DE3539208C2 - Halbleitereinrichtung mit einem lateralen und einem vertikalen pnp-Transistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einem lateralen und einem vertikalen pnp-Transistor.

Eine Halbleitereinrichtung kann beispiels­ weise eine bipolare integrierte Schaltung (bipolares IC) sein. Um ein bipolares IC zu bilden, werden üblicherweise npn-Transistoren verwendet. Darüber hinaus lassen sich auch pnp-Transistoren gemeinsam mit den npn-Transistoren einsetzen, wenn dies im Hinblick auf eine zu bildende Schaltung vorteilhaft ist. Konventionelle pnp-Transistoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die eine Gruppe umfaßt laterale pnp-Transistoren mit einer Leitungs­ richtung parallel zur Oberfläche des Substrats, während die andere Gruppe vertikale pnp-Transistoren mit einer Leitungsrichtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats umfaßt.

Ein konventionelles bipolares IC (sogenannter interner Stand der Technik) mit npn- und lateralen sowie vertikalen pnp-Transistoren wird gemäß dem anhand der Fig. 1A bis 1C näher erläuterten Verfahren her­ gestellt. Wie die Fig. 1A zeigt, werden in einem Siliziumsubstrat 1 vom p-Typ bzw. p-Leitungstyp soge­ nannte begrabene Schichten 2 und 3 vom n⁺-Typ bzw. n⁺-Leitungstyp erzeugt. Im Anschluß daran wird auf dem p-Typ Siliziumsubstrat 1 eine n-Typ Silizium­ epitaxieschicht 4 gebildet. In der Siliziumepitaxieschicht 4 wird dann ein Isolationsdiffusionsbereich 5 vom p⁺-Typ erzeugt, der bis zum p-Typ Siliziumsubstrat 1 reicht. Isolationsdiffusionsbereiche 5 liegen dabei zu beiden Seiten der jeweiligen begrabenen Schichten 2 und 3.

Wie die Fig. 1B zeigt, wird ein Basisbereich 7 vom p-Typ für einen npn-Transistor, ein Emitterbereich 8 vom p-Typ und ein Kollektorelektrodenbereich 9 vom p-Typ für einen vertikalen pnp-Transistor sowie ein Emitterbereich 10 vom p-Typ und ein Kollektorelektroden­ bereich 11 vom p-Typ für einen lateralen pnp-Transistor in der Siliziumepitaxieschicht 4 gebildet.

Entsprechend der Fig. 1C werden in der Siliziumepitaxie­ schicht 4 weiterhin ein Emitterbereich 12 vom n⁺-Typ und ein Kollektorelektrodenbereich 13 vom n⁺-Typ für den npn-Transistor sowie ein Basiselektrodenbereich 14 vom n⁺-Typ für den vertikalen pnp-Transistor und ein Basis­ elektrodenbereich 15 vom n⁺-Typ für den lateralen pnp-Transistor gebildet. Im Anschluß daran werden mit den Bereichen 7 bis 15 Elektroden (nicht dargestellt) in Kontakt gebracht bzw. verbunden, so daß ein fertiges bipolares IC erhalten wird.

Bei dem in der Figur IC dargestellten konventionellen bipolaren IC bilden der Emitterbereich 12, der Basis­ bereich 7 und der Kollektorbereich 16, der aus der Siliziumepitaxieschicht 4 zwischen dem Basisbereich 7 und der begrabenen Schicht 3 besteht, einen npn-Transistor 17. Der Emitterbereich 8, ein Basisbereich 18, der aus der Siliziumepitaxieschicht 4 unterhalb des Emitterbereichs 8 besteht, und ein Kollektorbereich 19, der durch das p-Typ Siliziumsubstrat 1 besteht, das unterhalb des Emitterbereichs 8 liegt, bilden einen vertikalen pnp-Transistor 20. Ein lateraler pnp-Transistor 22 wird durch den Emitterbereich 10, den Kollektorbereich 11 und den Basisbereich 21 gebildet, der aus der Silizium­ epitaxieschicht 4 besteht, die zwischen dem Emitter­ bereich 10 und dem Kollektorbereich 11 liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß unterhalb des vertikalen pnp-Transistors 20 keine begrabene Schicht liegt, um eine Gleichstromverstärkung h_FE (DC-Stromverstärkung) zu er­ halten.

Das konventionelle bipolare IC nach Fig. 1C besitzt jedoch den folgenden Nachteil. Um ein Niedrigspannungs- und Hochgeschwindigkeits-bipolares IC zu erhalten, muß die Dicke der Siliziumepitaxieschicht 4 so klein ge­ wählt sein, daß sie im Bereich zwischen 1 bis 2 um liegt. Bei einer derart dünnen Siliziumepitaxieschicht nimmt jedoch die Verstärkung h_FE des lateralen pnp-Transistors 22 ab. Um dies zu verhindern, muß die Basisbreite W klein gehalten werden. Liegt die Basisbreite W jedoch im Bereich von etwa 2 um, so tritt zwischen dem Kollektor und dem Emitter ein Durchgriffsphänomen auf. In ent­ sprechender Weise erfolgt ein Durchgriff in senkrechter Richtung, wenn die Siliziumepitaxieschicht 4 dünner und dünner wird.

Die vorstehend beschriebene Halbleitereinrichtung weist alle Merkmale des Anspruchs 1 auf, mit Ausnahme der Halbleiterbereiche für die zwei pnp-Transistoren.

Eine Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von An­ spruch 1 ist aus dem Dokument EP 0 093 304 A1 bekannt. Bei diesem ist der vertikale pnp-Transistor wie folgt aufgebaut:

• - der Kollektorbereich wird von einem p⁻/p⁺-Bereich gebil­ det, der über einem vergrabenen n⁺-Bereich, der in das p-Substrat und die n-Epitaxieschicht reicht, ausgebildet ist;
• - der Basisbereich wird von einem in den p⁻-Bereich eindif­ fundierten n-Halbleiterbereich gebildet; und
• - der p-Emitterbereich ist im genannten n-Halbleiterbereich ausgebildet.

Eine Halbleitereinrichtung mit einem lateralen pnp-Transi­ stor wie im Oberbegriff von Anspruch 1 genannt, jedoch ohne vertikalen pnp-Transistor, ist aus einem Artikel von Green et al. bekannt, der unter dem Titel "A Channel Unit Signal Controller for Shared Codec D-Type Channel Banks" in IEEE J. of Solid-State Circ., Vol. SC-16, No. 4, 1981, S. 341-347 erschienen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach her­ stellbare Halbleitereinrichtung mit lateralem und vertikalem pnp-Transistor anzugeben, die so aufgebaut ist, daß auch bei geringer Dicke der Epitaxieschicht ein Durchgriff beim late­ ralen pnp-Transistor verhindert werden kann.

Die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung ist durch die Lehre von Anspruch 1 gegeben. Sie kann wegen des Aufbaus des pnp-Transistors mit den kennzeichnenden Merkmalen von An­ spruch 1 mit einer sehr dünnen Epitaxieschicht hergestellt werden. Dennoch kommt es zu keinem Durchgriff beim lateralen pnp-Transistor, da dieser, in für sich bekannter Weise, in einem n-Halbleiterbereich ausgebildet ist, der innerhalb der n-Epitaxieschicht liegt und höhere Fremdstoffkonzentration aufweist als diese.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1C Querschnitte durch ein konventionelles bipolares IC in verschiedenen Herstellungs­ stufen,

Fig. 2A bis 2D Querschnitte durch ein bipolares IC ent­ sprechend der vorliegenden Anmeldung in verschiedenen Herstellungsstufen,

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Arbeits­ frequenz f_T und dem Kollektorstrom I_C eines lateralen pnp-Transistors in Abhängig­ keit der Basisbreite W als Parameter,

Fig. 4 den Zusammenhang zwischen der Gleich­ stromverstärkung h_FE (DC-Stromverstärkung), der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung V_CEO und der Basisbreite W eines lateralen pnp-Transistors, und

Fig. 5 den Zusammenhang zwischen der Arbeits­ frequenz f_T und dem Kollektorstrom I_C eines vertikalen pnp-Transistors.

Ein bipolares IC entsprechend der vorliegenden Anmeldung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In den Fig. 2A bis 2D sind gleiche Teile wie in den Fig. 1A bis 1C mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.

Die Herstellung des bipolaren IC′s wird in nachfolgend erläuterten Schritten hergestellt.

Wie in der Fig. 2A gezeigt, werden zunächst Verun­ reinigungen bzw. Fremdatome vom n-Typ, beispielsweise Arsen (As) oder Antimon (Sb), zur Bildung der be­ grabenen Schichten 2 und 3 vom n⁺-Typ durch starke Diffusion in ein p-Typ Siliziumsubstrat 1 eingebracht. Dann wird auf dem p-Typ Siliziumsubstrat 1 eine n-Typ Siliziumepitaxieschicht 4 gebildet, die eine Dicke von zum Beispiel 2 µm und einen spezifischen Widerstand ρ von 1 Ωcm besitzt, was einer Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration von 5 × 10¹⁵ cm^-3 entspricht. Im Anschluß daran wird auf der Oberfläche der Silizium­ epitaxieschicht 4 ein SiO₂-Film 24 (Siliziumdioxidfilm) gebildet. Verunreinigungen bzw. Fremdatome vom n-Typ, beispielsweise Arsen (As), werden im Anschluß daran durch Ionenimplantation selektiv in die Siliziumepitaxie­ schicht 4 und durch den SiO₂-Film 24 hindurch unter vorbestimmten Bedingungen eingebracht. Die implantierten Verunreinigungen bzw. Fremdatome innerhalb der Silizium­ epitaxieschicht 4 sind in Fig. 2A durch Kreise ange­ deutet.

Entsprechend der Fig. 2B wird der SiO₂-Film 24 an vor­ bestimmten Stellen weggeätzt, um Öffnungen 24a bis 24d zu erhalten. Durch Diffusion werden anschließend durch die Öffnungen 24a bis 24d Verunreinigungen bzw. Fremd­ atome vom p-Typ, beispielsweise Bor (B), in die Silizium­ epitaxieschicht 4 eingebracht, um p⁺-Typ Isolations­ diffusionsbereiche 5 zu erzeugen, die bis zum p-Typ Siliziumsubstrat 1 reichen. Während des Heizvorganges zur Bildung der Isolationsdiffusionsbereiche 5 diffundieren die implantierten Verunreinigungen bzw. Fremdatome innerhalb der Siliziumepitaxieschicht 4 bis zu einer vorbestimmten Tiefe, wobei die implantierten Verunreinigungen elektrisch aktiviert bzw. angeregt sind. Auf diese Weise werden n-Typ Bereiche 26 bis 28 innerhalb der Silizium­ epitaxieschicht 4 erzeugt. Im vorliegenden Fall besitzen die Bereiche 26 bis 28 eine Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration von zum Beispiel 5 × 10¹⁶ cm^-3 die höher als die der Siliziumepitaxieschicht 4, jedoch niedriger als die des p-Typ Basisbereichs 7 eines npn-Transistors 17 ist, der nachfolgend noch genauer be­ schrieben wird.

Wie anhand der Fig. 2C zu erkennen ist, werden ein p-Typ Kollektorbereich 11 und ein Emitterbereich 10 im n-Typ Bereich 26, ein p-Typ Emitterbereich 8 im n-Typ Bereich 27 und ein p-Typ Basisbereich 7 innerhalb der Silizium­ epitaxieschicht 4 gebildet. Der Emitterbereich 10 ist ebenfalls vom p-Typ. Zur selben Zeit wird ein p-Typ Kollektorelektrodenbereich 9 für einen vertikalen pnp-Transistor in der Siliziumepitaxieschicht 4 erzeugt. Sodann werden ein pfropfenartiger Basisbereich 29 vom p⁺-Typ (graft-base-region) innerhalb des Basisbereichs 7 und weitere p⁺-Typ Bereiche 30 und 31 jeweils in den Emitterbereichen 8 und 10 gebildet.

Entsprechend der Fig. 2D werden Basiselektrodenbereiche 15 und 14 vom n⁺-Typ sowie ein Kollektorelektrodenbereich 13 vom n⁺-Typ innerhalb der n-Typ Bereiche 26 bis 28 jeweils erzeugt. Zur selben Zeit und nachdem der Emitter­ bereich 12 vom n⁺-Typ innerhalb des Basisbereichs 7 gebildet worden ist, werden nicht dargestellte Elektroden in Kontakt mit den Bereichen 9, 11 bis 15 und 29 bis 31 gebracht, so daß ein fertiges bipolares IC erhalten wird.

Der Zusammenhang zwischen der Arbeitsfrequenz f_T und dem Kollektorstrom I_C eines lateralen pnp-Transistors 22 in dem bipolaren IC nach Fig. 2D ist in der Fig. 3 dargestellt, wobei der Parameter die Basisbreite W ist. Die Fig. 4 zeigt dagegen den Zusammenhang zwischen der Gleichstromverstärkung h_FE (DC-Stromverstärkung), der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung V_CEO und der Basis­ breite W des lateralen pnp-Transistors 22.

Wie anhand dieser Fig. 4 zu erkennen ist, liegt bei einer Basisbreite von W = 2 µm die Spannung V_CEO bei einem konventionellen Transistor unterhalb von 5 V, so daß das Durchgriffsphänomen auftritt. Dagegen kann bei dem lateralen pnp-Transistor 22 nach der vorliegenden Anmeldung die Spannung V_CEO auf etwa 10 V gehalten werden, ohne daß sich die Verstärkung h_FE in erheblichem Umfang vermindert. Aus diesem Grunde wird, wie anhand der Fig. 3 er­ sichtlich ist, eine Frequenz f_T von etwa 50 bis 60 MHz erhalten.

Der Zusammenhang zwischen der Arbeitsfrequenz f_T und dem Kollektorstrom I_C (in µA) beim vertikalen pnp-Transistor innerhalb des bipolaren IC′s entsprechend der vorliegenden Anmeldung ist in Fig. 5 dargestellt. Darüber hinaus sind gleichzeitig die entsprechenden Verhältnisse für ein konventionelles bipolares IC gezeigt. Wie der Fig. 5 deutlich zu entnehmen ist, wird beim vertikalen pnp-Transistor innerhalb des konventionellen bipolaren ICs eine Frequenz f_T von etwa 20 MHz erhalten, wenn die Siliziumepitaxieschicht 4 eine Dicke besitzt, bei der kein Durchgriffsphänomen auftritt, beispielsweise eine Dicke von 5 µm oder mehr. Dagegen kann die Frequenz f_T des vertikalen pnp-Transistors innerhalb des bipolaren IC′s nach der vorliegenden Anmeldung bei etwa 100 MHz liegen, wenn eine Siliziumepitaxieschicht 4 mit einer Dicke von 2 µm verwendet wird. Zusätzlich kann die Spannung V_CEO auf 15 V oder mehr vergrößert werden.

Auch wenn die Dicke der Siliziumepitaxieschicht 4 klein ist und bei etwa 2 µm liegt, können bei dem bipolaren IC nach der vorliegenden Anmeldung die Spannungen V_CEO des lateralen und vertikalen pnp-Transistors 22 und 20 im Vergleich zum konventionellen bipolaren IC relativ hoch gehalten werden, so daß sich eine hohe Frequenz f_T ergibt, ohne daß das Durchgriffsphänomen auftritt. Dieses Durch­ griffsphänomen (punch-through phenomenon) läßt sich aus folgenden Gründen verhindern:
Die n-Typ Bereiche 26 und 27 innerhalb der Silizium­ epitaxieschicht 4 besitzen eine Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration, die größer ist als die der Siliziumepitaxieschicht 4. Darüber hinaus liegen der laterale und der vertikale pnp-Transistor 22 und 20 jeweils innerhalb der n-Typ Bereiche 26 und 27. Die Sperr­ schichtbreite am Kollektor-Basis-Übergang innerhalb des Basisbereichs kann daher vermindert werden, und zwar in Übereinstimmung mit der Differenz der Verunreinigungs­ konzentrationen zwischen den Bereichen 26 oder 27 und der Siliziumepitaxieschicht 4.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Verschiedene Abwandlungen und Modifikationen sind denkbar, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beim obigen Ausführungsbeispiel beträgt die Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration der n-Typ Bereiche 26 bis 28 ungefähr 5 × 10¹⁶ cm^-3. Diese Dotierungskonzentration kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen vergrößert oder verkleinert werden. Um den Durchgriffseffekt wirkungsvoll zu verhindern, liegt diese Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration vorzugsweise im Bereich zwischen 1 × 10¹⁶ bis 1 × 10¹⁷ cm^-3.

Claims (5)

1. Halbleitereinrichtung mit

• - einem p-Substrat (1);
• - einer n-Epitaxieschicht (4) auf dem p-Substrat (1);
• - einem lateralen pnp-Transistor (22; 10, 11, 15), der in einem ersten n-Halbleiterbereich (26) ausgebildet ist, der eine höhere Dotierung als die n-Epitaxieschicht (4) aufweist, und der innerhalb der n-Epitaxieschicht (4) über einem vergrabenen n⁺-Bereich (2) liegt, welcher in das p-Substrat (1) und die n-Epitaxieschicht (4) reicht; und
• - einem vertikalen pnp-Transistor (20);

dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale pnp-Transistor (20) wie folgt ausgebildet ist:

• - sein Kollektorbereich (19) wird vom p-Substrat (1) gebildet, in das ein von oben kontaktierbarer p⁺-Bereich (5) hineinreicht;
• - der Basisbereich (18) wird von der n-Epitaxieschicht (4) und einem in dieser ausgebildetem zweiten n-Halbleiterbereich (27) gebildet, der ungefähr dieselbe Dotierungskonzentration wie der erste n-Halbleiterbereich (26) aufweist; und
• - der p-Emitterbereich (8) ist im zweiten n-Halbleiterbereich (27) ausgebildet.

2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration des ersten und zweiten Halbleiterbereichs (26, 27) vom n-Leitungstyp im Bereich zwischen 1 × 10¹⁶ cm^-3 und 1 × 10¹⁷ cm^-3 liegt.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht (4) vom n-Leitungstyp eine Dicke besitzt, die nicht größer als 5 µm ist.

4. Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxieschicht (4) vom n-Leitungstyp eine Dicke von 1 bis 2 µm besitzt.