DE2147009A1

DE2147009A1 - Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE2147009A1
Application number: DE19712147009
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Princeton; Olmstead John Aaron Somerville; N.J. Kannam (V.StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1971-09-21
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1362852A; CA932072A; SE376688B; FR2118889B1; AU463787B2; FR2118889A1; BE772640A; AU3379071A; NL7111842A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauenland · Dn.-Ing. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte ■ 4000 Düsseldorf · Cecilienallee 76 · Telefon 43273a

Unsere Akte: 26 951 20. September 1971

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Halbleiterbauteil"

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile, insbesondere auf Planartransxstoren.

Die Planartechnik findet bei der Herstellung von Transistoren weitgehend Verwendung. Bei dieser Technik wird ein Basisgebiet in eine Oberfläche eines einen Kollektor bildenden Halbleiterkörpers eindiffundiert, und ein Emittergebiet wird in das Basisgebiet eindiffundiert„ Die PN-Übergänge zwischen dem Basisgebiet und dem Kollektorkörper sowie zwischen den Emitter- und Basisgebieten sind radial gekrümmt ausgeführt und reichen bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers.

Ein mit bekannten Planartransistorausführungen verbundener wesentlicher Nachteil wird üblicherweise als "Radiuseffekt" bezeichnet. Diese Bezeichnung beruht darauf, daß die Durchbrüche durch die Basis-Kollektor-Übergänge in stärkerem Maße an dem radial gekrümmten Teil als im Mittelbereich des Übergangs erfolgen.

Es ist bekannt, zur Beseitigung dieses Problems ein tiefes, das Basisgebiet umgebendes hochleitfähiges Gebiet zu verwenden, welches den radial gekrümmten Bereich des Übergangs durchstößt. Dieses hochleitfähige Gebiet wird in der Regel

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als "Schutzring" bezeichnet. Der hochleitfähige Schutzring hat einen größeren Radius und stellt dem Transistor im radial gekrümmten Teil der Basiszone eine größere Sperrschicht als im mittleren Bereich der Basiszone zur Verfügung, um einen vorzeitigen Durchbruch im radialen Bereich zu verhindern. Um jedoch diesen Effekt zu erreichen, ist es notwendig, daß sich der hochleitfähige Schutzring bis zu einer Tiefe beträchtlich unterhalb des Basis-Kollektor-Übergangs erstreckt, wodurch die Verwendung dickerer Kollektoren bei gleichen Spannungen erforderlich wird. Dickere Kollektoren führen zu unerwünscht niedrigeren Frequenz-™ Charakteristiken, da der Frequenzgang eines Transistors umgekehrt proportional zur Dicke des Kollektors ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile bekannter Transistorausführungen den Radiuseffekt auszuschalten.

Ausgehend von einem Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, einem ersten Halbleitergebiet eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, das sich von einer Oberfläche des Halbleiterkörpers in letzteren hineinerstreckt, mit einem planaren, eine radiale Krümmung aufweisenden und bis zur Körperoberfläche reichenden PN-Übergang zwischen dem Körper und dem ersten Gebiet, ferner mit einem bis in die Nähe des PN-Übergangs in das erste Gebiet vorspringenden zweiten Halbleitergebiet des einen Leitfähigkeitstyps und mit einem das erste Halbleitergebiet umgebenden dritten Halbleitergebiet des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wird erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß das dritte, die radiale Krümmung des PN-Übergangs schneidende Leitfähigkeitsgebiet von der Oberfläche des Körpers aus mindestens bis zu der Tiefe des PN-Übergangs in den Körper eindringt und bezüglich des ersten Halbleitergebiets einen hohen Widerstand besitzt.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauteilen dargestellt. Es zeigen:

Fig, 1 eine Querschnittansicht eines Transistors in bekannter Ausführung;

Fig. 2 eine Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 eine Querschnittansicht eines Overlay-Transistors gemäß der Erfindung.

Eine bekannte Transistorausführung zur Verringerung des "Radiuseffekts ⁿ ist in Fig. 1 dargestellt. Der mit 2 bezeichnete Transistor ist in einem Halbleiterkörper 3 mit einer Oberfläche 4 ausgebildet. Zum Zwecke der Erläuterung ist als Ausführungsbeispiel ein NPN-Transistor gezeigt.

Der Transistor weist einen N-leitenden Kollektorkörper mit einer N⁺ Kollektorunterlage 5a und einem N~ Kollektorgebiet 5b sowie ein P-leitendes Basisgebiet 6 auf, das in das Kollektorgebiet 5b von der Oberfläche 4 aus eindiffundiert ist, wobei ein planarer Basis-Kollektor-PN-Übergang 7 zwischen diesen Gebieten gebildet wird,, Ein N-leitendes Emittergebiet 9 ist in die Basiszone von der Oberfläche 4 aus eindiffundiert. Ein P Gebiet 8 erstreckt sich durch den radial gekrümmten Teil des Übergangs 7 in den Körper 5 hinein und umgibt das P-leitende Basisgebiet 6. Dieses P Gebiet 8 wird gewöhnlich als "Schutzring" bezeichnete Um zu erreichen, daß der P⁺ Schutzring 8 eine erweiterte Sperrschicht erzeugt und den "Radiuseffekt" verringert, ist es erforderlich, daß das P⁺ Gebiet 8 bis weit unterhalb des Basis-Kollektor-Übergangs 7 in den Kollektorkör-

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per 5 hineinreicht. Es ist leicht einzusehen, daß der Transistor 2 aus diesem Grund einer relativ dicken Kollektorzo-. ne 5b bedarf, um eine ausreichend große Durchbruchs spannung zu erreichen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors ist in Fig. 2 gezeigt, wobei der Transistor mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist«, Der Transistor 10 kann als NPN- oder PNP-Bauelement ausgebildet sein; in Fig. 2 ist jedoch ein NPN-Halbleiterbauteil dargestellt, auf das in der folgenden Beschreibung Bezug genommen wird. Der Transistor 10 weist daher einen N-leitenden Halbleiterkörper 12, z.B. aus Silizium, auf, der als Kollektor für den Transistor dient. Der Kollektorkörper 12 umfaßt eine hochleitfähige N Unterlage 11 und eine Kollektor-Widerstandszone 13. Seine oberen und unteren Oberflächen sind mit 14 bzw, 16 bezeichnete Die Größe, Form und Leitfähigkeit des Körpers ist für die vorliegende Erfindung unkritisch, geeignete Werte sind z.B. 12,7 cm χ 10"^ für die Dicke der Kollektorunterlage 11 und etwa 0,5 cm χ 10 ^ für die Dicke der Kollektorzone 13. Eine Isolierschicht 15, z.B. aus Siliziumdioxid ist auf der Oberseite bzw. Oberfläche 14 aufgebracht.

Ein P-leitendes Basisgebiet 22 erstreckt sich von der Oberfläche 14 aus in den Kollektor 13 und bildet einen planaren Basis-Kollektor-PN-Übergang 21„ Der Übergang 21 weist eine radiale Krümmung 23 auf und reicht bis zur Oberfläche 14. Ein P~ "Schutzring"-Gebiet 24 erstreckt sich wenigstens bis annähernd zur Tiefe des Basis-Kollektor-PN-Übergangs 21 in das Kollektorgebiet 13. Dieses "Schutzring"-Gebiet 24 schneidet den radial gekrümmten Bereich 23, umgibt das Basisgebiet 22 und besitzt bezüglich des Basisgebietes einen hohen Widerstand. Um die gewünschte Verringerung des Planar-Radius-Effekts zu erreichen, ist es notwendig, daß

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sich das Schutzring-Gebiet 24 wenigstens annähernd bis zur Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs 21 erstreckte Es wurde gefunden, daß die Verringerung des Radiuseffekts nicht erreicht wird, wenn der hochohmige Schutzring 24 um weniger als 50% des Abstandes zwischen der Oberfläche 14 und dem Basis-Kollektor-Übergang 21 in den Körper 12 eingreift. Daher soll der im Vorstehenden benutzte Ausdruck "wenigstens bis annähernd" bedeuten, daß sich das Schutzring-Gebiet 24 in das Kollektorgebiet 13 hineinerstreckt und den radial gekrümmten Teil 23 bei einer Tiefe schneidet, welche wenigstens auf 50% der Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs 21 liegt. Vorzugsweise schneidet das Schutzring-Gebiet 24 den radial gekrümmten Teil 23 bei etwa 75% der Tiefe des Übergangs 21. Außerdem kann das Schutzring-Gebiet 24 bis unter den Basis-Kollektor-PN-Übergang 21 vorragen, wobei ebenfalls die gewünschte Reduzierung des Radiuseffekts erreicht wird. Um jedoch einen relativ dünnen Kollektorkörper 12 herstellen zu können, ist der hochohmige Schutzring vorzugsweise so ausgebildet, daß er die Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs 21 nicht wesentlich überschreitet. Wenn es auf eine dünne Kollektorzone nicht ankommt, kann -sich der Schutzring über die größte Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs hinaus bis zur halben Distanz zur Kollektor-Unterlage 11 erstrecken.

Ein N-leitendes Emittergebiet 26 erstreckt sich von der Oberfläche 14 in das Basisgebiet 22 und bildet mit dem Basisgebiet einen Emitter-Basis-PN-Übergang 27ο Die Isolierschicht 15 hat eine Öffnung 28, durch welche Teile des Basisgebiets 22 und des Schutzring-Gebiets 24 an der Oberfläche 14 freigelegt sind. Eine Basis-Anschlußschicht 32 gibt durch die öffnung 28 Ohm'sehen Kontakt sowohl mit dem Basisgebiet 22 als auch dem Schutzring-Gebiet 24, Ferner ist in der Isolierschicht 15 eine weitere Öffnung 30 vorgesehen, welche einen Teil des Emittergebiets 26 an der Ober-

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fläche 14 freilegt. Eine Emitter-Anschlußschicht 34 gibt durch die Öffnung 30 mit dem Emitter Kontakt. Ein Kollektor-Anschlußgebiet 36 ist an der unteren Fläche 16 des Transistors 10 vorgesehen.

Unter anderem bietet der Transistor 10 folgende Vorteile. Einerseits verringert das hochohmige Schutzring-Gebiet 24 den Radiuseffekt des planaren Basis-Kollektor-Übergangs und verhindert dadurch einen vorzeitigen Durchbruch im radial gekrümmten Bereich. Im Gegensatz zu dem hochleitfähigen Schutzring, wie er bei der in Fig. 1 gezeigten bekann-

" ten Ausführung verwendet wird, ist es nicht erforderlich, daß das hochohmige Schutzring-Gebiet 24 der Ausführung nach Fig. 2 bis zu einer Tiefe unterhalb des Basis-Kollektor-Übergangs reicht, um eine Reduzierung des Radiuseffekts zu erreichen. Dadurch wird die Verwendung dünnerer Kollek-' torkörper möglich, was, wie oben erläutert wurde, zu verbesserten Frequenzeigenschaften (f+) führt. Wie außerdem dem Vergleich der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, kann die Basiszone 22 des Transistors bei der Ausführungsform nach Fig. 2 einen größeren Emitterumfang bieten, da kein Teil des Basisgebietes 22 durch einen hochleitfähigen Schutzring aufgehoben ist, wie dies bei dem Basisgebiet 6 gemäß Ausführungsform nach Fig. 1 ■ der Fall ist.

Ein vierter Vorteil wird bei dem Transistor 10 in Bezug auf die Art erreicht, mit der ein 0hm^rscher Kontakt mit dem Basisgebiet 22 und dem hochohmigen Schutzring 24 hergestellt wird. Bei typischen Planartransistoren (sowohl mit als auch ohne hochleitendem Schutzring) wird der Ohm'sche Kontakt zur Basis üblicherweise mit einem Bereich des Basisgebietes hergestellt, der hochleitend ist. Dies führt zu einer unerwünscht hohen Basis-Kollektor-Kapazität. Bei der neuen Ausführung des Transistors 10 gemäß

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Fig. 2 wurde festgestellt, daß durch Niederschlag der Ohm'sehen Anschlußschicht 32 sowohl auf dem Basisgebiet 22 als auch auf dem hochohmigen Schutzring-Gebiet 24 eine niedrigere Basis-Kollektor-Kapazität als bisher erzielt wird.

Der Transistor 10 kann mit bekannten Planartechniken hergestellt werden. Die Konfiguration des Basisgebietes 22 und des Schutzring-Gebietes 24 wird unter Verwendung der folgenden Verfahrensschritte erreicht: zunächst wird das ringförmige P~ Gebiet 24 in ein das Ausgangselement bildendes N-leitendes Kollektorplättchen eindiffundiert. Danach wird das relativ hochleitfähige P-leitende Basisgebiet 22 in einen Bereich des P~ Gebiets 24 eindiffundiert, so daß die P~ und P Gebiete einen angenähert gleichmäßigen Basis-Kollektor-PN-Übergang im Kollektorplättchen bilden. Das Emitter-Gebiet wird sodann eindiffundiert und die Anschlüsse an die Gebiete geschaffen.

Eine andere Ausführungsform des Transistors 10 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei der Transistor mit 50 bezeichnet ist. Der Transistor 50 ist ähnlich dem Transistor 10 gemäß Fig. 2 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß sich das hochohmige Schutzring-Gebiet um die gesamte Peripherie des Basisgebiets erstreckt. Gemäß Fig. 3 weist der Transistor 50 ein hochohmiges P~ Gebiet 52 auf, welches sich in das Kollektorgebiet 13 von der Oberfläche 14 aus hineinerstreckt und einen planaren Basis-Kollektor-PN-Übergang 53 zum Kollektorgebiet 13 bildet. Ein relativ hochleitfähiges P-leitendes Basisgebiet 54 erstreckt sich in das P~ Gebiet 52, endet jedoch kurz vor dem Basis-Kollektor-Übergang 53, so daß ein Teil des P" Gebiets zwischen dem Kollektor 12 und dem P-leitenden Basisgebiet 54 liegt. Ein N-leitendes Emittergebiet 26 ragt in das P-leitende Basisgebiet 54 hinein. Emitter-, Basis- und Kollektoranschlüsse 32, 34 und 36 sind

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in der bereits anhand des Transistors 10 gemäß Figo 2 beschriebenen Weise angebracht.

Es hat sich gezeigt, daß die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft bei Hochfrequenz-Halbleiterbauelementen verwendet werden kann, die üblicherweise als "Overlay"-Transistoren bezeichnet werden. Ein Overlay-Transistor 60, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, ist in Fig. 4 gezeigte Der Transistor 60, im vorliegenden Fall ein NPN-Transistor, ist in einem Halbleiterkörper 62 ausgebildet, der obere ^ und untere Flachseiten bzw. Oberflächen 64 und 66 aufweist,, Der Halbleiterkörper 62 dient als Kollektorkörper und umfaßt eine hochleitfähige N⁺ Unterlage 68 und ein auf dieser aufgebautes N~ Gebiet 70. Ein P-leitendes Basisgebiet erstreckt sich von der Oberfläche 64 aus in das N~ Gebiet 70 und weist mehrere P-leitende Basiszonen 72 und ein P⁺ Leitungsgitter 74 auf, welches alle Basiszonen umgibt. Zusätzlich weist das Basisgebiet einen hochohmigen Schutzring 76 auf, welcher in das N~ Gebiet 70 eingreift und den äußeren Teil des P⁺ Leitungsgitters 74 schneidet.

Ein N-leitendes Emittergebiet 78 erstreckt sich von der Oberseite 64 aus in die Basiszone 72. Eine Oxidschicht 65 überzieht die Oberfläche 64 und weist mehrere Öffnungen

80 auf, welche das P⁺ Gitter 74 an der Oberfläche 64 freilegen. Zusätzlich sind äußere Öffnungen 80' vorgesehen, die den P" Schutzring 76 freilegen. Die Oxidschicht 65 ist mit einer Basis-Anschlußschicht 82 überzogen, die mit dem P⁺ Gitter 74 und dem P~ Schutzring 76 über die Öffnungen in der Oxidschicht (nicht gezeigt) in Verbindung steht. Der Transistor 60 weist ferner an der Unterseite 66 eine Kollektor-Anschlußschicht 86 auf. Der hochohmige Schutzring 76 ermöglicht die Verwendung dünnerer Kollektoren, als dies bei bisher bekannten Overlay-Transistoren möglich war.

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Claims

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RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V₀St.A.)

Patentansprüche;

(Γ 1„JHalbleiterbauteil mit einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, einem ersten Halbleitergebiet eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, das sich von einer Oberfläche des Halbleiterkörpers in letzteren hineinerstreckt, mit einem planaren, eine radiale Krümmung aufweisenden und bis zur Körperoberfläche reichenden PN-Übergang zwischen dem Körper und dem ersten Gebiet, ferner mit einem bis in den Bereich des Übergangs in das erste Gebiet vorspringenden zweiten Halbleiter-Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps und mit einem das erste Halbleitergebiet umgebenden dritten Halbleitergebiet des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Halbleitergebiet (24) von der Oberfläche (14) aus mindestens bis etwa zu der Tiefe des PN-Übergangs (21) in den Körper (12) eindringt und bezüglich des ersten Halbleitergebiets (22) einen hohen Widerstand besitzt.
2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Halbleitergebiet ein ringförmiges Gebiet ist_e
3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der dem PN-Übergang (21) benachbarte Bereich des ersten Halbleitergebiets (22) einen höheren Widerstand als der übrige Teil des ersten Gebiets besitzt.
4. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß auf der Oberfläche (14) des Halbleiterkörpers (12) eine mit den ersten und dritten Halbleitergebieten in Kontakt stehende, leitende Basis-Anschluß schicht angeordnet ist.
5. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Transistor (10; 50; 60) ausgebildet ist, dessen Basiszone (22) das Gebiet des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bildet und sich von der Oberfläche (14) in den Körper (12) hineinerstreckt,

* daß der Übergang ein planarer Basis-Kollektor-PN-Übergang (21) zwischen dem Körper und der Basiszone ist, und daß das zweite Halbleitergebiet das Emittergebiet ist, wobei eine mit der Basiszone (22) und dem ringförmigen Gebiet (24) in Kontakt stehende leitende Basis-Anschlußschicht auf der Oberfläche (14) aufgebracht ist«
6. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, das als in einem Halbleiterkörper ausgebildeter Overlay-Transistor vorgesehen ist, wobei der Halbleiterkörper ein Kollektorgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps und mehrere von einer Körperoberfläche aus in den Halbleiterkörper hineinreichende Basiszonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei ferner ein die Basiszonen umgebendes Leitungsgitter vorgesehen ist und die Basiszonen und das Gitter einen planaren PN-Übergang mit dem Kollektorkörper bilden, und ein sich in jede Basiszone erstreckendes Emittergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochohmiges Schutzring-Gebiet (76) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps um die Basiszonen (72) angeordnet ist, das den äußeren Teil des äußeren Gitters (74) schneidet, und daß sich der hochohmige Schutzring von der Oberfläche (64) wenigstens annähernd bis zur Tiefe des PN-Übergangs in den Körper (62) erstreckt.

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7. Halbleaterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine leitende Schicht (82) auf der Oberfläche (64) niedergeschlagen ist und mit dem hochleitenden Gitter (74) und dem hochohmigen Schutzringgebiet (76) in Kontakt steht.

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