DE2852402A1

DE2852402A1 - Lateral-halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2852402A1
Application number: DE19782852402
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tsukuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-04
Publication date: 1979-06-07
Also published as: SE7812443L; FR2410880A1; SE438575B; JPS5726421B2; NL7811807A; US4361846A; NL183860B; GB2009508A; GB2009508B; DE2852402C2; NL183860C; JPS5478092A; FR2410880B1

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Lateral-Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Lateral-Halbleiterbauelement für integrierte Halbleiterschaltungen, die hohe angelegte Spannungen aushalten können und weiterhin große Integrationsdichten besitzen.

Für Transistoren und Thyristoren in integrierten Halbleiterschaltungen werden im allgemeinen sogenannte Lateral-Halbleiterbauelemente in Planartechnik verwendet. Jedes La— teral-Halbleiterbauelement hat einen Einkristall-Halbleiter-Insel-Bereich in einem Halbleiter-Träger-Bereich, von diesem jedoch mittels eines pn-Überganges oder einer dielektrischen Isolation isoliert, einen Diffusionsbereich im Insel-Bereich und erforderliche Elektroden. Die Spannungsfestigkeit derartiger Halbleiterbauelemente wird durch die Rückwärts-Sperr-

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spannung des pn-Überganges zwischen dem Halbleiter-Insel-Bereich und dem Diffusionsbereich bestimmt. Jedoch hängt die Rückwärts-Sperrspannung von der Form des Diffusionsbereiches ab. D. h., jede Ecke bzw. Winkeides Diffusionsbereiches ist einer Konzentration des elektrischen Feldes ausgesetzt, die die Spannungsfestigkeit der Bauelemente verschlechtert.

In den Fig. 1 und 2, die einen herkömmlichen Lateral-Transistor zeigen, ist ein dielektrisch isoliertes Halbleitersubstrat 1 vorgesehen, das einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung bildet. Das Substrat 1 enthält einen Polykristall-Halbleiter-Träger-Bereich 2, einen dielektrischen Film 3 aus SiO₂/ Si₃N₄ od. dgl. und einen Einkristall-Halbleiter-Insel-Bereich 4. Der Einkristall-Halbleiter-Insel-Bereich 4 vom n-Leitungstyp enthält einen Emitterbereich 5 vom p-Leitungstyp in der Mitte der Insel, einen Kollektorbereich 6 vom p-Leitungstyp, der den Emitterbereich U-förmig umgibt, und einen Basisbereich 7 von η -Leitfähigkeit. Die Bereiche 5, 6 und 7 werden durch Diffundieren von p- und n-Fremdstoffen in eine der Hauptflächen, insbesondere die obere Hauptfläche, des Substrates gebildet. Der übrige Bereich 8 des Einkristall-Halbleiter-Insel-Bereiches 4, der keiner Diffusion ausgesetzt ist und somit die ursprüngliche η-Leitfähigkeit besitzt, dient als der Basisbereich. Auf der Oberfläche des Substrates 1 wird ein Passivierungsfilm 9 aus SiOp gebildet, der Fenster oder Öffnungen an den jeweiligen geeigneten Stellen auf dem Emitter-, dem Kollektor- und dem Basisbereich 5, 6 bzw. 7 aufweist. Emitter-, Kollektor- und Basiselektroden 10, 11 und 12 werden in herkömmlicher Weise, wie z. B. durch Vakuumaufdämpfung, hergestellt und in ohmschem Kontakt mit der Oberfläche an den obigen Stellen gehalten. In Fig. 1 schraffierte Flächen zeigen Ge-

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biete, in denen die obigen Elektroden 10, 11 und 12 jeweils in Kontakt mit dem Emitter-, dem Kollektor- und dem Basisbereich 5, 6 bzw. 7 sein können. Jeder der Bereiche 5, 6 und 7 kann mittels einer entsprechenden, auf dem Passivierungsfilm 9 verlängerten Elektrode 10, 11 bzw. 12 mit einem (nicht dargestellten) Schaltungsbauelement in einem anderen Einkristall-Halbleiter-Insel-Bereich und mit einer (nicht dargestellten) äußeren Schaltung verbunden sein.

Damit ein derartiges Lateral-Halbleiter-Bauelement höhere angelegte Spannungen aushalten kann, müssen der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrates und insbesondere des Insel-Bereiches groß gemacht und die Abstände zwischen Bereichen, insbesondere der Abstand 1 zwischen dem Emitterbereich 5 und dem Kollektorbereich 6, verlängert werden. Andererseits gibt bei einem derartigen Halbleiterbauelement der nahezu der gesamten anliegenden Spannung ausgesetzte pn-übergang, ζ. Β. der zwischen dem Kollektorbereich 6 und dem Basisbereich 8 gebildete Kollektor-Übergang Veranlassung zu einer Konzentration des elektrischen Feldes an seinen nach außen gerichteten Ecken oder Winkel (Ecken oder Winkel, die nach außen vorspringen), insbesondere an Teilen a und b in Fig. 1, und damit wird die Spannungsfestigkeit verschlechtert. Im Hinblick auf die obige Tatsache werden die Außenecken abgerundet, und dadurch kann die Konzentration des elektrischen Feldes verringert werden. Der pn-übergang mit einer derartigen Form wird gewöhnlich hergestellt, indem die Tiefe x. der Diffusionsschicht zur Herstellung des pn-Überganges erhöht wird. Jedoch führt die tiefe Diffusionsschicht zur Erzielung einer hohen Spännungsfestigkeit zu den weiter unten aufgeführten Nachteilen. Der Kollektorbereich 6 wird viel größer in der Fläche als erforderlich, d. h., das Bauelement wird umfangreich. Daher ist es unmöglich, daß

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das Bauelement in einer integrierten Halbleiterschaltung mit sogar verringerter Integrationsdichte eingesetzt wird. Weiterhin wird die elektrostatische Kapazität am Übergang erhöht, und damit kann die große Spannungsfestigkeit nicht erreicht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lateral-Halbleiterbauelement anzugeben, das ohne die Nachteile der herkömmlichen Halbleiterbauelemente eine hohe Spannungsfestigkeit und bei Verwendung in integrierten Halbleiterschaltungen eine große Integrationsdichte hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Lateral-Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale von dessen kennzeichnendem Teil gelöst.

Die Erfindung sieht also ein Lateral-Halbleiterbauelement vor, das eine hohe angelegte Spannung aushalten und wirksam in integrierten Halbleiterschaltungen mit erhöhter Integrationsdichte eingesetzt werden kann. Dieses Lateral-Halbleiterbauelement enthält einen Insel-Bereich in einem Halbleiter-Träger-Bereich und einen Diffusionsbereich im Insel-Bereich. Der Krümmungsradius an der pn-Übergangsfläche des Diffusionsbereiches ist wenigstens 1,5-mal größer als die Tiefe des Diffusionsbereiches. Der Diffusionsbereich enthält großflächige Elektroden-Befestigungsteile, wobei die übrigen Teile die Form einer feinen oder dünnen Linie besitzen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Draufsicht einer integrierten Halbleiterschaltung mit einem herkömmlichen Lateral-pnp-Transistor,

Fig. 2 einen Längsschnitt der integrierten Halbleiterschaltung der Fig. 1 in einer Linie II-II,

Fig. 3A eine Draufsicht eines für Versuche im Hin- und 3B blick auf die Erfindung verwendeten Halbleiterbauelements bzw. einen Längsschnitt des Bauelements in einer Linie III-III von Fig. 3A,

Fig. 4 eine Kurve zur Erläuterung der Spannungsfestigkeit des in Fig. 3A und 3B gezeigten Halbleiterbauelements,

Fig. 5 eine Draufsicht einer integrierten Halbleiterschaltung mit pnp-Transistoren nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Längsschnitt der obiqen integrierten Halbleiterschaltung in einer Linie VI-VI von Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht einer integrierten Halbleiterschaltung mit erfindungsgemäßen Thyristoren, und

Fig. 8 einen Längsschnitt der obigen integrierten Halbleiterschaltung in einer Linie VIII-VIII von Fig. 7. / -

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Der Erfinder richtete seine Aufmerksamkeit auf die Beziehung zwischen der Rundung der Außenecken, die in Fig. 1 mit a und b bezeichnet sind, und der Sperrspannung des pn-Überganges und führte die folgenden Versuche durch. In Fig. 3A sind ein η-leitender Halbleiterkörper 21 mit einem spezifischen Widerstand von 15 Λ cm und ein p-leitender Diffusionsbereich 22 gezeigt, dessen Tiefe x. den Wert 15 ,um besitzt. Die Rückwärts-Sperrspannung wurde für jedes der Halbleiterbauelemente gemessen, die die in Fig. 3A und 3B gezeigte Struktur besitzen und sich voneinander im Krümmungsradius R an den Außenecken des p-leitenden Dxffusionsbereiches 22 unterscheiden.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Sperrspannung und der Krümmung an den Außenecken des Diffusionsbereiches. Die in Fig. 4 dargestellten Versuchsergebnisse weisen auf die folgenden Tatsachen hin. In der Beziehung zwischen der Sperrspannung und dem Krümmungsradius des pn-überganges, der in der Draufsicht des Halbleiterbauelements auftritt, steigt die Sperrspannung mit wachsendem Krümmungsradius an und erhöht sich aber in einem Bereich des Krümmungsradius nicht, der einen konstanten Wert überschreitet. Wenn nämlich das Verhältnis des Krümmungsradius zur Tiefe des pn-überganges betrachtet wird, beginnt die Sättigung der Sperrspannung bei einem Verhältnis von ca. 1,5. D. h., der nahezu höchste Wert für die Sperrspannung kann erhalten werden, indem für den Krümmungsradius der Außenecken (a und b) des Kollektorbereichs 6 in Fig. 1 ein geeigneter Wert gewählt wird, der wenigstens 1,5-mal größer als die Tiefe x. des Kollektorbereiches 6 ist. Wenn jedoch der Kollektorbereich 6 einfach in der oben erwähnten Weise hergestellt wird, ist die Integrationsdichte herabgesetzt, wie dies zuvor erläutert wurde. Weiterhin wird die

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elektrostatische Kapazität des pn-überganges gesteigert, und damit ist die Sperrspannung nicht verbessert. Um die obigen Nachteile zu beseitigen, ist bei der Erfindung ein Fremdstoff-Diffusionsbereich im Vergleich mit einem herkömmlichen Bereich in der Form einer feinen oder dünnen Linie ausgeführt.

Die von den obigen Überlegungen ausgehende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß für ein Lateral-Halbleiterbauelement der eine hohe anliegende Spannung aushaltende Fremdstoff-Diffusionsbereich so gebildet wird, daß die übrigen Teile des Fremdstoff-Diffusiohsbereiches außer einem Elektroden-Befestigungsteil die Form einer feinen oder dünnen Linie in Draufsicht besitzen, und daß der Mindestkrümmungsradius an Außenecken des Fremdstoff-Diffusionsbereiches ca. 1,5-mal größer als die Diffusionstiefe zur Herstellung von pn-Übergängen gewählt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Fig. 5 und 6, in denen einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen sind, hat ein Lateral-pnp-Transistor einen pleitenden Emitterbereich 5, einen η-leitenden Basisbereich 8 und einen p-leitenden Kollektorbereich 6. Der Kollektorübergang, der ein pn-übergang zwischen dem Kollektorbereich 6 und dem Basisbereich 8 ist sowie einem größeren Teil einer angelegten Spannung ausgesetzt ist, weist an seinen Außenecken einen Krümmungsradius auf, der ca. 1,5-mal größer als die Tiefe des pn-überganges ist, um die Konzentration des

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elektrischen Feldes an diesen Ecken zu vermeiden. Nebenbei tritt eine Konzentration des elektrischen Feldes an einer Innenecke, wie z. B. an einer Innenecke 6C, nicht auf, und daher ist es nicht erforderlich, einen großen Krümmungsradius an der Innenecke vorzusehen. Weiterhin ist ein η -leitender Basisbereich 7 lediglich zur Befestigung einer Basiselektrode vorgesehen und hat keinen Zusammenhang mit der Spannungsfestigkeit. Daher werden keine Überlegungen hinsichtlich des Krümmungsradius des Basisbereiches 7 angestellt. Der Kollektorbereich 6, der ein Fremdstoff-Diffusionsbereich ist, hat eine geforderte Fläche an einem Elektroden-Befestigungsteil 6a, der für einen elektrischeil Stromfluß vorgesehen ist, wobei jedoch der übrige Teil 6b des Kollektorbereiches 6 außer dem Elektroden-Befestigungsteil 6a in der Form einer feinen oder dünnen Linie cder eines Streifens ausgeführt ist, um die Übergangsfläche des Kollektorüberganges zu verringern. Die verringerte Übergangsfläche führt zu einer kleinen elektrostatischen Kapazität am Übergang und kann damit die Spannungsfestigkeit verbessern. Da weiterhin der übrige Teil 6b außer dem Elektroden-Befestigungsteil· 6a dünn ausgeführt ist, wird die für den Insel-Bereich 6 erforderliche Fläche klein, und daher kann der pnp-Transistor mit einer derartigen Struktur in integrierten Halbleiterschaltungen mit verbesserter Integrationsdichte eingesetzt werden. Die Fläche des Kollektorbereiches 6 ist erfindungsgemäß auf ca. die Hälfte im Vergleich zum Stand der Technik verringert, so daß im Vergleich zu diesem eine Steigerung der Integrationsdichte von ca. 20 % erzielt wird. Da, wie in Fig. 5 gezeigt ist, an beiden Enden des Kcllektorbereiches 6 die Elektroden-Befestigungsteile 6a mit einer größeren Fläche vorliegen, kann eine Kollektorelektrode 11 von einem der Elektroden -Befestigungsteiie 6a abgeleitet werden. Dadurch wird der Freiheitsgrad bei der Verdrahtung gesteigert. Es braucht nicht besonders betont zu werden, daß der Kollektorwiderstand

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weiter verringerbar ist, indem die Kollektorelektrode 11 in Kontakt mit beiden Elektroden-Befestigungsteilen gehalten wird.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kollektorbereich 6 halbkreisförmig bezüglich des Emitterbereiches 5 angeordnet. Jedoch sind Form und Anordnung jedes der Bereiche 5, 6 und 7 nicht auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 beschränkt. Weiterhin können die Elektroden-Befestigungsteile der jeweiligen Bereiche 5, 6 und 7 jeweils an allen Teilen in deren Bereichen vorgesehen sein.

Weiter oben wurde die Erfindung anhand eines pnp-Transistors erläutert. Die Erfindung ist selbstverständlich auch für andere Lateral-Halbleiterbauelemente anwendbar, wie z. B. für einen npn-Transistor und einen Thyristor.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung für einen Thyristor verwendet wird. In den Fig. 7 und 8 sind jeweils ein p_-Emitterbereich 31, ein η -Basisbereich 4, ein ρ-,-Basisbereich 32 und ein η -Emitterbereich 33 dargestellt. Der ρ -Bereich ist vom p„-Bereich über den n_B~Bereich umgeben. Eine Anodenelektrode 34, eine Steuerelektrode 35 und eine Kathodenelektrode 36 sind jeweils am P_E-Bereich, am p_B-Bereich und am n_E-Bereich befestigt. In Fig. 7 bezeichnen schraffierte Flächen, Vollinien und Strichlinien jeweils Elektroden, Diffusionsbereiche bzw. ohmsche Kontaktflächen. Der erfindungsgemäße Krümmungsradius und der erfindungsgemäße dünne Diffusionsbereich sind beide für den p„-Bereich vorgesehen, und der erfindungsgemäße Krümmungsradius ist außerdem für den p_B~Bereich vorgesehen.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Lateral-Halbleiterbauelement, mit einem Halbleitersubstrat, und

einem ersten Diffusionsbereich mit einem zum Halbleitersubstrat entgegengesetzten Leitungstyp, der durch Fremdstoff-Diffusion von einer Hauptfläche des Halbleitersubstrates hergestellt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Diffusionsbereich (6) mit einem Krümmungsradius, der wenigstens 1,5-mal größer als die Tiefe des ersten Diffusionsbereiches (6) ist, an seinen Außenecken in Draufsicht versehen ist und wenigstens einen Streifenteil (6b) aufweist, der schmaler als wenigstens ein Elektroden-Befestigungsteil (6c) des ersten Diffusionsbereiches (6) ist, und

daß ein zweiter Diffusionsbereich (5) mit gleichem Leitungstyp wie der erste Diffusionsbereich (6) durch Premdstoff-Diffusion lateral zum ersten Diffusionsbereich (6) vorgesehen ist.
2. Lateral-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß der erste Diffusionsbereich (6) den zweiten Diffusionsbereich (5) umgibt.
3. Lateral-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite Diffusionsbereich (5) mit einem Krümmungsradius an seinen Außenecken in Draufsicht ausgestattet ist, der wenigstens 1,5-mal größer als seine Tiefe ist.
4. Lateral-Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

einen dritten Diffusionsbereich mit entgegengesetztem Leitungstyp zum zweiten Diffusionsbereich (5) im zweiten Diffusionsbereich (5).
5. Lateral-Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Diffusionsbereich (6) zwei Elektroden-Befestigungsteile (6c) an beiden Enden des ersten Diffusionsbereiches (6) besitzt.

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