DE3148323A1

DE3148323A1 - Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE3148323A1
Application number: DE19813148323
Authority: DE
Inventors: Isao Takasaki Gunma Shimizu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-12-12
Filing date: 1981-12-07
Publication date: 1982-09-09
Also published as: GB2089564B; GB2089564A; GB2149575A; GB8428941D0; JPH0133954B2; HK71587A; IT1140324B; JPS5799771A; GB2149575B; MY8700615A; HK70187A; US4639757A; SG36387G; IT8125510A0

Description

Halbleiterschaltung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung, insbesondere einen Leistungstransistor, der für eine integrierte Hochleistungshalbleiterschaltung (im folgenden als "Leistungs-IC" bezeichnet) geeignet ist.

Bei einem Leistungstransistor für einen Leistungs-IC, der in einer Audio-Ausgangsschaltung oder einer ähnlichen Schaltung eingesetzt wird, ist es üblich, ein Emittergebiet in eine Mehrzahl einzelner Gebiete aufzuteilen und diese in einem Basisgebiet anzuordnen, um einen hohen Ausgangsstrom zu erzielen. Bei einem solchen Leistungstransistor ist ein Ballast-(Stabilisierungs-)Widerstand zwischen jedem Emittergebiet und dem einzigen Emittereingangsanschluß anzuordnen, so daß der Emitterstrom gleichmäßig durch die Vielzahl der aufgeteilten Emittergebiete fließt. Um einen solchen Ballastwiderstand herzustellen, ist es im Prinzip denkbar, ein Widerstandsgebiet zu bilden, dessen eines Ende kontinuierlich mit den Emittergebieten ist und dessen anderes Ende an die Emittereingangselektrode angeschlossen ist, so daß die notwendige Fläche für den gesamten Leistungstransistor reduziert wird; nach den Ergebnissen von Experimenten, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung im Zusammenhang mit einer solchen Konstruktion durchgeführt wurden, hat sich herausgestellt, daß die Seite der Eingangselektrode des Widerstandsgebietes und das Widerstandsgebiet als Transistoren wirken, und daß der von den Emittergebieten des ursprünglichen Transistors gebildete Transistor und der von dem Widerstandsgebiet herrührende parasitäre Transistor gleichzeitig vorliegen, so daß der Strom sich örtlich in dem von dem Ballast-

Widerstandsgebiet verursachten parasitären Transistor konzentriert, so daß der Transistor durchbricht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, bei einem Leistungstransistor, bei dem ein Teil seiner Emittergebiete als Ballastwiderstand verwendet wird, die Durchbruchfestigkeit zu verbessern und das Gebiet eines sicheren Betriebes zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird mit einer Halbleiterschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die erfindungsgemäß nach der im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Ballastwiderstand in dem Basisgebiet als das gleiche Halbleitergebiet ausgebildet, das kontinuierlich mit dem den Betrieb des ursprünglichen Tranaistors durchführenden Emittergebiet ist; weiterhin sind zusätzliche Mittel!vorgesehen, um die Stromverstärkung eines parasitären Transistors zu reduzieren, der durch das Ballastwiderstandsgebiet, die Basis- und die Kollektorgebiete gebildet wird, die unmittelbar unter dem Ballast-Widerstandsgebiet liegen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel· für diese zusätzlichen Mittel wird ein Halbleitergebiet zugefügt, das die Basisweite des parasitären Transistorteils vergrößert.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf den Leistungstransistorteil eines Leistungs-IC,

Figur 2 ist ein Querschnitt durch einen Teil der Figur 1, Figur 3 ist ein Ersatzschaltbild in der Einheitstruktur des Leistungstransistors,

Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt zur Erklärung der Struktur der Figur 2,

Figur 5 ist ein Querschnitt durch den Leistungstransistorteil einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

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die Figuren 6A und 6B sind Querschnitte, die die prinzipiellen Herstellungsstufen für einen Leistungstransistor zeigen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Struktur eines Leistungs transistors nach der vorliegenden Erfindung, wobei Figur 1 eine Draufsicht und Figur 2 ein Querschnitt durch einen Leistungstransistor entlang der Linie II-II der Figur 1 ist. Der Leistungstransistor, der als Teil eines Leistungs-IC ausgebildet ist, ist insbesondere in dieser Ausführungsform dargestellt. In den Figuren 1 und 2 ist der Leistungstransistor in einem Teil einer Silizium-Halbleiterscheibe 100 ausgebildet, die aus einem P-leitenden Substrat 1 und einer auf dem Substrat mittels Epitaxie abgeschiedenen N leitenden epitaxialen Schicht 3 besteht. Der Teil (das Insel gebiet), in dem der Leistungstransistor ausgebildet werden soll, ist von einem Isolationsgebiet 4 eingeschlossen und elektrisch isoliert von den anderen, nicht dargestellten Schaltungselementen, die in anderen Teilen der Halbleiterscheibe 100 gebildet werden sollen.

Der Leistungstransistor wird nachfolgend näher beschrieben.

In der von einem P -Isolationsgebiet 4 eingeschlossenen epitaxialen Schicht 3 wird eine ringförmige N -Diffusionsschicht 5 mit einer sich tief nach unten erstreckenden Kollektorelektrode gebildet, die eine vergrabene Schicht 2 erreicht. Innerhalb der Diffusionsschicht 5 werden mit üblichen Diffusionstechniken P-leitende Basisgebiete 6 ausgebildet. Entsprechend der Draufsicht nach Figur 1 werden in einem Inselgebiet 3 vier Bäsisgebiete 6 gebildet, und aneinandergrenzende Paare von Basisgebieten 6 werden von dem oben erwähnten ringförmigen N -leitenden Gebiet 5 eingeschlossen. In jedem Basisgebiet 6 wird ein N -leitendes Emittergebiet 7 hergestellt .Wie man am besten anhand von Figur 1 ersehen kann, wird in einem einzelnen Basisgebiet 6 ein Paar aus einem oberen und einem unteren Emittergebiet

7 gebildet. Jedes Emittergebiet 7 besteht aus einem Emitteranteil 7a, das gebildet wird, um den eigentlichen Transistorbetrieb durchzuführen, ferner aus einem Widerstandsteil· 7b, der als Ballastwiderstand dient, und aus einem Elektrodenanschlußteil 7c, mit dem eine als Emittereingangsanschluß dienende Aluminiumelektrode 8 in Kontakt kommt. Der Elektrodenanschluß teil 7c kontaktiert die Elektrode 8 über ein Kontaktloch 18 eines Siliziumoxidfilms 10. Wie in der Figur 1 durch die strichpunktierte Linie schematisch angedeutet ist, ist diese Elektrode 8 gemeinsam mit den Emittergebieten über die Kontaktlöcher 18 verbunden, wodurch der Emittereingangsanschluß gebildet wird. Eine Aluminiumemitterelektrode 9 steht über ein Kontaktloch 17 in Kontakt mit dem Emitterteil 7a des Transistorbetriebsteils. Die Emitterelektrode 9 ist für jeden Emitterteil und unabhängig von den anderen ausgebildet. Eine Aluminiumbasiselektrode 14 kontaktiert das Basisgebiet 6 zwischen einem Paar von Emittergebieten 7 über ein Kontaktloch 16. Wie schematisch durch die strichpunktierte Linie in Figur 1 dargestellt ist, ist die Basiselektrode 14 so angeordnet, daß sie die Basiskontaktgebiete gemeinsam verbindet, wodurch der Basiseingangsanschluß gebildet wird. Die Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für einen Transistor, der für ein Emittergebiet 7 des oben erwähnten Leistungstransistors gebildet ist. Mit dem Symbol Tr^ ist ein Transistor bezeichnet, "der durch den Emitterteil 7a gebildet wird und der eigentlich Notwendige ist, während Tr₂ einen unerwünschten parasitären Transistor bezeichnet, der durch den in Kontakt, mit den Emitterelektroden 8 stehenden Elektrodenanschlußteil 7c entsprechend der Figur 2 gebildet wird. Mit dem Zeichen R ist ein Ballastwiderstand bezeichnet, der in dem Widerstandsgebiet 7b ausgebildet ist. Es ist besonders wichtig, daß das Gebiet 6a des Basisgebietes unterhalb des Ballastwiderstandsteil 7b des Emittergebietes 7 und der Elektrodenanschlußteil 7c so gebildet sind, daß sie nach unten hervorragen, und daß die effektive Basisbreite

des parasitären Transistors Tr₂ im Vergleich mit der Breite der anderen Teile vergrößert ist. Wenn die eigentliche Basisbreite (Tiefe) d.. beispielsweise etwa 1 μπι beträgt, so kann entsprechend der Figur 4 die vorstehende Breite (Tiefe) d₂ des Teils der Basis mit vergrößerter Breite 6a etwa 1ym sein und die Länge (Tiefe) dieses Vorsprunges kann so groß sein, daß eine Stehspannung zur Verfügung gestellt wird.

Wie oben beschrieben wurde, kann die Stromverstärkung h„_E des parasitären Transistors Tr₂ reduziert werden, indem seine Basisbreite (Tiefe) reduziert wird. Dementsprechend kann eine Stromkonzentration auf diesem Teil während des Transistorsbetriebes wirksam verhütet werden und es wird möglich, daß der Strom durch den eigentlichen Transistor Tr₁ fließt. Da der eigentliche Transistor Tr₁ eine normale Basisbreite besitzt, werden dessen Eigenschaften nicht verschlechtert. Der Emitter-Ballastwiderstand verhütet eine Stromkonzentration in dem spezifischen Emittergebiet oder den Gebieten 7a, und der Strom wird gleichmäßig auf die Emitter der aufgeteilten Emittergebiete verteilt. Dementsprechend kann die Durchbruchsstärke des Transistors als ganzer oder als Leistungstransistor deutlich verbessert werden und die Eigenschaften des eigentlichen Transistors werden aufgrund des Teils 6a mit vergrößerter Basisbreite in zufriedenstellender Weise aufrecht erhalten. Der Teil 6a mit vergrößerter Basisbreite kann longitudinal als ganzer bezüglich eines Basisgebietes 6 in Figur 1 gebildet sein. Alternativ dazu kann er so angeordnet sein, daß er mit jedem Emittergebiet eines innerhalb eines Basisgebietes gebildeten Transistorpaares korrespondiert. Der Teil 6a mit vergrößerter Basisbreite kann gebildet werden,.indem an einer Stelle, die dem Teil 6a mit vergrößerter Basisbreite entspricht, zunächst ein P -Gebiet gebildet wird mit Hilfe einer Diffusionstechnik oder einer Ionenimplantationstechnik, und indem sodann die Basisdiffusion durchgeführt

wird- Dieses P -Gebiet kann zugleich mit der Bildung eines P -Gebietes hergestellt werden, das eines der Gebiete für einen lateralen PNP-Transistor oder einer Zenerdiode darstellt, die innerhalb anderer Elementgebiete gebildet werden sollen.

Die Figuren 5, 6A und 6B illustrieren ein anderes Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, bei dem die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen Bausteine wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel zu bezeichnen, wobei die Erklärung dieser Bestandteile fortgelassen wird.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Basisbreite gleichmäßig für .beide Transistoren Tr- und Tr₂, wie dies Figur 5 zeigt. Jedoch wird in einem Teil des Basisgebietes 6 des parasitären Transistors Tr- ein P -Gebiet 6b mit einer relativ höheren Konzentration als die anderen Basisgebiete ausgebildet. Im Hinblick auf die Kollektor-Basis-Stehspannung ist es vorzuziehen, daß dieses P -Gebiet 6b in einer Tiefe innerhalb des Basisgebietes 6 angeordnet wird, so daß es nicht mit dem Kollektorgebiet 3 in Berührung kommt, obgleich dies bezüglich des Emittergebietes 7 gescüieht.

Das P -Gebiet 6b kann,wie folgt beschrieben hergestellt werden. Entsprechend der Figur 6A wird zunächst das Basisgebiet 6 mit einer Diffusiontechnik hergestellt, und ein Teil des Si02~Filmes 10 wird durch Ätzen entfernt. Ein P-Dotierstoff, wie z.B. das Borion 12 wird sodann durch die so definierte Apertur 111 in ein dem parasitären Transistor entsprechendes Gebiet implantiert, wobei die Dosis beispielsweise 5 χ 10 bis 5 χ 10 cm beträgt. Nachdem in-dem SiO^-Film 10 ein Fenster für das Einbringen von Dotiertstoff gebildet worden ist, wird eine Dotierstoffdiffusion durchgeführt, um das eigentliche Emittergebiet entsprechend der Figur 6B zu bilden. Zugleich mit der Diffusion :dieses Emittergebietes wird der P-Dotierstoff in

dem ionenimplantierten Gebiet 13 unterhalb des Emittergebietes 7 vorgetrieben. Auf diese Weise wird ein sich lokal in das Basisgebiet 6 erstreckendes P -leitendes Gebiet 6b gebildet, das unmittelbar unter dem Widerstandsteil 7b und dem Kontaktteil 7c-des Emittergebietes liegt und entlang deren Peripherie verläuft. Dieses P -leitende Gebiet besitzt eine höhere Konzentration als das eigentliche Basisgebiet 6 und besitzt beispielsweise einen Flächenwiderstand bis zu 200 Ohm/Q , aber der Widerstand ist kleiner der anderen Basisgebiete.

Wenn in der oben beschriebenen Weise das Gebiet 6b mit hoher Ladungsträgerkonzentration innerhalb des Basisgebietes des parasitären Transistors angeordnet wird, so kann die Stromverstärkung h„ des parasitären Transistors reduziert werden, so daß eine Konzentrierung des Stromes verhütet und die Durchbruchsfestigkeit erhöht wird. Da das P -leitende Gebiet 6b die anderen Basisgebiete nicht beeinflußt, werden die Eigenschaften des eigentlichen Transistors nicht verschlechtert. Da weiterhin dieses P -leitende Gebiet 6b nach der Ausführung des Ionenimplantationsprozesses gebildet wird, hat seine Dotierstoffkonzentration einen höheren Konzentrationspitzenwert auf der Seite, die näher bei der Emitterseite liegt, als die anderen Basisgebiete. Als Folge davon trägt das Gebiet 6b dazu bei, die Stromverstärkung h_pE des parasitären Transistors zu reduzieren.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihren bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können auf der Basis des technischen Konzeptes der vorliegenden Erfindung diese Ausführungsbeispiele weiter modifiziert werden. Beispielsweise können die Position, die Gestalt und die Größe von jeder der Gebiete 6a mit vergrößerter Basisbreite sowie das Gebiet hoher Konzentration wie auch die Verfahren zu ihrer Herstellung verändert werden. Die Stromverstärkung kann ferner dadurch gesteuert werden, indem die Dotierstoffkonzentration des ausgedehnten Gebietes 6a vergrößert wird. Weiterhin können ein oder auch mehrere Gebiete oder andere Mittel zum redu-

zieren der Stromverstärkung auf der Basis des parasitären Transistors gebildet werden- Fernerhin kann die vorliegende Erfindung zur Herstellung eines PNP-Transistors angewendet werden, indem der Leitfähigkeitstyp von jedem der oben beschriebenen Halbleitergebiete gewechselt wird.

Da entsprechend der vorangehenden Beschreibung das Mittel zum Reduzieren der Stromverstärkung in dem Basisteil des Gebietes, das bei der vorliegenden Erfindung für den parasitären Transistor vorgesehen sein kann, angeordnet ist, ist es möglich, eine Stromkonzentration in dem parasitären Transistor zu verhüten und die Druchbruchsfestigkeit des Transistors als ganzen zu verbessern, so daß der Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung in zufriedenstellender Weise arbeitet ohne daß die Eigenschaften des eigentlichen Transistors verschlechtert werden. Die vorliegende Erfindung gibt damit eine Halbleiterschaltung an, die äußerst nützlich insbesondere als Leistungstransistor ist.

Claims

3U8?23

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2*3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH B5 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 7. Dezember 1981

DEA-25 606

PATENTANSPRÜCHE

/1J Halbleiterschaltung mit einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das als Kollektorgebiet dient, mit einem zweiten Halbleitergebiet von einer zweiten Leitfähigkeit, das als Basisgebiet dient und das in enger Nachbarschaft zu dem ersten Halbleitergebiet gebildet ist, und mit einem dritten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps, das als Emittergebiet dient und das nahe bei dem zweiten Halbleitergebiet gebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterschaltung so hergestellt ist, daß sie als bipolarer Transistor einsetzbar ist, daß das dritte Halbleitergebiet aus einem Betriebsteil des eigentlichen Transistors besteht, ferner aus einem Ballastwiderstandsgebiet und einem Anschlußgebiet, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Stromverstärkung eines parasitären Transistors zu reduzieren, der durch das Ballastwiderstandsgebiet und das Anschlußgebiet gegeben ist, wobei diese Mittel in dem

Anteil des Basisgebietes des parasitären Transistors angeordnet sind.
2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichne t, daß die effektive Basisbreite (Dicke) des parasitären Transistors größer ist als die Basisbreite des eigentlichen Basisgebietes.
3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Dotierstoffkonzentration des Basisgebietes des parasitären Transistors höher ist als die des eigentlichen Basisgebietes.