DE19734985B4

DE19734985B4 - Transistorbauelement

Info

Publication number: DE19734985B4
Application number: DE19734985A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Conzelmann; Heinz Pfizenmaier; Wolfgang Dr. Appel; Volker Dudek; Helmut Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-13
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: DE19734985A1; JP4418542B2; JPH11121465A; US5990539A

Abstract

Halbleiterbauelement, das auf einem Substrat (80) angeordnet ist, mit einem aus mindestens einem Teilemitterbereich (83) bestehenden Emitterbereich, mit den Teilemitterbereichen zugeordneten Emitterwiderständen (41, 42, ..., 4n) und Emitter-Metallkontakten (89), wobei die Emitter-Metallkontakte (89) über den Teilemitterbereichen (83, ...) und die Emitterwiderstände zwischen den Teilemitterbereichen (83, ...) und den Emitter-Metallkontakten (89) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Seitenkontaktierung (91, 92, 93, 94) an mindestens einem der Teilemitterbereiche (83), über die ein Spannungsabfall an dem mindestens einen Emitterwiderstand erfaßbar ist, wobei die Seitenkontaktierung als Graben (91) ausgebildet ist, wobei dieser eine den Graben bis auf eine elektrische Verbindung (94) zu dem mindestens einen Teilemitterbereich elektrisch isolierende Oxidschicht (92) aufweist und der Graben mit einem leitfähigen Material (93) aufgefüllt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Transistorbauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP 39 77 27 A1 ist bereits ein Leistungstransistor bekannt, der Widerstände in den Emitterzuleitungen zur Stabilisierung der Verteilung des Gesamtstroms auf die einzelnen Teiltransistoren aufweist. Bei diesem Leistungstransistor jedoch sind diese Emitterwiderstände seitlich versetzt zu den Teilemitterbereichen angeordnet und stehen weder in direktem elektrischen, noch in direktem thermischen Kontakt mit den Teilemitterbereichen. Weiterhin ist aus dem Artikel „A Monolithic Power Op Amp” von Robert J. Widlar und Minen Yamatake im IEEE Journal Of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 2, April 1988 bekannt, in einer extra dafür vorgesehenen Ebene einen Emitterwiderstand aus Polysilizium einzufügen. Die Metallkontaktierung des mit den einzelnen Teilemitterbereichen in elektrischem Kontakt stehenden Emitterwiderstands erfolgt an einer Stelle gemeinsam für alle Teilemitterbereiche, wobei die Metallkontaktierung seitlich versetzt zur Kontaktierung des Emitterwiderstands mit den Teilemitterbereichen erfolgt.
Aus der US 4 370 670 A ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das auf einem Substrat angeordnet ist und einen aus mindestens einem Teilemitterbereich bestehenden Emitterbereich aufweist, wobei die den Teilemitterbereichen zugeordneten Emitterwiderstände und Emittermetallkontakte vorhanden sind. Die Emittermetallkontakte sind über den Teilemitterbereichen angeordnet und die Emitterwiderstände zwischen den Teilemitterbereichen und den Emitter-Metallkontakten.
Aus der DE 38 02 767 A1 ist bekannt, dass es bei einem Halbleiterbauelement vorteilhaft sein kann, die Zuleiten zu den Einzelemittern im Layout in unmittelbarer Nachbarschaft der zugehörigen Emitter anzuordnen und sie so thermisch eng an den Emitter zu koppeln und ihnen damit einen positiven Temperaturkoeffizienten zu geben.
Aus der DE 14 64 527 A ist eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der nahezu auf der gesamten Oberfläche der Emitterzone eine Widerstandsschicht angeordnet ist.
Die DE 43 09 898 A1 beschreibt, dass eine Widerstandsschicht zwischen Emitter und Emitterkontakt mit Hilfe einer Polysiliziumschicht hergestellt werden kann. Weiterhin werden Bereiche für die Dicke der Polysiliziumschicht sowie die Dotierungskonzentration angegeben, die im selben Bereich liegen wie in Anspruch 5.
Die EP 0 632 505 A1 beschreibt vertikale bipolare Leistungstransistoren, die vorgegebene Seitenkontaktierungen aufweisen, die als Graben ausgebildet sind und aus leitfähigem Material bestehen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Transistorbauelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, einen gleichmäßiger verteilten Stromfluß über als Emitterfinger ausgebildete Teilemitterbereiche zu gewährleisten. Dadurch werden länger ausgestaltete Emitterfinger bzw. höhere Stromdichten ermöglicht. Insbesondere bei Hochfrequenzleistungstransistoren ergeben sich in vorteilhafter Weise kleinere Umladekapazitäten, da es möglich wird, bei gegebener erforderlicher Stromtragfähigkeit kürzere Emitterfinger zu verwenden, und da die Stromdichte gleichmäßiger über die Emitterfinger verteilt ist.
Ein weiterer Vorteil durch die Gegenkopplung im Emitterwiderstand ist die Homogenisierung der Stromdichte senkrecht zum Basiskontakt, was größere effektive Breiten der Teilemitterbereiche ermöglicht. Es werden Stromverdrängungseffekte (emitter-crowding) weiter verringert. Die obere Grenze der Breite der Emitterfinger infolge des endlichen Basisbahnwiderstands wird zu größeren Werten verschoben. Wahlweise kann bei Hochfrequenztransistoren die Gummelzahl der Basis verkleinert werden, d. h. ein höherer Basisbahnwiderstand in Kauf genommen werden, um die Stromtragfähigkeit des Hochfrequenz(Drift)-transistors zu vergrößern. Vorteilhaft ist ferner, daß das Verhältnis von Emitterrand zu Emitterfläche kleiner sein kann, ohne eine schädliche Kapazitätserhöhung zu bewirken. Das bedeutet, daß für die gleiche Stromtragfähigkeit weniger Teiltransistoren nötig sind.
Durch die Anordnung des Emitterwiderstands genau zwischen dem jeweiligen Teilemitter und der Metallkontaktierung ergibt sich ferner eine platzsparende Bauweise eines Leistungstransistors.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Transistorbauelements möglich. Besonders vorteilhaft ist es, bei gegebener thermischer Kopplung zwischen Emitterwiderstand und Teilemitterbereich für den Emitterwiderstand ein Material mit im wesentlichen nicht negativen Temperaturkoeffizienten zu wählen. So wird ortsaufgelöst je nach lokaler Temperatur eine Kompensation des negativen Temperaturkoeffizienten des Basis-Emitter-Übergangs ermöglicht.
Eine geeignete, platzsparende Realisierung ergibt sich durch Ausführung der Emitterwiderstände als monokristalline Halbleiterschichten.
Eine optimierte Ausführung hinsichtlich der Toleranz gegenüber hohen Basisbahnwiderständen ergibt sich durch den Teilemitterbreiten angepaßten Emitterwiderstandsbreiten.
Durch geeignete Wahl der Dicke der Emitterwiderstandshalbleiterschicht und geeigneter Wahl der Dotierungskonzentration lassen sich in platzsparender Weise die Emitterwiderstände realisieren.
Durch geeignete Wahl des Materials, des Leitfähigkeitstypus und des Dotierstoffs für die Emitterwiderstandshalbleiterschicht ergibt sich ein einfach realisierbarer integrierter Aufbau.
Sperrschichtfreie Kontakte stellen eine weitere vorteilhafte Verbesserung des erfindungsgemäßen Transistorbauelements dar.
In eleganter Weise läßt sich ein Auskoppelwiderstand zur Gewinnung einer dem Emitterstrom proportionalen Spannung integrieren, so daß ohne zusätzlichen Spannungsverlust eine Aussage über den Emitterstrom getroffen werden kann.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Leistungstransistors mit Emitterwiderständen,
2 einen Teil des erfindungsgemäßen Transistorbauelements,
3 ein Ersatzschaltbild eines Leistungstransistors mit Emitterwiderständen und Meßwiderständen, und
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transistorbauelements mit integriertem Auskoppelwiderstand.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Leistungstransistors gemäß dem Stand der Technik, der parallel geschaltete Einzeltransistoren 1, 2, ... n mit Teilemittern 11, 12, ... 1n sowie Basen 21, 22, ... 2n sowie Kollektoren 31, 32, ... 3n aufweist. Die Kollektoren sind alle mit dem Kollektoranschluß 30, die Basen alle mit dem Basisanschluß 20 und die Teilemitter über Emitterwiderstände 41, 42, ... 4n mit dem Emitteranschluß 40 verbunden. Im Beispiel ist der Kollektoranschluß 30 über einen Gleichstrommotor als Last mit einem Anker 61 und einem Permanentfeld 62 mit dem positiven Pol einer Anwendungsschaltung verbunden. Die Emitterwiderstände 41, 42, ... 4n dienen zur Stabilisierung der Stromverteilung über die Einzeltransistoren, um bei gleichmäßiger Stromverteilung über die Einzeltransistoren einen maximalen Gesamtstrom durch die Anwendungslast, in diesem Fall ein Gleichstrommotor, zu gewährleisten.
2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Transistorbauelements. Auf einem Substrat 80 oder einer niederohmigen vergrabenen Schicht ist eine hochohmige epitaktische Schicht 81 angeordnet, in die eine Basiszone 82 eingebettet ist. In die Basiszone 82 wiederum ist ein Teilemitterbereich 83 mit einer Teilemitterbreite 97 eingebettet. 2 zeigt lediglich einen Querschnitt durch das Transistorbauelement. Der Teilemitterbereich ist als länglicher Emitterfinger ausgebildet, wie beispielsweise in der Patentschrift EP 39 77 27 A1 beschrieben. Auf einer Hauptebene 84 ist ein thermisch gewachsenes Oxid 85 aufgebracht. Dabei kann auf das thermisch gewachsene Oxid 85 ein weiteres Oxid 86 aufgebracht sein. Es sind Aussparungen in den Oxidschichten vorgesehen für die Basiselektrode 90, die die Basiszone 82 elektrisch kontaktiert sowie für den als epitaktische Widerstandsschicht ausgebildeten Emitterwiderstand 87, der ein ionenimplantiertes Gebiet 88 aufweist, das in direktem elektrischen Kontakt mit dem Emittermetallkontakt 89 steht. Der Emitterwiderstand 87 weist dabei eine Emitterwiderstandsbreite 98 auf. Der Emitterwiderstand 87 stellt die erfindungsgemäße Realisierung eines der Emitterwiderstände 41, 42, ... 4n aus 1 dar. Der Emitterwiderstand 87 steht sowohl in direktem elektrischen als auch in direktem thermischen Kontakt mit dem Teilemitterbereich 83. Dadurch ergibt sich sowohl eine optimierte Stabilisierung der Stromverteilung über die einzelnen Teilemitterbereiche eines Leistungstransistors als auch eine Verbesserung der Stromtragfähigkeit sowie der Hochfrequenzeigenschaften und weitere Vorteile wie sie eingangs beschrieben wurden. In dem Gebiet 88 ist beispielsweise durch Ionenimplantation die Ladungsträgerkonzentration erhöht, um einen sperrschichtfreien Kontakt zum Emittermetallkontakt 89 zu gewährleisten. Dargestellt ist eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Emitterwiderstandsbreite 98 ungefähr der Teilemitterbreite 97 entspricht und der Emitterwiderstand 87 ungefähr deckungsgleich auf dem Teilemitterbereich 83 aufliegt, um in jedem Teilbereich des Teilemitterbereichs 83 einen optimalen thermischen und elektrischen Kontakt zum Emitterwiderstand 87 zu erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Emitterwiderstand als epitaktische Schicht passenden Widerstands mit dem Leitfähigkeitstypus des Emitters ausgebildet. Ist deren Dicke im praktikablen Bereich der Größenordnung ein Mikrometer angesiedelt, also zwischen 0,3 und 3 Mikrometern, läßt sich ihr spezifischer Widerstand und damit ihre Dotierung über die Emitterstromdichte von Leistungstransistoren und die erforderliche Spannung der Gegenkopplung abschätzen. Mit einer Emitterstromdichte zwischen 10³ und 10⁵ A/cm² und einer erforderlichen Spannung für die Gegenkopplung zwischen 0,1 und 1 V ergibt sich ein Bereich für den spezifischen Widerstand zwischen 10^–2 und 10 Ωcm. Somit liegt er in einem technisch vernünftigen Bereich mit einer Dotierungskonzentration zwischen 10¹⁵ und 10¹⁹ pro Quadratzentimeter. Darstellen läßt sich die so dotierte epitaktische Zwischenschicht bei hinreichend tiefer Temperatur mittels der selektiven Epitaxie. Nach Aufbringen des thermisch gewachsenen Oxids 85 und des weiteren Oxids 86 werden zunächst in den Bereichen die Oxidschichten weggeätzt, die mit einer epitaktischen Schicht bedeckt werden sollen, so auch der für den Emitterwiderstand vorgesehene Bereich. Ist nun also die Oberfläche des Emitters, bzw. mindestens eines Teilemitterbereichs blankgeätzt, die übrige Oberfläche jedoch polykristallin, bzw. amorph, so lassen sich, beispielsweise durch Zusetzen von HCl als Ätzmedium zum Gas eines Abscheidereaktors, die Abscheidebedingungen so modifizieren, daß wegen ihrer höheren Bindungsenergie nur eine epitaktische Schicht aufwächst, während das entstehende Polysilizium laufend weggeätzt wird. Nach dem Auftragen der epitaktischen Widerstandsschicht wird, um einen sperrschichtfreien Kontakt zu gewährleisten, besonders bei Verwendung von Aluminium und seinen Legierungen als Material für den Emittermetallkontakt die Oberfläche der epitaktischen Widerstandsschicht 87 beispielsweise mittels einer Implantation mit Ionen vom gleichen Leitfähigkeitstypus wie der Emitter mit Ladungsträgern angereichert, so daß ein ionenimplantiertes Gebiet 88 entsteht. Durch diese Vorgehensweise ist ein besonders niedriger Kontaktwiderstand zu erreichen.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Leistungstransistors mit den Teilemittern zugeordneten Emitterwiderständen und ihnen ebenfalls zugeordneten Meßwiderständen 71, 72, ... 7n. Die Meßwiderstände sind an eine gemeinsame Auskoppelleitung 70 angeschlossen. Der andere Anschluß des Auskoppelwiderstands ist direkt mit dem Teilemitter des ihm zuordneten Einzeltransistors 1, 2, ... n verbunden. Die Auskoppelwiderstände 71, 72, ... 7n dienen zum Erhalt einer dem Emitterwiderstand proportionalen Meßgröße, ohne einen zusätzlichen Spannungsverlust an einem Meßwiderstand in Kauf nehmen zu müssen. Die Verwendung von Auskoppelwiderständen als solchen ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Eine erfindungsgemäße Realisierung der Auskoppelwiderstände zeigt 4. 4 unterscheidet sich von 2 durch eine eingebrachte Seitenkontaktierung 91, 92, 93, 94. Sie ist ein Beispiel für die physikalische Realisierung eines der Auskoppelwiderstände 71, 72, ... 7n. Die von der Basiselektrode 90 abgewandten Seiten der Basiszone 82 und des Teilemitterbereichs 83 sind von einem geätzten Graben 91 begrenzt, dessen Innenseiten mit Ausnahme des dem Teilemitterbereichs zugewandten Teilstücks 94 mit einer Oxidschicht 92 bedeckt sind und der mit einem leitfähigen Material 93, etwa Polysilizium vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Teilemitterbereich, gefüllt ist. Vorteilhaft wird dessen Polysilizium gleich zusammen mit dem Emitterbereich dotiert. Der Graben selbst ist außerhalb eines nicht gezeichneten Konktaktbereichs, der der Auskoppelleitung 70 in 3 entspricht, mit einer Oxidschicht, die ebenfalls nicht in 4 eingezeichnet ist, gegen den Emitterwiderstand 87 und dem Emittermetallkontakt 89 elektrisch isoliert.
Die Erfindung ist nicht auf Transistoren als Halbleiterbauelemente beschränkt, sondern läßt sich auch auf Thyristoren anwenden, um deren Zündfunktion bei steilem Stromanstieg weiter zu verbessern. Hier wird dann eine epitaktische Widerstandsschicht zwischen mindestens einer der Hauptelektroden und dem darüberliegendem, als Kontakt dienenden Metallbelag angeordnet, wobei auch hier in vorteilhafter Weise der Temperaturkoeffizient der epitaktischen Widerstandsschicht ≥ 0, bzw. nur unwesentlich kleiner als 0 ist.

Claims

Halbleiterbauelement, das auf einem Substrat (80) angeordnet ist, mit einem aus mindestens einem Teilemitterbereich (83) bestehenden Emitterbereich, mit den Teilemitterbereichen zugeordneten Emitterwiderständen (41, 42, ..., 4n) und Emitter-Metallkontakten (89), wobei die Emitter-Metallkontakte (89) über den Teilemitterbereichen (83, ...) und die Emitterwiderstände zwischen den Teilemitterbereichen (83, ...) und den Emitter-Metallkontakten (89) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Seitenkontaktierung (91, 92, 93, 94) an mindestens einem der Teilemitterbereiche (83), über die ein Spannungsabfall an dem mindestens einen Emitterwiderstand erfaßbar ist, wobei die Seitenkontaktierung als Graben (91) ausgebildet ist, wobei dieser eine den Graben bis auf eine elektrische Verbindung (94) zu dem mindestens einen Teilemitterbereich elektrisch isolierende Oxidschicht (92) aufweist und der Graben mit einem leitfähigen Material (93) aufgefüllt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterwiderstände (41, 42, ..., 4n) eine dotierte monokristalline Emitterwiderstands-Halbleiterschicht (87, 88) aufweisen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilemitterbereiche eine Teilemitter-Breite (97) aufweisen, daß die Emitterwiderstände eine Emitterwiderstands-Breite (98) aufweisen und daß die Emitterwiderstands-Breite (98) in etwa der Teilemitter-Breite (97) entspricht.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterwiderstands-Halbleiterschicht (87, 88) eine Dicke in einem Bereich zwischen ca. 0,3 und 3 Mikrometern und eine Dotierungskonzentration in einem Bereich zwischen 10¹⁵ und 10¹⁹ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterwiderstands-Halbleiterschicht (87, 88) aus dem gleichen Material besteht wie das Substrat (80) und dass sie den gleichen Leitfähigkeitstypus aufweist wie der Emitterbereich.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterwiderstands-Halbleiterschicht (87, 88) mit dem gleichen Dotierstoff dotiert ist wie der Emitterbereich.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterwiderstände einen sperrschichtfreien Kontakt zu den Emitter-Metallkontakten (89) bilden.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des in den Emitterwiderstands-Halbleiterschichten (87, 88) eingebrachten Dotierstoffs in den Emitter-Metallkontakten (89) zugewandten Gebieten (88) erhöht ist im Vergleich zur Dotierstoffkonzentration in den Emitter-Metallkontakten (89) abgewandten Gebieten.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitterbereich der Emitter eines Silizium-Leistungstransistors ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung (94) des Grabens (91) mit dem mindestens einen Teilemitterbereich mit dem gleichen wie im Emitterbereich eingebrachten Dotierstoff dotiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anschlußelektrode, über die der Graben (91) an einer Oberfläche des Halbleiterbauelements elektrisch kontaktierbar ist.