DE1803026B2

DE1803026B2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1803026B2
Application number: DE19681803026
Authority: DE
Inventors: Dale Marius Brown; William Ernest Engeler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-10-13
Filing date: 1968-10-14
Publication date: 1973-09-20
Also published as: DE1803026C3; DE6802215U; GB1245765A; CH495629A; BR6802913D0; JPS4841391B1; FR1587469A; SE352775B; NL6814111A; DE1803026A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an diese Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt, und mit einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordneten Feldelektrode, die gegenüber einer an einer der Zonen angebrachten Elektrode vorgespannt ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung befaßt sich ferner mit einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an die eine Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt, und mit einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordneten Feldelektrode, die in die Isolierschicht eingebettet ist.

Es ist bereits bekannt, daß sich in den an die Oberfläche grenzenden Zonen eines Halbleiterkörpers, die mit einer Isolierschicht überzogen sind, leicht Kanäle bilden, in denen sich der Leitungstyp beim Betrieb

Halbleiterbauelements auf die Dauer verändert ^dÖ,. Schließlich sogar umkehrt. Diese Leitungstyp- «irawird durch Ladungsträger bewirkt, die sich ^inVT: isolierschicht befinden. Besonders bei nach ¹⁰ °~ Difiusionsverfahren hergestellten PNP-Tran^e· ren bei denen nacheinander eine Basis- und eine ¥ -rrprzone in eine Kollektorzone difiundiert werden,

- cpn daher Maßnahmen getroffen werden, durch ? die Entstehung von N-leitenden Kanälen in den ^»itpnden Zonen und damit Leckströme in der riSäche zwischen Halbleiterkörper und Isolier

Sm verhindert werden können.

P, ist ebenfalls bekannt, daß die Betriebsweise von ulhleiterbauelementen und besonders von Transi-^H ϊη haufier von Oberflächeneffekten als von Effck_storen naung ^ ^ Halbleiterkörpers abspie-

schädlich beeinflußt wird. Bei einem PNP-Planar^le;,Sor lenzen beispielsweise alle Zonen an die eine S nflS des Halbleiterkörpers, dessen Ober_aÄr zum Schutz gegen oKrflächeneffekte mit »o islierschicht überzogen ist. Bei derartigen Tranr td das elektrische Verhake,, de, (LrBaJw Seitorzone durch einen Effekt beeinträchtigt. ie nach seiner Stärke als »Oberflächenverarmung« J ,Oberflächeninversion« bezeichnet w,rd. Man a₅ imt an daß dieser Effekt auf positive Ionen in SSolieAchicht, beispielsweise Natriumionen in der ,nfpebrachten Oxydschicht, zurückzuführen ist. Es ?Ä"h auch mödich, daß positive Ione, in die SoEr chicht diffundieren, wenn bei der Herstellung enes Transistors die Basis- und Emitterelektroden Elektrischen Zuleitungen versehen werden, die 3 d r Oberfäche der Isolierschicht aufliegen, wie s be iSsweise dann der Fall ,st. wenn die PNP-pU^nsistoren Teil eines integrierten Schalt-Kollektorzone eines PNP-Planartransistors derartige oberflächennahe, N-leitende Kanäle bilden, hat man, wie bekannt, versucht durch einen in der KolieKior- -.one angeordneten »Schutzring«, der die Basiszone mit Abstand konzentrisch umgibt und aus einem hochdotierten, P-leitenden Bereich besteht, der euier Verarmung und Inversion an der Oberfläche wiaersteht den Kanal auf die innerhalb des Schutzring befindliche Oberfläche der Kollektorzone zu oe-

grenzen. . ...

Die Verwendung eines Schutzrings fur sich altern ist jedoch zur Vermeidung des schädlichen Einflusses der Oberflächeninversion unzureichend, denn bei senr hohen Spannungen kann sogar der stark ™^e°^ae Schutzring an der Oberfläche eine Inversion erfahren. Aber auch wenn man den Schutzring mit euiemedtrischen Leiter verbindet, der im Bereich der_ Kollektorzone auf der Oberfläche der Isoherschicht angeordnet ist. läßt sich dieser Nachte.l mehl vermeiden

Hierdurch sollte sichel _f ^^ J^^S elektrische Potential auf der Ober- und Untersene der Kolier.chicht gleich groß ist und 'nfolgedessen eine Ionenwanderung von der äußeren Oberflache der Isolierschicht her in Richtung ihrer an den HalD-leiterkörper angrenzenden Oberflache .^vermi5*ⁿ wird. Obwohl diese Maßnahme einen geringen Fort-

schritt bringt, kann die^ ^Io.^ne"^a"^s _K ^amm^ne eines flächennahen Teil oberhalb der Kollektorzone eines PNP-Planartransistors nicht vollständig verhindert werden, denn die Kollektorzone ™J »g «£^ω ring befinden sich immer auf ^ff^^^ Aus diesem Grund wird durch den Schutzring, die Basiszone und die Basiselektrodenzuleitung eme Kapazität gebüdet. die die Eingang-mpe^anz dePNP-

solchen PNP-Planartransistoren ist gewöhnlich H,r KoHektor-PN-Übergang in Sperrichtuns vorecsnannt dlh die Kollektorlone befindet sich bezugi^Pch Scr Basiszone auf negativem Potential. Aus dieem Grunde werden positive Ionen, die nahe dem HMbleSörper des PNP-Planartransistors in der SäEÄnSrhanden sind, von der auf der Isolier-

hich Hegenden Basiselektrodenzuleitung abges oßen. so daß sie in Richtung der Grenzfläche zwi-

hen der Isolierschicht und dem Halbleiterkörper wandern und sich dort insbesondere im Bereich oberhalb dTr Kollektorzone ansammeln. Wegen dieser Ansammlung positiver Ladungen in den oberflächeni^Bereic'hen der Isolierschicht werden Elektronen nicht möglU-h. einen in der Grenzfläche zwischen Isolierschich: und Halbleiterkörper schon vorhandenen Kanal zu verkleinern oder ganz zu Jje«^

Es ,st ferner nach der «^h*S^K^?ri?- 424 995 bereits ein Halbleiterbauelemint der «n gangs erwähnten Art bekannt bei dem die über einer

dadurch die Isolierschicht ^™*™™*£ ordnete Feldelektrode dazu^ dient, Randschicht, die .J™h V«r^g ^ entsteht, zu venneide^Nach dieso Pate ££ beispielswe.se bei einem PNP-1 rans stör eine Randschicht in der P-l«tenden Kollektorzone unte

halb der ^^ier^^h\^dadu^ Feldelekttode auf der Iso

Inversionsschicht entsteht, die zur B.ldung eines N-eitenden Kanals an der Oberfläche der Kollektorzone führen kann. Durch diesen Kanal w.rd die Betriebsvveise des PNP-Planartransistors empfindlich "stört da länos der Oberfläche der Kollektorzone L eSst öme fließen können, die bei einer hohen Koi-,Λ or-Basis-Spannung sogar eine »durch Raun, laduneen begrenzte« Strom-Spannungs-Kcnnhn.c ercebcn' kann. Außerdem wächst die Koüektorkapazität. und es wird die Eingangsimpedanz des PNP-Planartransistors ungünstig beeinflußt. In ahnhchcr Weise können sich P-leitende Kanäle an den Grenzflachen zwischen N-,eitenden Zonen und .sohcr-

daß sich in .er P-lcUcndcn Durch

doch ^^crf'^%^^Stn können^insbeson- ^r zugehor.gen Zone auszuncmen^K

dere an den Rändern der Zone w iternin .

„der sogar f»^™^¹¹¹^",J"^f "' ,nehsvcrhaher^^^^ S _itcrbaue,e_nlen,e

Das ^Bct^^^S^d :,^C _{schen dcr} Fcldelcktrode ,st ferner durch d«h/^ en ^^

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trode und Masse mit dem Ausgangssignal, da durch dieses eine Änderung des Potentials der Kollektorelektrode erzeugt wird.

Es sind andererseits aus der Zeitschrift »Elcktronic Industries« (Juli 1953), S. 28, zwar Möglichkeiten bekannt, wie man die Kanäle, in denen Oberflächeninversion vorliegt, in ihren Eigenschaften steuern kann, um technische verwertbare Halbleiterbauelemente zu schaffen, jedoch ist auch in dieser Literaturstelle keine Möglichkeit aufgezeigt, wie bei gleichzeitiger Verminderung schädlicher Kapazitäten die Oberflächeninversion vollständig unterdrückt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiterbauelemente der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Entstehung von Inversionsschichten an der Grenzfläche zwischen einer der Halbleiterzonen des Halbleiterbauelements, und der über ihr befindlichen Isolierschicht weitergehend als bekannt und ohne Nachteile durch unerwünschte ao Kapazitäten zwischen der Feldelektrode und einer der anderen Elektroden bzw. deren Zuleitungen verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Feldelektrode in die Isolierschicht as eingebettet ist und daß die Feldelcktrode mit demjenigen Pol einer Vorspannungsquelle mit einer gegenüber Masse festen Vorspannung elektrisch verbunden ist, der das entgegengesetzte Vorzeichen ?u dem der Majoritätsladungsträger in der unterhalb der Feldelektrode liegenden Zone aufweist.

Der Weiterbildung der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines derartig ausgebildeten Halbleiterbauelements anzugeben.

Ein solches vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements der angegebenen Art besteht nach der Weiterbildung der Erfindung darin, daß eine erste Isolierteilschicht mit der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode und diese schichtförmige Feldelektrode mit einer zweiten Isolierschicht überzogen wird, auf welcher anschließend eine Ätzmaske ausgebildet wird, und daß ein Teil der zweiten Isolierteilschicht und der darunter befindlichen schichtförmigen Feldelektrode zum Herstellen eines Diffusionsfensters entfernt und durch dieses Diffusionsfensters eine den entgegengesetzten Leitungstvp ergebende Verunreinigung in die innerhalb dieses Fensters an die eine Scheibenfläche grenzende Zone diffundiert wird, wobei zwischen dieser Zone und der Diffusionszone ein unsymmetrisch verlaufender PN-Übergang entsteht dessen Rand genau über dem Rand des Diffusionsfensters an die eine Scheibenfiäche des Halbleiterkörpers tritt.

Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird die Aasbildung von Inversionsschichten, die schon bei der Herstellung entstehen, weitestgehend unterdrückt. Wesentlich ist dabei, daß die Feldelektrode auf ein festes Potential gelegt ist, dessen Polarität zu der der Majoritätsträger der unterhalb der Feldelektrode liegenden Zone entgegengesetzt ist. Durch das Einbetten der Feldelektrode lassen sich dabei nachteilige Einwirkungen auf das Potential der Feldelektrode von außen her vermeiden, was für eine vollständige Verhinderung der Ausbildung einer In-Versionsschicht wichtig ist. Wenn die Feldelektrode auf ein festes Potential gelegt wird, treten weiterhin Rückkopplungskapazitäten zwischen der Kollektorzone und den Basiskoniakten nicht auf. Das Halbleiterbauelement weist wegen der genannten Eigenschaft insgesamt ein wesentlich stabileres Betriebsverhalten als die bisher bekannten Halbleiterbauelemente auf, ohne daß dabei seine Kennlinien nachteilig beeinflußt sind.

Das Halbleiterbauelement weist den weiteren Vorteil auf, daß es sich in einfacher Weise nach einem Diffusionsverfahren, und zwar nach dem Verfahren nach der Weiterbildung der Erfindung herstellen läßt, wobei dann seine Feldelektrode gegenüber der PN-Übergangslinie an der Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen einer unterhalb der Feldelektrode liegenden Zone und einer oder mehreren weiteren angrenzenden Zonen von selbst genau ausgerichtet wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich auch keine Inversionsschichten an den Rändern der FeIdclektrode bilden, was sich auch positiv auf die Stabilität des Halbleiterbauelements auswirkt.

Es deckt sich also bei den nach diesem Verfahren hergestellten Halbleiterbauelementen der Rand der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode mit dem Rand des an die Scheibenfläche tretenden PN-Übergangs zwischen unterhalb der Feldelektrode liegenden Zone und einer oder mehreren benachbarten Zonen. Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweise um einen PNP-Transistor, dessen Basiszone in die Kollektorzone und dessen Emitterzone in die Basiszone eindiffundiert ist, dann wird die Feldelektrode vorzugsweise über der Kollektorzone und derart angeordnet, daß sich ihr innerer Rand mit dem an die Scheibenfläche tretenden Rand des PN-Übergangs zwischen der Kollektorzone und der Basiszone deckt. Beim Anlegen eines negativen Potentials an die Feldelektrode beim Betrieb des PNP-Transistors wird dann verhindert, daß der Leitungstyp der Kollektorzone in einem an die Scheibenfläche grenzenden Bereich einer Inversion unterliegt. Die Kollektorkapazität und die Oberflächenleckströme des Kollektor-PN-Cbergangs bleiben daher sehr gering, und man erhält eine sehr geringe Rückkopplungskapazität sowie eine mit dem Verstärkungsfaktor nur geringfügig zunehmende Eingangskapazität.

Die Feldelektrode besteht vorzugsweise aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise Molybdän oder Wolfram. Gemäß einer Weiterbildung eines als Transistor aufgebauten Halbleiterbauelements nach der Erfindung ist in der Feldelektrode ein Fenster vorgesehen, durch das bei seiner Herstellung die Eindiffusion eines hochdotierten. P-leitenden Schutzringes in den Halbleiterkörper möglich ist. welcher die Basiszone konzentrisch umgibt und gleichzeitig mit der Emitterzone gebildet wird. Bei einer anderen Weiterbildung des als PNP-Transistor ausgebildeten Halbleiterelements nach der Erfindung werden die eingebettete Metallschicht-Feldelektrode und die beiden Isolierteilschichten so dünn gehalten, daß während der Eindiffusion der Emitterzone eine kleine Menge des Akzeptormaterials diese Schichten durchdringt und an der gesamten Oberfläche der Kollektorzone ein Bereich mit erhöhter P-Leitfähigkeit gebildet wird.

Bei einer bevorzugten AusfühnmgsfoTn eines Transistors ist in die Kollektorzone noch ein stark P-dotierter. die Basiszone umgebender Ringbereich eindiffundiert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel eines Transistors besitzt schließlich die gesamte

Oberfläc fähigkeil Leitung^ Ausfi nach dt nachstel läutert. Fig. nach d fahren Fig. rungsb' Fig von ob Fig rungst Zur gebild ein al¹ ger r stellt, ist. Ii zone der ί gung ü

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Oberfläche der Kollektorzone eine verstärkte P-Leitfähigkeit, wodurch die Neigung zur Inversion des Leitungstyps noch weiter verringert wird.

Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung und ihre Herstellung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen PNP-Transistor nach der Erfindung, der nach einem Diffusionsverfahren hergestellt ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung,

F i g. 3 eine Ansicht des Transistors nach F i g. 2 von oben und

F i g. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung.

Zur Herstellung eines durch Oberflächendiffusion gebildeten PNP-Transistors (Fig. 1) wird zunächst ein als Kollektorzone 11 verwendeter scheibenförmiger Halbleiterkörper 10 vom P-Leitungstyp hergestellt, dessen eine Scheibenfläche mit 12 bezeichnet ist. In diesem Halbleiterkörper 10 wird eine Basiszone 13 vom N-Leitungstyp ausgebildet, indem von der Scheibenfläche 12 her eine Donatorverunreinigung in einen oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers 10 eindiffundiert wird. Hierbei entsteht gleichzeitig ein Kollektor-PN-Übergang 14 zwischen der P-leitenden Kollektorzone 11 und der N-leitenden Basiszone 13. Durch Eindiffusion einer Akzeptorverunreinigung in einen oberflächennahen Teil der Basiszone 13 wird dann eine Emitterzone 15 mit P-Leitfähigkeit hergestellt. Hierbei entsteht ein Emitter-PN-Übergang 16 zwischen der Emitterzone Ϊ5 und der Basiszone 13. Die Scheibenfläche 12 des Halbleiterkörpers 10 ist mit einer Isolierschicht 17 überzogen. Eine mit ihrem Zuleitungsteil auf der Isolierschicht 17 liegende Emitterelektrode 18 ist mix der Emitterzone 15. eine mit ihrem Zuleitungsteil auf der Isolierschicht 17 liegende Basiselektrode 19 ist mit der Basiszone 13 elektrisch verbunden. Der in der F i g. 1 dargestellte Transistor kann beispielsweise aus einem Siliciumkörper 10 hergestellt werden, der eine epitaktisch gebildete P-leitende Kollektorzone 11 aufweist, die beispielsweise mit 1ί^:"' Beratomen cm^:i dotiert ist. Die Basiszone 13 kann durch Eindiffusion von Phosphor. Antimon oder Arsen bis zu einer Konzentration von etwa 5 · 10^1T Atomen cm" hergestellt werden, während die Emitterzone 15 beispielsweise dadurch gebildet wird, daß in einen Teil der Basiszone 13 bis zu 10>« Bordtome cm³ eindiffundkrt werden Derartige Diffusionsverfahren zum Herstellen von PNP-Transistoren sind bekannt und können bei den üblichen Temperaturen und unter den üblichen Bedingungen durchgeführt werden.

Innerhalb der Isolierschicht 17 ist eine Feldelektrode aus einem leitenden Material, vorzugsweise einem hochschmelzenden Metall wie Molybdän oder Wolfram, das nrit dem Material der Isolierschicht 17 nicht reagiert, derart eingebettet, daß sie elektrisch von allen" Zonen des Transistors isoliert ist. Der Innendurchmesser der ringförmigen Feldelektrode 24 ist im wesentlichen genau so groß wie der Außendurchmesser der Basiszone 13. und der Innenrand der Feldplatte 24 weist im wesentlichen die gleiche Geometrie wie der Außenrand der Basiszone 13 auf.

Die Isolierschicht 17 besteht im allgemeinen aus nacheinander niedergeschlagenen Filmen. Sie kann insbesondere Siliciumdioxid enthalten, das sich zum Schutz der Oberfläche von Silicium ausgezeichnet eignet. Außerdem kann die Isolierschicht 17 ganz oder teilweise aus einem oder mehreren Siliciumnitridfilmen oder Filmen aus einer amorphen Mischung von Silicium, Sauerstoff und Stickstoff, also Siliciumoxynitrid, bestehen. Außerdem kann sie einen oder mehrere, in beliebiger Reihenfolge aufgebrachte Filme enthalten.
Zur Herstellung des in F i g. 1 gezeigten Transistors kann man beispielsweise von einem P-leitenden. Siliciumkörper mit einer Borkonzentration von etwa 10^ie Atomen/cm^s ausgehen.

Dieser Siliciumkörper wird dann in ein Reaktionsgefäß gebracht und in einer trockenen Sauerstoff- atmosphäre etwa vier Stunden lang auf einer Temperatur von beispielsweise 1000° gehalten, damit sich auf seiner Oberfläche eine beispielsweise 2000 A dicke Schicht aus thermisch gewachsenem Siliciumdioxid ergibt. Nach der Bildung dieser Siliciumdioxidschicht wird diese mit einer 2000 A dicken Metallschicht aus beispielsweise Molybdän überzogen, die beispielsweise in einem Triodenentladungsgefäß durch Zerstäubung aufgebracht wird, indem eine Molybdänkatode nahe der Siliciumoxidoberfläche angeordnet wird. Dieser Verfahrensschritt kann in einer Argonatmosphäre von 0,015 Torr etwa 10 Minuten lang durchgeführt werden.

Nach der Bildung der als Feldelektrode 24 dienenden Metallschicht wird diese mit einer zweiten Isolierschicht überzogen, die beispielsweise Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder Siliciumoxynitrid enthält Soll eine Siliciumdioxidschicht aufgebracht werden, dann kann dies durch Pyrolyse aus einer über den Siliciumkörper streichenden Argonströmung erreicht werden.

Hierfür werden trockene, reine Argonblasen mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 m^s/Stunde durch Äthyl orthosilikat und von dort über den auf etwa 800- C erhitzten Siliciumkörper geleitet. Zur Herstellung einer etwa 2000 A dicken Siliciumdioxidschicht wird die Argonströmung etwa 15 Minuten lang aufrechterhalten.

Nach der Bildung der zweiten Siliciumdioxidschicht wird auf dieser auf fotolithografischem Wege eine Maske aufgebracht, welche eine mittleres Fenster aufweist, die der erwünschten Geometrie der Basiszone des Transistors entspricht. Die Oxid- und Molybdänschichten werden dann weggeätzt, um die Oberfläche 12 des Siliciumkörpers 10 freizulegen. Dies kann dadurch geschehen, daß man den Siliciumkörper 10 zunächst etwa 2 Minuten lang in ein aus gepufferter Flußsäure HF bestehendes Ätzmittel eintaucht, um die obere Isolierschicht wegzuätzen, dann in destilliertem Wasser wäscht und etwa 15 Sekunden lang in ein Ferricyanid-Ätznuttel eintaucht, um die Molybdänschicht wegzuätzen, und schließlich erneut in destilliertem Wasser wäscht und ein zweites Mal etwa 2 Minuten lang in dem aus gepufferter Flußsäure HF bestehenden Ätzmittel ätzt, um das restliche Siliciumdio id zu entfernen und die Siliciumoberfläche 12 freizulegen.

Die verbleibende Siliciumdioxidschicht mit der eingebetteten Metallschicht dient nun als Diffusionsmaske beim Herstellen der Basiszone 13. Hierdurch wird erreicht, daß die Metallschicht n.w:h dem Heros stellen der Basiszone genau auf diese ausgerichtet ist und die gleiche Geometrie wie der Rand des an die Oberfläche 12 tretenden Basis-Kollektor-Übergangs aufweist.

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ίο

Die Reihenfolge der Schichtenbildung kann verändert werden. Beispielsweise kann vor oder nach der Bildung einer der beiden Siliciumdioxidschichten eine zusätzliche Siliciumnitridschicht vorgesehen werden, was einen weiteren Ätzschritt zum Wegätzen des Siliciumnitrids in konzentrierter HF notwendig macht. In gleicher Weise kann auch eine Siliciumoxynitridschicht vorgesehen werden, für die dann ein Ätzschritt mit gepufferter HF notwendig wird. Um eine automatische Ausrichtung der Metallschicht-Fcld elektrode 24 zu erhalten, muß jedoch d^s Fenster in ihr unter Verwendung der gleichen Schablone bzw. während derjenigen Ätzschritte ausgebildet werden, die auch zum Herstellen der Diffusionsmaske für die Basiszone notwendig sind.

In die freigelegte Oberfläche 12 des Siliciumkörper«; 10 wird anschließend ein Aktivatormaterial wie beispielsweise Phosphor eindiffundiert. Dies kann wie üblich dadurch geschehen, daß der maskierte

fotolithografischer Verfahren erhält man dann eine Emitterelektrode 18. eine Basiselektrode 19 und einen Anschlußteil 20 für die Feldelektrode 24. Die Kollektorzone 11 wird dadurch kontaktiert, daß der 5 Siliciumkörper 10 an ein Metallstück anlegiert wird, wobei ein Anschlußteil 21 entsteht.

In der Emitter-Basis-Schaltung für den PNP-Transistor ist (vgl. Fig. 1) die Emitterzone 15 geerdet, während die Kollektorzonc 11 über einen Widerstand ίο 23 mit dem negativen Pol B' einer Batterie verbunden ist. An dem negativen Polß", d.h. auf einem festen negativen Potential von beispielsweise — 20 V, liegt auch die eingebettete Feldelektrode 24. Das Eingangssignal liegt zwischen der Basiselektrode 19 und 15 Erde. Das Ausgangssignal des Transistors wird am Widerstand 23 abgenommen.

Beim Betrieb des Transistors können die über die Zuleitung der Basiselektrode 19 oder der Emrtter-

wie üblich dadurcn gescncnc.., u^ _UM ....»— elektrode" 18 an die äußere Oberfläche der Isolier-Siliciumkörper etwa 10 Minuten lang auf eine Tem- *o schicht 17 gelegten Potentiale nicht zu einer Ionenoeratur von etwa 1100^r C erhitzt wird, und zwar m wanderung innerhalb der Isolierschicht 17 und zu einem Reaktionsgefäß, in welchem 50 g Phosphor- einer daraus resultierenden Inversion im oberfiacnennontnvid (P O ) auf eine Temperatur von etwa 250° C nahen Bereich der Kollektorzone 11 führen. Sacht sind Anschließend wird durch etwa 20 Se- Da nämlich durch die eingebettete, auf einem

künden langes Ätzen in gepufferter HF alles über- 15 relativ stark negativen Potential liegende 1-eiaeieK-schüssiee mit Phosphor dotierte Glas von der Ober- trode 24 positiv geladene Ionen angezogen werden, fläche des Siliciumkörpers 10 beseitigt. Danach wird wird verhindert, daß positive Ionen zur Gren/tlacne der Siliciumkörper 1(11 erhitzt, damit das Phosphor der Isolierschicht 17 gegen den Halbleiterkörper 10 tiefer in die Kollektorzone 11 diffundiert. Bei einer wandern und dadurch an der Oberfläche der KoIIeK-Diffusionsdauer von etwa 16 Stunden bei 1100^cC 30 torzone 11 eine Inversionsschicht gebildet wird, bildet sich eine etwa fünf Mikron tief in den Silicium- Durch das relativ stark negative Potential der eingekörper 10 eingedrungene Basiszone 13. betteten Feldelektrode 24 wird außerdem dafür ge-

Nach der Eindiffusion der Basiszone wird auf dem sorgt, daß die Majoritätsladungsträger der Kollektorsesamten Siliciumkörper eine 2000 Ä dicke Oxid- zone 11 in die Verarmungsschicht an ihrer Oberschicht gebildet, indem der auf 800' C erhitzte SiIi- 35 fläche gesaugt werden, wodurch die Ausbildung von ciumkörperlO etwa 10 Minuten lang in eine mit Oberflächenkanälen verhindert wird. Da weiterhin Äthvlorthosilikat angereicherte Gasströmung gehal- das negative Potential festliegt und nicht dem Kollekten wird Danach wird auf der Oberfläche auf foto- torpotential folgt, wirkt es "als elektrostatische Ablithoerafischem Wege eine Maske gebildet, die die schirmung, durch die das Entstehen einer Rückkoppeesamte Oberfläche bedeckt, aber ein kleines, miit- 40 lungskapazität zwischen der Kollektorzone und der leres Fenster aufweist, das durch Eintauchen in ge- darüberliegenden Basiszuleitung verhindert wird, pufferte HF entsteht. Das aus gepufferter HF bc- Schließlich wird durch die Feldelektrode 24 auch verstehende Ätzmittel tnthält beispielsweise einen Teil hindert, daß sich unter irgendwelchen auf positivem konzentrierte HF auf zehn Teile einer 40° oigen Potential liegenden Elektrodenzuleitungen induzierte NHF-LÖsung. Nach dem Einätzen des Fensters wird 45 Kanäle in der Kollektorzone bilden, ein Aktivatormaterial wie Bor in die freigelegte Basis- In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

zone eindiffundiert, um eine Emitterzone 15 auszu- Transistors nach der Erfindung dargestellt, der beibilden Die Eindiffusion geschieht zweckmäßigerweise spielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein bb zu einer Tiefe von etwa 3 Mikron durch halb- kann. In einer Kollektorzone 31 ist von einer Ob^ stündiges Erhitzen des Sfliciumkörpers 10 auf etwa 50 fläche her eine Basiszone 33 eindiffundiert. wodurch llOO^C m einer ΒΟ,-haltigen Stickstoff atmosphäre. ein Kollektor-PN-Übergang 34 gebildet ist. In die

%.T__i- λ cnifnw« Ae*. nherschüssieen Borslases Basiszone 33 ist eine Emitterzone 35 eindiffundiert,

die mit der Basiszone einen Enritter-PN-übergang 36 bildet. Mit der Emitterzone 35 ist eine Emitterelek-55 trode 38 und mit der Basiszone 33 eine Basiselektrode 39 verbunden. Außerdem sind zwei konzentrische,

der Kollektorzone wira aui loioiiuiugiausuiciii «ege eingebettete, ringförmige, als Feldelektroden 43 und auf dem gesamten Süichimkörper eine Maske ge- 44 dienende Metailsdüchten vorgesehen. Der Offbildet. Durch die Maske hindurch werden in die nungsquerschnitt der innenliegenden Feldelektrod« Oxidschicht Fenster geätzt, und zwar ein bis zur ein- 60 44 ist jedoch dem äußeren Rand der Basiszone X gebetteten Feldelektrode 24 verlaufendes Fenster, ein angepaik. Zwischen den beiden Feldelektroden 4: Fenster, welches hu wesentlichen die gesamte Ober- und 44 befindet sich ein Zwischenraum 45. der al fläche der Emitterzone freilegt, und ein einen Teil der Fenster einer Diffusionsmaske verwendet wird, durd Oberfläche der Basiszone freilegendes Fenster. Auf die gleichzeitig mit der Hersteilung tier Emitterzo» dem Siliciumkörper 10 wird dann beispielsweise eine 65 35 ein Schutzring 32 gebildet wird, welcher dazi etwa 1000 A dicke Aluminiumschicht aufgedampft. dient, eine Ausdehnung der Basiszone 35 an de Nach dem Entfernen der nicht benötigten Bereiche Oberfläche des Halbtenerkörpers durch Oberflächen der Aluminiumschicht durch Ätzen und Anwendung inversion der Kollektorzone 33 zu verhindern. Ot

Nach dem Entfernen des überschüssigen Borglases durch einen etwa 15 Sekunden lang mit gepufferter HF durchgeführten Atzschritt wird etwa 6 Stunden lang bei 1100° C nachdiffundiert.

Zum Kontaktieren der Emitter-, der Basis- und der Koflektorzone wird auf fotolithografischem Wege

gleich es, wie die Fig. 1 zeigt, für die Ausbildung eines Transistors nach der Erfindung nicht notwendig ist, in einem PNP-Transistor einen derartigen Schutzring vorzusehen, kann entsprechend F i g. 2 neben den erfindungsgemäß eingebetteten Feldelektroden 43 und 44 noch ein Schutzring verwendet werden. Durch Verwendung sowohl eines Schutzrings als auch der Feldelektroden erhält man einen ausgezeichneten Schutz gegen die Ausbildung von Oberllächcnkanälcn in der Kollektorzone und die damit verbundenen nachteiligen Eigenschaften.

Nach der F i g. 3, die eine Draufsicht auf den in F i g. 2 dargestellten Transistor zeigt, ist die Kollektorelektrode an der Kollektorzone 31 mit einem Kollektoranschlußteil 46, die Emitterelektrode 38 mit »5 einem Emitteranschlußteil 47 und die Basiselektrode 39 mit einem Basisanschlußteil 48 versehen. Die Fe!delekiroden 43 und 44 sind mit Anschlußteilen 49 bzw. 50 versehen.

Auch andere durch Diffusion hergestellte Halbleiterbauelemente, außer PNP-Transistoren. beispielsweise NPN-Transistoren, bei denen die Entstehung eines N-leitenden Kanals auf der Oberfläche einei P-leitenden Zone, beispielsweise einer Basiszone, verhindert werden soll, lassen sich nach der Erfindung as ausbilden. In dem Beispiel eines NPN-Transistors wird die eingebettete Feldelektrode über demjenigen Teil der Basiszone gebildet, der an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzt (bei dem Transistor nach F i g. 1 beispielsweise über demjenigen Bereich der Basiszone 13, der an die Oberfläche 12 angrenzt). Bei dieser Transistorausführung wird dazu die die Feldelektrode bildende Metallschicht nach dem Eindiffundieren der Basiszone aufgebracht, während das Fenster in ihr gleichzeitig mit der Herstellung des Diffusionsfensters für die Emitterzone ausgebildet wird, so daß der Rand des Fensters in der Metallschicht-Feldelektrode genau auf den an die Oberfläche tretenden Rand des Emitter-Basis-Übergangs ausgerichtet ist. Auch bei dem NPN-Transistor wird die Feldelektrode dazu verwendet, die Entstehung eines P-leitenden Kanals auf der Oberfläche der N-ieitenden Kollektorzone zu verhindern. Der NPN-Transistor besitzt ebenfalls im wesentlichen die gleiche Geometrie wie die in den F i g. 1 und 2 gezeigten Transistoren, jedoch wird an die Feldelektrode 24 ein positives Potential gelegt, damit sich in der N-leitenden Kollektorzone 11 kein P-leitender Kanal ausbilden kann.

Als eine weitere mögliche Ausführungsform eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung ist in F i g. 4 ein NPN-Transistor mit in Querrichtung Abständen aufweisenden Zonen dargestellt. Er enthalt einen Halbleiterkörper 51 mit einer P-leitenden Basiszone 52, einer mittleren, in die Basiszone eindiffun- dienen, N-leitenden Emitterzone 53 and einer ringförmigen, in die Basiszone eindiffundierten. N-leitenden Koflektorzone 54, die die Emitterzone 53 konzentrisch umgibt. Der Betrieb eines Transistors nach Fig.4 wird insbesondere durch Oberflächenleckströme zwischen der Emitterzone und der Kollektor zone über einen N-leitenden. an der Grenzfläche 55 zwischen einer Isolierschicht 56 und der Basiszone 52 entstehenden Kanal empfindlich gestört. LJm dies zu vermeiden, wird in eine Isolierschicht 58 eine ringförmige Feldelektrode 57 eingebettet, durch die bei entsprechender negativer Vorspannung positive Ionen angezogen und somit eine Oberflächeninversion infolge positiver Ionen in der Isolierschicht 56 in der Basiszone verhindert wird. Ebenso wird durch das beträchtlich negative Potential, wie es in Verbindung mit den F i g. 1 bis 3 erläutert wurde, die Entstehung von Kanälen in der Basiszone verhindert sowie eine elektrostatische Abschirmung zwischen der Basiszone und irgendwelchen darüberliegenden Elektrodenzuleitungen geschaffen. Die an Hand der F i g. 1 oder 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele von Transistoren können durch folgende Maßnahmen weiter verbessert werden. Zum zusätzlichen Schutz gegen die Ausbildung von Verarmungsschtchtcp. an der Oberfläche des Halbleiterkörpers und die damit verbundene Ausbildung von N-leitender Kanälen längs der Grenzfläche zwischen dt.. Krilektorzone und der Isolierschicht kann vorteilhaft die beispielsweise aus Molybdän bestehende eingebettete Feldelektrode derart dünn ausgebildet werden und bei der Eindiffusion einer Akzeptorverunreinigung wie Bor in den Halbleiterkörper zur Herstellung der Emitterzone 15 die Dauer der Diffusion derart auf die Dicke der Molybdänschicht und der Oxidschicht abgestimmt werden, daß eine geringe Menge Bor die Molybdänschicht durchdringt und der unterhalb der eingebetteten Feldelektrode liegende oberflächennahe Bereich der Kollektorzone eine erhöhte P-Leitfähigkeit erhält. Hierdurch wird jegliche Ausbildung von N-leitenden Kanälen in diesem oberflächennahen Bereich unterdrückt. Diese Maßnahme ist außerdem unabhängig davon, ob ein Schutzring 32 vorgesehen wird oder nicht. Die oben angegebenen Werte für die Dicke der Feldelektrode und die Diffusionszeiten sind so aufeinander abgestimmt, daß der vorstehend beschriebene Effekt eintritt Wenn die Kollektorzone einen spezifischen Widerstand von beispielsweise 1 Ohm ■ cm und der Schutzring einen spezifischen Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm · cm aufweist, dann beträgt der spezifische Widerstand des oberflächennahen Bereichs bei dieser Ausführungsform beispielsweise 0,5 Ohm ■ cm. Es ist jedoch auch möglich, daß der sich endgültig ergebende spezifische Widerstand des Bereiches mit erhöhter P-Leitfähigkeit im wesentlichen nur gleich dem spezifischen Widerstand im Inneren der KoUektorzone ist. Dies liegt daran, daß bei den üblichen bekannten oben beschriebenen Verfahrensschritten zum Oberflächenschutz mit einer Isolierschicht der oberflächennahe Bereich im allgemeinen an positiven Ladungsträger! verarmt und so N-leitende Kanäle entstehen. Die Eindiffusion eines Akzeptormaterials in den ober flächennahen Bereich einer P-leitenden Zone in dei oben beschriebenen Weise dient darm dazu, die ur sprüngliche P-Leitfähigkeit des oberflächennahen Be reiches der P-leitenden Zone wiederherzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch verlaufende PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, die mindestens eine an diese Scheibenfläche angrenzende Zone überdeckt, und mit u einer über einer dieser durch die Isolierschicht isolierten Zonen angeordneten Feldelektrode, die gegenüber einer an einer der Zonen angebrachten Elektrode vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (57) in die Isolierschicht (56,58) eingebettet ist und daß die Feldelektrode (57) mit demjenigen Pol einer Vorspannungsquelle mit einer gegenüber Masse febten Vorspannung (B~) elektrisch verbunden ist, der das entgegengesetzte Vorzeichen zu dem ao der Majoritätsladungsträger in der unterhalb der Fddelektrode (57) liegenden Zone (52) aufweist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (57) eine Metallschicht ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Feldelektrode (57) überdeckte Zone (52) P-leitend ist und daß der Rand der schichtförmigen Feldelektrode (57) sich mit dem Rand des an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tretenden PN-Übergangs zwischen dieser PN-leitenden Zone (52) und einer oder mehreren benachbarten N-leitenden Zonen (53, 54) deckt.

4. Als Transistor ausgebildetes Halhleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Basiszone (13) in die Kollektorzone (11) und dessen Emitterzone (15) in die Basiszone (13) eindiffundiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (24) oberhalb der Kollektorzone (11) angeordnet ist und ihr einer Rand sich mit dem an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tretenden Rand des PN-Übergangs (14) zwischen der Kollektorzone (11) und der Basiszone (13) deckt.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) ein PNP-Transistor ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode aus zwei einen Abstand aufweisenden, konzentrischen Teilen (43, 44) besteht und daß der unterhalb des Zwischenraums zwischen diesen beiden Teilen (43, 44) liegende, oberflächennahe Bereich (32) der P-leitenden Kollektorzone (31) als Schutzring mit stark vergrößerter Leitfähigkeit ausgebildet ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (24) eine so dünne Metallschicht ist. daß sie gegenüber Akzeptoratomen schwach durchlässig ist, und daß der unter der gesamten Feldelektrode (24) befindliche, an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers grenzende Bereich der Kollektorzone (11) eine erhöhte P-Leitfähigkeit aufweist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelemente mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit an die eine Scheibenfläche angrenzenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, durch die unsymmetrisch vertaufende: PN-Übergänge gebildet sind, mit einer Isolierschicht, < die Ξ Jens eine an die eine S^eibenflache angrenzende Zone überdeckt, und mit einer über ein?r dieser durch die IsoUerschicht isoherten ; Zonen angeordneten Feldelektrode, die in die Isolierschicht eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Isolierteilschicht mit der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode und diese schichtförmige Feldelektrode mit einer zweiten Isolierteilschicht überzogen wird, auf welcher anschließend eine Ätzmaske ausgebildet wird, und daß ein Tefl der zweiten Isolierteilschicht und der darunter befindlichen schichtförmigen Feldelektrode zum Herstellen eines Diffusionsfensters entfernt und durch dieses Diffusionsfenster eine den entgegengesetzten Leitungstyp ergebende Verunreinigung in die innerhalb dieses Fensters an die eine Scheibenfläche grenzende Zone diffundiert wird, wobei zwischen dieser Zone und der Diffusionszone ein unsymmetrisch verlaufender PN-Übergang entsteht, dessen Rand genau über dem Rand des Diffusionsfensters an die eine Scheibenfläche des Halbleiterkörpers tritt.

9. Verfahren nach Anspruch 8 zum Herstellen eines als Transistor ausgebildeten Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese Weise die Basiszone in die Kollektorzone eindiffundiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der als Metallschicht ausgebildeten Feldelektrode und die Diffusionszeit derart aufeinander abgestimmt werden, daß während der Diffusion eine kleine Menge des einzudiffundierenden Aktivatormaterials durch die Feldelektrode hindurch in den Halbleiterkörper diffundiert.