DE2852402C2

DE2852402C2 - Lateralhalbleiterbauelement für integrierte Halbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2852402C2
Application number: DE2852402A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Hitachi Tsukuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-04
Publication date: 1987-02-19
Also published as: SE7812443L; US4361846A; NL183860C; JPS5478092A; JPS5726421B2; SE438575B; DE2852402A1; GB2009508A; FR2410880B1; NL7811807A; FR2410880A1; NL183860B; GB2009508B

Description

Die Erfindung betrifft ein Lateralhalbleiterbauelement für integrierte Halbleiterschaltungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lateralhalbleiterbauelemente sind aus der GB-PS 12 17 880 bekannt.
Derartige Lateralhalbleiterbauelemente weisen einen einkristallinen Halbleiterinselbereich, der in einem Halbleiterträgerkörper liegt, von ihm jedoch durch einen PN-Übergang oder eine dielektrische Isolierung getrennt ist, einen im Inselbereich vorgesehenen Diffusionsbereich und die erforderlichen Elektroden auf. Die Spannungsfestigkeit derartiger Halbleiterbauelemente wird durch die Rückwärts-Sperrspannung des PN-Übergangs zwischen dem Halbleiterinselbereich und dem Diffusionsbereich bestimmt. Die Rückwärts-Sperrspannung hängt jedoch von der Form des Diffusionsbereichs ab, da an jeder Ecke des Diffusionsbereichs eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke auftritt, die die Spannungsfestigkeit herabsetzt.
Aus der Zeitschrift "Electronics", 31. März 1969, S. 90 bis 95, sind ferner Planartransistoren bekannt, deren Spannungsfestigkeit durch eine Feldplatte erhöht ist. Diese Druckschrift enthält ferner den Hinweis, daß an scharfen Ecken von Diffusionsbereichen geringerer Tiefe hohe elektrische Feldstärken auftreten, allerdings bezogen auf Spannungsdurchbrüche etwa senkrecht zur Halbleiterkörperhauptfläche.
In Fig. 1 ist ein üblicher bekannter Lateraltransistor für eine integrierte Halbleiterschaltung, der ähnlich dem aus der GB 12 17 880 bekannten aufgebaut ist, in der Draufsicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt diesen Lateraltransistor im Längsschnitt längs der Linie II-II von Fig. 1 (vgl. "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 19, No. 2, July 1976, p. 569 - 570, und insbesondere Fig. 3A).
Der Lateraltransistor der Fig. 1 und 2 ist in einem Halbleitersubstrat 1 gebildet, das einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung bildet. Das Halbleitersubstrat 1 enthält einen polykristallinen Halbleiterträgerkörper 2, eine dielektrische Schicht 3 aus SiO₂, Si₃N₄ o. dgl. und einen einkristallinen Halbleiterinselbereich 4. Der Inselbereich 4 vom N-Leitungstyp enthält einen in der Mitte angeordneten Emitterbereich 5 vom P-Leitungstyp, einen Kollektorbereich 6 vom P-Leitungstyp, der den Emitterbereich U-förmig umgibt, und einen Basisbereich mit einem Kontaktteil 7 mit N-Leitfähigkeit. Der Emitterbereich 5, der Kollektorbereich 6 und der Basiskontaktteil 7 werden durch Eindiffundieren von P- und N-Dotierungsstoffen in eine der Hauptflächen, insbesondere die obere Hauptfläche, des Halbleitersubstrats 1 gebildet. Der übrige Teil 8 des Inselbereichs 4, der keiner Diffusion ausgesetzt ist und somit die ursprüngliche N-Leitfähigkeit besitzt, wirkt als Basisbereich. Auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 wird ein Passivierungsfilm 9 aus SiO₂ gebildet, der Öffnungen an den entsprechenden Stellen über dem Emitter-, Kollektor- und Basisbereich 5, 6 bzw. 7 aufweist. Die Emitter-, Kollektor- und Basiselektroden 10, 11 bzw. 12werden in üblicher bekannter Weise, wie z. B. durch Vakuumaufdampfung, hergestellt und stehen an diesen Stellen in ohmschem Kontakt mit der Oberfläche der Halbleiterbereiche. Die schraffierten Flächen in Fig. 1 zeigen die Gebiete an, in denen die Elektroden 10, 11 und 12 jeweils den Emitter-, den Kollektor- und den Basisbereich 5, 6 bzw. 7 kontaktieren. Jeder der diffundierten Halbleiterbereiche 5, 6 und 7 kann mit einer entsprechenden, über den Passivierungsfilm 9 verlängerten Elektrode 10, 11 bzw. 12 mit einem (nicht dargestellten) Schaltungselement in einem anderen Halbleiterinselbereich und mit einer (nicht dargestellten) äußeren Schaltung verbunden sein.
Die Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus: Zur Erzielung einer höheren Spannungsfestigkeit müssen der spezifische Widerstand des Inselbereichs groß gemacht und die Abstände zwischen diffundierten Halbleiterbereichen, insbesondere der Abstand l zwischen dem Emitterbereich 5 und dem Kollektorbereich 6, vergrößert werden. Da andererseits bei einem derartigen Halbleiterbauelement der PN-Übergang, z. B. der zwischen dem Kollektorbereich 6 und dem Basisbereich 8 gebildete Kollektor-Übergang, nahezu der gesamten anliegenden Spannung ausgesetzt ist, tritt an den nach außen gerichteten Ecken, insbesondere an den Ecken a und b in Fig. 1, eine Konzentration des elektrischen Feldes auf, wodurch die Spannungsfestigkeit verringert wird. Im Hinblick darauf werden die Außenecken abgerundet, wodurch die Konzentration des elektrischen Feldes verringert werden kann. Der PN- Übergang mit einer derartigen Form wird gewöhnlich hergestellt, indem die Tiefe x _j des Diffusionsbereichs des PN-Übergangs erhöht wird. Jedoch führt der zur Erzielung einer hohen Spannungsfestigkeit tiefe Diffusionsbereich zu folgenden Nachteilen: Die Fläche des Kollektorbereichs 6 wird dadurch viel größer als eigentlich erforderlich, weshalb solche Transistoren unerwünscht groß werden. Sie können daher nur in integrierten Halbleiterschaltungen mit kleiner Integrationsdichte eingesetzt werden. Weiterhin wird die PN-Übergangsfläche und damit die Kapazität des PN-Übergangs erhöht.
Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrundde, ein Lateralhalbleiterbauelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angeführten Art anzugeben, das ohne die Nachteile der bekannten Halbleiterbauelemente eine hohe Spannungsfestigkeit und eine möglichst geringe PN-Übergangs-Kapazität aufweist sowie in integrierten Halbleiterschaltungen mit hoher Integrationsdichte verwendbar ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Lateralhalbleiterbauelements nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Lateralhalbleiterbauelement nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 8 näher erläutert. Es zeigt
Fig. 3A eine schematische Draufsicht auf ein für Versuche im Hinblick auf die Erfindung verwendetes Halbleiterbauelement,
Fig. 3B einen Längsschnitt durch das Halbleiterbauelement von Fig. 3A längs der Linie III-III von Fig. 3A,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements von Fig. 3A und 3B,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Lateralhalbleiterbauelements nach der Erfindung, und zwar einen integrierten PNP-Lageraltransistor,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Lateraltransistor von Fig. 5 längs der Linie VI-VI von Fig. 5,
Fig. 7 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel eines Lateralhalbleiterbauelements nach der Erfindung, und zwar einen Lateralthyristor und
Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Lateralthyristor von Fig. 7 längs der Linie VIII-VIII von Fig. 7.
Im Rahmen der der Erfindung zugrundliegenden Überlegung wurde die Beziehung zwischen der Rundung der Außenecken von Diffusionsbereichen, die in Fig. 1 mit a und b bezeichnet sind, und der Sperrspannung des PN-Übergangs untersucht. Das Lateralhalbleiterbauelement von Fig. 3a weist ein N-leitendes Halbleitersubstrat 21 mit einem spezifischen Widerstand von 15 Ω . cm und einen P-leitenden Diffusionsbereich 22 auf, dessen Tiefe x _j 15 µm beträgt. Bei den Untersuchungen wurde die Rückwärts-Sperrspannung von Lateralhalbleiterbauelementen mit dem Aufbau nach Fig. 3A und 3B gemessen, die sich im Krümmungsradius R an den Außenecken des P-leitenden Diffusionsbereichs 22 voneinander unterschieden.
Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Sperrspannung des PN-Übergangs und der Krümmung an den Außenecken des Diffusionsbereiches. Die in Fig. 4 dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß die Sperrspannung mit wachsendem Krümmungsradius ansteigt und einen Sättigungswert erreicht. Wenn das Verhältnis des Krümmungsradius R in der Draufsicht zur Tiefe x _j des PN-Übergangs betrachtet wird, beginnt die Sättigung des Sperrspannung bei einem Verhältnis R/x _j von etwa 1,5. Dies bedeutet, daß praktisch der Höchstwert der Sperrspannung erzielt werden kann, wenn der Krümmungsradius der Außenecken (a und b) des Kollektorbereichs 6 in Fig. 1 so gewählt wird, daß er wenigstens 1,5mal größer ist als die Tiefe x _j des Kollektorbereiches 6. Wenn der Kollektorbereich 6 jedoch lediglich nach dieser Bemessung hergestellt wird, ist die erzielbare Intergrationsdichte noch gering. Weiterhin wird hierdurch die Kapazität des PN-Übergangs erhöht, was auch unerwünscht ist. Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bei dem Lateralhalbleiterbauelement nach der Erfindung der Kollektorbereich - wie bei dem Lateraltransistor nach der GB-PS 12 17 880 - streifenförmig gebildet.
Der Lateraltransistor der Fig. 5 und 6, in denen einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen sind, weist einen P-leitenden Emitterbereich 5, einen N-leitenden Basisbereich 8 und einen P-leitenden Kollektorbereich 6 auf. Der PN-Übergang zwischen dem Kollektorbereich 6 und dem Basisbereich 8 weist an seinen Außenecken einen Krümmungsradius auf, der etwa 1,5mal größer als die Tiefe des Kollektorbereichs ist, um eine Feldstärkeerhöhung an diesen Ecken zu vermeiden. An den Innenecken, wie z. B. an der Innenecke 6 c von Fig. 5 treten Feldstärkeerhöhungen nicht auf, weshalb dort kein großer Krümmungsradius vorgesehen werden muß. Der N-leitende Basiskontaktteil 7 dient lediglich zur Kontaktierung und Befestigung der Basiselektrode und beeinflußt die Spannungsfestigkeit nicht, weshalb er diesbezüglich nicht berücksichtigt werden muß. Der Kollektorbereich 6, der ein Diffusionsbereich ist, weist einen verbreiterten Teil 6 a auf, der zur Kontaktierung durch die Elektrode vorgesehen ist, während der übrige Teil 6 b des Kollektorbereichs 6 in Form eines schmalen Streifens ausgeführt ist, um die PN-Übergangsfläche des Kollektorübergangs zu verringern; er endet in einem nicht kontaktierten verbreiterten Teil 6 d. Die verringerte PN-Übergangsfläche führt zu einer kleinen Kapazität des PN-Übergangs. Da der streifenförmige Teil 6 b abweichend von dem kontaktierten Teil 6 a schmal ausgeführt ist, wird die für den Kollektorbereich 6 erforderliche Fläche klein, weshalb der Lateraltransistor in integrierten Halbleiterschaltungen mit erhöhter Integrationsdichte eingesetzt werden kann. Die Fläche des Kollektorbereichs 6 ist bei einem solchen Lateraltransistor im Vergleich zu bekannten Lateraltransistoren auf etwa die Hälfte verringert, wodurch eine Steigerung der Integrationsdichte von etwa 20% erzielt wird. Da, wie in Fig. 5 gezeigt ist, an beiden Enden des Kollektorbereichs 6 die breiteren Teile 6 a, 6 d mit einer größeren Fläche vorhanden sind, kann eine Kollektorelektrode 11 an einem dieser zwei Teile, z. B. dem Teil 6 a, vorgesehen werden. Dadurch werden die Freiheitsgrade bei der Verschaltung erhöht. Der Kollektorwiderstand kann ferner weiter verringert werden, indem die Kollektorelektrode 11 an beiden breiteren Teilen 6 a, 6 d angeschlossen wird.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kollektorbereich 6 halbkreisförmig um den Emitterbereich 5 angeordnet. Form und Anordnung der Diffusionsbereiche 5, 6 und 7 können auch anders als in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 vorgesehen werden. Weiterhin können die breiteren Teile 6 a, 6 d jeweils in allen Teilen eines Kollektorbereichs vorgesehen sein.
Auch andere Lateralhalbleiterbauelemente, wie z. B. NPN-Transistoren und Thyristoren, können gemäß der Erfindung ausgebildet werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel eines Lateralhalbleiterbauelements nach der Erfindung, nämlich einen Lateralthyristor. In den Fig. 7 und 8 sind jeweils ein P_E-Emitterbereich 31, ein N_B-Basisbereich 4, ein P_B-Basisbereich 32 und eine N_E-Emitterbereich 33 dargestellt. Der P_b -Basisbereich ist vom P_E-Emitterbereich im N_B-Basisbereich umgeben. Eine Anodenelektrode 34, eine Steuerelektrode 35 und eine Kathodenelektrode 36 sind am P_E-Emitterbereich, am P_B-Basisbereich bzw. am N_E-Emitterbereich vorgesehen. Der erfindungsgemäß angewandte Krümmungsradius und der erfindungsgemäß vorgesehene schmale Teil des Diffusionsbereichs sind beide bei dem P_E-Emitterbereich vorgesehen; ferner weist der P_B- Basisbereich den im Verhältnis zur Tiefe des diffundierten P_B-Basisbereichs bemessenen Krümmungsradius auf.

Claims

1. Lateralhalbleiterbauelement für integrierte Halbleiterschaltungen mit einem Halbleitersubstrat (1) eines Leitfähigkeitstyps und zwei lateral zueinander liegenden und durch Fremdatomdiffusion von einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (1) hergestellten Diffusionsbereichen (5, 6) von zum Halbleitersubstrat (1) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp mit von Kontaktelektroden (11, 10) kontaktierten Teilen (6 a), wobei der erste Diffusionsbereich (6) einen kontaktierten Teil (6 a) und einen nicht kontaktierten streifenförmigen Teil (6 b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Außenecken des ersten Diffusionsbereichs (6) in der Draufsicht einen Krümmungsradius (R) besitzen, der mindestens 1,5mal größer ist als seine Tiefe, und

- der streifenförmige Teil (6 b) des ersten Diffusionsbereichs (6) schmaler ist als der kontaktierte Teil (6 a).

2. Lateralhalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Diffusionsbereich (6) den zweiten Diffusionsbereich (5) umgibt.

3. Lateralhalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenecken des zweiten Diffusionsbereichs (5) in der Draufsicht einen Krümmungsradius besitzen, der mindestens 1,5mal größer ist als seine Tiefe.

4. Lateralhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Diffusionsbereich (32) ein dritter Diffusionsbereich (33) von zum zweiten Diffusionsbereich (32) entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist.

5. Lateralhalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Diffusionsbereich (6) an den zwei Enden des schmaleren streifenförmigen Teils (6 b) je einen dem schmaleren streifenförmigen Teil (6 b) gegenüber breiteren Teil (6 a, 6 d) aufweist und nur einer (6 a) von den zwei breiteren Teilen (6 a, 6 d) kontaktiert ist.