus zwei Transistoren auf
einem Halbleiterchip geschaffen, die aufweist: Ein Halbleitersubstrat des ersten
Leitfähigkeitstyps, eine im Kontakt mit dem Halbleitersubstrat gebildete Halbleiterschicht
des zweiten Leitfähigkeitstyps, einen in der Halbleiterschicht ausgebil-
deten
ersten Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, einen angrenzend an den ersten Bereich
in der Halbleiterschicht ausgebildeten zweiten Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps,
wobei der erste Bereich mehrere über seine Fläche verteilte Löcher aufweist und
die Halbleiterschicht sich in die Löcher und bis zu deren oberen Anfang erstreckt,
eine mit einem ersten Abschnitt der Halbleiterschicht in der Nähe des zweiten Bereiches,
jedoch entfernt vom ersten Bereich, verbundene erste Leitfähigkeitsschicht, eine
sowohl mit dem zweiten Bereich als auch mit einem zweiten Abschnitt der Halbleiterschicht,
entfernt von deren ersten Abschnitt, verbundene zweite leitfähige Schicht sowie
eine sowohl mit dem ersten Bereich als auch mit der Halbleiterschicht in den Löchern
verbundene dritte leitfähige Schicht. Die erste und dritte leitfähige Schicht dienen
jeweils als Basiselektrode bzw.
-
Emitterelektrode der Verbundschaltung, während das Halbleitersubstrat
als Kollektor dient.
-
Die Emitterelektrode berührt die Halbleiterschicht entlang einer
großen Fläche, wodurch sich eine geringere Konzentration des Stromes ergibt, der
durch die durch einen PN-Übergang zwischen der Halbleiterschicht und dem Halbleitersubstrat
gebildete parasitäre Diode fließt. Damit wird der Wert des Stromes, der durch die
parasitäre Diode ohne Durchschlag des PN-Überganges fließen kann, groß. In anderen
Worten, die erfindungsgemäße Mehrtransistorstruktur hält der hohen Umkehrspannung
stand.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Ersatzschaltung einer Mehrtransistorstruktur
oder Verbundschaltung; Fig. 2 eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt durch und 3
eine bekannte Mehrtransistorstruktur; Fig. 4 eine Draufsicht und einen Querschnitt
durch und 5 eine erfindungsgemäße Mehrtransistorstruktur; Fig. 6 einen schematischen
Querschnitt, ähnlich wie Fig. 5, zur Darstellung der Stromwege in der erfindungsgemäßen
Mehrtransistorstruktur und Fig. 7 ein Diagramm mit den Strom-Spannungs-Kennlinien
der Dioden, die bei dem bekannten bzw. bei dem erfindungsgemäßen Transistor zwangsläufig
gebildet werden.
-
Eine Mehrtransistorstruktur bzw. Verbundschaltung besteht üblicherweise
aus der in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltung. Insbesondere handelt es sich um
eine Darlington-Verbindungaschaltung, bei der die Basis eines Leistungstransistors
100 der zweiten Stufe und der Emitter eines Transistors 200 der ersten Stufe sowie
die Kollektoren der beiden
Transistoren 100 und 200 jeweils miteinander
verbunden sind.
-
Dabei bilden hinsichtlich der Verbundschaltung die Basis des Transistors
200 eine Basiselektrode 1, der Emitter des Transistors 100 eine Emitterelektrode
2 und der Verbindungspunkt der beiden Kollektoren der Transistoren 200 und 100 eine
Kollektorelektrode 3 der gesamten Verbundschaltung, wobei zwischen Basis und Emitter
des ersten Transistors 200 ein Widerstand 5 und zwischen Basis und Emitter des zweiten
Transistors 100 ein Widerstand 6 liegt. Die Widerstandswerte der Widerstände 5 und
6 betragen 1 bis 2 K# bzw. 50 bis 200 S und sie dienen dazu, die Schaltgeschwindigkeit
zu erhöhen und das Auftreten von Schwingungen zu verhindern. Weiterhin ist in der
Ersatzschaltung eine parasitäre Diode 4 eingezeichnet, die wohl unerwunscht ist,
aber zwangsläufig als Ergebnis der Integration der Transistoren 100 und 200 auf
einem Halbleiterchip gebildet wird, was im Detail im folgenden beschrieben wird.
-
Eine die Ersatzschaltung nach Fig. 1 realisierende Verbundschaltung
ist aus der US-PS 3 596 150 bekannt. Die Struktur eines derartigen herkömmlichen
Transistors ist in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2
eine Draufsicht auf das Störstellen-Diffusionsmuster, während Fig. 3 einen Querschnitt
entlang der Linie III-III nach Fig. 2 zeigt. Zusätzlich dazu sind in Fig. 3 Verdrahtungsschichten
16, 16a und 16e sowie ein Oxydfilm 13 dargestellt.
-
Ein N-Silicium-Substrat 11 wird in Mesa-Form hergestellt.
-
Ein P-Bereich 12 wird im Mesa-Abschnitt durch ein Störstellen-Diffusionsverfahren
gebildet. In diesem P-Bereich 12 werden zwei N-Bereiche 14 und 14' gebildet. Der
N-Bereich 14 wird als Emitter eines ersten Transistors 200 verwendet, während der
andere N-Bereich 14' als Emitter eines zweiten Transistors 100 verwendet wird. Um
die Übergangsfläche zwischen der Basis und dem Emitter zu erhöhen, weisen die N-Bereiche
14 und 14' komplizierte Konfigurationen auf. Die Oberfläche der Struktur wird von
einem Film 13 bedeckt, der Öffnungen für die Verdrahtung aufweist. Die Verdrahtungsschicht
16b aus aufgedampftem Aluminium wird auf der linken Seite des P-Bereichs 12 gebildet.
In gleicher Weise wird die Verdrahtungsschicht 16a auf dem N-Bereich 14 und dem
mittleren Bereich des P-Bereichs 12 zwischen den N-Bereichen 14 und 14' gebildet,
während die Verdrahtungsschicht 16e auf dem N-Bereich 14' und der rechten Seite
des P-Bereichs 12 gebildet wird. Diese Verdrahtungsschichten 16b und 16e sowie das
Substrat 11 dienen als Basis, Emitter bzw. Kollektor der Verbundschaltung.
-
Der Widerstand 5 nach Fig. 1 wird durch eine Widerstandskomponente
5' des Abschnittes des P-Bereiches 12 unterhalb des N-Bereiches 14 gebildet. In
einer Ausnehmung des N-Bereiches 14' schließt die Aluminium-Verdrahtungsschicht
16a den N-Bereich 14' mit dem P-Bereich 12 kurz, so daß ein Leitungsweg zwischen
der Basis und dem Emitter des Transistors 200 Uber die Widerstandskomponente 5'
gebildet wird. Der Wider-
stand 6 nach Fig. 1 wird durch eine Widerstandskomponente
62' einer Ausnehmung 15 des P-Bereiches 12 sowie einer Widerstandskomponente 61'
des Abschnittes des P-Bereiches 12 unterhalb des N-Bereiches 14' gebildet. Der Kurzschluß
des N-Bereiches 14' und der Ausnehmung 15 durch die Aluminium-Verdrahtungsschicht
16e stellt einen Leitungsweg zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
100 über die Widerstandskomponenten 61 und 62' her.
-
Da bei einer derartigen Struktur die Aluminium-Verdrahtungsschicht
16e den P-Bereich 12 berührt, wird durch den Übergang des N-Substrates 11 und des
P-Bereiches 12 eine Diode gebildet, die parallel zum Emitter-Kollektor-Weg des zweiten
Transistors 100 liegt und damit die in Fig. 1 vorgesehene Diode 4 der Verbundschaltung
darstellt. Diese Diode 4 ist für die Struktur und die Betriebsweise unerwünscht,
jedoch unvermeidlich, wenn die Darlington-Schaltung auf einem Halbleiterchip gebildet
wird. Diese Diode 4 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn zwischen Kollektor
und Emitter der Verbundschaltung eine Vorspannung in Sperrichtung anliegt, so daß
damit ein großer Strom hindurchfließt. Da dieser Durchlaßstrom auf einem winzigen
Flächenabschnitt der den P-Bereich 12 kurzschließenden Aluminium-Verdrahtungsschicht
16e konzentriert ist, weist die Verbundschaltung den Nachteil auf, daß sie in diesem
Abschnitt leicht brechen kann. Eine Möglichkeit zur Verminderung der Stromkonzentration
würde die Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Verdrahtungsschicht 16e
und
der epitaktischen Schicht 12 darstellen. Dies würde jedoch dazu führen, daß der
Widerstandswert des Widerstandes 6 nach Fig. 1 vermindert würde.
-
Anhand der Fig. 4 und 5 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung näher beschrieben. Fig. t zeigt einen Querschnitt entlang der Linie
V-V nach Fig. 4. Fig. 4 selbst zeigt eine Draufsicht auf ein Störstellen-Diffusionsmuster.
-
In Fig. 5 sind außerdem Verdrahtungsschichten 26, 28 und 29 sowie
ein Oxydfilm 23 dargestellt. Ein N-Silicium-Substrat 21 weist einen Mesa-Bereich
auf. Im Mesa-Bereich des Silicium-Substrates 21 ist eine P-Schicht 22 vorgesehen,
innerhalb derer durch Diffusion N-Bereiche 24 und 24' gebildet werden, die als Emitter
Verwendung finden. Der N-Bereich 24' weist mehrere gleichmäßig auf seiner Oberfläche
verteilte Löcher auf. In diese Löcher erstrecken sich mehrere P-Bereiche 27, die
von der P-Schicht 22 aus vorspringen.
-
Der N-Bereich 24, die P-Schicht 22 und das Substrat 21 dienen als
Emitter, Basis bzw. Kollektor eines ersten Transistors 200, d.h. der Vorstufe. Auf
der linken Seite der P-Schicht 22 ist eine Verdrahtungsschicht 28 aufgebracht, die
als Basis der Verbundschaltung dient. Der N-Bereich 24 und der mittlere Bereich
der P-Schicht 22 zwischen den N-Bereichen 24 und 24' sind mit einer Verdrahtungsschicht
29 verbunden. Der Widerstand 5 nach Fig. 1 wird durch eine Widerstandskomponente
5" der P-Schicht 22 unterhalb des N-Bereichs
gebildet. Der N-Bereich
24', die P-Schicht 22 und das Substrat 21 dienen als Emitter, Basis bzw. Kollektor
des zweiten Transistors 100, d.h. der Rückstufe. Der N-Bereich 24' und die rechte
Seite der P-Schicht 22 sind durch eine Verdrahtungsschicht 26 miteinander verbunden.
Der Widerstand 6 nach Fig. 1 wird gebildet durch eine Widerstandskomponente 62"
des Abschnittes der P-Schicht 22, der sich in die Löcher des N-Bereiches 24' bis
zu deren Bodenfläche erstreckt, sowie durch die Widerstandskomponente 61" des Abschnittes
der P-Schicht 22 unterhalb des N-Bereiches 24'.
-
Die Diode 4 nach Fig. 1 wird durch den PN-Übergang zwischen der P-Schicht
22 und dem Substrat 21 gebildet. Dabei wird eine Elektrode durch die Verdrahtungsschicht
26, die die sich in den Löchern erstreckenden Bereiche 27 berührt, und die andere
Elektrode durch das Substrat 21 gebildet. Normalerweise ist die an die Verdrahtungsschicht
26 angelegte Spannung kleiner als die am Substrat 21, so daß die Diode 4 nach Fig.
1 in Sperrichtung vorgespannt ist. Falls jedoch eine derartige Verbundschaltung
in einem Schaltkreis verwendet wird, bei dem eine Vorspannung vorübergehend in der
Polarität umgedreht wird, wie etwa bei einer Schalteinrichtung oder der Ausgangsstufe
der vertikalen Ablenkschaltung eines Fernsehempfängers, so wird die Diode in Durchlaßrichtung
vorgespannt, so daß sich ein großer Durchlaßstrom ergibt. Diese Stromwege werden
anhand von Fig. 6 näher erläutert. Wenn die an den Kollektor der Verbundschaltung
angelegte Spannung hinsichtlich
des Emitters in ihrer Polarität
umgedreht wird, so fließt der Durchlaß strom 31 gleichmäßig an den Stellen durch
die P-Schicht 22, wo die Bereiche 27 verteilt sind. Damit wird der zulässige Stromwert
der Diode 4 erhöht, so daß selbst dann, wenn die zwischen Kollektor und Emitter
eines solchen Transistors liegende Spannung in ihrer Polarität umgekehrt wird, ein
thermischer Durchschlag des Transistors kaum auftreten kann.
-
Der Widerstandswert des Widerstands 6 nach Fig. 1 wird bei der erfindungsgemäßen
Transistorstruktur im Vergleich zur bekannten Struktur nach Fig. 2 kaum verändert.
Insbesondere trifft der aus dem durch den N-Bereich 24' umgebenen, zylindrischen
Bereich 27 fließende Strom auf eine P-Schicht 32 mit hohem Widerstandswert, und
zwar direkt unterhalb des N-Emitterbereichs 24', und kann damit kaum weiterfließen.
Damit kommt es zu keiner elektrischen Leitungsbildung von der Verdrahtungsschicht
26 zur P-Schicht 22 unterhalb des N-Bereichs 24' über die Bereiche 27, so daß keine
Zunahme des Widerstandswertes des Widerstandes 6 nach Fig. 1 im Vergleich zur bekannten
Struktur bewirkt wird. Auf diese Weise kann durch die erfindungsgemäße Struktur
die Stromkennlinie der Diode, die zwangsläufig mit der zweiten Transistorstufe verbunden
ist, ohne Verändern des Widerstandswertes des Widerstandes 6 nach Fig. 1 verbessert
werden. Fig. 7 zeigt die Strom-Spannung-Kennlinien der Dioden, die mit den zweiten
Transistorstufen der oben beschriebenen Verbundschaltungen
verbunden
sind. Die Kurve 50 zeigt die Kennlinie der Diode bei der bekannten Struktur und
die Kurve 60 die Kennlinie der Diode bei der erfindungsgemäßen Struktur. Aus Fig.
7 ist ersichtlich, daß die Stromkennlinie 60 der Diode in der erfindungsgemäßen
Verbundschaltung merklich verbessert wurde.
-
Die erfindungsgemäße Verbundschaltung kann durch die folgenden Verfahrensschritte
hergestellt werden. Bor oder Gallium, die als P-Störstellen dienen, werden in ein
N-Halbleitersubstrat 21 diffundiert und bilden einen P-Bereich 22.
-
Danach läßt man einen Oxydfilm 23 auf der Oberfläche des P-Bereiches
22 aufwachsen. Danach wird der Oxydfilm 23 durch eine Flußsäuren-Pufferlösung od.dgl.
unter Verwendung eines photoleitfähigen Harzes, Wachses usw. als Ätzmaske weggeätzt,
und es werden dann Fenster zur Störstellen-Diffusion geöffnet, um Emitterbereiche
zu bilden. Danach werden Phosphor oder Arsen als N-Störstellen durch die Fenster
hindurchdiffundiert und die Emitterbereiche 24 und 24' gebildet. Danach wird die
gesamte Oberfläche wieder mit einem Oxydfilm bedeckt (dünner Bereich des Oxydfilms
23). Danach werden für den ohmschen Kontakt Fenster durch den Oxydfilm 23 geöffnet.
-
Die Verdrahtungsschichten 26, 28 und 29 werden durch Aufdampfen von
Aluminium auf die gesamte Oberfläche und wahlweises Abätzen gebildet. Nachdem eine
Mesa-Abdeckung aus photoempfindlichem Harz, Wachs od.dgl. auf die Verdrahtungsschichten
26, 28 und 29 aufgebracht wurde, wird schließlich die Struktur einem Ätzvorgang
mit einer Flüssigkeitsmischung aus Fluß-
säure, Salpetersäure und
Eisessig ausgesetzt, um eine Nesa-Form, wie in Fig. 5 dargestellt ist, eines Mesa-Verbundtransistors
zu bilden.
-
Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsform
sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.
So können selbstverständlich anstelle der Kombination aus zwei NPN-Transistoren
in gleicher Weise eine Kombination von zwei PNP-Transistoren verwendet werden. Ebenso
kann die erfindungsgemäße Mehrtransistorstruktur oder Verbundschaltung nicht nur
bei Mesa-Transistoren, sondern auch bei Planar-Transistoren angewendet werden.