DE2731443C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Transistor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Halbleiterbauelement mit zwei miteinander zusammenhängenden Transistoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 2 ist aus der US-PS 35 96 150 bekannt. Es weist zwei Transistoren auf, die in Darlington-Schaltung ver­ bunden sind und als ein Transistor wirken. Die Schaltung wird dadurch gebildet, daß der Emitter des einen Tran­ sistors mit der Basis des anderen Transistors und die beiden Kollektoren miteinander verbunden sind. Dabei bilden die Basis des einen Transistors die Basis, der Emitter des anderen Transistors den Emitter und der Ver­ bindungspunkt der beiden Kollektoren den Kollektor der Gesamtschaltung. Zwischen Basis und Emitter der einzel­ nen Transistoren liegen Widerstände, durch die eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht und das Auftreten selbst­ erregender Schwingungen unterdrückt wird.

Das herkömmliche Halbleiterbauelement weist eine para­ sitäre Diode mit PN-Übergang in Parallelschaltung zu dem Emitter-Kollektor-Weg der Gesamtschaltung auf, und zwar aufgrund des PN-Übergangs zwischen den Halbleiter­ schichten. Im Normalbetrieb der Gesamtschaltung ist diese parasitäre Diode in Sperrichtung vorgespannt. Wenn je­ doch eine Sperrspannung zwischen Kollektor und Emitter angelegt wird, so ist die Diode in Vorwärtsrichtung vor­ gespannt. Wenn z. B. die Gesamtschaltung als Ausgangstran­ sistor in einer Vertikalablenkschaltung eines Fernseh­ empfängers 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 Schaltung fließende Strom in einem Bereich der Halbleiterschicht, der mit dem als Emitter der Gesamtschaltung wirkenden zweiten Emitterbereich verbunden ist. Dieser Kontaktbereich der Halbleitershicht stellt eine sehr kleine Fläche dar, wodurch sehr leicht ein Durchbruch der parasitären Diode und damit eine Zerstörung der Gesamtschaltung auf­ treten kann.

Ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 ist aus der DE-OS 22 06 353 bekannt. Dieses bekannte Halbleiterbauelement ist ein Transistor, für den das oben gesagte sinngemäß gilt.

Diesen Halbleiterbauelementen ist gemeinsam, daß der mit der Basis kontaktierte Teil der Emitterelektrode - durch den der Emitterbereich mit dem Basisbereich kurz­ geschlossen und eine zum Transistor parallele Diode über den PN-Übergang zwischen Basis und Kollektor geschaffen wird - auf eine einzige, flächenmäßig sehr kleine Stel­ le begrenzt ist, so daß die Gefahr eines thermischen Durchbruchs relativ groß ist. Eine Lösung dieses Pro­ blems durch Vergrößerung der vorhandenen Kontaktflächen zwischen Emitterelektrode und Basisbereich ist jedoch nicht sinnvoll, da dadurch der ebenfalls in die Halblei­ terstruktur integrierte Widerstand in unerwünschter Weise verändert werden würde.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei den gattungsgemäßen Halbleiterbauelementen einen thermischen Durchbruch bei hoher in Rückwärtsrichtung zwischen Emitter und Kollektor anliegender Spannung zu vermeiden, ohne dabei den Wert des Widerstandes des Teils des Basisbereichs zwischen der Emitterelektrode und dem Emitter-Basis-PN-Übergang gegenüber dem Wert dieses Widerstandes bei bekannten Halbleiterbauelementen zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den An­ sprüchen 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann, obwohl die ge­ samte Fläche, in der ein Strom direkt von der Emitter­ elektrode in den Basisbereich fließen kann, im Vergleich zur Flächen­ ausdehnung des Emitterbereichs klein ist, sich doch die von dem Strom erzeugte Wärme auf der Gesamtfläche des Emitterbereichs verteilen. Es wird also vermieden, daß sich der Gesamtstrom auf einen kleinen Bereich konzen­ triert, so daß eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Durchbruch erreicht ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ersatzschaltung eines Halbleiterbauelements mit zwei miteinander zusammenliegenden Transistoren;

Fig. 2 und 3 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein bekanntes Halbleiterbauelement;

Fig. 4 und 5 eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement;

Fig. 6 einen schematischen Querschhnitt, ähnlich wie Fig. 5, zur Darstellung der Stromwege in dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement und

Fig. 7 ein Diagramm mit den Strom-Spannungs-Kennlinien der Dioden, die bei dem bekannten bzw. bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement zwangsläufig ge­ bildet werden.

Ein Halbleiterbauelement mit zwei miteinander zusammenhängenden Transistoren be­ sitzt üblicherweise die in Fig. 1 dargestellte Ersatz­ schaltung. Insbesondere handelt es sich um eine Darlington­ schaltung, bei der die Basis eines Leitungstran­ sistors 100 der zweiten Stufe und der Emitter eines Transi­ stors 200 der ersten Stufe sowie die Kollektoren der beiden Transistoren 100 und 200 jeweils miteinander verbunden sind. Dabei bilden hinsichtlich der Schaltung die Basis des Transistors 200 eine Basiselektrode 1, der Emitter des Tran­ sistors 100 eine Emitterelektrode 2 und der Verbindungspunkt der beiden Kollektoren der Transistoren 200 und 100 eine Kol­ lektorelektrode 3 der Gesamtschaltung, wobei zwi­ schen Basis und Emitter des ersten Transistors 200 ein Wider­ stand 5 und zwischen Basis und Emitter des zweiten Tran­ sistors 100 ein Widerstand 6 liegt. Die Widerstandswerte der Widerstände 5 und 6 betragen 1 bis 2 kΩ bzw. 50 bis 200 Ω, 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 unerwünscht ist, aber zwangsläufig als Ergebnis der Integration der Transistoren 100 und 200 auf einem Halblei­ terchip gebildet wird, was im Detail im folgenden beschrie­ ben wird.

Eine die Ersatzschaltung nach Fig. 1 realisierende Schaltung ist aus der US-PS 35 96 150 bekannt. Die Struk­ tur eines derartigen herkömmlichen Transistors ist in den Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2 eine Draufsicht auf das Störstellen-Diffusionsmuster, wäh­ rend Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III nach Fig. 2 zeigt. Zusätzlich dazu sind in Fig. 3 Verdrahtungs­ schichten 16 b, 16 a und 16 e 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 Transi­ stors 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 16 b aus aufgedampftem Aluminium wird auf dem linken Abschnitt des P-Bereichs 12 gebildet. In gleicher Weise wird die Verdrah­ tungsschicht 16 a auf dem N-Bereich 14 und dem mittleren Abschnitt des P-Bereichs 12 zwischen den N-Bereichen 14 und 14′ gebildet, während die Verdrahtungsschicht 16 e auf dem N-Be­ reich 14′ und dem rechten Abschnitt des P-Bereichs 12 gebildet wird. Diese Verdrahtungsschichten 16 b und 16 e sowie das Sub­ strat 11 dienen als Basis, Emitter bzw. Kollektor der Schaltung.

Der Widerstand 5 nach Fig. 1 wird durch eine Widerstands­ komponente 5′ des Abschnittes des P-Bereiches 12 unterhalb des N-Bereiches 14 gebildet. In einer Ausnehmung des N-Berei­ ches 14′ schließt die Aluminium-Verdrahtungsschicht 16 a den N-Bereich 14′ mit dem P-Bereich 12 kurz, so daß ein Leitungs­ weg zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 200 über 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 Widerstands­ komponente 61′ des Abschnitts des P-Bereiches 12 unterhalb des N-Bereiches 14′ gebildet. Der Kurzschluß des N-Bereiches 14′ und der Ausnehmung 15 durch die Aluminium-Verdrahtungs­ schicht 16 e stellt einen Leitungsweg zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 100 über die Widerstandskompo­ nenten 61′ und 62′ her.

Da bei einer derartigen Struktur die Aluminium-Verdrah­ tungsschicht 16 e 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 vorge­ sehene Diode 4 der Schaltung darstellt. Diese Diode 4 ist für die Struktur und die Betriebsweise unerwünscht, je­ doch unvermeidlich, wenn die Darlington-Schaltung auf einem Halbleiterchip gebildet wird. Diese Diode 4 ist in Durchlaß­ richtung vorgespannt, wenn zwischen Kollektor und Emitter der Schaltung eine Vorspannung in Rückwärtsrichtung anliegt, so daß damit ein großer Strom hindurchfließt. Da dieser Durch­ laßstrom auf einem winzigen Flächenabschnitt der den P-Bereich 12 kurzschließenden Aluminium-Verdrahtungsschicht 16 e konzen­ triert ist, weist die Schaltung den Nachteil auf, daß sie in diesem Abschnitt leicht durchbrechen kann. Eine Möglichkeit zur Verminderung der Stromkonzentration würde die Vergröße­ rung der Kontaktfläche zwischen der Verdrahtungsschicht 16 e und der epitaktischen Schicht 12 darstellen. Dies würde je­ doch dazu führen, daß der Widerstandswert des Widerstandes 6 nach Fig. 1 vermindert würde.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird nun ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Fig. 5 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 Öffnungen auf. In diese Öffnungen erstrecken sich mehrere P-Bereiche 27 der P-Schicht 22.

Der N-Bereich 24, die P-Schicht 22 und das Substrat 21 dienen als Emitter, Basis bzw. Kollektor eines ersten Tran­ sistors 200, d. h. der Vorstufe. Auf dem linken Abschnitt der P- Schicht 22 ist eine Verdrahtungsschicht 28 aufgebracht, die als Basiselektrode der Schaltung dient. Der N-Bereich 24 und der mittlere Abschnitt der P-Schicht 22 zwischen den N-Berei­ chen 24 und 24′ sind mit einer Verdrahtungsschicht 29 ver­ bunden. Der Widerstand 5 nach Fig. 1 wird durch eine Wider­ standskomponente 5′′ der P-Schicht 22 unterhalb des N-Bereichs 24 gebildet. Der N-Bereich 24′, die P-Schicht 22 und das Substrat 21 dienen als Emitter, Basis bzw. Kollektor des zweiten Tran­ sistors 100, d. h. der Endstufe. Der N-Bereich 24′ und der Abschnitt der P-Schicht 22 sind durch eine Verdrahtungs­ schicht 26 miteinander verbunden. Der Widerstand 6 nach Fig. 1 wird gebildet durch eine Widerstandskomponente 62′′ des Ab­ schnittes der P-Schicht 22, der sich in die Öffnungen des N- Bereiches 24′ bis zu deren Bodenfläche erstreckt, sowie durch die Widerstandskomponente 61′′ des Abschnitts der P-Schicht 22 unterhalb des N-Bereiches 24′.

Die Diode 4 nach Fig. 1 wird durch den PN-Übergang zwi­ schen der P-Schicht 22 und dem Substrat 21 gebildet. Dabei wird eine Elektrode durch die Verdrahtungsschicht 26, die die sich in den Öffnungen erstreckenden Bereiche 27 berührt, und die andere Elektrode durch das Substrat 21 gebildet. Norma­ lerweise ist die an die Verdrahtungsschicht 26 angelegte Span­ nung kleiner als die am Substrat 21, so daß die Diode 4 nach Fig. 1 in Sperrichtung vorgespannt ist. Falls jedoch eine der­ artige Schaltung in einem Schaltkreis verwendet wird, bei dem eine Vorspannung vorübergehend in der Polarität umge­ dreht wird, wie etwa bei einer Schalteinrichtung oder der Ausgangsstufe der vertikalen Ablenkschaltung eines Fernseh­ empfängers, so wir 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 Kol­ lektor der Schaltung angelegte Spannung hinsichtlich des Emitters in ihrer Polarität umgedreht wird, so fließt der Durchlaßstrom 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 Tran­ sistors liegende Spannung in Rückwärtsrichtung anliegt, ein thermischer Durchbruch des Transistors kaum auftreten kann.

Der Widerstandswert des Widerstands 6 nach Fig. 1 wird bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement im Vergleich zum bekannten Halbleiterbauelement nach Fig. 2 kaum verändert. Insbeson­ dere 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. Da­ mit kommt es zu keiner elektrischen Leitungsbildung von der Verdrahtungsschicht 26 zur P-Schicht 22 unterhalb des N-Be­ reichs 24′ über die Bereiche 27, so daß keine Zunahme des Widerstandswertes des Widerstandes 6 nach Fig. 1 im Vergleich zum bekannten Halbleiterbauelement bewirkt wird. Auf diese Weise kann durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement die Stromkennlinie der Diode, die zwangsläufig mit der zweiten Transistorstufe ver­ bunden ist, ohne Verändern des Widerstandswertes des Wider­ standes 6 nach Fig. 1, verbessert werden. Fig. 7 zeigt die Strom-Spannung-Kennlinien der Dioden, die mit den zweiten Transistorstufen der oben beschriebenen Schaltungen verbunden sind. Die Kurve 50 zeigt die Kennlinie der Diode bei dem bekannten Halbleiterbauelement und die Kurve 60 die Kennlinie der Diode bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Stromkennlinie 60 der Diode in dem er­ findungsgemäßen Halbleiterbauelement merklich verbessert wurde.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann durch die folgenden Verfahrensschritte hergestellt werden. Bor oder Gallium, die als P-Störstellen dienen, werden in ein N-Halb­ leitersubstrat 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 Flußsäure-Pufferlösung od. dgl. unter Verwendung eines photoleitfähigen Harzes, Wachses usw. als Ätzmaske weggeätzt, und es werden dann Fenster zur Störstellen-Diffusion geöff­ net, um Emitterbereiche zu bilden. Danach werden Phosphor oder Arsen als N-Störstellen durch die Fenster hindurchdif­ fundiert und die Emitterbereiche 24 und 24′ gebildet. Danach wird die gesamte Oberfläche wieder mit einem Oxydfilm be­ deckt (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 Aufdamp­ fen von Aluminium auf die gesamte Oberfläche und wahlweises Abätzen gebildet. Nachdem eine Mesa-Abdeckung aus photoemp­ findlichem Harz, Wachs od. dgl. auf die Verdrahtungsschichten 26, 28 und 29 aufgebracht wurde, wird schließlich die Struk­ tur einem Ätzvorgang mit einer Flüssigkeitsmischung aus Fluß­ säure, Salpetersäure und Essigsäure ausgesetzt, um eine Mesa- Form, wie in Fig. 5 dargestellt ist, einer Mesa-Tran­ sistorschaltung zu bilden.

Anstelle der Kombination aus zwei NPN-Transistoren kann in gleicher Weise eine Kombination von zwei PNP-Transistoren verwendet werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement nicht nur ein Mesa-Tran­ sistor, sondern auch ein Planar-Transistor sein.

Claims (2)

1. Halbleiterbauelement mit einem Transistor mit einer Kollektorelektrode, einem Kollektorbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einem in Kontakt mit diesem ausgebildeten Basisbereich eines zweiten Leitfähigkeits­ typs, einer Basiselektrode, einem im Basisbereich ausge­ bildeten Emitterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps und einer den Emitterbereich überdeckenden und ohmisch kontaktierenden Emitterelektrode, wobei der Emitterbereich eine durchgehende Ausnehmung aufweist, in welcher sich der Basisbereich erstreckt und dort ebenfalls von der Emitterelektrode ohmisch kontaktiert ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Emitterbereich (24′) mehrere über seine gesamte Fläche verteilte Öffnungen (27) aufweist, in denen der Basisbereich (22) von der Emitter­ elektrode (26) ohmisch kontaktiert ist.

2. Halbleiterbauelement mit zwei miteinander zusammenhängenden Transistoren, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Halbleiterbereich (24, 24′) eines ersten Leitfähigkeits­ typs, die getrennt voneinander in einer Halbleiterschicht (22) eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, die ihrerseits an eine Halbleiterschicht (21) des ersten Leitfähigkeitstyps angrenzt, sowie drei Leiterschichten (28, 29, 26), von denen die erste Leiterschicht (28) als Basiselektrode die Halbleiterschicht (22) des zwei­ ten Leitfähigkeitstyps ohmisch kontaktiert, die zweite Leiterschicht (29) sowohl den einen, ersten Halbleiterbereich (24) des ersten Leitfähigkeitstyps als auch die Halbleiterschicht (22) des zweiten Leitfähigkeitstyps ohmisch kontaktiert und die dritte Leiterschicht (26) als Emitterelektrode den anderen, zweiten Halbleiterbe­ reich (24′) des ersten Leitfähigkeitstyps ohmisch kon­ taktiert, wobei dieser Halbleiterbereich (24′) eine durch­ gehende Ausnehmung aufweist, in die sich die Halbleiter­ schicht (22) des zweiten Leitfähigkeitstyps erstreckt und in der die Halbleiterschicht (22) des zweiten Leitfähig­ keitstyps ebenfalls von der dritten Leiterschicht (26) ohmisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Halbleiterbereich (24′) des ersten Leitfähigkeitstyps mehrere über seine gesamte Fläche verteilte durchgehende Öffnungen (27) aufweist, in denen die Halbleiterschicht (22) des zweiten Leitfähig­ keitstyps von der dritten Leiterschicht (26) ohmisch kon­ taktiert ist.