SE454732B - Halvledaranordning - Google Patents

Description

454 732 sevis låg uppvisar emellertid sådana halvledaranordningar en förhållandevis låg strömledningsförmâga via den homogent dopade skiktformade regionen, "skiktregi- onen". En ökning av dopningskoncentrationen kan ej leda till någon lösning i detta fall eftersom i så fall inte ens vid hög spänning den skiktformade regi- onen längre kan utarmas fullständigt, varigenom genombrottsspänningen för pn-övergången skulle reduceras.

En ytterligare nackdel med den ovan beskrivna, kända anordningen är att i fall en aktiv zon av den första ledningsförmågetypen uppträder i skikthalvle- darregionen (exempelvis baszonen av en transistor) så kan utarmningszonen ex- pandera från substratregionen till den aktiva zonen (penetration, "punch- through") inträffa under vissa omständigheter. Detta gäller särskilt för an- vändning i emitterföljaretillämpningar.

Därtill kommer att de beskrivna, kända anordningarna ofta är svåra att tillverka på ett reproducerbart sätt eftersom variationer i tjockleken och dop- ningen av ett epitaxialskikt lätt kan uppträda och har betydande inverkan på de elektriska egenskaperna.

Ett av uppfinningens ändamål är att eliminera eller i varje fall väsent- ligt mildra de nämnda nackdelarna i de kända anordningarna.

Ett uppfinningsändamål är att åstadkomma en halvledaranordning av det be- skrivna slaget i vilken resistansen för strömmar som uppträder i anordningen och flyter parallellt med ytan genom skiktregionen är väsentligt reducerad i jämförelse med resistansen i en s.k. RESURF-anordning av känd uppbyggnad och i vilken möjligheten till penetration är reducerad.

Uppfinningen grundar sig bl.a. på insikten om att nämnda ändamål kan upp- nås med användning av en ändamålsenlig dopningsprofil i tjockleksriktningen av skiktregionen.

'Enligt uppfinningen är en halvledaranordning av inledningsvis beskrivet slag 'kännetecknad av att den skiktformade halvledarregionen utmed i varje fall en del aV Sitt Område OCH l en riktning vinkelrätt mot ytan uppvisar en dopningsprofil innefattande åtminstone två överliggande skiktdelar av olika genomsnittlig netto- dopningskoncentration av en för varje skiktdel given ledningsförmâgetyp; Genom uppfinningen är det möjligt att då laterala strömmar uppträder i anordningen åstadkomma den större delen av den totala dopningen i skiktdelen som släpper igenom dessa strömmar och därigenom reducera det elektriska mot- ståndet väsentligt, medan oberoende därav den totala nettodopningen är så låg att fullständig utarmning av skiktregionen kan uppnås för en backspänning över pn-övergången som ligger väl under dess genombrottsspänning. 454 732 Vid användning av uppfinningen kan dessutom den ovan beskrivna möjligheten till penetration från substratregionen elimineras genom att man ger den skikt- del som ansluter till substratregionen en högre genomsnittlig dopningskoncen- tration än resten av skiktregionen.

Enligt ett enkelt utföringsexempel är den skiktformade halvledarregionen uteslutande av den andra ledningsförmågetypen från substratregionen upp till ytan.

Ett betydelsefullt ytterligare, föredraget utföringsexempel är känneteck- nat av att den skiktformade halvledarregionen innefattar åtminstone en första skiktdel av den andra ledningsförmâgetypen, som ansluter till substratregionen, och åtminstone en därpå befintlig andra halvledarregion av den första lednings- förmågetypen, varvid skiktdelarna av den första ledningsförmågetypen är anslut- na till en potential som är väsentligen lika med substratregionens potential, under det att medel förefinnes för att tillse att den översta ytanslutande skiktdelen i sig själv fullständigt utarmas vid en spänning över pn-övergången som är lägre än genombrottsspänningen. Som ett resultat av detta kan den genom- snittliga dopningskoncentrationen i skiktdelen som ansluter till substratregi- onen väljas ytterligare högre än i fallet med en skiktformad region uppvisande endast en ledningsförmågetyp från substratregionen upp till ytan. Detta beror på att åtminstone en av skiktdelarena utarmas från i varje fall två sidor eftersom den finns mellan två parallella pn-övergångar eller pn-övergångsdelar.

Detta utföringsexempel kan utvidgas till en skiktformad halvledarregion bestå- ende av flera successiva skiktdelar av växelvisa ledningsförmågetyper anbringa- de ovanpå varandra, varvid skiktdelarna av den andra ledningsförmågetypen också är inbördes kopplade till väsentligen samma potential, exempelvis via en halv- ledarzon. Med den ovan nämnda översta skiktdelen skall i sammanhanget förstås skiktdelen mellan den sista pn-övergången och ytan.

Nämnda medel innebär företrädesvis en tillräckligt låg dopningskoncentra- tion i den sista skiktdelen. Som alternativ därtill kan också användas en fält- elektrod, som är separerad från den översta skiktdelen och som är ansluten till en potential som väsentligen är lika med potentialen för skiktdelen som ligger under den översta skiktdelen.

Ett enkelt sätt att åstadkomma anslutning av skiktdelarna av den första ledningsförmågetypen till väsentligen samma potential som substratregionen är att tillse att nämnda skiktdelar anslutes till substratregionen genom halvle- darzoner av den första ledningsförmågetypen (exempelvis den ovan nämnda sepa- rationsregionen). Emellertid är även andra medel användbara."Väsentligen samma 454 732 4 potential" innebär i detta sammanhang en potentialskillnad av maximalt nâgra pn-övergângsdiffusionsspänningar (nâgra volt).

I vissa tillämpningar då skiktregionen består av en första skiktdel av den andra ledningsförmågetypen som ansluter till substratet och en ytanslutande andra skiktdel av den första ledningsförmâgetypen ovanpå den förstnämnda kan det vara fördelaktigt med lokala avbrott i den andra skiktdelen.

I synnerhet i anordningar där höga ytfältstyrkor uppträder vid kanten av den skiktformade halvledarregionen är det fördelaktigt om nämnda skiktdelar med olika nettodopningskoncentrationer sträcker sig upp till kanten av nämnda halv- ledarregion.

Som i de flesta anordningar av "RESURF"-typ är uppfinningen av största intresse i det fall då dopningskoncentrationen för åtminstone delen av den and- ra ledningsförmågetypen av den till substratregionen anslutande, skiktformade regionen är högre än dopningskoncentrationen i substratregionen.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare i det följande under hänvisning till ritningarna, där: fig_l visar dels en perspektivvy och dels ett schema- tiskt tvärsnitt för en anordning enligt uppfinningen;_fig_§ visar elektriska egenskaper hos anordningar enligt uppfinningen i jämförelse med känd teknik; fig 3 visar ett schematiskt tvärsnitt av en ytterligare anordning enligt upp- finningen; jig_í visar dels en perspektivvy, dels ett tvärsnitt av en ytter- ligare anordning enligt uppfinningen; jjg_§ visar ett schematiskt tvärsnitt av en D-MOS-transistor enligt uppfinningen; fig_§ visar dels en perspektivvy, dels ett tvärsnitt av ännu en anordning enligt uppfinningen; fig 7-7B visar en planvy respektive ett tvärsnitt av en ytterligare D-MOS-transistor enligt uppfinningen;_fig_§ visar ett schematiskt tvärsnitt av en integrerad krets innefattande komplementära JFET-komponentor enligt uppfinningen; fig_2 visar en modifierad utföringsfonn av anordningen i fig 1.

Figurerna är schematiska och ej skalenligt ritade. Motsvarande delar är generellt betecknade med samma hänvisningsbeteckningar. Halvledarregioner av samma ledningsförmâgetyp är skuggade i samma riktning.

I figurerna 1,3,4,6,8 och 9 har oxidskiktet på ytan, i vilket kontakt- fönstren är anordnade, utelämnats för enkelhetens skull.

Fig 1 visar dels en perspektivvy, dels ett tvärsnitt av en halvledaran- ordning enligt uppfinningen. Halvledarkroppen , som i detta fall består avtki- sel, innefattar en substratregion 4 av en första ledningsförmågetyp, som i det- ta fall är p-typ, samt en skiktformad halvledarregion 3 anordnad ovanpå och anslutande till en yta 2. Av skiktregionen 3 är i varje fall den del som an- 454 752 sluter till substratregionen 4 av n-typ och i detta fall även kraftigare dopad än substratregionen som har en dopningskoncentration av ungefär 4,5x1014 atom/cm3 (resistivitet ungefär 30 ohmcm). I detta exempel är hela skiktregio- nen 3 av n-typ. Regionen 3 bildar en pn-övergång 5 med substratregionen 4.

En ö-formad del 3A av skikthalvledarregionen 3 är sidledes begränsad genom en separationsregion 6 som i detta exempel består av en p-zon med utsträckning från ytan 2 genom hela tjockleken av skiktregionen 3.

Ett halvledarkretselement, som i detta fall består av en övergângsfältef- fekttransistor (JFET) med emitter och kollektorzoner 7 och 8 av n-typ samt en styrelektrodzon 9 av p-typ är anordnad inom den ö-formade regionen. Den totala nettodopningen av n-typ i skikthalvledarregionen 3, d.v.s. det totala antalet donatoratomer minskat med det totala antalet acceptoratomer per ytområdesenhet genom hela tjockleken av regionen 3, är så låg att vid påföring av en spänning i backriktningen över pn-övergången 5 utarmningszonen sträcker sig över hela tjockleken av regionen 3 frän substratet 4 upp till ytan 2 redan vid en spän- ning som understiger genombrottsspänningen. I föreliggande fall är nämnda net- todopning ungefär 1,2x1012 atom/cmz. Som en följd härav, med den höga back- spänningen över pn-övergången 5, så minskas fältstyrkan vid ytan 2 betydligt, vilket är ingående beskrivet i de ovannämnda publikationerna. Som följd härav kan mycket höga värden på genombrottsspänningen för pn-övergångarna 5 uppnås, medan genombrottsspänningen för pn-övergången väsentligen bestämmes av sub- stratdopningen och ej av ytgenombrottet vid kanten av pn-övergången mellan se- parationsregionen 6 och regionen 3A.

Då regionen 3 är homogent dopad så blir resistiviteten jämförelsevis hög som ett resultat av nämnda utarmningstillstånd. I detta exempel är regionens 3 totala tjocklek ungefär 2,5 /um vilket vid en total dopning av l,2x10l2 atom/cmz i fallet med homogen dopning skulle ge en dopningskoncentration av 4,8x1015 atom/cm3 motsvarande en resistivitet av ungefär 1,2 ohmcm.

En resistivitet av sådan storlek kan medföra en oönskat hög serieresistans i kanalregionen mellan styrelektrodzonen 9 och substratregionen 4 i fälteffekt- transistorns ledande tillstånd.

För att undvika eller i varje fall väsentligen reducera denna nackdel så är regionen 3 enligt uppfinningen ej homogent dopad. Regionen 3 kan uppdelas i två överlagrade skiktdelar 3Al och 3A2 som är separerade genom den streckade linjen 10, se fig 1, varvid delen 3Al uppvisar en högre genomsnittlig nettodop- ningskoncentration än delen 3A2. Den ö-formade regionen 3A uppvisar sålunda en inhomogen dopningsprofil vinkelrätt mot ytan betraktat. I detta exempel har 454 732 skiktdelen 3Al en tjocklek av 1,4 /um, skiktdelen 3A2 har en tjocklek av 1,1/um. Den genomsnittliga dopningskoncentrationen i skiktdelen 3Al är 7,2x10l5 atom/cm3 (total dopning 1012atom/cm2), medan dopningskoncen- trationen i skiktdelen 3A2 är 1,8x1015 atom/cm3 (total dopning 2x1011 atom/cmz). Enligt ovan är sålunda den totala nettodopningen i regionen 3 lika med 1,2x1012 atom/cmz men den genomsnittliga dopningskoncentrationen i skiktdelen 3A1 är väsentligt högre än vad som skulle varit fallet vid homogen dopning. Genom att sålunda koncentrera den större delen av den totala dopningen till skiktdelen 3Al, i vilken strömmen flyter mellan emitter- och kollektor- elektroden, uppnås en väsentlig minskning av seriemotståndet.

Den inhomogena dopningskoncentrationen kan realiseras genom olika kända förfaranden. Enligt ett första utföringsexempel kan var och en av skiktdelarna 3Al och 3A2 formas genom ett epitaxiellt odlat skikt. Enligt ett andra utfö- ringsexempel kan den inhomogena dopningen i skiktregionen 3 åstadkommas genom jonimplantation, och därvid antingen genom en och samma implantation vid vilken den maximala koncentrationen ligger på något avstånd under ytan eller också genom successiva implantationssteg. Dessutom kan man utnyttja kombinationer av exempelvis en arsenikimplanterad skiktdel 3Al med en därpå epitaxiellt odlad skiktdel med lägre dopningsgrad 3A2. Om önskvärt kan även diffusionsmetoder utnyttjas. Sättet på vilket den önskade inhomogena dopningsprofilen åstadkommas saknar betydelse för uppfinningen och fackmän kan göra ett lämpligt val bland kända metoder.

I detta exempel åstadkommes skiktdelen 3Al genom implantering av arsenik- joner i substratet åtföljt av det normala uppvärmningssteget för aktivering av arsenikjonerna och för att eliminera kristallskador. Det 1,1 /um tjocka ki- selskiktet 3A2 av n-typ anbringas därefter epitaxiellt på det erhållna, implan- terade ytskiktet genom användning av konventionella metoder för epitaxiell od- ling. Likaså på vanligt sätt anordnas därefter den separerande diffusionsregio- nen 6 av p+-typ och styrelektrodzonen 9 av p-typ samt emitter- och kollektor- zonerna 7 och 8 av n-typ under olika diffusionssteg, varvid samtliga skikt dif- funderas ned till ett djup av 1,1/um.

Fastän fig 1 ritats symmetriskt så kan man för att spara utrymme utnyttja ett kortare avstånd mellan styrelektrodzonen 9 och emitterzonen 7 än mellan- styrelektrodzonen och kollektorzonen 8, som under drift är tillförd en hög po- sitiv spänning. Betraktat i riktning från emitterzonen till kollektorzonen var i det aktuella fallet sträckan mellan separationszonen 6 och emitterzonen 7 ungefär 1,0/um, avståndet mellan emitterzonen 7 och styrelektroden 9 unge- 454 732 fär 5/um, avståndet mellan styrelektrodzonen och kollektorzonen 8 ungefär 30/um, samt avståndet mellan kollektorzonen 8 och separationszonen 6 likaså 30/um. Dimensionen av emitter- och kollektorzonerna 7 och 8 och styrelektro- den 9 i riktning från emitterzonen till kollektorzonen var 10/um.

Fig 2 visar kollektorzonen som funktion av spänningen mellan emitter- och kollektorzonen vid 0-styrspänning. Kurvan A visar karakteristiken för fält- effekttransistorn i fig 1. Avsnörningsspänningen ("pinch off voltage") Y är 6,7 volt. Kurvan B visar samma karakteristik för en fälteffekttransistor med samma dimensioner och avsnörningsspänning men uppvisande en homogent dopad skiktregion 3 med ävenså en total dopning av 1,2x1012 atom/cmz. Härav fram- går att man genom användning av dopningsprofilen enligt uppfinningen uppnår en ökning av mättnadsströmmen från 210 mA till 300 mA med bibehållen tjocklek hos skiktregionen 3. Emitter-kollektorgenombrottsspänningen är i båda fallen unge- fär 430 volt och närmar sig den endimensionellt beräknade, teoretiska genom- brottsspänningen 450 volt som en följd av att skiktregionen 3 är fullständigt utarmad väl innan genombrottsspänningen uppnås.

Fastän man i det beskrivna utföringsexemplet utnyttjar ett epitaxialskikt 3A2 så har lokala variationer i dopningen och tjockleken av nämnda skikt jäm- förelsevis mindre inverkan på karakteristiken (avsnörningsspänning, mättnads- ström) än i fallet med en homogent dopad epitaxialskiktregion eftersom dop- ningen huvudsakligen är koncentrerad till det implanterade skiktet 3Al.

Ytterligare förbättrade resultat kan uppnås med en fälteffekttransistor- struktur som är schematiskt visad i tvärsnitt i fig 3. Denna struktur överens- stämmer väsentligen med den i fig 1 visade med den skillnaden att skiktregionen 3A ej överallt har samma ledningsförmågetyp utan består av en första skiktdel 3Al av n-typ anslutande till regionen 4 av p-typ, samt en överliggande andra skiktdel 3A2 av p-typ, varvid delarna 3Al och 3A2 bildar en pn-övergång 31.

Skiktdelen 3A2 ansluter till ytan 2 och bildar sålunda den översta skiktdelen.

Skiktdelen 3A2 är kopplad till substratregionen 4 via separationsregionen 6 och befinner sig sålunda vid väsentligen samma potential som substratregionen. Den totala n-typ-nettodopningen räknad i atomer/cmz i hela skiktdelen 3A, d.v.s. i kombinationen av 3Al och 3A2, är så låg att vid påföring av en spänning i backriktningen över pn-övergången 5, skiktdelarna 3Al och 3A2 i övergången 5 utarmas fullständigt upp till ytan 2 vid en spänning som är lägre än genom: brottsspänningen för pn-övergången 5. Skiktdelen 3Al av n-typ utarmas både från pn-övergången 5 och från pn-övergången 31, samt sidledes från pn-övergången 32 som förbinder pn-övergångarna 31 och 5 med varandra. Det översta skiktet 3A2 454 732 8 _ *- utarmas enbart från pn-övergången 31. Detta innebär att skiktdelen 3A2 i sig själv företrädesvis också skulle kunna ha så låg p-dopning att den fullständigt utannas för en backspänning över pn-övergången (5,32,31) som understiger genom- brottsspänningen. En ytterligare möjlighet är att tillse att även den översta skiktdelen 3A2 utarmas inte bara underifrån utan även ovanifrån genom en fält- elektrod 100 som är separerad från den översta skiktdelen 3A2 genom ett isola- tionsskikt 101 och som är kopplat till väsentligen samma potential som den un- derliggande skiktdelen (3A1), exempelvis zonen 8. Detta är antytt genom strec- kade linjer i fig 3.

Utgångsmaterialet i denna fälteffekttransistor utgjordes av ett substrat 4 _ med en p-dopningskoncentration av ungefär 5x1014 atom/cm3. Ett n-epitaxial- skikt med en tjocklek av ungefär 5/um och en genomsnittlig dopningskoncentra- tion av 9x1Dl5 atom/cm3 anbringades därpå. I detta epitaxialskikt bildades ett 3/um djupt p-skikt genom bor-implantation i en dos av 3,1x1012 jo- ner/cmz. Tjockleken av skiktdelen 3Al uppgår sålunda till ungefär 2/um och dess totala n-nettodopning (dopningskoncentrationen uttryckt i atomer/cm3 multiplicerad med tjockleken d uttryckt i cm) är ungefär 1,8xl012 donatorato- mer/cmz. Tjockleken av skiktdelen 3A2 är ungefär 3 um, medan dess totala p-nettaaapning är (a,1x1o12-3x1o"4)x(9x1o15)=4x1o1{ dess genomsnittliga p-nettodopningskoncentration är 3,1x1012/3xl0'4- -9x1O15=1,3x1015atom/cm3. Den totala n-nettodopningen i skiktdelarna 3Al och snz tiiisammans är 1,ax1o12-4x1o11=1,4x1o12 arom/CHF, vilket är ett tillräckligt lågt värde för att uppfylla utarmningsvillkoren.

Emitter- och kollektorzonerna 7 och 8 av n-typ och styrelektrodzonen 9 av p-typ kan exempelvis åstadkommas genom diffusion eller jonimplantation. In- trängningsdjupet för zonerna 7 och 8 måste vara åtminstone lika med tjockleken av skiktdelen 3A2.

Eftersom den andra skiktdelen 3A2 har en ledningsförmågetyp som är motsatt atom/cmz, medan ledningsförmågetypen för den första skiktdelen 3A1, vilket innebär att man vid fastställandet av den totala dopningen uttryckt i donatoratomer/cmz för skiktdelen 3A (=3Al+3A2) använder negativt tecken för dopningen i skiktdelen 3A2, och eftersom den första skiktdelen 3A1 utarmas från flera sidor, så kan den genomsnittliga dopningskoncentrationen i den första skiktdelen 3A1 vara högre än i fallet då skiktdelarna 3Al och 3A2 skulle vara av samma ledningsför- mågetyp. Karakteristiken för en fälteffekttransistor av det i fig 3 visade sla- get med samma avsnörningsspänning som fälteffekttransistorerna motsvarande kurvlinjerna A och B i fig 2 och med samma genombrottsspänning och geometri är 454 732 _ ~u~ visad i fig 2 genom kurvlinjen C. Mättnadsströmmen i detta fall uppgår till 400 mA.

Uppfinningen är ej begränsad till fälteffekttransistorer utan kan ocksâ tillämpas för bipolära halvledaranordningar. Exempelvis visar fig 4 en bipolär högspänningstransistor med bas-, emitter och kollektoranslutningarna B,E och C.

Kollektorzonen bildas av den n-ledande, ö-formade skikthalvledarregionen 3A, som är belägen på en lägre dopad p-substratregion 4 samt innesluten genom p-se- parationsregionen 6. p-baszonen 41 är ansluten till separationsregionen 6. n-emitterzonen 42 är anordnad i baszonen 41 och n-regionen 3A är kontakterad genom en kraftigt dopad n-kollektorkontaktzon 43. Den totala nettodopningen i regionen 3A är så låg att denna region är fullständigt utarmad från övergången 5 upp till ytan 2 redan vid en backspänning över pn-övergången 5 som understi- ger genombrottsspänningen. En sådan bipolär transistor i vilken regionen 3A är homogent dopad beskrivs i den tidigare nämnda Philips Journal of Research (fig 5). En sådan transistor uppvisar en hög kollektor-bas-genombrottsspänning, vil- ken väsentligen är bestämd genom dopningen i substratregionen 4.

Som ett resultat av den jämförelsevis låga dopningen i kollektorregionen, som krävs av utarmningsvillkoret, blir motståndet mellan kollektorkontaktzonen 43 och kollektorregionen 3A under baszonen 41 via den del av kollektorregionen som ansluter till pn-övergången 5, förhållandevis högt, vilket innebär att kän- da transistorer av detta slag uppvisar en jämförelsevis låg strömledningsförmä- ga. Därtill kommer i kretstillämpningar där n-kollektorregionen 3A befinner sig på en hög positiv spänning i förhållande till p-substratregionen 4, såsom exempelvis i emitterföljarkretsar, att regionen 3A mellan baszonen 41 och sub- stratet 4 kan utarmas fullständigt från pn-övergången 5 (avsnörning) innan re- gionen 3A mellan baszonen 41 och kollektorkontaktzonen 43 utarmas upp till ytan 2, vilket leder till att genombrottsspänningen minskas.

Enligt uppfinningen är kollektorregionen 3A liksom i exemplet i fig 1 upp- byggd av två skiktdelar 3Al och 3A2, som båda är n-ledande men där den strömfö- rande och substratanslutande skiktdelen 3Al har en högre genomsnittlig netto- dopningskoncentration än den överliggande skiktdelen 3A2. Som ett resultat där- av reduceras kollektorserieresistansen medan genombrottsspänningen förblir vä- sentligen lika hög som i en homogent dopad kollektorregion 3A och även möjlig- heten till penetration elimineras. Alltefter den önskade förstärkningsfaktorn kan de nödvändiga tjocklekarna och dopningsgraderna väljas av varje fackman inom de genom uppfinningen ställda gränsvärdena.

I exemplen i fig 1 och fig 4 var den substratregionanslutande skiktdelen 454 732 10 3A1 kraftigare dopad än den ytanslutande skiktdelen 3A2 eftersom den strömfö- rande skiktdelen i dessa fall anslöt till substratet. Så är ej alltid fallet.

Exempelvis i en fälteffekttransistor med isolerat styre ansluter det strömfö- rande skiktet till ytan. Fig 5 visar ett schematiskt tvärsnitt av en sådan fälteffekttransistor av typen D-MOST uppbyggd enligt RESURF-principen, d.v.s. vid påföring av en spänning i backriktningen över pn-övergângen 5 utarmas den n-ledande ö-regionen A upp till ytan 2 redan innan genombrottsspänningen för övergången uppnås. Denna anordning är symmetrisk med avseende på linjen MM'.

Mellan styrelektroden 51 och halvledarytan 2 finns ett tunt styre-oxidskikt 52, medan p-kanalregionen 53 och n-emitterzonen 54 är diffunderade via samma föns- ter i regionen 3A, och en kraftigt dopad n-zon 55 är anordnad som kollektorzon.

Emitterzonen 54 och kanalregionen 53 är kortslutna genom ett ledande skikt 56, medan kollektorzonen 55 är kontakterad genom ett ledande skikt 57.

I denna anordning är den strömförande delen av regionen 3A belägen vid -ytan. Sålunda består i detta fall enligt uppfinningen regionen 3A av en första skiktdel 3Al och en andra skiktdel 3A2, som ansluter till ytan 2 och som har en högre genomsnittlig nettodopningskoncentration än skiktdelen 3A1, som ansluter till substratet 4. Det skall tillses att i likhet med de föregående utförings- exemplen den totala nettodopningen i regionen 3A räknat i atomer/cmz maximalt är lika med det maximivärde vid vilket fortfarande är uppfyllt villkoret med utarmning upp till ytan vid en spänning understigande genombrottsspänningen för pn-övergången 5. Vid exempelvis en total nettodopning av 1012 donatorato- mer/cmz för hela regionen 3A, så kan skiktdelen 3A2 ha en tjocklek av 1/um och en genomsnittlig dopningskoncentration av 8xl0l5 atomer/cm3 (d.v.s. llatom/cmz) medan skiktdelen 3A1 kan ha tjockleken 15 0 total dopning av 8x10 2/um och en genomsnittlig dopningskoncentration av 1 atomer/cm3 (total dopning zxiollatnn/cnz). skiktaeien 3A2, i vilken strömmen huvudsakligen flyter, har sålunda väsentligt kraftigare dopning än då regionen 3A skulle vara g homogent dopad (i vilket fall dess dopningskoncentration skulle vara 1012/3x10'4=3,3xl0l5atom/cm3).

Fig 6 visar ett tvärsnitt av ett ytterligare utföringsexempel pâ anord- ningen enligt uppfinningen utgörande en bipolär högspänningstransistor av typen RESURF i vilken skiktregionen 3A är uppbyggd av skiktdelar av motsatta led; ningsförmågetyper, d.v.s. en n-skiktdel 3Al och en p-skiktdel 3A2. Transistorn innefattar en p-baszon 61 och en n-emitterzon 62. I detta modifierade utfö- ringsexempel är den andra, till ytan 2 anslutande p-skiktdelen 3A2 lokalt av- bruten mellan p-separationsregionen 6 och baszonen 61 genom kollektorzonen 63, 454 732 _ w.. 11 som sträcker sig genom skiktdelen 3A2 in i den första skiktdelen 3Al. Liksom i exemplet i fig 3 kan n-skiktdelen 3Al under p-skiktdelen 3A2 vara jämförelsevis kraftigt dopad medan trots detta skiktdelarna 3Al och 3A2 tillsammans utarmas upp till ytan 2 för en spänning över pn-övergången 5 som understiger genom- brottsspänningen. Som ett resultat av detta kan en hög genombrottsspänning för pn-övergången 5 och sålunda också för kollektor-basövergången uppnås eftersom i driftstillståndet baszonen 61 vanligtvis har väsentligen samma potential som substratet 4, medan trots detta kollektorseriemotstândet är lågt till följd av den jämförelsevis höga dopningskoncentrationen i skiktdelen 3Al. I detta exem- pel måste också dopningen i skiktdelen 3A2 vara tillräckligt låg för att ge en total utarmning av skiktdelen vid en spänning som understiger genombrottsspän- ningen. Transistorn i fig 6 är även lämplig för anvädning i emitterföljarekret- sar där både emittern och kollektorn har hög spänning i förhållande till sub- stratregionen 4.

Fig 7 visar en planvy och fig 7A och B tvärsnittsvyer av en fälteffekt- transistor med isolerat styre innefattande en skiktformad halvledarregion 3A med en första n-skiktdel 3Al på ett p-substrat 4 och en överlagrad ytanslutande p-skiktdel 3A2 liksom i exemplen i fig 3 och 6. Anordningen i fig 7 utgör en fälteffekttransistor av typen D-MOST liksom transistorn i fig 5 och innefattar emitter- och kollektorzoner 71 och 72 av n-typ med anslutningar S och D, en styrelektrod 73 med en anslutning G och en p-kanalregion 74. Dopningarna i p-skiktdelen 3 och n-skiktdelen 3Al enligt uppfinningen måste uppfylla samma villkor som i exemplen i fig 3 och 6. p-skiktdelen 3A2 kan i detta fall ej överallt fortsätta upp till kanalregionen 74 eftersom fälteffekttransistorn i så fall ej skulle fungera eftersom ingen strömkanal utbildas i de delar av skiktet 3A2 som är belägna utanför styreleketroden. Skiktdelen 3A2 har därför på de flesta ställena ej utsträckning upp till kanalregionen 74 utan är avbru- ten genom att förutom regionen 74 den första skiktdelen 3Al sträcker sig upp till ytan. I planvyn i fig 7 är visat att hål 75 är anordnade för detta ändamål i skiktet 3A2. Mellan hålen är skiktet 3A2 fortfarande anslutet till regionen 74 via bryggor 76 så att skiktdelen 3A2 ej "flyter", vilket generellt sett skulle vara olämpligt. Fig 7A är ett tvärsnitt längs linjen AA' i fig 7. På dessa ställen är D-MUST-anordningen verksam. Fig 7B visar ett tvärsnitt längs linjen BB' och på dessa ställen flyter ingen ström från S till D och D-MÖšl-an- ordningen är ej verksam. Dopningsprofilen i fig 7 har samma fördelar som den hos exemplen i fig 3 och 6, dvs utarmning från två håll av skiktdelen 3Al mel- lan regionerna 3A2 och 4 och dopningen av skiktdelen 3Al kan vara jämförelsevis 454 732 12 hög och seriemotståndet motsvarande lågt. Denna D-MOST-anordning är också an- vändbar i emitterföljarekretsar.

Fig 8 visar ett tvärsnitt av en anordning med en skiktformad region 3A innefattande fler än två successiva skiktdelar av växelvisa ledningsförmågety- per. Som är visat i fig 8 kan man härigenom realisera en integrerad krets med komplementära övergångsfälteffekttransistorer.

En JFET-anordning med en n-kanalregion 3A1 och en n+-emitter samt kol- lektorzoner 81 och 82 (anslutningarna S1 och D1) liksom en p+-styrelek- trodzon 83 finns på vänstra sidan. Den ö-formade delen 3A av den skiktformade halvledarregionen, som i sidled är begränsad genom den diffunderade p+ sepa- rationsregionen 6, är uppbyggd av en första n-skiktdel 3A1, en andra p-skiktdel 3A2 och en tredje n-skiktdel 3A3. Regionen 3A har också i detta fall en sådan nettodopning räknat i atomer/cmz att densamma är fullständigt utarmad från p-substratet 4 upp till ytan 2 innan genombrottsspänningen för pn-övergången 5 uppnås. För detta ändamål är också säkerställt att den sista ytanslutande skiktdelen 3A3 i sig själv har så låg dopning att densamma kan utarmas från den andra skiktdelen 3A2 upp till ytan innan pn-övergångens 5 genombrottsspänning uppnås. Styrelektrodzonen 83, som är visad med streckade linjer i figuren, är inom halvledarkroppen och inom skiktdelen 3A2 kopplad till p-separationsregio- nen 6 och kontakterad via denna region (anslutning G1).

En motsvarande skikthalvledarregion 3A', som är uppbyggd av skiktdelar 3A'1, 3A'2 och 3A'3, som ingår i samma halvledarskikt som skiktdelarna 3Al, 3A2 och 3A3 finns till höger. Dopningarna i nämnda skiktdelar uppfyller också samma villkor. På det sätt som är visat i figuren åstadkommes en komplementär JEFT- -anordning med emitter- och kollektorzoner 84 och 85 av p+-typ (anslutningar- na S2 och D2), en n+-styrelektrodzon 86 (anslutningen G2) och en p-ka- nalregion 3A'2 i den ö-formade regionen 3A'. n-kanaldelarna 3A'3 och 3Al är sammankopplade genom en ringformad n-zon 87. På detta sätt åstadkommes två komplementära övergångsfälteffekttransistorer, som båda är lämpliga för hög- spänning, i samma halvledarkropp. Eftersom n-skiktdelarna är kopplade till sam- ma potential via zonerna 81 och 87 och p-skiktdelarna är kopplade till samma potential via gonerna 6, så utarmas skiktdelarna 3Al och 3A2 liksom skiktdelar- na 3A'1 och 3A'2 från två håll i vertikalled, medan skiktdelarna 3A3 och_§§'3 utarmas endast underifrån. Utarmning erhålles också vid kanterna av samtliga skiktdelar från separationsregionerna 6.

I de beskrivna exemplen utgörs separationsregionen 5 i samtliga fall av en halvledarzon. Emellertid är det ibland också möjligt att istället använda 454 732 _ -uq 13 en separationsregion âstadkommen genom ett isolerande material. Fig 9 visar som exempel ett modifierat utföringsexempel som i varje avseende överensstänmer med exemplet i fig 1, men där separationsregionen 96 âstadkommes genom ett (delvis) försänkt mönster av kiseloxid. Regionen 96 kan i vissa fall också utelämnas helt och i så fall bildas separationsregionen av en skära och erhålles därige- nom en mesastruktur.

De villkor som dimensionerna och nettodopningskoncentrationen för den skiktformade regionen 3A måste uppfylla för att denna region skall utarmas fullständigt redan gott och väl innan genombrott inträffar (de s k RESURF-vill- koren) är beskrivna i de ovan nämnda holländska patentansökningarna och den ovannämnda publikationen i Philips Journal of Research. Av dessa skrifter fram- går att produkten av nettodopningskoncentrationen N uttryckt i atomer/cm3 och tjockleken d uttryckt i cm för regionen 3A måste understiga ett givet gränsvär- de. Detta gränsvärde beror bl a på dopningen i substratregionen 4. För kisel 014 gäller med de vanliga substratdopningsgraderna av i varje fall 1 ato- OI5 3, att den totala nettodopningskoncen- 12 2 mer/cm3 och maximalt 1 atomer/cm trationen N x d för skiktregionen 3A skall vara ungefär 10 företrädesvis i varje fall lika med 8 x 1011 atomer/cm2 och maximalt lika med 1,5 x 1012/cm2.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till de beskrivna utföringsexemp- len. Exempelvis kan man istället för kisel använda varje annat lämpligt halv- ledarmaterial såsom exempelvis germanium eller galliumarsenid. Dessutom kan i varje utföringsexempel ledningsförmågetyperna för samtliga halvledarregioner (samtidigt) utbytas mot sin motsats. Uppfinningen kan tillämpas för alla halv- ledaranordningar av typen "RESURF" förutsatt att nämnda villkor avseende dop- ningen i de olika skiktdelarna uppfylles. I de beskrivna exemplen behöver de elektriska anslutningarna ej överensstämma med vad som är visat på ritningen.

Exempelvis kan i anordningen i fig 1 styrelektrodzonen 9 som alternativ vara elektriskt separerad från substratet 4. Substratregionerna hos anordningarna kan för såvitt desamma ej användes som (andra) styrelektroder vara jordanslutna eller om önskvärt vara anslutna till någon annan referenspotential. En mångfald olika utföringsexempel är tänkbara för varje fackman inom uppfinningens ram. atomer/cm och ___

Claims (22)

454 732 f 14 Patentkrav

1. Halvledaranordning med en halvledarkropp innefattande en substratregion (4) av en första ledningsförmâgetyp, en ytanslutande, skiktformad halvledarregion (3A) anordnad på substratregionen, varvid åtminstone en del av den skiktformade halv- ledarregionen (3A) är av den andra ledningsförmâgetypen och bildar en pn-över- gång (5) med substratregionen, medan åtminstone en zon av ett halvledarkretsele- ment (7-9) är anordnad inom halvledarregionen, och varvid den totala nettodopnings- koncentrationen av den andra ledningsförmâgetypen i nämnda skiktformade halvledar- region (3A) uttryckt i atomer/ytomrâdesenhet är så låg att vid pàföring av en spän- ning i backriktningen över pn-övergången utarmningszonen i varje fall lokalt sträcker sig från pn-övergången upp till ytan vid en spänning som understiger pn-övergângens genombrottsspänning, k ä n n e t e c k n a d av att den skiktformade halvledar- regionen (3 A)utmed i varje fall en del av sitt omrâde och i en riktning vinkel- rätt mot ytan uppvisar en dopningsprofil innefattande åtminstone två överliggan- de skiktdelar (3A1, 3A2) av olika genomsnittlig nettodopningskoncentration av en för varje skiktdelgiven ledningsförmågetyp.

2. Halvledaranodning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone den substratregionanslutande delen (3A1) av°den andra ledningsförmâge- typen hos den skiktformade halvledarregionen är kraftigare dopad än substratre- gionen (4).

3. Halvledaranordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda skiktdelar (3A1, 3A2) med olika nettodopningskoncentrationer har utsträckning upp till kanten av den skiktformade halvledarregionen.

4. Halvledaranordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e- t e c k n a d av att den skiktformade halvledarregionen (3A) enbart är av den andra ledningsförmâgetypen.

5. Halvledaranordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k na d av att skiktdelen (3A1) med den största genomsnittliga dopningskoncentrationen ansluter till substratregionen (4).

6. Halvledaranordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att skiktdelen med den största genomsnittliga dopningskoncentrationen bildas av ett skikt (3A1) av den andra ledningsförmâgetypen som är inplanterat i substratet. w 454 732

7. Halvledaranordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att skiktdelen (3A2) med den största genomsnittliga dopningskoncentrationen ansluter till ytan.

8. Halvledaranordning enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k- n a d av att den skiktformade halvledarregionen (3A) innefattar åtminstone en första skiktdel (3A1) av den andra ledningsförmâgetypen, som ansluter till sub- stratregionen (4), och åtminstone en därpå anordnad andra skiktdel (3A2) av den första ledningsförmägetypen, varvid skiktdelarna av den första ledningsförmâge- typen är kopplade till en potential som är väsentligen lika med substratregio- nens potential, och varvid medel förefionnes för att tillse att den översta ytanslutande skiktdelen i sig själv utarmas fullständigt vid en spänning över pn-övergången (5) som understiger genombrottsspänningen.

9. Halvledaranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda medel innebär en tillräckligt låg dopningskoncentration i sistnämnda skikt- del (3A2).

10. Halvledaranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda medel innebär en fältelektrod (100), som är separerad från nämnda översta skiktdel genom ett isolerande skikt (101) och som är kopplad till en potential vä- sentligen lika med potentialen för skiktdelen som ligger under nämnda översta skiktdel.

11. Halvledaranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att skiktdelarna av den första ledningsförmågetypen är kopplade till substratregio- nen genom halvledarzoner (6) av den första ledningsförmågetypen.

12. Halvledaranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att den skiktformade halvledarregionen (3A) består av ett antal successiva skikt av växelvisa ledningsförmågetyper (3A1, 3A2. 3A3), varvid skiktdelarna (3A1, 3A3) av den andra ledningsförmågetypen är inbördes kopplade till väsentligen samma po- tential. __

13. Halvledaranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda andra skiktdelar ansluter till ytan. 454 752 w

14. Halvledaranordning enligt patentkravet 13, k ä n n e t e c k n a d av att den andra skiktdelen (3A2) är lokalt avbruten.

15. Halvledaranordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e- t e c k n a d av att åtminstone en av nämnda skiktdelar innefattar ett epi- taxiellt odlat skikt.

16. Halvledaranordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e- t e c k n a d av att nämnda halvledarregion är ö-formad och sidledes begränsad genom en separationsregion (6,96) med utsträckning från ytan utmed väsentligen hela halvledarregionens tjocklek.

17. Halvledaranordning enligt patentkravet 16, k ä n n e t e c k n a d av att separationsregionen (6) innefattar en halvledarzon av den första lednings- förmågetypen.

18. Halvledaranordning enligt patentkravet 16, k ä n n e t e c k n a d av att separationsregionen innefattar ett-mönster (96) av elektriskt isolerande ma- terial som i varje delvis är förstärkt i halvledarkroppen.

19. Halvledaranordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e- t e c k n a d av att substratregionen har en dopningskoncentration lika med åtminstone 1014 atomer/cm3 och maximalt 1015 atomer/cm3 samt att den totala nettodopningskoncentrationen i den skiktformade halvledarregionen är lika med åtminstone 8 x 1011 atomer/cmz och maximalt 1,5 x 1012 atomer/cmz.

20. Halvledaranordning enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e- t e c k n a d av att den skiktformade regionen (3A) bildar kanalregionen i en övergångsfälteffekttransistor eller JFET-transistor_

21. Halvledaranordning enligt något av patentkraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d av att den skiktformade regionen (3A) ansluter till kollektorzonen och kanalre- gionen i en lateral, självreglerande fälteffekttransistor med isolerat styre eller D-MOST-transistor. -_

22. Halvledaranordning enligt något av patentkraven 1-19, k ä n n e t e c k- n a d av att den skiktformade regionen tillhör kollektorzonen i en bipolär transistor.