DE2406807A1

DE2406807A1 - Integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2406807A1
Application number: DE19742406807
Authority: DE
Inventors: Murray Arthur Polinsky
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-02-21
Filing date: 1974-02-13
Publication date: 1974-08-22
Also published as: DE2406807B2; YU43474A; IT1006928B; FR2218658A1; BR7401204D0; YU36241B; AU6563774A; JPS49115692A; GB1426683A; FR2218658B1; NL7401933A; JPS5212553B2; US3961358A

Description

Dipl.-lng. H. Sauenlanri · Or.-ing R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ooa Düsseldorf ao · Cecilienallee 76 · Telefon 43273a

12. PrtruT 1974^2406807

29 040 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y₀ 10020 (V.St.A.)

"Integrierte Halbleiterschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung, insbesondere eine monolithische Halbleiterschaltung, mit einem Körper aus Halbleitermaterial, in welchem von PN-Übergängen begrenzte, bis zu einer Körperoberfläche verlaufende Zonen ausgebildet sind, ferner mit einer auf der Körperoberfläche angeordneten Isolierschicht und auf der Isolierschicht niedergeschlagenen Leitern, die sich während des Schaltungsbetriebs auf unterschiedlichen Potentialen befinden, so daß Ladungsstreuung von einem Leiter über eine definierte Zone der Isolierschicht hervorgerufen wird, die als Feldplatte zum Induzieren eines im Körper darunterliegenden Inversionsschichtkanals wirkte Die Isolierschicht dient zur Passivierung der Übergänge und als Träger für Leitungsverbindungen herstellende Metallschichten, von denen Teile durch Isolierschichtöffnungen mit Zonen der Körperoberfläche in Kontakt stehen.

Bekanntlich können Inversionsschichtkanäle in diesen Halbleiterschaltungen bzw„ Bauelementen Leck- bzw« Streustromwege zwischen auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Zonen bilden. Einige Methoden zur Verhinderung dieser unerwünschten Kanäle oder zur Verringerung ihrer Effekte sind bekannt. Hierzu gehören die

409834/0842

-2- 2 A Π R Π ί j

folgenden üblichen Methoden: 1) Verwendung eines dicken Isolierüberzuges, so daß die im Überzug entstehenden Felder klein sind; 2) Ausbildung eines sogenannten Schutzstreifens zwischen den Enden eines möglichen Kanals; oder 3) Einbettung einer Schicht aus leitendem Material in die Isolierschicht, wobei die Schicht aus leitendem Material zur Abschirmung des Halbleitermaterials gegenüber Feldquellen an der Oberfläche des Isolators dient. Jede dieser Methoden ist zwar zufriedenstellend, jedoch nur begrenzt anwendbar» So können beispielsweise bei einer dicken Isolierschicht photolithographische Prozesse nicht genau durchgeführt werden, und es ergibt sich häufig ein zu hoher Ausschuß. Sowohl der den Kanal unterbrechende Schutzstreifen als auch die Feld-Abschirmmethode haben einen beträchtlichen Platzbedarf und führen zu wesentlichen Komplikationen beim Aufbau und/oder bei der Herstellung der Bauelemente.

Bei speziellen Planarbauelementen wurde beobachtet, daß sich in der Nachbarschaft von PN-Übergängen Rand- bzw. Grenzfelder bilden können, welche eine Ladungsakkumulierung auf der Oberfläche des Isolators über dem Übergang herbeiführen, und daß diese Effekte dadurch reduziert werden können, daß Leiter über die kritischen Oberflächenzonen gelegt werden. Hierzu wird beispielsweise auf die US-PS 3 302 076 verwiesen, gemäß der der Kontakt zu einer Zone eines Bipolartransistors derart auf den Passivierungsisolator ausgedehnt werden soll, daß er den Übergang der Zone überlappt» Die von dem erweiterten Bereich des Kontakts gebildete Äquipotentialfläche verhindert die Ladungsansammlung bzw. -akkumulation in der Nachbarschaft des PN-Übergangs. Gemäß der vorgenannten Druckschrift soll die gesamte Oberflächenschnittstelle des PN-Übergangs, welche an eine vorgegebene Zone angrenzt, von der Äquipotential-

409834/0842

fläche bedeckt sein, wobei ausgeführt ist, daß sich nur eine geringe Verbesserung ergibt, wenn der Übergang nicht vollständig bedeckt ist.

Die Erfindung schafft bezüglich der vorgenannten Nachteile bekannter integrierter Halbleiterschaltungen Abhilfe„ Ausgehend von einer integrierten Halbleiterschaltung der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß eine Leitungsschicht auf der Isolierschicht über einem Teil der definierten Isolierschichtzone angeordnet ist, der zwischen einem der PN-Übergänge und einem ladungsstreuenden Leiter liegt und einen KontaktSchluß eines feldinduzierten Inversionsschichtkanals mit einem der PN-Übergänge verhindert, und daß außerhalb des Bereichs zwischen dem PN-Übergang und einem ladungsstreuenden Leiter liegende Teile der Isolierschicht keine LeitungsSchichtbelegung haben.

In der Zeichnung zeigen:

FJg₀ 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung bekannter Ausführung;

Fig. 2 eine Schhittansicht in Richtung der Pfeile 2-2 der Fig. 1;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung in der erfindungsgemäßen Ausführung;

Fig. 4 eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 4-4 der Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 stellen einige Elemente einer typischen monolithischen integrierten Schaltung 10 in einer solchen Ausführung dar, die einen ungünstigen Inversions-

409834/0842

schichtkanal bilden kann_o Die integrierte Schaltung weist gemäß Darstellung einen Körper 12 aus Halbleitermaterial, Z₀B. aus Silizium auf, der eine ebene Oberfläche 14 besitzt, an die Bestandteile aktiver oder passiver Schaltungselemente bildende Zonen angrenzen. Der Körper 12 kann aus einem Substrat 16 eines Leitungstyps, gewöhnlich P-leitend, mit einer gewöhnlich N-leitenden epitaktischen Schicht 18 aufgebaut sein. P-leitende Zonen 20 und 22 sind in die epitaktische Schicht 18 eindiffundiert und werden von PN-Übergängen 21 bzw. 23 begrenzt, welche die Oberfläche 14 schneiden. Die P-leitende Zone 20 kann beispielsweise die Anode einer Diode sein, und die Zonen 22 können Isolierbereiche bzw. Sperrzonen sein.

Eine Schicht 24 aus Isoliermaterial, gewöhnlich Siliziumdioxid, ist auf der Oberfläche 14 angeordnet. Die Isolierschicht 24 ist mit metallischen Leiterschichten 26, 28 und 30 belegt, welche den Schaltungselementen als Verbindungsleitungen dienen. Die Leiterschicht 26 hat beispielsweise einen Abschnitt 32, der eine öffnung 33 in der Isolierschicht 24 durchgreift und mit der Zone 20 in Kontakt steht. Die Leiterschichten 28 und 30 dienen zur Verbindung in der Zeichnung nicht dargestellter Elemente, Eine Schutzglas- oder Siliziumdioxidschicht 34 überzieht die gesamte Oberseite der integrierten Schaltung.

Bei vielen Schaltungsanwendungen befinden sich benachbarte Verbindungsleiter im Betrieb der Schaltung auf unterschiedlichen Potentialen. Wie schematisch in Fig. dargestellt, kann sich die Leiterschicht 28 auf einer wesentlich niedrigeren Spannung, -V, befinden als die Leiterschicht 26. Die Leiterschicht 30 ist gemäß der Zeichnung mit +V beaufschlagt, so daß sie sich auf im

409834/0842

wesentlichen demselben Potential wie die Leiterschicht 26 befindet.

Das Phänomen des Streustroms bzw. Kriechstroms durch Inversionsschichtkanäle in Bauelementen dieser Art ist seit einiger Zeit bekannt. Man nimmt an, daß die Kanäle von elektrischen Feldern hervorgerufen werden, welche in den Leitern des Bauelements ihren Ursprung haben«. Wenn sich daher die Leiterschicht 28 auf ausreichend niedrigem Potential in Bezug auf das darunterliegende Halbleitermaterial befindet, wirkt sie im Sinne einer Verarmung der Oberflächenzone des Halbleiters von Elektronen und verstärkt die Löcherdichte, wenn die Bedingungen in nahegelegenen Zonen dies zulassen, d.h. wenn eine in der Nähe gelegene Löcherquelle zur Herstellung eines P-leitenden Kanals vorhanden ist. Gewöhnlich wird auf die Anordnung der Metallisierung dieser Art derart geachtet, daß sie keine der P-leitenden Zonen kreuzt bzw«, schneidet, zwischen denen der Streustrom schädlich sein würde.

Es gibt auch eine andere Quelle eines Inversionsfeldes, die nicht unter der zu Verbindungszwecken benutzten Metallisierung liegt. Es wurde gefunden, daß bei integrierten Schaltungen, bei denen sich im Betrieb benachbarte Leiter auf relativ unterschiedlichen Potentialen befinden, Ladung von einem der Leiter aus über die Oberfläche des isolierenden Überzugs 24 oder an der Grenzfläche zwischen dem isolierenden Überzug 24 und der Schutzschicht 34 bei Vorhandensein letzterer gestreut werden kann, und zwar unter dem Einfluß des seitlichen elektrischen Feldes zwischen den beiden Leitern« Nach einer gewissen Betriebsdauer und in Abhängigkeit von der Temperatur der integrierten Schaltung und der Potentialdifferenz zwischen den beiden

409834/0842

Leitern kann genügend Ladung von einem Leiter über eine ■bestimmte Zone gestreut werden, um als Feldplatte zu wirken und einen Inversionsschichtkanal in dem darunterliegenden Halbleiterkörper zu induzieren. Wenn diese definierte bzw. begrenzte Zone über zwei P-leitenden Zonen liegt, werden letztere durch den Inversionsschichtkanal verbunden und der Streufluß kann zwischen diesen dann stattfinden, wenn sie sich auf unterschiedlichem Potential befinden.

Die Querschnittansicht gemäß Fig. 2 stellt schematisch eine derartige Streubedingung dar. Wie gezeigt, kann eine Zone 35 zwischen den Leiterschichten 28 und 26 vorhanden sein, wo sieh Elektronen von der Leiterschicht 28 auf der Oberfläche der Isolierschicht 24 befinden. Wenn genügend Elektronen vorhanden sind, tritt eine Inversionsschicht in der Zone 36 des Körpers 12 unterhalb der Zone 35 auf, und die Zone 20 wird dadurch mit der Zone 22 leitend verbunden. Derjenige Bereich, über dem Ladung wandert, liegt im wesentlichen zwischen den Leiterschichten 26 und 28. Über dem Anschlußende 37 der Leiterschicht 26 hinaus läuft das seitliche elektrische Feld zwischen den beiden Leitern aus, mit dem Ergebnis, daß die Oberflächenladungsdichte sich bis zu dem Punkt vermindert, bei dem keine Inversionsschicht induziert wird₀

Da sich bei diesem Beispiel die Leiterschichten 26 und im wesentlichen auf demselben Potential befinden, gibt es nur ein geringes oder überhaupt kein seitliches elektrisches Feld zwischen ihnen, und es besteht demzufolge nur eine geringe Wahrscheinlichkeit des Aufbaus einer Ladung zwischen ihnen. Dies bedeutet jedoch nicht, daß keine bewegliche Ladung auf der Isolierschicht zwischen diesen Leitern vorhanden ist, sondern diese

409834/0842

Ladimg ist nicht in ausreichender Menge vorhanden, um einen Inversionsschichtkanal hervorzurufen.

Figo 3 und 4 zeigen eine "bevorzugte Lösung für dieses Problem. Eine integrierte Schaltung 40 weist einen Halbleiterkörper 42 mit einer Oberfläche 44 entsprechend dem Körper 12 und der Oberfläche 14 des Bauelements 10 nach Fig. 1 und 2 auf„ In ähnlicher Weise sind ein Substrat 46, eine epitaktische Schicht 48, Zonen 50 und 52 sowie Übergänge 51 und 53, eine Isolierschicht 54, Leiterschichten 56, 58, 60 und eine Schutzschicht 54 vorhanden, die jeweils den beschriebenen Elementen in der bekannten Ausführung gemäß Fig. 1 und 2 entsprechen. Bei der neuen Ausführung gemäß den Fig. 3 und 4 ist jedoch eine Leiter schicht. 70 vorgesehen, die in Bezug auf die Zone 50 und das darunterliegende N-leitende Material so vorgespannt ist, daß die Einführung einer Inversionsschicht aus Löchern in dem N-Ieitenden Material an der Zone 50 verhindert ist.

Aus Platzersparnisgründen ist in der gezeigten Weise die Leiterschicht 70 vorzugsweise Bestandteil der Leiterschicht 56. In diesem Falle kann kein Kanal in der dem Übergang 51 benachbarten Zone hervorgerufen werden, da sich ein etwa vorhandener Kanal auf oder nahe dem Potential der Zone 50 befinden würde. Die Leiterschicht 70 befindet sich notwendigerweise auf demselben Potential; daher kann kein induzierendes Feld und demzufolge auch kein Kanal bestehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zone 52 darüber hinaus eine Sperrzone, die normalerweise auf das in der Schaltung niedrigste Potential vorgespannt wird. Unter diesen Umständen kann die Zone 52 keine Löcher für eine Inversionsschicht liefern, und da auch die

409834/0842

-s- 240R807

Zone 50 von der Leiterschicht 70 invertiert ist, kann sich überhaupt kein Kanal im Bereich zwischen den Zonen 50 und 52 bilden«, Generell sollte die Leiterschicht 70 nahe derjenigen der beiden unterschiedlich vorgespannten Zonen angeordnet sein, welche im Betrieb die Quelle zur Erzeugung der Träger bildet, welche zur Entwicklung einer Inversionsschicht zwischen den beiden Zonen benötigt werden, d„h. an der positiver vorgespannten Zone von zwei P-leitenden Zonen oder der negativer vorgespannten Zone von zwei N-leitenden Zonen.

Wenn die Leiterschicht nicht direkt mit der Zone 50 verbunden ist, muß sie während des Betriebs der integrierten Schaltung stets auf einem unter dem Inversionsschwellenpotential an der Isolierschicht 54 liegenden Potential sein. Die Schwellenspannung ändert sich in Abhängigkeit von den Bedingungen in der integrierten Schaltung nahe der interessierenden Zone, eine geeignete Schwellenspannung kann beispielsweise aus der Formel für Inversion unter Ungleichgewichtsbedingungen bestimmt werden, die auf Seite 288 von Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices", John Wiley and Sons, Inc. New York, 1967 angegeben ist. Die Vorspannung an der Leiterschicht 70 kann dann mit einem gewissen Sicherheitsabstand in Bezug auf die auf diese Weise bestimmte Schwellenspannung eingestellt werden.

Die genaue Geometrie der Leiterschicht 70 ist unkritisch. Aufmerksamkeit sollte jedoch darauf gerichtet werden, daß ihre Anordnung über den begrenzten bzw_o definierten Zonen der Isolierschicht gewährleistet ist, wo der Ladungsaufbau wahrscheinlich erfolgt„ Mit anderen Worten, die Leiterschicht 56 sollte bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Bildung der Leiter-

409834/0842

schicht 70 in Richtung der Leiterschicht 58 erweitert "bzw. ausgedehnt werden, von der eine Ladungsstreuung erfolgen kann, damit die Leiterschicht 70 denjenigen Teil der Isolierschicht überdeckt, der zwischen dem PN-Übergang 51 und der Leiterschicht 58 liegt. Die Leiterschicht 70 sollte etwas über die hier beschriebenen Zonen hinaus in Bereiche schwächerer Seitenfelder ausgedehnt werden, sollte sich jedoch nicht über Bereiche ausdehnen, wo der Aufbau von Ladung unwahrscheinlich istο Die Aufbauregeln für integrierte Schaltungen verlangen gewöhnlich einen Minima]ä)stand zwischen benachbarten Leitern«, Wenn der Abstand zwischen den in der Zeichnung dargestellten Leitern beispielsweise der Minimaldistanz entspricht, so würde es die Erweiterung bzw. Ausdehnung der Leiterschicht 46 im Bereich der Leiterschicht 70 erforderlich machen, daß die Leiterschicht 58 von der Zone 50 weiter entfernt ist, als die Leiterschicht 28 von der Zone 20 bei der bekannten Ausführung gemäß den Fig„ 1 und 2. Es ergibt sich also ein Verlust an nutzbarer Fläche bei Verwendung der vorliegenden Erfindung.

Wegen dieses Flächenverlustes sollte bei der Konzeption darauf geachtet werden, daß die Verwendung der den Kanal unterbindenden Leiter auf allein diejenigen Stellen beschränkt wird, wo das Kanalproblem wahrscheinlich auftritt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel überspannt der Leiter 70 keinen wesentlichen Bereich der Oberfläche der Isolierschicht 54, welche zwischen der Leiterschicht 56 und der Leiterschicht 60 liegt» Demgemäß kann die Lage des Leiters 60 in Bezug auf die Zone 50 in raumsparender Weise die gleiche sein wie bei der bekannten Schaltungsausführung 10.

0 9 8 3 4 / 0 8 k 2

Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N₀Y₀ 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche;

Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Körper aus Halbleitermaterial, in welchem von PN-Übergängen begrenzte, bis zu einer Körperoberfläche verlaufende Zonen ausgebildet sind, ferner mit einer auf der Körperoberfläche angeordneten Isolierschicht und auf der Isolierschicht niedergeschlagenen Leitern, die sich während des Schaltungsbetriebs auf unterschiedlichen Potentialen befinden, so daß Ladungsstreuung von einem Leiter über eine definierte Zone der Isolierschicht hervorgerufen wird, die als Feldplatte zum Induzieren eines im Körper darunterliegenden Inversionsschichtkanals wirkt, dadurch gekennzeichnet , daß eine Leitungsschicht (70) auf der Isolierschicht (54) über einem Teil der definierten Isolierschichtzone angeordnet ist, der zwischen einem (51) der PN-Übergänge und einem ladungsstreuenden Leiter (58) liegt, wobei die Leitungsschicht einen Kontaktschluß eines feldinduzierten Inversionsschichtkanals mit einem (51) der PN-Übergänge verhindert, und daß außerhalb des Bereichs zwischen dem PN-Übergang (51) und dem ladungsstreuenden Leiter (58) liegende Teile der Isolierschicht (54) keine Leitungsschichtbelegung haben.

2, Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet , daß mehrere definierte Zonen vorhanden sind und eine Leitungsschicht (70)

409834/0842

über einem Teil jeder der definierten Zonen auf der Isolierschicht (54) angeordnet ist.

3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Körper (42) P-leitende Zonen (50) in N-leitendem Material ausgebildet sind und die Leitungsschicht (70) an einer P-leitenden Zone das N-leitende Material überlappt.

4. Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitungsschicht (70) im Betrieb der Halbleiterschaltung (40) an eine Spannungsquelle (+V) anschließbar ist.

5. Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitungsschicht (70) einen Abschnitt eines Leiters (56) bildet, der mit der benachbarten P-leitenden Zone (50) in 0hm^!schem Kontakt steht.

6. Halbleiterschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitungsschicht (70) nur einen Teil des Oberflächenschnitts des die Zone (50) begrenzenden PN-Übergangs (51) überlappt.

7. Halbleiterschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Leitungsschicht (70) durch ein in der Isolierschicht (54) ausgebildetes Fenster mit der darunterliegenden P-leitenden Zone in Ohn^schem Kontakt steht und mit einem Teil nur denjenigen Bereich der Körperoberfläche (44) außerhalb der Zone (50)

409834/0842

mit Abstand von der Körperoberfläche überlappt, der etwa zwischen der Zone (50) und der Fläche unterhalb einer anderen Schicht' (58) aus leitendem Material liegt,,

8. Halbleiterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der von der Leitungsschicht (70) überlappte Bereich der Oberfläche (44) an weniger als die gesamte Peripherie der P-leitenden Zone (50) angrenzt,

9ο Halbleiterschaltung nach Anspruch 7» dadurch

gekennzeichnet , daß eine dritte Schicht (60) aus leitendem Material auf der Isolierschicht (54) aufgebaut ist,und daß sich die Leitungsschicht (70) mit keinem Teil über denjenigen, außerhalb der P-leitenden Zone (50) liegenden Oberflächenbereich erstreckt, der zwischen der Zone (50) und der Fläche unterhalb der dritten Schicht (60) aus leitendem Material liegt.

409834/0842