DE3841777C2 - Halbleiteranordnung mit vertikalem npn-Planartransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wird ein npn-Transistor, der z. B. in integrierter Standard-Bipolartechnologie hergestellt ist, als Schalttransistor betrieben, so hängt seine Schaltzeit wesentlich mit von dem Sättigungsverhalten des Transi­ stors ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Reak­ tion des Transistors auf die Ausschaltflanke des An­ steuersignals umso langsamer wird, je tiefer der Tran­ sistor in die Sättigung geschaltet war. Wenn man den Basisstrom eines Schalttransistors größer als denjeni­ gen Basisstrom macht, der zum Durchschalten des Schalt­ transistors erforderlich ist, nimmt zwar der Kollektor­ strom des Schalttransistors nur noch unwesentlich zu, aber die Überflutung des Basisgebietes mit Ladungsträ­ gern steigt proportional zum Basisstrom an. Beim Weg­ schalten des Basisstromes (negative Flanke des An­ steuersignals) kann der Kollektorstrom wegen der im Überfluß in der Basiszone vorhandenen Ladungsträger für eine Weile weiterfließen, was zu einer Verzögerung des Ausgangssignals führt.

Aus der Druckschrift US-PS 3,482,111 ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer vertikalen npn-Transistorstruktur bekannt, bei der eine ringförmige, vergrabene Schicht vorgesehen ist, deren zentrale Öffnung unterhalb der Basiszone des npn-Transistors angeordnet ist. Dadurch entsteht dort ein parasitärer, vertikaler pnp-Transistor, dessen Emitter von der Basiszone, dessen Basis von der Kollek­ torzone und dessen Kollektor von der in der zentralen Öffnung liegenden Substratschicht gebildet wird. Dieser pnp-Transistor führt den überschüssigen Basisstrom des npn-Transistors gegen Masse ab und sorgt somit für eine schnelle Schaltzeit.

Aus der US-PS 3,602,779 ist eine Transistorstruktur be­ kannt, die eine ringförmige, vergrabene Schicht auf­ weist. Die vergrabene Schicht dient zur Verminderung des Kollektorwiderstands und weist eine Öffnung auf, die unter der Basiszone angeordnet ist. Durch die Öff­ nung hindurch können von der Rückseite der Anordnung aus Dotierungsstoffe, die die Lebenszeit der Ladungs­ träger verkürzen, in die Kollektorzone diffundieren, ohne daß dabei der Kollektorwiderstand zunimmt.

Aus der FR-PS 1,507,377 ist es bekannt, ein Paar kom­ plementärer Transistoren in einer gemeinsamen Isolati­ onswanne anzuordnen. Die Basis des ersten Transistors und der Kollektor des zweiten Transistors werden dabei von einer gemeinsamen Halbleiterschicht gebildet. Der erste Transistor weist eine Emitterzone auf, die in die gemeinsame Basis/Kollektorzone eingelassen ist. Der Kollektor wird von einer ersten vergrabenen Schicht vom Leitungstyp des Substrats gebildet und ist über das Substrat mit einer Anschlußzone verbunden. Neben dem ersten vertikalen Transistor ist der zweite vertikale Transistor angeordnet. In der in die gemeinsame Basis/ Kollektorzone eingelassenen Basiszone ist die Emitter­ zone angeordnet. Zur Verminderung des Kollektorwider­ stands ist unter der Basiszone und der Kollektoran­ schlußzone eine zweite vergrabene Schicht angeordnet, die dem Leitungstyp des Substrats entgegengesetzt do­ tiert ist. Die gemeinsame Basis/Kollektoranschlußzone ist zwischen den beiden vertikalen Transistoren ange­ ordnet.

Aus der US-PS 4,027,180 ist eine Transistoranordnung mit einem vertikalen npn-Transistor bekannt, bei der ein parasitärer npn-Transistor dazu ausgenutzt wird, um die im Sättigungsbetrieb entstehenden, überflüssigen Ladungsträger zum Substrat hinabzuführen. Um den Kol­ lektorwiderstand des npn-Transistors zu vermindern, ist eine vergrabene Schicht vorgesehen, die jedoch, um den parasitären Transistor nicht in seiner Wirkung einzu­ schränken, nur teilweise in der Substratfläche unter der Basiszone angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art, die Ei­ genschaften des parasitären pnp-Transistors zu verbes­ sern. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen des Unteranspruchs.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispie­ len erläutert.

Die Fig. 1a und 1b zeigen Querschnitt und perspekti­ vische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Er­ findung; die Fig. 2a und 2b zeigen Querschnitt und perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine Halbleiteranordnung nach der Er­ findung als Teil einer integrierten Schaltungsanord­ nung. Der Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung der Fig. 1 besteht aus einem Substrat 1 vom p-Leitungstyp und einer epitaktischen Schicht 2, in der sich der ver­ tikale Schalttransistor befindet. Der npn-Schalttransi­ stor besteht aus der Emitterzone 3 vom n-Leitungstyp, der Basiszone 4 vom p-Leitungstyp und der Kollektorzone 5 vom n-Leitungstyp. Die Emitterzone 3 des npn-Transi­ stors weist aus Flächeneinsparungsgründen einen recht­ eckförmigen Querschnitt auf, der so klein ist, daß ge­ rade noch das Kontaktierungsfenster zur Kontaktierung der Emitterzone Platz hat. Der npn-Schalttransistor hat eine buried layer 7 vom n-Leitungstyp (vergrabene Schicht), die zum nieder­ ohmigen Anschluß der Kollektorzone 5 des npn-Transi­ stors dient. Die buried layer 7 liegt parallel zur Halbleiteroberfläche. Die buried layer 7 wird vor dem Aufbringen der epitaktischen Schicht 2 in das Substrat 1 eingebracht. Dies geschieht beispielsweise durch Dif­ fusion oder durch Ionenimplantation. Ebenfalls zum nie­ derohmigen Anschluß der Kollektorzone des npn-Transi­ stors dient die Halbleiterzone 8 vom n-Leitungstyp, die von der Halbleiteroberfläche aus bis zur buried layer 7 verläuft. Der npn-Transistor ist von anderen, in der Fig. 1 nicht dargestellten, Bauelementen durch die Se­ parationszone 9 vom p-Leitungstyp separiert.

Ein vertikaler pnp-Transistor wird durch Halbleiterzo­ nen des npn-Transistors sowie durch das Substrat 1 ge­ bildet. Die Emitterzone des pnp-Transistors wird gebil­ det durch die Basiszone 4 des npn-Transistors, die Ba­ siszone des pnp-Transistors wird gebildet durch die Kollektorzone 5 des npn-Transistors und die Kollektor­ zone des pnp-Transistors wird durch das Substrat 1 ge­ bildet.

Es ist eine weitere buried layer 11 vorgesehen, die den p-Leitungstyp aufweist und dazu dient, die Basisweite des vertikalen pnp-Transistors zu reduzieren und da­ durch die Verstärkung des pnp-Transistors weiter zu er­ höhen. Dies erfordert, daß sich die buried layer 11 in die Basiszone 5 des pnp-Transistors erstreckt. Die buried layer 11 ist mit der Separationszone 9 verbun­ den. Durch die Verbindung bilden die buried layer 11 und die Separationszone 9 den Kollektoranschluß des vertikalen pnp-Transistors. Wegen des Vorhandenseins der zweiten buried layer 11 ist die erste buried layer 7 nicht ringförmig ausgebildet, sondern erstreckt sich nur vom Kollektor-deep-Anschluß 8 bis unter die Emit­ terzone 3 des npn-Transistors.

Der pnp-Transistor wird mit zunehmender Sättigung des npn-Transistors durchgeschaltet und führt im durchge­ schalteten Zustand Ladungsträger von der Basiszone des npn-Transistors zum Substrat 1 ab. Dies ist dann der Fall, wenn das Kollektorpotential des npn-Transistors in die Sättigung kommt und damit das Uce des npn-Tran­ sistors gegen Null geht, weil dann die Basis-Emitter­ strecke des pnp-Transistors durchgeschaltet wird und der überschüssige Basisstrom des npn-Transistors über den pnp-Transistor in das Substrat 1 abfließen kann. Dieser Effekt ist umso größer, je besser die Transi­ storeigenschaften des pnp-Transistors sind.

Die Anordnung weist zusätzlich noch eine Halbleiterzone 12 vom p-Leitungstyp auf, die als Kollektor eines par­ allel zum vertikalen pnp-Transistors geschalteten Late­ raltransistors wirksam ist, dessen Basiszone die Kol­ lektorzone 5 des npn-Transistors und dessen Emitterzone die Basiszone 4 des npn-Transistors ist.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von der Anordnung der Fig. 1 da­ durch unterscheidet, daß die Zuführung des Basisstromes für den npn-Transistor nicht in üblicher Weise dadurch erfolgt, daß die Zuleitung 13 für die Basiszone unmit­ telbar an einer Basiselektrode angeschlossen ist, son­ dern die Basiszuleitung 13 kontaktiert bei der Anord­ nung der Fig. 2 eine zusätzlich im Halbleiterkörper vorhandene Hilfszone 14 vom p-Leitungstyp, die über eine (ebenfalls zusätzliche) Widerstandszone 15 vom p- Leitungstyp mit der Basiszone 4 des npn-Transistors verbunden ist. Die Widerstandszone 15 kann im gleichen Verfahrensschritt wie die Basiszone 4 und die Hilfszone 14 oder gesondert, beispielsweise durch Implantation, hergestellt werden. Die gesonderte Herstellung der Wi­ derstandszone 15 bietet die Möglichkeit, die Wider­ standszone 15 besonders hochohmig auszubilden, eine Maßnahme, durch die Platz gespart werden kann. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand 15 bewirkt, daß der Antisättigungs-pnp-Transisistor - dessen Emitter jetzt durch die Hilfszone 14 gebildet wird - noch frü­ her aktiviert wird.

Claims (2)

1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat (1) und mit einem in einer auf dem Substrat angeordneten epitaktischen Schicht (2) aufgebauten, von einer Sepa­ rationszone (9) umgebenen, vertikalen npn-Planartransi­ stor mit einer ersten vergrabenen Schicht (7) vom n- Leitungstyp zur Kollektorkontaktierung, die zwischen Substrat (1) und der epitaktischen Schicht (2) liegt, und einem sich aus diesem Aufbau bildenden vertikalen parasitären pnp-Transistor, dessen Emitter von der Basiszone (4) des npn-Transistors, dessen Kollektor vom Substrat (1) und dessen Basis von der Kollektorzone (5) des npn-Transistors gebildet wird und der bei Sättigung des npn-Transistors Ladungen von dessen Basiszone (4) in das Substrat (1) abführt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Verhaltens des parasitären pnp-Transistors eine zweite vergrabene Schicht (11) vom p-Leitungstyp vorgesehen ist, die mit der Separations­ zone (9) verbunden ist und die sich derartig in die Basiszone (5) des parasitären pnp-Transistors er­ streckt, daß die erste vergrabene Schicht (7) nur von einer Kollektoranschlußzone (8) bis unter die Emitter­ zone (3) des npn-Transistors reicht.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Halbleiterzone (12) vorgesehen ist, die den Kollektor eines parallel zum vertikalen parasi­ tären pnp-Transistor geschalteten lateralen pnp-Transi­ stor bildet, dessen Basiszone von der Kollektorzone (5) des npn-Transistors und dessen Emitterzone von der Ba­ siszone (4) des npn-Transistors gebildet wird.