DE7221345U

DE7221345U - Halbleiteranordnung mit einem transistoraufbau

Info

Publication number: DE7221345U
Application number: DE19727221345U
Authority: DE
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1971-06-07
Filing date: 1972-06-07
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE2227697A1; JPS547195B1; NL7207254A; US3758831A

Description

Halbleiteranordnung «it einem Transistoraufbau

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Transistoraufbau, bei dem der Kollektorbereich vorzugs weise vom Halbleiterkörper und der Basis- sowie Emitterbereich durch Diffusionsbereiche im Kollektorbereich gebildet werden, wobei zwischen dem Emitter- und Kollektorbereich eine Sperrvorspannung wirksam 1st.

Es ist bekannt, dass Transistoren im allgemeinen sehr leicht durch das Anlegen einer zu grossen Sperrvorspannung zwischen den Kollektor- und Emitterbereich zerstörbar sind. Diese Zerstörung der Transistoren ist primär beim Anlegen einer zu grossen Sperrvorspannung durch das Auftreten eines Lawinendurchbruchs bedingt. Der Lawinendurchbruch besteht in einem lokalen, lawinenartig anwachsenden Sperrstrom, der in der Regel im Kollektor-Basisübergang seinen Ursprung

Fs/ba

findet

findet. Wenn ein bestimmter Spannungswert erreicht ist, erzeugt das durch die Spannung ausgelöste elektrische Feld eine ausreichend hohe Lauüügäträgsrsnsrgis, sod=?? diese weitere Ladungsträger von Atomen in ihrer unmittebaren Umgebung ionisieren können. Diese Ionisierung schon vorhandener, freier Ladungsträger aufgrund von hohen Driftgeschwindigkeiten führt zu dem eng lokal begrenzten Stromanstieg, der mit einer hohen Verlustleistung verbunden ist, die sich jedoch nur auf den engen Bereich begrenzt, in dem der Lawinendurchbruch ausgelöst ist und damit das Halbleitermaterial in diesem Bereich thermisch übermässig belastet. Dies kann,zusammen mit weiteren Einflüssen, zu einer thermischen Zerstörung des Halbleitermaterials in einem lokalisierten Bereich führen.

Dieser Lawinendurchbruch ist daher bei Kälbleitern unerwünscht üsd soil\dshcr eine M»«rT iebk«it Befunden werden, einen anderen Durchbruch, und %·--■:■£ «inen Punch-Through-Durchbruch, zu verursachen, bevor der zerstörerische Lawinendurchbruch auftritt. Dieser Punch-Through-Durchbrucli neigt nicht dazu, in einem bestimmten, eng begrenzten Bereich aufzutreten, sonder neigt dazu, in einem grossen Bereich sich auszubilden, wenn sich die Sperrschicht mit steigender Spannung von dem Kollektor-Basisübergang zum Emitterbereich hin ausbreitet. Bei dieser Ausbreitung- des sogenannten Verarmungsbereiches, die auch als Sperrschicht- ; Atmung bezeichnet wird, entsteht der Durchbruch, wenn der Verarmungsbereich den Emitter-Basisübergang berührt. Entgegen bekannter Massnahmen, um einen Punch-Through-Durchbruch zu verhindern, ist die Erfindung auf den Zweck ausgerichtet, dem Emitterbereich den Punch-Through-Strom zuzuführen, da dieser Emitterbereich in der Regel beisTransistoraufbauten verhältnismässig gross im Vergleich mit den Bereich ist, in welchem der Lawinendurchbruch sich einstellt. Daher

wird

72I1MIM1.78

wird während des Punch-Through-Durchbruchs die Verlustleistung über den verhältnismässig grossen Emitterbereich verteilt; soda** eine Beschädigung des Transistors durch Wärmebelastung verhindert werden kann.

Für bevorzugte Transistoraufbauten ist es wünschenswert, den Aufbau strukturell so zu verändern, dass der Punch-Through-Strom durch einen Punch-Through-Bereich derart geleitet wird, dass der Hauptanteil des aktiven Bereiches zwischen dem Kollektor-Basisübergang und dem Emitter-Basisübergang von dem Punch-Through-Strom nicht erfasst wird. Dieser Punch-Through-Strom soll zu dem eigentlichen Emitterbereich durch verschiedene, strukturelle Ausgestaltungen des Transistoraufbaus zurückgeleitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Halbleiteranordnung mit einem Transistoraufbau zu schaffen, die sehr unempfindlich gegen übermässig hohe Sperrvorspannungen ist. Dabei soll der Transistoraufbau vor einer Zerstörung oder einer Funktionsverschlechterung bewahrt werden, indem ein Punch-Through-Purchbruch ausgelöst wird, bevor ein Lawinendurchbruch sich einstellen würde. Ein solche! Transistoraufbau soll jedoch dabei bezüglich seines ß-Wertes nicht nachteilig beeinflusst werden, sodass durch die Bevorzugung des Punch-Through-Durchbruches keine wesentliche VeTstärkungsverschlechterung ausgelöst wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Transistoraufbau erfindungsgemäss dadurch gelöst,dass zur Sicherstellung eines, auf der SperrschichtAtmung beruhenden Punch-Through-Druchbruchs, vor dem Auftreten eines Lawinendurchbruchs in irgendeinem Teil des HaIb- !.eiterkfixpers sinerseits, der Abstand zwischen dem Emitter-

- 3 - Basisübergang

Basisübergang und dem KctHektor-Basisübergang soweit verkleinert und/oder andererseits die Störstellenkcnsentration des Basisbereichs zwischen dem Emitter-Basisübergang und dem Kollektor-Basisübergang soweit verringert ist, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbrüch erfolgt.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine nach den Merkmalen der Erfindung aufgebaute Halbleiteranordnung besitzt den Vorteil, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbrüch sich einstellt und somit ein Lawinendurchbrüch für den Halbleiteraufbau vermeidbar ist. Dieser Vorteil lässt sich sowohl für Leistungstransistoren als auch für Transistoren für Signale mit schwacher Leistung erzielen.

Für einen Leistungstransistor, der zur Steuerung eines Stromes für eine Induktivität verwendet wird, ist es bekannt, dass beim Abschalten des Stromes durch die Induktivität für eine begrenzte Zeit aufgrund der Gegeninduktivität ein Strom in entgegengesetzter Richtung fliesst. Wenn dieser Strom in Sperrichtung des Transistors zu gross wird, kann er den Leistungstransistor zerstören, da der Strom in Durchlassrichtung etwa um das 100-fache grosser als der zulässige Strom in Sperrichtung ist. Es sind daher Einrichtungen notwendig, um diesen Strom zu verteilen und eine Zerstörung des Leistungstransistors zu verhindern. Wenn dieser Sperrstrom im Transistor einen Punch-Through-Durchbruch auslöst, so wird dadurch eine bleibende Zerstörung des Transistors nicht ausgelöst, vielmehr kann dieser nach dem Abklingen des Durchbruchs in seiner normalen Betriebsweise weiterbetrieben werden. Leistungstransistoren

- 4 - mit

mit derartigen Eigenschaften können sehr vorteilhaft zur Regelung und Steuerung von Motoren und Zündschaltkreisen Verwendung finden. Ausserdem bietet sich durch den Punch-Through-Schutzmechanismus die Möglichkeit, kleinere Transistoren für Anwendungsfälle zu benutzen, bei denen bisher nur grösse Transistoren verwendbar sind.

Der Einsatz des Punch-Through-Mechanismus gemäss der Erfindung ist auch von besonderem Vorteil beim Testen von Transistoren. Bei einem Standard-Testverfahren für Transistoren wird der sogenannte, bekannte CBO-Test angewandt. Bei diesem Test wird ein Sperrstrom von typischerjieise einem mA vorgesehen, um sicherzustellen, dass die gewünschte Durchbruchspannung eingehalten wird. Bei diesem CBO-Test werden jedoch Transistoren zerstört, wenn ein lokaler Emitter-Kollektordurchbruch auftritt, oder wenn sich ein Avalanchedurchbruch am Emitter-Basisübergang einstellt. Wenn der Punch-Through-Mechanismus und der diesem entsprechende Aufbau des Transistors gemäss der Erfindung Verwendung findet» können selbst kleine Transistoren dem CBO-Test unterzogen werden, da sich anstelle eines Avalanchedurchbruchs ein Punch-Through-Durchbruch einstellt und damit der geprüfte Transistor nicht zerstört wird. Auch die kleinen Transistoren werden in derselben Weise wie Leistungstransistoren durch den Punch-Through-Mechanismus geschützt, indem nämlich der Durchbruchstrom über den verhältnismässig grossen Emitierbereich verteilt und ein eng lokalisierter Lawinendurchbruch verhindert wird. Der Punch-Through-Durchbruch, selbst bei kleinen Transistoren, bewirkt für diese Transistoren keine Verschlechterung. Die Verringerung der Basisdotierung und der Dicke der Verarmungsschicht kann in einer Vergrösserung der Stromverstärkung ß bestehen. Dieser Nachteil der Vergrösserung der Stromverstärkung & lässt sich jedoch durch die weiteren Ausgestaltungen der

- 5 - Erfindung

7223345 22.2.73

Erfindung in vorteilhafter Weise verhindern, indem nämlich der Punch-Through-Bereich von dem aktiven Bereich, d.h. dem für die Funktion des Transistors zwischen dem Emitter und dem Kollektor liegenden Bereich in einer solchen Weise getrennt wird, dass eine unabhängige Einstellung der ß-Verstärkung und der Punch-Through-Spannung möglich ist. Bei der hierfür vorgesehenen Ausgestaltung der Erfindung kann auch die Leistungsverteilung über einen maximalen Bereich, ohne Beeinträchtigung der Betriebsfunktion beibehalten werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 siner* Querschnitt durch einen Transistor anhand dessen ein Punch-Through-Durchbruch und ein Lawinendurchbruch erläutert wird und anhand welchem die Parameter für die Herstellung des Transistors ange deutet sind, die für den Vorzug des Punch-Through-ä Durchbruchs verantwortlich sind;

Fig. 2a bis 2d graphische Darstellungen für das elektrische Feld über zwei aktive Bereiche eines Transistors zur Andeutung der Bedingungen unter welchen ein Punch-Through-Durchbruch auftritt;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Transistoraufbau mit einem H'lfs-Emitter und einem ß-Kontrollbereich zur Festlegung des Punch-Through-Bereiches sowie zur Verbindung des Punch-Through-Bereiches mit dem Emitter und zur Schaffung eines steuerbaren ß-Wertes für den Transistor;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der

- 6 - Erfindung

72 2134 SlM

Erfindung bei welcher der Punch-Through-Bereich auf den Zentralbereich des Emitters eines Transistors . ; begrenzt ist;

5 ^: Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit

I einem Punch-Through-Bereich, der durch eine in I die Tiefe gehende Diffusion vom Emitterbereich aus

[ ; bestimmt wird;

I Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Transistors, I bei den, ein Punch-Through-Bereich unmittelbar auf

f den Beieich über einer begrabenen Schicht begrenzt

I . ist.

I ; . In Fig. 1 ist ein Transistor 10 mit einem N-leitenden

f Kollektorbereich 11, einem P-leitenden Basisbereich 12

jr. ·

1 u;id einem N -leitenden Emitterbereich 13 dargestellt, Die

jj Kontaktverbindung zum Basisbereich 12 erfolgt über einen

| P*-diffundierten Bereich 15 und einen Kontakt 16. Der

I Kontaktanschluss zum N⁺-leitenden Emitterbereich erfolgt

über einen Kontakt J7, wogegen der N-leitende Kollektorbereich 11 mit einem Kontakt 18 verbunden ist.

Anhand dieser Fig. 1 wird der Punch-Through-Durchbruch und der Lawinendurchbruch dargestellt. Der mit uem Pfeil 20 bezeichnete Lawinendurchbruch tritt bei einer Feldstärke C_A am Kollektor-Basisübergang J₁ auf. Dieser vom Kollektor-Basisübergang ausgehende Lawinendurchbruch verläuft in einem schmalen, konischen Bereich gegen den Emitterbereich 13, Der Strom fliesst dann übeν den Emitterbereich 13 und den Kontakt 17, der im vorliegenden Fall geerdet ist. Eiu grosser Teil der Verlustenergie tritt als thermische Energie auf, die einen Durchbruch des Basismaterials auslöst. Der Punch-Through-Durchbruch ergibt sich im Verarmungsbereich, wie er durch eine gestrichelte Schattierung zwischen

- 7 - ■ den

122.134512.2,73.

• · « 1

¹¹ ·

den Grenzlinien 25 angedeutet ist und wird durch eine Sperrschicht-Atmung bewirkt. Der Verarmungsbereich beginnt dabei sich vom Basis-Kollektorübergang aus auszubreiten und dehnt sich sowohl in den Basisbereich als auch in den Kollektorbereich aus. Ein grosser Anteil der Energie im Bereich der Sperrschicht-Atmung ist gleichmässig über den Bereich verteilt, der dem Emitterbereich 13 gegenüberliegt, sodass die beim Punch-Through-Durchbruch freiwerdende thermische Energie sich über einen grossen Emitterbereich verteilt, der den Strom ohne wesentliche Erwärmung führen kann. Der Punch-Through-Durchbruch ergibt sich, wenn das Potential des elektrischen Feldes am Emitter-Basisübergang J, positiv wird. Dies entspricht einem gegebenen Feldpotential f an der Grenzschicht J₁ und beim Erreichen des Emitter-Basisüberganges J2 beim Ausbreiten des Verarmungsbereiches. Es ist möglich, durch Änderung der normalen Störstellenkonzeniration in dem Bääisbcieich, Sowie »ca AbiZiuavS Z zwischen der Grenzschicht J₁ und J₂, das Auftreten des Punch-Through-Durchbruches bei einem Potential £p des elektrischen Feldes an der Grenzschicht J₁ zu verursachen, wobei das Potential £_p kleiner als das Potential des elektri schen Feldes an der Grenzschicht J₁ ist, bei welchem der Lawinendurchbruch auftritt. Wenn in der Regel die Basis-Störstellenkonzentration um den Faktor 5 verringert wird, ergibt sich ein Punch-Through-Durchbruch vor den Lawinendurchbruch. Es kann auch die Tiefe des Emitter-Basisübergangs 3j über den normalen Wert hinaus vergrössert werden, sodass der mit t bezeichnete Bereich, z.B. durch den Faktor 5 verschmälert wird. Auch damit kann bewirkt werden, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch auftritt. Zu demselben Ergebnis kommt man durch eine Kombination beider Massnahmen, indem einerseits die Basis-Störstellenkonzentration verringert und die Dicke des Verarmungsbereiches aufgrund der Sperrschicht-Atmung verringert wird. Diese Massnahmen sind in den Fig. 2a bis 2d schematisch dargestellt. In diesen

- 8 - schematischen

schematischen Darstellungen ist das elektrische Feld £ über die verschiedenen Bereiche graphisch in Abhängigkeit von der EntfsTnnTSff X au Ψ σ« T rs σαη .

ν -- ν sr

Unter Bezugnahme auf Fig. 2a ist der Mechanismus des Lawinendurchbruchs dargestellt, wobei die aufgetragene Feldstärke Z über einen N-leitenden Kollektorbereich entsprechend dem Kollektor 26, einen P-leitenden Basisbereich entsprechend der Basis 12 und einen N⁺-leitenden Emitterbereich entsprechend dem Emitter 13 verlaufend dargestellt ist. Der Feldverlauf vou rechts nach links wird als positiv angenommen. Die vertikalen Linien an den Abszissenpunkten J₁ und J₂ repräsentieren den Kollektor-Basisübergang und den Basis-Emitterübergang. Die elektrischen Feldlinien sind als gestrichelte Linie 27 und ausgezogene . Linie 27* dargestellt. Der Bereich unterhalb dieser Linien 27 und 27* entspricht einer Spannung. Auf der Grenzschicht J₁ ergibt sich ein Punkt bei dem der Lawinendurchbruch auftritt. Dieser Punkt £_A ist mit 28 bezeichnet und entspricht in der Regel bei Silicium einem Wert von (-10-50V/,um. Bei diesem Potential des elektrischen Feldes reicht die Erregung für den Lawinendurchbruch an der Grenzschicht J₁ aus. Mit den Ansteigen der Sperrvorspannung, wie dies durch die Ausbreitung des elektrischen Feldes von der gestrichelten Linie 27 zur ausgezogenen Linie 27* dargestellt ist, ergeben sich keine Durchbrüche im Transistor. Wenn jedoch das elektrische,von der Sperrvorspannung erzeugte Feld den Punkt 28 erreicht, erfolgt der Lawinendurchbruch in der voTausstehend erwähnten Weise. Diese Spannung, d.h. die Spannung, die zur Erregung des Lawinendurchbruchs notwendig ist, ist als schraffierte Fläche V₁ dargestellt.

Die Neigung der Linien 27 und 27* gemäss Fig. 2a hängen direkt von der relativen »Dotierungskonzentration im Kollektor-

• ■

- 9 - bereich

I ,'υy.;O

bereich 26 und im Basisbereich 12 ab. Die Erfindung hat zum Ziel, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch beim Ansteigen der Sperrvorspannung am Transistor auftritt. Dies kann entweder durch eine Verringerung der Dotierungskonzentration in Basisbereich oder eine Verringerung der Breite des für die Sperrschicht-Atmung zuständigen Verarmungsbereiches ersielt werden. *

Der .Mechanismus des Punch-Through-Durchbruchs wird anhand von Fig. 2b beschrieben. Der Basisbereich 12 ist dabei mit einer verringerten Störstellenkonzentration versehen, wodurch sich eine flacher geneigte Linie für das elektrische Feld durch diesen Bereich ergibt. In entsprechender Weise ist auch die Störstellenkonzentration im Xoiiektorbereich 26 verringert, wodurch sich eine Feldkonfiguration einstellt, wie sie durch die gestrichelte Linie 31 und die aus £ *rogene Linie 31* dargestellt ist. Wenn man den Bereich unter der Linie 31*"V₂ macht, so ergibt sich, uass V₂ - V₁ gemäss Fig. 2a gemacht werden kann. Aus der Darstellung gemäss Fig. 2b kann entnommen werden, dass der Potentialwert 28 des elektrischen Feldes,bei welchem der Lawinendurchbruch erfolgt, noch nicht erreicht ist. Vielmehr erreicht der Verarmungsbereich die Grenzschicht J_2a, bevor sich das elektrische Potential dem Wert für den Lawinendurchbruch nähert. Wenn der Verarmungsbereich die Grenzschicht J₂ bei einem elektrischen Feld £ in der dargestellten Richtung erreicht, werden Elektronen aus dieser Grenzschicht in Richtung des Pfeiles 29 beschleunigt und verursachen einen wesentlichen StromfJuss, der als Punch-Through-Durchbruch bekannt ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieser Stromfluss über den gesamten Emitterbereich des Transistors verteilt, sodass der Transistor nicht aufgrund einer thermischen Belastung zerstört wird. Das bedeutet, dass mit der Vergrösserung der Sperrvorspannung am Transistor der Punch-Through-Durchbruch

- 10 - vor

TT

■■

vor dem Lawinendurchbruch auftreten kann. Da der Punch-Through-Durchbruch ein sich selbst begrenzender Durchschlag ist, kann sich ein Lawinendurchbruch nicht mehr einstellen, sobald ein Punch-Through-Durchbruch erfolgte. Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass mit derselben Sperrvorspannung in einen Fall ein Lawinendurchbruch und im anderen Fall ein Punch-Through-Durchbruch erzielbar ist. Aus Fig. 2b ist ferner zu entnehmen, dass die P"-Dotierung des Basisbereiches dafür ausschlaggebend ist, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch auftritt.

Gemäss Fig. 2c sind die Dotierungskonzentrationen in den Bereichen 26, 12 und 13 entsprechend der Konzentrationen gemäss Fig. 2b beibehalten, jedoch wurde der Abstand zwischen den Grenzschichten J₁ und J₇ verringert. Eine Vergrösserung * der Sperrvorspannung von der gestrichelten Linie 32 bis

zur gestrichelten Linie 33 bewirkt keinen Durchbruch. Wenn

jedoch die Spannung Vj über das Niveau hinaus vergrössert wird, das ein Positivwerden .des elektrischen Feldes an der Grenzschicht J₂ bewirkt, erfolgt der Punch-Through-Durchbruch. Somit tritt ein Punch-Through-Durchbruch gemäss Fig.2c bei einer geringeren Spannung als der für den Lawinendurchbruch verantwortlichen Spannung auf, d.h., dass ein Transistor nunmehr mit einer Punch-Through-Durchbruchsspannung hergestellt werden kann, die wesentlich kleiner . als die Lawinendurchbruchsspannung ist, womit die Verlustleistung beim Durchschlag auf ein Minimum verringerbar ist.

Aus dem Vergleich der Fig. 2c mit den Fig. 2a und 2b ergibt sich die Möglichkeit der Verringerung der Spannung für den Punch-Through-Durchbruch bei einem Transistor, indem sowohl der aktive Verarmungsbereich in seiner Breite bzw. Dicke, als auch die Basis-Störstellenkonzentration verringert wird.

- 11 - Diese

Diese Spannung kann jedoch, wie aus Fig. 2d hervorgeht, noch weiter verkleinert werden. In dieser Darstellung sind die Teile links der Grenzschicht J, gleich denjenigen, die den Bedingungen gemäss Fig. 2b entsprechen. Der Bereich 26 wurde jedoch stark dotiert, wodurch sich eine starkabfallende Linie 35 für das elektrische Feld ergibt. Da die der Spannung V₄ entsprechende Fläche kleiner als die Fläche unter der Linie 31' gemäss Fig. 2b ist, kann die Spannung, die zur Erzielung eines Punch-Through-Durchbruches notwendig ist, durch einen höher dotierten Kollektorbereich kleiner gemacht werden.

Manchmal ist jedoch ein höher dotierter Kollektorbereich unerwünscht. Um daher dieselbe Verringerung der Punch-Through-Durchbruchspannung zu erzielen, wird eine lokal begrenzte, vergrabene Schicht am Kollektor-Basisübergang vorgesehen. Diese vergrabene Schichthat keinen Einfluss auf den normalen Betrieb eines Transistors, jedoch kann sie die Punch-Through-Durchbruchspannung wesentlich verringern. Da der Punch-Through-Durchbruch den Transistor nicht beschädigt, ist es häufig wünschenswert, Transistoren mit sehr, sehr niedrigen Punch-Through-Durchbruchspannungen vorzusehen, um den Transistor vor übermässig hohen Sperrvorspannungen zu schützen« Hie Verwendung einer begrabenen Schicht für diesen Zweck wird in Verbindung mit Fig. 6 nachfolgend näher erläutert.

Die Dotierungskonzentrationen für einen Siliciumtransistor, bei welchem der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch erfolgt, ergeben sich unter Bezugnahme auf Fig. aus nachfolgender Tabelle:

TABELLE I
Kollektor: 10¹⁸ Atome/cm⁵ (5,um dick)

15 \ '

Basis: 10 Atome/cm (8/um dick unter dem Emitter) Emitter: 10*^u Atome/cnT (S^um dick)

- 12 - Diese

7971 .US99 9 τ«.

Diese Dotierungskonzentrationen sind jedoch wegen der Dotierungsprofile und der Tatsache, dass geradlinige Verteilungen nicht möglich sind, nur qualitativ. Eine allgemeinere Beschreibung der Dotierungskonzentrationen ergibt sich aus dem "«"-Produkt, aus der Dicke t des Bereiches und dem durchschnittlichen Dotierungsniveau N dieses Bereiches. Diese N-tKonzentrationen für den Basis- und den Emitterbereich ergibt sich für das voravjsstehende Beispiel unter der Annahme eines stark dotierten Koir.ektorbereicheSj sodass die Ausbreitung des Verarmungsbereiches in den Kollektor vernachlässigbar ist, aus folgenden Angaben: Basis (Punch-Through-Bereich): <8 χ 10 Atome/cm

1 A O

Emitter: >5 χ 10 Atome/cm*.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel, bei dem die Punch-Through-Spannung 50 Volt annehmen soll, können folgende N*t Konzentrationen in dem Punch-Through-Bereich verwendet werden.

TABEßCE

Dotierungskonzentration Dotierungskonzentraim Punch-Through-Bereich tion des Punch-Through-

Bereiches N*t

6	.5	X	10¹⁴	AtomeZcm	10	X	ΙΟ"⁴	cm	6	X	1O¹¹ZCm²
2	.5	X	10¹⁴	I	15	X	10"⁴	cm	4	X	1O¹¹ZCm²
1		X	10¹⁴	«	20	X	ίο-⁴	cm	3	X	1O¹¹ZCm²
5	.0	X	10¹⁵	t	3.5	X	ΙΟ"⁴	cm	2	X	10¹²Zcm²
1	X	10¹⁵	I	8	X	ΙΟ"⁴	cm	8	X	1O¹¹ZCm²

Aus diesen Angaben kann man entnehmen, dass sich die Punch-Through- Bedingungen bei Silicium einstellen, wenn N*t

12 2 ·

x 10 Atome/cm ist. Damit ist der Punch-Through-Durch-

- 13 - bruch

¹ · t

I f

ι · · ι

bruch eine Funktion, sowohl der Basis-Störstellenkonzentration unter dem Emitter, als auch der Dicke des Punch-Through-Bereiches. Es ist offensichtlich, dass N und t verändert werden können, um bestimmte Aufbauparameter zu erhalten, wobei jedoch gleichzeitig die Punch-Through-Betriebsweise sichergestellt ist.

Bei dem Aufbau gemäss Fig. 1 besteht jedoch eine wesentliche Schwierigkeit. Indem durch eine Verringerung der aktiven Breite des Punch-Through-Bereiches, sowie der Dotierungskonzentration in der Basis, der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch erzielt wird, kann sich eine Vergrösserung des ß-Wertes für den Transistor um eine Grössenordnung einstellen. Es sind Aawendungsfälle denkbar, bei denen sich der ß-Wert von 100 auf 2 000 bis 3 000 vergrössert. Da dies für einige Anwendungsfälle UEerwünscht ist, wird der aktive Bereich des Transistors gepen den Punch-Through-Durchbruch geschützt, während ein Punch-Through-Bereich hilfsweise vorgesehen wird. Der Basisbereich um den Emitter wird höher dotiert, um den ß-Wert des Transistors in der Grössenordnung von 100 festzuhalten. Ein solcher, höher dotierter Teil des Basisbereiches ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 50 angedeutet. Der im dieser Figur dargestellte Transistor 45 hat einen N-leitenden Kollektorbereich 46, einen P".-leitenden Basisbereich 47 und einen N⁺-leitenden Emitterbereich 48. Der N—leitende Emitterbereich ist mit einem P-leitenden Kontakt- und ß-Einstellbereich umgeben, sodass sich eine Störstellenkonzentration in der Art ergibt, dass die Gesai izahl der Störstellenatome pro Flächeneinheit unterhalb des Emitters 48 (d.h. im Bereich 50 und 47) in der

12 2
Grössenordnung von 5 χ 10 cm liegt, um den ß-Wert auf etwa 100 einzustellen. Wenn die Bereiche 47 und SO unter dem Emitter in der Kombination eine Konzentration von

• . - 14 - weniger

ι · · I₁;

' · · Ii »«tr ,

weniger als 5 χ 10 Atome/cm aufweisen würden, ergäbe sich ein Punch-Through-Durchbruchvvor dem Lawinendurchbruch, jedoch bei einem unerwünscht hohen ß-Wert. Es wird deshalb dafür gesorgt, dass der Punch-Through-Durchbruch in einem Bereich auf der einen Seite des Emitters derart erfolgt, dass der Punch-Through-Strom dann zum hochdotierten Basisbereich und anschliessend zum Emitter geleitet wird. Zu diesem Zweck ist ein Hilfs-Emitterbereich 51 links vom Kontakt- und ß-Einstellbereich vorgesehen, dessen Grenzschicht tiefer als die des cmitterbereiches 48 lieg,:. Dieser Hilfs-Emitterbereich 51 wird deshalb so tief ausgeführt, um den Punch-Through-Durch- _; . bruch am Hilfs-Emitterbereich Fl zu garantieren. Mit

anderen "Worten heisst das,,dass der Wert t für die Breite ι des Punch-Through-Bereiches unter dem Hilfs-Emitterbereich Sl

klein gemacht wird, damit das Produkt N«t den Punch-Through-J Durchbruch im Bereich dieses Hilfsemitters sicherstellt,

t unabhängig von den übrigen Transistorparametern. Bei

diesem Aufbau werden jedoch zwei Diffusionsschritte für die Herstellung des Emitters erforderlich.

j Es ist jedoch auch möglich, die beiden Emitter gleich-

zeitig auszubilden, und trotzdem zu erreichen, dass

ι erstens der Punch-Through-Durchbruch beim Hilfs-Emitter-

jj bereich 51 erfolgt und zweitens das Produkt N*t unterhalb des Emitters 48 gross genug ist, um den gewünschten ß-Wert für den Transistor zu gewährleisten. Wenn der

f Basisbereich unter dem Hilfsemitter 51 und dem Emitter

eine Konzentration von <5 χ ΙΟ¹² Atome/cm² aufweist,

S und die Konzentration im Kontakt- und ß-Einstellbereich

unterhalb des Emitters 48 mit einem Wert von etwa 10¹³ Atome/cm² angenommen wird, dann ergeben sich zwei wesentliche Eigenschaften. Erstens erfolgt der Punch-Through-Durchbruch am \ ^- Hilfs-Emitterbereich Sl und zweitens stellt sich für die ,

■ · ■

- 15 - Störstellenkonzentration

ο ■»

Störstellenkonzentration im Bereich unter dem Emitter 48 eine integrierte mittlere Konzentration aus den Bereichen 47 und 5G ein, uie als >-5 χ iC¹²Atöäs/C£² eingestellt werden kann. Somit ist die Konzentration in dem Bereich unter dem Emitter 48, d.h. zwischen der Grenzschicht J₁ bis J₇ um einen ausreichend grossen Betrag grosser

12 2
als S χ 10 Atome/cm , um den ß-Wert begrentt zu halten. Damit lässt sich mit Hilfe einer einzigen Emitterdiffusion ein Transistor schaffen,der bei einem annehmbaren ß-Wert arbeitet und gleichzeitig einen Punch-Through-Bereich liefer^,der nicht mit der Funktion des Transistors in Wechselwirkung tritt.

Der Kontakt- und Einstellbereich 50 ist einerseits ein Teil der Basis des Transistors und dient andererseits der Kontaktverbindung zum Basisbereich 47. Bei den dargestellten Aufbau liegt der Punch-Through-Bereich auf der einen Seite des Transistors, und zwar unter dem Hilfsemitterbereich 51 zwischen der Grenzschicht J₁ und dem hilfsweisen Emitter-Basisübergang J₃. Wie durch die gestrichelte Linie I^ dargestellt, verläuft der Punch-Through-Strom über den Hilfs-Emitterbereich 51, den Basiskontakt 52, den Kontakt- und ß-Einstellbereich 50, wo er sich beim Obergang in den Emitter· bereich 48 über die gesamte Grenzschicht verteilt. Wie in der Darstellung gemäss Fig. 1 ist der Emitter 48 aber einen Kontakt 53 mit Masse verbunden. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass der Punch-Through-Bereich die Gesamtfunktion des Transistors nicht durch ein Vergrössern des ß-Wertes beeinträchtigt. Die Verlustleistung wird über den gesamten Emitterbereich 48 verteilt, da der Hilfs-Emitterbereich 51 mit der Basis kurz geschlossen ist.

Es sind auch Fälle möglich, bei denen der Bereich 50 weg-

- 16 - gelassen

gelassen und der Hilfs-Emitterbereich direkt mit der P~-leitenden Basis verbunden werden kann. Bei diesem Aufbau ergibt sich ein Vorteil gegenüber dem Aufbau gemäss der Fig. 1, da der Transistor mit einem ausreichend grossen Abstand zwischen den Grenzschichten J₁ und J₂ hergestellt werden kann, um hohe ß-Werte auszuschliessen und gleichzeitig einen Punch-Through-Durchbruch sicherzustellen. Der Punch-Through-Strom fliesst in diesem Fall am Hilfsemitter hoch über die Basis neben dem regulären Emitter und von diesem aus ab.

Es ist selbstverständlich, dass der Leitfähigkeitsaufbau gemäss den Fig. 1 und 3, sowie gemäss den nachfolgend beschriebenen Fig. 4, 5 und 6 auch umgekehrt werden kann, um sowohl NPN als auch PNP Transistoren vorzusehen. Di* ungefähren Störstellenkonzentrationen der Transistoren gemäss den Fig. 1, 3, 4 und 5 sind wie folgt: Kollektor-Störstellenkonzentration etwa 10ⁱ'* bis 10^XO Atome/cm"";

Basis-Störstellenkonzentration<10 Atome/cm ;

15 2 Emitter-Störstellenkonzentration>10 Atome/cm ; Hilfsemitter-Störstellenkonzentration, soweit anwendbar, >10¹⁵ Atome/cm²; Störstellenkonzentration des Kontakt- und ß-Einstellbereichs

15 2 ' unter dem Emitter, soweit anwendbar, etwa 10 Atome/cm .

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung

dargestellt, bei der der Punch-Through-Bereich im Zentrum des Emitters eines Transistors angeordnet ist, wobei trotzdem ein kontrollierbarer ß-Wert beizubehalten ist.

Dieser Transistor umfasst einen N-leitenden Kollektejrbereich

55, einen P"-leitenden Basisbereich 56 und einen N -leitenden·

Emitterbereich 57. Dieser Emitterbereich wird, mit Ausnahme ·.·» - ί

eines zentralen Bereiches 60, von einem P-leitenden Kontakt- und ß-Einstellbereich 58 umgeben. Der Bereich 58 ist kreisförmig ajLt einer Öffnung 59 in der Mitte ausgebildet. ,·

Die Nachbarschaft des zentralen .

- 17 - Bereiches

Bereiches 60 des Emitters zur Grenzschicht J₁ des Transistors in Verbindung mit der niedrigen Störstellenkonzentratiori in der Basis bewirkt, dass der Punch-Through-Durchbruch vor dem Lawinendurchbruch auftritt. Dieser Durchbruch erfolgt durch die Öffnung 59 und führt den Basisstrom über den Emitterbereich 57 derart, dass die während des Durchbruchs auftretende Verlustleistung wiederum über den gesamten Emitter verteilt wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, bei der eine tiefe N⁺-leitende Diffusion durch den P-leitenden Bereich im Zentrumsbereich 61 des Emitters ausgeführt ist. Damit erfolgt der Punch-Through-Durchbruch ebenfalls im Zentrum des Emitters. Die aktive Punch-Through-Breite wirdbei diesem Fall auf den tiefdiffundierten Bereich 61 derart reduziert, dass der P~-leitende Basisbereich nicht so leicht dotiert sein muss. Bei den mit einem Pluszeichen gekennzeichneten Störstellenkönzentrationen liegen diese in einem Bereich von etwa 10" is 10*^v Atome/cm", wogegen beim Bezeichnen der Leitfähigkeitssymbole mit einem Minuszeichen die dazugehörigen Konzentrationen etwa in einem Bereich von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Atome/cm³ liegen. Die neutralen Leitfähigkeitssymbole kennzeichnen Störstellenkonzentrationen in einem Bereich von etwa 10 bis 10 Atome/cm .

Bei einer weiteren, in Fig.. 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der für den Punch-Through-Durchbruch verantwortliche Verarmungsbereich auf nur einen Teil des Emitters durch eine vergrabene Schicht 70 begrenzt. Der übrige Aufbau des Transistors entspricht in etwa der Ausführungsform gemäss Fig. 1. Die Vergrabene Schicht bewirkt, dass die Punch-Through-Durchbruchspannung für einen Tranistor entsprechend dem Aufbau gemäss Fig. 1 noch kleiner ist. Dies lässt sich .an Hand der Fig. 2b erläutern,und ist durch die steiler abfallende Linie 35 aufgrund der vergrabenen Schicht 70 bedingt, wobei diese

- 18

Vergrabene

ill«. j

* t » i

vergrabene Schicht eine Störstellenkonzentration von etwa

18 3 10 Atome/cm für einen entsprechenden beispielsweisen Halbleiteraufbau hat. Der Flächenbereich unterhalb der Linie 35 ist beträchtlich kleiner als der Flächenbereich unter der Linie 31* geraäss Fig. 2b. Aufgrund dieses kleineren Flächenbereiches unter der Linie 35 ist auch die notwendige Spannung,um einen Punch-Through-Durchbruch auszulösen, entsprechend kleiner. Der durch die vergrabene Schicht bewirkte Schutz ermöglicht die Produktion eines Transistors, der nicht so gross wie diejenigen Transistoren sein muss, die nicht mit dem Gegenstand der Erfindung versehen sind. Damit kann für einen gegebenen Anwendungsfall ein Transistor mit einer verhältnismässig niedrigen Leistung anstelle eines solchen mit einer verhältnismässig hohen Leistung verwendet werden, wenn der Punch-Through-Mechanismus gemäss der Erfindung Verwendung findet. Durch das Vorsehen einer vergrabenen Schicht können leicht dotierte Kcllektorbereichc Verwendung finden, Wodurch der Kollektor eine sehr hohe Dotierung im Punch-Through-Bereich erfährt. Diese Massnähme der vergrabenen Schicht kann in Verbindung mit den Massnahmen Verwendung finden, wie sie anhand der Fig. 1, 3, 4 und S beschrieben wurde. Vorausstehend wurden ein Verfahren und Ausführungsformen für die Herstellung von Transistoren beschrieben, mit denen es möglich ist einen Punch-Through-Durchbruch vor einem Lawinendurchbruch zu erzielen. Dies erreicht man durch ein Verändern der elektrischen Charakteristiken des aktiven Bereiches bei konventionell aufgebauten Transistoren, oder indem Hilfs-Punch-Through-Bereich geschaffen werden, die die erforderliche N χ t Charakteristik aufweisen. Mit einem den ß-Wert kontrollierenden Halbleiteraufbau ist es ferner möglich, den Punch-Through-Durchbruch beizubehalten, wobei gleichzeitig der ß-Wert* des Transistors niedrig gehalten werden kann.

Durch das Bewirken des Punch-Through-Durchbruchs unter Ausschluss

- 19 - "des

■■ti Il

• I ι

des Lawinendurchbruchs lässt sich eine erhebliche Verbesserung der Transistoren gegen zu grosse Sperrspannungen schaffen. Dies wird durch die Verteilung des Punch-Through-Durchbruchstromes über einen grossen Flächenbereich erzielt, sodass keine oder nur sehr geringe strukturelle Schäden auftreten können. Durch die besondere Ausgestaltung der Transistoren kann in vorteilhafter Weise der Punch-Through-Durchbruch entweder von dem aktiven Bereich entfernt, oder auf einen so kleinen Bereich beschränkt werden, dass keine Wechselwirkung mit dem normalen Betrieb des Transistors auftritt. Es ergibt sich somit, dass die Verstärkung und das Durchschlagverhalten eines Transistors getrennt beeinflusst werden können.

- 20 <■ Sehutzanspgüehe

Claims

1. Halbleiteranordnung mit einem Transistoraufbau, bei dem der Kollektorbereich vorzugsweise vom Halbleiterkörper and der Basisbereich sowie der Emitterbereich durch Diffusionsbereiche im Kollektorbereich gebildet sind, wobei zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich eine Sperrvorspannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gegebenen Teil des Halbleiterkörpers der Abstand (t) zwischen dem Emitter-Basisübergang und dem Kollektor-Basisübergang einerseits und/oder andererseits die Störstollenkonzentration (φ) des Basisbereichs zwischen dem Emitter-Basisübergang (J,) und denn Kollektor-Basisübergang (J.) auf einem relativ kleinen Wert gehalten ist.

2. Kalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration (N) im Basisbereich kleiner als 5 χ 10 Atome/cm bei einem Silicium-Transistor ist.

3. Halbleiter-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als ein Teil des Basis-Bereichee ein Zwischenbereich (50, 58) zwischen dem Emitterbereich (48, 57) und dem Basisbereich (47, 56) des Transistors angeordnet ist, der die gleiche Leitfähigkeit wie der Basisbereich und eine höhere Störstellenkonzentration als dieser aufweist.

11.12.1972

I· 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die mittlere Störstellenkonzentration

(N) des Zwischenbereiches (50, 58) unterhalb dem Emitter

bereich (48, 57) und des Teils des Basisbereiches (47, 56)

zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich des

12 2

Transistors etwa bei 5 χ 10 Atome/cm* liegt.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zwischenbereich (50) den Emitterbereich (48) vollständig umgibt, daß ferner ein Hilfsemitterbereich (51) in dom Basisbereich (47) angeordnet ist, und

daß der Boden des Hilfsemitterbereichs (51) einen vorgegebenen Abstand (t) vom Kollektor-Basisübergang (J₁) hat.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zv/ischenbereich (58) den Emitterbereich (57) des Transistors bis auf einen bestimmten, begrenzten Bereich (60) allseitig umgibt.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß durch den bestimmten, begrenzten Bereich des Emitterbereiches (57) sich ein Diffusionsbereich (61) mit derselben Leitfähigkeit wie der Emitterbereich (57) erstreckt, der in einen vorgegebenen Abstand von dem Kollektor-Basisübergang (J₁) endet.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hllfs-Emitterbereich (51) vom Emitterbereich (48) in einem Abstand angeordnet ist aad sich weiter in den Basisbereich (47) des Transistors hinein erstreckt als der Emitterbereirh (48)♦

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η -

11.12.1972

zeichnet , daS der Transistor aus Silicium besteht, daß ferner der Abstand (t) zwischen dem Boden dea Hilfaemitterbereichs (51) und dem Kollektor-Basisübergang (J₁) und die Störstellenkonzentration (N) des Basisbereiche· unter dem Hilfs-Emitterbereich so vorgegeben sind, daß das Produkt aus dem Abstand (t) und der Störstellenkonzentation (N) kleiner ist als 5 χ 10¹² Atome/cm².

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß am Kollektor-Basisübergang (J₁) eine vergrabene Schicht (70) angeordnet ist, die die gleiche Leitfähigkeit und eine höhere Störstellenkonzentration (N) wie bzw. als der Kollektorbereich (11) aufweist.

11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch g s k s a η zeichnet , daß der Transistor aus Silicium besteht, daß ferner die Störstellenkonzentration zwischen dem Hilfsemitterbereich (51) und dem Kollektorbereich (46) kleiner

als 5 χ 10¹² Atome/cm² und die mittlere Störeteilenkonzentration zwischen dem Emitterbereich (48) und dem Kollektorbereich (46)

12 2
größer als etwa 5 χ 10 Atome/cm ist.