DE19614876C1 - Simple mass production of integrated semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L- Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren und ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a method for producing an integrated semiconductor arrangement with I²L Logic inverters in combination with high blocking NPN transistors and a Process for their production.
Ein wesentlicher Parameter für das Funktionieren einer I²L-Logikschaltung ist die effektive Aufwärtsstromverstärkung BEFF. Sie kann wie folgt definiert werden (Fig. 2, 3a und 3b):An essential parameter for the functioning of an I²L logic circuit is the effective upward current gain B EFF . It can be defined as follows ( Fig. 2, 3a and 3b):
mitWith
IC|Ib=0: Kollektorstrom des Inverters bei offenem Basisanschluß
IB|Ub=0: Strom, der aus dem Basisanschluß fließt, wenn die Basis auf
Bezugspotential liegtI C | Ib = 0 : collector current of the inverter with open base connection
I B | Ub = 0 : Current that flows from the base connection when the base is at reference potential
jeweils bei konstanter Injektorspannung Uinj.each with a constant injector voltage U inj .
Nach F. M. Klaassen, "Device Physics of Integrated Injection Logic", IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-22, pp. 145-152, March 1975, kann dieser Parameter auch nach folgender Beziehung berechnet werden:According to F. M. Klaassen, "Device Physics of Integrated Injection Logic", IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-22, pp. 145-152, March 1975, this one Parameters can also be calculated according to the following relationship:
mitWith
Bup = Aufwärtsstromverstärkung des NPN-Transistors des Inverters (ohne
Injektor);
In0 = Transfersättigungsstrom des aufwärtsbetriebenen NPN-Transistors;
Ip0 = Transfersättigungsstrom des Injektionstransistors (lateral-PNP).B up = up-current amplification of the NPN transistor of the inverter (without injector);
I n0 = transfer saturation current of the step- up NPN transistor;
I p0 = transfer saturation current of the injection transistor (lateral PNP).
Um eine möglichst hohe Aufwärtsstromverstärkung BEFF zu erhalten, sollte sowohl die Aufwärtsstromverstärkung des NPN-Transistors des Inverters Bup als auch das Verhältnis vom Transfersättigungsstrom In0 des aufwärtsbetriebenen NPN-Transistors zum Ip0 des Injektionstransistors möglichst groß sein.In order to obtain the highest possible upward current gain B EFF , both the upward current gain of the NPN transistor of the inverter B up and the ratio of the transfer saturation current I n0 of the upward operated NPN transistor to the I p0 of the injection transistor should be as large as possible.
Faßt man alle Konstanten in "const" zusammen, kann für das Verhältnis der beiden Transfersättigungsströme auch geschrieben werden:If you summarize all constants in "const", the ratio of the both transfer saturation currents are also written:
mit
Rbi = innerer Basisbahnwiderstand des NPN (Pinchwiderstand);
NEPI = Epitaxiekonzentration;
WBPNP = Basisweite des Injektionstransistors;
FKOLL = Kollektorfläche des NPN-Transistors (aufwärts);
FPNP = wirksame Emitterfläche des Injektionstransistors.With
R bi = inner baseline resistance of the NPN (pinch resistance);
N EPI = epitaxial concentration;
W BPNP = base width of the injection transistor ;
F KOLL = collector area of the NPN transistor (upwards);
F PNP = effective emitter area of the injection transistor.
Mit diesen 5 Parametern und der Aufwärtsstromverstärkung des NPN-Transistors des Inverters Bup, die selbst auch von einigen dieser Parameter abhängt, kann die Aufwärtsstromverstärkung BEFF eingestellt werden. Technologisch lassen sich nur Rbi und NEPI beeinflussen. Die anderen Parameter sind über die Layoutgeometrien veränderbar. Dabei ist man üblicherweise bemüht, Minimalgeometrien zu verwenden.With these 5 parameters and the up-current amplification of the NPN transistor of the inverter B up , which itself also depends on some of these parameters, the up-current amplification B EFF can be set. Technologically, only R bi and N EPI can be influenced. The other parameters can be changed via the layout geometries. One usually tries to use minimal geometries.
Bei einem Standard-Buried-Collector-Prozeß (SBC-Prozeß) ohne zusätzliche Masken- oder Technologieschritte sind der Kombination von I²L-Logik und hochsperrenden NPN-Transistoren Grenzen gesetzt, da die Erhöhung von Rbi und NEPI die Sperrspannung der NPN-Transistoren reduziert.In a standard buried collector process (SBC process) without additional mask or technology steps, the combination of I²L logic and high-blocking NPN transistors is limited because the increase in R bi and N EPI the reverse voltage of the NPN transistors reduced.
Aus "Technologie für LSI-Bausteine in linear-kompatibler I²L-Technik", Forschungsbericht T83-210, Oktober 1983, S. 50-61, ist die Verwendung eines zusätzlichen Buried-Layers zur Erhöhung des Parameter NEPI bekannt.From "Technology for LSI modules in linearly compatible I²L technology", research report T83-210, October 1983, pp. 50-61, the use of an additional buried layer to increase the parameter N EPI is known.
Aus L. Halbo und T. A. Hansen: "I²L and High-Voltage Analog Circuitry on the Same Chip", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-14, pp. 666-671, August 1979, ist es bekannt durch die Reduzierung der Basis-Weite (shallow base) den Parameter Rbi zu erhöhen.From L. Halbo and TA Hansen: "I²L and High-Voltage Analog Circuitry on the Same Chip", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-14, pp. 666-671, August 1979, it is known to increase the parameter R bi by reducing the base width (shallow base).
Beide Maßnahmen erhöhen die Aufwärtsstromverstärkung Bup.Both measures increase the upward current gain B up .
Beide Vorschläge stellen jedoch in der Serienfertigung von integrierten Halbleiteranordnungen ein Problem dar. Wegen der unvermeidlichen Prozeßtoleranzen können Ausfälle der Schaltkreise durch eine zu kleine oder durch zu große Aufwärtsstromverstärkung auftreten. Bei einer zu kleinen Aufwärtsstromverstärkung weist der Inverter keine Logikfunktion mehr auf, bei einer zu großen Aufwärtsstromverstärkung ist die Sperrspannung des Inverters bis hin zum Emitter-Kollektor-Kurzschluß reduziert.However, both proposals pose in the series production of integrated Semiconductor devices pose a problem. Because of the inevitable Process tolerances can cause circuit breakdowns due to a too small or occur due to excessive upward current amplification. With a too small one Upward current amplification, the inverter no longer has a logic function, at If the upward current gain is too high, the reverse voltage of the inverter is up to reduced to the emitter-collector short circuit.
Aus der US-PS 4,272,307 ist eine Integrierte Halbleiteranordnung mit I²L- Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren bekannt, die zum einen einen zusätzlichen Buried Layer im Bereich der mit I²L- Logikinvertern und zum anderen die Reduzierung der Basis-Weite bei der I²L-Basis im Vergleich zu den Basen der hochsperrenden NPN-Transistoren vorsieht. Dadurch wird die Aufwärtsstromverstärkung BEFF eines I²L-Inverters derart erhöht, daß eine ausreichende Betriebssicherheit der Schaltkreise auch bei einer Serienfertigung gewährleistet ist. Die Eigenschaften von weiteren in der bipolaren Technologie gebräuchlichen Bauelemente werden nicht beeinflußt.An integrated semiconductor arrangement with I²L logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors is known from US Pat. Base compared to the bases of the high blocking NPN transistors. As a result, the upward current gain B EFF of an I²L inverter is increased in such a way that sufficient operational reliability of the circuits is ensured even in series production. The properties of other components used in bipolar technology are not affected.
Aus dieser Druckschrift ist auch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Halbleiteranordnung bekannt. Auf einem p-leitendem Substrat wird zunächst eine erste n-leitende epitaktische Schicht aufgewachsen. Anschließend werden durch dotieren mit Antimon die zusätzlichen Buried Layer im Bereich der mit I²L-Logikinvertern definiert. Anschließend wird eine zweite n-leitende epitaktische Schicht aufgewachsen. Dann werden Separationzonen eingebracht und dann die Anordnung in einem thermischen Prozeß ausgeheilt. Dadurch diffundiert das Antimon aus der ersten epitaktischen Schit in die zweite und bildet die zusätzlichen Buried Layer Zonen. Schließlich werden die Basiszonen und die Injektorzonen der Inverter und die Basiszonen der hochsperrenden NPN-Transistoren gemeinsam in den folgenden Verfahrensschritten hergestellt. Die reduzierte Basisweite des I²L-Teils wird durch unterschiedliche Eindringtiefen der Kollektorzonen in die I²L-Basis bzw den Basiszonen der hochsperrenden NPN-Transistoren erzielt.From this document there is also a method for producing such Semiconductor arrangement known. On a p-type substrate, a first n-type epitaxial layer grew. Then be through endow the additional buried layers with antimony in the area of I²L logic inverters defined. Then a second n-type epitaxial layer grew up. Then separation zones are introduced and then annealed the assembly in a thermal process. Thereby diffuses the antimony from the first epitaxial layer into the second and forms the additional buried layer zones. Finally, the base zones and the Injector zones of the inverters and the base zones of the high-blocking NPN transistors are made together in the following process steps. The reduced base width of the I²L part is different Penetration depths of the collector zones in the I²L base or the base zones of the high-blocking NPN transistors achieved.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren anzugeben, das sich durch einen einfachen Verfahrensablauf auszeichnet und bei dem eine ausreichende Betriebssicherheit der Schaltkreise auch bei einer Serienfertigung gewährleistet ist.The object of the invention is a method for producing an integrated Semiconductor arrangement with I²L logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors indicate that it is a simple process distinguished and with a sufficient Operational reliability of the circuits guaranteed even in series production is.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.This task is accomplished through a method of making an integrated Semiconductor arrangement with I²L logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors with the features of claim 1 solved. The beneficial The method is designed according to the characteristics of the dependent Expectations.
Bei einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren, wobei die I²L- Logikinverter eine Injektorzone, eine Basiszone und eine in der Basiszone angeordnete Kollektorzone und die hochsperrenden NPN-Transistoren eine Kollektorzone, eine Basiszone und eine in der Basiszone angeordnete Emitterzone aufweisen; und die I²L-Logikinverter und die NPN-Transistoren in einer epitaktischen Halbleiterschicht auf einem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind und zwischen der epitaktischen Halbleiterschicht und dem Halbleitersubstrat Buried Layer Zonen (3) angeordnet sind, ist es vorgesehen, daß in den Bereichen der I²L-Logikinverter auf den Buried Layer Zonen (3) weitere, zusätzliche Buried Layer Zonen (4) angeordnet sind und daß die Basiszonen der I²L- Logikinverter eine im Vergleich zu den Basiszonen der hochsperrenden NPN- Transistoren zumindest teilweise verringerte Basisweite aufweisen. Die Eigenschaften der weiteren in der bipolaren Technologie gebräuchlichen Bauelemente werden nicht beeinflußt.In an integrated semiconductor device with I²L logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors, the I²L logic inverters having an injector zone, a base zone and a collector zone arranged in the base zone and the high-blocking NPN transistors a collector zone, a base zone and one arranged in the base zone Have emitter zone; and the I²L logic inverters and the NPN transistors are arranged in an epitaxial semiconductor layer on a semiconductor substrate ( 1 ) and are arranged between the epitaxial semiconductor layer and the semiconductor substrate buried layer zones ( 3 ), it is provided that in the areas of the I²L Logic inverters on the buried layer zones ( 3 ) further, additional buried layer zones ( 4 ) are arranged and that the base zones of the I²L logic inverters have a base width which is at least partially reduced compared to the base zones of the high-blocking NPN transistors. The properties of the other components used in bipolar technology are not affected.
Die Basisweite der I²L-Logikinverter ist vorteilhaft gegenüber der Basisweite der NPN-Transistoren um ca. 10% verringert.The basic width of the I²L logic inverter is advantageous compared to the basic width of the NPN transistors reduced by approximately 10%.
Die verbleibende Restdicke der epitaktischen Halbleiterschicht zwischen den zusätzlichen Buried Layer Zonen (4) und den Basiszonen der I²L-Logikinverter beträgt ca. 1-2 µm.The remaining residual thickness of the epitaxial semiconductor layer between the additional buried layer zones ( 4 ) and the base zones of the I²L logic inverters is approx. 1-2 µm.
Die Buried Layer Zonen (3) sind mit einem langsam diffundierenden Stoff dotiert, während die zusätzlichen Buried Layer Zonen (4) mit einem schnell difundierenden Stoff dotiert sind. The buried layer zones ( 3 ) are doped with a slowly diffusing substance, while the additional buried layer zones ( 4 ) are doped with a rapidly diffusing substance.
Das Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L- Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren umfaßt die nachfolgenden, in der angegebenen Reihenfolge ablaufende Verfahrensschritte. In einem Halbleitersubstrats vom P Typ erfolgt nach Maskierung das Einbringen von Störstellen für Buried Layer Zonen durch einen ersten, langsam diffundierenden Dotierstoff vom N Typ. Anschließend werden die Buried Layer Zonen in einem thermischen Prozeß ausgeheilt. Nach erneuter Maskierung erfolgt das Einbringen der Störstellenimplantation für vergrabene Separationszonen durch einen zweiten Dotierstoff vom P Typ. Nach einer weiteren Maskierung werden die Störstellen für zusätzliche Buried Layer Zonen durch einen dritten, schnell diffundierenden Dotierstoff vom N Typ eingebracht. Das Ausheilen der vergrabenen Separationszonen und der zusätzlichen Buried Layer Zonen geschieht in einem einzigen thermischen Prozeß. Dann wird eine einkristalline Halbleiterschicht vom N Typ epitaktisch aufgewachsen. Nach einer Maskierung erfolgt das Einbringen der Störstellen für die p⁺-Separationszonen in Übereinstimmung mit den vergrabenen Separationszonen durch einen vierten Dotierstoff vom P Typ. Nach erneuter Maskierung erfolgt das Einbringen der Störstellen für die n⁺-tief Anschlußzonen durch einen fünften Dotierstoff vom N Typ. Anschließend werden durch Maskierung, Photolithographie die I²L-Basis, der I²L-Injektor und NPN-Basis anhand von Fensteröffnungen in einer ersten Hilfsschicht definiert. Anschließend erfolgt das Einbringen von ersten Störstellen in die Basiszonen und gleichzeitig in die I²L-Basis durch einen sechsten Dotierstoff vom P Typ. Dann werden die Fensteröffnung für die I²L-Basis durch eine zweite Hilfsschicht abgedeckt und anschließend werden zweite Störstellen in die NPN-Basis und die I²L-Injektorzone durch einen siebten Dotierstoff vom P Typ eingebracht. Nach einer Maskierung erfolgt das Einbringen der Störstellen für die Kollektoren der I²L-Logikinvertern und die Emitter und Kollektoren der NPN-Transistoren durch einen achten Dotierstoff vom N Typ.The method of manufacturing an integrated semiconductor device with I²L- Logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors the following, in the order given Procedural steps. In a P-type semiconductor substrate, the following occurs Masking the introduction of impurities for buried layer zones by a first, slowly diffusing dopant of the N type. Then the Buried layer zones healed in a thermal process. After renewed Masking involves the introduction of the impurity implantation for buried ones Separation zones by a second P type dopant. After a The masking points for additional buried layer zones are further masked through a third, rapidly diffusing N-type dopant. Healing the buried separation zones and the additional buried Layer zones occur in a single thermal process. Then one monocrystalline semiconductor layer of the N type epitaxially grown. After a Masking takes place in the impurities for the p⁺ separation zones in Agreement with the buried separation zones by a fourth P type dopant. After masking again, the Interfaces for the n⁺-deep connection zones due to a fifth dopant from the N Type. Then the I²L base, the I²L injector and NPN base based on window openings in a first Auxiliary layer defined. Then the first defects are introduced into the base zones and at the same time into the I²L base by a sixth P type dopant. Then the window opening for the I²L base is through a second auxiliary layer is covered and then second impurities in the NPN base and the I²L injector zone by a seventh P-type dopant brought in. After masking, the impurities are introduced for the collectors of the I²L logic inverters and the emitters and collectors of the NPN transistors through an eighth N-type dopant.
Fig. 1 zeigt eine integrierte Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinverter in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren nach der Herstellung durch das Verfahren nach der Erfindung, Fig. 1 shows an integrated semiconductor device having I²L logic inverter in combination with high-barrier NPN transistors after manufacture by the method according to the invention,
Fig. 2 zeigt einen I²L-Inverter gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 shows a I²L inverter according to the prior art,
Fig. 3a zeigt ein Ersatzschaltbild eines I²L-Inverters bei der Messung von Ic, Fig. 3a shows an equivalent circuit diagram of an I²L-inverter in the measurement of I c,
Fig. 3b zeigt ein Ersatzschaltbild eines I²L-Inverters bei der Messung von Ib, FIG. 3b shows an equivalent circuit diagram of an I²L-inverter in the measurement of I b,
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem ersten Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 4 shows a cross section through a semiconductor device at a first time of its manufacture,
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem zweiten Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 5 shows a cross section through a semiconductor device at a second time of its manufacture,
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem dritten Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 6 shows a cross section through a semiconductor device at a third time of its manufacture,
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem 4. Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 7 shows a cross section through a semiconductor device at a fourth time of manufacture,
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem 5. Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 8 shows a cross section through a semiconductor device at a 5th time of manufacture,
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem 6. Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 9 shows a cross section through a semiconductor device at a 6th time of manufacture,
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung zu einem 7. Zeitpunkt ihrer Herstellung, Fig. 10 shows a cross section through a semiconductor device at a time of manufacture of 7,
Fig. 11 zeigt ein Dotierungsprofil der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung. Fig. 11 shows a doping profile of the semiconductor device according to the invention.
Die Fig. 1 zeigt eine integrierte Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinverter in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren im Querschnitt. Die Darstellung ist so gewählt, daß auf der linken Seite ein I²L-Inverter und auf der rechten Seite ein hochsperrender NPN-Transistor zu sehen ist. I²L-Inverter und hochsperrender NPN-Transistor sind durch eine von der Halbleiteroberfläche bis zu Substrat 1 reichenden Separationszone 6 voneinander getrennt. In dem Halbleiter Substrat vom p Typ sind die Buried Layer Zonen 3 vom n Typ sowohl im Bereich der I²L-Inverter als auch der NPN-Transistoren angeordnet. Darüber befindet sich eine epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht 2 vom n Typ. Im Bereich der I²L-Inverter ist auf der Buried Layer Zone 3 eine weitere, zusätzliche Buried Layer Zone 4 vom n Typ angeordnet. Sie reicht weiter in die epitaktische Schicht 2 hinein und verringert somit die über der zusätzlichen Buried Layer Zone 4 verbleibende Restdicke der epitaktischen Schicht 2. Fig. 1 shows an integrated semiconductor device with I²L logic inverter in combination with high-blocking NPN transistors in cross section. The illustration is chosen so that an I²L inverter can be seen on the left side and a high-blocking NPN transistor can be seen on the right side. I²L inverter and high-blocking NPN transistor are separated by a separation zone 6 extending from the semiconductor surface to substrate 1 . In the p-type semiconductor substrate, the buried layer zones 3 of the n type are arranged both in the region of the I²L inverters and in the NPN transistors. There is an epitaxially grown semiconductor layer 2 of the n type. In the area of the I²L inverter, another, additional buried layer zone 4 of the n type is arranged on the buried layer zone 3 . It extends further into the epitaxial layer 2 and thus reduces the remaining thickness of the epitaxial layer 2 that remains above the additional buried layer zone 4 .
In der Oberfläche der epitaktischen Schicht sind die Basiszone 8 und die Kollektorzone 10a des NPN-Transistors, die Basisanschlußzone 8′, die Injektorzone 8′′ und die I²L-Basiszone 9 des I²L-Inverters eingelassen. In der I²L-Basiszone 9 ist die Kollektorzone 11 des I²L-Inverters und in der Basiszone 8 des NPN-Transistors ist seine Emitterzone 10b eingelassen. Die Basiszone 8 des NPN-Transistors, die Basisanschlußzone 8′, die Injektorzone 8′′ und die I²L- Basiszone 9 des I²L-Inverters sind vom p Typ; die Kollektorzone 10a, die Emitterzone 10b des NPN-Transistors und die Kollektorzone 11 des I²L-Inverters sind vom n Typ. Die effektive Basiszone des I²L-Inverters, die I²L-Basis 9, weist eine gegenüber der die Basiszone 8 des NPN-Transistors und der Basisanschlußzone 8′ des I²L-Inverters verringerte Basisweite auf.In the surface of the epitaxial layer, the base zone 8 and the collector zone 10 a of the NPN transistor, the base connection zone 8 ', the injector zone 8 ''and the I²L base zone 9 of the I²L inverter are embedded. In the I²L base zone 9 is the collector zone 11 of the I²L inverter and in the base zone 8 of the NPN transistor its emitter zone 10 b is embedded. The base region 8 of the NPN transistor, the base terminal zone 8 ', the injector 8' 'and the base region 9 of the I²L- I²L inverter are of the p type; the collector zone 10 a, the emitter zone 10 b of the NPN transistor and the collector zone 11 of the I²L inverter are of the n type. The effective base zone of the I²L inverter, the I²L base 9 , has a reduced base width compared to the base zone 8 of the NPN transistor and the base connection zone 8 'of the I²L inverter.
Separationszonen 6 vom p Typ, die von der Oberfläche der epitaktisch gewachsenen Schicht 2 bis in das Halbleitersubstrat 1 reichen, sorgen für eine elektrische Isolation der Bauelemente. Auf der Oberfläche ist eine isolierende Schicht 12 angeordnet, die Fensteröffnungen für den Kontakt der aktiven Zonen mit der Metallisierung 14 aufweist.Separation zones 6 of the p type, which extend from the surface of the epitaxially grown layer 2 into the semiconductor substrate 1 , ensure electrical insulation of the components. An insulating layer 12 is arranged on the surface and has window openings for the contact of the active zones with the metallization 14 .
In der vorliegenden Erfindung werden zwei Maßnahmen kombiniert, die sowohl Bup als auch In0/Ip0 erhöhen. Durch eine Reduzierung der Basisweite der I²L- Basiszone 9 und gleichzeitig durch eine zusätzliche Buried Layer Zone 4 im Bereich der I²L-Logikinverter werden die Parameter Rbi und Bup erhöht. Jede der beiden Maßnahmen wird so durchgeführt, daß sie, für sich allein durchgeführt, keine Einhaltung des unteren Grenzwertes für BEFF sicherstellt. Man erhält zusammen jedoch genügend Sicherheitsreserven für die Sperrspannung des Inverters.In the present invention, two measures are combined which increase both B up and I n0 / I p0 . The parameters R bi and B up are increased by reducing the base width of the I²L base zone 9 and at the same time by an additional buried layer zone 4 in the area of the I²L logic inverters. Each of the two measures is carried out in such a way that it does not ensure compliance with the lower limit value for B EFF . However, together enough safety reserves are obtained for the reverse voltage of the inverter.
Die erste Maßnahme besteht in der Reduzierung der Basisweite (shallow base, flache Basis) der I²L-Basiszone 9 und dadurch in der Erhöhung der Parameter Rbi und Bup.The first measure is to reduce the base width (shallow base) of the I²L base zone 9 and thereby to increase the parameters R bi and B up .
Diese läßt sich vorteilhaft erzielen, wenn die Fenster in einer ersten Hilfsschicht (z. B. SiO₂) für die Implantation der I²L-Basiszonen 9 zusammen mit den Fenstern der anderen p-Gebiete, wie Basiszonen der hochsperrenden NPN-Transistoren 8 oder der Zonen der hochohmigen p-Widerständen, geöffnet (Fig. 9) und anschließend in einem Maskierungsschritt durch eine zweite Hilfsschicht 13c, z. B. einem Lack abgedeckt werden. Ein nachfolgender 1. Implantationsschritt dotiert die Basiszonen 8 und die eventuell vorhandenen p-Widerstände, ein 2. Implantationsschritt nach Entfernen der zweiten Hilfsschicht 13c alle geöffneten Zonen, d. h. die Basiszonen der hochsperrenden NPN-Transistoren 8, die p- Widerstände und die I²L-Basiszonen 9. Nach Ausheilen und Nachdiffusion erhält man in den Basiszonen 8 einen niedrigeren Schichtwiderstand und eine größere Eindringtiefe als in den I²L-Basiszonen 9 (Fig. 10).This can be achieved advantageously if the windows in a first auxiliary layer (z. B. SiO₂) for the implantation of the I²L base zones 9 together with the windows of the other p areas, such as base zones of the high-blocking NPN transistors 8 or the zones of high-resistance p-resistors, opened ( Fig. 9) and then in a masking step by a second auxiliary layer 13 c, z. B. a paint. A subsequent first implantation step doped the base zones 8 and any p-resistors, a second implantation step after removing the second auxiliary layer 13 c all open zones, ie the base zones of the high-blocking NPN transistors 8 , the p-resistors and the I²L- Base zones 9 . After healing and post-diffusion, a lower sheet resistance and a greater depth of penetration are obtained in the base zones 8 than in the I²L base zones 9 ( FIG. 10).
Probleme bereiten die Fertigungstoleranzen der Implantationsschritte und der Emitterdiffusion. Vergleichsweise kleine Schwankungen in der Stromverstärkung und des damit verbundenen Pinchwiderstandes der hochsperrenden NPN- Transistoren können extreme Schwankungen in der Stromverstärkung der I²L- Logikinverter verursachen, bedingt durch deren hohen inneren Basisbahnwiderstand (= Pinchwiderstand).The manufacturing tolerances of the implantation steps and the Emitter diffusion. Comparatively small fluctuations in the current gain and the associated pinch resistance of the high-blocking NPN Transistors can cause extreme fluctuations in the current gain of the I²L Cause logic inverters due to their high internal Baseline resistance (= pinch resistance).
Die zweite Maßnahme besteht in der Erhöhung des Parameters Bup durch eine emitterseitige Konzentrationserhöhung mittels einer zusätzlichen Buried Layer Diffusion.The second measure consists in increasing the parameter B up by increasing the concentration on the emitter side by means of an additional buried layer diffusion.
Im allgemeinen bemüht man sich bei abwärtsbetriebenen NPN-Transistoren die Ausdiffusion der Buried Layer Zonen 3 durch Verwendung von langsam diffundierenden Atomen wie Arsen oder Antimon gering zu halten. Eine ausschließlich im Bereich der I²L-Inverter zusätzlich auf diese Buried Layer Zone 3 aufgebrachte zusätzliche Buried Layer Zone 4 aus einem schnell diffundierenden Dotierstoff, wie z. B. Phosphor, verringert den effektiven Abstand zwischen der Buried Layer Zone 3 und der Basis und erhöht so den Emitterwirkungsgrad im Aufwärtsbetrieb.In general, efforts are made to keep the out-diffusion of the buried layer zones 3 low in the case of step-down NPN transistors by using slowly diffusing atoms such as arsenic or antimony. An additional buried layer zone 4, which is additionally applied to this buried layer zone 3 exclusively in the area of the I²L inverter, and is made of a rapidly diffusing dopant such as B. phosphorus, reduces the effective distance between the buried layer zone 3 and the base and thus increases the emitter efficiency in upward operation.
Die Probleme bei diesem Verfahren sind durch die Toleranzen beim Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf den Wafer bedingt, die sich mit zunehmender Epitaxiedicke erhöhen. Zu große Epitaxie-Basis-Abstände verringern die Aufwärtsstromverstärkung, zu kleine Epitaxie-Basis-Abstände dagegen erhöhen die Sperrschichtkapazität oder führen gar zur Durchdiffusion. Ferner ist auch für die Konzentration des zusätzlichen Buried Layers eine obere Grenze gesetzt, da sonst vermehrt Stapelfehler auftreten.The problems with this method are due to the tolerances when growing up an epitaxial layer on the wafer, which increases with increasing Increase epitaxial thickness. Too large epitaxial base distances reduce the On the other hand, increase the upward current gain and increase the epitaxy base spacing that is too small the barrier layer capacity or even lead to diffusion through. It is also for the concentration of the additional buried layer sets an upper limit because otherwise stack errors occur.
Eine reduzierte Basisweite der I²L-Basen mit einer zusätzlichen Buried Layer Zone 4 im Bereich der I²L-Gatter führt dazu, daß die bei beiden Einzelmaßnahmen aufgeführten Probleme stark reduziert werden. Der Prozeß wird dabei fertigungstechnisch auch für die Serienproduktion tauglich.A reduced base width of the I²L bases with an additional buried layer zone 4 in the area of the I²L gates means that the problems listed in both individual measures are greatly reduced. In terms of manufacturing technology, the process is also suitable for series production.
Bei einem Prozeß, der beispielsweise eine Sperrspannung der Hochvolt-NPN- Transistoren von mindestens 30 Volt sicherstellt, sind, bei alleiniger Verwendung einer flachen Basis, typische Werte von 40 kΩ/Square für den inneren Basisbahnwiderstand des I²L-NPN-Transistors ermittelt worden. Durch Fertigungstoleranzen schwankt dieser Parameter von 20 kΩ bis 120 k, was zu den oben genannten Ausfällen führt. Die Bandbreite des inneren Basisbahnwiderstandes des Hochvolt-NPN-Transistors wurde mit 3 kΩ bis 6 kΩ ermittelt. Durch die Einfahrung der zusätzlichen Buried Layer Zone 4 kann der innere Basisbahnwiderstand des I²L-NPN-Transistors auf 7 kΩ bis 18 kΩ bei typisch 10 kΩ reduziert werden, was eine sichere Fertigung ohne Ausfälle erlaubt.In a process that ensures, for example, a blocking voltage of the high-voltage NPN transistors of at least 30 volts, typical values of 40 kΩ / square for the internal base path resistance of the I²L NPN transistor have been determined using a flat base alone. Due to manufacturing tolerances, this parameter fluctuates from 20 kΩ to 120 k, which leads to the failures mentioned above. The bandwidth of the inner baseline resistance of the high-voltage NPN transistor was determined to be 3 kΩ to 6 kΩ. By moving in the additional Buried Layer Zone 4 , the inner base path resistance of the I²L-NPN transistor can be reduced to 7 kΩ to 18 kΩ at typically 10 kΩ, which enables safe production without failures.
Eine zusätzliche Buried Layer Zone alleine müßte beispielsweise mit einer Dosis von mindestens 2*10¹⁵/cm² implantiert werden. Bei dieser Dosis können vermehrt Stapelfehler auftreten, ferner ist die vertikale Ausdehnung dieser Zone so groß, daß sie in die Basiszone hineindiffundieren kann. Bei der zusätzlichen Verwendung der flachen Basiszone im I²L-NPN-Transistor kann die Dosis auf 5*10¹⁴/cm² reduziert werden, wodurch auch hier die Prozeßsicherheit erhöht wird.An additional buried layer zone alone, for example, would have to be implanted with a dose of at least 2 * 10¹⁵ / cm². At this dose, stacking errors can occur, and the vertical extent of this zone is so large that it can diffuse into the base zone. With the additional use of the flat base zone in the I²L NPN transistor, the dose can be reduced to 5 * 10¹⁴ / cm², which also increases the process reliability here.
Fig. 11 zeigt das Dotierungsprofil einer beispielhaften Halbleiteranordnung ohne die Emitterdiffusion. Auf der Ordinatenachse ist die Entfernung in der epitaktischen Schicht vom Substrat, auf der Abszissenachse ist die Konzentration des jeweiligen Dotierungsmittels aufgetragen. Dabei zeigt die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf des Dotierstoffs der I²L-Basiszone 9, die mit B bezeichnete Kurve den Verlauf des Dotierstoffs der Basiszone 8 der NPN-Transistoren bzw. der Basisanschlußzone 8′ und der Injektorzone 8′′, die mit C bezeichnete Kurve den Verlauf des Dotierstoffs der zusätzlichen Buried Layer Zonen 4 und die mit D bezeichnete Kurve den Verlauf des Dotierstoffs der Buried Layer Zonen 3. Fig. 11 shows the doping profile of an exemplary semiconductor device without the emitter diffusion. The distance from the substrate in the epitaxial layer is plotted on the ordinate axis, and the concentration of the respective dopant is plotted on the abscissa axis. The curve labeled A shows the course of the dopant of the I²L base zone 9 , the curve labeled B shows the course of the dopant of the base zone 8 of the NPN transistors or the base connection zone 8 'and the injector zone 8 '', which was labeled C. Curve the course of the dopant of the additional buried layer zones 4 and the curve labeled D the course of the dopant of the buried layer zones 3 .
Im nachfolgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiteranordnung mit I²L-Logikinvertern in Kombination mit hochsperrenden NPN-Transistoren anhand der Fig. 4 bis 10 erläutert.A method for producing an integrated semiconductor arrangement with I²L logic inverters in combination with high-blocking NPN transistors is explained below with reference to FIGS . 4 to 10.
Im Nachfolgenden ist mit Maskierung und Photolithographie bzw. mit Maskierung das Erzeugen einer geeigneten Maskierungsschicht mit entsprechenden Strukturen auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Halbleiters gemeint. Diese Verfahrensschritte sind allgemein bekannt und können eine Vielzahl von einzelnen Prozeßschritten wie zum Beispiel das Erzeugen einer Oxidschicht, das Aufschleudern einer Photolackschicht, Belichten des Photolacks etc. beinhalten ohne jedoch auf sie beschränkt zu sein.The following is with masking and photolithography or with Masking with the creation of a suitable masking layer corresponding structures on the surface of the semiconductor to be processed meant. These process steps are generally known and can be one A multitude of individual process steps such as the generation of a Oxide layer, spinning a photoresist layer, exposing the Include photoresists etc. but are not limited to them.
Auf einem Halbleitersubstrat 1 vom P Typ werden nach den üblichen Verfahren der Maskierung und Photolithographie durch Störstellendiffusion die Buried Layer Zonen 3 mit einem ersten, langsam diffundierenden Dotierstoff vom N Typ dotiert. Hierzu eignen sich Arsen As und Antimon Sb. Anschließend werden die Buried Layer Zonen 3 durch einen thermischen Prozeß ausgeheilt. Die Störstellendiffusion erfolgt durch Öffnungen in einer ersten Oxidschicht 12a hindurch. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 4 dargestellt. On a P-type semiconductor substrate 1, the buried layer zones 3 are doped with a first, slowly diffusing N-type dopant by the usual methods of masking and photolithography by impurity diffusion. Arsenic As and Antimony Sb are suitable for this. The Buried Layer Zones 3 are then healed using a thermal process. The impurity diffusion takes place through openings in a first oxide layer 12 a. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 4.
Anschließend wird durch die üblichen Verfahren der Maskierung und Photolithographie durch Störstellenimplantation ein zweiter Dotierstoff vom P Typ für die vergrabenen Separationszonen 5 in das Halbleitersubstrat 1 eingebracht. Als Maskierung dient üblicherweise eine mit Fensteröffnungen versehene Photolackschicht 13a. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 5 dargestellt.A second P-type dopant for the buried separation zones 5 is then introduced into the semiconductor substrate 1 by the usual methods of masking and photolithography by impurity implantation. A photoresist layer 13 a provided with window openings usually serves as masking. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 5.
Nach einem weiteren Maskierungs- und Photolithographieschritt erfolgt die Störstellenimplantation für die zusätzliche Buried Layer Zonen 4 mit einem dritten, schnell diffundierenden Dotierstoff vom N Typ. Ein geeigneter Dotierstoff ist Phosphor P. Die Implantation erfolgt durch die Fensteröffnungen in einer als Maske dienenden Photolackschicht 13b. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 6 dargestellt.After a further masking and photolithography step, the impurity implantation for the additional buried layer zones 4 is carried out using a third, rapidly diffusing N-type dopant. A suitable dopant is phosphorus P. The implantation is carried out through the window openings in one serving as a mask photoresist layer 13 b. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 6.
Die vergrabenen Separationszonen und die zusätzlichen Buried Layer Zonen werden gemeinsam in einem thermischen Prozeß ausgeheilt. Die Reihenfolge des Herstellens der vergrabenen Separationszonen und der zusätzlichen Buried Layer Zonen ist daher vertauschbar.The buried separation zones and the additional buried layer zones are healed together in a thermal process. The order of the Creation of the buried separation zones and the additional buried layers Zones are therefore interchangeable.
Anschließend wird durch epitaktisches Aufwachen eine einkristalline Halbleiterschicht 2 vom N Typ auf dem Halbleitersubstrat 1 erzeugt. Die nachfolgenden Prozesse sorgen für das Ausdiffundieren der vergrabenen Schichten, d. h. der vergrabenen Separationszonen 5 und der Buried Layer Zonen 3, 4 in die epitaktische Halbleiterschicht 2. Üblicherweise erfolgt das epitaktische Wachstum bei solchen Temperaturen, daß gleichzeitig die vergrabenen Schichten ausdiffundieren. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 7 dargestellt.A monocrystalline semiconductor layer 2 is then generated by the N type on the semiconductor substrate 1 by epitaxial waking. The following processes ensure that the buried layers, ie the buried separation zones 5 and the buried layer zones 3 , 4 diffuse out into the epitaxial semiconductor layer 2 . The epitaxial growth usually takes place at temperatures such that the buried layers diffuse out at the same time. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 7.
Durch übliche Verfahren der Maskierung, Photolithographie und Störstellenimplantation oder Vorbelegung mit anschließender Nachdiffusion (Drive In) werden p⁺-dotierte Separationszonen 6 in Übereinstimmung mit den vergrabenen Separationszonen 5 mit einem vierten Dotierstoff vom P Typ in der epitaktischen Schicht erzeugt. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 8 dargestellt. By conventional methods of masking, photolithography and impurity implantation or pre-assignment with subsequent re-diffusion (drive in), p⁺-doped separation zones 6 are produced in accordance with the buried separation zones 5 with a fourth dopant of the P type in the epitaxial layer. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 8.
Nach einem weiteren Maskierungs- und Photolithographie Prozeßschritt werden die n⁺-tief Anschlußzonen 7 durch Vorbelegung mit einem fünften Dotierstoff vom N Typ und anschließender Nachdiffusion in der epitaktischen Schicht definiert. Eine Oxidschicht 12b dient dazu als Maskierung. Die n⁺-tief Anschlußzonen 7 reichen von der Oberfläche der epitaktischen Schicht bis zu den Buried Layer Zonen 3 bzw. zusätzlichen Buried Layer Zonen 4.After a further masking and photolithography process step, the n⁺-deep connection zones 7 are defined by pre-coating with a fifth dopant of the N type and subsequent subsequent diffusion in the epitaxial layer. An oxide layer 12 b serves as a mask. The n⁺-deep connection zones 7 extend from the surface of the epitaxial layer to the buried layer zones 3 or additional buried layer zones 4 .
Durch Maskierung und Photolithographie werden die Zonen der NPN-Basis 8, des I²L-Basisanschlusses 8′, des I²L-Injektors 8′′ und der I²L-Basis 9 als Fensteröffnungen in einer ersten Hilfsschicht 12c, üblicherweise aus Siliziumdioxid, definiert. Dann werden die Zonen der I²L-Basis durch eine zweite Hilfsschicht 13c, üblicherweise Photolack, abgedeckt. Es folgt eine erste Störstellenimplantation der Basiszonen 8, 8′, 8′′ mit einem sechsten Dotierstoff vom P Typ. Dabei werden die nicht durch den Photolack abgedeckten Zonen der NPN-Basis 8, des Anschlußbereichs der I²L-Basis 8′ und des I²L-Injektors 8′′ dotiert. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 9 dargestellt.By masking and photolithography, the zones of the NPN base 8 , the I²L base connection 8 ', the I²L injector 8 ''and the I²L base 9 are defined as window openings in a first auxiliary layer 12 c, usually made of silicon dioxide. Then the zones of the I²L base are covered by a second auxiliary layer 13 c, usually photoresist. A first impurity implantation of the base zones 8 , 8 ', 8 ''follows with a sixth dopant of the P type. The zones of the NPN base 8 , the connection region of the I²L base 8 'and the I²L injector 8 ''which are not covered by the photoresist are doped. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 9.
Nach dem Entfernen der zweiten Hilfsschicht 13c über der I²L-Basis 9 erfolgt zweite Störstellenimplantation, bei der nun alle oben angegebenen Zonen mit einem siebten Dotierstoff vom P Typ dotiert werden. Somit ist die Dosis derjenigen Zonen, die beiden Störstellenimplantation ausgesetzt waren größer. Ein Querschnitt durch die Halbleiteranordnung nach diesen Verfahrensschritten ist in der Fig. 10 dargestellt.After removal of the second auxiliary layer 13 c above the I²L base 9 , a second impurity implantation is carried out, in which all the zones specified above are now doped with a seventh P-type dopant. Thus, the dose of those zones that were exposed to the impurity implantation is larger. A cross section through the semiconductor arrangement after these method steps is shown in FIG. 10.
In einem weiteren Prozeßschritt werden die Kollektoren der I²L-Logikinvertern und die Emitter und Kollektoren der NPN-Transistoren durch Maskierung, Photolithographie und Störstellenimplantation mit einem achten Dotierstoff vom N Typ erzeugt.In a further process step, the collectors of the I²L logic inverters and the emitters and collectors of the NPN transistors by masking, Photolithography and impurity implantation with an eighth dopant from N type generated.
Es folgen die an sich bekannten Verfahrensschritte zur Definition der Metallisierungsebenen 14 und zu Passivierung 12. Die vollständige Halbleiteranordnung ist in der Fig. 1 im Querschnitt dargestellt.The method steps known per se for defining the metallization levels 14 and for passivation 12 follow. The complete semiconductor arrangement is shown in cross section in FIG. 1.
Claims (7)
- a) Bereitstellen eines Halbleitersubstrats vom P Typ;
- b) Maskierung und Einbringen von Störstellen für Buried Layer Zonen durch einen ersten, langsam diffundierenden Dotierstoff vom N Typ;
- c) Ausheilen der Buried Layer Zonen;
- d) Maskierung und Einbringen von Störstellen für vergrabene Separationszonen durch einen zweiten Dotierstoff vom P Typ,
- e) Maskierung und Einbringen von Störstellen für zusätzliche Buried Layer Zonen durch einen dritten, schnell diffundierenden Dotierstoff vom N Typ;
- f) Ausheilen der vergrabenen Separationszonen und der zusätzlichen Buried Layer Zonen;
- g) Epitaktisches Aufwachen einer einkristallinen Halbleiterschicht vom N Typ;
- h) Maskierung und Einbringen von Störstellen für die p⁺-Separationszonen in Übereinstimmung mit den vergrabenen Separationszonen durch einen vierten Dotierstoff vom P Typ;
- i) Maskierung und Einbringen von Störstellen für die n⁺-tief Anschlußzonen durch einen fünften Dotierstoff vom N Typ;
- j) Maskierung der NPN-Basiszone (8), der I²L-Basisanschlußzone (8′), des I²L- Injektors (8′′) und der I²L-Basiszone (9) mit einer ersten Hilfsschicht (12c);
- k) Abdecken der I²L-Basis (9) durch eine zweite Hilfsschicht (13c);
- l) Einbringen von ersten Störstellen in die Basiszonen (8, 8′, 8′′) und gleichzeitig Einbringen von ersten Störstellen in die I²L-Basis (9) durch einen sechsten Dotierstoff vom P Typ;
- m′) Entfernen der zweiten Hilfsschicht (13c);
- m) Einbringen von zweiten Störstellen in die Basiszonen (8, 8′, 8′′) durch einen siebten Dotierstoff vom P Typ;
- n) Maskierung und Einbringen von Störstellen für die Kollektoren der I²L- Logikinvertern (11) und die Emitter (10b) und Kollektoren (10a) der NPN- Transistoren durch einen achten Dotierstoff vom N Typ.
- a) providing a P-type semiconductor substrate;
- b) masking and introduction of impurities for buried layer zones by a first, slowly diffusing dopant of the N type;
- c) healing of the buried layer zones;
- d) masking and introduction of impurities for buried separation zones by a second dopant of the P type,
- e) masking and introducing impurities for additional buried layer zones by means of a third, rapidly diffusing dopant of the N type;
- f) healing of the buried separation zones and the additional buried layer zones;
- g) epitaxially waking up an N-type single crystal semiconductor layer;
- h) masking and introduction of impurities for the p⁺ separation zones in accordance with the buried separation zones by a fourth dopant of the P type;
- i) masking and introduction of impurities for the n⁺-deep connection zones by a fifth dopant of the N type;
- j) masking the NPN base region (8), the I²L base terminal zone (8 '), the I²L- injector (8' ') and the I²L base region (9) with a first auxiliary layer (12 c);
- k) covering the I²L base ( 9 ) with a second auxiliary layer ( 13 c);
- l) introduction of first impurities in the base zones ( 8 , 8 ', 8 '') and at the same time introduction of first impurities in the I²L base ( 9 ) by a sixth dopant of the P type;
- m ′) removing the second auxiliary layer ( 13 c);
- m) introduction of second impurities in the base zones ( 8 , 8 ', 8 '') by a seventh dopant of the P type;
- n) Masking and introducing impurities for the collectors of the I²L logic inverters ( 11 ) and the emitters ( 10 b) and collectors ( 10 a) of the NPN transistors by an eighth dopant of the N type.
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