DE3026218A1

DE3026218A1 - Halbleiterbauelement mit erhoehter oberflaechendurchbruchsspannung

Info

Publication number: DE3026218A1
Application number: DE19803026218
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. 8033 Krailling Arlt; Joachim Dipl.-Phys. 8000 München Dathe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1982-02-04

Description

Halbleiterbauelement mit erhöhter Oberflächen-
durchbruchsspannung Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit erhöhter Oberflächendurchbruchsspannung, das ein Halbleitersubstrat eines Leitungstyps und wenigstens eine in den Oberflächenbereich des Substrats eingebettete Zone des zum einen Leitungstyp entgegengesetzten anderen Leitungstyps sowie eine hochdotierte Zone des einen Leitungstyps aufweist, die die eingebettete Zone im Abstand umgibt, wobei der Oberflächenbereich des Substrats wenigstens zwischen der eingebetteten Zone und der hochdotierten Zone von einer Isolierschicht abgedeckt ist.
Planartransistoren und insbesondere NPN-Silicium-Planartransistoren sowie Dioden mit PN-Ubergang erreichen in vielen Fällen nicht die durch die Randkrmmung des PN-Übergangs und das Dotierungsprofil bestimmte Volumendurchbruchsspannung des PN-Übergangs (bei einem Planartransistor der Kollektor-Basis-Diode), da durch positive Ladungen in der das Halbleitersubstrat abdeckenden Oxidschicht stets im Kollektorbereich an der Oberfläche negative Ladungen angereichert sind. Diese Oberflächenanreicherung von negativen Ladungen bedingt aber eine niedrigere Durchbruchsspannung, so daß die durch die Krümmung des PN-Übergangs und das Dotierungsprofil bestimmte Volumendurchbruchsspannung nicht erreicht wird.
Ein Oberflächendurchbruch auf Grund der oben erwähnten Oberflächenanreicherung negativer Ladungen ist nicht stabil. Insbesondere steigt der Wert der Durchbruchsspannung bei einer Temperatur-Sperrbelastung bis zur Volumendurchbruchsspannung an, sofern keine Störungen des Kristallgitters im Kollektorbereich vorhanden sind.
Derartige Störungen können aber zu einem voilständigen Zusammenbruch der Sperrkennlinie und damit zu einem Ausfall des Halbleiterbauelements bei entsprechenden Betriebsbedingungen führen.
Bisher wurden schon verschiedene Maßnahmen ergriffen, um den unerwünschten Oberflächendurchbruch möglichst auszuschließen: a) So kann beispielsweise ein Oberflächendurchbruch vermindert werden, indem bei einem Transistor die Basiselektrode über die Oxidschicht des Kollektorgebiets hinweggeführt wird (sogenannte Extended base electrode). Störungen im Kollektorbereich werden dabei durch aufwendige Langzeitmessungen im sperrenden Zustand unter hoher Temperatur erfaßt.
b) Weiterhin kann ein Oberflächendurchbruch durch mindesteins einen um den PN-Übergang konzentrisch geführten Feldring nahezu ausgeschlossen werden. Die Dimensionierung von Feldringen hängt aber stark von den Eigenschaften der Oxidschicht ab und erfordert so zahlreiche Versuche. Weiterhin steigt der Platzbedarf eines Halbleiterbauelements durch die grundsätzlich erhöhte Anzahl der PN-Übergänge, die außerdem die erzielbare Ausbeute verringert. Gestgrte Kollektorbereiche können hier durch kurze Messungen bei Raumtemperatur erfaßt werden.
c) Es wurde bereits ein Halbleiterbauelement mit einer halbisolierenden Passivierungsschicht auf der Oxidoberfläche entwickelt, wobei diese halbisolierende Passivierungsschicht ein Potentialgefälle aufweist (vergleiche DE-OS 29 44 937). Durch diese halbisolierende Passivierungsschicht fließt aber ein zusätzlicher parasitärer Strom parallel zum Kolle#tor-3asis-PN-Übergang, so daß auch diese Methode trotz Beseitigung des Oberflächendurchbruchs nicht vollständig befriedigend arbeitet.
d) Auf die Oberfläche der Oxidschicht wird eine Glasschicht aufgetragen, die eine genau festgelegte Konzentration an negativen Ionen besitzt. Durch die positive Bildladung, also Locher, im Silicium des Halbleitersubstrats wird die Oberflächenanreicherung abgebaut oder sogar ein P-Kanal induziert, so daß der Oberflächendurchbruch weitgehend ausgeschlossen ist.
Eine Glasschicht ist aber feuchteempfindlich, was zu einer Korrosion der Leitbahnen führen kann und auch andere Bereiche ungünstig beeinflußt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das praktisch keinen Oberflächendurchbruch aufweist und sich von Bauelementen mit einem gestörten Kollektorbereich durch eine Kurzzeitmessung bei Raumtemperatur absondern läßt.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Oberflächenbereich zwischen beiden Zonen (Kollektorgebiet eines Transistor) ein Kanal durch Bor-Implantation eingebracht wird, dessen Eindringtiefe gegenüber der Eindringtiefe der beiden Zonen (also Basis und Schutzring bei einem Transistor) klein ist.
Diese Dotierung mit Bor wird vorgenommen, wenn das Halbleitersubstrat N-leitend ist. Für ein P-leitendes Halbleitersubstrat wird anstelle von Bor Phosphor verwendet.
Bei der Erfindung wird also in dem an die Oberfläche tretenden Kollektorbereich ein Kanal mit geringer Leitfähigkeit durch Bor-Implantation erzeugt, wobei dieser Kanal durch die Basiszone und die hochdotierte Zone, nämlich die sogenannte N+-Channel-Stopperdiffusion genau begrenzt wird. Durch die Verringerung der Oberflächenkonzentration bis zur Inversion der Oberfläche des Eo1-lektorbereichs wird der Oberflächendurchbruch praktisch beseitigt. Störungen im Kanalbereich, wie beispielsweise sogenannte Nf-Pipes beziehungsweise P+-Pipes, führen zu erhöhten Kanalströmen und damit zu Durchbrüchen, die durch einfache Strom- beziehungsweise Spannungs-Sperrmessungen selektiert werden können.
Die Bor-Implantation kann beispielsweise vor dem Metallisierungsschritt zum Auftragen der Kontakte bei geöffneten Kontaktierfenstern in das Halbleitersubstrat vorgenommen werden. Die in die Basiszone und in die Emitterzone implantierten Boratome beeinflussen dabei die Transistorparameter nicht negativ.
Beträgt beispielsweise die Dicke der auf dem Kollektorbereich liegenden Oxidschicht 0,7 1um, so liegt bei einer Implantation von doppelt geladenem Bor bei einer Beschleunigungsspannung von 150 kV das Dotierungsmaximum an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht und dem Silicium-Halbleitersubstrat. Mit einer Dosis von etwa 3 bis 4 . 1052 Boratomen/cm2 wird bei einer Kollektordotierung von 2 . 1074 cis 3 ein P-Kanal erzeugt, der einen Oberflächendurchbruch praktisch ausschließt.
Die Kanalleitfähigkeit ist so gering, daß der Sperrstrom lediglich auf etwa das Doppelte ansteigt. So beträgt beispielsweise der Kollektor-Basis-Sperrstrom bei 250 V gewöhnlich 0,1 bis 0,2 nA. Mit dem gering dotierten Kanal ergibt sich für den Sperrstrom dann 0,2 bis 0,3 nA.
Andere Dicken der Oxidschicht beziehungsweise zusätzliche Passivierungsschichten auf der Oxidschicht erfordern eine spezielle Anpassung der Bor-Implantation hinsichtlich Energie und Dosis.
In vorteilhafter Weise wird nach der Implantation eine Temperaturbehandlung während beispielsweise 10 min und 1000 0C in einer Argonatmosphäre ausgeführt, um das Kristallgitter auszuheilen.
Die Implantation der Boratome für den Kanal kann auch an anderer Stelle des Herstellungsprozesses durchgeführt werden, beispielsweise bereits zu Beginn der Herstellung. In diesem Fall müssen die während des gesamten folgenden Herstellungsprozesses auftretende Temperatur-Zeit-Belastung auf die Diffusion von Bor und gegebenenfalls Umverteilungen durch das Wachstum der Oxidschicht berücksichtigt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, und Fig. 2 die Verteilung der Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung von NPN-Transistoren auf einer Halbleiterscheibe ohne und mit einer Kanal-Implantation.
In Fig. 1 sind in einem N-leitenden Halbleitersubstrat 1, das einen Kollektorbereich bildet, eine P-leitende Zone 2 und eine N+-leitende Zone 3 vorgesehen. Die Zone 2 bildet die Basis, während die Zone 3 einen sogenannten Channel-Stopper darstellt. Erfindungsgemäß ist nun in den Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 1 zwischen der Zone 2 und der Zone 3 ein P-leitender Kanal 4 implantiert. Oberhalb des Oberflächenbereichs zwischen der Zone 2 und der Zone 3 liegt eine Siliciumdioxidschicht 5, die eine Dicke d von etwa 0,7 /um aufweist.
Bei einer derartigen Dicke der Siliciumdioxidschicht 5 wird doppelt geladenes Bor mit einer Beschleunigungsspannung von 150 keV durch die Siliciumdioxidschicht 5 hindurch in den Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats 1 implantiert, so daß der Kanal 4 entsteht. Die Implantation erfolgt dabei mit einer Dosis von etwa 3 bis 4 . 1012 Boratomen/cm2, wenn die Dotierung der Kollektorzone etwa 2 . 1014 cm 3 3 beträgt.
In der Fig. 1 sind eine in der Basiszone 2 vorgesehene Emitterzone sowie die Metallisierungen für die einzelnen Kontakte nicht gezeigt.
In der Fig. 2 sind auf der Abszisse die Durchbruchsspannung und auf der Ordinate die Verteilung aufgetragen.
Dabei zeigt eine Kurve 10 den Verlauf für normale Transistoren ohne Kanal und eine Kurve 11 den Verlauf für Transistoren mit einem Kanal, der mit doppelt geladenen Borionen mit einer Dosis von 3 . 1012/cm2 bei einer Beschleunigungsspannung von 150 keV durch eine Siliciumdioxidschicht einer Dicke von 0,7 #um dotiert ist. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, werden mit dem erfindungsgemäusen Halbleiterbauelement wesentlich höhere Durchbruchsspannungen erreicht, da der Oberflächendurchbruch praktisch ausgeschlossen ist. Transistoren mit gestörtem Kollektorbereich sind dabei als Verteilungsschwanz mit niedrigerer Spannung erkennbar.
2 Figuren 5 Patentansprüche

Claims

Patentanspniche Haibleiterbauelement mit erhöhter Oberflächendurchbruchsspannung, das ein Halbleitersubstrat eines Leitungstyps und wenigstens eine in den Oberflächenbereich des Substrats eingebettete Zone des zum einen Leitungstyp entgegengesetzten anderen Leitungstyps sowie eine hochdotierte Zone des einen Leitungstyps aufweist, die die eingebettete Zone im Abstand umgibt, wobei der Oberflächenbereich des Substrats wenigstens zwischen der eingebetteten Zone und der hochdotierten Zone von einer Isolierschicht abgedeckt ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß in den Oberflächenbereich zwischen beiden Zonen (2, 3) ein Kanal (4) durch Bor-Implantation eingebracht wird, dessen Eindringtiefe gegenüber der Eindringtiefe der beiden Zonen (2, 3) klein ist.
2. Verfahren zum Herstellen der Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß bei einer Dicke (d) der aus einer Oxidschicht (5) bestehenden Isolierschicht von 0,7 /um, einer Implantation von doppelt geladenen Borionen und einer Beschleunigungsspannung von 150 kV das Dotierungsmaximum an der Grenzfläche zwischen der Oxidschicht (5) und dem Substrat (1) liegt.
3. Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Implantation der Borionen mit einer Dosis von 3 bis 4 . 1012 Boratomen/cm2 in ein Substrat (1) mit einer Dotierung von 2 . 1014 Atomen/cm3 erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2oder 3, d a d u r c h g.e k e n n z e i c h n e t , daß nach der Implantation der Borionen eine Temperaturbehandlung zum Ausheilen des Kristallgitters durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Temperaturbehandlung während etwa 10 min bei etwa 1000 0C in einer Argonatmosphäre erfolgt.