DE2757762A1 - Monolithische kombination zweier komplementaerer bipolartransistoren - Google Patents
Monolithische kombination zweier komplementaerer bipolartransistorenInfo
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Description
Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen
Berlin und HUnchen 77 P 1 18 6 BRQ
Berlin und HUnchen 77 P 1 18 6 BRQ
Monolithische Kombination zweier komplementärer
Bipolartransi stören
Bipolartransi stören
Die Erfindung betrifft eine monolithische Kombination
zweier komplementärer Bipolartransistoren, von denen
zweier komplementärer Bipolartransistoren, von denen
der eine als Lateraltransistor, der andere als Vertikaltransistor
nebeneinander an der Oberfläche eines Halbleitereinkristalls erzeugt und derart ausgebildet sind,
daß die Basiszone des Vertikaltransistors mit der Kollektorzone des Lateraltransistors und die Basiszone des
Lateraltransistors mit der Emitterzone des Vertikaltransistors zusammenfällt, bei der außerdem mindestens eine
zum Vertikaltransistor gehörende und gegen die Basiszone dieses Transistors durch einen pn-übergang abgegrenzte
Kollektorzone aus einkristallinem Halbleitermaterial und als Kollektorelektrode ein Schottkykontakt vorgesehen
ist.
Solche monolithische Kombinationen sind beschrieben in 1. "1975 TRKK International Solid-State Circuits Conference,
Febr. 14, 1975, S. 172/173, und in
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9Θ9826/0352
(Js 77? 1 186 8RD
2. "IEEE J. Solid-state Circuits, Oct. 1975, Vol. SC-10, S. 343 - 348.
Bei den dort beschriebenen monolithischen Transistorkombinationen
sind die Schottky-Kellektorelektroden unmittelbar auf dem monokristallinen Material der Kollektorzone
aufgebracht.
Stattdessen wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die oben definierte monolithische Kombination so auszugestalten,
daß die einkristalline Kollektorzone des Vertikaltransistors durch eine Schicht aus polykristallinem
Halbleitermaterial vom Leitungstyp der einkristallinen Kollektorzone erweitert und die als Schottky-Kontakt
ausgebildete Kollektorelektrode an der Oberfläche der polykristallinen Halbleiterschicht erzeugt ist.
Dadurch lassen sich folgende Vorteile gegenüber den bekannten monolithischen Kombinationen der eingangs definierten
Art erreichen:
a) Die monolithische Kombination läßt sich auf einfachere Weise als die bekannten Anordnungen dieser Art herstellen,
da im Gegensatz zur Herstellung der bekannten Anordnungen keine 600 KeV-Implantation erforderlich
ist.
b) Die polykristalline Siliciumschicht kann die Punktion
einer zweiten Leitbahnebene Übernehmen (in den meisten Fällen besteht die polykristalline Halbleiterschicht
aus polykristallinem Silicium), da der Schottkykontakt nicht unmittelbar über der Kollektorzone
liegen muß.
c) Es läßt sich eine höhere Packungsdichte als bei Anwendung
des bekannten Aufbaus erzielen.
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9 8-9 826/0352
γ VP 1 186 BRD
d) Bei Verwendung eines gemeinsamen einkristallinen Kollektorbereiches
für mehrere Kollektoranschlüsse kann der einkristalline Kollektorbereich und damit auch
die Basiszone des Vertikaltransistors bezüglich ihrer lateralen Ausdehnungen erheblich gegenüber dem entsprechenden
Kollektorbereich der bekannten Anordnungen reduziert werden, was eine entsprechende Verminderung
der Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten bedeutet. Außerdem kann die Größe des Vertikaltransistors
auf die Größe eines Minimaltransistors reduziert werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die Darstellung des einschlägigen Standes der Technik und die Begründung
der angegebenen Vorteile werden anhand der Fig.1 7 gebracht. Dabei beziehen sich die Fig. 1-4 auf bekannte
Anordnungen, die Fig. 6 teils auf bekannte Anordnungen, teils auf die Erfindung und die übrigen Figuren
ausschließlich auf die Erfindung.
Das Ersatzschaltbild einer der eingangs gegebenen Definition mit einer einzigen Ausnahme entsprechenden monolithischen
Kombination zweier komplementärer Bipolartransistoren ist in Fig. 1 gegeben. Die Ausnahme besteht
darin, daß die Kollektorelektroden in der bei integrierten I L-Gattern üblichen Weise als ohmsche Kontakte
und nicht als Schottky-Kontakte ausgebildet sind. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild ist
der Kollektor eines pnp-Transistors T1 an die Basis eines
mehrere Kollektorausgänge A aufweisenden npn-Transistors T2 gelegt, während der Emitter des Transistors
T2 und die Basis des Transistors T1 identisches Potential
haben. Dies ist die Folge der Identität der Basiszone des Lateraltransistors T1 mit der Emitterzone des
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zone des Lateraltransistors T1 mit der Basiszone des
Vertikal transistors Tp. Der Anschluß E kann als Eingang
des Gatters dienen, während die Kollektorausgänge A des Vertikaltransistors T2 die Ausgänge des logischen Gatters
bilden können.
Die Anwendung einer Schottky-Kontaktelektrode SD als Anschluß der Kollektorzone des Vertikaltransistors T2
bedingt die aus Fig. 2 ersichtliche Änderung des Ersatz-Schaltbilds, indem für jeden als Kollektorelektrode vorgesehenen
Schottky-Kontakt je eine Schottky-Diode SD im Ersatzschaltbild erscheint.
Die Realisierung des in Fig. 2 dargestellten Schaltbildes
durch eine bekannte monolithische Kombination kann in der aus Fig» 3 oder in der aus Fig. 4 ersichtlichen
Weise geschehen, wobei man gewöhnlich nicht nur eine sondern mehrere (im Beispielsfalle 3) Schottky-Kontakt-Kollektorelektroden
SD vorsieht. Dabei besteht die Möglichkeit, für jede Schottky-Kontaktelektrode SD je eine monokristalline
Kollektorzone, oder die Möglichkeit, für alle Schottky-Kontaktelektroden SD eine gemeinsame einkristalline
Kollektorzone des Vertikaltransistors T2 vorzusehen. Der erste Fall ist in Fig. 3» der zweite in
Fig. 4 dargestellt.
Bei der Herstellung von monolithischen Transistorkombinationen der eingangs definierten Art erzeugt man diese
gewöhnlich in einer einkristallinen Halbleiterschicht schwacher Dotierung, insbesondere mit η-Dotierung, die
auf einem wenigstens an seiner Oberfläche eine den Leitungstyp der epitaktischen einkristallinen Halbleiterschicht
schwacher Dotierung entsprechenden Leitungstyp aufweisenden Halbleiterkristall desselben Halbleitermaterials
epitaktisch abgeschieden ist, wobei jedoch die
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Dotierungskonzentration an der Oberfläche des Substrats wesentlich höher als die In der epitaktischen Schicht
eingestellt wird. Dieser Sachlage wird In den Flg. 3
und 4 sowie In den folgenden Figuren durch die n+-dotlerte
Zone 2 Rechnung getragen, In die die Kombination
der beiden Transistoren T1 und Tp mehr oder minder eingebettet
1st. Der denselben Leitungstyp wie die Zone 2 aufweisende schwach dotierte Bereich 3 bildet die Basiszone
des Lateraltransistors T1 und die Emitterzone des
Vertikaltransistors T2. An der Oberfläche des Bereiches
3 ist die p+-dotierte Emitterzone 4 und die p+-dotierte
Kollektorzone 5 des Lateraltransistors T1 im Beispielsfalle der Fig. 3 eingelassen, während im Beispielsfalle
der Fig.4 der schwach dotierte Bereich 3 (die eigentliche Basis des Lateraltransistors T1) ausschließlich zwischen
dem Emitter 4 und dem Kollektor 5 von T1 liegt.
Die Basiszone des Vertikaltransistors T2 und die Kollektorzone
des Lateraltransistors T1 bilden einen zusammenhängenden
Bereich vom gleichen Leitungstyp, wobei jedoch die Dotierung der Basiszone 5a von T2 niedriger als die
Dotierung der Kollektorzone 5 von T1 eingestellt ist. Im
Beispielsfalle der Fig. 3 ist Jeder Schottky-Kontakt-Ko Kollektorelektrode SD je eine einkristalline Kollektorzone
6, im Beispielsfalle der Fig. 4 der Gesamtheit der Schottky-Kontakt-Kollektorelektroden SD der Transistorkombination
nur eine einzige einkristalline Kollektorzone 6 zugeordnet. Die Anordnungen gemäß den beiden Figuren
3 und 4 sind durch eine insbesondere aus SiO2 bestehende
isolierende Schutzschicht 8 und den sperrfreien Anschlüssen 9 für den Emitter und den Kollektor des
Lateraltransistors T1 vervollständigt. Die Vorspannung für den Emitter des Vertikaltraneistors T2 bzw. die Basis
des Lateraltraneistors T1 wird über den Bereich 2
geliefert.
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- ?-8' 77? 1 186 BRO
Die Oberfläche der Kollektorzonen des Vertikaltransistors
T2 muß schwach dotiert sein (etwa 10 cm ), damit
die Kollektorelektrode als Schottky-Kontakt SD ausgestaltet werden kann. Dies bedingt, daß das aktive Gebiet
der Basis des Vertikaltransistors p~-dotiert sein muß und deshalb nur durch die Ionenimplantationstechnik
hergestellt werden kann. Wegen der erforderlichen Eindringtiefen sind hierfür Beschleunigungsenergien in der
Größenordnung von 600 keV notwendig. (Die Maßnahme, die Emitterzone 4 und die Kollektorzone 5 des Lateraltransistors
T1 zeitlich nacheinander zu erzeugen, ist aus
justiertechnischen Gründen nicht empfehlsam.)
Ist hingegen die Kollektorzone 6 des Vertikaltransistors Τ« hochdotiert, also vom n+-Typ, so kann die erforderliche
Dotierung der Kollektorzone 6, die ein zweimaliges Umdotieren der die Transistorkombination aufnehmenden
und die Dotierung des Bereiches 3 aufweisenden epitaktischen Schicht verlangt, auf konventionelle Weise, also
z.B. durch Diffusion, erfolgen.
Dies ist bei der in Fig. 5 dargestellten und der Erfindung entsprechenden Ausgestaltung der Fall. Ihre Realisierung
erfolgt zweckmäßig unter Verwendung von Silicium als Halbleitermaterial.
Die sowohl die Aufgabe der Emitterzone des Vertikaltransistors T2 als auch die Aufgabe der Basiszone des Lateraltransistors
T1 übernehmende donatordotierte Zone des Siliciumeinkristalls 1 besteht aus einem n+-dotierten
(d.h. etwa 10 bzw, 10 cm Donatorkonezntration
aufweisenden) Teil λ und einem schwachdotierten Teil 3 (mit etwa 1Oi6csf3).
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*- 77P 1186 BRD Bei der Herstellung geht man in Üblicher Weise so vor:
ausgehend von einem p-dotierten scheibenförmigen Siliciumeinkristall 1 wird am Ort der zu erzeugenden Transistorkombination
zunächst eine hochdotierte n+-Zone 2 erzeugt,
die dann ihrerseits mit einer schwach n-dotierten einkristallinen Siliciumschicht durch Abscheidung aus
der Gasphase abgedeckt wird, deren Dotierung der für den Bereich 3 gewünschten Dotierung entspricht.
In dieser epitaktischen Zone werden nun durch lokales Umdotieren die p-dotierte Emitterzone 4, die p-dotierte
Kollektorzone 5 des Lateraltransistors T1 und die p-dotierte
Basiszone des Vertikaltransistors T2 hergestellt.
Die Herstellung einer der Erfindung entsprechenden An-Ordnung verlangt im Gegensatz zu der Herstellung der bekannten
Anordnungen gem. Fig. 3 und 4 keine schwachdotierte Basiszone für den Vertikaltransistor, da die im
Bereich der Basiszone des Vertikaltransistors T2 zu erzeugende
Kollektorzone 6 von T2 im Gegensatz zu den bekannten
Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 hochdotiert, also n+-dotiert sein kann. Aus diesem Grund kann die sowohl
die Kollektorzone des Lateraltransistors T1 als auch die
Basis des vertikalen Transistors T2 darstellende akzeptordotierte
Zone in einem einzigen Prozeß, z.B. durch Diffusion, hergestellt werden, während bei der Herstellung
der bekannten Anordnungen ein besonderer Basisbereich 5a für den Vertikaltransistor T2 geschaffen werden
muß. Durch nochmalige Umdotierung eines Teils der Zone 5 entsteht eine n+-dotierte Kollektorzone 6 für den Vertikaltransistor
T2.
Die auf der Oberfläche der epitaktischen Siliciumschicht vorgesehene, insbesondere aus SiO2 bestehende isolierende
Schutzschicht 8 ist durch die bei der Herstellung der Kollektorzone 6 des Vertikaltransistors T2 verwende-
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te Dotierungsmaske gegeben.
Wesentlich ist nun die bei einer Anordnung gemäß der Er findung vorzusehende Schicht 7 aus dotiertem polykristallinen
Silicium, deren Leitungstyp dem der einkristallinen Kollektorzone 6 des Vertikaltransistors Tg
entspricht. Die Dotierungskonzentration der Polysiliciumschicht 7 wird so gering eingestellt, daß auf ihr
die Aufbringung von Schottkykontakten SD möglich ist. Sie wird also maximal auf ca. 10 cm~-^ eingestellt.
Die Herstellung der polykristallinen Siliciumschicht geschieht in üblicher Weise, z.B. durch Gasentladungsauf
stäubung oder durch Aufdampfen mittels Elektronenstrahlkanone oder durch Abscheiden aus einem geeigneten
Reaktionsgas, z.B. durch Erhitzen in einer mit Argon oder Wasserstoff verdünnten Atmosphäre aus SiH^. Die
Schottkykontakte SD, also die Kollektorelektroden des Vertikaltransistors T2 werden in derselben Weise aufgebracht,
als wenn die Polysiliciumschicht 7 einkristallin wäre.
Nach Erzeugung der Elektroden SD und der Elektroden 9 kann die in Fig. 5 im Schnitt dargestellte Anordnung
mit einer weiteren Isolierschicht abgedeckt werden, die ihrerseits zum Träger für die für die äußere Kontaktierung
benötigten Leiterbahnen gemacht werden kann.
Als Metall für die Schottky-Kollektorelektroden SD kann im Beispielsfalle Aluminium oder eine PtSi-TiW-Al-Schichtenfolge
verwendet werden, die auf für die Elek- troden 9 anwendbar ist. Soll auf die polykristalline Siliciumschicht
7 zusätzlich ein Schottky-Kontakt-freier Anschluß erzeugt werden, so muß an der für den betreffenden
Anschluß vorgesehenen Stelle der polykristalli-
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nen Siliciumschlcht 7 die Donatorkonzentration lokal erhöht
werden, so daß die Entstehung eines Schottkykontakts an der betreffenden Stelle der Schicht 7 nicht
mehr möglich ist. Ist die Kollektorzone 6 in Abweichung zu den AusfUhrungsbeispielen p-leitend, so können Schottky-Kontakte
SD auf der zugehörigen polykristallinen Siliciumschicht unter Verwendung von Hafnium oder Zirkon
als Kontaktmetall erzeugt werden.
1. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, können zu einer Kollektorzone 6 eine polykristalline Siliciumschicht 7 mit
mehreren Schottky-Kollektorelektroden SD gehören. Der andere Fall, daß jede einkristalline Kollektorzone 6
mit-je einer polykristallinen Schicht 7 und diese mit
je einer Schottky-Kollektorelektrode SD versehen ist,
ist in Fig. 7 gezeigt.
2. Die polykristalline Siliciumschicht 7 kann zwecks Verminderung ihres Lateralwiderstandes abseits von den
Schottkykontakten SD eine erhöhte Dotierung aufweisen. Beispielsweise kann ein unterer Schichtteil höher als
der die Schottky-Kontakte bildende obere Schichtteil dotiert sein. Ggf. kann stattdessen auch eine die Qualität
der Schottky-Kontakte SD nicht beeinträchtigende Nachbehandlung in dotierender Atmosphäre oder durch Ionenimplantation
nach der Erzeugung der Schottky-Kontaktelektroden SD angewendet werden.
Ein Vergleich der Fig. k und 5 zeigt besonders deutlich,
daß die Abmessungen der Basis des Vertikaltransistors T2
und damit die Abmessungen des lay-outs des I L-Gatters
merklich vermindert werden können. Um dies noch deutlicher zu zeigen ist in Flg. 6 das lay out einer Anordnung
gem. Fig. k ( Fig. 6a) mit dem lay out einer Anordnung
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"ä,- 77? \ 186 BRD
gemäß Fig. 5 (Fig. 6b bzw. 6c) verglichen. Während eine Anordnung gemäß Fig. 4 für die beiden Transistoren T«.
und T2 den durch die rechteckige Umrandung in Fig. 6a
dargestellten Flächenbedarf an einkristallinem Halbleitermaterial hat, ist der analoge Bedarf einer Anordnung
gemäß Fig. 5 durch die linke rechteckige Umrandung der Fig. 6b und 6c gegeben und im Vergleich zu einer Anordnung
gemäß Fig. 4 mindestens auf den dritten Teil reduzierbar. Damit vermindern sich auch die Sperrschicht-
und die Diffusionskapazität, wodurch die, z.B. als NAND-Gatter
wirksame Anordnung merklich geringere Schaltzeiten erhält. Zu bemerken ist noch, daß das sich unterhalb der
Bolysiliciumschicht 7 befindende und nicht mehr für die beiden Transistoren T1 und T2 benötigte einkristalline
Siliciumgebiet für andere Zwecke, z.B. für die Aufnahme anderer Funktionen der monolithischen Kombination, zur
Verfügung steht.
7 Figuren
9 Patentansprüche
77 E 1137 Stg
3Θ9826/0352
Leerseite
Claims (9)
1.;) Monolithische Kombination zweier komplementärer Bipolartransistoren,
von denen der eine als Lateraltransistor, der andere als Vertikaltransistor nebeneinander
an der Oberfläche eines Halbleitereinkristalls erzeugt und derart ausgebildet sind, daß die Basiszone des Vertikaltransistors
mit der Kollektorzone des Lateraltransistors zusammenfällt, bei der außerdem mindestens eine
zum Vertikaltransistor gehörende und gegen die Basiszone
dieses Transistors durch einen pn-übergang abgegrenzte Kollektorztme aus einkristallinem Halbleitermaterial
und als Kollektorelektrode ein Schottky-Kontakt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einkristalline
Kollektorzone (6) des Vertikaltransistors (Tg) durch eine
Schicht (7) aus polykristallinem Halbleitermaterial vom Leitungstyp der einkristallinen Kollektorzone (6)
erweitert und die als Schottky-Kontakt (SD) ausgebildete Kollektorelektrode an der Oberfläche der polykristallinen
Halbleiterschicht (7) erzeugt ist.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertikaltransistor (T2) vom npn-Typ und das Halbleitermaterial
Silicium ist.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dotierungskonzentration der polykristallinen Halbleiterschicht (7) wenigstens am Ort der
als Schottky-Kontakt ausgebildeten Kollektorelektrode (SD) kleiner als in der einkristallinen Kollektorzone
(6) eingestellt ist.
4.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch
gekennzeichnet, daß die polykristalline Halbleiterschicht (7) durch mehrere Elektroden kontaktiert
ist, von denen mindestens eine als Schottky-Kontakt ausgebildet ist.
77 E 1137 St8 9i9826/0352
77 E 1137 St8 9i9826/0352
- 2 - 77P 1185 8RD
5.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die polykristalline Halbleiterschicht (7) aus einem abseits der Kollektorelektroden
mit Schottky-Kontakteigenschaften (SD) verlaufenden unteren
Schichtteil mit höherer Dotierungskonzentration und einem die Schottky-Kontakte (SD) bildenden oberen
Schichtteil mit niedriger Dotierungskonzentration besteht.
6.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die polykristalline Halbleiterschicht (7) mit ihren Kollektorelektroden (SD) sich zum
größten Teil seitlich von der einkristallinen Kollektorzone (6) auf einer die einkristalline Halbleiteroberfläche
bedeckenden Isolierschicht (8) befindet.
7.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus Silicium bestehende polykristalline Halbleiterschicht (7) durch thermische Abscheidung
aus einem mit Dotierstoff versetztem Reaktionsgas (z.B. einem Gemisch aus Inertgas mit SiH^ und dem Hydrid
eines Dotierstoffes) aufgebracht ist.
8.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus Silicium bestehende polykristalline Halbleiterschicht (7) durch Gasentladungs-Aufstäubung
oder Elektronenstrahl -Auf dampfung aufgebracht ist.
9.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die polykristalline Halbleiterschicht (7) ihrerseits mit einer - ggf. an ihrer Oberfläche
metallische Leiterbahnen tragenden - Isolierschicht abgedeckt ist.
77 E 1137 Stg
9Θ 9826/0352
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