DE2241600A1 - Hochspannungs-p-n-uebergang und seine anwendung in halbleiterschaltelementen, sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Hochspannungs-p-n-uebergang und seine anwendung in halbleiterschaltelementen, sowie verfahren zu seiner herstellung

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Description

Hochspannungs-p-n-übergang und seine Anwendung in Halbleiterschaltelementen/ sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiter und Halbleiterschaltelemente, und insbesondere betrifft sie p-n-übergänge in derartigen Schaltelementen, die sich
unter einer schützenden Oxydschicht zu einer Deckfläche der
Hauptmasse des Halbleitermaterials erstrecken. Solche übergänge werden üblicherweise als "Planar"-übergänge oder planparallele Übergänge bezeichnet, und die angewendete Technologie und die sich ergebenden Halbleiterschaltelemente oder Halbleiterschaltkreise ν;erden als "planar" bezeichnet. Dies unterscheidet sie von sogenannten "Mesa"-Schaltelementen und -Schaltkreisen, in welchen ganze Schichten von Materialien mit abwechseIndem Leitfähigkeitstyp eindiffundiert sind, und durch Ätzen zur Bildung aktiver· Schaltelemente erstrecken sich die Übergänge ohne schützendes Oxyd nur bis zu den Kanten der Hauptmasse des Halbleiterriate rials.
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In ihrem wesentlichen Teil weist die vorliegende Erfindung einen sich zu der Oberfläche eines HalbleiterJcörpers erstreckenden p-n-Ubergang auf, der durch Eindiffundieren von Material eines ersten Leitfähigkeitstyps in zwei Stufen in Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet wurde: In der ersten Stufe wird die Konzentration von Verunreinigungsatonen begrenzt (etwa IO bis IO Atome je cm ), so daß sie zwei bis vier Größenordnungen kleiner ist als bei herkömmlichen übergängen. In der zweiten Stufe ist die Diffusionsfläche kleiner, so daß sie von der Diffusionsfläche der ersten Stufe vollkommen umgeben ist, .Konzentration und Tiefe haben jedoch normale Werte. Die Durchbruchsspannungen von Schaltelementen mit dem erfindungsgemäßen übergang sind wesentlich verbessert: Es können Planar-Transistoren mit Durchbruchsspannungen DS .von 1000 Volt hergestellt werden. Andere Eigenschaften von Schaltelementen mit dem erfindungsgemäßen übergang werden entweder nicht beeinträchtigt oder verbessert, und die Verwendung des Überganges ist im wesentlichen unabhängig von anderen Auslegungsparametern. Der erfindungsgemäße übergang kann sowohl in aktiven als auch in passiven Schaltelmenten verwendet werden, und er eignet sich zur Verwendung in integrierten Schaltungen und für die p-n-Übergang-Trennung.
Planar-Schaltelernente waren bisher auf relativ niedrige Spannungen beschränkt, weil sie infolge gewisser Oberflächeneffekte bei Spannungen durchbrechen, die sehr beträchtlich unterhalb der Durchbruchsspannung im Inneren bzw. der Bahndurchbruchsspannung liegen. Transistoren und andere Planar-Schaltelemente, die erfindungsgemäß hergestellt sind, werden nicht durch derartige Oberflächen-Durchbruchsspannungen eingeschränkt, sie können daher bei höheren Spannungen arbeiten. Sie sind unter Normalbedingungen verläßlicher, da sie einen größeren Sicherheitsspielraum unter äquivalenten (Vor-) Spannungsbedingungen aufweisen. Sie können bei höheren Netzspannungen arbeiten, hierdurch entfällt der Bedarf
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für spannungsmindernde Einrichtungen. Alternativ kann mit dem Wegfall des Oberflächendurchbruchs als Problem die Geometrie geändert werden, um die Frequenzeigenschaften zu verbessern, oder der spezifische Widerstand im Inneren bzw. der spezifische Bahnwiderstand kann erniedrigt werden, um die Sättigungseigenschaften zu verbessern. Die Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung erfolgt bei der Konstruktion von Planar-Transistoren, entweder als diskrete bzw. getrennte Schaltelemente oder als Teile eines integrierten Schaltkreises.
Das Verständnis der vorliegenden Erfindung wird erleichtert, wenn man ein typisches Schaltelement nach dem Stand der' Technik betrachtet, wie es* in Figur 1 dargestellt ist. Es handelt sich um einen typischen Transistoraufbau, wie er in bekannten Verfahrensstufen hergestellt werden könnte. Bereiche unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps sind markiert (es versteht sich, daß n-p-n- und p-n-p-Anordnungen in ihrer Arbeitsweise rm wesentlichen äquivalent sind, beide können verwendet werden). So umfaßt der Transistor 10 der -Fig. 1 einen n-Typ-Kollektorbereich 12, eine p-Typ-Basis 14 und einen n-Typ-Emitter 16, wobei ein Kollektor-Basis-Ubergang 18 und ein Emitter-Basis-Übergang 20 die verschiedenen Bereiche definieren. Eine SiO..-Schicht 22 bedeckt die Oberfläche des Schaltelements mit Ausnahme des Basiskontakts 24 und des Emitterkontakts 26, die beide typischerweise aufgedampftes Aluminium sind. Ein Gold-Kollektorkontakt.28 ist auf die Bodenfläche aufgedampft. Zur Klarheit ist die SiO2-Schicht 2 2 dargestellt, als ob sie von gleichförmiger Dicke sei; wegen der verschiedentlichen Stufen des Wiederaufwachsens und Mtzens hat sie tatsächlich ein gestuftes Aussehen. Die SiO--Schicht 22 wird üblicherweise als Passivierungsschicht bezeichnet, da' sie die empfindlichen p-n-übergänge schützt und sie gegen die schädigenden Einflüsse von Feuchtigkeit und Oberflächenverunreinigungen passiviert.
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Es ist bekannt, daß das maxir.ale elektrische Feld für eine bestimmte Spannung an einen p-n-übergang mit der .^unah~e des Dopens an einer oder an beiden Seiten zunimmt. Nährend ir. allgemeinen die Durchbruchsspannung eines Übergangs von den spezifischen Widerstand im Inneren bzw. dem spezifischen Bahnwiderstand der leicht gedopten Seite abhängt, ist es von an beiden Seiter, stark gedopten Übergängen bekannt, daß sie ein Feld mit beträchtlichen Spitzen selbst bei bescheidenen angelegten Spannungen erzeugen. Die Hauptcharakteristik eines elektrischen Feldes ist natürlich die, daß es Ladungsträger ' (Elektronen oder Elektrcnenr.angelstellen) beschleunigt. Mit der Zunahr.e der Gegenspannung über einen übergang nimmt das elektrische Feld zu, und die Ladungsträger werden mehr und mehr beschleunigt, bis ein Punkt erreicht ist, wo ein einzelner Ladungsträger, der mit einem Siliciumatom kollidiert, das Freisetzen eines Paares von Ladungsträgern verursacht. Dieses Paar selbst wird beschleunigt und der Prozess der Erzeugung von Ladungsträgern setzt sich fort, bis er zu einem Lawinendurchschlag des Übergangs führt. Man nimmt an, daß die Größe dieses Feldes und der Abstand, über den es reicht, die Hauptfaktoren sind, die die Spannung beeinflussen', bei v/elcher ein Lawinendurchschlag erfolgt. Es ist jedoch klar, daß leicht gedopte Übergänge mit hohem spezifischem Widerstand weniger Feld erzeugen als schwer gedopte übergänge, und daß sie in jedem Hochspannungsschaltelement vorzuziehen sind. Daher werden typische Hochspannungsschaltelemente in Silicium mit hohem spezifischem Widerstand eindiffundiert, selbst wenn sie andere, die Spannung begrenzende Probleme aufweisen.
Jeder Übergang 18, 20 im Transistor 10 hat seine eigene zugehörige Durchbruchsspannung (DS). Die Spannung über den Kollektor-Basis-Ubergang 18 bei offenem Emitter, DS-j. .., und die Spannung vom Kollektor zum Emitter bei offener Basis, DS0. sind die wichtigsten; ein Durchbruch über den Basis-Eniitter-L'borg.-mg (DS _) erfolgt gleichbleibend bei niedrigeren Niveau, was in
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BM3 one»«-
erster Linie auf das viel stärkere Dopniveau bzw. Dotierungsniveau in der Basis zurückzuführen ist.
Die DS eines Schaltelements kann natürlich durch Anv;endung eines Ausgangsmaterials mit größerem spezifischem Widerstand im Inneren bzw. spezifischem Bahnwidarstand erhöht werden, dies ist jedoch oft zum Schaden anderer wichtiger Parameter, wie Frequenzbereich und Sättigungsniveau. Demzufolge haben sich die Anstrengungen, die-DS^or, in Silicium-Planar-Schaltelementen zu erhöhen, auf den Bereich der änderung der Oberflächencharakteristiken des Materials in der Nähe des PCollektor-3asis-übergangs konzentriert, indem man Kanäle mit sogenannten "Schutzringen" oder "Feldauflösungsringen" zu sperren versuchte.
Der Erfindung liegt die allgemeine Aufgabe zugrunde, einen planaren, eindiffundierten p-n-Übergang zu schaffen, mit einer Durchbruchsspannung, die der Durchbruchsspannung des Materials im Inneren bzw. der Bahndurchbruchsspannung (bulk breakdown voltage) nahekommt oder gleich ist. Die Erfindung soll ferner eindiffundierte planare Halbleiterschaltelemente schaffen, deren Durchbruchsspannung der Durchbruchsspannung im Inneren des Materials bzw. der Bahndurchbruchsspannung des Materials nahekommt oder gleich ist. Die Erfindung soll ferner eindiffundierte planare Halbleiterschaltelemente mit hohen Durchbruchsspannungen schaffen, bei denen andere Parameter der Schaltelemente dennoch nicht beeinträchtigt werden. Die Erfindung soll auch einen planaren eindiffundierten p-n-Übergang mit hoher Durchbruchsspannung schaffen, der für die Herstellung von Hochspannungsdioden, Widerständen, Transistoren und integrierten Schaltkreisen nützlich ist. Schließlich soll die Erfindung ein Vorfahren zur Herstellung der erfindungsgemüß angestrebten Gegenstände schaffen.
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In weiteren Einzelheiten ergeben sich Aufgabe und · Vorteile der Erfindung aus der folgenden Beschreibung,einar Ausführungsform davon, wobei die neuen Merkmale besonders in Verbindung mit den Ansprüchen deutlich werden.
Die Zeichnungen zeigen in:
Figur 1 eine perspektivische Schnittansicht eines typischen planeren eindiffundierten Transistors nach den Stand der Technik;
Figur 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Transistors;
: Figur 3 ein Diagramm von Diffusionskurven (Oberflächenabstand gegen Verunreinigungskonzentration aufgetragen) für herkömmliche Kollektor-Basis-Ubergänge und für erfindungsgemäße übergänge;
Figuren 4A bis' 4F die Stufen zur Herstellung der Anordnung nach Figur 2; .
Figur 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandes für einen integrierten Schaltkreis, wobei die Trenneinrichtung zur größeren Klarheit weggelassen wurde;
Figur 6 ein Strom-Spannungs-Diagramm für herkömmliche Widerstände und den Widerstand nach Figur 5;
Figur 7 eine vereinfachte Schnittansicht eines Teils eines integrierten Schaltkreises, unter Darstellung einer Trennung durch den erfindungsgemäßen Ilochspannungs-p-n-Ubergang;
Figur 8 eine schenatische Schnittansicht eines Hochfrequenztransistors mit schmaler Basis gemäß der Erfindung.
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Im wesentlichen wird die obige Aufgabe durch die Schaffung eines planaren p-n-überganges gelöst, der in zwei Stufen eindiffundiert ist: Die erste Stufe hat einen 0,0127 bis 0,0254 mm (0.5 mil to 1 mil) größeren Radius als die zweite Stufe und kann flacher sein, die gleiche oder eine größere Tiefe haben als die zweite Stufe. Die durchschnittliche Verunreinigungskonzentration in der ersten Stufe ist zv,Tei bis vier Größenordnungen kleiner als die Verunreinxgungskonzentratxon in der zweiten Stufe; sie liegt-im allgemeinen im Bereich von 10 bis
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10 Atome/cm (im Gegensatz zu 10 bis 10 in der zweiten Stufe). Das Ausgangsmaterial hat einen spezifischen Nominalwiderstand im Inneren bzw. spezifischen Nowinalbahnwiderstand von im allgemeinen 30 bis 100 JQ. · cm. Bei der Transistorherstellung ist die hier angeführte Diffusion der zweiten Stufe ein herkömmlicher Basisbereich, und die Kollektor- und Emitterbereiche sind in jeder Hinsicht herkömmlich, wie dies auch für die SiO„-Passivierungsschicht und die metallischen Kontaktkissen oder Kontaktblöcke zutrifft. Ein erfindungsgemäßer Transistor kann also durch Anwendung aller herkömmlichen Verfahrens stufen p,lus einer zusätzlichen Basisdiffusion mit .-geringf ügig größerer Fläche und beträchtlich geringerer Verunreinxgungskonzentratxon als die herkömmliche Basis hergestellt werden. Das gleiche Konzept wird angewendet, um die Durchbruchsspannung eines Widerstandes für einen integrierten Schaltkreis, einer Diode und eines Paares von für die elektrische Trennung verwendeten p-n-übergängenzu vergrößern. Durch Anwendung der gleichen Doppeldiffusionstechnik auf den Basisbereich kann ein tief eindiffundierter Emitter geschaffen werden, um einen Transistor herzustellen, der eine entsprechend schmälare Basis und einen vergrößerten Frequenzbereich aufweist, dabei dennoch höhere Spannungseigenschaften behält als normal.'Weiterhin kann diese Technik bei Ausgangsmaterialien r.it unternormalem spezifischem Widerstand' im Inneren bzw. unterncrinalern spezifischem Bahnwiderstand angewendet werden, was zu
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einer Erzeugung von Schaltelementen mit normalen Durchbruchsspannungen aber besseren Sättigungseigenschaften führt.
In Figur 2, auf die nunmehr Bezug genommen wird, ist ein diffundierter Planar-Transistor 30 vom n-p-n-Typ dargestellt. Gemäß Figur 4A wird ein n-Typ-Ausgangsmaterial 32, sowie eine Scheibe aus Einkristall-Silicium mit einem spezifischen Widerstand im Inneren bzw. einem spezifischen Bahnwiderstand von 30 bis 100 Λ · cm verwendet . (es sei klargestellt, daß Figur 2 und die Figuren 4A bis 4F ein einzelnes Schaltelement zeigen, daß jedoch mehrere tausend identische Schaltelemente simultan in einer einzigen Scheibe erzeugt werden). Die Vorbereitung der Scheibe erfolgt auf herkömmliche Weise: Sie muß geläppt und glanzge-
• ' nicht
schliffen werden, wenn sie/epitaxiales Silicium ist. In letzterem Fall sei bemerkt, daß die epitaxiale Schicht genügend dick sein muß, um die beabsichtigte Spannung zu tragen. Das Plättchen wird dann entweder durch Tieftem-
peraturoxydationstechnik oder durch Hochtemperaturoxydationstechnik oxydiert, um eine SiO„-Schicht 34 an einer Oberfläphe zu schaffen. Wieder muß die Dicke der Schicht 34 ausreichend sein, um die beabsichtigte Spannung zu tragen. In vielen Fällen sind
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etv/a 12000 Λ erforderlich, während auf einen herkömmlichen Nie-
o
derspannungsschalteleir.ent 6000 A ausreichen würden. Nachdem die Schicht 34 gewachsen ist, wird die erste Diffusionsmaske oder Diffusionsblende angewendet, um eine öffnung 36 in die Schicht 34 zu schneiden und ein p-Typ-Material wie Bor auf der Oberfläche abzuscheiden und es in den P~-Basisbereich 38 (Figur 4B) einzudiffundieren. Dies kann man als die Hochspannungsdiffusion bezeichnen.
Die Geometrie der Öffnung 36 hängt weitgehend von dem herkömmlichen Basisbercich 4A (Figur 2), der in ein Hochspannungsschaltelernent eingearbeitet wird, ab. Zunächst sei darauf hinge-
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wiesen, daß, wenngleich quadratische Geometrie anwendbar ist, runde Geometrie bevorzugt wird, da diese keine Ecken aufweist, die als Punkte elektrischer Feldkonzentration wirken können. Die Größe der Öffnung 36 bestimmt natürlich die Größe des Bereiches 33. Vom Standpunkt der Materialersparnis her gesehen ist es wünschenswert, daß χ, die Radiusdifferenz zwischen dem Hochspannungsbereich 38 und dem herkömmlichen Basisbereich 44, so klein wie möglich ist. Dies kann man als seitlichen Feldabstand bezeichnen. Die Auflösungsgrenzen gegenwärtiger- photolithographischer Techniken machen jedoch einen Wert für χ von weniger als 0,00508 mn (0.2 mil) vom Gesichtspunkt der Reproduzierbarkeit her gesehen, fraglich. Für eine maximale DS ' sollte χ andererseits groß sein. Es-wurde jedoch gefunden, daß für Werte von χ größer als 0,0254 mm (1 mil) der Grad der Verbesserung der DS.,,,, klein im Vergleich zu den "Kosten" durch die Anwendung von bedeutend mehr Material ist. In der Praxis werden daher für Schaltelemente von etwa herkömmlicher Geometrie Werte für χ von etwa 0,0127 bis etwa 0,0254 mm (about Ο«5 mil ■ to abour 1.0 mil) bevorzugt.
Bei der Abscheidung und dem Eindiffundieren des p-Typ-Katerials in den Bereich 38 sind die Tiefe und die durchschnittliche Verunreinigungskonzentration wichtig, die Art und Weise, in weicher sie verwirklicht werden, ist jedoch nicht kritisch. Eine typische Abscheidung von Bor kann eine 15 Minuten lange Behandlung bei 920 C in einem mit Stickstoff verdünnten Diboran-Strom einschließen. Dann wird in einem zweiten Ofen eine Oxydation in Wasserdampf durchgeführt, während eine Probe für eine spätere Messung des Flächenv.'iderstandes bereitgestellt wird, un die exakte Oberflächenkonzentration an gewünschtem Bor zu erzielen (Bor'neigt dazu, aus dem Silicium in das Oxyd infolge unterschiedlicher Diffusions- und Verteilungskoeffizienten .ausgelaugt zu werden), Das Bor wird dann in die Oberfläche gatrie-
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bcn durch Erhitzen in einem Diffusionsofen, das typischerwoise bei 1150 C während einer Dauer von 15 Stunden in einer Stickstof f atmosphäre erfolgt. Typische Ergebnisse sind eine Diffusionstiefe von 5 Mikron und eine durchschnittliche Konzentration von 10 B-Atome/cm . Natürlich schwankt die tatsächliche Konzentration über mehrere Größenordnungen mit dem Abstand von der Oberfläche gemäß den Diffusionsgesetzen; dies wird im folgenden in Verbindung mit Figur 3 erläutert.
Während der Oxydationsstufe und der Diffusicnsstufe erfolgt ein Wiederaufwachsen des Oxyds 40 (Figur 4C) über der öffnung 36. Die zweite Maske wird scdann angewendet, um eine weitere öffnung 42 (Figur 4D) in das Oxyd 40 zu ätzen, entsprechend den herkömmlichen Basisbereich, und um zusätzliches Bor abzuscheiden und zur Bildung des Basisbereichs 4A hineinzudiffundieren. Die Techniken kennen die gleichen sein wie oben beschrieben, sie werden jedoch so gesteuert, daß die gewünschte größere Konzentration und (v/ie in* den Figuren 2 und 4D bis 4F dargestellt ist) eine geringere Tiefe erzielt werden. Im allgemeinen v/ird die Tiefendifferenz (y in Figur 2) zwischen dem Hochspannungs bereich 38 und der herkömmlichen Basis 4Λ null sein, sie kann jedoch auch ein positiver Wert (wie dargestellt) oder ein negativer Wert sein, wie dies im einzelnen unten beschrieben ist. Wichtig ist, daß ein übergang 46 zwischen den Bereichen 38, in den Zeichnungen erscheint; dies ist kein p-n-übergang, sondern vielmehr ein P-P -Übergang, der in Wirklichkeit überhaupt kein Übergang ist, sondern lediglich eine Zwischenzone zwischen Bereichen verschiedener Konzentration aber gleichen Leitfähigkeitstyps.
Während der für die Erzeugung der Basis 44 angewendeten Oxydation und Diffusion wächst Oxyd 48 wieder auf der Basisöffnung 42 (Figur 4E). Mach denselben Maßnahmen wie oben beschrie-
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ben wird eine Emittermaske verwendet, um eine andere Öffnung 50 zu ätzen, und ein n-Typ-Material wie ein phosphorhaltiges Material wird abgeschieden und zur Bildung des Emitterbereiches .52 eindiffundiert. Mit der Hinzufügung eines Emitterblocks 54, eines Basisblocks 56 und eines Kollektorblocks 58 (Figur 2) ist das Schaltelement komplett.
Figur 3 ist ein Diagramm der Verunreinigungskonzentraticn (C)x aufgetragen gegen den Abstand (X) von der Oberfläche nach der Diffusionsstufe. Die gestrichelte Linie A stellt das •Verunreinigungsniveau in der Hauptmasse des Materials (phosphorhaltiges Material für das oben beschriebene n-Typ-Material) dar. Kurve B entspricht einer herkömmlichen Basisdiffusion, mit einem durchschnittlichen Oberflächenverunreinigungswert von 10 bis
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10 Boratome je cm . Die Konzentration fällt mit dem Abstand von der Oberfläche, bis Kurve B die Linie A schneidet; dies ist der Punkt χ.-, wo der herkömmliche p-n-übergang gebildet wird, weil auf einer Seite davon" p-Typ-Verunreinigungen vorherrschen und auf der anderen Seite n-Typ-Verunreinigungen in der Mehrzahl sind. Kurve C stellt die Hochspannungsdiffusionsstufe der vorliegenden Erfindung dar. Es sei darauf hingewiesen, daß der zusätzliche Effekt der zwei Diffusionen in dem stark gedopten Bereich minimal ist wegen des sehr niedrigen Niveaus (drei Größenordnungen weniger) der ersten Diffusion. Hat z.B. die zweite
' IR I1S
Diffusion ein Niveau von 5 χ 10 und die erste beträgt 1 χ 10 , so würde die größtmögliche Konzentration 5,001 χ 10 betragen. Die Hochspannungsdiffusion ist daher für das Entstehen der Eigenschaften des Basisbereiches in den Bereichen hoher Konzentration nicht maßgeblich. Kurve C, die mit einer Oberflächenkonzentration von lü3 beginnt, schneidet die Linie A beträchtlich weiter in dem Material als die Kurve B, wenngleich dies keineswegs eine Notwendigkeit ist. Wichtiger scheint zu sein, daß die Steigung der · Kurve C in dem Punkt χ. „ viel geringer ist als die Steigung der
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Kurve B in dem Punkt x... Daher ändert sich die Verunreinigungskcnzentration in der Nachbarschaft des Überganges viel allmählicher als dies bei herkömmlichen übergängen der Fall ist. Es wird angenommen, daß diese sehr allmähliche Mncerung von der n-Typ-Leitfähigkeit zu der p-Typ-Leitfähigkeit xvenigstens zum Teil verantwortlich ist für die Hochspannungscharakteristika von erfindungsgemäß hergestellten Übergängen. Sie scheint schließlich rr.it der Theorie übereinzustimmen, daß ein an beiden Seiten leicht gedopter übergang in geringerem Maße bei einer gegebenen I (Vor-) Spannung ein Feld mit Spitzen schafft als ein stark gedopte übergang. Ferner kann sie mit der planaren Standardtechnologie in Einklang gebracht v/erden und ergibt oxydpassivierte Übergänge.
Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten Übergang für einen integrierten Schaltkreis. Ein herkömmlicher Kiderstand dieses Typs würde einen stark gedopten p-Bereich 60 in dem n-Hauptmassenmaterial 62 des integrierten Schaltkreises einschließen. Eine Oxydschicht 64 isoliert ein Paar von Leitern 66, 63, die mit jedem Ende des p-Typ-Rereiches 60 verbunden sind. Ein derartiger Widerstand würde Strom/Spannungs-Charakteristika aufweisen, wie sie durch die Kurve A in Figur 6 dargestellt sind. Durch Eindiffundieren einer P -Zone 70 mit einer zv/ei bis vier Größenordnungen niedrigeren Konzentration als der Bereich 60 wird der Durchbruchswert auf das in Kurve B der Figur 6 gezeigte Niveau angehoben. Das geringere Dopen, das in der P -Zone vorherrscht, hat wenig oder keine beeinträchtigende Wirkung auf den Widerstandswert.
Die Verwendung einer p-n-Übergangs-Trennung ist ein üblicher Behelf bei der Herstellung integrierter Schaltungen bzw. Schaltkreise. Ein Paar von übergängen wird Rücken an Rücken
7 (reverse bias) Gegen-
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verwendet, um aktive' Schaltelemente voneinander abzutrennen, wobei jeder Übergang die "Kante" eines dieser Schalteler.ente bildet. Figur 7 zeigt eine .derartige Anordnung in vereinfachter Form: Epitaxiales n-Typ~Silicium ist auf einem p—Typ-Substrat 70 abgeschieden, und Bereiche 72 aktiver Schaltelemente werden durch Eindiffundieren eines p-Typ-Materials 74 dazwischen gebildet. Indem man zunächst eine erfindungsgemäße Hochspannungsdiffusion zur Anwendung bringt, werden die P -Bereiche 7β gebildet, wodurch die Isolierkapazität jedes Paares von Übergängen wesentlich erhöht wird.
Es sei darauf aufmerksam gemacht, daß das Verfahren der Erfindung anwendbar ist, um die Spannungscharakteristik einer ganzen Scheibe eines integrierten Schaltkreises zu heben, indem einzig der zusätzliche Verfahrensschritt einer Hochspannungsdiffusion ausgeführt wird. Es ist daher eine zusätzliche I-!aske erforderlich, und sie definiert die Bereiche für -die Hochspar.r.ungsdiffusion für Transistoren, Dioden, Widerstände und Abtrennungen in Form von p-n-übergangen.,Ein einziger Abscheidungs-Diffusions-ZyJ<lus schafft die Hochspannungsübergänge für alle Schaltelemente auf der Scheibe.
Wie bereits ausgeführt wurde, wird die erfindungsgenäße Hochspannungsdiffusion vor der normalen Diffusion ausgeführt. Diese Maßnahme kann auch umgekehrt werden, vorausgesetzt, .daß der Tatsache "Rechnung getragen wird, daß die Diffusion eines bereits geschaffenen Bereiches während einer nachfolgenden Diffusion waiter andauert. Ein normaler Basisbereich wird sich während einer nachfolgenden Hochspannungsdiffusion- vergrößern, so wie auch ein Hochspannungsbereich während einer nachfolgenden ncrralen Basisdiffusion weiter diffundieren wird. Die Maskengeorr.etrie and die Diffusionszyklen müssen daher derart korrigiert v/ercen, daß die richtigen Verunreinigungskonzentrationen und Tieren erzielt werden.
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Die geschaffene Fähigkeit zur Erzeugung diffundierter planarer Hochspannungsübergänge wird man in manchen Fällen dahingehend benützen, daß man die höhere Durchbruchsspannung zugunsten einer Verbesserung einiger anderer Parameter des Schaltelemente opfert. Ein sehr einfaches Beispiel dafar liegt . in der Verv'endung eines Ausgangsnaterials mit eino-'r. niadrigeren spezifischen Widerstand in der Hauptmasse bzw. irr. Ir.naren. Wendet nan die Erfindung hier an, so wird die DS„ _ auf ihrem früheren normalen Wert gehalten, jedoch werden die Sättigungseigenschaften verbessert. Ein anderes Beispiel ist der in Figur 8 dargestellte Hochfrequenztransistor 78. Dieser ur.faßt einen n-Typ-Kollektorbereich 80, einen P -Hochspannungsbereich 82, einen normalen Basisbereich 84 gleicher Tiefe wie der Bereich 82 (d.h. y = 0) und einen relativ tief eindiffundierten Emitter So. Letzterer schafft eine sehr schmale 3asisbreite, wodurch die Alpha-Grenzfrequenz verbessert wird, während DS_„_ und DS-,^-. auf dem herkömmlichen Wert gehalten v/erden. Normalerweise würde eine Verschmälerung der Basisbreite auf einen gleichen Wert zu einer unsrwünscht niedrigen DS n führen.
Während ausgeführt wurde, daß ein Arbeiten mit anderer als der Hochspannungsdiffusion herkömmlich ist, sind doch gewisse Änderungen notwendig, um ein Hochspannungsschaltelement herzustellen. Insbesondere muß die Dicke der passivierenden SiO^-Schlch ausreichend sein, um mit der höheren Spannung fertig zu warden. In gleicher V/eise müssen die Größe, die Dicke und die Trennung der Kontaktblöcke für die hohe Spannung ausreichend sein.
Bei der Anwendung der Erfindung auf die Herstellung von integrierten Hochspannungsschaltkreisen ist es vorteilhaft, die als dielektrische Trennung bekannte Technik anzuwenden, da Anordnungen, die diese Art der Trennung verwenden, für eine viel höhere Spannung brauchbar sind als Schaltkreise, welche eine
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p-n-übergangs-Trennung verwenden. Ein dielektrisch getrennter integrierter Schaltkreis umfaßt eine Vielzahl von "Tassen" oder "Wannen" aus einem Silicium-Einkristall, die in eine polykristalline Silicium-Matrix eingebettet sind, wobei jede "Wanne" oder Mulde einen Oxydüberzug zwischen' den eingebetteten Oberflächen und dem Matrixmaterial aufweist.-Aktive und passive Hochspannungsschaltelemente werden in den Mulden wie oben beschrieben hergestellt, mit geeigneten, den kompletten Schaltkreis bildenden Verbindungen. Die Erfindung, wird nicht bei der Trennfunktion in derartigen Schaltelementen verwendet, da p-n-Übergänge dort nicht verwendet werden.
Es wurde oben ausgeführt und ist in der Industrie anerkannt, daß Leitfähigkeitstypen austauschbar sind, d.h. daß ein p-n-p-Schaltelement das volle Äquivalent eines n-p-n-Schaltelements gleicher Geometrie, gleicher Dop-Niveaus usw. ist. Nichtsdestoweniger sind aus Gründen der Kosten, der Erhältlichkeit und der allgemeinen Häufigkeit bei der technischen Anwendung n-p-n-Sehaltelernente bevorzugt worden, vermutlich wegen Schwierigkeiten bei der Herstellung und Problemen bei der Betriebssicherheit bei p-n-p-Schaltelementen. Die vorliegende Erfindung hat für p-n-p- ■ Schaltelemente die gleiche Wirkung wie für n-p-n-Schaltelemente; jedoch bekommt man durch das Anheben der Spannungseigenschaften die anderen Probleme der p-n-p-Konstruktion besser in den Griff, und vermutlich wird die Erfindung auf diesem Gebiet sogar breitere Anwendung finden.
Beispiel ■ .
Ein 2N918-Transistor hat typischerv7ei.se eine Durehbruchsspannung DS„_„ = 18 Volt. Bei erfindungsgemäßer Behandlung durch eine Hochspannungsdiffusion (x = 0,0127 mm(0.5 mils), C = 10lD B-Atome/cm3, bei einer Tiefe von 2 Mikron) ist £ 26 Volt.
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Ausgehend von einer. 40 /I-CF:-Material/wurde fir einen herkönn-.lichen Transistor eine Durchbruchs soannur.c vor. ~5.,_^ = 220 Volt gemessen; die gleiche Geometrie und die gleichen Maßnahmen ergaben bei einer Ilochspannungsdif fusion ein Schaltelement mit einer Durchbruchsspannung von DS_pr = 800 Volt.
Eine Wiederholung der obiaen Maßnahmen mit einen Ausgangsmaterial von 80J2»cm/hob die Durchbruchsspannung ^S auf 900 Volt an, v/ie in Vorversuchen festgestellt wurde.
Bei den obigen Beispielen wurden andere Eigenschaften dar Schaltelenente nicht beeinträchtigt. Verstärkung und Frequenz wurden durch die ncrnale Basis gesteuert, und die Err.itterdif fusionen und die Hochspar.nungsdif f usien wirk te« sich darauf nicht aus, da der Hochspannungsdiffusion die gleiche Tiefe erteilt werden kann v/ie der Basis. Verstärkungsfaktoren lagen je nach Schaltelement in einem Bereich von 20 bis 250. Das Produkt ,aus Verstärkung mal Bandbreite (f.) lag im Bereich von 30 bis 300 Mhz. Die Kapazität je Flächeneinheit wurde ,nicht beeinträchtigt, da sie im allgemeinen eine Funktion des spezifischen Widerstandes an der leicht gedopten Seite ist.
Änderungen in Einzelheiten, Verfahrensstufen, Materialien und Anordnungen von Teilen durch den Durchschnittsfachr.a.in sind möglich, ohne von dem Grjndnrinr.ip der Erfindung abzuweichen und den Schutzur.fa.ng der Erfindung ger.vi3 den nachfolgenden Ansprüchen zu verlassen.
V (40Λ/cm)
**/ (BO n/cm)
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Claims (13)

  1. - 17 -
    Patentansprüche
    1Λ P-n-übergang, dar sich zu einer Oberfläche air.es Halbleiterkörpers aus Material eines ersten Leitfähigkeit"typs ers-rackt und einen ersten eindiffundierten Bereich von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist, der an seinen Grenzen den Übergang bildet, gekennzeichnet durch einen zweiten eindiffundierten Bereich (44) von entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, d^r lungs der Oberfläche völlig von dem ersten Bereich (38)" umgaben '.vird, wobei der erste Bereich eine zwei bis vier Größenordnungen geringere nittier^ Konzentration an Verunreinigungen enrg-gangesetzten Leitfähigkeitstyps hat als dar zweite Sere i eh.
  2. 2. P-n-Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Konzentration an Verunreinigungen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in dem ersten Bereich (38)
    '- 17 ■ 3
    ID" ' bis IO Atome je cm beträgt, v/ährend die mittlere Konzentration an Verunreinigungen entgegengesetzten Leitfähigkeitstvps in dem zweiten Bereich (44) 10 ° bis 10 Atoms je cm beträgt.
  3. 3. P-n-Ubergang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekjr.nzoichnet, daß sich der erste Bereich (38) um eine Strecke (:-:;■ von zwischen 0,00508 und 0,0254 mm (0.2 nils and 1 rr.il) über den zvoiten Bereich (44) längs des Umfanges an dieser Oberfläche air.ius erstreckt.
  4. 4. P-n-Übirgang nach einen der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Paar elektrischer ohmscher Kontakte für
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    BA ORIGINAL ■
    -13-
    den Anschluß von Leitern an die zwei Seiten des Überganges.
  5. 5. P-n-übergang nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    in einem Halbleiterschaltelement, in weichen die eineüffundierten Bereiche eine Basis (44) umfassen, wobei der Res: c.-.iS '.'alblaitematerials einen Kollektor umfaßt, gekennzeichnet durch einen in die Basis (44) eindiffundierten Eitiitterbereich (52) vcn de"1, ersten Leitfähigkeitstyp.
  6. 6. P-n-Ubergang nach Anspruch 5, gekGr.nssic-.net durch elektrische ohnscha Kontakte zum Anschluß von Leitern an den Kollektorbareich (32) , den Basisbereich (44) und den 2nitterbereich (52).
  7. 7. P-n-Ubergang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eindiffundierte Bereich langgestreckt IStx und ein Paar von elektrischen Kontakten zu~ iVnscraluB von Leitarn an die gegenüberliegenden Enden des eindiffundierten Bereichs vorgesehen ist.
  8. 3. P-n-übergang oder Halbleiterschaltelement nach einen dar Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen passivisrenden Oxydfilm an mindestens einem Teil dar Oberfläche, der den "bergung bedeckt.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung eines p-n-überqangs bzw. Ilalbleiterschaltelerrents nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei de~i riaterial eines Leitfähigkeitstyps in einen lialblsiterkürper aus Material dos entgegengesetzter. Loitfähiqkeitstyr>ü eindiffundiert wird, u;n einen sich zu der Oberfläche dos Körpers erstreckenden p-n-übargang zu bildon, dadurch gekennzeichnet, daß man das Eindiffundieren in einer ersten und einer zweiten Stufe
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    BAD ORIGINAL
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    durchführt, wobei die srste Stufe eine sehr leichte Diffusion ist, die den Übergang bildet, und die Diffusion der zweiten Stufe innerhalb eines längs der Oberfläche vollkommen von dar Diffusion der ersten Stufe umschlossenen Bereiches stattfindet und eine mittlere Konzentration an Verunreinigungen des einen Leitfähigkeitstyps eingestellt wird, die zwei bis vier Größeiiordnungen größer ist als in der Diffusion der ersten Stufe.
  10. 10. Verfahren-nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Konzentration an Verunreinigungen des einen Leitfähigkeitstyps nach der ersten Stufe 10 bis 10 Atome je cm beträgt, und daß die mittlere Konzentration an Verunreinigungen des einen Leitfähigkeitstyps nach der zweiten Diffusion und innerhalb von deren Bereich 10 bis 10 Atome je cm beträgt.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion der ersten Stufe,sich über den Umfang der Diffusion der zweiten Stufe längs der Oberfläche um eine Strecke von zwischen 0,00508 und 0,025 4 mm (between 0.2 mils and 1 nil) hinaus erstreckt.
  12. 12. P-n-Übergang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste eindiffundierte Bereich (38) durch den Körper aus dem Material hindurch erstreckt, um ein Paar trennender p-n-übergänge zu bilden, die Bereiche aktiver Schaltelemente voneinander trennen.
  13. 13. P-n-Übergang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in einer trennenden polykristallinen Matrix eingebettet ist.
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