DE2823629C2

DE2823629C2 - Planar-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2823629C2
Application number: DE19782823629
Authority: DE
Inventors: Paolo Dr. Milano Carmina; Mario Dr. Valeggio sul Mincio Verona Foroni; Vincenzo Dr. Adrese Milano Prestileo
Original assignee: SGS-ATES COMPONENTI ELETTRONICI SpA 20041 AGRATE BRIANZA MILANO IT
Current assignee: SGS-ATES COMPONENTI ELETTRONICI SpA 20041 AGRATE BRIANZA MILANO IT
Priority date: 1977-05-30
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1982-12-02
Also published as: FR2393423B1; FR2393423A1; DE2823629A1; GB1569726A; IT1085486B

Description

JO

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Die Erfindung betrifft eine ^lanar-Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Halbleitervorrichtung n^; diesen Merkmalen ist aus der US-PS 33 02 067 bekannt.

Es ist bekannt, daß ein in Sperrichtung gepolter pn-Übergang nur in vernachlässigbar geringem Maße von Strom durchflossen wird. Wenn jedoch die angelegte Spannung einen bestimmten Wert erreicht, -»o nämlich die Lawinendurchbruchspannung, fließt durch den Übergang plötzlich ein hoher Strom. Dieser Wert hängt hauptsächlich von der Dotierstoff-Konzentration in den Zonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit ab, aus denen der Übergang gebildet wird, weil davon die -t-¹ Breite der Schicht ohne bewegliche Ladungsträger (Sperrschicht) abhängt, die sich beiderseits des Übergangs bildet, wenn der Übergang in Sperrichtung gepolt wird. Die festen Ladungsträger der Sperrschicht, die in der η-Zone positiv sind und in der p-Zone negativ, bestimmen über den Übergang hinweg ein elektrisches Feld, dessen Stärke mit der angelegten Spannung zunimmi, bis zu einem Wert, bei dem der Lawinendurchbruch am Übergang erfolgt. Man hat festgestellt, daß die Verteilung der festen Ladungsträger in der Nähe der Schnittlinie zwischen dem pn-Übergang und der Oberfläche des Halbleiters durch äußere Ladungen verändert wird, die in unmittelbarer Nähe der Oberfläche vorhanden sein können. Diese Erscheinung ist besonders ausgeprägt bei planaren Übergängen, d. h. bei Übergängen, welche die Oberfläche des Halbleiters in einer Ebene schneiden. Störende Ladungen sind zum Beispiel in sehr geringer, aber nicht immer vernachlässigbarer Menge in der Isolierschicht vorhanden, die die Oberfläche des Halbleiters bedeckt. Sie wirken sich in der Form aus, daß sie die Oberfläche der Sperrschicht verengen und folglich die Lawinendurchbruchspannung herabsetzen oder jedenfalls das Verhalten des in

60 Sperrichtung gepolten Übergangs verändern.

Wenn die äußeren Ladungen auf das Vorhandensein eines mit einem Potential beaufschlagten metallischen 1057 Ladungsträger in der Sperrschicht auf verschiedene Arten verändert, je nach Richtung und Stärke des Potentials. Diese Erscheinung läßt sich zwar bei der Konstruktion bestimmter Halbleitervorrichtungen, z. B. bei integrierten Schaltkreisen in MIS-Technik, positiv verwerten, führt jedoch bei anderen Halbleiter-Vorrichtungen, z. B. bei monolithisch integrierten Schaltungen in Planartechnik mit bipolaren Komponenten, zu unerwünschten Auswirkungen. Bei diesen ist es unvermeidlich, daß die meisten der zur Verbindung der verschiedenen Komponenten dienenden Metallstreifen auf der Isolierschicht, mit der die Oberfläche des Halbleiters überzogen ist, mindestens über einen pn-Übergang gehen und in mehr oder weniger spürbarem Maß die Verteilung der Ladungsträger an der Oberfläche des Halbleiters und damit die elekrischen Kennwerte der pn-Übergänge verändern. Der störende Effekt der mit Potential beaufschlagten Verbindungsstreifen erhöht sich, wenn die Temperatur der Halbleitervorrichtung im Verlauf des Betriebs auf relativ hohe Werte (100— 150⁰C) steigt. Bei diesen Temperaturen kommt es zu einer Leitfähigkeit der Oberfläche der Isolierschicht, was dazu führt, daß die wirksamen Abmessungen der Metallstreifen größer werden als deren tatsächliche Abmessungen. In diesem Fall kann natürlich die störende Wirkung auf den Übergang auch durch Verbindungsstreifen hervorgerufen werden, d;c die Schnittlinie des Übergangs nicht tatsächlich kreuzen, aber sehr nahe daran vorbeigehen. In manchen Fällen kann ferner die Wanderung von Ladungsträgern in der Isolierschicht auch durch eine Potentialdifferenz zwischen Oberflächen verschiedener Zonen des Halbleiters verursacht werden.

Aus der US-PS 39 61 3.58 und aus der bereits genannten US-PS 33 02 067 ist es nun bekannt, über der Schnittlinie des pn-Übergangs mit der Oberfläche der Halbleitervorrichtung auf der die Halbleiteroberfläche bedeckenden Isolierschicht eine elektrisch leitende Abschirmung anzubringen, und zwar dadurch, daß eine Kontaktierungsmetallisierung für die eine der am pn-Übergang beteiligten Zonen über der Isolierschicht bis über diese Schnittlinie des pn-Übergangs geführt wird. Damit ist einerseits eine Abschirmung gegenüber äußeren elektrostatischen Feldern möglich und werden andererseits in der Isolierschicht befindliche Ladungsträger entaktiviert, die ohne eine solche Abschirmung in Folge der dann vorhandenen Streufelder über der Schnittlinie des pn-Übergangs in störender Weise aktiviert werden könnten. Diese Abschirmung ist aber nur dann voll wirksam, wenn sie die Schnittlinie zwischen Halbleiteroberfläche und pn-Übergang in deren ganzer Länge überdeckt. Diese Anforderung läßt sich ohne besondere Probleme bei solchen Halbleiterbauelementen erfüllen, bei denen auf die metallischen Kontaktierungsschichten Zuleitungsdrähte aufgeschweißt sind, die praktisch senkrecht von der Oberfläche der Halbleitervorrichtung abgehen. Probleme treten jedoch auf, wenn die metallischen Kontaktierungsschichten Teile von metallischen Zuleitungsstreifen sind, die über die Oberfläche des Halbleiterbauelementes geführt werden, wie dies insbesondere bei integrierten Schaltungen der Fall ist. Um in diesem Fall Leiterbahnen an Halbleiterzonen heranführen zu können, die innerhalb einer geschlossenen Schnittlinie eines pn-Übergangs liegen, muß man entweder doch die

Abschirmung dieses pi.-Übergangs, an derjenigen Stelle unterbrechen, an welcher die Verbindungszuleitung die Schnittlinie des pn-Übergangs mit der Halbleiteroberfläche kreuzt, oder man muß sich einer Meiin.chichi verdrahtung bedienen mit der damit vt, bundenen Kostenerhöhung und Verkomplizierung der Halbleitervorrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Planar-Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs \ so weiterzubilden, daß eine durch die Abschirmung bedingte zusätzliche Verdrahtungsebene nicht eK..-.rikrfich ist Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann dem Anspruch 2 gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.

Dadurch, daß die Abschirmung in die Isolierschicht eingebettet ist, kann man den gesamten Oberflächenteil des pn-Übergangs rundum abschirmen, ohne daß dabei irgendwelche Schwierigkeiten auftreten würden, mittels einer normalen Einschichtverdrahtungsmethode an alle innerhalb des abgeschirmten pn-Übergangs liegenden Zonen Kontaktierungszuleitungen heranzuführen. Da die Abschirmung aus polykristallinem Silizium besteht, treten keinerlei Schwierigkeiten bei einer vergütenden Erhitzung der Halbleitervorrichtung auf üblicherweise 800⁰C auf. Da die Abschirmung in die isolierschicht eingebettet ist, wobei der zwischen der Halbleiteroberfläche und der Unterseite der Abschirmung verbleibende Teil der Isolierschicht ziemlich dünn sein kann, weil die Abschirmung nicht mit einer Spannung beaufschlagt werden kann, ist eine nahezu vollständige Abschirmung gegenüber in der Isolierschicht enthaltenen Ladungen erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 und 2 vergrößerte Teilquerschnitte durch Halbleitervorrichtungen mit einem planaren pn-Übergang;

Fig.3 eine Kennlinie des in Fig.2 dargestellten pn-Übergangs;

Fig.4 einen vergrößerten Querschnitt durch eine integrierte Halbleitervorrichtung mit einem erfindungsgemäß abgeschirmten planaren pn-Übergang.

In Fig. 1 weist ein Substrat 10 aus monokristallinem halbleitendem Material, z. B. Silizium, das η-dotiert ist, ein p-leitendens Gebiet 12 auf, das mit den üblichen Masken- und Diffusionsverfahren erzeugt ist und mit dem η-leitenden. Substratbereich einen planaren pnübergang 14 bildet. Die Oberfläche 15 des Halbleiters ist mit einer Schicht 16 aus isolierendem Material überzogen, vorzugsweise Siliziumdioxid. Wenn der pn-Übergang durch entsprechende Verbindungen, die nicht dargestellt sind, in Sperrichtung gepolt wird, bildet sich eine Sperrschicht, die sich größtenteils in das weniger dotierte Gebiet hinein erstreckt, und zwar im gezeigten Fall in das η-leitende Gebiet, und deren Grenzen sich im allgemeinen durch Flächen, die zum Übergang parallel sind, bestimmen lassen, wie es in Fi g. 1 mit den gestrichelten Linien 18 gezeigt ist. In der Praxis werden jedoch Breite und Form der Sperrschicht in der Nähe der Oberfläche aus vielerlei Gründen verändert, z. B. aufgrund der Oberflächenverformung des Kristallgitters, durch Ionen- und Molekularladungen in der Isolierschicht 16 und durch Konzentrationen äußerer Ladungsträger irgendwelcher anderen Art; deshalb ist der Verlauf der Linie 18, insbesondere in der Nahe der Oberfläche !5, nur als ungefähre Aufgabe anzusehen.

In Fig.:^: iss eine Struktur dargestellt, die sich von der in F i g. 1 gezeigten nur dadurch unterscheidet, daß ein Metallstreifen 20 vorhande· ist, öer sich auf der Isolierschicht 16 oberhalb der Schnittlinie zwischen dem pn-übergang 14 und der Oberfläche 15 des Halbleiters befindet. Nehmen wir nun an, der pn-Übergang sei in Spc!iichtunp gepoU und an dem Metallstreifen 30 fege eine Spannung mit gleichem Vorzeichen vie es die an das η-leitende Gebiet angelegte Spannung aufweist

ίο Wie man experimentell und theoretisch beweisen kann, führen die positiven Ladungen der metallischen Schicht in der Nähe der Oberfläche des n-iehenden Maierials zur Bildung einer Zone mit einem Eiektronenüberschuß, genannt Anreicherungskanal, und in der Nähe der Oberfläche des p-leitenden Materials zur Bildung einer Zone mit einem Mangel an Löchern, genannt Verarmungskanal. Bei einem bestimmten Wert der Spannung am Metallstreifen 20 wird die Breite der Sperrschicht nahe der Oberfläche erheblich verringert, wie es in F i g. 2 mit den gestrichelten Linien 22 gezeigt ist Die Sperrkennlinie / = f(V) der vom pn-Übergang in F i g. 2 gebildeten Diode hat den in F i ·_α. S dargestellten Verlauf. Bei einem bestimmten Wert der Spannung B V\, der relativ niedrig ist, erfolgt ein lokaler Lawinendurch-

bruch in der Oberflächenzone des pn-Übergangs. Bei Erhöhung der Spannung in Sperrichtung wird in der betreffende Zone ein Zustand der Sättigung erreicht, dem ein Stromfluß I\ in Sperrichtung entspricht, bis es bei einer Spannung BV2 zu einem Lawinendurchbruch an dem Teil des Übergangs kommt, der sich im Inneren des Halbleiters befindet. In bestimmten Anwendungsbereichen sind die mit dem Durchbruch an der Oberfläche des Übergangs verbundenen Verluste nicht tragbar; deshalb greift man, wo dies möglich ist, zu einer elektrostatischen Abschirmung von der eingangs beschriebenen Art, die den gesamten Rand des pn-Übergangs überdeckt. Wie schon weiter oben bemerkt, ist dies im Fall einer monolithisch integrierten Schaltung in Planartechnik mit den üblichen Verfahren

4" nicht möglich. Es sei nun die in Fig.4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung betrachtet. Entsprechend herkömmlicher Technik enthält eine monolithisch integrierte Schaltung in Planartechnik, von der in Fig.4 ein Teil in einem vergrößerten Querschnitt

⁴^ dargestellt ist, ein p-leitendes Siliziumsubstrat 30, auf dem eine η-leitende Epitaxieschicht 32 gebildet ist. Diese ist in Gebiete unterteilt, die durch Isolierkanäle 34 (von denen in der Abbildung nur einer dargestellt ist) voneinander getrennt sind. Diese Isolierkanäle sind

so erzeugt worden durch Eindiffundieren von zu p-Leitfähigkeit führenden Dotierstoffen in die Epitaxieschicht 32 bis zur Erreichung des p-Ieitenden Gebiets des Substrats 30. Im Inneren der isolierten Gebiete werden die Komponenten der integrierten Schaltung mit Masken und Diffusionsverfahren gebildet. In F i g. 4 ist die Struktur eines npn-Transistors dargestellt, der als Kollektor einen Teil 36 der Epitaxieschicht 32 aufweist und als Basis ein p-leitendes Gebiet 38, das in das Kollektorgebiet einaiffundiert ist, sowie als Emitter ein η-leitendes Gebiet 40. das in das Basisgebiet eindiffundiert ist. Eine Schicht 42 aus Siliziumdioxid bedeckt die Oberfläche 44 des halbleitenden Materials, wobei nur drei Flächen 41, 43, 45 frei bleiben, und zwar für den Emitterkontakt E, den Basiskontakt B und den Kollektorkontakt C. Metallische Elemente, die z. B. mit dem üblichci; Verfahren des Aufdampfens im Vakuuin erzeugt werden und die mit 46, 48, 50 bezeichnet sind, durchdringen das Oxid bis zu den Kontaktflächen und

erstrecken sich oberhalb du von in Streifenforni bis hin zu anderen metallischen Elementen, die als elektrische Verbindungen in der integrierten Schaltung dienen. Vor der Bildung der metallischen Kontakte wird der Flächenwiderstand der Zone 47 unterhalb der Kontaktfläche des Kollektors durch Eindiffundieren von /π n-Leilfähigkeit führenden Dotiersioffcn verringert Diese angereicherte Zone ist mit dem Symbol N+ bzcichnet.

Wie in F i g. 4 zu sehen ist, verläuft der Kollektorstreifen 50 oberhalb des Isolierkanals 34. Da der Kollektor eines npn-Transistors normalerweise gegenüber dem Substrat mit einer positiven Spannung beaufschlagt wird, hätte der Isolationsübergang zwischen dem Kanal 34 und dem Kollektorgebiet 36 eine Sperrschicht ähnlich der in F i g. 2 mit gestrichelten Linien dargestellten. Zur Vermeidung der Veränderung der Sperrkennlinie des Übergangs, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist. ist gemäß der Erfindung eine elektrostatische Abschirmung 52 aus p-leitenden polykristallinem Silizium vorgesehen, von der sich ein Teil 54 im Kontakt mit dem Kanal 34 befindet und ein Teil 56 völlig in die Schicht aus Siliziumdioxid 42 eingebettet ist und den Rand des pn-Übergangs zwischen Kanal und Kollektor in seiner ganzen Länge überdeckt. Aufgrund der Abschirmung 52 weist die Sperrschicht des Übergangs in der Nähe der Oberfläche 44 eine Verbreiterung auf, wie die gestrichelten Linien 57 es zeigen; deshalb wird die Durchbruch-Spannung einzig und allein durch die physikalischen Eigenschaften des Materials bestimmt.

Die Abschirmung 52 wird im Anschluß an die Diffusionsphase des Isolierkanals 34 erzeugt, wenn die Oberfläche des Halbleiters von einer isolierenden Schicht aus Siliziumdioxid überzogen ist. die durch einen thermischen Wachstumsprozeß aufgebracht wird und in Fig.4 mit einer gestrichelten Linie 58 angedeutet ist. Nachdem man auf der Oberfläche des Kanals 34· eine Fläche 59 entsprechenden Ausmaßes freigeätzt hat. und zwar vorzugsweise auf seiner gesamten Länge, wird mit einem der üblichen Verfahren, z. P. Niederschlag bei ^J niedriger Temperatur in Gegenwart von Silari. eine Schicht aus polykristallinen! Silizium aufgebracht. Mit den üblichen Masken- und chemischen Ätzverfahren wird dann das polycristalline Silizium selektiv entfernt, um die Abschirmung 52 in der gewünschten Form zu erzielen. Im besonderen wird der Teil 56 so dimensioniert, daß er über das Kollektorgcbiet 36 hinausragt, und zwar so weit, daß er mindestens das gesamte Sperrschiehtgebict in semer größten möglichen Ausdehnung überdeckt. In anschließenden Bearbeitungsphascn (Diffusion der Basis und des Emitters) wird die Abschirmung 'ti ebenfalls mit einem -hermischen Wachstunisprozeß mit einer Schicht .Siliziumdioxid überzogen. In der Konstruktionsphase ist bei der Bestimmung der Dicke der aufzutragenden polykristallinen Schicht der Talsache Rechnung zu tragen, daß sich das Siliziumdioxid aus dem in der darunterliegenden Oberfläche enthaltenen Silizium bildet und deshalb eine Tendenz zur Reduzierung dei Αμμίιμ iMiiiig 52 /lcigi.

Bei der gezeigten und beschriebenen Ausführungsform wurde die störende Wirkung der in der Siliziumdioxidschicht 42 vorhandenen elektrostatischen Ladungen nicht berücksichtigt, da sie im Verhältnis zu der vom Metallstreifen 50 ausgehenden Störung vernachlässigbar gering ist: es ist jedoch klar, daß die Abschirmung 52 den Übergang auch vor diesen Ladungen schützt. Ihre Funktion würde sich auch nicht ändei-ii. wenn das Störfeld nicht von einem Metallstreifen herrührte, der oberhalb des Randes des Übergangs vorbei verläuft, sondern von auf der Isolierschicht ι induzierten Ladungen aufgrund thermischer Vorgänge auf der Oberfläche.

Es wurde zwar nur eine einzige Ausführungsform gezeigt und beschrieben. Es si.id jedoch weitere Ausführungsformen möpUf-h. /um Beispiel kann die Abschirmung 52 so ausgebildet werden, daß sie noch einen Teil — ähnlich dem Teil 56 — besitzt, der den anderen Übergang des Kanals überragt, falls dieser auch vor den Auswirkungen äußerer elektrostatischer Felder geschützt werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Planar-Halbleitervorrichtung, mit einem die Hauptoberfläche der Halbleitervorrichtung in einer Schnittlinie schneidenden pn-übergang, mit einer die Schnittlinie überdeckenden Isolierschicht und mit einer elektrisch leitenden Abschirmung, die einen mit einer am pn-übergang beteiligten ersten Zone elektrisch verbundenen Kontaktierungsteil aufweist, über die ganze Länge der Schnittlinie ι ο hinweg in den Bereich der zweiten am pn-übergang beteiligten Zone ragt und außerhalb des Kontaktierungsteils durch Material der Isolierschicht von der Hauptoberfläche isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (52) aus polykristallinem Halbleitermaterial des Leitungstyps der ersten Zone gebildet ist und mit Ausnahme des Kontaktierungsteils (54) vollständig in die Isolierschicht (42) eingebettet isL

2. HaJWIeitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine größere Anzahl von Gebieten des ersten Leitungstyps durch relativ schmale Gebiete des zweiten Leitungstyps voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungen (52) der pn-Übergänge zwischen den relativ schmalen Gebieten (34) und den beiderseits an sie angrenzenden Gebieten (Sä) einstückig ausgebildet sind.