DE3333242C2

DE3333242C2 - Monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis

Info

Publication number: DE3333242C2
Application number: DE19833333242
Authority: DE
Inventors: Tim D Isbell; Bernard D Miller; Lawrence R Sample
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1982-09-13
Filing date: 1983-09-12
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2003-09-13
Also published as: DE3333242A1; JPH0585054U; JPS5972166A

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithisch integrierten Halbleiterschaltkreis, wie er aus der DE-PS 15 14 855 bekannt ist.

Bei den Strukturen integrierter Schaltungen oder Schalt kreise (IC) werden im allgemeinen monolithische Halb leiterausbildungen mit isoliertem Übergang verwendet. Für den konventionellen Prozeß sind solche Vorrichtungen auf etwa 40 V als obere Betriebsgrenze limitiert. Jedoch haben die Grundvorrichtungs- oder -bausteine im all gemeinen eine Diodendurchbruchsgrenze von mehr als 120 V, und beim Herstellungsprozeß üblicher planarer Vorrichtungen ergibt der Ausstoß beständig Bausteine mit solch hohen Spannungen. Viele derzeit noch nicht zur Verfügung stehende Anwendungen von IC-Ausführungen wären verfügbar, wenn die 40 V-Grenze weiter erstreckt werden könnte. Ein allgemeines Problem, das die IC- Spannung begrenzt, ist die Herabsetzung der Durch bruchsspannung an einem P-N-Übergang, die dadurch ver ursacht wird, daß die Metallisierung über den Über gang hinwegreicht. Wenn eine solche Metallisierung vorgespannt wird, kann das elektrische Feld die Durch bruchsspannung am Übergang drastisch herabsetzen, siehe die Veröffentlichung PHYSICS AND TECHNOLOGY OF SEMICONDUCTOR DEVICES von A.S. Grove (John Wiley and Sons, 1967). Einzelheiten der Erscheinung sind in dem auf Seite 311 beginnenden Kapitel beschrieben. Daraus ergibt sich, daß Vorspannungen von etwa 100 V die Diodendurchbruchsspannung in einem weiten Bereich be einflussen können, was schwerwiegende Folgen für die Brauchbarkeit der integrierten Schaltung haben kann. Zur grundsätzlichen Information über IC-Vorrichtungen und -bauformen wird auf die Veröffentlichung ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DESIGN von Alan B. Grebene (heraus gegeben von Van Nostrand Reinhold Company, 1972) hin gewiesen. In dem auf Seite 383 beginnenden Abschnitt "High Voltage Circuits" ist der Gebrauch der üblichen IC-Feld-Trägerplatte zur Ausführung von 100 V-Vor richtungen beschrieben.

Bei der (unerwünschten) Beeinflussung von integrierten Halbleiterstrukturen von der Substratoberfläche her sind grundsätzlich drei verschiedene Mechanismen zu trennen, die mitunter in Kombination auftreten, aber vollkommen unterschiedliche Charakteristiken aufweisen: Zum einen werden durch die SiO₂-Passivierungsschicht selbst unter der Oberfläche des Substrats Inversions schichten hervorgerufen, welche beispielsweise die Stromverstärkung eines integrierten Transistors herab setzen können (DE-PS 15 39 070, US-A- 33 02 076). Zum anderen können schädliche Inversionsschichten auch nach Art eines n- oder p-Kanal-MOSFETs durch äußere elektrische Felder hervorgerufen werden (DE-OS 15 14 855). Schließlich gibt es die Beeinflussung der Durchbruchsspannung eines an der Oberfläche endenden PN-Übergangs durch äußere elektrische Felder, die mit der Bildung von Inversionsschichten grund sätzlich nichts zu tun hat, sondern auf einer Ver änderung der Raumladungszone durch Feldüberlagerung beruht (IEEE Transactions on Elektron Devices, Vol. ED-14, No. 3, March 1967, PP 157-162, Fig. 2, Fig. 6). Die Beeinflussung der Durchbruchsspannung durch Inver sionsschichten ist hier ein zusätzlicher Randeffekt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vergrößerung des Arbeitsspannungsbereichs von integrierten Bauelementen, insbesondere vertikalen NPN-Transistoren und Wider ständen, durch Abschirmung von in Sperrichtung vor gespannten PN-Übergängen, die für die Funktion des Bauelements wesentlich sind, gegen äußere Felder, wie sie insbesondere durch kreuzende Zuleitungen erzeugt werden, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 3 ange gebenen Merkmale gelöst.

Der Kern dieser Lösung besteht darin, an sich be kannte Abschirmelektroden entgegen allen bisherigen Lehren nicht zur Bekämpfung von Inversionsschichten, sondern zur Erhöhung der Durchbruchsspannung von PN- Übergängen einzusetzen, die äußeren elektrischen Feldern ausgesetzt sind, welche die Sperrschicht des Übergangs beeinflussen.

Demgemäß ist bei einem monolithischen IC mit iso liertem P-N-Übergang eine erste Leiterschicht vorge sehen, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie bei relativ niedriger Betriebsspannung arbeitet und mit der Herstellung planarer Vorrichtungen ver einbar ist. Die erste Schicht besteht vorzugsweise aus polykristallinem Silizium, das so dotiert ist, daß es leitfähig ist. Die erste Schicht ist mit einer Isolation beschichtet und eine zweite Metallschicht, die vorzugsweise aus bei planaren Vorrichtungen üblichem Aluminium besteht, wird über der ersten Schicht angebracht. Die erste Schicht wird mit einer solchen Kontur gestaltet, daß sie die darunter liegenden P-N-Übergänge bedeckt, und zwar besonders an denjenigen Stellen, an denen die P-N-Übergänge unterhalb der hohen Spannung führenden Metallisierung liegen, welche auf die zweite Metallschicht begrenzt ist. Ein solcher Aufbau ist in erster Linie geeignet für hohe Spannung führende PNP-Lateraltransistoren. Sie ist aber auch anwendbar auf hohe Spannung führende vertikale NPN-Vorrichtungen und hohe Spannung führende Widerstände. Tatsächlich kann jeder bei hoher Spannung zu betreibende P-N-Übergang gegen Beeinflussung der Durchbruchsspannung durch eine darüberliegende Metal lisierung abgeschirmt werden, indem eine leitende Schirmschicht dazwischen eingefügt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 1 ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine allgemein gebräuchliche Ausführungsform eines IC bei einem PNP-Lateraltransistor,

Fig. 2 einen Querschnitt des Transistors von Fig. 1,

Fig. 3 eine bereits bekannte Ausführungsform eines IC eines Lateraltransistors für hohe Spannung,

Fig. 4 die Anwendung der Erfindung auf einen iso lierten Hochspannung führenden vertikalen NPN- IC-Transistor,

Fig. 5 einen Querschnitt des Transistors nach Fig. 4,

Fig. 6 veranschaulicht die Erfindung, angewen det auf einen Hochspannung führenden IC-Widerstand.

Die Zeichnungsfiguren sind nicht maßstabsgetreu, sondern zwecks besserer Erläuterung ihrer Funktion maß stäblich übertrieben dargestellt. Soweit eine bestimmte Schichtdicke von Wichtigkeit ist, wird ihre Bemessung besonders angegeben.

Fig. 1 zeigt einen üblichen Lateraltransistorauf bau. Fig. 2 ist ein Querschnitt des Gegenstands von Fig. 1 mit Blickrichtung auf die Schnittebene 2-2. Der abgebrochene Teil 10 stellt einen Teil eines Halb leiterplättchens dar, auf dem der IC nach einem für planare bipolare Anordnungen bekannten Fertigungs verfahren hergestellt ist. Der Teil 10 ist Silizium vom N-Typ und in üblicher Weise auf einem Substrat plättchen 11 vorn P-Typ epitaxial gezogen. Normaler weise ist eine solche Vorrichtung von einer isolieren den Diffusionszone vom P-Typ umgeben. Eine vergrabene Schicht 12 vom N⁺-Typ liegt normalerweise unterhalb des aktiven Teils der Anordnung. Eine rechteckige Diffusionszone 13 bildet den Kollektor eines Transi stors mit einem zentralen Loch oder einer zentralen Wanne bei 14. Innerhalb der Vertiefung des Kollektors befindet sich ein runder Emitter 15. Die Metallisierung 16 ist so gestaltet, daß sie den Emitter 15 überlappt und einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper herstellt, wo das Loch oder die Vertiefung 17 durch die planare Oxidschicht 18 hindurchgeätzt ist, die sonst die Oberfläche des Halbleiters bedeckt.

Die Metallisierung 19 bildet einen Kollektor- Elektrodenanschluß durch die in das Oxid 18 eingeätzte Vertiefung 20. Die Diffusionszonen 13 und 15 sind vom P-Typ und erstrecken sich etwa 3 Mikron weit in die Halbleiterstruktur; sie werden als NPN-Transistorbasis diffusionen bezeichnet. Die N⁺-Zone 22, welche eine typische NPN-Emitterdiffusionszone ist und eine Tiefe von etwa 2,5 Mikron hat, stellt einen ohmschen Kontakt zu dem epitaktischen Halbleitermaterial her, das als Basis des PNP-Lateraltransistors wirkt. Die Metalli sierung 23 bildet einen ohmschen Basiselektrodenan schluß über die durch die Oxidschicht 18 geätzte Öff nung 24.

Beim Betriebe emittiert der Emitter 15 Minoritäts träger (Löcher) in die Umfangsbasiszone vom N-Typ, die zwischen dem Emitter 15 und der Kollektoröffnung 14 vorhanden ist. Die Minoritätsträger werden in der Öff nung 14 nach ihrem Basisdurchgang gesammelt und treten als Strom in der Metallisierung 19 in Erscheinung.

Nach der bei Lateraltransistoren üblichen Technik wird dafür gesorgt, daß das Emittermetall sich über die aktive Basiszone des Transistors erstreckt und diese bedeckt.

Es ist nun durchaus bekannt, daß dort, wo die Metallisierung auf der Oberseite eines planaren Oxids einen P-N-Übergang kreuzt, die Durchbruchsspannung am Übergang verändert werden kann. Bei einem üblichen PNP-Lateraltransistor für niedrige Spannung ist dies ohne erhebliche Bedeutung. Wenn aber der Kollektor/ Basis-Übergang bei einer hohen Gegenspannung von beispielsweise mehr als etwa 40 V betrieben werden soll, kann eine Bauweise nach den Fig. 1 und 2 Schwierig keiten mit sich bringen. Bei manchen IC-Ausführungen mag es erwünscht sein, einige der Übergänge mit bis zu 120 V zu betreiben. Ein typisches Beispiel ist der Herstellertyp LM391.

Wenn ein Übergang mit hoher Spannung ausgenutzt werden soll, ist eine Anordnung gemäß Fig. 3 angewen det worden. Bei diesem Vorrichtungsstück wird der Ab stand zwischen Emitter 15′ und Kollektor 13′ so groß gemacht, daß das durch den Kollektor hervorgebrachte elektrische Feld nicht durch die Basiszone hindurch reicht und der Kollektor 13′ ist so gestaltet, daß sein Übergang nicht unter der den Emitter bildenden Metallisierung hindurchgeht. Bei Fig. 3 könnte, wenn gleich dies nicht gezeigt ist, die den Kollektor bil dende Metallisierung 19 so weit reichen, daß sie die Kollektor-Diffusionszone 13′ vollständig bedeckt. Auch könnte erwünschtenfalls die Kontaktöffnung 20 zur Form eines Hufeisens erweitert werden, um den Kontakt widerstand herabzusetzen. Der PNP-Lateraltransistor nach Fig. 3 kann so ausgeführt werden, daß er bei hohen Kollektorspannungen arbeitet, aber die Anordnung arbei tet so, daß das Beta der Vorrichtung oder die Basis/ Kollektor-Stromverstärkung wesentlich erniedrigt wird. Während der typische Beta-Wert eines Transistors gemäß Fig. 1 bis zu 100 betragen könnte, brauchte der Beta- Wert einer Vorrichtung gemäß Fig. 3, wenn man diese bei mehr als 100 V arbeiten läßt, beispielsweise nur 10 betragen. Mit Rücksicht auf die Schaltungstechnik kann der letztgenannte Wert unannehmbar niedrig lie gen. Sollten zwei zusammenpassende derartige PNP-Vor richtungen benötigt werden, so verschlechtert die Ausgangsöffnung in der Kollektordiffusionszone die Passung.

Fig. 4 zeigt wie eine Mehrleiterschichtstruktur mit zwei Leiterschichten auf einen üblichen vertikalen NPN- IC-Bipolartransistor aufgebracht werden kann. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 4 mit Blickrichtung auf die Schnittebene 8-8. Das abge brochen dargestellte Plättchen 10 ist die übliche epi taxiale Schicht vom N-Typ auf einem Substratplättchen 11 vom P-Typ. Ein stark dotierter Isolationsring vom P- Typ ist bei 44 gezeigt. Eine vergrabene Schicht 12 vom N-Typ liegt unterhalb des Transistoraufbaues. Die Basis des Transistors wird durch eine Diffusions zone 45 vom P-Typ gebildet. In der Basis 45 ist eine stark dotierte Emitterdiffusionszone 46 vom N-Typ ge bildet. Ein Kollektorkontakt 47 aus Material vom Emitter typ stellt einen ohmschen Kontakt zu dem epitaxialen Material vom N-Typ her. Es sind Öffnungen durch die planare Oxidschicht 18 hindurchgeätzt, um einen Kontakt zu dem darunter liegenden Silizium bei 48, 49 und 50 herzustellen und einen Anschluß zum Emitter bzw. zur Basis bzw. zum Kollektor zu bilden. Eine erste Leiter schicht 51 ist vorgesehen, um den Kontakt an den Öff nungen 49 zur Basis 50 herzustellen. Dieser Leiter liegt oberhalb des Basis/Kollektor-Übergangs, und zwar auf seinem ganzen Umfang, und er reicht soweit, daß der Isolationsübergang an der Zone 52 bedeckt wird, wo das Kollektormetall darüber hinwegreicht. Der Leiter 51 ist mit einer Isolierschicht 32 überzogen, so daß er von der zweiten Metallschicht elektrisch isoliert ist, wie oben beschrieben. Es sind weiterhin Metallelektroden zweiter Art 53 und 54 an dem Transistor als Emitter- und Kollektorkontakte bei 48 und 50 in üblicher Weise angebracht; sie können über den IC hinwegreichen, um andere (nicht dargestellte) Schaltungselemente zugleich mit der ersten Leiterschicht 51 zu kontaktieren. Da das Kollektormetall 54 sich neben der isolierten epitaxialen Wanne vom N-Typ auf hohem positivem Potential gegenüber dem Isolationsring 44 befindet, ist eine Abschirmung 52 dort vorgesehen, wo das Kollektormetall über den Isolationsübergang bei 52 hinwegreicht. Der Vorsprung der ersten Leiterschicht 51 unterhalb des Kollektor metalls 54 bildet, wie dargestellt, diese Abschirmung.

Fig. 6 veranschaulicht, wie die Erfindung auf einen diffundierten IC-Widerstand angewendet werden kann. Die abgebrochene Fläche 10 entspricht der Epi taxialschichtoberfläche vom P-Typ, in welcher ein Ionenimplantat oder eine Diffusionszone 56 hergestellt ist. Wenn ein solcher Widerstand bei hoher Spannung betrieben werden soll, hat er einen langen schmalen Teil, der die verlängerten Enden in der bekannten "Hundeknochen-" Bauweise verbindet. Die Endkontakte 57 und 60 erstrecken sich durch das planare Oxid und bilden die Widerstandsanschlüsse. In dem hier darge stellten Fall bildet der Kontakt 57 das Ende niedrigen Potentials, das in ohmschem Kontakt zu der ersten Leiterschicht 58 steht. Die Schicht 58 bedeckt den ganzen Umfang des Widerstandsüberganges. Eine zweite Metallschicht 59 ist begrenzt auf das Ende des Wider stands von höchstem oder am meisten positivem Poten tial, das innerhalb der Grenzen der ersten Leiter schicht 58 besteht. Der Widerstandsanschluß 60 verbindet das Metall 59 mit dem anderen Ende des Widerstands elements. Wo das Metall 59 den Widerstandsübergang bei 61 kreuzt, wird der Übergang durch das Metall 58 ab geschirmt. Die Widerstandsstruktur kann, wenngleich dies nicht gezeigt ist, auch eine darüber lagernde Schicht vom N⁺-Typ aufweisen, um eine Klemmzone zu bilden, wie sie häufig bei Widerständen von hohem Wert gebraucht wird.

Claims

1. Monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis, umfassend

a) wenigstens einen an eine Oberfläche eines Halblei tersubstrats (10, 11) tretenden Basis-Kollektor- Übergang, welcher Teil eines in das Halbleitersub strat integrierten vertikalen NPN-Transistors ist, der Basis und Emitter bildende Diffusionszonen (45, 46) aufweist, welche übereinander in einem den Kollektor bildenden Halbleitermaterial (10) angeordnet sind, und welcher von einer auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (10, 11) ange ordneten isolierenden Oxidschicht (18) überdeckt ist,
b) eine erste Leiterschicht (51), die auf der Ober fläche der isolierenden Oxidschicht (18) angeord net ist, mit der Basis in ohmschem Kontakt steht und mit einer solchen Kontur gestaltet ist, daß sie den Basis-Kollektor-Übergang vollständig über deckt,
c) eine auf der Oberfläche der ersten Leiterschicht (51) angeordnete Isolierschicht (32),
d) eine zweite Leiterschicht (53), die auf der Ober fläche der Isolierschicht (32) angeordnet ist, mit dem Emitter in ohmschem Kontakt steht und mit einer solchen Kontur gestaltet ist, daß der Basis- Kollektor-Übergang von ihr nur dort überdeckt ist, wo er von der ersten Leiterschicht (51) bedeckt ist.

2. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1, bei dem

a) der NPN-Transistor mit einer isolierenden Umge bungszone (44) aus einem stark dotierten Material versehen ist,
b) auf der Oberfläche der Isolierschicht (32) eine dritte Leiterschicht (54) angeordnet ist, welche mit dem Kollektor in ohmschem Kontakt steht und
c) die erste Leiterschicht (51) sich so weit er streckt, daß der PN-Übergang zwischen Kollektor und Umgebungszone (44) dort überdeckt wird, wo die dritte Leiterschicht (54) darüber hinwegreicht.

3. Monolithisch integrierter Halbleiterschaltkreis, umfassend

a) wenigstens einen an eine Oberfläche eines Halblei tersubstrats (10) tretenden P-N-Übergang zwischen dem Halbleitersubstrat (10) und einem in das Halb leitersubstrat integrierten Widerstand, der durch eine in das Halbleitersubstrat (10) eindiffundier te Diffusionszone (56) von entgegengesetztem Lei tungstyp gebildet ist,
b) eine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) angeordnete, den P-N-Übergang bedeckende, isolierende Oxidschicht,
c) eine erste Leiterschicht (58), die auf der Ober fläche der isolierenden Oxidschicht angeordnet ist, mit dem Ende geringsten Potentials des Wider stands in ohmschem Kontakt steht und die mit einer solchen Kontur gestaltet ist, daß sie den gesamten P-N-Übergang überdeckt,
d) eine auf der Oberfläche der ersten Leiterschicht (58) angeordnete Isolierschicht,
e) eine zweite Leiterschicht (59), die auf der Ober fläche der Isolierschicht angeordnet ist und mit dem Ende höchsten Potentials des Widerstands in ohmschem Kontakt steht und die mit einer solchen Kontur gestaltet ist, daß der P-N-Übergang von ihr nur dort überschritten wird, wo er von der ersten Leiterschicht (58) bedeckt ist.