DE2753320A1

DE2753320A1 - Halbleiter-pnpn-kreuzpunktschalter

Info

Publication number: DE2753320A1
Application number: DE19772753320
Authority: DE
Inventors: Altroy Fredrick Arthur D; Adrian Ralph Hartman; Richard Marshall Jacobs; Robert Leonard Pritchett; Peter William Shackle
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1978-06-08
Also published as: GB1572379A; JPS5948556B2; DE2753320C2; CA1095184A; FR2373162A1; NL7713078A; US4130827A; SE434446B; JPS5370684A; BE861272A; SE7713184L; ES464707A1; FR2373162B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper und einem oberen Halbleiterteil, die beide eine erste Leitfähigkeitsart besitzen, mit einer ersten Zone, die innerhalb Teilen des Halbleiterkörpers und des oberen Halbleiterteils enthalten ist und einen Teil aufweist, der sich vollständig durch den oberen Halbleiterteil hindurch erstreckt und somit einen Teil des oberen Halbleiterteils isoliert, wobei der isolierte Teil des oberen Halbleiterteils eine zweite Zone bildet, mit einer dritten Zone, die die gleiche Leitfähigkeitsart wie die erste Zone aufweist und innerhalb eines Teils der zweiten Zone gebildet ist, mit einer vierten Zone, die die gleiche Leitfähigkeitsart wie die zweite Zone aufweist und innerhalb eines Teils der dritten Zone gebildet ist, wobei die erste Zone mit einer derartigen vertikalen Dicke und Dotierstoffkonzentration versehen ist, daß eine ausreichende Anzahl natürlich auftretender Rekombinationszentren in der ersten Zone vorhanden ist, um zu bewirken, daß die Mehrheit der von der zweiten in die erste Zone eindringenden Träger rekombiniert, so daß ein Lecken solcher Träger in das Substrat relativ gering ist.

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Als Ersatz für mechanische Relais in Fernsprechvermittlungsanlagen sind Felder gesteuerter Siliciumgleichrichter (SCR) empfohlen worden, die durch einen "leitenden" Zustand ("Ein"-Zustand) niedriger Impedanz und einen "sperrenden" Zustand CAus"-Zustand, "nichtleitender" Zustand) hoher Impedanz gekennzeichnet sind. Eine in einem p-leitenden Siliciumsubstrat hergestellte PNPN-Struktur kann als ein SCR betrieben werden.

Die US-PS 3 786 425 zeigt eine PNPN-Halbleiterstruktur, die aus vier Zonen abwechselnder Leitfähigkeitsart in einem Halbleitersubstrat besteht. Eines der Probleme dieser Struktur besteht darin, daß der Leckstrom in das Substrat zu hoch ist, um in großen Fernsprechvermittlungsanlagen toleriert werden zu können.

In der GB-PS 1 427 261 ist eine Halbleiter-Kreuzpunktschalterstruktur beschrieben, die fünf Zonen abwechselnder Leitfähigkeitsart aufweist, die in einem Halbleitersubstrat enthalten sind. Die beschriebene Struktur löst viele der Leckprobleme bekannter Strukturen; sie benötigt jedoch eine extra Halbleiterzone, die den Herstellungsvorgang komplizierter macht und die Abmessungen der Struktur vergrößert.

Es wäre wünschenswert, eine Halbleiterkreuzpunktstruktur zu haben, die vier Zonen mit abwechselnder Leitfähigkeitsart in

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einem Halbleitersubstrat aufweist und einen relativ geringen Leckstrom in das Substrat besitzt.

Die beschriebenen Probleme werden gelöst mit einer Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Zone neben den natürlich auftretenden Rekombinationszentren zusätzliche Rekombinationszentren aufweist, welche die Rekombination von aus der zweiten Zone eingedrungenen Trägern erleichtern, so daß das Lecken in den Halbleiterkörper beträchtlich verringert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Halbleitervorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einer Querschnitt-Perspektivansicht eine erfindungs gemäße Halbleiterstruktur;

Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig. 1 ge zeigten Halbleiterstruktur;

Fig. 3 ein Feld verknüpfter Halbleiterkreuzpunktschalter ge mäß der Erfindung; und

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Fig. 4 eine Querschnitts-Perspektivansicht einer bevorzugten Halbleiterausführungsform eines Kreuzpunktschalters des in Fig. 3 gezeigten Kreuzpunktschalterfeldes.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Halbleiterschalterstruktur 10 mit einem p-leitenden Siliciumsubstrat 12, das eine n+-leitende Zone 14 aufweist. Die Zone 14 ist unter Verwendung von zwei Verfahrensschritten hergestellt. Als erstes werden n-Dotierstoffe mittels Ionenimplantation eingebracht und dann in das Substrat 12 diffundiert, um eine n+-Zone zu erzeugen, und dann wird das Substrat 12 mit einer gezüchteten p-leitenden epitaktischen Zone 16 bedeckt. Als nächstes werden n-Dotierstoffe selektiv auf der p-leitenden epitaktischen Zone 16 niedergeschlagen und dann so eindiffundiert, daß sie die Zone 16 durchdringen und eine isolierte p-leitende Zone 18 zurücklassen, die durch die n+-Zone 14 umgeben ist. Die Zone 14 umgibt die Zone 18 vollständig auf vier Seiten und am Boden. Eine zweite η-Zone, die Zone 20, wird in einem Teil der Zone 18 durch Ionenimplantation geschaffen. In einem Teil der Zone 20 ist mittels Ionenimplantation eine n-f-leitende Zone 24 gebildet. Eine (nicht dargestellte) Goldschicht mit einer Dicke von typischerweise 500 bis 2OO0Ä wird auf der Rückseite des Substrats 12 aufgebracht, und dann wird eine zweite p-leitende

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Zone 22 niedergeschlagen und in einen Teil der Zone 20 diffundiert. Das Substrat 12 wird als nächstes einer hohen Temperatur von typischerweise 1100 bis 1150 ⁰C ausgesetzt und dann rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Dies ist ein im englischsprachigen Raum als Gold-Spike-Prozeß bekanntes Verfahren, das dazu dient, in allen Zonen der Struktur 10 Goldatome in Kristallgitterplätzen unterzubringen, die zuvor durch Siliciumatome besetzt waren. Danach werden elektrische Kontakte 26, 28 und 30 mit den Zonen 14, 24 bzw. 22 hergestellt.

Typischerweise sind die Dickenabmessungen der Zonen 14, 18, 20 und 22 6 bis 20 Mikrometer, 3 bis 9 Mikrometer, 1 bis 2 Mikrometer bzw. 1 bis 3 Mikrometer. Es ist erwünscht, daß die Zone 14 so dick und so stark dotiert ist, wie es vernünftigerweise möglich ist, um in diese Zone eindringenden Trägern genügend Zeit zur Rekombination zu verschaffen, so daß ein relativ niedriger Trägerleckstrom in das Substrat 12 auftritt. Es ist ebenfalls erwünscht, die Zone 18 ziemlich dick zu machen, um einigen der in ihr vorhandenen Träger genügend Zeit zur Rekombination zu verschaffen und dadurch die Anzahl jener Träger zu begrenzen, welche von der Zone 18 durch die Zone 14 und dann als Leckstrom in das Substrat 12 wandern. Die zuvor beschriebene Golddotierung bewirkt, daß eine große Anzahl von Goldatomen Plätze innerhalb der n+-Zone 14 einnehmen, da n+-Zonen eine Affinität für das Sammeln von Goldatomen haben.

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Die Goldatome In Zone 14 sind beträchtlich wirksamere Rekombinationszentren als jene Rekombinationszentren, die In der Zone 14 natürlich auftreten. Die zusätzlichen hochwirksamen Rekomb!nationsZentren erhöhen die Rekombinationsrate der Träger in der Zone 14 beträchtlich, und dadurch verringern sie in beträchtlichem Maß darüberhinausgehend den Leckstrom in das Substrat.

Es hat sich gezeigt, daß ohne Golddotierung irgendwelcher Zonen und bei relativ hohen Stromdichten in der Größenordnung von ΛΟ^Ρ A/cm die Leckströme in das Substrat viel größer sind, als man es aufgrund der in den Zonen 12, 14 und 18 benutzten Störstellendotierungsniveaus erwarten mag. Es besteht die Vermutung , daß die hohen Stromdichten in der Zone 18 bewirken, daß in dieser Zone aufgrund des als Leitfähigkeitsmodulation bekannten Effektes ein Plasma aus Trägern gleicher Löcher- und Elektronenzahl erzeugt wird. Der resultierende Überschuß der Löcherzahl gegenüber der Elektronenzahl in der Zone 18 bleibt, wie es als Punktion der Dotierstoffkonzentration dieser Schicht sein sollte; wenn jedoch dieses Plasma einmal die n+-Zone 14 erreicht, diffundieren die Löcher des Plasmas durch die Zone 14 und erreichen den übergang zwischen der Zone 14 und dem Substrat 12 und werden vom Substrat 12 als Leckstrom aufgenommen. FUr die Elektronen des Plasmas besteht

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die Neigung, von der Zone 14 zurückgestoßen zu werden und in die Zone 20 zu driften.

Es wird angenommen, daß die Golddotierung der Zone 18 bewirkt, daß das durch den hohen Strom induzierte Trägerplasma in der Zone 18 rekombiniert und dadurch dieses Plasma beträchtlich verringert. Demgemäß ist die Anzahl der Träger, die zur Diffusion durch die Zone 14 in das Substrat 12 als Leckstrom verfügbar sind, beträchtlich reduziert. Die Golddotierung sowohl der Zone 14 als auch der Zone 18 vermindert somit stark den Leckstrom in das Substrat 12.

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterschalterstruktur 10, die einen pnp-Transistor T10, einen npn-Transistor T12 und einen parasitären Transistor T14 (der gestrichelt dargestellt ist - das Halbleitersubstrat dient als Kollektor) aufweist. Ein Kontaktanschluß 26 ist mit dem Emitter von T12 und mit der Basis von T14 verbunden. Ein Kontaktanschluß 28 ist mit der Basis von T10 und mit dem Kollektor von T12 verbunden. Ein Kontaktanschluß 30 ist mit dem Emitter von T10 verbunden. Der Kollektor von T10, die Basis von T12 und der Emitter von T14 sind alle miteinander in einem Knoten 32 verbunden.

Der Schalter 10 in Fig. 1 wirkt wie ein SCR, wobei die An-

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schlUsse 26, 28 und 30 als Kathoden-, Gate- bzw. Anodenanschluß dienen. Ein Widerstand R10, der gestrichelt dargestellt ist, kann zwischen die Anschlüsse 28 und 30 geschaltet werden, um eine bessere Steuerung des Gatezündstroms zu erlauben, bei welchem der Schalter 10 von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand umschaltet, und um eine bessere Steuerung bezüglich des Minimalstroms zu schaffen, der durch den Schalter 10 fließen muß, um diesen im leitenden Zustand zu halten.

Das Lecken, d. h., der Streu- oder Kriechverlust, von Signalen, die den Anschlüssen 26 oder 30 zugeführt werden, in das Substrat 12 verschlechtert das Verhalten der Fernsprechvermittlungsanlagen. Die Golddotierung der Zone 18 (die als Basis von T12, als Kollektor von T10 und als Emitter von T14 dieni^, und der Zone 14 (die als Emitter von T12 und als Basis von T14 dient) und die richtige Wahl der Dicke der Zonen 14 und 18 bringt eine beträchtliche Beschränkung der Streuung in das Substrat.

In Fig. 3 ist ein als integrierte Schaltung aufgebautes Nachrichtenvermittlungs- oder -kopplungsnetzwerk 100 dargestellt, das ein xy-Koordinaten-Feld von Reihen und Spalten von Kreuzpunktschaltern 102 aufweist. Das Feld ist so angeordnet, daß die Schalter 102 an ihren Kreuzungspunkten eine Vielzahl von Wählleitern x1 bis xn und eine Vielzahl von Gate-Leitern x1a

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bis xna mit einer Vielzahl von Wählleitern y1 bis yn verbinden. An jeden der Leiter*! bis xn ist ein gesonderter von Eingang/Ausgang-Anschlüssen X1 bis XN angeschlossen. An jeden der Leiter x1a bis xna ist ein gesonderter von Gatter-Anschlüssen X1A - XNA angeschlossen. An jeden der Leiter y1 bis yn ist ein gesonderter von Eingang/Ausgang-Anschlüssen Y1 - YN angeschlossen. Alle Schalter 102 und Leiter x1 - xn, x1a - xna und y1 - yn sind typischerweise auf einem einzigen Siliciumhalbleitersubstrat hergestellt.

Alle Schalter 102 sind identisch. Daher ist lediglich einer im einzelnen dargestellt. Jeder Schalter 102 besitzt einen pnp-Transistor T100, einen npn-Transistor T102, eine Diode D100, einen Widerstand R100 und einen parasitären Transistor T104 (gestrichelt dargestellt - das Substrat dient als Kollektor von T104). Der Emitter von T100, ein erster Anschluß von R100 und ein Anodenanschluß. A eines jeden Schalters 102 einer gegebenen Spalte von Schaltern 102 sind mit demjenigen yn-Leiter zusammengekoppelt, der dieser Spalte von Schaltern 102 zugeordnet ist. Die Kathode einer jeden Diode D100 aller Schalter 102 einer gegebenen Schalterreihe ist mit einem Gate-Anschluß G verbunden und mit dem xna-Leiter, der dieser Reihe von Schaltern 102 zugeordnet ist. Der Emitter eines jeden T102 einer gegebenen Reihe von Schaltern 102 ist an einen Kathodenanschluß C angeschlossen sowie an den xn-Leiter, der

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dieser Reihe von Schaltern 102 zugeordnet ist. Der zweite Anschluß von R100 ist mit der Anode von D1OO, mit der Basis von T100, mit dem Kollektor von T102, mit dem Emitter von T104 und mit dem Knoten 110 verbunden. Der Kollektor von T100 und die Basis von T102 sind in einem Knoten 112 miteinander verbunden.

Jeder der Kreuzpunktschalter 102 wirkt als gesteuerter Siliciumgleichrichter (SCR), der eine niedrige Aus-Kapazität und ein großes Impedanzverhältnis zwischen seinem Sperr- und seinem Leitungszustand aufweist. Jeder gewählte yn-Leiter kann mit jedem gewählten xn-Reihenleiter elektrisch verbunden werden, indem derjenige Kreuzpunktschalter 102 in den leitenden Zustand gebracht wird, der sich im Kreuzungspunkt der gewählten Leiter befindet. Ein Schalter 102 wird dadurch in den leitenden Zustand gebracht, daß eine geeignete positive Spannung an den Anschluß A angelegt wird, wobei den Anschlüssen G und C weniger positive Spannungen zugeführt werden. Dies bewirkt ein Leiten durch D100 und hat zur Folge, daß der Emitter-Basis-Übergang von T100 des gewählten Schalters 102 in Durchlaßvorspannung gerät und somit eine Leitung durch diesen übergang erlaubt, die das Potential der Basis von T102 so ehstellt, daß der Emitter-Bais-Ubergang von T102 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Dies erlaubt eine Leitung durch T102. Somit

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ist ein Leitungsweg zwischen den Anschlüssen A und C des gewählten Schalters 102 hergestellt. Wenn einmal ein Leitungsweg zwischen den Anschlüssen A und C hergestellt ist, kann das Potential des Anschlusses G so erhöht werden, daß der Stromfluß durch D100 aufhört. Wenn das Leiten durch einen Schalter 102 aufhört, wird der durch diesen führende elektrische Weg niedriger Impedanz zu einem Weg hoher Impedanz. Jeder Schalter 102 wirkt somit als ein gesteuerter Siliciumgleichrichter, der ein großes Impedanzverhältnis zwischen seinem leitenden Zustand niedriger Impedanz und sperrenden Zustand hoher Impedanz aufweist,

Eine mit den Anschlüssen XN, XNA und YN gekoppelte (nicht dargestellte) Wählschaltungsanordnung wird benutzt, um jenen Schalter 102 zu wählen, welcher die gewünschten Anschlüsse XN und YN verbindet. Mit den Anschlüssen XN, XNA und YN gekoppelte (nicht dargestellte) Gleichstromenergiequellen werden benutzt, um den Zustand eines jeden Schalters 102 zu steuern und aufrechtzuerhalten.

Nachdem die gewünschten Anschlüsse XN und YN elektrisch verbunden sind, können dem Gleichstromfluß Wechselstrom- oder Telefonsprachsignale überlagert werden. Dies erzeugt einen zweiseitigen Nachrichtenweg zwischen den gewählten XN- und YN-Anschlüssen,

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Ein Lecken oder Streuen von Signalströmen vom Anschluß C oder vom Knoten 110 durch den parasitären Transistor T104 in das Substrat bewirkt eine Verschlechterung des Wechselstrom- oder Sprachsignals. In großen elektronischen Festkörper-Fernsprechvermittlungsanlagen muß die Streuung von Sprachsignalen in das Substrat typischerweise auf weniger als 0,1 Promille gehalten werden. Der Halbleiteraufbau des in Fig. 4 gezeigten und nachfolgend ausführlich erläuterten Kreuzpunktschalters 102 erreicht die Anforderung nach diesem niedrigen Lecken oder Streuen.

In Fig. 4 ist in der Darstellung einer perspektivischen Querschnitt sansicht eine bevorzugte Halbleiterstruktur 120 eines Teils des in Fig. 3 gezeigten Feldes von Kreuzpunktschaltern 102 gezeigt. Die Halbleiterstruktur 120 besitzt ein p-leitendes Siliciumsubstrat 122, auf dem die pnp-, npn-, pn- und Widerstandskomponenten des Kreuzpunktschalters 102 durch bekannte Diffusions- und Ionenimplantationsmethoden als durch übergänge getrennte Zonen aus Halbleitermaterial gebildet sind.

Die Halbleiterstruktur 120 umfaßt ein Paar n+-leitende Längszonen 124 und 126. Die Zonen 124 und 126 sind unterVerwendung eines zweistufigen Verfahrens hergestellt. Zunächst werden in beide Ionen implantiert und dann in das Substrat 122 diffun-

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diert, worauf das Substrat 122 mit einer gezüchteten p-leitenden epitaktischen Zone 128 bedeckt wird. Als nächstes werden ■ n-Dotierstoffe selektiv auf der p-leitenden epitaktischen Zone 128 niedergeschlagen und dann so eindiffundiert, daß sie die Zone 128 durchdringen und die ursprüngliche n+-Diffusion als vergrabene Zonen zurücklassen mit isolierten Zonen aus p-leitendem Material 130 und 132, die von den n+-Schichten 124 bzw. 126 umgeben sind. Die n+-Zonen 124 und 126 umgeben die p-leitenden Zonen 130 bzw. 132 vollständig auf vier Seiten und am Boden. Zweite η-leitende Zonen 134 und 136 werden durch Ionenimplantation innerhalb der p-leitenden Zonen 130 bzw. 132 gebildet. Eine n+-leitende Zone 138 ist in einen Teil der η-leitenden Zone 134 diffundiert, um die Herstellung eines niederohmigen Kontaktes zur Zone 134 zu erlauben, n+- leitende Zonen 140 und 142 sind in die η-leitende Zone 136 diffundiert, um die Herstellung eines niederohmigen Kontaktes zu beiden Enden der η-leitenden Zone 136, die als Widerstand dient, zu erlauben.

Eine (nicht gezeigte) Goldschicht mit einer Dicke von typischerweise 500 bis 2000 % wird nun auf die rückwärtige Oberfläche des Substrats 122 aufgebracht, und dann wird eine p+- leitende Zone 144 in einen Teil der η-leitenden Zone 134 diffundiert. Getrennte p+-Zonen 146 und 148 werden in die p-Zonen 130 bzw. 132 diffundiert, wie dargestellt, um eine Begrenzung

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der Inversion der p-Zonen 130 bzw. 132 zu unterstützen. p+-Zonen 150, 152 und 154 werden beidseits der Zonen 124 und 126 diffundiert, um dabei zu helfen, eine Inversion dieser p-Zonen zu verhindern.

Auf der Planaroberflache des Substrats 122 wird eine Schicht aus SiO₂ 145 gezüchtet. Dann werden unter Verwendung von Standardmethoden geeignete Kontaktfenster im SiO₂ geöffnet, um jene Teile der Halbleiterstruktur 120 freizulegen, zu denen ein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll.

Eine (nicht gezeigte) Passivierungsschicht, typischerweise aus Si₅N-, wird dann über dem Substrat 122 bis zu einer typischen Dicke von 1000 bis 2000 Angström niedergeschlagen. Die ursprünglichen Kontaktfenster in der SiO₂-Schicht 144 werden erneut geöffnet, und das Substrat wird in einer StickstoffUmgebung 40 bis 60 Sekunden lang einer hohen Temperatur von typischerweise 1100 bis 1150 ⁰C ausgesetzt und dann rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Dieses Verfahren ist als Gold-Spike-Prozeß bekannt. Es dient dazu, die Goldatome in Kristallgitterplätze in allen Zonen der Halbleiterteile der Struktur 120 zu bringen. Diese eingebrachten Goldatome dienen als Rekombinationszentren, die eine Trägerrekombination viel wirksamer bewirken als natürlich auftretende Rekombinationszentren, die im Halbleitermaterial existieren.

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Daraufhin wird eine Metallisierung durchgeführt, die Verbindungen zwischen der n+-Zone 138, der p+-Zone 148 und der n+- Zone 142 und Verbindungen zwischen der n+-Zone 140 und der p+-Zone 144 umfaßt.

Die n+-leitende Längszone 124 dient als der C-Anschluß des Schalters 102 und als einer der Niedrigimpedanzleiter xn des in Fig. 3 gezeigten Feldes 100. Die n+-leitende Längszone 126 dient als der G-Anschluß des Schalters 102 und als einer der Niedrigimpedanzleiter xna des in Fig. 3 gezeigten Feldes 100. Die die Zonen 140 und 144 verbindende Metallisierung dient als einer der Kreuzpunktleiter yn des in Fig. 3 gezeigten Feldes 100 und als der Α-Anschluß des Schalters 102.

Typischerweise sind die Dickenabmessungen der Zonen 124, 130, 134 und 144 6 bis 20 Mikrometer, 3-9 Mikrometer, 1-2 Mikrometer bzw. 1-3 Mikrometer. Es ist erwünscht, daß die Zone 124 relativ dick ist, um den in sie eindringenden Trägern genügend Zeit zur Rekombination zu verschaffen, und daß die Zone 124 stark dotiert ist, so daß eine relativ große Anzahl natürlich auftretender Rekombinationszentren vorhanden ist, um die Rekombination zu erleichtern, so daß ein relativ nie driger Trägerleckstrom von der Zone 124 in das Substrat 122 auftritt. Die Zone 124 1st dementsprechend so hoch dotiert,

1Q i wie es vernünftigerweise möglich ist, typischerweise auf 10

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Es ist ebenfalls wünschenswert, daß die Zone 130 ziemlich dick ist, so daß einige der in ihr vorhandenen Träger genügend Zeit zur Rekombination erhalten können, wodurch die Zahl jener Ladungsträger begrenzt wird, die von der Zone 130 durch die Zone 124 und dann in das Substrat 122 als Leckstrom wandern.

Der zuvor beschriebene Golddotierschritt bewirkt, daß eine große Anzahl von Goldatomen Positionen innerhalb der Zone 124 einnehmen, da n+-leitende Zonen eine Affinität zum Sammeln von Goldatomen aufweisen. Die Goldatome in der Zone 124 sind bedeutend wirksamere Rekombinationszentren als jene Rekombinationszentren, welche natürlich in der Zone 124 auftreten. Diese zusätzlichen hochwirksamen Rekombinationszentren erhöhen die Rekombination der von der Zone 130 in die Zone 124 eingebrachten Träger erheblich und reduzieren somit den Leckstrom in das Substrat beträchHich:

Tr ρ

Es zeigte sich, daß bei relativ hohen Stromdichten (««ΙΟ-Ά/cm ) und ohne Golddotierung irgendeiner Zone die Leckströme in das Substrat höher sind als man bei den in den Zonen 134, 130 und 124 verwendeten Dotierstoffkonzentratlonswerten erwarten würde. Es wird angenommen, daß die hohen Stromdichten in der Zone 130 bewirken, daß ein Plasma aus Trägern gleicher Löcher- und Elektronenzahl in der p-leitenden Zone 130 erzeugt wird, und

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zwar aufgrund des als Leitfähigkeitsmodulation bekannten Effektes. Der resultierende Überschuß der Löcherzahl gegenüber der Elektronenzahl in der Zone 130 bleibt, wie er als Funktion der Dotierstoffkonzentration dieser Zone sein sollte; wenn dieses Ladungsplasma jedoch einmal die n+-Zone 124 erreicht, diffundieren die Löcher des Plasmas durch die Zone 124 hindurch, erreichen den übergang zwischen der Zone 124 und dem Substrat 122 und werden vom Substrat 122 als Leckstrom aufgenommen. Für die Elektronen besteht die Neigung, durch die n+- leitende Zone 124 zurückgestoßen zu werden und rasch in die Zone 136 zu driften.

Man nimmt an, daß die Golddotierung der Zone 130 bewirkt, daß das durch die hohe Stromdichte induzierte Trägerplasma in der Zone 130 rekombiniert und daß dadurch dieses Plasma beträchtlich reduziert wird. Demgemäß ist die Anzahl der Ladungsträger, die für eine Diffusion durch die Zone 124 und in das Substrat in Form von Leckstrom verfügbar sind, beträchtlich verringert. Die Golddotierung der beiden Zonen 124 und 130 reduziert somit den Leckstrom in das Substrat 122 erheblich.

Ein 4-mal-8-Feld aus 32 Kreuzpunktschaltern 102, wie es im wesentlichen in Fig. 3 gezeigt ist, wurde unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Struktur 120 in einer integrierten Schaltung auf einem änzigen Siliciumchip hergestellt. Der HaIb-

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leiterchip hat eine Fläche von etwa 0,051 mm (79 square mils) und befindet sich in einem Dual-in-line-Gehäuse mit 18 Anschlußstiften. Der äquivalente Widerstand zwischen der Anode und Kathode eines Kreuzpunktschalters 102 im leitenden Zustand ist bei einem Stromfluß von 10 mA typischerweise 10 0hm. Wenn sich der Kreuzpunktschalter 102 im gesperrten Zustand befindet, ist die Kapazität zwischen den Anschlüssen C und A typischerweise ein pF, und die Eingangsimpedanz be-

trägt typischerweise AO 0hm. Der durch einen leitenden Kreuzpunktschalter 102 fließende Gleichstrom ist typischerweise 5 mA. Telefonsprachsignale, die dem C- oder Α-Anschluß eines Kreuzpunktschalters 102 zugeführt werden, sind typischerweise ί 3 mA. Typische Leckströme in das Substrat bei einem Stromfluß von 10 mA sind kleiner als 10 nA. R100 hat typischerweise einen Widerstandswert von 1300 Ohm.

Die vorausgehende Beschreibung betrifft lediglich eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Prinzips. Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Änderungen möglich. Beispielsweise kann anstelle eines p-leitenden Substrats ein nleitendes Substrat verwendet werden. Die Leitfähigkeitsart aller Zonen wird entsprechend umgekehrt, was auch für die Energieversorgungspotentiale gilt, die für den Betrieb erforderlich sind. Ferner können die Goldatome durch Platinatome ersetzt

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werden. Ferner können zusätzliche Rekombinationszentren in einer Halbleiterzone geschaffen werden, indem eine Strahlung auf die Zone gerichtet wird, um Teile von deren Struktur zu deformieren. Überdies kann eine Ionenimplantation zur Bildung von Zonen verwendet werden, die gemäß Beschreibung durch Diffusion erzeugt worden sind, oder umgekehrt. Schließlich kann die p-leitende epitaktische Schicht eliminiert und ein Schalter mit vier Zonen abwechselnder Leitfähigkeitsart direkt im Substrat gebildet werden.

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Hi/ku

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2753320

Patentconsult RadedcestraOe 43 8000 München 60 Telelon (089) 883603/883604 Telex OS-212313 Telegramme Patentconsult Patenlconsull Sonnenberger StraBe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) S62943/S61998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA D·Altroy 4-3-3-6-2

Halbleiter-FNPN-Kreuzpunktschalter

Patentansprüche

/!.^Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper (12) und einem oberen Halbleiterteil (16), die beide eine erste Leitfähigkeitsart besitzen;

mit einer ersten Zone (14), die innerhalb Teilen des Halbleiterkörpers und des oberen Halbleiterteils enthalten ist und einen Teil aufweist, der sich vollständig durch den oberen Halbleiterteil hindurch erstreckt und somit einen Teil des oberen Halbleiterteils isoliert; wobei der isolierte Teil des oberen Halbleiterteils eine zweite Zone (18) bildet;

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dlpl.-Phyt. Dr. rar. nat · P. HirtenDipl.-Ing. . RP. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbeden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing.. P. lergen Dipl.-Ing. Dr. Jur.. 6. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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mit einer dritten Zone (20), die die gleiche Leitfähigkeitsart wie die erste Zone aufweist und innerhalb eines Teils der zweiten Zone gebildet ist;

mit einer vierten Zone (22), die die gleiche Leitfähigkeitsart wie die zweite Zone aufweist und innerhalb eines Teils der dritten Zone gebildet ist;

wobei die erste Zone mit einer derartigen vertikalen Dicke und Dotierstoffkonzentration versehen ist, daß eine ausreichende Anzahl natürlich auftretender Rekombinationszentren in der ersten Zone vorhanden ist, um zu bewirken, daß die Mehrheit der von der zweiten in die erste Zone eindringenden Träger rekombiniert, so daß ein Lecken solcher Träger in das Substrat relativ gering ist;

dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone (14) neben diesen natürlich auftretenden Rekombinationszentren zusätzliche Rekombinationszentren aufweist, welche die Rekombination von aus der zweiten Zone (18) eingedrungenen Trägern erleichtern, so daß das Lecken in den Halbleiterkörper (12) beträchtlich verringert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,

daß die zweite Zone (18) eine derartige vertikale Dicke und Dotierstoffkonzentration aufweist, daß eine ausreichende Anzahl natürlich auftretender Rekombinationszentren in der

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zweiten Zone existiert, um zu bewirken, daß In diese von der dritten Zone (20) eindringende Träger rekombinieren, so daß die Anzahl der die zweite Zone (18) verlassenden und in die erste Zone (14) eindringenden Träger reduziert und die Zahl der Träger begrenzt ist, die danach die erste Zone (14) verlassen und als Leckstrom in das Substrat eindringen; und daß die zweite Zone Rekombinationszentren zusätzlich zu den natürlich auftretenden Rekombinationszentren aufweist, um die Trägerrekombination in der zweiten Zone (18) zu erleichtern und die Anzahl jener Träger beträchtlich zu verringern, welche die zweite Zone verlassen und in die erste Zone (14) eindringen, so daß die Anzahl jener Träger begrenzt ist, die danach die erste Zone verlassen und als Leckstrom in das Substrat eindringen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren der ersten und der zweiten Zone (14 bzw. 18) Goldatome sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren der ersten und der zweiten Zone (14 bzw. 18) Fiatinatome sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die zusätzlichen Rekombinationszentren der ersten und der zweiten Zone (14 bzw. 18) Bereiche innerhalb der Zonen sind, die durch irgendeine Form einer von außen zugeführten Strahlung deformiert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ferner vorgesehen sind:

eine fünfte Zone (132), deren Leitfähigkeitsart der des Substrats entgegengesetzt ist und die innerhalb eines Teils des Substrats gebildet und von der ersten Zone durch einen Teil des Substrats getrennt ist;

eine sechste Zone (136), deren Leitfähigkeitsart mit der des Substrats übereinstimmt und die vollständig innerhalb eines Teils der fünften Zone enthalten ist; eine s&ente Zone (140), deren Leitfähigkeitsart mit der der fünften Zone übereinstimmt und die vollständig innerhalb eines Teils der sechsten Zone enthalten ist; und daß die siebente Zone einen Widerstand aufweist, mit einem ersten Endanschlußbereich, der mit der dritten Zcne elektosch (134) verbunden werden kann,und mit einem zweiten Endanschlußbereich, der mit der vierten Zone (144) elektrisch verbunden werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß die sechste Zone (136) neben natürlich auftretenden Rekombinationszentren zusätzliche Rekombinationszentren aufweist, die zu einer Erhöhung der Durchbruchspannung zwischen fünfter und sechster Zone führen.

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