DE2012945C3 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Halbleiterbauelement ist z. B. aus der FR-PS 13 37 348 bekannt. Die weitere Zone dient dabei z. B.
als Isolierung /wischen benachbarten Transistoren und eine hochdotierte, kanalunterbrechende Zone grenzt an
den PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone, wodurch dessen Durchschlagspannung herabgesetzt
wird.
Die weitere Zone kann aber auch zum Erhöhen der Durchschlagspannung dieses PN-Übergangs dienen. So
ist z.B. aus der FR-PS 14 21 136 ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem die zweite Zone von einer oder
mehreren weiteren Zonen im Abstand umgeben ist, und bei dem jede folgende weitere Zone die zweite Zone
und alle vorhergehenden weiteren Zonen umgibt. Durch Anwendung derartiger weiterer Zonen vom
zweiten Leitungstyp konnte die Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone durch HerabSetzung
des Einflusses der Oberflächenbedingungen auf diesen Durchschlag erheblich gesteigert werden.
Es hat sich aber gezeigt, daß derartige Halbleiterbauelemente unter Umständen nicht stabil sind, da bei ihrem
Betrieb, wenn der PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone in Sperrichtung vorgespannt
ist, die Isolierschicht elektrisch aufgeladen wird und dabei die Neigung hat, das Potential der Kontaktschicht
anzunehmen. Dadurch kann in der ersten Zone eine Oberflächenschicht vom zweiten Leitungstyp, eine sogenannte
Inversionsschicht, induziert werden, die die weiteret. Zonen miteinander und mit der zweiten Zone
über einen Inversionskanal verbindet, so daß die Wirkung der erwähnten weiteren Zone neutralisiert und die
Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone herabgesetzt wird.
Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement mit zum trhöhen der
Durchschlagspannung dienenden weiieren Zonen, bei dem sich Inversionsschichten bilden können, kanalunterbrechende
Oberflächenzonen unter Berücksichtigung des geringen zur Verfügung stehenden Raumes
derart anzubringen, daß dadurch keine Herabsetzung der Durchschlagspannung verursacht wird.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten
Vj Halbleiterbauelement erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Es ließe sich erwarten, daß durch das Vorhandensein einer derartigen kanalunterbrechenden Oberflächenzone,
die in die weitere Zone an der Innenseite eingeschoben ist, die Durchschlagspannung zwischen der weiteren
Zor.c und der ersten Zone und somit auch die Durchschlagspannung zwischen der ersten Zone und
der zweiten Zone erheblich herabgesetzt werden würde. Überraschenderweise stellt sich aber heraus, daß
dies in der Praxis nicht der Fall ist. Dies ist auf den Strom zurückzuführen, der im Betriebszustand in Sperrichtung
über den PN-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone längs der Halbleiteroberfläche
fließt. Infolge dieses Sperrstromes ist die der zweiten Zone zugewandte Seite (die Innenseite) des PN-Übergangs
zwischen der weiteren Zone und der ersten Zone in Durchlaßrichtung polarisiert, während die Außenseite
dieses PN-Übergangs dagegen in Sperrichtung polarisiert ist, wie dies aus der US-PS 33 91 287 bekannt ist.
Da sich die kanalunterbrechende Oberflächenzone auf der Innenseite der weiteren Zone befindet, wird dadurch
die Durchschlagspannung zwischen der ersten und der zweiten Zone nicht oder nahezu nicht beeinflußt.
Die kanalunterbrechende Oberflächenzone ist weiter längs ihres ganzen Innenumfangs von der ersten Zone
begrenzt, während der Außenumfang der kanalunterbrechenden Oberflächenzone der Kontaktschicht näher
e5 liegt als der Außenumfang der weiteren Zone. Die kanalunterbrechende
Oberflächenzone liegt also von allen in Sperrichtung polarisierten Teilen der vorhandenen
PN-Übergängc entfernt, so daß die Gesamtspannung.
gleich wie in Abwesenheit der kanalunterbrechenden Oberflächenzone, über die weiteren Zonen verteilt werden
kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsforni ist auf der
Isolierschicht eine leitende Schicht angebracht die die Kontaktschicht praktisch völlig umgibt, wobei, parallel
zu der Oberfläche gemessen, der Abstand der Kontaktschicht von der weiteren Zone größer als der Abstand
der Kontaktschicht von der leitenden Schicht ist, und Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe an die leitende
Schicht ein Potential gelegt werden kann, wie dies z. B. aus der US-PS 33 91 287 bekannt ist Eine derartige leitende
Schicht kann, wenn sie auf ein geeignetes Potential gebracht wird, durch Induktion an der Oberfläche
eine derartige Feldverteilung herbeiführen, daß auch der außerhalb der kanalunterbrechenden Oberflächenzone
liegende Teil eines Inversionskanals beseitigt wird, wie in der o. g. US-PS beschrieben ist.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für diejenigen Fälle, bei denen die erste Zone aus P-leitendem
Silicium besteht, weil die erwähnten !Inversionsschichten sich leicht auf diesem Material bilden, z. B. infolge
thermischer Oxydation, wie sie bei der Herstellung planarer Strukturen üblich ist
Die Erfindung ist weiterhin besonders vorteilhaft bei einem Halbleiterbauelement, in dem die erste Zone die
Kollektorzone und die zweite Zone die Basiszone eines Transistors ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen
F i g. 1 und 2 schematisch im Querschnitt verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelements
nach der Erfindung.
Alle beschriebenen Beispiele sind der Einfachheit haiber
drehsymmetrisch zu der Linie M-M in den Figuren gewählt.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet, wobei insbesondere die Abmessungen in
der Dickenrichtung der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt sind. Entsprechende Teile sind mit
den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In F i g. 1 ist schematisch im Querschnitt ein Teil eines
Halbleiterbauelements dargestellt.
Das Bauelement umfaßt im vorliegenden Fall einen Transistor, der einen Halbleiterkörper 1 aus Silicium mit
einer praktisch ebenen Oberfläche 2 enthält. An diese Oberfläche 2 grenzen eine erste P-leitende Zone 3 und
eine zweite N-Ieitende Zone 4, die innerhalb des Halbleiterkörpers
völlig von der Zone 3 umgeben ist. Der PN-Übergang 5 zwischen den Zonen 3 und 4 endet an
der Oberfläche 2.
Auf der Oberfläche 2 ist eine isolierschicht 6 aus SiIiciumoxyd
angebracht, die mit einem Kontak:fenster 7 versehen ist, in dem eine Aluminiumkontaktschicht 8 auf
der zweiten Zone 4 angebracht ist.
Das Bauelement nach F i g. 1 enthält ferner eine P-leitende Zone 9, die über eine öffnung in der Oxydschicht
6 mit einer Aluminiumschicht 10 verbunden ist. Dabei bildet die Zone 9 die Emitterzone, die Zone 4 die Basis- eo
zone und die Zone 3 die Kollektorzone eines Transistors. Eine Metallschicht 30 bildet einen praktisch ohmschen
Kontakt mit der Kollektorzone 3 auf der anderen Seite der Siliciumscheibe.
In dem Betriebszustand ist, wie in F i g. 1 schematisch
dargestellt ist, der PN-L'bergang 5 zwischen den Zonen 3 und 4 in Sperrichtung vorgespannt, während der PN-l'lhenrane
11 zwischen den Zonen 4 und 9 in der Durchlaßrichtung
vorgespannt ist Zwischen den Klemmen 12 und 13 kann dem Emitter ein Signal zugeführt werden,
das nach Verstärkung dem Kollektor, z. ß. über den Widerstand 14 entnommen werden kann.
Das Bauelement enthält ferner zur Steigerung der Kollektordurchschlagspannung eine neben der zweiten
Zone 4 liegende weitere N-leitende Zone 15, die an die Oberfläche 2 grenzt und innerhalb des Halbleiterkörpers
von der ersten Zone 3 umgeben ist Dabei endet der PN-Übergang 17 zwischen der Zone 3 und der Zone
15 zum Teil an der Oberfläche 2. Die Zone 15 umgibt die erwähnte zweite Zone 4.
Die Kollektordurchschlagspannung des so gebildeten Transistors ist, wie sich herausgestellt hat in der Praxis
nicht stabil, weil beim Betrieb die Oxydschicht 6 elektrisch aufgeladen wird. Dadurch kann in der P-leitenden
Zone 3 an der Oberfläche eine N-leitende Schicht, eine sogenannte Inversionsschicht gebildet werden, die die
Zone 15 mit der Zone 4 verbindet Dadurch wird die Wirkung der Zone 15 neutralisiert wodurch die Durchschlagspannung
zwischen den Zonen 3 und 4 abnimmt.
Außerdem ist meistens, wenn die Zone 3 P-leitend ist,
wie dies im vorliegenden Beispiel der FaI ist, auch dann an der Oberfläche 2 ein Inversionskanal unterhalb der
Oxydschicht 6 vorhanden, wenn keine Spannungen angelegt sind.
Zur Verhinderung dieser Abnahmne der Kollektordurchschlagspannung ist neben der Zone 15 auf der Seite
der Kontaktschicht 8 eine ringförmige kanalunterbrechende Oberflächenzone 18 in Form einer eindiffundierten
P-leitenden Zone 18 angebracht, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die Zone 3 hat. Die
kanalunterbrechende Oberflächenzone 18 ist teilweise in die Zone 15 eingebaut, so daß der Abstand, der Kontaktschicht
8 von dem Außenumfang der Zone 18, parallel zu der Oberfläche 2 gemessen, größer als der Abstand
der Kontaktschicht 8 von dem Innenumfang der weiteren Zone 15 ist. Dadurch wird ein sehr geringer
Teil des Raumes zwischen den Zonen 4 und 15 von der Zone 18 beansprucht. Dies ist wichtig, weil unter Umständen
dieser Zwischenraum infolge der gewählten Dotierungen sehr gering sein kann. Dabei ist, parallel zu
der Oberfläche gemessen, der Abstand der Kontaktschicht 8 von dem Außenumfang der weiteren Zone 15
größer als der Abstand der Kontaktschicht 8 von dem Außenumfang der Zone 18. Die Oberflächenzone 18
grenzt längs ihres ganzen Innenumfangs an die erste Zone 3.
Die P-leitende Zone 18 ist gleichzeitig mit der Emitterzone 9 eindiffundiert worden. Die Akzeptorkonzentration
dieser Zone ist derart hoch, daß darin kein Inversionskanal gebildet werden kann, so daß ein zwischen
den Zonen 4 und 15 vorhandener Inversionskanal an der Stelle der Zone 18 unterbrochen ist. Dadurch wird die
bereits beschriebene ungünstige Einwirkung eines derartigen Inversionskanals auf die Durchschlagspannung
des PN-Übergangs 5 vermieden.
Dadurch, daß im Betriebszustand längs der Oberfläche 2 ein gewisser Sperrstrom durch den Halbleiterkörper
(in üblichem Sinne von der Zone 4 zu der Zone 3) fließt, wird der PN-Übergang 17 auf der Außenseite der
;ugehörigen Zone 15 in der Sperrichtung polarisiert, während dieser PN-Übergang auf der Innenseite der
Zone 15 in der Durchlaßrichtung polarisiert ist. Dadurch übt das Vorhandensein der hochdotierten Zone 18 keinen
oder nahezu keinen Einfluß auf die Durchschlagspannung zwischen den Zonen 3 und 4 aus, weil die Wirkung
der Zone 15 praktisch nicht herabgesetzt wird.
Die ganze Struktur ist von einer P-Ieitenden Oberflächenzone
22 zur Unterbrechung einer auf der Außenseite der Zone 15 gebildeten Inversionsschicht umgeben.
Das beschriebene Halbleiterbauelement kann durch Verwendung allgemein üblicher planarer Techniken
hergestellt werden. Die P-leitende Zone 3 hat in diesem Beispiel einen spezifischen Widerstand von 50 Qcm. Die
Zonen 4 und 15 haben eine Dicke von etwa 10 um und sind gleichzeitig durch Diffusion von Phosphor bei einer
Oberflächenkonzentration von 1018 Atomen/cm3 erzeugt. Die Zonen 9, 18 und 22 haben eine Dicke von
etwa 6 μπι und sind gleichzeitig durch Diffusion von Bor
bei einer Oberflächenkonzentration von 1020 Atomen/
cm3 erzeugt. Die Dicke der Oxydschicht 6 beträgt etwa 1 μιη, die der Aiuminiurnschichten etwa 0,5 um Der ge- i-s
genseitige Abstand der Zonen 4 und 15 beträgt etwa 90 μιη, die Breite der Zone 15 ist etwa 30 μηι, während
die Zone 4 z. B. einen Durchmesser von 200 μηι und die
Zone 9 einen Durchmesser von 100 μιη aufweist.
Schließlich zeigt F i g. 2 schematisch im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements
nach der Erfindung. Dabei ist die Halbleiterstruktur nahezu gleich der der Fig. 1. Außerdem ist aber auf
der Oxydschicht 6 eine Aluminiumschicht 21 angebracht, die die Kontaktschicht 8 umgibt, wobei, parallel
zu der Oberfläche 2 gemessen, der Abstand der Kontaktschicht
8 von der Zone 15 größer als der Abstand der Kontaktschicht 8 von der Aluminiumschicht 21 ist,
die über die hochdotierte Zone 22, die den gleichen Leitungstyp wie die Zone 3 aufweist, mit der Zone 3
verbunden ist. Dadurch erhält die Schicht 21, wenn der PN-Übergang 5 in der Sperrichtung polarisiert ist, ein
derartiges Potential, daß in den unterhalb der Schicht 21
liegenden Oberflächenteilen der Zone 3 die Bildung einer Inversionsschicht verhindert wird. Da eine derartige
Inversionsschicht, wenn auch von der Zone 18 unterbrochen, durch die Vergrößerung der effektiven Oberfläche
des PN-Übergangs 5. woduch z. B. unerwünschte und nichtreproduzierbare Kapazitäten auftreten, dennoch
einen nachteiligen Einfluß ausüben kann, ist die Ausführungsform nach F i g. 2 besonders günstig.
Die Halbleiterbauelemente brauchen keineswegs drehsymmetrisch zu sein. Eine oder mehrere Zonen
können quadratisch, rechteckig, oval usw. ausgebildet sein, wobei vorzugsweise der gegenseitige Abstand der
unterschiedlichen Zonen längs ihres ganzen Umfangs gleich gewählt wird. Die Leitungstypen der unterschiedlichen
Zonen können alle unter Umkehrung der Polarisationsspannungen durch die entgegengesetzten Leitungstypen
ersetzt werden. Auch brauchen die Dotierungen und Dicken von Zonen eines gleichen Leitungstyps einander nicht gleich zu sein. Die Emitter- und
Basiszonen können erforderlichenfalls auf übliche Weise als kammartig ineinander eingreifende Zonen ausgebildet
werden. Als Halbleitermaterial können statt SiIicium
auch andere Materialien, z. B. Germanium oder IH-V-Verbindungen, verwendet werden. Die Isolierschicht
6 kann statt aus Siliciumoxyd aus anderen Materialien, z. B. aus Siliciumnitrid oder aus mehreren aufeinander
liegenden Schichten verschiedener Werkstoffe bestehen, während die Metaltschichten statt aus Aluminium
auch aus anderen Metallen bestehen können. Die Form und die Abmessungen des Halbleiterbauelements
sowie die Dotierungen können innerhalb weiter Grenzen geändert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einer praktisch ebenen Oberfläche, einer ersten
Zone vom ersten Leitungstyp, einer an diese Oberfläche grenzenden zweiten Zone vom zweiten
Leitungstyp, die innerhalb des Halbleiterkörpers von der ersten Zone begrenzt wird, und mindestens
einer neben der zweiten Zone liegenden weiteren Zone vom zweiten Leitungstyp, die an diese Oberfläche
grenzt und innerhalb des Halbleiterkörpers an der ersten Zone angrenzt, wobei der PN-Übergang
zwischen der weiteren Zone und dem angrenzenden Halbleitermaterial vom ersten Leitungstyp an dieser
Oberfläche endet, bei dem die weitere(n) Zone(n) die zweite Zone seitlich umgibt (umgeben), bei dem auf
dieser Oberfläche eine Isolierschicht angebracht ist, die mit einem Kontaktfenster versehen ist, in dem
eine Kontaktschicht auf der zweiten Zone angebracht ist, und bei dem neben mindestens einer weiteren
Zone auf der Seite der Kontaktschicht eine ringförmige kanalunterbrechende Oberflächenzone
vom ersten Leitungstyp, die einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die erste Zone aufweist und
längs ihres Außenumfangs an die benachbarte weitere Zone grenzt, derart angeordnet ist, daß der parallel
zu der Oberfläche gemessene Abstand der Kontaktschicht von dem Außenumfang der weiteren Zone
größer als der Abstand der Kontaktschicht von dem Außenumfang der kanalunterbrechenden
Oberflächenzone ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Zone (4) innerhalb des Halbleiterkörpers (1) völlig von der ersten Zone (3) umgeben
ist und damit einen an der Oberfläche endenden PN-Übergang bildet, daß die kanalunterbrechende
Oberflächenzone (18) längs ihres ganzen Innenumfangs an die erste Zone (3) grenzt und daß der Abstand
der Kontaktschicht (8) von dem Außenumfang der kanalunterbrechenden Oberflächenzone (18),
parallel zu der Oberfläche gemessen, größer als der Abstand der Kontaktschicht (8) von dem Innenumfang
der weiteren Zone (15) ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolierschicht (6)
eine leitende Schicht (21) angebt ±v.M ist, die die
Kontaktschicht (8) praktisch völlig umgibt, daß, parallel zu der ebenen Oberfläche (2) gemessen, der
Abstand der Kontaktschicht (8) von der weiteren Zone (15) größer als der Abstand der Kontaktschicht
von der leitenden Schicht (21) ist, und daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe an die leitende
Schicht (21) ein Potential gelegt werden kann (F ig. 2).
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