DE69307983T2

DE69307983T2 - Vertikal isolierter, monolithischer Hochleistungsbipolartransistor mit Topkollektor

Info

Publication number: DE69307983T2
Application number: DE69307983T
Authority: DE
Inventors: Jim Benjamin
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: DE69307983D1; JPH06181216A; EP0590804A1; EP0590804B1; US5455448A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Leistungstransistoren für hohe Frequenzen und insbesondere auf bipolare monolithische Hochleistungs-RF- Transistoren mit isolieren Kopfkollektorkontakten, die eine verbesserte thermische Bewältigung wie auch Sättigungsleistungs-, Verstärkungs-, Effizienz- und Verläßlichkeitsverbesserungen haben.
Der RF-(Radio- oder Hochfrequenz-)Leistungstransistor ist heutzutage ein reifes Produkt, das Festkörperquellen in Kilowatt-FM- Radioübertragungseinrichtungen, TV-Übertragungseinrichtungen, Zweiwege- Funkgeräte bzw. Mobiltelephone oder Handytelephone, zellularen Telefonen, Luftfahrtkommunikationseinrichtungen, Radar und einer Vielzahl von militärischen Anwendungen zur Verfügung stellt. Leistungspegel von Kilowatt bezeugen die Fortschritte auf diesem Bereich der Halbleiterindustrie in den letzten 25 Jahren. Der Hochleistungs- und der Hochfrequenzbetrieb sind sehr erwünscht.
Die Verwendung von Halbleitereinrichtungen für RF-Anwendungen ist äußerst stark angestiegen, da die Wärmeableitung, die Größe, die Zuverlässigkeit und andere verbesserte Charakteristiken derartige Einrichtungen für viele Anwendungen sehr brauchbar gemacht haben. Halbleitertransistoren, die einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor als die drei Hauptbestandteile enthalten, sind klein; deshalb werden sie im allgemeinen in Baugruppen bzw. in Gehäuse einbezogen. RF- Baugruppen bzw. -Gehäuse werden verwendet, um Halbleiterkomponenten, insbesondere Transistoren, zu halten und um leicht verfügbare Anschlüsse zum Anschluß an andere Komponenten zur Verfügung zu stellen.
Bei der Konstruktion derartiger Baugruppen bzw. Gehäuse ist die thermische Bewältigung kritisch, insbesondere bei Hochleistungserzeugungspegeln, die die Menge der erzeugten Hitze bzw. Wärme erhöhen. Wärme verringert die Funktion und die Lebensdauer des Transistors. Darüber hinaus kann an dem Kollektor-Basis-Kontakt erzeugte Hitze einen Wärmestau erzeugen, der bei der Einrichtung eventuell einen Kurzschluß verursachen kann.
Die RF-Transistoren erfordern deshalb häufig wassergekühlte Anordnungen, um die Hitze abzuführen. Alternativ kann der Transistor auf einem thermisch leitenden Flecken bzw. Kontakt aufgebaut werden, der als eine Wärmesenke wirkt und die Wärme, die von dem Transistor erzeugt wird, abführt. Um elektrische Verluste zu vermeiden, muß der thermisch leitende Kontakt bzw. Flecken auch elektrisch isolierend sein. Folglich wird ein thermisch leitendes, elektrisch isolierendes Material für den Montageflecken bzw. -kontakt verwendet. Ein typisches Material ist Berylliumoxid (BeO), obwohl Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) und noch aktueller Bornitrid (BN) gelegentlich verwendet worden sind.
Berylliumoxid (BeO) hat eine bessere thermische Leitfähigkeit als Al&sub2;O&sub3; und wird folglich häufiger verwendet. Es muß sorgfältig bei der Handhabung und Verarbeitung von BeO umgegangen werden, weil BeO jedoch sehr giftig ist. Es kann für das menschliche Atmungssystem gefährlich werden, wenn es in der Pulverform ist, das erzeugt wird, wenn der BeO-Flecken maschinell bearbeitet oder geschliffen wird. Saubere Anlagen und Sicherheitsmaßnahmen sind erforderlich, um sicherzustellen, daß das BeO sicher gehandhabt wird und daß ein unerwünschter Kontakt zu Menschen vermieden wird. Das Militär hat die Verwendung von BeO verboten, ausgenommen unter außerordentlichen Umständen. Es gibt eine durch die Regierung veranlaßte Initiative, um BeO durch BN zu ersetzen.
Ein anderer Nachteil der Baugruppen bzw. Gehäuse nach dem Stand der Technik ist der, daß ein "Dünn"-Kontakt ("thin" pad) aus BeO verwendet wird, wenn BeO eine Komponente ist. Der Kontakt bzw. Kontaktflecken wird an die Wärmesenke durch eine Vorform angesetzt, die zwei Zwischenflächen erzeugt: Kontaktflecken-zu-Vorform und Vorform-zu-Wärmesenke. Diese Zwischenflächen verringern die thermische Leitfähigkeit der Verbindung und erfordern zusätzliche Verarbeitungsschritte.
Obwohl BeO ferner eine hohe thermische Leitfähigkeit bis zu ungefähr 200ºC bis 250ºC hat, verringert sich seine Funktionsfähigkeit mit steigender Temperatur. Versuche, den RF-Transistor hinter dem normalen Betriebspegel auf höheren Leistungspegeln zu betreiben, werden deshalb fehlschlagen, weil der BeO- Kontaktflecken thermisch gesättigt wird und unfähig ist, die erzeugte Wärme abzuleiten. Wenn die Wärmeableitung fehlschlägt, wird der RF-Transistor zurückgehen und seine Leistung wird einfach abfallen. Ein solcher Abfall ist bei vorhandenen RF-Transistorbaugruppen bzw. -gehäusen typisch.
Um die thermische Bewältigung bzw. Management zu verbessern, sind Diamantabstandshalter verwendet worden. Diamant ist ein hervorragender thermischer Leiter, der in das RF-Transistorgehäuse bzw. -baugruppe einbezogen werden kann. Ein Gehäuse bzw. eine Baugruppe, die Diamant verwendet, wird Wärme wesentlich schneller ableiten als BeO und kann hohe Leistungspegel erreichen, ohne abzufallen. Diamant ist jedoch ein sehr teures Material. Seine Verwendung deutet die Wichtigkeit der thermischen Bewältigung bzw. des thermischen Managements in Baugruppen bzw. Gehäusen von Hochleistungs-RF- Transistoren an.
Der BeO-Flecken bzw. -Kontaktflecken, der verwendet wird, ist im allgemeinen ungefähr 1 bis 1,5 mm dick. Eine derartige Dicke ist erforderlich, weil die mechanische Beständigkeit von BeO gering ist. Falls er unzureichend dick ist, kann der Kontaktflecken brechen oder entweder während des Ansetzens oder später beim Erwärmen während der Verwendung brechen oder splittern bzw. reißen. Folglich wird die Gesamthöhe des RF-Bauelements bzw. -Gehäuses vergrößert, wenn ein BeO-Flecken verwendet wird.
Meistens werden RF-Transistoren, die in Hochleistungs- und Hochfrequenzbereichen arbeiten, aus verschiedenen Halbleiterchips bzw. -würfelchen hergestellt, die parallel innerhalb eines einzelnen Gehäuses oder einer Anordnung arbeiten. Große Anzahlen an komplizierten internen Teilen, die hohe Kosten haben, werden verwendet, die eine übermäßige Anzahl von geschweißten oder gelöteten Anschlüssen erfordern, die die Verläßlichkeit beeinträchtigen. Es wäre wünschenswert, monolithische Schaltungen herzustellen, in denen die Halbleiterchips auf dem gleichen Substratmaterialstück betrieben werden.
Die RF-Transistoren haben auch typischerweise einen oder mehrere Kopfflächenkontakte und zumindest einen Grundflächenkontakt. Folglich gibt es eine Anordnung mit mehreren Anschlußebenen. Eine derartige Anordnung ist problematisch, weil sie mehr interne Zwischenverbindungen erfordert, die Leiterlänge vergrößert und die Induktivität anhebt. Parasitäre Kopplungen zwischen Eingangs- und Ausgangsschaltungen verursachen Verluste und ungewollte Rückkopplungseffekte, die die Funktionsfähigkeit mindern. Einzelne obere ebene Oberflächenkontakte sind wünschenswert.
Die WO-88/02554, die dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht, offenbart einen Hochleistungstransistor für hohe Frequenzen, der aufweist, eine zur Montage bzw. Aufbau auf einer metallischen Wärmesenke angepaßte Grundfläche bzw. Bodenfläche; einen Basisbereich; einen Metallkontakt der Basis, der elektrisch an den Basisbereich angeschlossen ist; einen Emitterbereich innerhalb des Basisbereichs, der einen Emitter-Basisanschluß bildet; einen Emitter- Metallkontakt, der elektrisch an den Emitterbereich angeschlossen ist; einen Kollektorbereich, der einen Basis-Kollektorkontakt bildet; einen Kollektormetallkontakt, der elektrisch an den Kollektorbereich angeschlossen ist; und eine isolierende Schicht, die den Metallkontakt der Basis, den Emittermetallkontakt und den Kollektormetallkontakt elektrisch trennt, wobei eine ebene bzw. planare Kopffläche bzw. obere Fläche auf dem Transistor durch den Metallkontakt der Basis, den Emittermetallkontakt und den Kollektormetallkontakt ausgebildet ist.
Um die vorhandenen RF-Transistor-Baugruppen bzw. -Gehäuse zu verbessern, wird ein neuer bipolarer, monolithischer Hochleistungs-RF-Transistor mit getrennten oberen Kollektorkontakten bzw. Kopfkollektoranschlüssen zur Verfügung gestellt. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht einen verbesserten Transistor vor, der wirksam und verläßlich selbst in Hochleistungs- und Hochfrequenzbereichen arbeitet. Die Ausführungsform verbessert das thermische Management bzw. die thermische Bewältigung in der RF-Transistorbaugruppe, wobei Wärme so schnell abgeleitet wird, wie sie erzeugt wird, indem eine vertikale Isolation bzw. Trennung vorgesehen ist. Indem diese in Beziehung zueinanderstehenden Aufgaben gelöst werden, werden Leistungsverringerungen vermieden.
Die Ausführungsform ersetzt den typischerweise thermisch leitenden, elektrisch isolierenden BeO-Montage- bzw. -Aufbauflecken und vermeidet dadurch die Probleme, die bei der Verwendung eines derartigen Fleckens inhärent auftreten. Eine derartige Ersetzung wird bevorzugt vorgenommen, ohne teure Materialien, wie etwa Diamant, einzubeziehen. Die Ausführungsform kann herkömmliche Planarprozeßschritte und -anlagen, und um die erforderlichen Prozeßschritte zu vereinfachen, beim Herstellen der verbesserten RF-Transistorbaugruppe verwenden. Eine Vereinfachung ist z.B. möglich, indem der übliche Schritt des Ansetzens des BeO-Fleckens an die Wärmesenke vermieden wird.
Bei der Ausführungsform sind sämtliche Kontakte, einschließlich einem getrennten Kollektor auf der Kopffläche bzw. der oberen Oberfläche des Gehäuses bzw. der Baugruppe vorgesehen. Bei der Ausführungsform ist ein RF-Transistor auf einem intrinsischen, elektrisch isolierenden Substrat aufgebaut, so daß der Transistorchip bzw. -würfel unmittelbar auf der Wärmesenke montiert werden kann. Der RF-Transistor der Ausführungsform kann in einer monolithischen Schaltung hergestellt werden, indem der RF-Transistor lateral bzw. seitlich getrennt wird; unterschiedliche elektrische Komponenten können auf dem gleichen Stück Substratmaterial angeordnet werden. Eine derartige laterale Trennung löst auch das Problem der parasitären Kapazität, die insbesondere in Hochleistungs-RF-Transistoren betont ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bipolar- Hochleistungstransistor für hohe Frequenzen zur Verfügung gestellt, der enthält: eine Grundfläche, die auf einer metallischen Wärmesenke (14) aufgebaut ist; einen zweiten leitenden Basisbereich (22); einen Metallkontakt (30) der Basis, der elektrisch an den Basisbereich (22) angeschlossen ist; einen ersten Emitterleitungsbereich (24) innerhalb des Basisbereichs (22), der einen Emitter-Basis-Anschluß ausbildet, wobei die erste Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der zweiten Leitfähigkeit ist; einen Emitter-Metall- Kontakt (28), der elektrisch an den Emitterbereich angeschlossen ist; einen ersten Kollektorleitungsbereich (16, 18), der einen Basis-Kollektor-Anschluß bildet; einen Kollektor-Metall-Kontakt (32), der elektrisch an den Kollektorbereich (16, 18) angeschlossen ist; und eine Isolierschicht (20), die den Metallkontakt (30) der Basis, den Emitter-Metall-Kontakt (28) und den Kollektor-Metall-Kontakt (32) isoliert; dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kollektor-Metall-Kontakt (32) in den Kollektorbereich (16, 18) erstreckt und eine Grundfläche hat, die innerhalb des Kollektorbereichs (16, 18) angeordnet ist, und durch ein thermisch leitendes, elektrisch isolierendes Siliziumsubstrat (12) mit '100'-orientiertem, intrinsischem Silizium, das einen Widerstand größer als 1000 Ohm-cm hat, wobei das Substrat unmittelbar auf der metallischen Wärmesenke (14) angeordnet ist und über welchem Substrat der Kollektorbereich ausgebildet ist und der Basisbereich und der Emitterbereich ausgebildet sind, wodurch der Transistor vertikal getrennt ist.
Folglich wird ein verbesserter Hochleistungstransistor für hohe Frequenzen des Typs offenbart, der aufweist, eine Grundfläche, die angepaßt ist, um auf einer metallischen Wärmesenke aufgebaut zu werden; einen Basisbereich; einen Basismetallkontakt, der elektrisch an den Basisbereich angeschlossen ist; einen Emitterbereich innerhalb des Basisbereichs, der einen Emitterbasiskontakt bzw. -Anschluß ausbildet; einen Emittermetallkontakt, der elektrisch an den Emitterbereich angeschlossen ist; einen Kollektorbereich, der einen Basiskollekturanschluß bildet; einen Kollektormetallkontakt, der elektrisch an den Kollektorbereich angeschlossen ist; und eine Isolierschicht, die den Basismetallkontakt, den Emittermetallkontakt und den Kollektormetallkontakt elektrisch trennt. Die Verbesserung, die einen vertikal getrennten Transistor erzielt, umfaßt ein thermisch leitendes, elektrisch isolierendes Substrat, das unmittelbar auf der Wärmesenke angeordnet ist und auf dem die Transistorkomponenten (einschließlich Kollektor, Basis und Emitter) aufgewachsen sind, und eine planare bzw. ebene Kopffläche bzw. obere Fläche auf dem Transistor, die durch den Basismetallkontakt, den Emittermetallkontakt und den Kollektormetallkontakt ausgebildet ist.
Die Erfindung wird am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung zu verstehen sein, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Darstellungen gelesen wird, in denen
Fig. 1 eine querschnittliche Ansicht eines monolithischen Hochleistungs-RF-Transistors mit getrennten Kopfkollektorkontakten gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung. Es wird betont, daß die verschiedenen Schichten der Darstellung entsprechend den allgemeinen Gepflogenheiten bei der Darstellung von Halbleitern nicht maßstabsgetreu sind. Im Gegenteil, sind die Breite oder Länge und Dicke der verschiedenen Schichten willkürlich für die Klarheit erstreckt oder verringert worden.
Der Bipolartransistor ist eine elektrische Einrichtung mit zwei p-n- Kontakten in unmittelbarer Nähe. Ein solcher Transistor weist drei aktive Bereiche auf: einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor. Typischerweise sind die zwei p-n- Kontakte der Emitterbasis- und der Kollektorbasiskontakte in einem einzigen Stück aus Halbleitermaterial und sind über einen bestimmten Abstand getrennt. Dieser Abstand ist sehr wichtig. Er ist zumeist immer geringer als 10 µm und für Bipolarhochleistungstransistoren üblicherweise geringer als 0,5 µm. Die Veränderung des Stromflusses in einem p-n-Kontakt durch eine Änderung der Vorspannung des nahe dabei befindlichen Kontakts wird als Bipolartransistoraktion bezeichnet.
Externe Leiter können an jeden der drei Bereiche angesetzt werden. Durch derartige Leiter können Eingangsspannungen und -ströme an die Einrichtung übergeben werden und Ausgangsspannungen und -ströme davon abgenommen werden. Falls der Emitter und der Kollektor n-Typ dotiert sind und die Basis p-Typ dotiert ist, wird die Einrichtung als n-p-n-Transistor bezeichnet, wie es in Fig. 1 gezeigt wird. Falls die entgegengesetzte Dotierungskonfiguration verwendet wird, ist die Einrichtung ein p-n-p-Transistor.
Fig. 1 zeigt, daß das Startmaterial für den Transistor 10 nach der vorliegenden Erfindung ein thermisch hochleitfähiges, elektrisch isolierendes "100"- orientiertes intrinsisches Siliziumsubstrat 12 ist, das einen Widerstand von größer als 1000 Ohm-cm hat. Durch die Verwendung des Substrats 12 kann der Transistor 10 unmittelbar auf der Wärmesenke 14 der Baugruppe ohne das Erfordernis nach BeO montiert bzw. aufgebaut werden. Die Wärmesenke 14 ist typischerweise ein Kupfer- oder Elkonitflansch.
Sämtliche "intrinsische" Materialien haben leichte Restverunreinigungen. Falls ein n-p-n-Transistor hergestellt wird, sollte das intrinsische Substrat 12 Restverunreinigungen vom p-Typ haben. Falls ein p-n-p- Transistor hergestellt wird, sollte das intrinsische Substrat 12 Restverunreinigungen vom n-Typ haben. Folglich sind die leichten Restverunreinigungen in einem intrinsischen Siliziumsubstrat 12 bevorzugt von dem entgegengesetzten Typ zu dem dotierten Typ des Emitters und des Kollektors und gleich dem dotieren Typ der Basis. Eine solche bevorzugte Ausführungsform wird den potentiellen Leckpfad verringern.
Der Transistor 10 wird unter Verwendung des wohlbekannten Planarprozesses hergestellt. Die spezifischen Einrichtungsabmessungen, Dotierungskonzentrationen und Verfahrensabfolgen, die zur Herstellung des Transistors 10 verwendet werden, sind jene, die im Stand der Techhik typisch sind; die unten aufgezeigten Parameter werden einbezogen, um ein Gefühl für den relativen Bereich zweckmäßiger Charakteristiken zu vermitteln.
Der Kollektorbereich besteht aus einer stark n-dotierten (N&spplus;) Subkollektorschicht 16, die unter einer leicht n-dotierten epitaktischen Superkollektor(N&supmin;)-Schicht 18 aufgewachsen ist. Beide Schichten sind typischerweise aus Silizium vom n-Typ. Die N&spplus;-Schicht 16 weist eine hohe Leitfähigkeit, einen geringen Widerstand, eine Dicke von näherungsweise 200 bis 10.000 µm und eine Konzentration an Dotieratomen von 10¹&sup8; bis 10¹&sup9; pro Kubikzentimeter auf. Die N&supmin;- Schicht 18 ist bis zu einer Dicke von zwischen 0,1 und 5 µm auf die N&spplus;-Schicht 16 in einer herkömmlichen Weise aufgewachsen, indem eine Flüssig- oder Dampfphasenepitaxie verwendet wird, oder durch Abscheiden einer polykristallinen Schicht, gefolgt durch die Rekristallisation (wie es in dem US-Patent Nr. 4,651,410 offenbart ist, das an Feygenson erteilt worden ist). Die N&spplus;-Schicht 18 kann bis zu einer Konzentration von 10¹&sup5; bis 10¹&sup6; Dotieratome pro Kubikzentimeter dotiert werden.
Obwohl Material vom n-Typ als die Zusammensetzung für den Kollektorbereich zu Zwecken der Darstellung gewählt wurde, ist es verständlich, daß Material vom p-Typ auch verwendet werden kann. Falls dem so ist, wären der Leitfähigkeitstyp des Halbleitermaterials und der Dotierstoffe umgekehrt, wobei folglich eher ein p-n-p- als ein n-p-n-Transistor hergestellt würde.
Der stark dotierte Kollektorbereich stoppt die Thyristortätigkeit sowohl durch Rekombination als auch durch die Reduktion der Injektionswirksamkeit des Substrats 12 in dem Kollektorbereich. Zusätzlich, wenn der Kollektorbereich vorgespannt wird, erstreckt sich ein Verarmungsbereich durch das Substrat 12. Die Dicke des Verarmungsbereiches steuert die parasitäre Kapazität. Wenn Isolationsrillen bzw. -gräben durch den Kollektorbereich verwendet werden, beeinträchtigt jedoch nur der aktive Bereich der monolithischen Schaltung die parasitäre Kapazität. Eine ordentliche Konstruktiön bzw. Schaltungsaufbau begrenzt diesen aktiven Bereich auf ungefähr 30% des Chipbereichs.
Sobald der Kollektorbereich an seinem Platz ist, werden ein Basisbereich 22 und ein Emitterbereich 24 ausgebildet. Die Basis 22 ist ein Silizium vom p-Typ mit einer typischen Tiefe von 0,5 bis 3,25 µm und einer Konzentration an Atomen von 10¹&sup6; bis 10¹&sup9; pro Kubikzentimeter. Der Emitter 24 ist ein Silizium vom n-Typ mit einer Tiefe von typischerweise 0,25 bis 2,5 µm und einer Konzentration von 10²&sup0; bis 10²² Atomen pro Kubikzentimeter. Durch ein herkömmliches thermisches Oxidwachstum, Photolithographie und Ätztechniken wird ein isolierende Siliziumdioxidschicht 20 mit Öffnungen oberhalb des Bereichs zur Verfügung gestellt, in dem der integrierbare Bipolartransistor auszubilden ist. Die Schicht 20 kann näherungsweise 0,2 bis 6 µm dick sein und ist bevorzugt so dick wie möglich, um die parasitäre Kapazität insbesondere bei hohen Frequenzen zu verringern.
Da die Stromflußwege innerhalb des Transistors 10 einen bemerkenswerten Widerstand haben, können parasitäre Serienwiderstände in jedem der drei Hauptbereiche der Einrichtung vorkommen. Der Kollektorserienwiderstand, der Basisserienwiderstand und der Emitterserienwiderstand müssen jeweils so klein wie möglich sein. Ähnliche parasitäre Kapazitäten existieren auch und müssen minimiert werden.
Der verwendete Dotierstoff, um die Schichten vom n-Typ zu erzeugen, kann Phosphor, Arsen, Antimon oder dergleichen sein. Arsen wird häufig bevorzugt, weil es einen geringeren Diffüsionskoeffizienten hat, wobei schärfer festgelegte Basisemitterkontakte, eine verstärkte Funktionsfähigkeit und Schichten mit niederem Widerstand zur Verfügung gestellt werden. Arsen hat eine Festkörperlöslichkeit, die 15mal größer als die von Antimon und 1,5mal größer als die von Phosphor ist. Folglich ist Arsen zu bevorzugen, weil es mehr Verunreinigungen ergibt, die zur Stromleitung verfügbar sind. Bor wird typischerweise als der Dotierstoff in der Basis 22 vom p-Typ verwendet. Typische Verfahren, die verwendet werden, um die verschiedenen Schichten zu dotieren, enthalten eine Abscheidung von gasförmigen oder Oxidquellen, Ionenimplantation und die Diffusion, um die Konzentrationen und Tiefen einzustellen. Der Emitter, die Basis und die Kollektormetallkontakte werden dann allesamt in der Kopffläche bzw. der oberen Oberfläche des Transistors 10 ausgebildet. Der Emittermetallkontakt 28, der Basismetallkontakt 30 und der Kollektormetallkontakt 32 bilden eine planare bzw. ebene Oberfläche 26.
Eine solche Plazierung vereinfacht die Zwischenfläche des Transistors 10 zu anderen Komponenten und verringert die Gesamtabmessungen des Transistors. Die Anordnung des Kollektormetallkontaktes 32 auf der oberen Oberfläche des Transistors 10 verringert auch unerwünschte Kapazitätseffekte. Die Leiter 36, 38 und 40 werden dann elektrisch an jeden der drei Metallkontakte angesetzt.
Wendet man sich insbesondere der Ausbildung des getrennten Kollektormetallkontakts 32 zu, wird zuerst ein Graben in dem Kopf des Transistors 10 vorgesehen. Die Rille bzw. der Graben erstreckt sich durch das Oxid 20, die N&supmin;- Schicht 18 und teilweise in die N&spplus;-Schicht 16. Die elektrische Verbindung zwischen dem Kollektormetallkontakt 32, wenn er in dem Graben ausgebildet ist, und der N&spplus;- Schicht 16 ermöglicht das auftreten der Abscheidung bzw. der Ansammlung. Der Kollektormetallkontakt 32 erstreckt sich über das Oxid 20, um einen Kopfflächenkontakt für einen externen elektrischen Anschluß bzw. Verbindung zur Verfügung zu stellen. Die Metallisierung des Grabens bzw. der Rille, um den Kollektormetallkontakt 32 zu bilden, wird unter Verwendung herkömmlicher physikalischer Dampfabscheidungsverfahren, wie etwa Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfüng, vorgenommen.
Typischerweise wird ein Ätzverfahren verwendet, wie etwa reaktives Ionenätzen, um den Graben bzw. die Rille zu erzeugen. Andere Verfahren sind möglich. Falls ein isotropes Ätzen verwendet wird, wird die Rille bzw. der Graben so breit wie tief sein und wird eine im wesentlichen kreisförmige Form haben. Ein anisotropes Ätzen wird bevorzugt. Ein anisotropes Naßätzen stellt einen V-förmigen Graben zur Verfügung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Das Plasma- oder reaktive Ionenätzen kann eine Rille bzw. einen Graben erzeugen, der in seiner Gestalt rechtwinklig mit einem hohen Breiten-zu-Tiefen-Längenverhältnis ist. Typischerweise kann ein 7 µm tiefer Graben eine obere Öffnung von 1 mm haben. Jede Grabenform hat einen Vorteil und einen Nachteil.
Der rechtwinklige Graben benötigt weniger Fläche als es der V-förmige Graben tut. Folglich ist mehr Substrat 12 verfügbar, um den aktiven Transistor zu tragen und die Transistorzellen können dichter zusammengepackt werden. Andererseits ist es sehr schwierig, einen Graben zu metallisieren, der einen quadratischen Querschnitt hat. Obwohl der V-förmige Graben mehr Fläche erfordert, ist es leichter, ihn zu bearbeiten und insbesondere zu metallisieren. Eine gute Kontaktmetallisierung wird verläßlicher unter Verwendung des V-förmigen Grabens erzielt.
In jedem Fall wird der Graben, sobald er ausgebildet ist, metallisiert, um einen Kollektormetallkontakt 32 zu ergeben, der einen guten ohm'schen Kontakt zu der N&spplus;-Schicht 16 hat. Das Ergebnis ist die vertikale Trennung unter Verwendung eines oberen Kollektors bzw. Kopfkollektors und eines elektrisch isolierenden Substrates. Eine solche vertikale Trennung löst das Problem, das herkömmliche RF- Transistoren zur thermischen Bewältigung bzw. zum thermischen Management bergen: die Beseitigung von BeO und die Verwendung eines intrinsischen Siliziumsubstrats 12 wird thermische Verbesserungen der Größenordnung von 40 bis 60% erzielen.
Der Transistor 10 bietet genauso eine Anzahl von unterschiedlichen Vorteilen bei der Herstellung. Die Herstellungsschritte, die verwendet werden, um den Transistor 10 herzustellen, sind gut eingeführt und weniger sind erforderlich als bei herkömmlichen Transistoren. Folglich wird eine vergrößerte Ausbeute erzielt. Die vertikale Trennung ermöglicht es dem Transistor 10, weniger Fläche als herkömmliche Transistoren zu erfordern. Folglich wird eine erhöhte Packungsdichte erhalten.
Der Transistor 10 bietet auch elektrische Vorteile. Ein erfolgreich aufgebauter Prototyp mit den Konstruktionszielparametern von 15 Watt, 12,5 Volt und 175 Megahertz stellt eine Verstärkung von 8,5 dB und 65% Kollektoreffizienz zur Verfügung. Er zeigte auch eine hervorragende Überlastfähigkeit, ohne Leistungsabfall, weil das thermische Management der Einrichtung gegenüber den herkömmlichen Transistorbaugruppen verbessert war. Ähnlich wird es erwartet, daß die Kühleinrichtungstemperaturen die mittlere Zeit, bis die Einrichtung fehlerhaft arbeitet, ansteigen lassen wird und daß die Anschlußtemperaturen der Kühlereinrichtung die Verläßlichkeit fördern werden.
Der Transistor 10 der vorliegenden Einrichtung, die vertikal getrennt ist, ist sehr gut für die seitliche Trennung angepaßt. Die seitliche Trennung würde die Kapazitätsprobleme lösen, die den herkömmlichen Einrichtungen anhaften. Werden die Grundsätze, die zu den oben im Hinblick auf die vertikale Trennung erörterten ähnlich bzw. gleich sind, verwendet, kann der RF-Transistor als Bestandteil einer wirklichen RF-"Platte" (true RF "disc") oder als Teil einer monolithischen Schaltung oder eines Verstärkerblocks einbezogen werden. Die laterale Trennung ermöglicht es zusätzlichen Transistoren oder unterschiedlichen elektrischen Einrichtungen, auf dem gleichen Substrat 12 betrieben zu werden. Eine derartige laterale bzw. seitliche Trennung zwischen Einrichtungen kann auf mehrere Arten erzielt werden, wie etwa indem ein vertikaler Graben 34 verwendet wird, der konstruiert ist, um die elektrisch aktiven Bereiche des Transistors 10 von gleichen bzw. ähnlichen Bereichen in benachbarten Einrichtungen zu trennen.
Obwohl die Erfindung gemäß den Ansprüchen hierin als in einem bipolaren, monolithischen Hochleistungs-RF-Transistor verkörpert dargestellt worden ist, der eine planare Kopfoberfläche bzw. obere Fläche und eine Grundfläche hat, die zum Aufbau bzw. zur Montage auf einer metallischen Wärmesenke angepaßt sind, enthält der Transistor ein thermisch leitendes und elektrisch isolierendes Substrat, das unmittelbar auf der Wärmesenke angeordnet ist; einen Kollektorbereich eines Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps, das auf dem Substrat aufgewachsen ist; einen diskreten Basisbereich eines Halbleitermaterials vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, der innerhalb der Grenze des Kollektorbereichs ausgebildet ist und damit einen Basiskollektorkontakt definiert; einen Emitterbereich eines Halbleiters eines ersten Leitfähigkeitstyps, der innerhalb der Grenzen des Basisbereichs ausgebildet ist und damit einen Emitterbasiskontakt definiert; eine isolierende Schicht, die die freigelegte Kopfoberfläche bzw. obere Oberfläche des Basisbereichs, des Emitterbereichs und des Kollektorbereichs mit diskreten Öffnungen überdeckt, wobei getrennte elektrische Kontakte zu dem Basisbereich, dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich ermöglicht werden; und einem Basismetallkontakt, einem Emittermetallkontakt und einem Kollektormetallkontakt, die eine ebene bzw. planare Kopfoberfläche bzw. obere Oberfläche des Transistors bilden; wodurch der Transistor vertikal bzw. senkrecht getrennt ist, wobei es nichtsdestotrotz nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die gezeigten Einzelheiten zu beschränken.

Claims

1. Bipolar-Hochleistungstransistor für hohe Frequenzen, der aufweist: eine Grundfläche, die auf einer metallischen Wärmesenke (14) aufgebaut ist; einen zweiten leitenden Basisbereich (22); einen Metallkontakt (30) der Basis, der elektrisch an den Basisbereich (22) angeschlossen ist; einen ersten Emitterleitungsbereich (24) innerhalb des Basisbereichs (22), der einen Emitter-Basis-Anschluß ausbildet, wobei die erste Leitfähigkeit entgegengesetzt zu der zweiten Leitfähigkeit ist; einen Emitter-Metall-Kontakt (28), der elektrisch an den Emitterbereich angeschlossen ist; einen ersten Kollektorleitungsbereich (16, 18), der einen Basis-Kollektor-Anschluß bildet; einen Kollektor- Metall-Kontakt (32), der elektrisch an den Kollektorbereich (16, 18) angeschlossen ist; und eine Isolierschicht (20), die den Metallkontakt (30) der Basis, den Emitter-Metall- Kontakt (28) und den Kollektor-Metall-Kontakt (32) isoliert; dadurch gekennzeichnet,

daß sich der Kollektor-Metall-Kontakt (32) in den Kollektorbereich (16, 18) erstreckt und eine Grundfläche hat, die innerhalb des Kollektorbereichs (16, 18) angeordnet ist, und

durch ein thermisch leitendes, elektrisch isolierendes Siliziumsubstrat (12) mit '100'-orientiertem, intrinsischem Silizium, das einen Widerstand größer als 1000 Ohm-cm hat, wobei das Substrat unmittelbar auf der metallischen Wärmesenke (14) angeordnet ist und über welchem Substrat der Kollektorbereich ausgebildet ist und der Basisbereich und der Emitterbereich ausgebildet sind,

wodurch der Transistor vertikal getrennt ist.

2. Transistor nach Anspruch 1, in dem:

der Kollektorbereich (16, 18) eine freigelegte obere Oberfläche und eine Grundfläche hat, die auf dem Substrat ausgebildet sind;

der Basisbereich (22) innerhalb der Grenze des Kollektorbereichs ausgebildet ist und darin einen Basis-Kollektor-Kontakt festlegt, wobei der Basisbereich eine obere Oberfläche mit Abschnitten hat, die an der oberen Oberfläche des Kollektorbereichs freigelegt sind;

der Emitterbereich (24) innerhalb der Grenze des Basisbereichs ausgebildet ist und darin einen Emitter-Basis- Kontakt festlegt, wobei der Emitterbereich eine obere Oberfläche hat, die an der oberen Oberfläche des Basisbereichs freigelegt ist;

die isolierende Schicht (20) die freigelegte obere Oberfläche des Kollektorbereichs, den Basisbereich und den Emitterbereich überdeckt, wobei die isolierende Schicht getrennte Öffnungen hat, die einen elektrischen Kontakt zu dem Basisbereich, dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich ermöglichen;

der Metallkontakt (30) der Basis einen Abschnitt der ebenen oberen Oberfläche des Transistors bildet, und der Metallkontakt der Basis:

(a) einen Abschnitt hat, der den Basisbereich (22) überdeckt,

(b) elektrisch an den Basisbereich (22) über eine erste Öffnung in der isolierenden Schicht (20) angeschlossen ist, und

(c) die isolierende Schicht (20) in Bereichen über deckt, wo der Metallkontakt (30) der Basis den Kollektor bereich (16, 18) überdeckt;

der Emitter-Metall-Kontakt (28) einen Abschnitt der ebenen oberen Oberfläche des Transistors ausbildet, wobei der Emitter-Metall-Kontakt:

(a) einen Abschnitt hat, der den Emitterbereich (24) überdeckt,

(b) elektrisch an den Emitterbereich (24) über eine zweite Öffnung in der isolierenden Schicht (20) angeschlossen ist,

(c) die isolierende Schicht (20) in Bereichen überdeckt, in denen der Emitter-Metall-Kontakt (28) einen des Kollektorbereichs (16, 18) und des Basisbereichs (22) überdeckt, und

(d) von dem Metallkontakt der Basis (30) durch die isolierende Schicht (20) isoliert ist;

der Kollektor-Metall-Kontakt (32) einen Abschnitt der ebenen oberen Oberfläche des Transistors bildet und elektrisch an den Kollektorbereich (16, 18) über eine dritte Öffnung in der isolierenden Schicht (20) angeschlossen ist, wobei der Kollektor-Metall-Kontakt (32) von dem Metallkontakt der Basis (30) und von dem Emittermetallkontakt (28) durch die isolierende Schicht (20) isoliert ist; und

externe Leiter (36, 38, 40) elektrisch an jeden der Metallkontakte von der Basis (30) des Emitter-Metall-Kontakts (28) und von dem Kollektor-Metall-Kontakts (38) angeschlossen sind.

3. Transistor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, in dem die isolierende Schicht (20) Siliziumdioxid ist.

4. Transistor gemäß Anspruch 1, in dem der Kollektorbereich (16, 18) einen Subkollektor (16) hat, der aus einem stark dotierten des ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitermaterials ausgebildet ist, das auf dem Substrat aufgewachsen ist, und eine Über- bzw. Superkollektorschicht (18), die aus einem leicht dotierten des ersten Leitfähigkeitstyps des Halbleitermaterials ausgebildet ist, das auf die Über- bzw. Superkollektorschicht aufgewachsen ist und wobei der Basisbereich (22) innerhalb der Grenze der Über- bzw. Superkollektorschicht (18) ausgebildet ist und sich der Kollektor-Metall-Kontakt (32) über die Überkollektorschicht (18) in die Subkollektorschicht (16) erstreckt.

5. Transistor gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem der Kollektor-Metall-Kontakt (32) ein Längenverhältnis von ungefähr 1 bis 7 hat.

6. Transistor gemäß Anspruch 5, in dem der Kollektor- Metall-Kontakt (32) rechtwinklig ist.

7. Transistor gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem der Kollektor-Metall-Kontakt (32) V-förmig ist.

8. Bipolare sowie monolithische Hochleistungs-RF-Transistorscheibe, die aufweist:

mehrere bipolare, monolithische Hochleistungs-RF-Transistoren gemäß dem Anspruch 2, wobei die Transistoren auf einem einzelnen thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Substrat arbeiten; und

Mittel zum Trennen von jedem der RF-Transistoren von benachbarten RF-Transistoren.

9. Bipolare, monolithische Hochleistungs-RF-Transistorscheibe gemäß Anspruch 8, in der das Mittel zum Trennen ein vertikaler Graben (34) ist.

10. Monolithische Schaltung, die aufweist: einen bipolaren, monolithischen Hochleistungs-RF-Transistor gemäß Anspruch 2, wobei zumindest eine andere elektrische Komponente auf dem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Substrat des Transistors arbeitet; und

Mittel zum Trennen des RF-Transistors von der anderen elektrischen Komponente.

11. Monolithische Schaltung gemäß Anspruch 10, in der das isolierende Mittel ein vertikaler Graben (34) ist.