DE68919695T2

DE68919695T2 - Integrierte schaltung mit einem vertikalen transistor.

Info

Publication number: DE68919695T2
Application number: DE68919695T
Authority: DE
Inventors: Pierre Leduc
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: FR2640814A1; EP0419586B1; EP0419586A1; US5089873A; DE68919695D1; JPH03502988A; WO1990007194A1; FR2640814B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, die einen Halbleiterkörper mit einer Hauptfläche und einer integrierten Schaltung mit einem vertikalen Transistor umfaßt, wobei dieser Transistor ein Kollektorgebiet eines ersten Leitungstyps umfaßt, ein wenigstens auf einem Teil des Kollektorgebiets liegendes Basisgebiet eines zweiten Leitungstyps und ein Emittergebiet, das wenigstens aus einer Zone des ersten Leitungstyps besteht, wobei diese Zone in einem Teil des genannten Basisgebietes enthalten ist und an die genannte Hauptfläche des Halbleiterkörpers grenzt.
Bei den bekannten bipolaren Transistoren ist die als das Verhältnis zwischen dem Emitterstrom IE und dem Basisstrom IB definierte Rückwärtsstromverstärkung βI gewöhnlich nicht sehr hoch, wenn der Kollektor-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung betrieben wird.
Für bestimmte Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, über Transistoren mit einer hohen, beispielsweise zehnfachen oder höheren, Rückwärtsstromverstärkung βI zu verfügen. In dem Fall ist es möglich, die Kollektor-Basis-Spannung VCEsat des Transistors im Sättigungszustand zu erhöhen oder bei Verwendung des Transistors in inverser Richtung einen Mehrfachkollektortransistor zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung zu verschaffen, die eine integrierte Schaltung mit einem vertikalen Transistor umfaßt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Gesamtdicke der Basis, die kleiner oder gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger in diesem Gebiet ist, die Erscheinung der Ladungsträgerinjektion gänzlich anderen als den in herkömmlichen Theorien angenommenen Gesetzen unterworfen ist.
Erfindungsgemäß ist eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke des Basisgebiets kleiner oder gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger in dem genannten Basisgebiet ist, daß das genannte Basisgebiet wenigstens eine Basiskontaktzone mit wenigstens einer Kontaktfläche umfaßt, die an die wenigstens eine Zone des genannten Emittergebiets grenzt, wobei die genannte Basiskontaktzone mit einer Isolationsschicht mit einem Fenster bedeckt ist, wodurch ein Kontakt mit der genannten Kontaktfläche hergestellt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Basiskontaktzone und der Oberfläche des genannten Fensters wenigstens gleich 10 ist und dadurch, daß die genannte Basiskontaktzone eine Oberfläche hat, die mehr als fünf mal kleiner ist als die Gesamtoberfläche des genannten Emittergebiets.
Diese Größenverhältnisse sorgen für in der Praxis interessante Verstärkungswerte. Vor allem und paradoxerweise, führt der genannte Kontakt zu einer Verbesserung der Verstärkung, die um so höher ist, je kleiner seine mit der Kontaktzone in Kontakt stehende Kontaktfläche ist.
In einer ersten Ausführungsform ist die genannte Kontaktfläche von einer einzelnen das Emittergebiet bildenden Zone umgeben.
In einer zweiten Ausführungsform ist das Emittergebiet aus wenigstens zwei Zonen zusammengesetzt, die einander gegenüberliegen und wenigstens an wenigstens einem Teil der Basiskontaktzone anliegen.
In einer dritten erfindungsgemäßen und im Unteranspruch 4 beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform hat das Basisgebiet wenigstens zwei Basiskontaktzonen und ist das Emittergebiet aus wenigstens zwei Paaren von Zonen zusammengesetzt, wobei die zwei Zonen jedes Paars an jeweils einer anderen Basiskontaktzone anliegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Basisgebiet eine Vielzahl Teilzonen, die durch ein relativ zu diesen Teilzonen zentral liegendes Gebiet verbunden sind, wobei jede Teilzone eine Zone des Emittergebiets umfaßt, während die Basiskontaktzone in dem zentralen Gebiet liegt.
Nicht-einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zum besseren Verständnis in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1a und 1b eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2a und 2b eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3a und 3b eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und Figur 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
Bei den Figuren 1a und 1b umfaßt eine erfindungsgemäße integrierte Schaltung ein p-Substrat 1, auf dem eine den Kollektor des vertikalen Transistors bildende vergrabene n&spplus;-Schicht 5 und ein Basisgebiet 2 des p-Typs vorhanden ist. Die vergrabene Schicht 5 und das Basisgebiet 2 können durch epitaktisches Aufwachsen auf dem Substrat 1 gebildet werden.
Eine Schicht 3 aus tiefem Oxid begrenzt einerseits eine erste Insel 4 für den vertikalen Transistor und andererseits eine zweite n&spplus;-Insel 6 für einen Kollektor, der mit der Hauptfläche der Schaltung in Verbindung steht. Die Schicht 3 aus tiefem Oxid ist geringfügig tiefer als die epitaktische Basisschicht 2.
In dem Basisgebiet 2 sind zwei Emitterzonen 12 des N-Typs diffundiert, die von einander getrennt sind und das Emittergebiet des Transistors bilden.
Die zwischen den beiden Zonen 12 liegende Zone 15 der Basis 2 stellt den Kontakt zur Basis her. Der Teil des Basisgebiets 2 unter den Emitterzonen 12 bildet die aktive Basis. Eine auf der ganzen Oberfläche der integrierten Schaltung gebildete Isolationsschicht 10, beispielsweise eine dünne Oxidschicht, hat Fenster, durch die die Emitterzonen 12 und die Kollektorgebiet 6 über eine leitende Schicht 13, 14 kontaktiert werden, und Fenster 10', durch die das Basisgebiet 2 über eine leitende Schicht 11 kontaktiert wird.
Das Basisgebiet 2 ist derart, daß seine Gesamtdicke A, die in diesem Falle ungefähr der Dicke der Epitaxieschicht entspricht, kleiner oder gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger in diesem Gebiet ist.
In diesem Falle konnte der Erfinder erkennen, daß der Erscheinung vertikaler Injektion ein ganz anderes Modell als in den herkömmlichen Theorien zugrunde gelegt werden kann.
Im inversen Betrieb ist der Kollektor-Basis-Übergang flußgepolt, während der Emitter-Basis-Übergang entweder sperrgepolt oder spannungslos ist. Die Rückwärtsstromverstärkung βI ist das Verhältnis zwischen dem Emitterstrom IE und dem Basisstrom IB.
Die beiden den Emitter bildenden Zonen 12 haben beide eine Breite HE, eine Länge LE und eine Oberfläche SE.
Das Basisgebiet 2 grenzt beim Gebiet 15 an die Hauptfläche der Schaltung, deren einer unter dem Basisfenster liegender Teil eine Oberfläche SM hat und deren anderer unter der Isolationsschicht 10 liegende Teil eine Oberfläche SX hat. Dieses Gebiet 15 bildet ein Basiskontaktgebiet.
Die injizierten Ströme sind in Figur 1b dargestellt, und ihre Werte hängen zum Teil von der Basis-Kollektor-Spannung VBC und von der Dimensionierung der betreffenden Zonen ab.
Der Emitterstrom hat den Wert:
e = exponentiell
Der unter den Basiskontakt injizierte ("injection under metal") Strom IM hat den Wert:
Der unter das die Basis bedeckende Oxid injizierte Strom IX hat den Wert:
Der zum Substrat fließende Strom Isub hat den Wert:
J0, JM, JX und JS bezeichnen die in den Emitter injizierten Stromdichten unter eine metallische Schicht in das Basisgebiet, unter eine Oxidschicht in das Basisgebiet beziehungsweise zum Substrat.
Der Rekombinationsstrom in der vergrabenen Schicht 5 ist nicht berücksichtigt.
Ein Beispiel ist:
Jo = 500 10&supmin;²¹ A/um²
Jm = 50 10&supmin;²¹ A/um²
JX = 1,3 10&supmin;²¹ A/um²
JS = 5,5 10&supmin;²¹ A/um²
Unter der Annahme,
und VT = 26 mV ist, kann die Rückwärtsstromverstärkung ausgedrückt werden als:
wobei IB = IX + IM + Isubs ist.
Aus dieser Gleichung folgt, daß zum Erhalt eines hohen Wertes für βI die Oberfläche
SM so klein wie möglich sein muß, weil der im Nenner vorherrschende Term der Term JM ist, der in diesem Falle sehr viel höher ist als JX und JS, und außerdem muß SX im Vergleich zu SE klein sein.
Der Reziprokwert der Verstärkung 1/βI kann ausgedrückt werden als:
das heißt, mit den obengenannten numerischen Werten für JS, JX, JM und J&sub0; ergibt sich:
Es zeigt sich, daß für SM ≤ 1/10 SX der letzte Term ein geringeres oder gleiches Gewicht hat als der vorangehende. Auch ist es notwendig, daß das Verhältnis Sx/SE klein gewählt wird, damit der Wert für die Verstärkung βI groß genug ist.
Die Basiskontaktzone muß daher eine Oberfläche haben, die ungefähr fünf Mal kleiner ist als das gesamte Emittergebiet (2 SE im obigen Beispiel).
Es soll gelten:
HE = Breite der Emitterzone
LE = Länge der Emitterzone
HX = Breite des freigelassenen Raumes für einen Basiskontakt
LX = Länge der Basiskontaktzone
Weiterhin soll gelten SX = HX LX (für SM « SX); es soll gelten, daß HX den beim Verfahren zulässigen Minimalwert hat, beispielsweise 14 um.
Es soll gelten, daß LE 25 um und SM = 10 um².
Dann gilt:
Man erhält dann die Veränderung von βI als Funktion von HE.
Im obigen Beispiel sorgt eine Emitterbreite HE von 10 um für eine Rückwärtsstromverstärkung βI von über 50.
Für HE = 10 um und LE LX wird nun der Einfluß von LE betrachtet.
Es gilt:
Die Länge LE der Emitterzonen hat weitaus weniger Einfluß als die Breite der genannten Zonen. Dies zeigt, daß eine Bauform mit verlängerten Emittern sehr vorteilhaft ist. Dies ist logisch, da beim Ansteigen von LE SX ebenfalls steigt. Hier ist das Verhältnis der Oberflächen ausschlaggebend. Die besten Ergebnisse für βI werden deshalb erreicht, wenn SM, LE und LX den vom Verfahren zulgelassenen Minimalwert haben und HE den größten in der Praxis erreichbaren Wert hat, was einer Transistorform mit in eine oder mehrere vorteilhafte Richtungen verlängerten Emittern entspricht. Die Figuren 3a und 3b zeigen auch eine Struktur in der Form eines aus vier Teilzonen (20 bis 23) bestehenden Kreuzes mit einem Emittergebiet mit Zonen 12, die untereinander durch einen mit Hilfe einer gestrichelten Linie angedeuteten Metallisierungsstreifen verbunden sind.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform entspricht dem in den Figuren 2a und 2b dargestellten Fall, bei denen der Emitter die Form eines in sich geschlossenen Bandes hat und die Basis vollständig umgibt, wobei die Seiten der Basis die minimale beim Verfahren zulässige Größe haben, das heißt beispielsweise:
SM = 10 um²
SX = 120 um²
HE = 10 um
wobei L'E = 11 um ist.
Die Emitteroberfläche hat dann den Wert:
SE = 4 L'EHE + 4 HE = 840 um²
Das ergibt:
Mit den im obigen Beispiel gegebenen Werten für JS, JM und J&sub0; ergibt sich ungefähr ein Wert von βI = 106.
Diese Struktur liefert daher ebenfalls eine hohe Verstärkung. Darüberhinaus hat sie einen niedrigeren Basiswiderstand und bei gleicher Verstärkung eine niedrigere Übergangskapazität, weswegen diese Struktur besonders vorteilhaft ist.
Eine in Figur 4 gezeigte Variante umfaßt eine Vielzahl parallel angeordneter Strukturen, die abwechselnd eine Emitterzone, eine Basiszone, zwei Emitterzonen, eine Basiszone usw. haben. Eine andere Ausführungsform mit einer niedrigeren Rückwärtsstromverstärkung besteht aus abwechselnden Emitter- und Basiszonen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigten Ausführungsformen. Auch wenn die Erfindung für den Einsatz von NPN-Transistoren beschrieben worden ist, kann sie ebenfalls mit PNP-Transistoren ausgeführt werden.

Claims

1. Halbleiteranordnung, die einen Halbleiterkörper mit einer Hauptfläche und einer integrierten Schaltung mit einem vertikalen Transistor umfaßt, wobei dieser Transistor ein Kollektorgebiet eines ersten Leitungstyps umfaßt, ein wenigstens auf einem Teil des Kollektorgebiets (5) liegendes Basisgebiet (2) eines zweiten Leitungstyps und ein Emittergebiet, das wenigstens aus einer Zone (12) des ersten Leitungstyps besteht, wobei diese Zone in einem Teil des genannten Basisgebiets (2) enthalten ist und an die genannte Hauptfläche des Halbleiterkörpers grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke des Basisgebiets (2) kleiner oder gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger in dem genannten Basisgebiet (2) ist, daß das genannte Basisgebiet (2) wenigstens eine Basiskontaktzone (15) mit wenigstens einer Kontaktfläche umfaßt, die an die wenigstens eine Zone (12) des genannten Emittergebiets grenzt, wobei die genannte Basiskontaktzone (15) mit einer Isolationsschicht (10) mit einem Fenster (10') bedeckt ist, wodurch ein Kontakt (11) mit der genannten Kontaktfläche hergestellt wird, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Basiskontaktzone (15) und der Oberfläche des genannten Fensters (10') wenigstens gleich 10 ist und dadurch, daß die genannte Basiskontaktzone (15) eine Oberfläche hat, die mehr als fünf mal kleiner ist als die Gesamtoberfläche des genannten Emittergebiets.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kontaktfläche von einer einzelnen das Emittergebiet bildenden Zone (12) umgeben ist.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittergebiet aus wenigstens zwei Zonen (12) zusammengesetzt ist, die einander gegenüberliegen und an wenigstens einem Teil der Basiskontaktzone (15) anliegen.

4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisgebiet wenigstens zwei Basiskontaktzonen (15) hat und das Emittergebiet wenigstens zwei Paare von Zonen (12) hat, wobei die beiden Zonen (12) jedes Paares an jeweils einer anderen Basiskontaktzone (15) anliegen.

5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisgebiet eine Vielzahl Teilzonen (20-23) umfaßt, die durch ein relativ zu diesen Teilzonen zentral liegendes Gebiet verbunden sind, wobei jede Teilzone (20-23) eine Zone (12) des Emittergebiets umfaßt, und daß die genannte Kontaktfläche der genannten Basiskontaktzone (15) in dem genannten zentralen Gebiet liegt.