SE424028B - Sammansatt halvledaranordning for en integrerad hogspenningskrets - Google Patents

Description

25 30 35 40 8005704-5 Därefter avsättes ett dielektriskt skikt, exempelvis av kísel- dioxid, på den spårförsedda.ytan så att ett tunt men fullständigt dielektriskt skikt bildas på ytan. Det dielektriska skiktets yta förses med ett stödskikt, vars yta utföres plan. För sistnämnda 'skikt utgör polykristallin kisel ett föredraget material, efter- som det har samma temperaturutvidgningsegenskaper som enkristal- lin kisel och eftersom det kan göras ledande. Därefter vändes halvledarkroppen, varefter halvledarmaterial avlägsnas från den motsatta huvudytan i tillräcklig grad för att spårens bottnar skall nås. Härigenom uppkommer en grupp isolerade halvledarfickor med en gemensam plan yta lämplig för ledningsmönster som förbin- der de i de isolerade fickorna bildade elementen med varandra.

Det är emellertid förenat med problem att åstadkomma använd- bara komplementära transistorer för hög spänning i den ovan be- skrivna, dielektriskt isolerade, integrerade formen. I den ameri- kanska patentskriften 5 895 392 beskrives en dielektriskt isole- rad, integrerad halvledarkrets med komplementära transistorer i separat isolerade fickor. Det i nyssnämnda patentskrift arrange- manget är emellertid olämpligt för switchkretsar avsedda för hög spänning. Speciellt gäller att halvledarmaterialet i de isolerade fickorna måste ha hög resistivitet för att spänningsgenombrott skall undvikas vid höga arbetsspänningar. Närmare bestämt är samtliga fickor utförda av samma halvledarmaterial, i det aktu- ella fallet den ursprungliga enkristallen. Således uppvisar alla halvledarfickor samma ledningstyp och samma störämnesfördelning.

Att åstadkomma material av olika ledningstyp i olika fickor er- fordrar för närvarande komplicerade och dyrbara tillverknings- steg. ' .

Till följd av nödvändigheten att undvika genombrott vid hög- re spänningar är det dessutom inte önskvärt att det finns inbäd- dade zoner av högkonduktivt material i fickorna, även om dylika zoner i vissa fall skulle förbättra rransistorornas egenskaper.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är således att till- handahålla dielektriskt isolerade, komplementära transistorer med mycket hög spänningstålighet, i vilka emitter-, bas- och kollektoromrâdena samtliga skall ligga invid huvudytan.

En utföringsform av uppfinningen utgöres av en sammansatt halvledaranordning för en integrerad krets, vilken anordning är försedd med ett flertal fickor bestående av halvledarmaterial och dielektriskt isolerade från varandra medelst ett av isolerande 10 15 20 25 30 35 40 18005704-s material bestående skikt som är beläget under och vid sidorna av respektive ficka, varjämte alla fickor har en yta i ett gemen- samt plan och uppbäres av ett av halvledarmaterial bestående skikt. Varje ficka utgöres av ett skikt enkristallint halvledar- 'material av en första ledningstyp med relativt hög resístivitet och i huvudsak líkformig störämnesfördelning. En av fickorna in- nehåller en PNP-transistor och en annan ficka en NPN-transistor.

Båda dessa transistorer bildas av enbart ytangränsande halvledar- zoner som bildar emitter-, bas- och kollektoromrâdena.

Den ena transistorn uppvisar en bas med två ledningstypzo- ner, där det lätt dopade materialet i fickan utgör en förlängning av det kraftigare dopade partiet, varvid bas-kollektorövergången befinner sig vid det högkonduktiva kollektorområdets gräns. I den andra transistorn bildas kollektorn av två ledningstypzoner, var- vid bas-kollektorövergàngen befinner sig vid gränsen för det hög- konduktiva basområdet (i stället för kollektorområdet).

Båda transístorerna är till sin natur laterala transistorer med möjlighet till både lateralt och vertikalt strömflöde i vari- erande proportioner beroende på de påtvingade arbetstíllstånden.

Av betydelse för båda transistorernas uppförande är förefintlig- heten av en potential i det av halvledarmaterial bestående skik- tet under fickorna. Denna potential har den verkan, att en större eller mindre laddning induceras i det under fickan liggande iso- lerande skiktet, varvid denna laddning i beroende.av sin polari- tet kommer att attrahera eller repellera injicerade minoritets- bärare. En hög substratpotential av endera polariteten kommer att framhäva förstärkningskomprimeringen i parets ena transistor, under det att den reduceras i motsvarande grad i den andra tran- sistorn.

Uppfinningen beskrivas närmare nedan i form av ett i den bi- fogade ritningen visat utföringsexempel. Pig. 1 är en planvy av en integrerad halvledarbricka försedd med två dielektriskt iso- lerade fickor som i enlighet med uppfinningen innehåller komple- mentära transístorer. Pig. 2 utgör ett snitt genom den i fig. 1 visade brickan. Pig. 3 och Q är tvärsnittsvyer av de båda komple- mentära transistorerna, varvid vardera figuren visar typiska ekvipotentiallinjer alstrade i vardera anordníngen vid ett visst driftsätt.

Pig. I och 2 visar i planvy resp. i snitt en del 10 av en integrerad halvledarkrets, som innefattar dielektriskt isolerade 10 15 20 25 30 35 40 8005704-5 fickor 12 och 14. Där så är möjligt, används samma hänvisnings- beteckningar i fig. 1 och 2 för.att ange samma detaljer. Såsom är uppenbart för fackmannen, är figurerna inte skalenliga och är speciellt förvrängda till följd av att de vertikala dimensionerna 'överdrivíts i förhållande till de horisontella dimensionerna.

Vid en speciell utföringsform är fickorna 12 och 14 utförda av högresistiv, enkristallin kisel med resistivitet inom området 75- till 300 ohmcm. Detta material är svagt P~1edande, vilket beteck- nas med symbolen ïf. Fickorna 12 och 14 uppbäres av ett underlag 11 av polykristallin kisel och är elektriskt isolerade medelst av kiseldioxid bestående skikt 13 resp. 15. _Resistivitetsområdet mellan 75 och 300 ohmcm är speciellt fördelaktigt för anordningar utförda för en genombrottsspänning av cirka 500 V. I anordningar utförda för andra spänningar kan det högresistiva P-ledande materialet ha en resistivitet inom ett område som sträcker sig från ett lägsta värde av 10 ohmcm upp till det maximalt möjliga värdet, f.n. 10 000 ohmcm.

Ett förfarande för àstadkommande av denna dielektriskt iso- lerade struktur inbegriper att man utgår från en enkristallin kiselskiva med ovannämnda höga rcsistívitet, vilken kommer att utgöra fickorna 12 och 14. Vid en speciell utföringsform har det- ta utgångsmaterial en likformig störämnesfördelníng om cirka 5-50” ohmcm. Skivan maskeras på ena sidan i och för definiering av de områden som slutligen kommer att bilda de isolerade fickornas 12 och 14 bottenytor. Den maskerade ytan behandlas därefter med ett atomer/cm3 svarande mot en nominell resistivitet på 200 anisotropt etsmedel, som alstrar mesaområden omgivna av V-formade rännor. Denna anisotropa process kan genomföras under användning av kristallint material med ytor i (100)-planet och med hydroxid- lösningar som etsmedel. De V-formade rännorna alstras som följd av den olika angreppshastigheten på kristallens (100)- och (111)- plan och ger upphov till väggar med en approximatív vinkel på 57,50 till ytans plan, såsom är välkänt exempelvis från ameri- kanska patentskriften 3 765 969.

Efter det att rännorna bildats, åstndkommes en kiseldioxid- film på skivans etsade yta, som nu utgöres av en grupp mesaområ- den definierade av rännätet. Detta oxídskikts tjocklek ligger mellan cirka 1,5 pm och cirka S pm och uppgår vid denna speciel- la utföringsform till 3,5 Pm. Under nästa steg utfälles medelst förångning polykristallin kisel på den oxidöverdragna ytan i 10 15 20 25 30 35 40 s 8Û05704~5 syfte att fylla rännorna och åstadkomma en lämplig bärmatris.

Vid en speciell utföringsform var det polykristallinu skiktet 11 N-ledande och hade en resistivitet av storleksordningen 100 Mmmm.

Efter det att den polykristallina ytan gjorts plan och parallell .med den enkristallina ytan, sker slutligen avlägsnande - på ke- misk eller mekanisk väg eller genom kombination av dessa båda sätt - av enkristallint material från skivans andra sida med till- räckligt djup för att rännornas bottnar eller spetsar skall pas- seras. Den härvid uppkomna konstruktionen har det allmänna utse- ende som visas i fig. 2 innan transistorerna åstadkommits i de isolerade fickorna genom bildning av zoner av olika ledningstyp.

I den till höger i fig. 1 och 2 visade fickan 12 - se härvid speciellt fíg. 2 - åstadkommes en PNP-transístor, i vilken ingår ett N-ledande basområde 16 beläget i del av kollektorn. Området 19 utgör en P-ledande emitter inom basomrädet 16. Det N+-ledande området 18 är en högkonduktiv zon Wflzonen 12, som utgör en för kontaktering av basområdet 16. Pâ liknande sätt utgör det högkonduktiva P-ledande området 17 en högkonduktiv del av kollek- torn. Metallkontakter 28, 29 och 30 bildar PNP-transistorns bas-, emitter- resp. kollektorelektroder.

I NPN-transistorn i den till vänster belägna fickan 14 utgör pä motsvarande sätt området 20 den P-ledande basen, som är för- sedd med den högkonduktiva kontaktzonen 22. Områdena 23 och 21 bildar de N-ledande emitter- resp. kollektorområdena. I denna transistor utgör fickans 14 D"-zon en lätt dopad förlängning av basen. Metallkontakterna 25, 26 och 27 bildar elektroderna för basen, omittern resp. kollektornq _ Vid den till höger i fig. 1 liggande PNP-transistorn anger den streckade konturen 16 basområdets utsträckning, den strecka- de konturen 19 emitterområdets utsträckning samt konturen 17 det lågresístiva kollektoromràdet. Den streckade konturen 18 anger basområdets 16 lågresistiva kontaktzon. Bas-, emitter- och kol- lektorelektroderna anges medelst de heldragna linjerna 28, 29 so. g Pâ'motsvarande sätt gäller för den till vänster liggande NPN-transistorn att konturen 20 anger basområdet, konturen 23 emitterområdet och konturen 21 kollektorområdet. ger den P+-ledande baskontaktzonen. De heldragna linjerna 25, resp.

Konturen 22 an- 26 och 27 indikerar bas-, emitter- resp. knlloktoroloktrodcrnn.

Lågresistiv kontakt till det polykristallina skíktet 11 -8005704-5 6 åstadkommes medelst det högkonduktiva N-ledande området 31, som är försett med metallelektroden 32.

Andra detaljer av betydelse vid denna utföringsform hänför sig till det topografiska arrangemanget av de invid ytan belägna 'områdena inom vardera av de isolerade halvledarfickorna. Det la- terala avståndet mellan gränsen av en ficka och kanten av en dif- funderad zon i denna ficka uppgår minst till cirka 45 Pm. Metall- elektroderna ligger ovanpå den oxid som omger de kontaktade om- rådena och sträcker sig ungefär 20 pm bortom den täckta PN-över- gången och åstadkommer därigenom en "fältplatteffekt" som höjer övergångens genombrottsspänning.Avståndet mellan emitter- och basområdenas närmast varandra liggande gränspartier är minst 10 Pm och mellan emitter- och kollektorområdenas närmast varandra liggande gränspartier 40 pm. Anordningens övre yta täcks av en passiverande film, exempelvis 2-6 pm tjock kiseldioxid. Denna film förhindrar inducerade spänningsgenombrott i den underliggan- de kiseln, något som eljest skulle kunna uppträda till följd av ovanpå kiseln liggande mellanförbindningar. Vid en viss utförings- form uppgår fickornas 12 och 14 tjocklek till mellan cirka 30 och 50 pm. Emellertid kan fickornas djup även ligga utanför dessa värden, nämligen från ett minimidjup på cirka 10 pm upp till ett maxímidjup som bestämmes av att det inte får vara ekonomiskt ogynnsamt.

Vid ett speciellt förfarande för framställning av dessa an- ordningar bildas först NPN-transistorns P-ledande basomrâde 20 15 atomer/cmz vid genom jonimplantation av bor med dosen_1,6~10 30 keV. Det P-ledande basområdet har ett djup mellan ungefär 2 och 6 pm, som avpassas gengm värmebehandling så att den slutgil- tiga basbredden är minst 1 Pm.

PNP-transistorns N-ledande basområde 16, som likaledes har ett djup liggande mellan 2 och 6 pm, bildas genom jonimplanta- tion av fosfor med dosen 1-1015 atomer/cmz vid 30 keV. Ytresisti- viteten hos detta N-ledande basområde uppgår till approximativt 30 ohm/kvadrat. Härnäst bildas PNP-transistorns P-ledande områ- den 17 och 19 samt NPN-transistorns P-ledande område 22 genom maskerad förutfällning av bor under användning av bornitrid- och boroxidkällor. Dessa områden är grunda, vanligen mellan 1 och 4 Pm, och har en ytresistivitet på omkring 13 ohm/kvadrat. Slut- ligen utföres NPN~transístorns N-ledande emitter- och kollektor- områden 23 och 21, PNP-transistorns N-ledande område 18 samt den 10 15 20 25 30 35 40 8005704-5 N-ledande kontaktzonen 31 till det polykrístallina skiktet 11 under utnyttjande av fosforoxíkloríd-förutfällning och indriv- nings-värmebehandling, även i detta fall till ett djup mellan 1 och 4 pm. Den uppnådda ytresístíviteten uppgår till cirka 4 ohm/ 'kvadrat. Av ovanstående framgår, att de P- och N-ledande områdena i dessa båda transístorer samtliga är ytangränsande områden med ett djup mindre än eller lika med ungefär 6 Fm mätt från anord- níngens yta.

Funktionen av det komplementära transistorparet kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 3 och 4, vilka visar PNP-transistorn resp. NPN-transistorn. Där så är möjligt, används samma hänvisningsbeteckningar som i fig. 1 och 2 för motsvarande element i fig. 3 och 4. Elektroden 32 och den N-ledande, för kon- taktering av substratet avsedda zonen 31 visas såväl i fig. 3 som i fig. 4 för att antyda att den på substratet påtryckta poten- tialen är styrd under anordningens drift.

De streckade linjerna 49-55 i fig. 3 och de streckade linjer- na 61-66 í fig. 4 representerar ekvipotcntiallinjer uppkomna un- der drift av de båda transistorerna under normala förspännings- förhållanden och med relativt hög positiv förspänníng pâtryckt på substratet. Den laddningsbärarström som är av intresse är den ström som passerar genmn øfizonen 12 eller 14. Laddningsbärar- strömmen tenderar att följa flödeslinjer som i huvudsak är vinkel- räta mot ekvipotentiallinjerna. Det inses att de i fig. 3 och 4 visade ekvípotentiallinjerna representerar tvärsnitt av plan el- ler envelopper, och att linjerna idealt ligger på samma inbördes avstånd men att de till följd av ritningsskaledistorsionen inte förefaller göra detta." I den i fig. 3 visade PNP-transistorn kommer de från emit- terområdet 19 till basområdet 16 injíderade laddningshürarnn, i detta fall hål, att driva genom kollektorns lätt dopade Wßzon och därefter nå det mer konduktiva P-ledande omrâdet 17. Under dessa förhållanden är strömflödet till stor del lateralt till följd av att substratpotentíalen inducerar en positiv laddning í substratet 11, vilken tenderar att stöta bort laddníngsbärare i form av hål. Hål, som är ínjicerade så att de passerar vinkelrätt mot de övre gränserna hos linjernas 51 och 52 "tâpartier" repel- leras vanligen av den i substratet inducerade laddningen så att de driver över 2?-zonen 12 och upp till det P-ledande området 17.

I den i fig. 4 visade NPN-transistorn kommer å andra sidan 10 15 20 25 8005704-5 de från emitterområdet 23 injicerade elektronerna att attraheras av substratets positiva laddning. Huvuddelen av laddningsbärar- strömmen utgöres av ett flöde ner mot fickans botten samt däref- ter utmed oxidskíktet till närheten av ytan samt därefter i tvär- led till det N-ledande kollektoromrädet 21. ..0m substratpotentialen ändras till ett högt negativt värde, kommer arrangemanget av ekvipotentialytor i huvudsak att byta plats mellan de båda transistorerna så att strömflödet propor- tionsvis blir mer lateralt i NPN-transistorn och mindre lateralt, mer vertikalt i PNP-transistorn. Eftersom emellertid den induce- rade laddningen i substratet 11 nu är negativ, kommer injicerade hål att attraheras mot fickans botten i PNP-transistorn och såle- des röra sig utefter oxidskiktet till kollektorområdet 17. Ström- flödet tenderar därför att proportionsvis bli mer vertikalt och mindre lateralt. I NPN-transistorn kommer de injicerade elektro- nerna att repelleras av den inducerade laddningen, och den ten- dens till lateralt flöde som redan förefinns.till följd av ekvi- potentiallinjerna kommer att förstärkas, under det att en propor- tionsvis reducering sker av det vertikala flödet.

Vid en alternativ utföringsform av uppfinningen kan materia- let i fickorna utgöras av högresistiv N-ledande kisel benämnd' V-material.

Vid denna alternativa utföringsform kommer likaledes pâ- tryckning av hög negativ potential på substratet att förorsaka en modifiering av kombinationen av lateralt och vertikalt ström- flöde i det komplementära transistorparet. Sålunda kan de kom- plementära transistorparen utformas och drivas så att optimering sker av vissa önskade funktionsegenskaper. __--__-___..--

Claims (3)

8005704-5 Patentkrav

1. Sammansatt halvledaranordning (10) för en integrerad hög- spänningskrets, vilken anordning är försedd med ett flertal fickor (12, 14) bestående av enkristallint halvledarmaterial av en första ledningstyp och isolerade från varandra av ett av isolerande mate- rial bestående skikt (13, 15), som är beläget under och vid sidor- na av respektive ficka, varjämte fickorna är uppburna av ett av polykristallint halvledarmaterial bestående skikt (11) och vardera har en yta belägen i ett gemensamt plan hos anordningen, k ä n n e t e c k n a d av att en första ficka (12) innehåller en PNWP- eller PNOP-transistor och en andra ficka (14) en NPWN- eller fNPVN-transístor, samt av att fickornas halvledarmaterial har en resístivitet mellan cirka 75 ohmcm och cirka 300 ohmcm.»

2. Halvledaranordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att halvledarmaterialfickorna (12, 14) har ett djup från den gemensamma plana ytan uppgående till mellan cirka 30 pm och 50 pm, samt av att det isolerade skiktet (13, 15) utgöres av kisel- dioxíd och har en tjocklek mellan cirka 1,5 pm och 5 pm.

3. Halvledaranordning enligt kravet 2, k ä n n e t e c k- n a d av att det polykristallina kiselskiktet (11) har en resisti- vitet av storleksordningen 100 ohmcm. --~_-_~----__