DE68910169T2 - Verfahren zur Herstellung einer auf einem N-Typ-Substrat integrierten Schaltung, umfassend vertikale PNP- und NPN-Transistoren, die voneinander isoliert sind. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer auf einem N-Typ-Substrat integrierten Schaltung, umfassend vertikale PNP- und NPN-Transistoren, die voneinander isoliert sind.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um auf einem n-leitenden Substrat eine integrierte Schaltung gemäß dem Patentanspruch 1 herzustellen, die voneinander isolierte pnp- und npn-Transistoren mit vertikalem Stromfluß enthält.
- Bei einem allgemein bekannten Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen der oben erwähnten Art werden auf einem p-leitenden Substrat n+-leitende Zonen diffundiert, von denen einige als innere Kollektorzonen der npn-Transistoren und andere als innere Isolierzonen für die pnp-Transistoren verwendet werden. Dann werden durch Diffusion p-leitende Zonen geschaffen, von denen einige über den vorstehend erwähnten, die pnp-Transistoren isolierenden inneren Zonen liegen und zur Bildung der inneren Kollektorzonen der Transistoren bestimmt sind und andere direkt auf dem Substrat hergestellt und zur Bildung von Isolierzonen verwendet werden. Anschließend wird eine n-leitende Epitaxialschicht aufwachsen gelassen, Isolierzonen werden festgelegt, Basis- und Emitterzonen werden durch Diffusion hergestellt, Kontakte werden offengelegt, und die zugehörigen Zonen werden metallisiert, alles entsprechend den in Fig. 1 dargestellten Stufen.
- Zur Überwindung des Durchgriffproblems für die pnp-Transistoren, welches entsteht, wenn die Konzentration an Störstoffen im Kollektor höher ist als die Konzentration in der Basis, ist es ratsam, die Dotierungsmittelkonzentration der Basis zu erhöhen; zu diesem Zweck wird vor der Diffusion der Emitterzonen der pnp-Transistoren eine n+-leitende Zone implantiert, so daß eine Struktur entsteht, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist.
- Derart erhaltene pnp-Transistoren haben jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad hinsichtlich der Stromführung (wegen des hohen spezifischen Widerstandes der Basis), hinsichtlich des Frequenzverhaltens (die Basis ist zu dick) und hinsichtlich der Sättigungsspannungen (wegen des hohen Serienwiderstandes des Kollektors).
- Andere Verfahren, von denen Beispiele in der EP-A-0093304 und in Tech. Dig. 1980 IEEE, Seite 65 offenbart sind (vgl. die in Fig. 3 gezeigten Stufen) tragen mit Hilfe dreifach diffundierter Strukturen zu Verbesserungen bei. Trotzdem sind auch bei diesen Strukturen noch einige Nachteile vorhanden, wie z.B.
- - hoher Kollektor-Serienwiderstand für die pnp-Transistoren;
- - die Dicke der Kollektorzone mit geringer Dotierungskonzentration ist erwiesenermaßen in npn-Transistoren größer als in pnp-Transistoren;
- - das Verfahren dauert merklich länger und ist teurer.
- Auch andere Verfahren, von denen Beispiele in der GB-A-1 193 692 und in der JP-A-59/194465 offenbart sind, tragen zu Verbesserungen bei, behalten aber einige Nachteile infolge des großen Unterschiedes zwischen pnp- und npn-Transistoren hinsichtlich der Dicke des schwach konzentrierten Kollektors.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Nachteile zu überwinden, weil mit ihr pnp- und npn-Transistoren geschaffen werden, die verminderte Kollektor-Serienwiderstände und schwach konzentrierte Kollektoren praktisch gleicher Dicke haben, womit ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten sichergestellt wird, ohne auf maximale Betriebsspannung zu verzichten.
- Dies alles wird durch das im nachstehenden Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren erreicht.
- Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen hervor, die ein nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel der Erfindung darstellen und worin die verschiedenen Figuren schematisch folgendes zeigen:
- Figuren 4, 5, 6, 7, 8 die Struktur, wie sie während der verschiedenen Stufen des Verfahrens erscheint;
- Fig.9 Profile von Stoffkonzentrationen längs eines Schnittes durch die npn- bzw. pnp-Transistoren, die durch das in den Figuren 5 bis 8 veranschaulichte Verfahren erhalten worden sind.
- Wie in der Fig.4 dargestellt, werden auf einem n-leitenden einkristallinen Siliziumsubstrat 1 zwei p+-leitende Zonen 2 und 3 in der normalen Weise hergestellt, welche die horizontale Isolierzone für den npn-Transistor bzw. die niederohmige Kollektorzone für den pnp-Transistor bilden. Innerhalb der Zone 2 wird dann eine n+-Zone 4 gebildet, die als niederohmige Kollektorzone für den npn-Transistor dient.
- Anschließend wird, wie Fig.5 gezeigt, eine n-leitende Epitaxialschicht 5 aufwaschsen gelassen, deren Leitfähigkeit vom gleichen Typ wie diejenige des Substrates ist.
- Dann werden p+-leitende Zonen 6, 7, 8 und 9 diffundiert, bis sie an die Zonen 2 und 3 heranreichen (Fig. 6). Man erkennt, daß die Zonen 2, 6 und 7 zusammengenommen eine n-leitende Zone 10 vollständig umschließen, innerhalb derer dann die Basis- und Emitterzonen des npn-Transistors eindiffundiert werden, während die Zonen 3, 8 und 9 alle miteinander als Kollektorzone für den pnp-Transistor wirken.
- Innerhalb der n-leitenden Zone 11 wird eine p-leitende Zone 12 diffundiert, um als eine schwach konzentrierte Kollektorzone für den pnp-Transistor zu wirken. Die Basis dieses Transistors wird durch bekannte Methoden gebildet und liegt innerhalb der Zone 12: sie ist eine n-leitende Zone und ist mit der Bezugszahl 13 bezeichnet, vgl. Fig.7. Anschließend werden p+- leitende Zonen 14 und 15 hergestellt, welche die Basis des npn-Transistors bzw. den Emitter des pnp-Transistors bilden, wobei die Zone 14 in einer Weise realisiert wird, die sicherstellt, daß der schwach konzentrierte Kollektor des npn- Transistors eine Dicke bekommt (siehe die Dicke s1 in Fig. 8), die praktisch gleich der Dicke des schwach konzentrierten Kollektors des pnp-Transistors ist (siehe die Dicke s2 in derselben Figur).
- Hiernach werden die vier Zonen 16, 17, 18, 19 diffundiert, die den Emitter des npn-Transistors bzw. die Anreicherungsgebiete für die Bildung der Kontaktzonen des Kollektors des npn- Transistors bzw. der Basis des pnp-Transistors bzw. des n- leitenden Isolierbereichs darstellen, der durch die Zonen 1 und 5 gemeinsam gebildet wird (Fig.8).
- Natürlich muß die n-leitende Isolierzone an denjenigen Punkt angeschlossen werden, der das höchste Potential von allen in der Anordnung vorhandenen Potentialen hat, damit die verschiedenen Komponenten elektrisch voneinander isoliert sind.
- Schließlich werden die Kontaktbereiche festgelegt und der durchgeführte Metallisierungsprozeß garantiert dann die Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der integrierten Schaltung.
- Die Fig.9 zeigt einige typische Profile der Dotierungskonzentration entlang einem Schnitt durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten npn- und pnp-Transistoren: die Profile stellen den Logarithmus der Konzentration c (Atome/cm³) des Dotierstoffes in Relation zur Tiefe p einiger Punkte des Schnittes dar (die verschiedenen Zonen, die vom Schnitt berührt werden, sind auf der Abszisse angezeigt).
- Nachstehend sei erläutert, wie die Erfindung ihre Zwecke erreicht.
- Wie erwähnt, führen die vorbekannten Verfahren dazu, daß die Dicke schwach konzentrierter Kollektoren bei den beiden Transistortypen sehr unterschiedlich ist: speziell bei dem npn-Transistor ist diese Dicke immer höher. Dies bedeutet, daß die maximale Betriebsspannung durch den pnp-Transistor festgelegt wird und daß die Stromführung des npn-Transistors, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke des Kollektors ist, infolgedessen benachteiligt wird. In ähnlicher Weise wird auch der Kollektorserienwiderstand erhöht.
- Das Verfahren nach der Erfindung stellt sicher, daß die Dicke (s1) des schwach konzentrierten Kollektors des npn-Transistors praktisch gleich der schwach konzentrierten Dicke (s2) des pnp-Transistors ist, wenn nachstehende Bedingungen erfüllt werden:
- 1) die Diffusion der p+-leitenden inneren Schicht (2) findet vor der Diffusion der n+-leitenden inneren Schicht (4) statt;
- 2) die Dotierstoffkonzentration an der Oberfläche der n+- leitenden inneren Schicht (4) ist größer als diejenige der inneren Schicht (2) des entgegengesetzten Leitungstyps.
- Die erste dieser beiden Bedingungen erfordert das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge an Dotierstoff in der Isolierzone 2, was hohe Durchgreifspannungen für diese Schicht sicherstellt.
- Die zweitgenannte Bedingung ist notwendig, um die oben genannten Dicken gleich zu machen. Bor (Dotierstoff des p-Typs) ist in der Tat dafür bekannt, daß es eine höhere Diffusionsfähigkeit als Arsen oder Antimon hat (die Dotierstoffe des n-Typs, die zur Herstellung der Zone 4 verwendet werden können); infolgedessen erzeugen gleiche Oberflächenkonzentrationen unterschiedliches Ausdiffundieren. Die Oberflächenkonzentration der Schicht 2 muß also niedriger sein als diejenige der Schicht 4 (bei dem in Fig. 5 gezeigten Stadium).
- Es wäre möglich, diesen Unterschied in der Oberflächenkonzentration dadurch zu erhalten, daß man verschiedene Mengen an Dotierstoff implantiert (z.B. 5.10¹³ Atome/cm² an Bor und 10¹&sup5; Atome/cm² an Antimon), jedoch würde dies dazu führen, daß die p+-leitende innere Schicht einen ziemlich hohen spezifischen Widerstand bekommt. Es ist daher vorzuziehen, bei dem Verfahren gemäß der Erfindung so vorzugehen, daß man vergleichbare Mengen an Dotierstoff implantiert (z.B. 5.10¹&sup4; Atome/cm² an Bor und 10¹&sup5; Atome/cm² an Antimon), jeweils gefolgt von unterschiedlichen Diffusionszyklen für die beiden Schichten (eine lange, bei hoher Temperatur durchgeführte Diffusion für das Bor, eine kürzere, bei niedrigerer Temperatur durchgeführte Diffusion für das Antimon), um auf diese Weise unterschiedliche Tiefen der Übergänge zu erhalten.
- Schließlich sei erwähnt, daß die Werte des Flächenwiderstandes in den Zonen 3 und 4 trotz merklicher Unterschiede in den Spitzenkonzentrationen sehr ähnlich sind, wobei daran erinnert sei, daß der Flächenwiderstand Rs direkt proportional zum spezifischen Widerstand "r" des Materials sind umgekehrt proportional zur Tiefe Xj der Übergangszone ist und auch daß in der n+-leitenden inneren Schicht die Werte "r" des spezifischen Widerstandes des Materials geringer sind, daß aber die Tiefe Xj der Übergangszone in der p+-leitenden inneren Schicht wegen der langen Diffusionszeiten, die hierbei angewandt worden sind, größer ist.
Claims (2)
1. Verfahren, um auf einem Substrat aus n-leitendem
Halbleitermaterial eine integrierte Schaltung herzustellen,
die voneinander isolierte pnp- und npn-Transistoren mit
vertikalem Stromfluß enthält, mit folgenden Schritten:
- auf dem n-leitenden Substrat werden p+-leitende Zonen
diffundiert, welche die horizontalen Isolierzonen (2) des
npn-Transistors bzw. die niederohmige Kollektorzone (3) des
pnp-Transistors bilden;
- innerhalb der npn-Isolierzone (2) wird eine n+-leitende
Zone (4) hoher Konzentration diffundiert, die als
niederohmige Kollektorzone für den npn-Transistor wirkt;
- anschließend wird über der gesamten Oberfläche der
Anordnung eine n-leitende Epitaxialschicht (5) gezüchtet;
- anschließend werden erste p+-leitende Zonen (6, 7)
diffundiert, bis sie an die Isolierzone (2) heranreichen,
um so eine erste innere n-leitende Zone (10) festzulegen,
die als die schwach konzentrierte Kollektorzone (10) des
npn-Transistors wirkt und zweite p+-leitende Zone (8, 9)
werden diffundiert, bis sie an die niederohmige
Kollektorzone (3) heranreichen, um so eine zweite innere n-leitende
Zone (11) festzulegen, wobei die ersten p+-Zonen (6,7) und
die Isolierzone (2) gemeinsam als eine Isolierzone für den
npn-Transistor wirken und wobei die zweiten p+-Zonen (8, 9)
und die niederohmige Kollektorzone (3) gemeinsam als
Kollektorzone für den pnp-Transistor wirken;
- innerhalb der zweiten inneren n-leitenden Zone (11) wird
eine p-leitende Zone (12) diffundiert, um als schwach
konzentrierte Kollektorzone für den pnp-Transistor zu
wirken;
- innerhalb der p-leitenden Zone (12) wird eine n-leitende
Zone diffundiert, um als Basis (13) des pnp-Transistors zu
wirken;
- innerhalb der ersten inneren n-leitenden Zone (10) und der
Basis (13) des pnp-Transistors werden p-leitende Zonen
diffundiert, um als Basis (14) des npn-Transistors und als
Emitter (15) des pnp-Transistors zu wirken;
- innerhalb der Basis (14) des npn-Transistors wird eine n-
leitende Zone diffundiert, um als Emitter (16) des npn-
Transistors zu wirken,
wobei die Diffusionen der Isolierzone (2) und der n+-leitenden
Zone (4) so durchgeführt werden, daß die Isolierzone (2) eine
geringere Oberflächenkonzentration als die n+-leitende Zone
(4) bekommt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Diffusion der Basiszone (14) des npn-Transistors so
durchgeführt wird, daß der schwach konzentrierte Kollektor des npn-
Transistors eine Dicke s1 bekommt, die praktisch gleich der
Dicke s2 des schwach konzentrierten Kollektors (12) des pnp-
Transistors ist, wobei s1 und s2 gemessen sind zwischen den
jeweiligen niederohmigen Kollektorzone (4, 3) und der
jeweiligen Basiszone (14, 13) der npn- und pnp-Transistoren.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolierzone (2) und die n+-leitende Zone (4)
unterschiedliche 0berflächenkonzentrationen an Dotierstoff
haben, jeweils durch Implantierung vergleicherbarer Mengen an
Dotierstoff und anschließende Diffusion erhalten werden, und
daß im Falle der Isolierzone (2) die Diffusion länger dauert
und bei einer höheren Temperatur erfolgt als für die n+-
leitende Zone (4).
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