DE3022122C2

DE3022122C2 -

Info

Publication number: DE3022122C2
Application number: DE3022122A
Authority: DE
Inventors: Junichi Nakamura; Seiji Oita Jp Hata; Iwao Kitakyushu Jp Yamasaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-06-12
Filing date: 1980-06-12
Publication date: 1987-12-10
Also published as: US4339765A; JPS572186B2; DE3022122A1; JPS55165674A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem Lateraltransistoraufbau nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Lateraltransistoren mit mehreren Kollektoren und einem Emitter werden beispielsweise in Stromversorgungsgeräten verwendet. Abhängig von dem Einsatz der Stromversorgungsgeräte muß jedoch der Stromverstärkungsfaktor jedes Kollektors von einem Fall zum nächsten Fall verändert werden. Zu diesem Zweck wird der Stromverstärkungsfaktor durch Änderung der Gestalt jeder Kollektorzone geändert. Gemäß diesem Verfahren muß jedoch die Kollektorzone vergrößert werden, um dadurch einen größeren Stromverstärkungsfaktor zu erzielen. Daher muß auch der Transistor selbst größer ausgeführt werden, was jedoch die Packungsdichte bei integrierten Schaltungen nachteilig beeinflußt.

Dies wird bei einem aus der US-PS 39 68 267 bekannten, nach einem Verfahren der eingangs genannten Art hergestellten Lateraltransistor mit mehreren Kollektoren dadurch vermieden, daß die Stromverstärkungsfaktoren durch unterschiedliche Abstände der Kollektorzonen von der Emitterzone geändert werden.

Ähnliche Probleme treten bei Transistoren mit Mehremitterstruktur genau wie im Falle von Transistoren mit Mehrkollektorstufen auf.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erstellen eines Halbleiterbauelements der eingangs genannten Art zu schaffen, das es auf einfache Weise erlaubt, genau die in der Oberfläche der Halbleitersubstrate gemessenen Abstände zwischen den ersten und zweiten Zonen einzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Durch die Erfindung kann so auf einfache Weise genau der Abstand zwischen den einzelnen Zonen in der Oberfläche des Halbleitersubstrats eingestellt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Vergleich zu bekannten Transistoren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines bekannten Mehrkollektortransistors vom Lateralaufbau,

Fig. 2 eine symbolische Darstellung des Transistors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung, welche den Aufbau eines weiteren bekannten Lateraltransistors veranschaulicht,

Fig. 4 das Bild einer abgewandelten Kollektorzone bei dem Transistor gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen anderen Mehrkollektortransistor vom Lateralaufbau,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Mehrkollektortransistor vom Lateralaufbau, der mit Hilfe eines abgewandelten herkömmlichen Verfahrens hergestellt wurde, um den gleichen Stromverstärkungsfaktor zu erhalten wie bei dem Transistor nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Mehrtransistorkollektors, bei welchem eine vorbestimmte effektive Basisbreite zwischen dem Emitter und den Kollektoren sichergestellt ist;

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Mehremittertransistor vom Lateralaufbau, und

Fig. 9 eine symbolische Darstellung des Mehremittertransistors nach Fig. 8.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Mehrkollektortransistor vom Lateralaufbau, bei welchem zwei Kollektorzonen ausgebildet sind vgl. der bereits genannte US-PS 39 68 269. Gemäß Fig. 1 ist eine Emitterzone 12 mit allgemein kreisförmiger Flächengestalt durch Diffusion in einer Hauptfläche eines N-Halbleitersubstrats 11 ausgebildet. Im Zentrum der Fläche der Emitterzone 12 ist ein Emitterkontakt 13 vorgesehen. Eine erste P-Kollektorzone 14 hat eine bogenförmige Seite, die mit gleichem Abstand gegenüber dem äußeren Umfang der Emitterzone 12 ausgebildet ist. Auf der ersten Kollektorzone 14 ist ein Kollektorkontakt 15 aufgebracht.

Weiter ist eine zweite P-Kollektorzone 16 mit einer Fläche, die geringfügig größer ist als diejenige der ersten Kollektorzone 14, gegenüber der Kollektorzone 14 ausgebildet, wobei die Emitterzone 12 zwischen diesen Zonen gelegen ist. Die Kollektorzone 16 hat ebenfalls eine seitlich bogenförmige Gestalt und ist im gleichen Abstand und gegenüberliegend zum äußeren Umfang der Emitterzone 12 angeordnet. Diese Zonen sind so ausgebildet, daß W _B1 <W _B2 gilt, wobei der effektive in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (Substratebene) gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der ersten Kollektorzone 14 gleich W _B1 und der effektive in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der zweiten Kollektorzone 16 gleich W _B2 ist. Eine rechteckige Basiszone 18 ist getrennt von der Emitterzone 12 und den Kollektorzonen 14 und 16 in dem Substrat 11 durch Diffusion ausgebildet, und weiterhin ist auf dieser Basiszone 18 ein Basiskontakt 19 aufgebracht. Eine symbolische Darstellung dieses Mehrkollektortransistors vom Lateralaufbau zeigt Fig. 2, und ferner sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 auch in Fig. 2 für die entsprechenden Elektroden bzw. Anschlüsse verwendet.

Bevor die Stromverstärkungsfaktoren h _FE1 und h _FE2 der Kollektoren 14 und 16 des Mehrkollektortransistors nach Fig. 1 betrachtet werden, soll der Stromverstärkungsfaktor h _FE eines Lateraltransistors der allgemeinen Struktur unter Hinweis auf Fig. 3 untersucht werden. In Fig. 3 sind eine Emitterzone 22 und eine Kollektorzone 23 vom P-Leitfähigkeitstyp durch Diffusion ausgebildet, wobei ein vorbestimmter Abstand zwischen diesen Zonen eingehalten ist, und zwar auf einer Hauptfläche eines N-Halbleitersubstrats 21, so daß ein PNP-Transistor gebildet wird. Der Stromverstärkungsfaktor h _FE des lateralen PNP-Transistors dieses Aufbaus ist allgemein gegeben durch die folgende Gleichung (1), da lediglich von der Zone 22 zur Zone 23 Ladungsträger injiziert werden:

Hierin bedeuten:

α eine Konstante, die im allgemeinen durch die Konfiguration des Transitors bestimmt ist, p _B spezifischer Widerstand der Basiszone, p _SE Flächenwiderstand der Emitterzone, W _B effektive Basisbreite, L _pb Diffusionskonstante der Löcher der Basiszone, A _L Fläche der Emitterzone, D _pb Diffusionskonstante der Löcher der Basiszone, S Rekombination an der Fläche des Substrats, A _s effektiver Rekombinationsbereich an der Oberfläche

Demzufolge sind die Stromverstärkungsfaktoren h _FE1 und h _FE2 der Kollektorzonen 14 und 16 bei dem Beispiel nach Fig. 1 durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) unter Verwendung der Gleichung (1) gegeben:

Hierin bedeuten W _B1 und W _B2 die effektiven Basisbreiten des Transistors in bezug auf jede Kollektorzone 14 und 16: es sind dies jeweils der effektive, in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der Kollektorzone 14 und der effektive, in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der Kollektorzone 16 in Fig. 1. Wie bereits dargelegt wurde, ist die Beziehung W _B1<W _B2 für die in der Substratebene gemessenen effektiven Abstände W _B1 und W _B2 gegeben. Diese Beziehung wird erhalten, wenn die Maße der Maskenlöcher für die Kollektorzonen 14 und 16 in Fig. 2 gleichgroß gewählt werden und wenn die Diffusionszeit der Kollektorzone 16 größer gewählt wird als diejenige für die Kollektorzone 14. Es sei darauf hingewiesen, daß die Maße der Diffusionsmaske der Kollektorzone 14 alternativ größer gewählt werden können als diejenigen für die Kollektorzone 16.

In den Gleichungen (1) und (2) sind α₁ und α₂ Konstanten, die durch die in Fig. 1 dargestellten Winkel R₁ und R₂ bestimmt sind und durch die bogenförmigen Seiten der Kollektorzonen 14 und 16 im Zentrum der Emitterzone 12 gemessen werden. Die Konstante α₁ ist gegeben durch α₁ = R₁/360°, und die Konstante α₂ ist gegeben durch α₂ = R₂/360°. Wenn beispielsweise eine Kollektorzone 16 a die gleiche Gestalt wie in Fig. 4 hat, so ist der Winkel zu dieser bezogen auf die Emitterzone 12 gleich R, wie gezeigt, und die Konstante α ist gegeben durch α = R/360°.

Wie sich aus den Gleichungen (2) und (3) ableiten läßt, können die Stromverstärkungsfaktoren h _FE1 und h _FE2 dadurch verändert werden, daß die Konstanten α₁ und α₂ oder die effektiven Basisbreiten W _B1 und W _B2 geändert werden. Wenn bei der Änderung des Stromverstärkungsfaktors h _FE durch Änderung der Konstante α der Wert von α₂ (oder der Wert von R₂) so eingestellt wird, daß er zweimal so groß ist wie α₁ (zweimal so groß wie R₂), so wird h _FE2 nur zweimal so groß als h _FE1. Es sei darauf hingewiesen, die Änderung der Stromverstärkungsfaktoren durch unterschiedliche Wahl von R₁ und R₂ bei einem Mehrkollektortransistor mit Lateralaufbau aus der US-PS 39 87 477 bekannt ist.

Andererseits ändert sich bei einer Änderung der effektiven Basisbreite W _B der Stromverstärkungsfaktor in weiten Grenzen. Dies soll im folgenden näher erläutert werden. Wenn in der Gleichung (1) die Werte von

p _SE · W _B, p _B, S, A _S, A _L und D _pb

gegeben sind zu

p _SE = 150 Ω/cm³, W _B = 4 × 10^-12 m, p _B = 2 Ω · cm, S = 100 cm/sec, A _s A-_L und D _pb = 10 cm³/sec

so ergeben sich für die Ausdrücke der Gleichung (1) die folgenden Werte:

Es können daher diese Ausdrücke vernachlässigt werden. Damit läßt sich jedoch die Gleichung (1) in der folgenden Form umschreiben:

Aus Gleichung (4) läßt sich erkennen, daß h _FE gleich wird 1/4, wenn die effektive Basisbreite verdoppelt wird. Wenn W _B verdreifacht wird, so wird h _FE zu 1/9 seines ursprünglichen Wertes. Wenn beispielsweise bei dem Transistor gemäß Fig. 1 die effektive Basisbreite W _B1 doppelt so groß gewählt wird wie der Wert von W _B2 nach einem Ausgleich von α₁ und α₂, so wird der Stromverstärkungsfaktor h _FE2 ca. viermal so groß als der Wert von h _FE1.

Aus der Gleichung (4) läßt sich erkennen, daß es ausreichend ist, die effektive Basisbreite W _B zusammen mit dem Wert von α zu ändern, um den Stromverstärkungsfaktor h _FE in weiten Grenzen zu ändern.

Ein auf diesem Prinzip aufbauender Transistor soll im folgenden anhand von Fig. 5 beschrieben werden. In Fig. 5 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig. 1. Gemäß Fig. 5 ist eine Kollektorzone 31 relativ schmal ausgebildet, und ein durch diese Kollektorzone 31 definierter Winkel R₁, im Zentrum der Emitterzone 12 gemessen, ist klein und beträgt beispielsweise 36°. Ein Kollektorkontakt 32 ist in der Kollektorzone 31 ausgebildet. Eine andere Kollektorzone 33 ist so ausgebildet, daß ein Winkel R₂ durch diese Kollektorzone 33 hinsichtlich des Zentrums der Emitterzone 12 relativ groß ist und beispielsweise 200° beträgt. Ein Kollektorkontakt 34 ist in der Kollektorzone 33 ausgebildet. Der effektive in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der Kollektorzone 31, d. h. die effektive Basisbreite W _B1 ist so gewählt, daß er dreimal so groß ist wie der in der Substratebene gemessene effektive Abstand zwischen der Emitterzone 12 und der anderen Kollektivzone 33, d. h. der effektiven Basisbreite W _B2.

Anhand der Gleichung (4) soll das Verhältnis des Stromverstärkungsfaktors h _FE1 der Kollektorzone Kollektorzone31 zum Stromverstärkungsfaktor h _FE2 der anderen Kollektorzone 33 erläutert werden. Die folgenden Gleichungen werden erhalten, wenn die oben genannten Werte für R₁, R₂ eingesetzt werden:

Wenn man die Gleichung (6) durch die Gleichung (5) teilt, so erhält man den Wert für h _FE1/h _FE2 zu 1/50. Das bedeutet, daß der Wert von h _FE2 50mal so groß ist wie der Wert von h _FE1.

Wenn der Wert von h _FE2 50mal so groß wie der Wert von h _FE1 nur durch Änderung des Wertes von α sein soll, so muß R₂ gleich 1,650° betragen, falls der Wert von R₁ gleich 33° ist, was sich aus den Gleichungen (2) und (3) ableiten läßt. Da
1,650°/360° = 4 + 210/360
gilt, macht dies vier Emitterzonen erforderlich, die vollständig durch eine einzige Kollektorzone umgeben sind, und es wird eine weitere Emitterzone benötigt, die über nur 210° von der gleichen einzigen Kollektorzone umgeben ist. Ein Mehrkollektortransistor einer derartigen Struktur besitzt ein zweidimensionales Muster, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Die Kollektorzone 41 hat einen Stromverstärkungsfaktor h _FE1, und eine weitere Kollektorzone 42 hat einen größeren Stromverstärkungsfaktor h _FE2. Eine Basiszone 43 ist durch Diffusion hergestellt. Um der Bedingung R₂ = 1,650° mit W _B1 = W _B2 zu genügen, ist die Kollektorzone 42 so ausgebildet, daß sie vollständig vier Emitterzonen 44, 45, 46 und 47 umgibt und außerdem eine weitere Emitterzone 48 über 120° entsprechend dem Wert R₄ umgibt. Der Winkel der Kollektorzone 41, gemessen vom Zentrum der Emitterzone 48, beträgt 33°.

Durch Vergleichen der Fig. 5 und 6 läßt sich erkennen, daß der Lateraltransistor vom Mehrkollektortyp gemäß Fig. 5 ein großes Stromverstärkungsfaktorverhältnis von 1 : 50 aufweist, ohne daß die Bauelementfläche vergrößert zu werden braucht.

Zur Herstellung eines lateralen Mehrkollektortransistors wird effektive in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone und jeder Kollektorzone dadurch geändert, daß die Diffusionstiefe bei der Ausbildung jeder Kollektorzone durch Diffusion geändert wird. Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung einer Konstruktion eines lateralen PNP-Mehrkollektortransistors mit zwei Kollektoren, der nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. In Fig. 7 ist eine eingebettete N-Zone 52 innerhalb eines P-Siliciumkristallsubstrats 51 ausgebildet, und weiterhin ist eine N-Epitaxialzone 53 auf der eingebetteten Zone 52 vorgesehen. Eine P-Isolationszone 54 umgibt die Epitaxialzone 53. Eine P-Emitterzone 55 ist auf der Fläche der Epitaxialzone 53 ausgebildet. Zwei Kollektorzonen 56 und 57 und eine durch Diffusion hergestellte N-Basiszone 58 sind an den Seiten der Emitterzone 55 vorgesehen. Von den zwei Kollektorzonen ist die Kollektorzone 57 durch tieferes Eindiffundieren als bei der Kollektorzone 56 entstanden. Bekanntlich schreitet die Diffusion der Kollektorzone 57 in vertikaler Richtung der Zone 53 und in quer dazu verlaufender Richtung voran, d. h. in Richtung entlang der Oberfläche der Zone 53. Demzufolge kann der effektive, in der Substratebene gemessene Abstand zwischen der Emitterzone 55 und der Kollektorzone 57 kleiner sein als derjenige zwischen den Zonen 55 und 56. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt (vgl. DE-Buch J. Wüstehube, "Integrierte Halbleiterschaltungen", Hamburg 1966, S. 56-63, 91), auf welche Weise man mit hoher Präzision das Voranschreiten des Diffusionsprozesses dadurch steuern kann, daß man in geeigneter Weise die Diffusionstemperatur, die Art der eindiffundierten Verunreinigung und das Material des Substrats bestimmt. Daher läßt sich der effektive, in der Substratebene gemessene Abstand genau und einfach durch bekannte Techniken einstellen. In Fig. 7 ist noch ein isolierender Oxidfilm 59 zusammen mit Kontaktelektroden 60, 61, 62 und 63 gezeigt.

Obwohl ein Ausführungsbeispiel anhand eines PNP-Transistors vom Mehrkollektortyp beschrieben wurde, läßt sich die Erfindung auch ebensogut bei einem NPN-Transistor vom Mehrkollektortyp realisieren. Obwohl ferner zwei Kollektoren in der vorausgegangenen Beschreibung eine Rolle spielten, können auch drei oder mehrere Kollektoren in ähnlicher Weise ausgebildet sein. Die Erfindung ist ferner nicht nur bei Mehrkollektortransistoren, sondern auch bei Mehremittertransistoren vom Lateraltyp realisierbar.

Fig. 8 zeigt ein Schema eines lateralen Mehremittertransistors. Fig. 9 zeigt die Symboldarstellung dieses Transistors. In Fig. 8 ist eine P-Kollektorzone 72 auf einer Hauptfläche eines N-Siliciumhalbleitersubstrats 71 ausgebildet, und ein Kollektorkontakt 73 ist auf der Kollektorzone 72 vorgesehen. Eine erste P-Emitterzone 74 ist im effektiven (ein der Substratebene gemessenem) Abstand W _B1 von der Kollektorzone 72 ausgebildet, und ein Emitterkontakt 75 ist auf dieser Emitterzone 74 vorgesehen. Eine zweite Emitterzone 76 ist im effektiven, in der Substratebene gemessenem Abstand W _B2 von der Kollektorzone 72 in gegenüberliegender Richtung von der Emitterzone 74 ausgebildet, und ein Emitterkontakt 77 ist auf dieser Emitterzone 76 vorhanden. Eine N-Basiszone 78 ist auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet, und ein Basiskontakt 79 liegt auf der Basiszone. Eine Isolierschicht 80 umschließt den lateralen Mehremittertransistor Tr dieses Aufbaus, um ihn gegenüber anderen Raumelementen zu isolieren.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem Lateraltransistoraufbau, bei dem an einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats des einen, ersten Leitfähigkeitstyps eine erste Zone des hierzu entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet wird und in solchen, in der Oberfläche des Halbleitersubstrats liegenden Abständen von der ersten Zone wenigstens zwei weitere Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps durch Eindiffusion gebildet werden, daß der effektive in der Oberfläche des Halbleitersubstrats gemessene Abstand zwischen mindestens einer der zweiten Zonen und der ersten Zone unterschiedlich von dem effektiven in der Oberfläche des Halbleitersubstrats gemessenen Abstand zwischen der bzw. den zweiten Zonen und der ersten Zone ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (57, 76) der zweiten Zonen (56, 57, 74, 76) und wenigstens eine (56, 74) der anderen zweiten Zonen derart eindiffundiert werden, daß durch tieferes Eindiffundieren wenigstens der einen (57, 76) der zweiten Zonen (56, 57, 74, 76) gegenüber der bzw. den anderen zweiten Zonen ein kleinerer Abstand der zweiten Zonen (57, 76) mit größerer Diffusionstiefe von der ersten Zone (55, 72) gegenüber dem Abstand der anderen zweiten Zone (56, 74) mit kleinerer Diffusionstiefe von der ersten Zone (55, 72) erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lateraltransistoraufbau mit einer ersten Zone (55) als Emitterzone und zweiten Zonen (56, 57) als Kollektorzonen gebildet wird Fig. 7).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lateraltransistoraufbau mit einer ersten Zone (72) als Kollektorzone und zweiten Zonen (74, 76) als Emitterzonen gebildet wird (Fig. 8).