DE2746700C2

DE2746700C2 -

Info

Publication number: DE2746700C2
Application number: DE2746700A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Manassas Va. Us Ayers; Raymond Weaver Catharpin Va. Us Hamaker
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1988-12-22
Also published as: BR7706777A; GB1584990A; DE2746700A1; US4113512A; SE7711985L; FR2369687A1; FR2369687B1; NL7711278A; CH619072A5; ES463621A1; CA1057419A; JPS5354490A; IT1114162B; JPS5424270B2; SE431272B

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Isolationsringes in einer integrierten Halbleiter vorrichtung gemäß dem Patentanspruch.

Aus der FR-PS 14 37 276 ist eine integrierte Halbleitervorrichtung mit einer Halbleiterbereiche trennenden Isolationszone des entgegengesetzten Leitungstyps bekannt, wobei ein zusätzlicher Isolationsring vorgesehen ist, der die Isolationszone umgibt, aber eine geringere Störstellenkonzentration als diese aufweist.

Der dort verwendete Isolationsring dient dazu, die durch die Isolationszone hervorgerufene Kapazität herabzusetzen.

Es ist bekannt, daß in integrierten Schaltungen die Minoritätsträgerlebensdauer häufig durch Verunreini gungen durch Metallionen verkürzt wird. Die Erschei nung wird allgemein auf die gleichmäßige Verteilung der metallischen Verunreinigungen im Halbleiter zurück geführt. In der Literatur wurde auch schon auf die Getterung verunreinigender Metallionen in mit Bor hoch dotierten Halbleiterzonen hingewiesen. Vergleiche dazu J. E. Lawrence, Trans. AIME 242, 484 (1968). Auch wurde schon festgestellt, daß ionisiertes Kupfer durch einen PN-Übergang hindurch diffundiert, wenn dieser durch eine Vorspannung in Durchlaßrichtung leitend wird, vgl. F. Barson et al, Fall Meeting of Electrochem. Society, October 1969, Abstract 196. Dabei wurden zwei Arten von Kupfer festgestellt: Interstitial-Kupfer in der P-Zone und Substitutions-Kupfer in der N-Zone der Vorrichtung.

Es ist allgemein bekannt, daß Zink als Akzeptor-Dotierung zur Herstellung von PN-Übergängen in GaAs-Halbleitern unbrauchbar ist. Das Zink in der P-Zone wandelt sich unter bestimmten Dotierungsbedingungen zu einem interstitiellen Donator. Dieses interstitielle Zink hat eine sehr hohe Diffusionsrate, weshalb es unter Einfluß eines elektrischen Feldes den PN-Übergang durchwandert. Durch diese unerwünschte Zinkdiffusion in GaAs werden allzu hohe Leckströme bei Vorspannungen sowohl in Durchlaß- als auch in Sperrichtung erzeugt, vgl. Longini, Solid State Electronics, 5, 127 (1962).

Es wurde auch festgestellt, daß in Durchlaßrichtung vorgespannte Übergänge, wie der Isolations-Kollektor- Übergang eines NPN-Transistors durch die Diffusion von Schwermetallionen, insbesondere Kupfer, beschädigt werden. Dies wird besonders durch die hohe Konzentra tion von Kupferionen in der Isolationszone verursacht und es ist bekannt, daß die Zone wegen der hohen Löslichkeit von Kupfer als Getter für dieses Metall wirkt. Dazu kommt die hohe Versetzungsdichte im Kristall, die mechanische Spannung erzeugt.

Die Verunreinigungen diffundieren aufgrund des elektrischen Feldes, das hervorgerufen wird durch eine Reduzierung des übergangsinternen Feldes und durch das Feld, das in der P- und N-Zone aufgrund des ohmschen Spannungsabfalls auftritt, wenn der Übergang in Durchlaßrichtung betrieben wird.

Fig. 1a ist ein Querschnitt einer P-Isolationszone 2, die üblicherweise mit mehr als 10¹⁹ Atomen/cm³ Bor dotiert ist. Die Zone liegt in der epitaktischen Halbleiterschicht 4, die mit 10¹⁵ Atomen/cm³ arsen dotiert ist. Eine metallische Verunreinigung, z. B. Kupfer, wird in der Isolationszone 2 gegettert.

Fig. 1b zeigt das Konzentrationsprofil für Bor, Arsen und die Kupferverunreinigung in Fig. 1a. Die Kupferver unreinigung liegt etwa zwei Größenordnungen unter der Bor-Dotierung, vgl. Hall et al, Journal of Applied Physics, 35, 379 (1964).

Fig. 1c zeigt das Übergangsverhalten bei einem Konzen trationsprofil gemäß Fig. 1b im Fall eines stark leitend vorgespannten Übergangs, der ein vernachlässig bares, übergangsinternes Feld ε _J in der Verarmungszone und keine elektrischen Felder e _J in den P- oder N-Zonen aufweist. Im stationären Zustand (Zeit t → ∞) und solange kein übergangsinternes elektrisches Feld besteht, ist die Verunreinigungskonzentration gleich mäßig über allen Zonen.

Fig. 1d zeigt das Übergangsverhalten bei einer Neuver teilung der metallischen Verunreinigung gemäß Fig. 1b bei geringerer Vorspannung in Durchlaßrichtung als in Fig. 1c, wenn das übergangsinterne Feld ε _J wesentlich ist. Die Verunreinigung diffundiert nun in geringerem Maße als Fig. 1c wegen der kompensierenden Wirkung von ε _J. Eine Verteilung der Verunreinigung, wie sie sich im stationären Zustand nach einer Zeit t _ss unter ver schiedenen Vorspannungen V ergibt, ist in Fig. 1e gezeigt.

Fig. 1f zeigt den Übergang unter Vorspannung in Durchlaßrichtung, wenn die Verarmungszone ein leicht verzögerndes Feld und die P-Zone ein beschleunigendes Feld aufweist. Wie ersichtlich, haben beide Zonen nach Erreichen des stationären Zustandes noch eine ungleiche Konzentrationsverteilung, die durch die Drift- und Diffusionskräfte bedingt sind. Unter diesen Bedingungen diffundieren mehr metallische Verunreinigungen über den Übergang als bei dem gemäß Fig. 1d, jedoch weniger als bei dem stark vorgespannten Übergang gemäß Fig. 1c.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, die Ausdiffusion metallischer Verunreinigungen aus Isolationszonen zu verhindern, wenn Vorspannungen zwischen den Isolationszonen und den von diesen getrennten Halbleiterbereichen in Durchlaßrichtung auftreten. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch niedergelegt.

Die schon erwähnte Fig. 1 zeigt eine diffundierte Isolationszone 2 innerhalb einer epitaktischen Halb leiterschicht 4, die Teil eines bipolaren Treiber transistors ist. Wenn der Transistor Strom liefert, wird die Isolationszone 2 in bezug auf die Halb leiterschicht 4 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Ver unreinigende Metallionen, wie Kupfer, Gold, Nickel und Eisen, innerhalb der Isolationszone 2 diffundieren dadurch in die Halbleiterschicht 4. Wenn die Isolations zone 2 in Sperrichtung vorgespannt ist, erzeugen die Verunreinigungen Rekombinationszentren in der Ver armungszone 6. Dadurch entsteht Leckstrom zwischen der Halbleiterschicht 4 und der Isolationszone 2.

Gemäß der Erfindung wird die Leckstrombildung verhindert durch einen Isolationsring 8, der die Isolationszone 2 umgibt und dieselbe Leitfähigkeit wie diese aufweist, vgl. Fig. 2a. Dazu wird ein Dotierstoff mit geringerer Oberflächenkonzentration als in der Isolationszone 2 eingebracht. Dies kann in Bipolartechnik z. B. eine Basisdiffusion sein, die die Isolation 2 überlappt, so daß das durch ohmschen Spannungsabfall erzeugte Feld sich nicht bis in die Isolationszone 2 erstreckt, welche stärker verunreinigt ist. Der Isolationsring 8 ist infolge der geringen Borkonzentration nur gering fügig verunreinigt. Die Dotierungskonzentrationsprofile sind in Fig. 2b angegeben. Der Isolationsring 8 kann auch durch Ionenbeschuß erzeugt werden.

Wenn die Epitaxiezone aus Silicium besteht, mit 10¹⁵ Atomen/cm³ arsendotiert ist und eine Dicke von 12 µm aufweist, wenn ferner die bordotierte Isolationszone 2 eine Oberflächenkonzentration von 2 × 10²⁰ Atomen/cm³ und eine Breite von 32 µm aufweist, kann der Iso lationsring 8 mit 10¹⁸ Atomen/cm³ bordotiert sein und sich etwa 3 µm breit außerhalb des Randes der Iso lationszone 2 erstrecken. Die Oberflächenkonzentration im Isolationsring 8 wird etwa zwischen die der Iso lationszone 2 und der Halbleiterschicht 4 gelegt. Sie muß so hoch sein, daß ein merklicher ohmscher Span nungsabfall in der Isolationszone 2 vermieden und der PN-Übergang 6′ mit seinem übertragungsinternen Feld ε _J aus der Isolationszone 2 hinausverschoben wird. Die Konzen tration soll aber nicht so groß sein, daß dadurch die metallischen Verunreinigungen während des Einbringens des Isolationsringes in diesen selbst eindringen.

Da das durch ohmschen Spannungsabfall erzeugte elek trische Feld sich nicht bis in die Zone hoher Do tierungskonzentration erstreckt, wandern die Ver unreinigungen nur in geringem Maß bis zum Übergang 6′ und nennenswerte Leckströme können darum nicht ent stehen. Es genügt dazu, den Isolationsring 8 nur flach auszuführen, da die Dotierungskonzentration mit der Tiefe von der Oberfläche sehr rasch abnimmt und die Isolationszone 2 unterhalb des Isolationsringes 8 nur wenige Metallionen enthält.

Der Isolationsring 8 löst ein wesentliches Problem bei der Herstellung integrierter Schaltungen mit Treiber transistoren. Ohne Isolationsring muß zusätzlicher Schaltungsaufwand getrieben werden, wenn Treiber transistoren in integrierten Schaltungen angeordnet werden sollen. Das Problem der unerwünschten Beein flussung von Isolationsübergängen durch Diffusion metallischer Verunreinigungen unter Vorspannung konnte bisher nicht gelöst werden. Die hier aufgezeigte Lösung ist besonders vorteilhaft, wenn lineare Schaltungen zur Verarbeitung analoger Signale inte griert werden sollen.

Claims

Verwendung eines Isolationsringes (8) in einer integrierten Halbleitervorrichtung mit durch wenigstens eine Isolationszone (2) voneinander getrennten Halbleiterbereichen, wobei der Isolationsring (8) und die Isolationszone (2) den entgegengesetzten Leitungstyp zu dem der Halbleiterbereiche aufweisen, zur Verhinderung der Ausdiffusion metallischer Verunreinigungen aus der Isolationszone (2) bei Auftreten einer Vorspannung am Übergang zwischen Isolationszone (2) und Halbleiterbereich in Durchlaufrichtung, wobei die Störstellenkonzentration und die laterale Ausdehnung des die Isolationszone (2) umgebenden und überlappenden Isolationsringes (8) so gewählt sind, daß das durch ohmschen Spannungsabfall erzeugte elektrische Feld sich nicht bis in die Isolationszone (2) erstreckt.