DE6802215U

DE6802215U - Halbleiterbauelement.

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Publication number: DE6802215U
Application number: DE19686802215
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-10-13
Filing date: 1968-10-14
Publication date: 1972-04-06
Also published as: DE1803026A1; JPS4841391B1; DE1803026C3; NL6814111A; DE1803026B2; SE352775B; BR6802913D0; FR1587469A; GB1245765A; CH495629A

Description

Pcrtenianwölie

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel DipL-Ing. Wolfgang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parkslraße 13

6917 GEIIERAIi ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. , VStA

Halbleiterbauelement

Die Neuerung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an diese Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt, und mit einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordneten Feldelektrode, die gegenüber einer an einer der Zonen angebrachten Elektrode vorgespannt ist.

Es ist bereits bekannt, daß sich in den an die Oberfläche grenzenden Zonen eines Halbleiterkörpers, die mit einer Passivierungs- und Isolierschicht überzogen sind, leicht Kanäle oder Bereiche

bilden, in denen sich der Leitungstyp beim Betrieb des Kalbleiterbauelements auf die Dauer verändert und schließlich sogar umkehrt. Diese Ladungsträgerinversion wird durch Ladungsträger bewirkt, die sich in der Isolierschicht befinden. Besonders bei nach einem Diffusionsverfahren hergestellten PNP-Transistoren, bei denen nacheinander eine Basis- und eine Emitterzone in eine Kollektorzone diffundiert werden, müssen daher Maßnahmen getroffen werden, durch die die Entstehung von N-leitenden Bereichen oder Kanälen in den P-leitenden Zonen und damit Leckströme in der Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper und Isolierschicht verhindert werden können.

Es ist ebenfalls bekannt, daß die Betriebsweise von Halbleiterbauelementen und speziell von Transistoren häufiger von Oberflächeneffekten als von Effekten, die sich im Inneren des Halbleiterkörpers abspielen, schädlich beeinflußt wird. Bei einem PNP-Planartransistor grenzen beispielsweise alle Zonen an die eine Breitseite des Halbleiterkörpers, dessen Oberfläche daher zum Schutz gegen Oberflächeneffekte mit einer Passivierungsschicht überzogen ist. Bei derartigen Transistoren wird die Oberfläche der Kollektorzone durch einen Effekt beschädigt, der je nach seiner Stärke Oberflächenverarmung oder Oberflächeninversion bezeichnet wird. Man nimmt an, daß dieser Effekt auf positive Ionen, beispielsweise rtatriumionen, in der aufgebrachten Oxyd- oder Passivierungsschicht zurückzuführen ist. Es ist jedoch auch möglich, daß positive Ionen in die Passivierungsschicht diffundieren, wenn bei der Fabrikation eines Transistors die Basis- und Emitterelektroden mit elektrischen Kontakten versehen werden, die auf der Oberfläche der Isolierschicht aufliegen, wie es beispielsweise dann der Pail ist, wenn die PxJP-Transistören Teil eines integrierten Schaltkreises bzw. eines integrierten Bauelements sind.

Bei einem solchen Transistor ist gewöhnlich der Kollektorübergang in Sperrichtung vorgespannt, d.h., die Kollektorzone befindet sich bezüglich der Basiszone auf negativem Potential.

Aus diesen Grunde werden positive Ionen, die nach der aktiven Oberfläche des Transistors Ία der Passivierungsschicht vorhanden sind, von dem auf der Passivierungsschicht liegenden 3asiskontakt abgestoßen, so daß sie in Richtung der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem Halbleiterkörper driften und sich dort insbesondere im Kollektorbereich ansammeln. Wegen dieser Ansammlung positiver Ladungen in den oberflächennahen Bereichen der Isolierschicht werden Elektronen zu den oberflächennahen Bereichen der Kollektorzone gesaugt, so daß diese Bereiche gleichzeitig an Löchern verarmen und eine Verarmungs- oder Inversionsschicht entsteht , die zur Bildung eines negativleitenden Kanals auf ihrer Oberfläche führen kann. Durch diesen Kanal wird die Betriebsweise des Transistors empfindlich gestört, da längs der Oberfläche der Kollektorzone Leckströme fließen können, die sich bei einer hohen Kollektor-Basis-Spannung sogar eine durch Raumladungen begrenzte Kennlinie ergeben kann. Außerdem wächst die Kollektorkapazität und ea wird die Eingangsimpedanz des Transistors ungünstig beeinfluß. In ähnlicher Weise können sich P-Kanäle an den Grenzflächen zwischen Al-leitenden Zonen und Isolierschichten bilden.

Um zu vermeiden, daß sich in den Kollektorzonen eines PHP-Transistors derartige oberflächennahe, N-leitende Kanäle bilden, hat man versucht durch einen in der Kollektorzone vorgesehenen "Schutzring", der die Basiszone mit Abstand konzentrisch umgibt und aus einer hochdotierten, P-Ieitenden Zone mit geringem spezifischem Widerstand besteht, die einer Verarmung und Inversion an der Oberfläche widersteht, den der Kanal auf die innerhalb des Schutzrings befindliche Fläche zu begrenzen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Verwendung eines Schutzrings für sich allein zur Vermeidung des schädlichen Einflusses der Oberflächeninversion unzureichend ist und daß bei sehr hohen Spannungen sogar der stark P-leitende Schutzring an der Oberfläche invertiert werden kann. Man hat versucht, diesen

aachtexl dadurch, zu vermeiden, daß mail den Schutzring ait exnea elektrischen Leiter verbindet, der iia Bereich des Kollektors auf der Oberfläche der Passivierungsschicht angeordnet ist.

Hierdurch sollte sichergestellt werden, daß das elektrische Potential auf "beiden Seiten der passivierenden, dielektrischen Isolierschicht gleich groß ist und infolgedessen einen lonendrift von der äußeren Oberfläche der Isolierschicht her in Richtung ihrer an den Halbleiterkörper angrenzenden Oberfläche vermieden wird. Obwohl diese Maßnahme einen geringen Fortschritt bringt, kann die lonenverarmuug im Bereich des oberflächennahen Teils der Kollektorzone eines PäiP-Transistors nicht vollständig verhindert werden, denn der Kollektor, wie auch der Schutzring befinden sich immer auf dem Kollektorpotential. Aus diesem Grund wird durch den Schutzring, die Basiszone und den Basiskontakt eine aktive Kapazität gebildet, die die Eingangsimpedanz des Transistors in schädlicher Weise beeinflußt. Außerdem ist es trotz der geschilderten Maßnahmen nicht möglich, einen in der Grenzfläche zwischen Isolierschicht und Halbleiterkörper schon vorhandenen Kanal zu verkleinern oder ganz zu beseitigen.

3s ist ferner nach der schweizer Patentschrift 424 995 bereits ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem die über einer der durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordnete Feldelektrode dazu dient, einen störenden Randbereich, der durch Verarmung oder Inversion entsteht, zu vermeiden, xiach dieser Patentschrift wird beispielsweise bei einem ΡΝΡ-Transistor ein störender Eandbereich in der P-Kollektorzone unterhalb der Isolierschicht dadurch vermieden, daß die Feldelektrode auf der Isolierschicht direkt oberhalb der P-Kollektorzone vorgesehen wird. Sie ?eldeiektrode ist dann bei diesem Transistor gegenüber der Kollektoreleki;rode konstant negativ vorgespannt. Durch diese Maßnahmen wird die Oberflächeninversion weitgehend unterdrückt. Da es jedoch schwierig ist, die Feldelektrod« genau gegenüber der zugehörigen Zone auszurichten, können ins-

besondere an den Rändern der Zone weiterhin Verarmungs- oder sogar Inversionsbereick; auftreten, die das Betriebsverhalten nachteilig beeinflussen.

Das Betriebsverhalten dieser Halbleiterbauelemente ist ferner durch die sich zwischen der Feldelektrode und Masse ändernde Spannung gestört, da durch diese sich ändernde Spannung störende Rückkopplungskapazitäten zwischen der Feldelektrode und Masse entstehen. Bei konstanter Spannung zwischen der Feldelektrode und dem Kollektor ändert sich nämlich die Spannung zwischen der Feldelektrode und Masse mit dem Ausgangssignal, da durch dieses eine Änderung des Potentials des Kollektors erzeugt wird.

Es sind andererseits nach der Zeitschrift "Elektronic Industries" (Juli 1953), Seite 28,zwar Möglichkeiten bekannt, wie man die Randbereiche oder Kanäle, in denen Oberflächeninversion vorliegt, in ihren Eigenschaften steuern kann, um technische verwertbare Halbleiterbauelemente zu schaffen, jedoch ist auch in dieser Literaturstelle keine Möglichkeit aufgezeigt, wie bei gleichzeitiger Verminderung schädlicher Kapazitäten die Oberflächeninversion vollständig unterdrückt werden kann.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiterbauelemente, und zwar insbesondere nach einem Diffus ionsverfahren herzustellende Halbleiterbauelemente zu schaffen, bei denen die Bildung von Inversionsschichten an der Grenzfläche zwischen einer aktiven Zone und der über ihr befindlichen Isolierschicht ohne .Nebenwirkung, die insbesondere durch unerwünschte Kapazitäten zwischen der Feldelektrode und einer der anderen Elektroden, verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Feldelektrode in die Isolierschicht eingebettet ist und daß die Feldelektrode mit demjenigen Pol einer Vorspannungsquelle mit einer gegenüber Masse festen Vorspannung elektrisch verbunden ist, der das

entgegengesetzte Vorzeichen zu dem der Majoritätsladungsträger in der unterhalb der Feldel'ektrode liegenden Zone aufweist.

Ein derartiges

Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedliehen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an die eine Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt und mit einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zone angeordneten Feldelektrode, die in die Isolierschicht eingebettet ist, kann dadurch hergestellt werden , daß eine erste Isolierteilschicht mit der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode und diese schichtförmige Feldelektrode mit einer zweiten Isolierschicht überzogen wird, auf welcher anschließend eine Ätzmaske ausgebildet wird, und daß ein Teil der zweiten Isolierteilschicht und der darunter befindlichen schichtförmigen Feldelektrode zum Herstellen eines Diffus ions— f ensters entfernt und durch dieses Diffus ionsf ensters eine den entgegengesetzten Leitungstyp ergebende Verunreinigung in die innerhalb dieses Fensters an die eine Scheibenfläche grenzende Zone diffundiert wird, wobei zwischen dieser Zone und der Diffu; · 'sionszone ein unsymmetrisch verlaufender Pii-Übergang entsteht, dessen Hand genau über dem Rand des Diffusionsfensters an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tritt.

Durch die neuen Merkmale des mmerungsgemäßen Halbleiterbauelements wird die Ausbildung von Inversionsschichten, die schon bei der Fabrikation entstehen, weitestgehend unterdrückt. Wesentlich ist dabei, daß die Feldelektrode auf ein festes Potential gelegt ist, dessen Polarität zu der der Majoritätsträger der darunterliegenden Zone entgegengesetzt ist. Durch das Einbetten der Feldelektrode lassen sich dabei nachteilige Einwirkungen auf da3 Potential der Feldelektrode von außen her vermeiden, was für eine vollständige Verhinderung der Ausbildung einer Inversions-

schicht wichtig ist. Wenn die FeldeleJctrode auf ein festes Potential gelegt wird, treten weiterhin Rückkopplungskapazitäten zwischen der Kollektorzone und den Basiakontakten auf. Das Halbleiterbauelement weist wegen der genannten Eigenschaft inagesamt ein wesentlich stabilen» Betriebsverhalten als die bisher bekannten Halbleiterbauelemente auf, ohne daß dabei seine Kennlinien nachteilig beeinflußt sind.

Das neuerungsgemäße Halbleiterbauelement weist den weiteren Torteil auf, daß es sich nach dem angegebenen Verfahren in einfacher Weise herstellen läßt, wobei dann seine Feldelektrode beispielsweise gegenüber der Übergangslinie zwischen einer zur Elektrode zugehörigen Zone und einer oder mehreren weiteren Zonen von selbst genau ausgerichtet wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich auch keine Inversionsschichten an den Rändern der Feldelektrode bilden, was sich auch positiv auf die Stabilität des Bauelementes auswirkt.

Es deckt sich !also bei nach dem neuerungs gemäß en Verfahren hergestellten Halbleiterbauelementen der Rand der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode mit dem Rand des an die Scheibenfläche tretenden Übergangs zwischen der zur Feldelektrcde gehörigen Zone und einer oder mehreren benachbarten Zonen. Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweise um einen PdP-Transistor, dessen Basiszone in die Kollektorzone und dessen Emitterzone in die Basiszone eindiffundiert ist, dann wird die Feldelektrode über der Kollektorzone vorzugsweise derart angeordnet, daß sich ihr innerer Rand mit dem an die Scheibenfläche tretenden Rand des Übergangs zwischen der Kollektorzone und der Basiszone deckt. Beim Anlegen eines negativen Potentials an die Feldelektrode beim Betrieb des Transistors wird dann verhindert, daß der Leitungstyp der Kollektorzone in einem an die Scheibenfläche grenzenden Bereich invertiert wird. Die Kollektorkapazität und die Oberflächenleckströme bleiben daher sehr gering und man erhält eine sehr geringe Rückkopplungskapazität sowie eine mit dem Verstärkungsfaktor nur geringfügig zunehmende Eingangskapazität.

Die Feldelektrode besteht vorzugsv/eise aus e" nem hitzöbe3tändigen Metall, beispielsweise Molybdän odser Yfolfre :. Gemäß einer Weiterbildung des neuerungsgemäßen Halbleiterbauelements ist in der ?eldelektrode ein Fenster vorgesehen, durch das bei Herstellung eines Transistors die Eindiffusion eines hochdotierten, P-leitenden Schutzringes in den Halbleiterkörper möglich ist, welcher die Basiszone konzentrisch umgibt und gleichzeitig mit der Emitterzone gebildet wird. Bei einer anderen Weiterbildung der

Neuerung werden bei einem PflP-Bauelement die eingebettete Feldelektrode und die Isolierungsschichten so dünn gehalten, daß während der Eindiffus ion der Emitterzone einige Akzeptoratome diese beiden Schichten durchdringen und au der gesamten Oberfläche der Kollektorzone ein Bereich mit erhöhter P-Leitfähigkeit gebildet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in die Kollektorzone eines Transistors noch eine stark P-dotierte die Basiszone umgebende Hingzone diffundiert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besitzt schließlich die gesamte Oberfläche der Kollektorzone eine verstärkte P-Leitfähigkeit, wodurch die Neigung zur Inversion des Leitungstyps noch weiter verringert wird.

Ausführungsformen der Neuerung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshaiber beschrieben. Dabei zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch einen neuerungsgemäßen PNP-Transistor, der nach einem Diffus ionsverfahren hergestellt ist,

Figur 2 einen Schnitt durch eine weitere Auaführungsform der Neuerung,

Figur 3 eine Ansicht des Halbleiterbauelements nach Figur 2 von oben und

Figur 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausfuhrungefora gemäß der Neuerung.

Gemäß der Neuerung wird zur Fabrikation eines durch Oberflächendiffusion gebildeten PITP-Transistors 10 (Pig. 1) zunächst ein als Kollektorzone 11 verwendeter scheibenförmiger Halbleiterkörper vom P-Leitungstyp hergestellt, dessen eine Scheibenfläche mit 12 bezeichnet ist. In diesem Halbleiterkörper wird eine Basiszone 13 vom IT-Le itungs typ ausgebildet, indem von der Scheibenfläche her eine Donatorverunreinigung in einen oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers eindiffundiert wird. Hierbei entsteht gleichzeitig ein Kollektorübergang 14 zwischen der P-leitenden Kollektorzone 11 und der N-leitenden Basiszone 13. Durch Eindiffusion einer Akzeptorverunreinigung in einen oberflächennahen Teil der Basiszone wird dann eine Emitterzone 15 mit P-Leitfähigkeit hergestellt. Hierbei entsteht ein Emitterübergang 16 zwischen der Emitterzone 15 und der Basiszone 13. Die Scheibenfläche 12 des Halbleiterkörpers ist mit einer Passivierungs- und Isolierschicht 17 aus einem geeigneten Material überzogen. Ein teilweise auf der Isolierschicht 17 liegender Emitterkontakt 18 ist mit der Emitterzone 15, ein teilweise auf der Isolierschicht 17 liegender Basiskontakt 19 mit der Basiszone 13 elektrisch verbunden. Der in der Fig. 1 dargestellte Transistor 10 kann beispielsweise aus einem Siliciumkörper hergestellt werden, der eine epitaktisch gebildete P-leitende Kollektorzone 11 aufweist, die beispielsweise mit 10 Boratomen/cm dotiert ist. Die Basiszone 13 kann durch Eindiffusion von Phosphor,

Antimon oder Arsen bis zu einer Konzentration von etwa 5 x •2

Atomen/cnr hergestellt werden, während die Emitterzone 15 beispielsweise dadurch gebildet wird, daß in einen Teil der Basiszone 13 bis zu 10¹°Boratome/cnr eindiffundiert werden. Derartige Diffusionsverfahren zum Herstellen von PNP-Transistoren sind bekannt und können bei den üblichen Temperaturen und unter den üblichen Bedingungen durchgeführt werden.

Innerhalb der Paesivierungs- und Isolierschicht 17 ist eine Peldelektrode aus einem leitenden Material, vorzugsweise

einem hitzebeständigen bzw. schwer schmelzbaren Metall wie Molybdän oder Wolfram, das mit dem Passivierungsmaterial nicht reagiert, derart eingebettet, daß sie elektrisch von allen Zonen des Transistors isoliert ist. Der Innendurchmesser der ringförmigen Feldelektrode 24- ist im wesentlichen genau so groß wie der Außendurchmesser der Basiszone 13, und der Innenrand der Feldplatte 24 weist im wesentlichen die gleiche Geometrie wie der Außenrand der Basiszone 13 auf.

Die Passivierungs- und Isolierschicht 17 besteht im allgemeinen aus nacheinander niedergeschlagenen Filmen. Sie kann insbesondere Siliciumdioxid enthalten, das sich zur Passivierung von Silicium ausgezeichnet eignet. Außerdem kann die Passivierungs- und Isolierschicht ganz oder teilweise aus einem oder mehreren Siliciumnitridfilmen oder Filmen aus einer amorphen Mischung von Silicium, Sauerstoff und Stickstoff, also Siliciumoxynitrid, bestehen. Außerdem kann sie einen oder mehrere, in beliebiger Reihenfolge aufgebrachte Filme enthalten.

Zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterbauelementes kann man beispielsweise von einem P-leitenden Siliciumkörper mit einer Borkonzentration von etwa 10 Atomen/cm ausgehen.

Iiiii solcher Halbleiterkörper wird dann in ein iiccLittionc^ci'^ je-~eoen und in einer trockenen Saucrstofiatnosphüre etwa vier Stunden lang auf einer Temperatur von beispielsweise Ί000° jchalten, damit sich auf einer Oberfläche eine beispielsweise 2000 2 dicke Schicht aus thermisch gewachsener» Siliciumdioxid ergibt. Nach der Ausbildung dieser Siliciunmioxidschicht wird diese mit einer 2000 A* dicken Metallschicht aus beispielsweise Kolybaän überzogen, die beispielsweise in eines !Trio denent Iadungsgefäß durch Zerstäubung aufgebracht wird, inden eine Ilolybdänkatode nahe der Oxidoberfiäche angeordnet wird. Dieser ! Verfahrensschritt kann in einer ArgonatnoSphäre von 0,015 Torr j etwa zehn Minuten lang durchgeführt werden.

j Ivach den Ausbilden der Metallschicht wird diese mit einer zwei-

ten Isolierungsschicht überzogen, die beispielsweise Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid enthält. Soll eine Siliciumdioxidschicht aufgebracht v/erden, dann kann dies durch Pyrolyse aus einer über den Kalbleiterkörper streichenden Argonströmung erreicht werden. Hierfür werden trockene, reine Argonblasen mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 m /Stunde (7 Kubikfuß pro Stunde) durch Äthylorthosilikat und von dort über άαη auf etwa 800 ⁰C erhitzton Halbleiterkörper geleitet. Zur Herstellung einer etwa 2000 & dicken Siliciuadioxidschicht wird die Argonströmung etwa 15 Minuten lang aufrechterhalten.

Nach dem Ausbilden der zweiten Siliciumdioxidschiclrir wird auf dieser auf fotolithografischem Wege eine Maske aus fotoresistivem Material ausgebildet, welche ein mittleres Penster aufweist, die der erwünschten Geometrie der Basiszone des !Transistors entspricht. Die Oxid- und Molybdänschichten werden dann weggeätzt, um die Oberfläche 12 des Siliciumkörpers freizulegen. Dies kann dadurch geschehen, daß man den Halbleiterkörper zunächst etwa zwei Minuten lang in ein*-aus gepufferter HP bestehendes Ätzmittel eintaucht, um die obere Isolierschicht wegzuätzen, dann in destilliertem Wasser wäscht und etwa 15 Sekunden lang in ein Perricyanid-Ätzmittel eintaucht, ua die Molybdänschicht wegzuätzen, und schließlich erneut in deetil-

, licrtea »vasser wäscht und ein zweites XaI etwa zwei MInU^-=Cr₄ ' lang in dem aus gepufferter HP bestehenden Ätzmittel ätzt, : : uz: das restliche Siliciumdioxid zu entfernen und die Silicium- ; j oberfläche 12 freizulegen. j

I j

\ Die verbleibende Siliciundioxidschicht nix der eingebetteten ' j Mc«illschicht dient nun als Diffusionsmaske bein Herstellen ι * der Basiszone 13. Hierdurch wird erreicht, daS die lietall- : schicht nach des Herstellen der 3asiszone genau auf diese aus- : gerichtet ist und die gleiche Geometrie vie der Rand des an j die Oberfläche 12 tretenden Basis-Xollektor-übergangs aufweist.

Die Reihenfolge der Schichtenbildung kann verändert werden. Beispielsweise kann vor oder nach dem Ausbilden einer der bei- j den Siliciumdioxidschichten eine zusätzliche Siliciumnitrid- ; schicht vorgesehen werden, was einen weiteren Ätzschritt zum j j Wegätzen des Siliciumnitrids in konzentrierter H? notwendig j nacht. In gleicher Weise kann auch eine Siliciumoxynitrid-I schient vorgesehen werden, für die dann ein Ätzschritt mit ge— j pufferter HP notwendig wird, ün eine automatische Ausrichtung ; der Netallschicht bzw. der Peldelektroäe 24 zu erhalten, suS ! jedoch das Penster in ihr unter Verwendung der gleichen I Schablone bzw. während derjenigen Ätzschritte ausgebildet werden , die auch zum Herstellen einer Diffusionsmaske für die : Basiszone notwendig sind.

j In die freigelegte Oberfläche 12 des Siliciumkörpers 10 wird ι anschließend ein Aktivator wie beispielsweise Phosphor ein-I diffundiert. Dies kann wie üblich dadurch geschehen, daß de? j maskierte Halbleiterkörper etwa zehn liinuten lang auf eine j Temperatur von etwa 1100 ⁰C erhitzt wird, und zwar in einem | j Reaktionsgefäß, in welchem 50 g Phosphorpentoxid (^2^5) ^au^ • eine Temperatur von etwa 250 ⁰C gebracht sind. Anschließend j wird durch etwa 20 Sekunden langes Ätzen in gepufferter K? j alles überschüssige, mit Phosphor dotierte Glas von der Ober— ■ fläche des Halbleiterkörpers beseitigt. Danach wird der Halbleiterkörper erhitzt, damit das Phosphor tiefer in die Kollok-

torsonc 11 diffundiert. Bei einer Diffuaioncdaucr von ctv/a 16 Stunden bei 1100 ⁰C bildet sich eine et v/a fünf Mikron tief in den Halbleiterkörper 10· eingedrungene Basiszone* 13.

!lach der Eindiffusion der Basiszone wird auf dorn gesamten Halb-j leiterkörper eine 2000 Ä dicke Oxidschicht gebildet, indem j der auf 800 ⁰C erhitzte Halbleiterkörper etwa 10 Hinuton lang in eine mit Äthylorthosilikat angereicherte Gasströmung gehalten wird. Danach wird auf der Oberfläche auf fotolithografischem Wege eine Maske gebildet, die die gesamte Oberfläche bedeckt, aber ein kleines , mittleres Fenster aufweist, das durch Eintauchen in gepufferte IIP entsteht. Das aus gepufferter HP bestehende Ätzmittel enthält beispielsweise einen Teil konzentrierte HP auf zehn Teile einer 40 #igen NH^P-Lösung. Nach dem Einätzen des Fensters wird ein Aktivator wie 3or in die freigelegte Basiszone eindiffundiert, um eine Emitterzone 15 auszubilden. Die Eindiffusion geschieht zv/ecknäßigerweise bis zu einer Tiefe von etwa drei Mikron durch halbstündiges Erhitzen des Halbleiterkörpers auf etwa 1100 ⁰C in einer BClv-haltigen Stickstoffatmosphäre. Nach dem Entfernen des überschüssigen Borglases durch einen etwa 15· Sekunden lang mit gepufferter HP durchgeführten Ätzschritt, wird etwa sechs Stunden lang.bei .1100 ⁰C nachdiffundiert.

Zum Kontaktieren der Emitter-, Basis- und Kollektorzone wird auf fotolithografischem Wege auf dem gesaroten Halbleiterkörper eine geeignete Maske gebildet. Durch die Maske hindurch werden in die Oxidschicht Fenster geätzt, und zwar ein bis zur eingebetteten BsldelektoocLe verlaufendes Fenster, ein Fenster, welches im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Emitterzone freilegt, und ein einen Teil der Oberfläche der Basiszone freilegendes Fenster. Auf dem Halbleiterkörper wird dann beispielsweise eine etwa 1000 S. dicke Aluminiumschicht aufgedampft. Nach dem Entfernen der nicht benötigten Bereiche der Aluminiumschicht durch Ätzen und Anwendung fotolithografischer Verfahren erhält man dann einen Emitterkontakt 18, einen Basiskontakt 19 und einen Kontakt 20 für dieFeldelektrode 24. Die

j Xollcktoraone wird dadurch kontaktiert, daß der Halblcitcr-

j körper 10 an ein Kopfstück anlegiert wird, wobei ein Kon-

! takt 21 entsteht.

j In einer Smitter-Baois-Schaltung für einen PNP-Transistor ist ! ^c näß Pig. 1 die lünitterzone 15 geerdet, während die Kollckj toraone 11 über einen V/iderstand 23 mit dem negativen Pol 3 j "einer Batterie verbunden ist. An dem'negativen Pol 3", d.h. auf einen festen negativen Potential von beispielsweise 20 V, liegt auch die eingebettete Eeldalßktrode 24. Das Eingangssignal liegt zwischen der Basiselektrode 19 und Erde. Das Ausgangssignal des Transistors wird am Widerstand 23 abgenommen.

Beim Betrieb des Transistors können die über den Basiskontakt 19 oder den Eraitterkontakt 18 an die äußere Oberfläche der Isolierschicht 17 gelegten Potentiale nicht zu einer Ionendrift innerhalb der Isolierschicht

17 bzw. zu einer

daraus resultierenden Inversion in oberflächennahen Bereich der Kollektorzone 11 führen,

Da nämlich durch die eingebettete, auf einem relativ stark negativen Potential liegende, ibldäeäctcode 24 positiv geladene Ionen angezogen werden, wird verhindert, daß positive Ionen zur Grenzfläche der Isolierschicht wandern bzw. an der Oberfläche der Kollektorzone eine Inversionsschicht gebildet wird. Durch das relativ stark negative Potential der eingebetteten Metallschicht 24 wird außerdem dafür gesorgt, daß die Majoritätstrager der Kollektorzone 11 in die Verarmungszone gesaugt werden, wodurch die Ausbildung von Oberflächenkanälen verhindert wird. Da weiterhin das negative Potential festliegt und nicht dem Kollektorpotential folgt, wirkt es als elektrostatische Abschirmung,'durch die das Entstehen einer ßückkopplungskapazität zwischen der Kollektorzone und den darüberliegenden Basiszuleitungen verhindert wird. Schließlich wird durch di<3 Metallschicht auch verhindert, daß sich unter irgendwelchen auf positivem Potential liegenden Kontakten oder Leitungen induzierte Kollektorkanäle bilden.

In Pig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Neuerung dargestellt, das beispielsweise Teil eites integrierten HaIbleiterbauelementes sein kann. In einer Kollektorzone 31 ist von einer Oberfläche her eine Basiszone 33 eindiffundiert, durch die ein Kollektorübergang 34 gebildet ist. In die Basiszone 33 ist eine Emitterzoue 35 eindiffundiert, die mit der Basiszone einen EmitterÜbergang 36 bildet. Mit der Emitterzone 35 ist ein Emitterkontakt 38 und mit der Basiszone 33 ein Basiskontakt 39 verbunden. Außerdem sind zwei konzentrische, eingebettete, ringförmige, als Feldelektroden 43 und bezeichnete Metallschichten vorgesehen. Der Öffnungsquerschnitt der innenliegenden Metallschicht ist jedoch dem äußeren Rand der Basiszone 33 angepaßt. Zwischen den beiden Feldelektroden 43 und 44 befindet sich ein Zwischenraum 45, der als Fenster einer Diffusionsmaske verwendet wird, durch die gleichzeitig mit der Herstellung der Emitterzone 35 ein Schutzring 32 gebildet wird, welcher dazu dient, eine Ausdehnung der wirksamen Oberfläche der Basiszone 35 durch Oberflächen— invasion der Kollektorzone 33 zu verhindern. Obgleich es, wie die Fig. t zeigt, erfindungsgemäß nicht notwendig ist, in einem PNP-Iransitor einen derartigen Schutzring auszubilden, kann gemäß Fig. 2 neben den neuerungsgemäß eingebetteten Feldelektroden noch ein Schutzring verwendet werden. Durch Verwendung sowohl eines Schutzrings als auch der Feldelektroden erhält man einen ausgezeichneten Schutz gegen die Ausbildung von Oberflächenkanälen in der Kollektorzone und die damit verbundenen nachteiligen Eigenschaften.

Gemäß der Fig. 3, die eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Bauelement ist, ist die Kollektorzone 31 mit einem Kollektoranschluß 46, die Emitterzone 35 mit einem Emitteranschluß 47 und die Basiszone 33 mit einem Basisanschluß 48 verbunden. Die Feldelektroden 43 bzw. 44 sind mit Anschlüssen 49 bzw. 50 verbunden.

Obgleich die Neuerung anhand eines durch Oberflächendiffusion entstandenen PNP-Transistors beschrieben ist, bei welchem

die Ausbildung eines N-leitenden Kanals an der Oberfläche der P-leitenden Kollektorzone verhindert werden soll, läßt sich die Neuerung auch auf andere durch OberfIp bendiffusion hergestellte Halbleiterbauelemente wie beisj-eisweise NPN-Bauelernente anwenden, bei denen die Entstehung eines N-leitenden Kanals auf der Oberfläche einer P-leitenden Zone, beispielsweise einer Basiszone, verhindert werden soll. In einem solchen Fall wird die eingebettete Schicht über demjenigen Teil der Basiszone ausgebildet, der an die Oberfläche des Halbleiterbauelementes grenzt (in Fig. 1 beispielsweise über demjenigen Bereich der Basiszone 13* der an die Oberfläche 12 angrenzt). Gemäß einer Ausführungsform wird dazu die leitende Schicht nach dem Eindiffundieren der Basiszone aufgebracht, während das Fenster in ihr gleichzeitig mit der Herstellung des Diffusionsfensters für die Emitterzone ausgebildet wird, so daß der Rand des Fensters in der Metallschicht genau auf den an die Oberfläche tretenden Rand des Emitter-Basis-Übergangs ausgerichtet ist. Bei einer weiteren Ausführungsform der !Teuerung kann schließlich auch in einem NPN-Bauelement eine Feldelektrode verwendet werden, um zu verhindern, daß auf der Oberfläche einer Η-leitenden Kollektorzone ein P-leitender Kanal entsteht. Ein derartiges Bauelement besitzt im wesentlichen die gleiche Geometrie wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Halbleiterbauelemente, jedoch wird an die Feldelektrode 24 ein positives Potential gelegt, damit sich in der N-leitenden Kollektorzone 11 kein P-leitender Kanal ausbilden kann.

Ganz allgemein kann durch derartige eingebettete Feldelektroden wirksam die Ausbildung von Oberflächenkanälen an der Grenzfläche zwischen irgendwelchen Zonen eines durch Oberflächendiffusion hergestellten Transistors verhindert werden. Uia dies zu erreichen, muß die Feldelektrode über der zu schützenden Zone auf den wichtigsten PN-Übergang ausgerichtet werden, indem sie gleichzeitig mit einer geeigneten Diffusionsmaske ausgebildet wird, und außerdem muß an die Feldelektrode ein Potential mit einer im Vergleich zur Polarität der Majoritätβträger der zu schützenden Zone entgegengesetzten Polarität gelegt werden.

Ein Beispiel hierfür ist ein NPN-Bauelement, dessen P-leitende Basiszone gegen die Entstehung von N-leitenden Kanälen geschützt werden soll.

Als eine weitere mögliche Ausführungsform der Neuerung ist in Pig. 4 ein NPN-Transistor mit in Querrichtung beanstandeten Zonen dargestellt. Er enthält einen Halbleiterkörper 51 mit einer P-leitenden Basiszone 52, einer mittleren, in die Basiszone eindiffundierten, N-leitenden Emitterzone 53 und einer ringförmigen, in die Basiszone eindiffundierten, N-leitenden Kollektorzone 54, die die Emitterzone 53 konzentrisch umgibt. Der Betrieb eiues Transistors nach Fig. 4 wird insbesondere durch Oberflächenleckströme zwischen der Emitterzone und der Kollektorzone über einen N-leitenden, in der Grenzfläche 55 zwischen einer Passivierungs- und Isolierschicht 56 und der Basiszone 52 entstehenden Kanal empfindlich gestört. Um dies zu vermeiden, wird in eine Isolierschicht 58 eine ringförmige Feldelektrode 57 eingebettet, durch die bei entsprechender negativer Vorspannung positive Ionen angezogen und >somit Oberflächeninversionen in der Basiszone verhindert werden. Ebenso wird durch das beträchtlich negative Potential, wie es in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 erläutert wurde, die Entstehung von Kanälen in der Basiszone verhindert, bzw. eine elektrostatische Abschirmung zwischen der Basiszone und irgendwelchen darüberliegenden Leitungszügen geschaffen. Die in den Fig. 1 oder 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele können erfindungsgemäß weiter verbessert werden. Zum zusätzlichen Schutz gegen die Ausbildung von Verarmungszonen an der Oberfläche und die damit verbundene Ausbildung von N-leitenden Kanälen längs der Grenzfläche zwischen der Kollektorzone und der Isolierungsschicht kann die metallische, beispielsweise aus Motybdän bestehende, eingebettete Feldelektrode derart dünn ausgebildet werden und bei der Eindiffusion einer Akzeptorverunreinigung wie Bor in den Halbleiterkörper zur Herstellung der Emitterzone 15 die Länge des Diffusionszyklus derart auf die Dicke der Molybdänschicht und der Oxidschicht abgestimmt werden, daß eine geringe Menge

Bor die Molybdänschicht durchdringt und der unterhalb der eingebetteten Peldelektrode liegende oberflächennahe Bereich der Kollektorzone eine erhöhte P-Leitfähigkeit und somit einen geringeren P-Leitungswiderstand erhält. Hierdurch wird jegliche Möglichkeit zur Ausbildung von N-leitenden Kanälen in diesem oberflächennahen Bereich unterdrückt. Diese Maßnahme ist außerdem unabhängig davon, ob ein Schutzring 32 vorgesehen wird oder nicht. Die oben angegebenen Werte für die Dicke der Feldelektrode und die Diffusionszeiten sind so aufeinander abgestimmt, daß der soeben beschriebene Effekt eintritt. Wenn die Kollektorzone einen spezifischen Widerstand von beispielsweise ein Ohm * cm und der Schutzring einen spezifischen Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm · cm aufweist, dann beträgt der spezifische Widerstand des oberflächennahen Bereichs bei dieser Ausführungsform beispielsweise 0,5 Ohm · cm. Es ist jedoch auch möglich, daß der sich endgültig ergebende spezifische Widerstand des Bereiches mit erhöhter P-Leitfähigkeit im wesentlichen nur gleich dem spezifischen Widerstand im Inneren dieser Zone ist. Dies liegt daran, daß bei den heute üblichen, oben beschriebenen Verfahren zur Oberflächenpassivierung der grenzflächennahe Bereich im allgemeinen an positiven Ladungsträgern verarmt bzw. N-leitende Kanäle entstehen. Die Eindiffusion eines Akzeptors in den grenzflächennahen Bereich einer P-leitenden Zone in der oben beschriebenen Weise dient dann dazu, die ursprüngliche P-Leitfähigkeit des grenzflächennahen Bereiches der P-leitenden Zone wiederherzustellen.

Claims

6917 Schatzansprüche

1. Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an diese Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt, und mit einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordneten Feldelektrode, die gegenüber einer an einex der Zonen angebrachten Elektrode vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (57) in die Isolierschicht (56, 58). eingebettet ist, und daß die Feldelektrode (57) mit demjenigen Pol einer Vorspannungsquelle mit einer gegenüber Hasse festen Vorspannung (B-) elektrisch verbunden ist, der das entgegengesetzte Vorzeichen zu dem der Majoritatsladungsträger in der unterhalb der Feldelektrode (57) liegenden Zone (52) aufweist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Feldelektrode (57) eine Metallschicht ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Feldelektrode (57) überdeckte Zone (52) P-leitend ist und daß der Band der schichtförmigen Feldelektrode (57) sich mit dem Rand des an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tretenden PH-Übergangs zwischen diesex PH-leitenden Zone (52) und einer oder mehreren benachbarten IT-leitenden Zonen (53» 54) deckt.

4. Als Transistor ausgebildetes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Basi zone (13) in die Kollektorzone (11) und dessen Emitterzone (13) in die Basiszone (13) eindiffundiert ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Feldelektrode (24) oberhalb der Kollektorzone (11) angeordnet ist und ihr einer Rand sich mit dem an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tretenden Rand des PN-Übergangs (14) zwischen der Kollektorzone (11) und der Basiszone (13) deckt.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4»dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor (10) ein PHP-Transistor ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Feldelektrode aus zwei einen Abstand aufweisenden, konzentrischen Teilen (43, 44) besteht, und daß der unterhalb des Zwischenraums zwischen diesen beiden Teilen (43, 44) liegende, oberflächennahe Bereich (32) der P-leitendea Kollektorzone (31) als Schutzring mit stark vergrößerter Leitfähigkeit ausgebildet ist.

7· Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Feldelektrode (24) eine so dünne Metallschicht ist, daß sie gegenüber Akzeptoratomen schwach durchlässig ist, und daß der unter der gesamten Feldelektrode (24) befindliche an die eine Scheibenfläche des Ealbleitesköspers grenzende Bereich der Kollektorzone (11) eine erhöhte P-Leitfäluigkeit aufweist«

Rei/Ho