DE3244482A1

DE3244482A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3244482A1
Application number: DE19823244482
Authority: DE
Inventors: Howard Clayton 80908 Colorado Springs Col. Kirsch
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-12-04
Filing date: 1982-12-01
Publication date: 1983-06-16
Also published as: JPS58105566A; GB2110877B; CA1200622A; GB2110877A; JPS6120062U

Description

Beschreibung

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper einen massiven Teil eines ersten Leitungstyps und eine für die Herstellung elektronischer Vorrichtungen vorgesehene Hauptfläche aufweist.

Viele der heutigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff in hochdichter MOS-Ausführung - sogenannte MOS-RAMs - sind gegen durch Alphapartikel induzierte "Soft"-Fehler empfindlich. Die US-PS 41 12 575 beschreibt eine Speicherzelle mit einem MOS-geschalteten Kondensator, wobei die benutzte Kondensatoranordnung eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit hat und gegen durch Älphapartikel verursachten Verlust an Ladung (gespeicherter Speicherinformation) beständig ist. Andere Teile der Speicherzelle, beispielsweise die η -leitende Drain/ Source-Bitleitung sind gegen Alphapartikelstöße im wesentlichen ungeschützt, diese Stöße können daher Informationsfehler verursachen.

Es ist auch schon die Verwendung einer alphapartikelabsorbierenden Beschichtung auf der Oberseite eines fertiggestellten integrierten Schaltungstyps als ein Weg für einen Schutz gegen "Soft"-Fehler vorgeschlagen worden. Diese Beschichtungen können aber rissig werden oder können ein Brechen des. integrierten Schaltungstyps oder ein Abreißen eines Bond-Drahtes verursachen. Dieses könnte zu "Soft"-Fehlern oder zu einem vollständigen Ausfall des Chips führen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, dem abzuhelfen. Dieses geschieht gemäß, der Erfindung für das Halbleiterbauelement der vorausgesetzten Art durch eine dem Sammeln strahlungserzeugter Stromladungsträger im Halbleiterkörper dienende Einrichtung mit einer Gitterschicht, die innerhalb des Halbleiterkörpers im Abstand von der Hauptfläche gelegen ist, wobei die beidseits der Gitterschicht gelegenen Teile des Halbleiterkörpers in gegenseitigem elektrischen Kontakt stehen.

In der Figur ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Die vorliegende Erfindung ist demnach auf ein Halbleiter-

bauelement gerichtet, das einen Halbleiterkörper umfaßt. Der Halbleiterkörper ist in seinem massiven Teil von einem ersten Leitungstyp und besitzt eine Hauptfläche, die dafür vorgesehen ist, hierauf hergestellte Schaltungen und/oder Schaltungselemente zu haben. Eine Gitterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps befindet sich innerhalb des Halbleiterkörpers in einer solchen Entfernung unterhalb der Hauptfläche, daß sie praktisch keine nennenswerte schädliche Effekte auf die Funktionen der an der Hauptfläche erzeugten Schaltungen und/oder Elemente ausübt. Die öffnungen in der Gitterschicht sind so dimensioniert, daß die Teile des Halbleiterkörpers auf beiden Seiten der Gitterschicht im wesentlichen immer in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Die Gitterschicht, die eine sie mit der Hauptfläche verbindende Kontaktzone haben kann, dient zur Absorption von durch Alphapartikel induzierter Ladung und anderer Streuladung im Halbleiterkörper. Dieses dient als Schutz gegen Verluste von Information, die in an der Hauptfläche erzeugten Schaltungen und/oder Schaltungselementen gespeichert sind oder hierzwischen übertragen werden.

Der Halbleiterkörper kann einfach ein Halbleitersubstrat umfassen, oder auch eine epitaktische Schicht auf der

Oberseite eines Halbleitersubstrats. Im letzteren Fall liegt die Gitterschicht typischerweise zwischen epitaktischer Schicht und Substrat. Sie kann aber auch ganz innerhalb der epitaktischen Schicht liegen. ■

Die Zeichnung zeigt in Schrägansicht - und teilweise weggebrochen - einen Teil eines erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterbauelementes 10 mit einem Halbleitersubstrat 12 eines ersten Leitungstyps, einer epitaktischen Schicht 14 ebenfalls des ersten Leitungstyps aber von geringerer Dotierstoffkonzentration und einer Gitterschicht 16 eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps zwischen Substrat 12 und epitaktischer Schicht 14. Teile des Substrats 12 erstrecken sich durch öffnungen in der Gitterschicht 16 und berühren unterseitige Teile der epitaktischen Schicht 14.

Die epitaktische Schicht 14 hat eine Hauptfläche 18, in der Schaltungen und/oder Schaltungsbauelemente hergestellt werden können. Beispielsweise könnte ein 64.000-Bit-MOS-RAM mit dynamisch geschalteten Kondensatorspeicherzellen in der epitaktischen Schicht 14 hergestellt werden, wobei die Hauptfläche 18 als die Hauptfläche des Speichers dient. Dieser Speichertyp hat potentielle

Empfindlichkeit gegen Alphateilchen, die auf den Speicher treffen und einen Fehler in einer in einer Speicherzelle gespeicherten Information oder in einer innerhalb des Speichers übertragen werdenden Information verursacht. Die Gitterschicht 16 ist von solcher Ausbildung und Anordnung innerhalb des Bauelementes 10, daß sie Streuladung einschließlich alphapartikelinduzierter Ladung sammelt (absorbiert), ohne daß die Funktion von Schaltungen und/oder Schaltungsbauelementen, die auf (oder in) der Hauptflache 18 der epitaktischen Schicht erzeugt sind, nachteilig beeinflußt wird.

Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, daß es sich um ein ρ -leitendes Substrat 12, eine p-leitende epitaktische Schicht 14 und eine η -leitende Gitterschicht 16 handelt. Typischerweise wird das ρ -Substrat 12 beim für das Bauelement 10 benutzten negativsten Potential vorgespannt, um die pn-Ubergänge in Sperrichtung vorzuspannen und die Schwellenwertspannungen von auf der Hauptfläche 12 hergestellten MOS-Transistoren stabilisieren zu helfen. Das Substrat 12 könnte über eine (nicht dargestellte) ρ -Zone vorgespannt werden, die sich vom Substrat 12 durch die epitaktische Schicht erstreckt und die Hauptfläche 18 schneidet, wo die in Verbindung mit dem Bauelement 10 benutzte negativste

Potentialquelle angeschlossen wird. Die Verwendung einer diskreten Negativpotentialgeneratorschaltung (nicht dargestellt) oder einer solchen auf der Oberfläche 18 hergestellten Schaltung (nicht dargestellt) erlaubt es, daß das Substrat 12 auf einem negativen Potential unabhängig vom negativsten, für das Bauelement 10 benutzten Potential ist.

Die Abmessungen der öffnungen in-der.Gitterschicht 16 werden so gewählt, daß Verarmungszonen, die sich von der Gitterschicht 16 in die epitaktische Schicht 14 und/oder das Substrat 12 erstrecken, den elektrischen Kontakt zwischen epitaktischer Schicht 14 und Substrat 12 nicht abschnüren. Der Abstand zwischen der Unterseite von Schaltungen und/oder Schaltungsbauelementen, die in der Fläche 18 der Schicht 14 hergestellt sind, und der Gitterschicht 16 ist so gewählt, daß die Gitterschicht praktisch keinen nennenswerten schädlichen elektrischen Einfluß auf die Funktion der Schaltungen und/oder Schaltungselemente hat.

Die Gitterschicht 16 kann im Potential elektrisch schwimmend sein. Alternativ kann eine tiefe η -Zone durch die epitaktische Schicht 14 hindurch zur Kontaktierung der Gitterschicht 16 vorgesehen sein, um die Gitterschicht

die überschüssigen Elektronen schneller "verschmiert" als es der Fall sein würde, wenn die Gitterschicht nicht existierte und durch Alphapartikel erzeugte Elektronen einfach normal durch die epitaktische Schicht 14 diffundierten. Eine elektrisch schwimmende Gitterschicht 16 hat daher den resultierenden Effekt, daß die durch das Auftreffen eines Alphapartikels erzeugten Elektronen über ein breiteres Gebiet der epitaktischen Schicht 14 ausgebreitet werden, so daß die schädlichen Einflüsse auf eine jegliche Schaltung und/oder ein jegliches Schaltungsbauelement kleiner werden als bei fehlender Gitterschicht 16. ·

Wenn die Gitterschicht 16 gegen das Substrat 12 positiv vorgespannt wird, dann werden die durch Alphapartikel erzeugten Elektronen und andere Streuladungen in der epitaktischen Schicht 14 oder im Substrat 12 in der Gitterschicht 16 gesammelt, und es findet praktisch keine Re-Injektion in die epitaktische Schicht 14 oder das Substrat 12 zurück statt.

Wenn die Gitterschicht 16 auf im wesentlichen demselben Potential wie das Substrat 12 gehalten wird, dann wird sie noch eine relativ große Anzahl durch alphapartikelinduzierte Elektronen oder Streuladungen sammeln (ab-

in Sperrichtung gegen die epitaktische Schicht 14 und das Halbleitersubstrat 12 durch Zufuhr eines geeigneten Potentials zu der η -Zone vorspannen zu können.

Wenn die Gitterschicht 16 in ihrem Potential elektrisch schwimmengelassen wird, sucht sie dicht bei einem Potential zu liegen, das die pn-übergänge, die zwischen der epitaktischen p-Schicht 14 und dem p⁺-Substrat 12 einerseits und der η -Gitterschicht 16 andererseits gebildet sind, in Durchlaßrichtung vorspannt, und zwar wegen der Sammlung (Absorption) von Elektronen aus Leckstromquellen im Substrat 12 und in der epitaktischen Schicht 14. Wenn ein Alphapartikel die epitaktische Schicht 14 trifft, dann diffundieren die in der Schicht 14 erzeugten Elektronen durch die Schicht 14 hindurch, werden in die Verarmungszone, die sich beim pn-übergang zwischen Schicht 14 und Gitterschicht 16 ausbildet, hinein angezogen und dann in die Gitterschicht 16 geschwemmt. Dieses sucht den aus den Schichten 14 und 16 gebildeten pn-übergang weiter in Durchlaßrichtung vorzuspannen und verursacht daher eine Injektion von Elektronen zurück in die Schicht 14. Diese erneute Injektion hat ein Driftfeld in der Gitterschicht 16 zur Unterstützung einer seitlichen Ausbreitung. Hierdurch werden deshalb

sorbieren), und zwar wegen der relativ großen Kapazität zwischen Gitterschicht 16 und Substrat 12. Diese Kapazität kann eine wesentliche Ladung ohne Aufbau eines Potentials absorbieren, das zur Re-Injektion vieler Elektronen in die epitaktische Schicht 14 oder das Substrat 12 zurück ausreichen würde.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel war das ρ -Substrat 12 mit 10 bis 10 Fremdstoffatomen/cm dotiert, ferner die epitaktische p-Schicht 14 mit 10¹⁴ bis 10¹⁶ Fremdstoffatomen/cm und die η -Gitterschicht 16 mit 10 bis 10 Fremdstoffatomen/cm . Für ein dynamisches 16.000-Bit-MOS-RAM kann die epitaktische Schicht 14 typischerweise etwa 10 Mikrometer dick sein, und die Gitterschicht etwa 0,5 bis 1 Mikrometer. Die Schaltungen und/oder Schaltungsbauelemente auf der Oberfläche 18 können typischerweise auf eine Tiefe von etwa 1,5 Mikrometer unter der Oberfläche 18 der epitaktischen Schicht 14 eingearbeitet sein. Die Seitenlänge der öffnungen der Gitterschicht 16 liegen typischerweise bei etwa 5 Mikrometer und die Breiten der Gitterlinien liegen typischerweise bei etwa 5 Mikrometer, wobei das Potential der Gitterschicht 16 um nicht mehr als etwa 3 Volt positiver ist als das des Substrates 12.

Wenn Bauelemente mit kürzeren Kanallängen und flacher liegend in der epitaktischen Schicht 14 hergestellt werden, nimmt die Dotierstoffkonzentration der Schicht 14 zu und deren Dicke ab. Dieses erlaubt, daß das Gitter 16 dichter bei der Oberfläche 18 angeordnet werden kann.

Weitere Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise könnten das Substrat 12, die epitaktische Schicht 14 und die Gitterschicht 16 vom η -, η- bzw.. ρ -Leitungstyp sein. Weiterhin würde, falls eine epitaktische Schicht nicht benutzt wird und Schaltungen und/oder Schaltungsbauelemente direkt in die Hauptfläche eines Substrates gearbeitet werden, die Gitterschicht 16 unterhalb der Hauptfläche des Substrates angeordnet werden. Auch braucht die Gitterschicht nicht bis zu den Außenkanten des Halbleitersubstrates und/oder der epitaktischen Schicht zu verlaufen. Schließlich kann die Gitterschicht 16 ganz innerhalb der epitaktischen Schicht oder ganz innerhalb des Substrates 12 erzeugt werden und braucht nicht gerade an der Grenzfläche von Substrat 12 und epitaktischer Snhicht 14 zu verlaufen.

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Leerseite

Claims

BLUMBAGH -WESER ..BERGEN · KRAMER ZWIRNER-HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MUNCHBN UND WIESBADEN

Patentconsult RadeckestraBe 45 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsull Sonnenbetger Slraöo 43 6200 Wiesbaden Telolon (06121) 562943/S61998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Kirsch 6

Patentansprüche

My Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper (12,

14) einen massiven Teil eines ersten Leitungstyps und eine für die Herstellung elektronischer Vorrichtungen vorgesehene Hauptfläche (18) aufweist, gekennzeichnet durch - eine dem Sammeln strahlungserzeugter Stromladungsträger im Halbleiterkörper (12, 14) dienende Einrichtung mit einer Gitterschicht (16), die innerhalb des Halbleiterkörpers im Abstand von der Hauptfläche (18) gelegen ist, wobei die beidseits der Gitterschicht gelegenen Teile (12, 14) des Halbleiterkörpers in gegenseitigem elektrischen Kontakt stehen.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

München; R. Kramer Dipl.-Ing, · W.Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. net. · E. Hollmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P. Bergen Prof.Dr. Jur.Dlpl.-Ing., Pal.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dlpl.-Ing. Plpl.-W.-Ing.

die Gitterschicht (16) ein Halbleiter eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen der Gitterschicht (16) und der Hauptfläche (18) ausreichend groß ist, so daß die Gitterschicht keinen nennenswerten elektrischen Einfluß auf an der Hauptfläche vorgesehene elektronische Vorrichtungen hat.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Halbleiterkörper einen oberen (14) und einen unteren (12) Teil aufweist, die beide in der Hauptmasse vom ersten Leitungstyp sind,

- der obere Teil des Halbleiterkörpers eine geringere Dotierstoffkonzentration als der untere Teil des Halbleiterkörpers sowie die Hauptfläche (18) besitzt und

- die Gitterschicht zwischen dem oberen und unteren Teil des Halbleiterkörpers gelegen ist.

324U82
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der obere Teil (14) des Halbleiterkörpers als epitaktische Schicht vorliegt und der untere Teil (12) des Halbleiterkörpers ein Halbleitersubstrat ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, gekennz ei chnet durch eine p-leitende epitaktische Schicht (14),. eine η -leitende Gitterschicht (16) und ein ρ -leitendes Halbleitersubstrat.(12).