DE69528203T2

DE69528203T2 - Transistor

Info

Publication number: DE69528203T2
Application number: DE69528203T
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa Sakamoto
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1994-02-02
Filing date: 1995-02-01
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2015-02-02
Also published as: EP0921574B1; EP0921574A3; EP0666600A2; DE69528203D1; US5637910A; DE69512101D1; EP0921574A2; DE69512101T2; EP0666600A3; EP0666600B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor mit hoher Durchbruchspannung. Genauer: Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor, der mit hoher Geschwindigkeit schalten kann.
Es werden bei bipolaren Leistungstransistoren zum Schalten von Leistungsquellen großer elektrischer Leistung, höherer Durchbruchspannung, größerer elektrischer Ströme, schnellerem Schalten und ein großem erlaubten Arbeitsbereich (SOA, Safe Operating Area) verlangt. Demzufolge wurde generell versucht, den ohmschen Widerstand zu erhöhen durch Vergrößern des spezifischen Widerstands oder der Dicke der Kollektorschicht. Zum Erreichen einer höheren Durchbruchspannung ist bekannt, daß es effektiv ist, die Dicke des Basisbereichs zu erhöhen, weil die Konzentration des elektrischen Feldes im Krümmungsteil eines Pn-Übergangs herabgesetzt werden kann.
Darüber hinaus (siehe Fig. 8) ist auch bekannt, die Durchbruchspannung durch Verwendung eines Wafers mit großem ohmschen Widerstandwert oder durch Verwendung eines feldbegrenzenden Rings (FLR)44 beziehungsweise einer Feldplatte (FP)45 zu erhöhen. Genauer: Bei einem Planartransistor hoher Durchbruchspannung wird der theoretische Wert der Durchbruchspannung nicht erreicht, weil Verunreinigungen, wie beispielsweise elektrische Ladung an der Übergangsstelle der Oberfläche einer Halbleiterschicht und einer Isolierschicht, beispielsweise einer Oxidschicht, vorliegen. Deshalb wird ein Wafer mit höherem spezifischen Widerstandswert benutzt, als er dem theoretischen Wert entspricht, und es wird ein feldbegrenzender Ring 44 vorgesehen, um die Verarmungsschicht des Basis-Kollektor-Übergangs bis an die äußere Grenze des Kollektorbereichs auszudehnen, um die Durchbruchspannung zu verbessern (siehe beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung No. 135158/1986) oder die Elektrode für die negative Vorspannung wird erweitert, um die Oberfläche des Pn-Übergangs zu bedecken, um die positiven elektrischen Ladungen in der Oxidschicht des planaren Anschlusses durch das elektrische Feld zu kompensieren. Eine Feldplatte 45 mit einem stabilen Oberflächenzustand ist vorgesehen, wodurch die Durchbruchspannung verbessert wird.
Solch ein konventioneller Transistor enthält einen Kollektorbereich 41, der aus einer schwach n&supmin;-dotieren Halbleiterschicht 41b besteht, die durch Aufwachsen einer Epitaxieschicht auf ein hoch n&spplus;-dotiertes Halbleitersubstrat gebildet wurde, einen p-dotierten Basisbereich 42, der im Kollektorbereich 41 durch Diffusion gebildet wurde, einen hoch n&spplus;-dotierten Emitterbereich 43, der im Basisbereich 42 durch Diffusion gebildet wurde und einen p-dotierten feldbegrenzenden Ring 44, der dem Leitungstyp der Basis entspricht, und außerhalb des Basis-Kollektor-Übergangs vorgesehen ist, um den Basis- Kollektor-Übergang zu umgeben. Eine Feldplatte 45, die im Endteil der Basiselektrode gebildet wird, wird über dem pn- Übergang vorgesehen. Bezugszeichen 46 ist ein ringförmiger Bereich zur Begrenzung des Bauteils.
Der Aufbau ist der gleiche für einen Transistor mit einer Multi-Emitter- oder Multi-Basisstruktur. Der Betriebsstrom des Transistors erfordert einen hohen Ausgangsstrom, das heißt, der maximale Kollektorstrom hängt vorwiegend von der Fläche und der peripheren Länge des Emitters ab. Um den Betriebsstrom zu erhöhen, ist es erforderlich, die Fläche und die periphere Länge zu vergrößern, um die Stromdichte herabzusetzen. Von jetzt an wird ein Transistor mit einer Multi-Emitter- oder Multi- Basisstruktur betrachtet.
Um die Kenndaten eines Hochfrequenztransistor zu erhalten, ist es erforderlich, zur Verkleinerung der Sperrschichtkapazität die Dicke des Basisbereichs herabzusetzen, und die Durchlauf Zeit τb der Ladungsträger im Basisbereich zu verkürzen. Um andererseits die Durchbruchspannung zu erhöhen, ist es erforderlich, die Dicke des Basisbereichs, wie oben erwähnt, zu vergrößern. Wenn jedoch die Dicke des Basisbereichs vergrößert wird, werden die Hochfrequenzeigenschaften eingeschränkt. Als Folge wird die Schaltgeschwindigkeit niedrig. Um Hochfrequenzeigenschaften mit hoher Durchbruchspannung zu verbinden, schlug beispielsweise Tsutomu Nozaki in "Searching the Latest Trend of Transistor" (Transistor Technology, veröffentlicht durch CQ Publishing Co., Jan. 1993, pp. 300-301) einen Transistor mit kammförmiger Emitterstruktur vor (siehe Fig. 9).
Beim Transistor mit kammförmiger Emitterstruktur wird auf einen n-dotierten Kollektorbereich 56, ein p-dotierter Basisbereich 54, ein n-dotierter Emitterbereich 57a und eine Isolierschicht 58 gebildet (siehe Fig. 9). Im Basisbereich 54 werden kammförmige Emitterbereiche 57a gebildet. Diese sind derart ausgeführt, daß der Basisbereich 54 auf der Unterseite des Emitterbereichs 57a dünner ist. Öffnungen werden in den Isolierschichten 58 bei dem Emitterbereich 57 und dem Basisbereich 54 erzeugt; ein Emitterkontakt 52 und ein Basiskontakt 53 werden gebildet. Zur Verdrahtung wird die Emitterelektrode 51 beziehungsweise die Basiselektrode 55 mit dem Emitterkontaktfleck 49 beziehungsweise mit dem Basiskontaktfleck 50 verbunden. Als Ergebnis wird der Emitterbereich 57a in einer dünnen Kammform gebildet, und der Basisbereich 54 unterhalb des Emitterbereichs 57a ist dünn. Dies hat zur Folge, daß die Hochfrequenzeigenschaften verbessert werden. Der umgebende Basisbereich wird dick ausgebildet, wodurch eine höhere Durchbruchspannung gewährleistet ist.
Um andererseits die Speicherzeit abzukürzen, die wichtig für das Ausschaltverhalten ist (die Zeit, um in den aktiven Bereich zurückzukehren, indem die durch den Sättigungszustand in dem Basis- und Kollektorbereich angesammelte Überschußladungsträger ausgeräumt werden), wird beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 160165, S. 2, untere linke Spalte sowie in Fig. 1 und Fig. 2 ein Bipolartransistor vorgeschlagen, der die Speicherzeit effektiv steuern kann. Dieser Bipolartransistor wird durch Verbinden einer internen Basisschicht 64, die sich über der Kollektorschicht 62 und der epitaktischen Kollektorschicht 63 auf dem Halbleitersubstrat 61 ausbreitet, mit der Basisschicht 65 verbunden. Bei einem derartigen Transistor, der die interne Basisschicht 64 enthält, lassen sich die vom Emitter 66 injizierten Ladungsträger in der internen Basisschicht 64 einfach rekombinieren, wodurch die Ladungsträgerlebensdauer verkürzt wird. Werden die Ladungsträger beachtet, die auf der Kollektorseite injiziert werden, wenn der Transistor vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand übergeht, werden die Ladungsträger durch den inversen Basisstrom, der durch die niederohmige interne Basisschicht 64 fließt, absorbiert, und entsprechend rekombiniert. Da die Ladungsträger bei diesem Transistor durch die interne Basisschicht 64 absorbiert werden, kann die Speicherzeit kürzer als beim Stand der Technik sein.
Beim Transistor mit feldbegrenzendem Ring und Feldplatte zur Erhöhung der Durchbruchspannung sind feldbegrenzender Ring und Feldplatte üblicherweise außerhalb des Basisbereichs ausgeführt, und die Anzahl der feldbegrenzenden Ringe muß erhöht werden, um eine ausreichende Durchbruchspannung, die eine größeren Kollektorfläche erfordert, zur Verfügung zu haben. Als Folge wird eine größere Chipfläche in Anspruch genommen.
Wenn auch die Durchbruchspannung durch die Bildung des Kollektorbereichs in einer hochohmigen Schicht verbessert wird, ist die Sättigungsspannung VCE(sat) zwischen Kollektor und Emitter hoch, und die effektive Emitterfläche muß vergrößert werden, was eine vergrößerte Chipfläche zur Folge hat. Der Basisbereich muß dick ausgeführt sein, damit die Durchbruchspannung erhöht werden kann, was eine längere Diffusionszeit erforderlich macht; die Herstellungskosten werden erhöht.
Andererseits ist bei dem in Fig. 9 dargestellten Transistor der Basisbereich dünn; eine gewisse Hochfrequenzeigenschaft wird aufrechterhalten, und eine hohe Durchbruchspannung läßt sich realisieren. Jedoch können die Minoritätsladungsträger, die den Hinderungsgrund für ein hohe Schaltverhalten des Transistors bilden, nicht abgesaugt werden. Als Folge ist die Schaltzeit niedrig.
Da, bezogen auf den in Fig. 10 gezeigten Bipolartransistor, die Minoritätsladungsträger abgesaugt werden können, läßt sich eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielen. Da der Basisbereich dünn ist, ist der erlaubte Arbeitsbereich (SAO) eng, und eine Verbesserung der Durchbruchspannung ist ungenügend.
Die Dokumente Ep-A-0 133 339 und Ep-A-0 153 686 beschreiben einen Transistor, der einen Kollektorbereich von einem ersten Leitungstyp enthält, der auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht ist, der einen Basisbereich von einem zweiten Leitungstyp, der auf dem Kollektorbereich aufgebracht ist und der einen Emitterbereich vom ersten Leitungstyp, der auf dem Basisbereich aufgebracht ist. Die Anmeldung Ep-A-0 153 686 beschreibt eine Ein-Emitterstruktur, die Anmeldung Ep-A-0 133 339 beschreibt eine Multi- Emitterstruktur mit einer Vielzahl von isolierten Emittern, wobei jeder Emitter Teil einer Transistoreinheit oder einer Transistoruntereinheit ist. Jeder Transistor ist so ausgebildet, daß die Dicke des Basisbereichs unmittelbar unterhalb des Emitterbereichs geringer ist als die Dicke des Basisbereichs, der nicht mit dem Emitterbereich in Berührung steht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Transistor zu schaffen der in der Lage ist, Hochfrequenzeigenschaften beizubehalten, insbesondere mit einem großen sicheren Arbeitsbereich (SOA) bei hoher Durchbruchspannung, zu sehr schnellen Schaltvorgängen, einen hohen Verstärkungsfaktor und eine hohe Transitfrequenz aufzuweisen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Transistor, wie in Anspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beim Transistor der vorliegenden Erfindung wird jede Transistoreinheit oder jede Transistoruntereinheit so ausgeführt, daß die Dicke des Basisbereichs unmittelbar unterhalb des Emitterbereichs geringer ist als die Dicke des Basisbereichs außerhalb des Emitterbereichs, und deshalb wird der Basisbereich in einem π-förmigen Abschnitt gebildet, wobei die interne Basisschicht in π-förmigen Vertiefungen angeordnet ist. Hier bedeutet der erste und der zweite Leitungstyp: Wenn der erste Leitungstyp vom n-Typ oder vom p-Typ ist, ist der zweite Leitungstyp vom p-Typ oder vom n-Typ.
Der π-förmige Abschnitt des Basisbereichs wird in mindestens zwei nebeneinanderliegenden Transistoreinheiten kontinuierlich gebildet, und die internen Basisschichten werden in den Vertiefung des Basisbereichs der nebeneinanderliegenden Transistoreinheiten gebildet. Dies ist vorzuziehen, weil diese Struktur einfach ist. Das Innere der Transistoreinheit kann knapper ausgeführt werden, was eine Verkleinerung der Chipfläche ermöglicht.
Wenn darüber hinaus jede interne Basisschicht der Transistoreinheit mit dem Basisbereich der Transistoreinheit über eine Halbleiterschicht des Kollektorbereichs verbunden ist, so ist dies vorteilhaft, weil das Bauteil in den Abmessungen weiter reduziert wird.
Außerdem wird die interne Basisschicht mit dem hochdotierten Dotierungsbereich, der von der Oberfläche des Transistors stammt, verbunden. Sie wird mit der Basiselektrode durch Verdrahtung verbunden, und folglich ist sie mit der Basiselektrode durch den niederohmigen Bereich der hohen Dotierungskonzentration verbunden, ohne durch den hochohmigen Basisbereich hindurchtreten zu müssen, wodurch sich die Ladungsträger im Halbleiter schnell bewegen können, was für den Schaltbetrieb bei hoher Geschwindigkeit vorteilhaft ist.
Entsprechend dem Transistor der vorliegenden Erfindung wird der Basisbereich unmittelbar unterhalb des Emitterbereichs jeder Transistoreinheit dünn ausgeführt, und eine interne Basisschicht wird darunter erzeugt, so daß der Stromverstärkungsfaktor hFE und die Transitfrequenz fT in Abhängigkeit der Dicke des Basisbereichs erhöht werden kann, wobei die Restladungsträger im Kollektorbereich in kurzer Zeit durch die interne Basisschicht absorbiert werden können, was zu einem schnelleren Schaltbetrieb führt.
Der Basisbereich an beiden Seiten unmittelbar unterhalb des Emitterbereichs von jeder Transistoreinheit wird dick ausgeführt, und deshalb ist der erlaubte Arbeitsbereich groß, und die Durchbruchspannung wird angehoben.
Fig. 1 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines Transistors eines Beispiels 1, das zur Modifikation der Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm eine Dotierungskonzentration von jeder Schicht des Kollektorbereichs des Transistors vom Beispiel 1;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm als Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Transistors von Beispiel 1;
Fig. 4 zeigt eine Teilansicht der Struktur eines NPn- Transistors in Beispiel 2, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Fig. 5 zeigt einen Grundriß mit der Anordnung der internen Basisschicht des Transistors von Beispiel 2;
Fig. 6 zeigt eine Teilansicht der Strukturen der Basis- und der Emitterelektrode in einem Ausführungsbeispiel eines Multi-Emittertransistors in Beispiel 2;
Fig. 7 zeigt ein Ausschnittsdiagramm als Beispiel eines Herstellungsverfahrens des Transistors von Beispiel 2;
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt als Beispiel eines konventionellen Transistors;
Fig. 9 zeigt perspektivisch die Struktur eines konventionellen Multi-Emittertransistors; und
Fig. 10 zeigt eine Teilansicht einer schematischen Struktur eines anderen Beispiels eines konventionellen Multi- Emittertransistors.

Beispiel 1

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, wird ein Transistor genauer beschrieben, wobei einige Gesichtspunkte zur Modifizierung des Transistors der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der Transistor von Beispiel 1 einen Kollektorbereich 1, der eine zweite, schwach n&supmin;-dotierte Halbleiterschicht 1b enthält, die auf einer ersten Halbleiterschicht 1a, die ein hoch n&spplus;-dotiertes Halbleitersubstrat darstellt, aufgebracht wird, und eine dritte schwach n&supmin;-dotierte Halbleiterschicht 1c, die schwächer n-dotiert ist als die Halbleiterschicht 1b, und epitaktisch auf der zweiten Halbleiterschicht 1b auf gewachsen ist, einen p-dotierten Basisbereich 2, der beispielsweise in die dritte Halbleiterschicht 1c des Kollektorbereichs 1 eindiffundiert wurde, und ein hoch n&spplus;-dotierter Emitterbereich 3, der in den Basisbereich 2 eindiffundiert wurde.
Die zweite Halbleiterschicht 1b wird auf dem Halbleitersubstrat im Diffusionsverfahren oder durch Epitaxie erzeugt. Sie stellt den wesentlichen Teil des Kollektorbereichs 1 des Transistors dar. Ihr spezifischer Widerstand liegt zwischen 1 · 10¹ Ωcm und 1 · 10³ (Dotierungskonzentration: 5 · 10¹² cm&supmin;³ und 5 · 10¹&sup5; cm&supmin;³). Die dritte Halbleiterschicht 1c wird auf die zweite Halbleiterschicht 1b durch Epitaxie auf gewachsen. Die dritte Halbleiterschicht 1c ist dazu gedacht, die Durchbruchspannung auf der Halbleiterschichtoberfläche zu verbessern. Ihre Dicke beträgt einige Mikrometer bei einem spezifischen Widerstand von 1 · 10¹ Ωcm bis 1 · 10&sup4; Ωcm (Dotierungskonzentration: 5 · 10¹¹ cm&supmin;³ und 5 · 10¹&sup4; cm&supmin;³).
Die Beziehung zwischen der Tiefe von der Oberfläche des Halbleiters und der Dotierungskonzentration von jeder Halbleiterschicht kann beispielsweise Fig. 2 entnommen werden, bei der die Tiefe von der Oberfläche des Halbleiters auf der X-Achse abgetragen ist und die Dotierungskonzentration Nc auf der Y-Achse. In Fig. 2 wird die dritte Halbleiterschicht 1c beziehungsweise die zweite Halbleiterschicht 1b beziehungsweise die erste Halbleiterschicht 1a mit I beziehungsweise II beziehungsweise III gekennzeichnet.
Das heißt, im Transistor nach vorliegendem Beispiel wird die Sättigungsspannung des Transistors VCE(sat) niedrig eingestellt, und in der zweiten Halbleiterschicht 1b mit niedriger Dotierungskonzentration liegt eine solche Dotierungskonzentration vor, damit ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit erhalten wird, die dritte Halbleiterschicht 1c mit dem gleichen Leitungstyp, jedoch geringerer Dotierungskonzentration wie bei dem zweiten Halbleiterschicht 1b wird durch Epitaxie erzeugt, wobei der Kollektorbereich 1 gebildet wird. Folglich setzt sich der ohmsche Widerstand des Kollektorbereichs 1 aus der Summe der Widerstände R&sub1; + R&sub2; zusammen, wobei R&sub1; der ohmsche Widerstand der dritten Halbleiterschicht 1c zwischen der Unterkante des Basisbereichs 2 und der Oberkante der zweiten Halbleiterschicht 1b, und R&sub2; der ohmsche Widerstand der zweiten Halbleiterschicht 1c ist. Der spezifische Widerstand der dritten Halbleiterschicht 1c ist etwa zwei- bis zehnmal so groß wie der der zweiten Halbleiterschicht 1b. Die Tiefe H&sub1; zwischen der Unterkante des Basisbereichs 2 und der Oberkante der zweiten Halbleiterschicht 1b ist dünn, und beträgt nur etwa 1/10 der Tiefe H&sub2; der zweiten Halbleiterschicht 1b. Der ohmsche Widerstand R&sub1; ist kleiner als der ohmsche Widerstand R&sub2;. Deshalb entspricht der Gesamtwiderstand des Kollektorbereichs 1 näherungsweise dem Wert des Widerstandes R&sub2;. Weiter kann der Basisbereich 2 bis zur zweiten Halbleiterschicht 1b durchdiffundiert werden, wodurch der Widerstand R&sub1; eliminiert wird.
Wird als Ergebnis der spezifische Widerstand der zweiten Halbleiterschicht 1b so gesetzt, als sei es ein theoretischer Wert, wird bei einer niedrigen Sättigungsspannung ein schnell schaltender Transistor erhalten. Andererseits, was die Durchbruchspannung anlangt, tritt ein Durchbruch wahrscheinlich an der Oberfläche der Halbleiterschicht auf, die empfindlich auf die Einwirkung elektrischer Ladung reagiert. Der hier betrachtete Teil wird von der dritten Halbleiterschicht 1c gebildet, die schwach dotiert ist und einen hohen spezifischen Widerstand hat. Sie widersteht einem Durchbruch, wie aus Formel (1) abgeleitet werden kann (siehe unten); es wird insgesamt ein Transistor mit einer hohen Durchbruchspannung erhalten. Die Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterschicht 1c, die einem Durchbruch widersteht und umgekehrt die Transistorkenndaten nicht beeinflußt, liegt bei 5 · 10¹¹ cm&supmin;³ und 5 · 10¹&sup4; cm&supmin;³ (spezifischer Widerstand 1 · 10¹ Ωcm bis 1 · 10&sup4; Ωcm). Ist die Dotierungskonzentration zu niedrig, wird der Widerstand R&sub1; für den Kollektorbereich 1 unterhalb des Basisbereichs 2 zu groß, und die Sättigungsspannung VCE(sat) ist zu hoch, was ein Abfall der Schaltgeschwindigkeit zur Folge hat. Wenn die Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht 1c zu hoch ist, ist sie gegenüber dem Durchbruch weniger widerstandfähig, das heißt, eine hohe Durchbruchspannung wird nicht erreicht.
Da unterdessen eine hohe Durchbruchspannung durch den hohen Widerstand der dritten Halbleiterschicht 1c erhalten wurde, kann die Sperrschicht für die Durchbruchspannung schmal sein. Die dritte Halbleiterschicht 1c wird in einer Tiefe von etwa 10 um bis 50 um und der Basisbereich 2 in einer Tiefe von etwa 5 um bis 50 um gebildet. Wegen der Durchbruchspannung sollte die Dicke des Basisbereichs größer sein, wenn jedoch die Dicke des Basisbereichs 2 auf solch einen kleinen Wert reduziert wird, wird eine ausreichende Durchbruchspannung erreicht, da die Durchbruchspannung beim Erniedrigen der Dotierungskonzentration erhöht wird. Es ergibt sich: Der Basisbereich 2 ist dünn und die Diffusionszeit zur Bildung des Basisbereichs wird kurz geheilten, wodurch die Kosten reduziert werden können.
Das Halbleitersubstrat, in dem sich die zweite Halbleiterschicht 1b befindet, kann entweder ein durch Diffusion entstandenes Substrat sein, das beispielsweise ein schwach n- dotiertes Halbleitersubstrat als zweites Halbleitersubstrat 1b verwendet, und eine n-Dotierung zusätzlich von der Rückseite vornimmt, um eine hoch n-dotierte erste Halbleiterschicht 1a zu bilden, oder ein durch Epitaxie aufgewachsenes Substrat mit einer schwach n-dotierten zweiten Halbleiterschicht 1b, die durch Epitaxie auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats, das aus einer hoch n-dotierten ersten Halbleiterschicht besteht, auf gewachsen wird. Das durch Diffusion gebildete Halbleitersubstrat hat mäßige Eigenschaften an der Übergangsstelle der Dotierungskonzentration (siehe Bereich S in Fig. 2) zwischen der zweiten Halbleiterschicht 1b und der ersten Halbleiterschicht 1a. Es widersteht kurzen Impulsen und hat einen großen erlaubten Arbeitsbereich, was sehr vorteilhaft ist. Das durch Epitaxie aufgewachsene Substrat ist an der Übergangsstelle der Dotierungskonzentration steil.
Folglich wird eine hohe Durchbruchspannung erreicht, indem eine hochohmige Halbleiterschicht aufgebracht wird. Sie kann jedoch auch in Verbindung mit dem feldbegrenzenden Ring oder der verwendeten Feldplatte verwendet werden. Die das Bauteil teilende Fläche um den Transistor und der ringförmige Bereich 6 wird nach der vorherigen Technik ausgeführt.
Das Herstellungsverfahren des Transistors des vorliegenden Beispiels wird nun anhand von Fig. 3 beschrieben.
Als erstes werden auf der Oberfläche der schwach n- dotierten Halbleiterschicht 1b mit der Dotierungskonzentration von etwa 5 · 10¹² cm&supmin;³ bis 5 · 10¹&sup5; cm&supmin;³ n-Dotierungsatome wie Arsen, Phosphor oder Antimon eindiffundiert, um eine hoch n- dotierte erste Halbleiterschicht 1a zu bilden. Die Tiefe der zweiten Halbleiterschicht 1b beträgt etwa 40 um bis 200 um oder besser 60 um bis 150 um. Ist die Schicht zu dick, wird die Sättigungsspannung VCE(sat) zu groß; ist sie zu dünn, wird wegen des Durchgreifeffekts keine hohe Durchbruchspannung erhalten. Auf die zweite Halbleiterschicht 1b wird eine dritte, schwach n- dotierte Halbleiterschicht 1c mit einer Dotierungskonzentration von etwa 5 · 10¹¹ cm&supmin;³ bis 5 · 10¹&sup4; cm&supmin;³ mit Hilfe von Epitaxie etwa 10 um bis 50 um oder besser 15 um bis 30 um auf gewachsen (siehe Fig. 3(a)).
Als nächstes wird von der Oberfläche der schwach n-dotierten dritten Halbleiterschicht 1c eine p-dotierte Basisschicht 2 durch Ionenimplantation oder durch eine Diffusionsmethode gebildet (siehe Fig. 3(b)). Das Bilden eines feldbegrenzenden Rings erfolgt gleichzeitig mit dem Bilden des Basisbereichs 2. Im mittleren Teil des dünnen Basisbereichs 2 werden Dotierungsatome wie Phosphor injiziert, und es wird ein hoch n-dotierter Emitterbereich 3 gebildet.
Schließlich, wenn auch nicht gezeigt, wird eine Isolierschicht auf die Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebracht, und ein Kontaktfenster wird auf der Isolierschicht gebildet, eine Basiselektrode auf dem oberen Teil des Basisbereichs 2 und eine Emitterelektrode des Emitterbereichs 3 werden erzeugt. Danach werden die Elektroden verdrahtet, um den Transistor herzustellen.
Das oben beschriebene Beispiel eines npn-Transistors läßt sich auf einen pnp-Transistor oder einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) übertragen. Nach weiterem Aufbringen einer niederohmigen Schicht auf der dritten Halbleiterschicht kann der Transistor gebildet werden.
Da nach dem Transistor des vorliegenden Beispiels der Kollektorbereich eine Halbleiterschicht aus einer Halbleiterschicht mit solch einer Dotierungskonzentration besteht, wie es für den Transistorbetrieb und den spezifischen Widerstand für die theoretische Durchbruchspannung geeignet ist, und eine Halbleiterschicht mit niedriger Dotierungskonzentration und hohem spezifischen Widerstand an der Oberflächenseite erzeugt wird, wird ein schnelles Schaltverhalten bei niedriger Sättigungsspannung erhalten. Der Transistor mit hoher Durchbruchspannung wird durch die schwach dotierte Halbleiterschicht an der Oberflächenseite erhalten.
Darüber hinaus sollte die Sperrschichtbreite zum Erreichen einer Durchbruchspannung schmal sein, so daß die Schicht mit hohem Widerstand dünn ausgelegt werden kann. Die Basisschicht kann dünn sein, und als Folge läßt sich die Diffusionszeit verkürzen.

Beispiel 2

Der Transistor mit einer Multi-Emitteranordnung nach dem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung, wie in dem Ansprüchen beschrieben, wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung behandelt.
In Fig. 4 besteht ein Multi-Emittertransistor aus mehreren Transistoreinheiten, die aus einen Kollektorbereich 11 von einem ersten Leitungstyp bestehen, der beispielsweise einem schwach n- dotierten Typ entspricht, der durch Epitaxie auf ein Halbleitersubstrat auf gewachsen wurde, einem Basisbereich 12 von einem zweiten Leitungstyp, der beispielsweise einem n-dotierten Typ entspricht, der auf dem Kollektorbereich 11 durch Diffusion gebildet wurde, und Multi-Emitterbereichen 13 (13a, 13b, ...) von einem ersten Leitungstyp, beispielsweise einem n-dotierten Typ, der in einer Vielzahl von isolierten Formen z. B. durch Diffusion des Basisbereichs 12 gebildet wurde. Jede Transistoreinheit ist mit internen Basisschichten 14 (14a, 14b, ...) eines zweiten Leitungstyps, beispielsweise einem hoch p- dotierten Typ, und die internen Basisschichten 14a, ..., die zeilenweise angeordnet sind, werden nacheinander bereitgestellt. Die hochdotierten Diffusionsbereiche 15 (15a, 15b, ...) vom gleichen Leitungstyp wie die internen Basisschichten 14, beispielsweise hoch p-dotiert, werden im Endteil angeordnet. Der Basisbereich 12 ist, wie in Fig. 4 gezeigt, in der Umgebung jeder Transistoreinheit in Richtung des Inneren der Halbleiterschicht dick und dünn im mittleren Teil unterhalb des Emitterbereichs ausgeführt. Dieser Abschnitt ist π-förmig. Die internen Basisschichten 14 dringen durch den Kollektorbereich 11 in die π-förmige Vertiefung des Basisbereichs 12 ein. Sie werden mit den hoch p-dotierten Diffusionsbereichen 15 (15a, 15b, ...) verbunden, die mit der Oberfläche der Halbleiterschicht, bei der Transistoreinheiten nicht gebildet werden, in Verbindung stehen. Sie sind darüber hinaus mit den Kontaktflecken der Basiselektrode durch Verdrahtung, die durch die Isolierschicht (hier nicht dargestellt) auf der Halbleiteroberfläche bereitgestellt wurde, verbunden.
Die internen Basisschichten 14 können auch unmittelbar mit den Basisbereichen 12 über Halbleiterschichten verbunden werden, ohne erst auf der Substratoberfläche über die Diffusionsbereiche 15 nach außen geführt zu werden. Durch Verbinden der Kontaktflecken der Basiselektroden über die Diffusionsbereiche 15, können die hochohmigen Basisbereiche 12 umgangen werden, wodurch die Restladungsträger früher beseitigt werden können. Wenn jedoch die Kontaktflecken unmittelbar mit den Basisbereichen 12 verbunden werden, kann die Chipfläche verkleinert werden. Sind die Diffusionsbereiche 15 nicht vorhanden, ist es günstig, die π-förmigen Abschnitte der Basisbereiche kontinuierlich neben den Transistoreinheiten zu bilden. Ebenso sollten die internen Basisbereiche 14 kontinuierlich gebildet werden, weil es nicht erforderlich ist, die internen Basisschichten 14 und die Basisbereiche 12 bei jeder Transistoreinheit zu verbinden. Beispiele der kontinuierlichen Form der internen Basisschichten 14 werden in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt. Fig. 5(a) zeigt ein Beispiel interner Basisschichten 14, die kontinuierlich Transistoreinheiten, die zellenförmig angeordnet sind, zur Verfügung gestellt werden. Fig. 5(b) zeigt ein Beispiel der Kopplung jeder Transistoreinheit mit einem quadratischen Ring. In diesem Fall einer ringförmigen Kopplung (siehe Fig. 5(b)), ist es vorteilhaft jeden Ring zusätzlich mit einer Dotierungsschicht 16 zu koppeln.
Ein Flächenerläuterungsdiagramm der Basiselektrode und der Emitterelektrode des Multi-Emittertransistors wird in Fig. 6 gegeben, bei dem die Basikontakte 17 und die Emitterkontakte 18 auf den Basisbereichen und den Multi-Emitterbereichen durch Öffnungen, die in der Isolierschicht gebildet wurden, zur Verfügung gestellt. Sie werden weiter mit der Basiselektrodenverdrahtung 19 beziehungsweise der Emitterelektrodenverbindung 20 verbunden und mit den Kontaktflecken der Basis 21 beziehungsweise den Kontaktflecken des Emitters 22 verbunden.
Bei dem Multi-Emittertransistor der vorliegenden Erfindung werden die Schichten der Basisbereiche 12 unterhalb der Multi- Emitterbereiche 13(13a, 13b, ...), die Transistoreinheiten sind, dünn ausgeführt. Die hochdotierten internen Basisschichten 14(14a, 14b, ...) werden in den Kollektorbereichen 11 an der unteren Seite der dünnen Basisbereiche 12 zur Verfügung gestellt. Die internen Basisschichten 14 werden nicht unmittelbar mit den Basisbereichen 12, sondern sind mit den Kontaktflecken der Basiselektrode über die hochdotierten Diffusionsbereiche 15(15a, 15b, ...) verbunden. Entsprechend können die Ladungsträger, die in den Kollektorbereichen zurückbleiben, einfach durch die niederohmigen internen Basisschichten erfaßt werden und an den Basiselektroden über die niederohmigen Diffusionsbereiche 5 austreten, wodurch die Restladungsträger unmittelbar beseitigt, werden können. Als Folge ist die Schaltgeschwindigkeit hoch, und die Ausschaltzeit (toff) vom Sättigungszustand in den Ausschaltzustand kann deutlich verkleinert werden.
Die Verbesserung der Transistorkenndaten bei der Struktur der dünnen Schichtdicke WB des Basisbereichs der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben.
Der Gleichstromverstärkungsfaktor hFE ist
wobei σβ beziehungsweise σE die Leitfähigkeit der Basis beziehungsweise des Emitters, WB die Dicke des Basisbereichs und Lh beziehungsweise Ln die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger als Defektelektronen beziehungsweise Elektronen ist. Wird der Wert von WB kleiner, erhöht sich der Wert von hFE wodurch ein hoher Stromverstärkungsfaktor hFE erhalten wird.
Die Transitfrequenz fT wird ausgedrückt durch
wobei Dn der Diffusionskoeffizient ist. Wird der Wert von WB kleiner, wird fT größer, wodurch eine hohe Transitfrequenz erhalten wird.
Andererseits wird die Durchbruchspannung BV Formel (1) ausgedrückt durch
BV &sim; (Nc/10¹&sup6;)-3/4[{(n + 1 + r)rn}1/(n+1) - r] (1)
wobei n = 1 oder 2, Nc die Dotierungskonzentration des Kollektorbereichs und rj der Kurvenradius und r &sim; rj/WB ist. Wird r unendlich, nähert sich auf der rechten Seite der Formel 1 der Wert in der eckigen Klammer dem Wert 1, das heißt, die Durchbruchspannung wird größer, wenn WB größer wird. Außerdem wird der erlaubte Arbeitsbereich kleiner aufgrund des zweiten Durchbruchs. Der zweite Durchbruch tritt bei Anliegen einer Vorwärts Spannung auf, wenn der Spannungsabfall, hervorgerufen durch den seitlich fließenden Basisstrom, den Basisstrom veranlaßt, sich im Endteil der Emitterbereiche 13 zu konzentrieren. Dies kann zum Durchbruch des Transistors führen. Bei der vorliegenden Erfindung wird durch Erhöhen der Dicke WB des Basisbereichs 12 in der Umgebung der Endteile der Emitterbereiche, in denen der Strom wahrscheinlich so weit wie möglich konzentriert ist, der zweite Durchbruch unterdrückt, und der erlaubte Arbeitsbereich vergrößert sich.
Das heißt, bei dem Multi-Emittertransistor des zweiten Beispiels der vorliegenden Erfindung wird die Dicke WB der Basisbereiche 12 unterhalb der Multi-Emitterbereiche 13a, 13b, ... dünn ausgebildet, um eine hohe Transitfrequenz fT und eine großen Stromverstärkungsfaktor hFE zu erhalten, wobei die Dicke der äußeren Basisbereiche dick ausgebildet wird, wodurch ein großer erlaubter Arbeitsbereich und eine hohe Durchbruchspannung realisiert wird.
Darüber hinaus werden nach der vorliegenden Erfindung hochdotierte interne Basisbereiche in den Kollektorbereichen 11 an der unteren Seite der dünnen Basisbereiche 12 gebildet. Sie werden mit den Basisbereichen 12 oder mit den Basiselektroden auf der Substratoberfläche verbunden. Das heißt, die Diffusionslängen Lh und Ln der Minoritätsladungsträger sind in Formel (2) klein, was zu einer Vergrößerung des Verstärkungsfaktors hFE führt, wobei die in den Kollektorbereichen 11 verbleibenden Minoritätsladungsträger einfach in der niederohmigen internen Basisschicht 14 eingefangen werden können und aus den Basiselektroden über die Basisbereiche oder die Verdrahtung austreten können, wodurch die Restladungsträger vollständig eliminiert werden. Als Folge wird die Schaltgeschwindigkeit hoch, und die Ausschaltzeit (toff) vom Sättigungszustand in den Ausschaltzustand kann deutlich verkleinert werden.
Das Herstellungsverfahren des Transistors dieses Beispiels wird anhand von Fig. 7 beschreiben.
Als erstes wird auf dem Halbleitersubstrat 11a eine schwach n-dotierte Epitaxieschicht 11b als Teil des Kollektorbereichs 11 auf gewachsen. Die Enden der Basisbereiche 12a, 12b als Teil des p-dotierten Basisbereichs 12 und die interne Basisschicht 14 werden in der Epitaxieschicht 11b mit Hilfe Ionenimplantation oder Diffusion gebildet (siehe Fig. 7a).
Danach wird an die Enden der Basisbereiche 12a, 12b und der gebildeten Oberfläche der interne Basisschicht 14 eine schwach n-dotierte Epitaxieschicht 11c aufgebracht; der Kollektorbereich 11 ist damit gebildet (siehe Fig. 7 (b)). Da die Temperatur durch das epitaktische Wachstum ansteigt, diffundieren die Dotierungsatome die enden der Basisbereiche 12a, 12b und der internen Basisschichten 14a, 14b in die wachsende Epitaxieschicht 11c, und sie dehnen sich etwas nach oben aus.
Danach werden durch Ausführen einer p-Dotierung auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 11c die Enden der Basisbereiche gebildet, die mit den Enden der Basisbereiche 12a, 12b, dem dazwischenliegenden Basisbereich 12, und dem Diffusionsbereich (hier nicht dargestellt), der mit der internen Schicht 14 verbunden ist, die sich neben dem Basisbereich 12 befindet, verbunden sind. (siehe Fig. 7(c)).
In dem Basisbereich 12 werden beispielsweise durch schwache p-Dotierung die oberen Teile der Enden der Basisbereiche 12a, 12b so tief ausgebildet, daß sie sich mit den Enden der Basisbereiche 12a, 12b am Endteil der Basisbereich 12 verbinden. Die mittleren Teile werden dünner ausgelegt, damit sie sich nicht mit den internen Basisschichten 14a, 14b verbinden. Hierbei wird ein π-förmiger Abschnitt gebildet (siehe Fig. 7(c)). Der dünne Teil hat beispielsweise eine Dicke von 1 um bis 20 um und der dickere Teil eine Dicke von etwa 5 um bis 50 um. Um die Endteile in einem tieferen Dotierungsbereich und die dazwischenliegenden Teile in einem dünnen Dotierungsbereich zu bilden, wird das Diffusionsverfahren in zwei Schritte unterteilt. Die Dotierungsatome werden getrennt in den Endteil und den mittleren Teil eingebracht, oder es werden Dotierungsatome unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit, beispielsweise Aluminium- und Arsenatome verwendet, wobei die Aluminiumatome mit der höheren Diffusionsgeschwindigkeit an den Endstellen und die Arsenatome mit der geringeren Diffusionsgeschwindigkeit im mittleren Teil bei Temperaturen von etwa 950ºC bis 1380ºC eindiffundiert werden. Bei gleicher Diffusionszeit diffundieren die Aluminiumatome wegen der höheren Diffusionsgeschwindigkeit tiefer ein, wobei der Basisbereich 12 gebildet wird (siehe Fig. 7(c)). Wird das Ionenimplantationsverfahren eingesetzt, kann die Eindringtiefe der ionisierten Dotierungsatome über die "Einschuß"-Energie gesteuert werden.
Werden für den dünneren, mittleren Teil der Basisbereich 12 zur Dotierung Phosphoratome verwendet, lassen sich die hoch n-dotierten Emitterbereiche 13a, 13b bilden (siehe Fig. 7(d)). Darüber hinaus (hier nicht dargestellt) lassen sich in der Isolierschicht, die sich auf der Oberfläche der Halbleiterschicht befindet, auf gleiche Weise Kontaktöffnungen erstellen, in denen sich Kontaktierungsflecken (Elektroden) bilden lassen, die miteinander verbunden werden können.
Mit dem hier behandelten Beispiel wurde ein npn-Transisor in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel erklärt. Das Beispiel kann auch auf einen pnp-Transistor angewendet werden. Die Form des Basisbereichs und der Diode begrenzt sich nicht auf das angeführte Beispiel. Statt des dargestellten Multi- Basistransistors, kann auch ein Multi-Emittertransistor realisiert werden. Darüber hinaus kann durch eine Kombination mit Ausführungsbeispiel 1 die Durchbruchspannung weiter verbessert werden.
Wie hier erläutert, werden nach dem Ausführungsbeispiel die Basisbereiche unmittelbar unterhalb der Emitterbereiche der Transistoreinheit als Multi-Basistransistors eines Multi- Emittertransistors gebildet. Die interne Basisschichten werden auf der unteren Seite hiervon gebildet. Als Folge läßt sich der Stromverstärkungsfaktor fFE und das Stromverstärkungsbandbreitenprodukt fT verbessern, wobei die in die Kollektorbereiche implantierten Minoritätsladungsträger zum Zeitpunkt des Schaltens in kurzer Zeit über die internen Basen in die Basisseite fließen und dort rekombinieren. Als Folge ist der Schaltvorgang schnell, und die Zeit vom Sättigungszustand in den Ausschaltzustand ist kurz. Entsprechend wird die Verlustleistung der elektrischen Schaltung während des Schaltens herabgesetzt und das Erzeugen vom Wärme wird unterdrückt, wodurch die Verstärkung des Transistors sowie andere Kenndaten und die Zuverlässigkeit verbessert werden kann. Hinzu kommt, da die Basisbereiche in der Umgebung der Emitterbereiche dick ausgeführt sind, wird eine Stromkonzentration verhindert und der sichere Arbeitsbereich vergrößert.

Claims

1. Transistor, mit:

einem Kollektorbereich (11b, 11e) eines ersten Leitungstyps, aufgebracht auf ein Halbleitersubstrat (11a);

einem Basisbereich (12) eines zweiten Leitungstyps, aufgebracht auf den Kollektorbereich (11b, 11c); und

einer Vielzahl voneinander isolierter Emitterbereich (13a, 13b) eines Leitungstyps, aufgebracht auf den Kollektorbereich (12), jeder Emitterbereich ist Teil einer Transistoruntereinheit einer Multi-Emitterstruktur,

wobei jede Transistoruntereinheit derart ausgeführt ist, daß die Dicke des Basisbereichs (12) unmittelbar unterhalb der Emitterbereiche (13a, 13b) geringer ist als die Dicke des Basisbereichs außerhalb der Emitterbereiche, wodurch der Basisbereich in einem π-förmigem Abschnitt angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

getrennt vom Basisbereich (12) in jeder π-förmigen Vertiefung eine interne Basisschicht (14a, 14b) gebildet ist.

2. Transistor nach Anspruch 1, bei dem

der π-förmige Abschnitt des Basisbereichs (12) aus mindestens zwei benachbarten Transistoruntereinheiten gebildet ist, und

sich die interne Basisschicht (14a, 14b) kontinuierlich in der Vertiefung des Basisbereichs (12) der benachbarten Untereinheit befindet.

3. Transistor nach Anspruch 1, bei dem jede interne Basisschicht der Transistoruntereinheit mit dem Basisbereich (12) der Transistoruntereinheit durch eine Halbleiterschicht (11c) des Kollektorbereichs verbunden ist.

4. Transistor nach Anspruch 1, bei dem die interne Basisschicht (14a, 14b) mit einem von der Transistoroberfläche eingebrachten hochkonzentrierten Dotierungsbereich (15a, 15b) und mit der Basiselektrode (12) durch Verdrahtung verbunden ist.