DE2823629A1

DE2823629A1 - Monolithische integrierte halbleiterstruktur mit planaren uebergaengen, die von aeusseren elektrostatischen feldern abgeschirmt sind

Info

Publication number: DE2823629A1
Application number: DE19782823629
Authority: DE
Inventors: Paolo Dr Carmina; Mario Dr Foroni; Vincenzo Dr Prestileo
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1977-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1978-12-07
Also published as: FR2393423B1; GB1569726A; FR2393423A1; DE2823629C2; IT1085486B

Description

Die vorliegende itirfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen mit planaren Über^änfveii und insbesondere auf integrierte monolithische Schaltkreise-, di"e mit relativ hohen Spannungen arbeiten,

Ks ist bekannt, daß ein in bperrichtuiifr gepolter pn-bbergang nur in vernaclilässigbar geringem I-laße von Strom durchflossen wird. wenn jedoch die angelegte Spannung einen bestimmten Wert erreicht (Lav.'inendurchbruchspannung oder "Breakdown"-Spannung), fließt durch den übergang plötzlich ein hoher Strom. Dieser Wert hängt hauptsächlich von der Konzentration der Verunreinigungen in den Gebieten mit entgegengesetzter Leitfähigkeit ab, aus denen der Übergang gebildet vird, weil davon die l'.reito der· Schicht ohne bewegliche Ladungsträger (Sperrschiclit) abhängt, die sich beider·- seits des Übergangs bildet, wenn er in Sperricli hung gepo.lt

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wird. Die festen Ladungsträger der Sperrschicht, die im Gebiet vom Typ η positiv sind und im Gebiet vom Typ ρ negativ, bestimmen über den Übergang hinweg ein elektrisches Feld, dessen Stärke mit der angelegten Spannung zunimmt, bis zu einem Wert, bei dem der Lawinendurchbruch am übergang erfolgt. Man hat festgestellt, daß die Verteilung der festen Ladungsträger in der Mähe der Ränder des Übergangs, d.h. nahe der Linie, wo der Übergang sich mit der Oberflüche dos Halbleiters sclmeidet, durch äußern Ladungen verändert wird, die eventuell in unmittelbarer Hähe der Oberfläche vorhanden sind. Diese Erscheinung ist besonders ausgeprägt bei planaren Übergängen, d.h. bei übergängen, deren Ränder die Oberfläche des Halbleiters in einer Ebene schneiden. Störende Ladungen sind zum Jieispiel in sehr geringer, aber nicht immer vernachlässigbarer Menge in der Isolierschicht vorhanden, die die Oberfläche des Halbleiters bedeckt, Sie wirken sich in der Forin aus, daß sie die Oberfläche der Sperrschicht verengen und folglich die Lawinendurchbruchspannung herabsetzen oder jedenfalls die Charakteristik des in Sperrichtimg gepolten Übergangs verändern.

Wenn die äußeren Ladungen auf das Vorhandensein eines gepolten metallischen Elements zurückzuführen sind, wird die Verteilung der Ladungsträger in der Sperrschicht auf verschiedene Arten verändert, je nach Richtung und Stärke der lolung. üiese Erscheinung läßt sich zwar bei der konstruktion bestimmter Halbleitervorrichtungen, z.B. bei integrierten Schaltkreisen in MIS-Technik, positiv verwerten, führt jedoch bei anderen Arten von Vorrichtungen, z.JJ, bei integrierten monolithischen Schaltkreisen in Planartechnik mit bipolaren Komponenten, ?;u unerwünschten Auswirkungen. Box diesen, ist es unvermeidlich, daß die meisten der Metallstreifen zur Verbindung der verschiedenen Komponenten auf der Isolierschicht, mit der die Oberfläche des Halbleiters überzogen ist, mindestens durch einen Überganrg gehen und in mehr oder weniger spürbarem Maß die Verteilung der Ladungsträger

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an der Oberfläche des Halb.¹ eiters und damit die elektrischen Kennwerte der Übergänge verändern. JJer störende Effekt der gepolten Verbindungsstreifen erhöht sich, wenn die Temperatur der Vorrichtung im Verlauf des Betriebs auf relativ hohe 'werte (1OO - 150°c) steigt. V.ei diesen Temperaturen kommt es zu einer Leitfähigkeit der überfläche der Isolierschicht, vas dazu führt, daß die wirksamen Abmessungen der Streifen größer werden als die tatsächlichen. In diesem Fall kann natürlich die störende Wirkung auf den Übergang auch durch Verbinduiigsstreifen hervorgerufen werden, die die Schnittlinie des Übergangs nicht tatsächlich kreuzen, aber sehr nahe daran vorbeigehen. In manchen Fällen kann ferner die "Wanderung von Ladungsträgern in der Isolierschicht auch durch eine 1otentialdifferenz zwischen Oberflächen verschiedener Gebiete des Halbleiters verursacht werden.

Es ist bekannt, wie man einen planaren Übergang vor äußeren elektrostatischen Feldern schützt, um sein Betriebsverhalten bei hoher in Sperrichtung gepolter Spannung zu verbessern, indem man auf der Isolierschicht, die die Oberfläche des Halbleiters bedeckt, eine metallische Abschirmung anbringt, die sich in elektrischem Kontakt mit einem der Gebiete befindet, aus denen der Übergang gebildet wird, und die über das andere Gebiet über den Rand des Übergangs hinausragt, und zwar so, daß sie wenigstens den Teil der Sperrschicht überdeckt, der sich in das letztgenannte Gebiet hinein erstreckt. Diese Abschirmung ist in der Tat sehr wirkungsvoll, wenn sie geschlossen ist, d.h. wenn sie den Rand des Übergangs in seiner ganzen Länge überdeckt. Ihre. Realisierting ist auch relativ einfach im Falle einfacherer Bauteile, bei denen die Verbindungen zwischen den aktiven Zonen und den Anschlüssen, der Vorrichtung durch elektrische Leiter hergestellt werden, die praktisch senkrecht von der überfläche des Halbleiters abgehen; sie bringt jedoch erhebliche Schwierigkeiten bei Komponenten eines integrierten Schaltkreises,

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und zwar aufgrund des Vorhandenseins der Metallstreifen für die Zwischenverbindungen.. Die einzige bisher bekannte Methode zur Erzielung einer durchgehenden Abschirmung für den Rand eines planaren Übergangs im Inneren eines integrierten Schaltkreises ist ein Metallisierungsprozeß mit zwei übereinanderliegenden Iletallschichten, die durch eine Isolierschicht voneinander getrennt werden; dieses Verfahren ist zvar theoretisch möglich, aber in der Praxis sehr schwierig.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung einer gegen äußere elektrostatische Ladungen geschützten Halbleitervorrichtung mit planaren Übergängen unter Verwendung der üblichen Herstellungsverfahren.

Bei der Erfindung wird dieses Ziel erreicht, indem für jeden zu schützenden Übergang eine Abschirmung aus halbleitendem polykristallinem liaterial vorgesehen wird, bei der ein Teil in Kontakt mit einem der beiden Gebiete ist, aus denen der Übergang gebildet wird, und ein Teil das andere Gebiet entlang der gesamten Schnittlinie des Übergangs mit der Überfläche des Halbleiters überdeckt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist im folgenden eine ausführliche j ieSchreibung einer ihrer Ausführungs — formen gegeben, die jedoch nur als üeispiel dient und keinen einschränkenden Charakter hat; außerdem wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die folgendes darstellen:

Ybb. 1 und 2 sind vergrößerte Teilquerschiiitte durch herkömmliche Halbleitervorrichtungen, die die Funktion eines planaren Übergangs neigen;

Abb. 3 ist ein Diagramm, das einen elektrischen Kennwert des in Abb. 2 dargestellten Übergangs zeigt;

Abb. h ist ein vergrößerter Querschnitt durch den Teil einer integrierten struktur mit einem gemäß der Erfindung abgeschirmt eil planaren Übergang,

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In. Abb. 1 weist ein Substrc>t 10 aus monokristallinem halbleitendem Material, z.H. Silizium, das η-dotiert ist, ein Gebiet 12 von der Art ρ auf, das mit den üblichen Masken- und Diffusionsverfahren erzeugt ist und mit dem es einen planaren Übergang 14 bildet. Die Oberfläche 15 des Halbleiters ist mit einer Schicht 16 aus isolierendem Material überzogen, vorzugsweise Siliziumdioxid. Wenn der Übergang durch entsprechende Verbindungen, die nicht dargestellt sind, in Sperrichtung gepolt wird, bildet sich eine Sperrschicht, die sich größtenteils in das weniger dotierte Gebiet hinein erstreckt, und zwar im gezeigten Fall in das Gebiet vom Typ n, und deren Grenzen sich im allgemeinen durch Flächen, die zum übergang parallel sind, bestimmen lassen, wie es in Abb. 1 mit der gestrichelten Linie 18 gezeigt ist. In der Iraxis werden jedoch Breite und Form der Sperrschicht in der Nähe der Überfläche aus vielerlei Gründen verändert, z.!'>. aufgrund der Oberflächenverformung des Kristallgitters, durch Ionen— und Molekular— ladungen in der Isolierschicht 16 und durch Konzentrationen äußerer Ladungsträger irgendwelcher anderen Art; deshalb ist der Verlauf der Linien 18, insbesondere in der Nähe der Oberfläche 15, nur als ungefähre Angabe anzusehen.

In Abb. 2 ist eine Struktur dargestellt, die sich von der in Abb. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, daß ein Metallstreifen 20 vorhanden ist, der sich auf der Isolierschicht 16 oberhalb der Schnittlinie zwischen dem übergang 14 und der Oberfläche 15 des Halbleiters befindet. Nehmen wir nun an, der Übergang sei noch in Sperrichtung gepolt und der Metallstreifen 20 sei an einer Spannung mit gleichem Vorzeichen wie die an das Gebiet η angelegte. Wie man experimentell und theoretisch beweisen kann, führen die positiven Ladungen der metallischen Schicht in der Mühe der Oberfläche dos Materials vom Typ η zur Oildung einer Zone mit einem Elektronenüberschuß, genannt Anrei-

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cherungskanal, und in der Iahe der überfläche des Materials vom Typ ρ zur Bildung einer Zone mit einem Mangel an Löchern, genannt Verarmungskanal. Bei einem bestimmten liert der Spannung des Metallstreif ens 2ü wird also die ßreite der Sperrschicht nahe der Oberfläche erheblich verringert, wie es in Abb. 2 mit den gestrichelten Linien 22 gezeigt ist. Die Sperrkennlinie 1 = f(v) der vom Übergang in Abb. 2 gebildeten Diode hat den im Diagramm der Abb. 3 dargestellten Verlauf, liei einem bestimmten Wert der Spannung !SV , der relativ niedrig ist, erfolgt ein lokaler Lawinendurchbruch in der Oberflächenzone des Übergangs. Bei Erhöhung der Spannung in Sperrichtung wird in der betreffenden Zone ein Zustand der Sättigung erreicht, dem ein Strotnfluß I. in bperrichtung entspricht, bis es bei einer Spannung BV zu einem Lawinendurchbruch an dem Teil des Übergangs kommt, der sich im Inneren des Halbleiters befindet. Jn bestimmten Anwendungsbereichen sind die mit dem IJurchbruch an der Oberfläche des Übergangs verbundenen Verluste nicht tragbar; deshalb greift man, wo dies möglich ist, zu einer elektrostatischen Abschirmung von der eingangs beschriebenen Art, die den gesamten Rand· des Übergangs überdeckt. IVie schon weiter oben bemerkt, ist dies im .all eines monolithischen integrierten Schaltkreises in Planartechnik mit den üblichen Verfahren nicht möglich.

ϊletrachten wir nun eine Ausfuhrungsform der Erfindung. Entsprechend einer herkömmlichen Technik enthält ein monolithischer Schaltkreis in Ilanartechnik, von dem in Abb. k ein Teil in einem vergrößerten Querschnitt dargestellt ist, ein Siliziumsubstrat 30 vom Typ p, auf dem eine Epitaxial-

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schicht 32 vom Typ η gebildet ist. Diese ist in Gebiete unterteilt, die durch Isolierkanäle '^h (von denen in der Abbildung nur einer dargestellt ist) voneinander getrennt sind, die erzeugt worden sind durch Jiindiffundieren von Verunreinigungen vom Typ ρ in die lipitaxialschicht 32 bis

zur Erreichung des Gebiets ρ des Substrats 30. Im inneren

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der isolierten Gebiete were¹ en die Komponenten des integrierten Schaltkreises mit Masken- und Difrusionsverf'ahren gebildet. In Abb. 4 ist die Struktur eines npn-Transistors dargestellt, der als Kollektor einen Teil 36 der Epitaxialschicht 32 hat und als Basis ein Gebiet 38 vom Typ p, das in das Kollektorgebiet eindiffundiert ist, sowie als Emitter ein Gebiet 4o vom Typ n, das in das Basisgebiet eindiffundiert ist. Eine Schicht 42 aus Siliziumdioxid bedeckt die Oberfläche 44 des halbleitenden Materials, wobei nur drei Flächen 4 I, 43, 45 frei bleiben, und zwar für den Emitterlcontakt E, den ßasiskontakt Ii und den Kollektor— kontakt C. Metallische Elemente, die z.H. mit dem üblichen Verfahren des Aufdampfens im Vakuum erzeugt werden und die mit 46, US, 50 bezeichnet sind, durchdringen das Oxid bis zu den Kontaktflächen und erstrecken sich oberhalb davon in Streifenform bis hin zu anderen metallischen Elementen, die als elektrische Verbindungen im integrierten Schaltkreis dienen. Man beachte, daß vor der Bildung der metallischen Kontakte der Flächenwiderstand der Zone 47 unterhalb der Kontaktfläche des Kollektors durch Eindiffundieren von Verunreinigungen vom Typ η verringert wird,- Diese angereicherte Zone ist mit dem Symbol N+ bezeichnet.

Wie in Abb. 4 zu sehen ist, verläuft dor Kollektorstreifen 50 oberhalb des Isolierkanals 3^· Da der Kollektor eines npn-Transistors normalerweise gegenüber dem Substrat mit einer positiven Spannung gepolt wird, hätte der Isolationsübergang zwischen dem Kanal 34 und dem Kollektorgebiet j6 eine Sperrschicht ähnlich der in Abb. 2 mit gestrichelten Linien dargestellten. Zur Vermeidung der Veränderung der Sperrkennlinie des Übergangs, wie sie in Abb. 3 gezeigt ist, ist bei der Erfindung eine elektrostatische Abschirmung 52 aus polykristallinem Silizium vom Typ ρ vorgesehen, von der sich ein Teil 54 im Kontakt mit dem Kanal 34 befindet und ein Teil 56 völlig in die Schicht aus Siliziviindioxid 42 eingebettet ist und den Rand des Übergangs

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Kanal—Kollektor in seiner ⁿ;an;ien Länge überdeckt. Aufgrund der Abschirmung 52 weist die Sperrschicht des Übergangs in der nähe der Oberfläche kk eine Verbreiterung: auf, vie die gestrichelten Linien 57 es zeilen; deshalb wird die Breakdown—Spannung einzig und allein durch die physikalischen Eigenschaften des Materials bestimmt.

Die Abschirmung 5² wird im Anschluß an die Diffusionsphase des Isolierkanals 3^ erzeuget, wenn die Oberfläche des Halbleiters von einer isolierenden Schicht aus Siliciumdioxid überzogen ist, die durch einen thermischen TJachstumsprozeß aufgebracht wird xind die in Abb. 4 mit einer gestrichelten Linie 53 angedeutet ist. Nachdem man auf der Oberfläche des Kanals 3k eine Fläche 39 entsprechenden Ausmaßes freigeätzt hat, und zwar vorzugsweise auf seiner gesamten Länge, wird mit einem der üblichen Verfahren, z.'·;. Aufti'amng bei niedriger Temperatur in Gegenwart von oilan, eine Schicht aus polyjcristallxnem Silizium aufgebracht, Hit den üblichen Masken- und chemischen Ätzverfahren wird dann das polykristalline Silizium selektiv entfernt, um die Abschirmung 52 in der gewünschten Form zu erzielen. Im besonderen wird der Teil 56 so dimensioniert, daß er über das ivollektorgebiet 36 hinausragt, xind zwar soweit, daß er mindestens das gesamte Sperr— schichtgebiet in seiner größten möglichen Ausdehnung überdeckt. In anschließenden Jiearbeitungsphasen (Diffusion der liasis und des Emitters) wird die Abschirmung 52 ebenfalls mit einem thermischen Wachstumsprozeß mit einer Schicht Siliciumdioxid überzogen. In der I.onstruktioiisphase i:st bei der bestimmung der Dicke der aufzutragenden polykristallinen Schicht der Tatsache .Rechnung zu tragen, daß sich das Siliziumdioxid aus dem in der darunterliegenden Oberfläche enthaltenen Silizium bildet und deshalb eine Tendenz zur Reduzierung der Abschirmung 52 zeigt,

j3ei der gezeigten und beschriebenen Ausführungsform wurde die störondo Wirkung der in der Siliziuiiidioxidschicht h'Z

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vorhandenen elektrostatisc' en Ladungen nicht berücksichtigt, da sie im Verhältnis zu der vom Metallstreifen 50 ausgehenden Störung vernachlässigbar gering ist; es ist jedoch klar, daß die Abschirmung 52 den übergang¹ auch vor diesen ladungen schützt. Ihre Funktion würde sich auch nicht ändern, wenn das Störfeld nicht von einem Metallstreifen herrührte, der oberhalb des Randes des Übergangs vorbei verläuft, sondern von auf der Isolierschicht induzierten Ladungen aufgrund thermischer X^orgänge auf der Oberfläche.

Es wurde zwar nur eine einzige Autsi"uhruiifjs.form gezeigt und beschrieben, aber es versteht sich, daß zahlreiche Varianten und Modifikationen an ihr vorgenommen werden können, ohne daß der Gedanke der Erfindung verlassen vird. Zum Beispiel kann die Abschirmung 52 so ausgebildet werden, daß sie noch einen Teil - ähnlich dem Teil 56 - besitzt, der den anderen Übergang des Kanals überragt, falls dieser auch vor den Auswirkungen äußerer elektrostatischer Felder geschützt werden soll.

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Claims

1- a t e η t a η Sprüche

\\f Halbleitervorrichtung in IM aiiar tecliuik, liestclioml ems einem Substrat aus monokristallinem haiυleitendem Materia], in eiern mindest cn η ein eiⁿhtes Gebiet {'3θ) mit einer ersten Art von Leitfähigkeit und ein zweites Gebiet (32) mit einer zweiten Art von Leitfähigkeit gebildet wird, wobei das zweite Gebiet (32) so an das erste Gebiet (30) angrenzt, daß ein Übergang gebildet wird, der eine größere Oberfläche des Substrats in einer durchgehenden Linie schneidet; ferner bestellend ans einer Schicht (Ί2) aus isolierendem i^aterial, die diese Oberfläche wenigstens in unmittelbarer Nachbarschaft dieser durchgehenden Linie bedeckt, und aus einem rJlement, das auf der Isolierschicht (42) oberhalb der durchgehenden Linie elektrische, btörladungen erzeugen kanu,

dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens eine Abschirmung (5-) aus polykristallinem halbleitendeni iiaterial mit der ersten Art von Leitfähigkeit vorgesehen ist, bei der sich ein erster Teil (54) durch eine öffnung (59) in der Isolierschicht (42) im Kontakt mit dein ersten Gebiet ( ]o) befindet und sich ein zweiter Teil (56)» der in die Isolierschicht (42) eingebettet ist, parallel zur Oberfläche erstreckt und (Jas zweite Gebiet (32) oberhalb der Schnittlinie des Übergangs auf der ganzen Länge dieser Linie überragt.

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Bayerische Vereinsfaank 823101 Postscheck 54782-809

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2, 'ialbleitervorrichtunr; fremuß Anspruch I, bei der eine /vrüßoro Anzahl von Gebieten mit der zweiten Art von Leitfähigkeit voneinander getrennt sind durch relativ schmale '!ebieto mit der ersten Art von l.-eitfühiprkeit,

dadurch gekennzeichnet,

daß die A.bücliirmu.iiireii der bborpri.iiifre zwischen don relativ sciimalen (iobieten und den an isie anr;i~enzenden Gebieten aus einem einzigen Stück gebildet werden.

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