Im folgenden wird zunächst davon
ausgegangen, daß der
eine Leitungstyp der p-Leitungstyp ist. Selbstverständlich kann
gegebenenfalls der eine Leitungstyp aber auch der n-Leitungstyp
sein.
In diesem Fall bilden in ein p-leitendes
Halbleitersubstrat aus Silizium injizierte Elektronen oft sogenannte
Querströme,
die speziell in einer "Smart-Power-Technologie" einen höchst unerwünschten
Effekt haben, da sie lateral über
große
Strecken diffundieren können
und dann Fehlfunktionen an anderen Stellen einer in dem Halbleiterkörper realisierten
Schaltung hervorrufen. Dieser unerwünschte Effekt einer Injektion
kann an sich vermieden werden, wenn Null- oder positive Potentiale
an die Elektroden von allen n-dotierten Bereichen, also beispielsweise
an Drainelektrode, Kollektorelektrode und Buried-Layer-Elektrode usw. gelegt werden (Substrat
= 0 V). Ein derartiges Vorgehen ist aber nicht in allen Fällen möglich, so
daß bei
bestimmten Anwendungen n-dotierte Bereiche vorliegen, die nicht
mit dem gewünschten
Potential beaufschlagt sind. Obwohl schon positive Potentiale in
der Größenordnung
von +1 V ausreichend sind, um einen Querstrom zu unterdrücken, gibt
es also zahlreiche Anwendungen, bei denen an sich Querströme auftreten,
da bei diesen eben nicht alle n-leitenden Zonen mit einem solchen
Potential beaufschlagt sind, daß eine
Injektion von Elektronen verhindert wird.
Um in solchen Fällen einen Querstrom dennoch
vermeiden oder reduzieren zu können,
werden bevorzugt Schutzringe eingesetzt, die vorzugsweise n+-dotiert sind und im Halbleiterkörper die
einzelnen Bauelemente umgeben. Diese Schutzringe sind in der Lage,
den größten Teil
des in das p-leitende Substrat injizierten Stromes aufzusammeln.
Aber auch diese Maßnahme
hat sich in vielen Fällen
als nicht ausreichend erwiesen, da die Schutzringe eben nur in lateraler
Richtung wirken.
Daher wird in zahlreichen Fällen ein
elektrisches Driftfeld verwendet, das sich an einem parallel zur Oberfläche des
Halbleiterkörpers
verlaufenden p+/p-Übergang beispielsweise zwischen
einem p+-leitenden Halbleitersubstrat und
einer auf diesem epitaktisch aufgebrachten Halbleiterschicht erstreckt.
Dieses elektrische Driftfeld hindert die injizierten Elektronen
daran, in das Halbleitersubstrat zu gelangen, und es lenkt die Elektronen
in Richtung Schutzring. Möglichkeiten
für die
Realisierung eines solchen p+/p-Überganges
sind eine intrinsische bzw. eigenleitende oder eine p-leitende epitaktische
Schicht auf einem stark dotierten p+-leitenden
Halbleiter-Substrat, wie dies bereits erwähnt wurde, oder aber auch insbesondere
eine vergrabene p+-leitende Schicht auf
einem p-leitenden Substrat, wobei in diesem letzten Fall dann auf
der p+-leitenden vergrabenen Schicht noch
eine p-leitende epitaktische Schicht vorgesehen ist. Bei einer solchen
p+-leitenden
vergrabenen Schicht werden in das Halbleitersubstrat diffundierte
Minoritätselektronen
durch das weitere Driftfeld zwischen dem Halbleitersubstrat und
der p+-leitenden vergrabenen Schicht daran
gehindert, wieder zu der p-leitenden
aktiven epitaktischen Schicht oberhalb der p+-leitenden
vergrabenen Schicht zurückzugelangen.
Die Auswirkung des Dotierungsunterschiedes
zwischen einer p+-leitenden Schicht und p- bzw. intrinsisch
leitenden Gebieten, bei denen es sich um das Halbleitersubstrat
oder eine auf der p+-leitenden vergrabenen
Schicht vorgesehene epitaktische Schicht handeln kann, wird durch
die sogenannte "Effizienz" gemessen. Bei dieser
handelt es sich um das Verhältnis
zwischen einem sogenannten Lese- bzw. Sense-Strom einer weiter entfernt
gelegenen n-leitenden Wanne, die auf 0 V ist, und dem injizierten
Strom, der durch die injizierten Elektronen (vergleiche oben) bedingt
ist. Es läßt sich
zeigen, daß die
Effizienz um so niedriger wird, je höher die Dotierungskonzentration
in der p+-leitenden Schicht ist. Das heißt, die
injizierten Elektronen werden um so stärker zum Schutzring abgeleitet,
je größer die
Dotierungskonzentration in der p+-leitenden Schicht
ist, so daß mit
größer werdender
Dotierungskonzentration in der p+-leitenden
Schicht um so weniger Elektronen als Querstrom zu der weiter entfernten
Wanne gelangen und dort als Sense-Strom auftreten. Im einzelnen
ergeben beispielsweise eine p+-Konzentration
von 1 × 1017 Ladungsträger/cm3 eine
Effizienz von 1 × 10-4, eine Dotierungskonzentration von 1 × 1018 Ladungsträger/cm3 eine
Effizienz von 1 × 10-5 und eine Dotierungskonzentration von 1 × 1019 Ladungsträger/cm3 eine
Effizienz von 5 × 10-6. Da die p+-Dotierungskonzentration
ihrerseits mit steigender Borbelegungstemperatur anwächst, bedeutet
dies, daß höhere Borbelegungstemperaturen
zu einer niedrigeren Effizienz führen.
So können
beispielsweise den obigen Dotierungskonzentrationen Borbelegungstemperaturen
von 900°C
(für 1 × 1017 Ladungsträger/cm3),
950°C (für 1 × 1018 Ladungsträger/cm3)
und 1025°C (für 1 × 1019 Ladungsträger/cm3)
zugeordnet werden. Diese Meßwerte
beziehen sich auf einen beispielsweise durch Borbelegung realisierten
p+-leitenden Buried-Layer, auf den eine
20 μm dicke
p-leitende epitaktische Schicht
mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 1014 Ladungsträger/cm3
aufgetragen ist.
Der Dotierungsunterschied zwischen
der p+-leitenden Schicht und den p-leitenden
Gebieten kann aber nicht beliebig gestei gert werden, da bei unterschiedlicher
Bordotierung in Silizium Gitter-Fehlanpassungen ("Misfitversetzungen") auftreten. Die
Ursache für
diese Misfitversetzungen ist der unterschiedliche Atomradius von
Bor und Silizium: Silizium hat bekanntlich einen Atomradius von
1,17 A, während
Bor einen Atomradius von lediglich 0,88 A aufweist. Eine zu hohe
Bordotierung läßt die Gitterkonstante
schrumpfen, so daß ab
einer bestimmten kritischen Dicke einer stark mit Bor dotierten
Siliziumschicht die "Misfit-Energie" unter Ausbildung von
Gleitlinien und Versetzungen relaxiert, was zu Leckströmen und
sogar zu einem Ausfall der Bauelemente im Halbleiterkörper führen kann.
Die kritische Dicke einer mit Bor
hoch dotierten Siliziumschicht beträgt beispielsweise etwa 10-
1 cm für eine Bordotierung
von 1017 Ladungsträger cm-
3, 10-2 cm für eine Bordotierung
von etwa 1018 Ladungsträger cm-
3, 10-3 cm für eine Bordotierung
von etwa 1019 Ladungsträger cm-
3 und 10-4 für eine Bordotierung
von 1020 Ladungsträger cm-
3.
Da diese kritische Dicke nicht überschritten
werden darf, sind der Verringerung des Querstromes Grenzen gesetzt.
In der
US
5,553,566 ist ein Verfahren zur Herstellung von hochdotierten
Halbleitersubstraten beschrieben, die mit Phosphor dotiert sind.
Um die durch die hohe Phosphordotierung bewirkten mechanischen Spannungen
in dem Kristallgitter des Halbleitersubstrates zu kompensieren ist
gemäß dieser
Druckschrift vorgesehen, neben Phosphor Germanium als Kompensationsstoff
in das Halbleitersubstrat einzubringen.
In der
US
5,923,070 wird vorgeschlagen, zum Ausgleichen von Gitterfehlanpassungen,
die durch eine hohe Dotierung eines Halbleiterkörpers mit Dotierstoffatomen
entstehen, den Halbleiterkörper
mit einem Element der vierten Gruppe des Periodensystems, wie beispielsweise
Kohlenstoff, Silizium oder Germanium, zu dotieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Anordnung zur Realisierung von einer dotierten vergrabenen
epitaktischen Schicht zu schaffen, die zur Verbesserung des Querstromverhaltens
hoch mit Bor dotiert ist und dennoch zu keiner Misfitversetzung
führt.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die
vergrabene Schicht ein Gegenkompensationsstoff eingebracht ist,
der die durch den Dotierstoff hervorgerufene Gitter-Fehlanpassungen
kompensiert. Bei diesem Gegenkompensationsstoff handelt es sich vorzugsweise
um Germanium, wenn der Dotierstoff Bor ist.
Germanium ist isoelektrisch zu Silizium
und stellt so keinen Dotierstoff dar.
Ist, wie bereits eingangs angedeutet
wurde, der eine Leitungstyp der n-Leitungstyp und liegt beispielsweise
eine Dotierung mit Arsen oder Antimon vor, bietet sich Kohlenstoff
als Gegenkompensationsstoff an, da er sich isoelektrisch zu Silizium
verhält
und einen kleineren Atomradius als dieses hat. Wird Phosphor als
n-leitender Dotierstoff verwendet, kann wegen des im Vergleich zu
Silizium kleineren Atomradius in vorteilhafter Weise mit Germanium
kompensiert werden. In den zuletzt genannten Fällen liegt beispielsweise eine
Struktur mit einem n+-dotierten Buried Layer,
einer n--leitenden epitaktischen Schicht
und einem p+-leitenden Schutzring vor, wobei
die n--leitende Schicht p-leitende Gebiete
enthält,
die in die n--leitende Schicht Löcher injizieren.
Generell läßt sich das der Erfindung zugrundeliegende
Prinzip, nämlich
die Kompensation eines kleineren (oder größeren) Atomradius eines Dotierstoffes
in einem Grundmaterial, insbesondere Silizium durch einen Kompensationsstoff
mit größerem (kleinerem)
Atomradius als das Grundmaterial auch für andere Halbleitermaterialien,
wie beispielsweise Germanium oder AIII-BV-Verbindungshalbleiter,
anwenden.
Jedenfalls hat sich gezeigt, daß durch
Gegenkompensation des Bors mit einem Atomradius von 0,88 Å durch
eine Germaniumdotierung mit einem Atomradius von 1,22 Å während der
Epitaxie die Spannungen zwischen stark unterschiedlich dotierten
Schichten deutlich herabgesetzt werden können und sogar auf den Wert
0 zu bringen sind: Da der kleinere Atomradius des Bors bei einer
etwa 4-fach höheren
Germaniumdotierung durch den größeren Atomradius
des Germaniums ausgeglichen wird, bleibt die ursprüngliche
Gitterkonstante des Siliziums erhal ten. Damit entfallen Misfitversetzungen
zwischen stark unterschiedlich dotierten epitaktischen Schichten.
Der Konzentrationsunterschied kann somit im Hinblick auf eine gute
Quer- Strom-Effizienz
der Smart-Power-Technologie optimiert werden, ohne Ausfälle durch
Gleitlinien und Versetzungen im Silizium befürchten zu müssen. Zwar werden die Halbleitereigenschaften
des Siliziums durch die Germaniumdotierung modifiziert, so daß beispielsweise
ein geringerer Bandabstand entsteht. Jedoch spielt diese geringe Veränderung
für die
ins Auge gefaßten
Anwendungen keine Rolle.
Auch ist es von Vorteil, daß die Diffusionskonstanten
von Germanium und Bor bei Temperaturen zwischen 1100°C bis 1250°C in der
gleichen Größenordnung
liegen, so daß die
Kompensation sich durch nachfolgende Ofenprozesse zwar verschlechtern
kann, aber immer noch ausreichend ist, um Kristallfehler, nämlich die
Misfitversetzungen, zu verhindern.
Die in das Halbleitersubstrat injizierten
Elektronen werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung aber nicht nur
durch die effektivere Absaugung über
den Schutzring aufgrund des höheren
elektrischen Driftfeldes am p+/p-Übergang
reduziert, sondern auch durch Rekombination an Störstellen
vermindert. Solche Störstellen
werden durch Germaniumzentren in der p+-leienden
Schicht beispielsweise mit Energieniveaus von 0,27 eV unterhalb
des Leitungsbandes und 0,5 eV oberhalb des Valenzbandes des Siliziums
gebildet. Das heißt,
die Querstromreduzierung erfolgt auch durch Germanium-Rekombinationszentren.
Bei der hohen Bordotierung in der kompensierten p+-leitenden
Schicht spielt aber auch die Augerrekombination eine wesentliche Rolle.
Der p+/p-Übergang
kann abrupt oder kontinuierlich sein. Ein kontinuierlicher p+/p-Übergang
trägt zur Verhinderung
von Misfitverletzungen bei.
Die vergrabene Schicht, die p+-dotiert ist, kann auf einem p-leitenden Substrat
liegen und ihrerseits mit einer p-leitenden, vorzugsweise epitaktischen
Schicht überdeckt
sein. Es ist aber auch möglich,
daß die
p+-leitende Schicht durch ein p+-leitendes
Substrat gebildet wird, das durch eine p-leitende epitaktische Schicht
bedeckt ist. Auch in diesem letzten Fall wird das elektrische Driftfeld
am Übergang
zwischen dem p+-leitenden Substrat und der
p-leitenden Schicht zur Querstromreduzierung ausgenutzt. Die Substratdotierung
darf wegen zu starker Misfitversetzung zu der p-leitenden Schicht
und der hieraus folgenden Erzeugung von Kristallfehlern nicht zu
hoch gewählt
werden, obwohl dies für
ein weitaus effizienteres Driftfeld an sich bevorzugt werden würde. Auch
in diesem Fall bietet die Kompensation mit Germanium Abhilfe, wobei
das Germanium direkt in das Silizium-Halbleitersubstrat, also in
eine gesägte,
mit Bor dotierte Siliziumscheibe bzw. in einen mit Bor dotierten Siliziumstab
eingebracht wird. Beim Scheibenherstellungsprozeß sollte allerdings das Temperaturprogramm so
niedrig als möglich
gewählt
werden, um den Kompensationsvorteil nicht durch die stärkere Ausdiffusion
von Bor gegenüber
Germanium wieder zu verlieren.
Entsprechende Überlegungen gelten für Kohlenstoff
anstelle von Germanium, wenn die Siliziumscheibe mit Arsen oder
Antimon dotiert ist. Bei einer Phosphordotierung kann wie bei einer
Bordotierung eine Kompensation mit Germanium vorgenommen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
1 einen
schematischen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
2 einen
schematischen Schnitt durch eine Anordnung mit einem p+-leitenden
Siliziumsubstrat und einer darauf aufgebrachten p-leitenden Schicht
, und
3 eine
vergrößerte Teildarstellung
der erfindungsgemäßen Anordnung.
1 zeigt
ein p-leitendes Halbleitersubstrat 1, auf dem sich eine
p+-leitende vergrabene Schicht 2 befindet,
auf der wiederum eine p-leitende epitaktische Schicht 3 aufgebracht
ist. In der Schicht 3 sind n+-leitende
Schichten 4, 5, ein n+-leitender
Schutzring 6, n-leitende Zonen 7 bis 12,
eine p-leitende
Zone 13, p+-leitende Kontaktzonen 14, 15 und
p-leitende Zonen 16, 17 angeordnet. Die Zonen 13, 7, 4,
die Schicht 3 und die Zonen 14, 16 bilden
einen Transistor. Ebenso wird ein parasitärer Transistor durch die Wannenzone 4,
die Halbleiterschicht 3 und den Schutzring 6 bzw.
die Wannenzone 5 gebildet, wie dies schematisch in 1 angedeutet ist. Dieser
parasitäre
Transistor läßt einen
Querstrom fließen,
der aber durch das elektrische Feld E bzw. E' zur p+-leitenden Schicht 2 vermindert
wird. Diese Schicht 2 führt
zu den beiden entgegengesetzt gerichteten Feldern E bzw. E'. Das obere Feld
E hält
die Elektronen oberhalb der vergrabenen Schicht 2, so daß die Elektronen
leicht zu den Wannenzonen 4 bzw. 5 und dem Schutzring 6 abgesaugt
werden können.
Das untere elektrische Feld E' verhindert,
daß einmal
durch die vergrabene Schicht 2 gekommene Elektronen wieder
nach oben zurückdiffundieren.
3 zeigt
eine Anordnung, bei der auf einem Siliziumsubstrat 1, das
eine Bor-Dotierungskonzentration von 2,7 × 1015 cm3 aufweist, eine Schicht 2 aufgebracht
ist, die etwa 15 μm
dick ist und auf der sich eine Schicht 3 befindet, die
ebenfalls 15 μm
dick ist. Die Schicht 3 besteht aus Silizium und soll undotiert
sein. Die Schicht 2 ist mit Bor dotiert und enthält gegebenenfalls
eine Germanium-Kompensation. Versuchsergebnisse, die mit verschiedenen
Scheiben (Schb) 3, 4, 5, 6 vorgenommen
wurden, sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
