DE3203066A1

DE3203066A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3203066A1
Application number: DE19823203066
Authority: DE
Inventors: Leslie Ronald Flemington N.J. Avery
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1981-02-04
Filing date: 1982-01-30
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPS57154879A; JPS6358380B2; US4405933A; IT1149532B; GB2092379A; GB2092379B; FR2499315B1; IT8219390A0; FR2499315A1; DE3203066C2; CA1170784A

Description

-A-

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem bis zu einer inneren Grenzfläche reichenden Substrat des einen Leitungstyps, einer an die Grenzfläche anstoßenden ersten Zone des anderen Leitungstyps, einer über der Grenzfläche angeordneten und die erste Zone bedeckenden Epitaxialschicht des zweiten Leitungstyps mit der Grenzschicht gegenüberliegender Außenfläche und einer an der Außenfläche anliegenden sowie sich durch die Epitaxialschicht hindurch bis zum Kontakt über einen ersten PN-Übergang mit der ersten Zone erstreckenden zweiten Zone des ersten Leitungstyps.

Integrierte Schaltkreise werden oft durch von elektrostatischen Entladungen (ESD) und elektrischer Überlastung (EOS) herrührenden, relativ großen SpannungsSprüngen beschädigt. Die kleinräumige Geometrie in modernen integrierten Schaltkreisen kann hohen Energien nicht widerstehen, so daß PN-Übergänge leicht zerstört werden. Besonders empfindlich sind in Sperr-Richtung geschaltete Übergänge gegenüber Oberflächendurchbrüchen, z.B. bei Durchbruch des Emitter-Basis-Übergangs eines vertikalen NPN-Transistors. ·

Es wurden bereits Schutzschaltungen in Chips mit integrierten Schaltkreisen eingebaut, namentlich mit Hilfe von' Diodenklemmen an der positiven Versorgungsspannung B+ oder an Erde. Auch gegeneinander geschaltete Zenerdioden wurden schon zum Schutz von Schaltungen benutzt. Die Schutzwirkung entsteht dabei dadurch, daß ein kontrollierter Durchbruch eingeleitet wird, wenn die an den Dioden anliegende Spannung einen bestimmten Wert überschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf einfache Weise in einen monolithisch integrierten Schaltkreis einzubauende Bauelement-Konstruktion zu schaffen, die den integrierten Schaltkreis gegen hohe Spannungssprünge schützt. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das eingangs beschriebene Halbleiterbauelement darin, daß sich mit Abstand von der zweiten Zone eine den ersten Leitungstyp aufweisende dritte Zone von der Außenfläche weg durch die Epitaxialschicht hindurch bis zum Kontakt über einen zweiten PN-Übergang mit der ersten Zone erstreckt und daß der erste und zweite PN-Übergang mit Hilfe von die dritte bzw. zweite Zone an der Außenfläche kontaktierenden, ersten bzw. Leitern bei Anlegen einer Spannung zwischen die Leiter als gegeneinander geschaltete Zenerdioden verbunden sind.

Durch die Erfindung wird eine neue, in einen monolithisch integrierten Schaltkreis einzubauende Struktur für gegeneinander geschaltete Dioden insbesondere Zenerdioden, geschaffen, die geeignet ist, den Schaltkreis gegen von hohen Stromimpulsen herrührende, hohe Spannungssprünge zu schützen. Wesentliche erfindungsgemäße Merkmale sind der erste und zweite PN-Übergang, die gemeinsam als gegeneinander geschaltete Zenerdioden wirken, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Leiter vorliegt.

Ein erfindungsgemäßes, in einen monolithischen integrierten Schaltkreis als Schutz gegen hohe Spannungssprünge eingebautes Halbleiterbauelement enthält durch zwei getrennte Zonen des gleichen Leitungstyps gebildete, gegeneinander geschaltete Zenerdioden. Die beiden Zonen erstrecken sich dabei durch eine Epitaxialschicht des zwei-

ten Leitungstyps und kontaktieren eine vergrabene Zone des zweiten Leitungstyps unter Bildung der PN-Übergänge bzw. Zenerdioden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt eine der Zonen des ersten Leitungstyps die andere Zone des ersten Leitüngstyps - in der Ebene der Epitaxialschicht - vollständig. Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements, in Draufsicht;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 von Fig.l;

Fig. 3 ein Diagramm betreffend die Änderung des Stroms (I) als Funktion der Spannung (V) in einem Abschnitt des Halbleiterbauelements;

Fig. 4 ein Schaltbild mit einer Darstellung einer zweiten Betriebsweise in dem Halbleiterbauelement;

Fig. 5 ein Schaltbild des Halbleiterbauelements gemäß ■ Fig. 1 und 2; und

Fig. 6 in einem Diagramm die Änderung des Stroms (I) als Funktion der Spannung (V) in dem gesamten Halbleiterbauelement nach Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 und 2 wird ein insgesamt mit 10 bezeichnetes, erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement dargestellt. Hierzu gehören ein halbleitendes Substrat 12 des einen Leitungstyps, z.B. P-Leitung, welches mit einer inneren Grenzfläche 14 an weitere Bereiche innerhalb des Bauelements 10 angrenzt. An einen Bereich der inneren Grenzfläche 14 stößt eine erste Zone 16 des anderen Leitungstyps, hier N-Leitung, an. Über der inneren Grenzfläche 14 befindet sich eine Epitäxialschicht 18 des zweiten Leitungstyps, welche auch die erste Zone 16 derart abdeckt, daß die Zone 16 als vergrabene Schicht oder Tasche vorliegt. Die Epitäxialschicht 18 besitzt eine der inneren Grenzfläche 14 gegenüberliegende Außenfläche 20.

Benachbart zur Außenfläche 20 wird eine den ersten Leitungstyp aufweisende, zweite Zone 22 vorgesehen, die sich durch die Epitäxialschicht 18 bis zum Kontakt mit einem ersten PN-Übergang 24 zur ersten Zone 16 erstreckt. Ebenfalls benachbart zur Außenfläche 20 wird eine den ersten Leitungstyp aufweisende, dritte Zone 26 mit Abstand von der zweiten Zone 22 so angeordnet, daß sie sich durch die Epitäxialschicht 18 unter Bildung eines zweiten PN-Übergangs 28 bis zur ersten Zone 16 erstreckt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt die zweite Zone 22 die dritte Zone 26 vollkommen (vgl. Fig. 1). Ein vollständiges Einschließen ist jedoch nicht in allen Ausführungsbeispielen erforderlich. Auf eine Schutzschicht 33 aus Siliziumdioxid werden erste und zweite Leiter 30 und 32 so aufgebracht, daß sie die dritte bzw. zweite Zone

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26 bzw. 22 an der Außenfläche 20 kontaktieren. Wenn eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Leiter 30, 32 anliegt, wirken der erste und zweite PN-Übergang 24 und 28 gewissermaßen als Rücken-an-Rücken in Reihe liegende, d.h. gegeneinander geschaltete, Zenerdioden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die erste Zono 16 au« einer so ausreichend ausgedehnten, vergrabenen Schicht, daß die zweite Zone 22 und der erste PN-Übergang 24 nach Fig. 1 und 2 die dritte Zone 26 im wesentlichen oder vollständig ringförmig umfassen können. Durch diesen Aufbau wird der innerhalb der ersten Zone 16 als leitender Pfad für Ströme zwischen dem ersten und zweiten PN-Übergang 24, 28 während eines kontrollierten Lawinendurchbruchs wirksame Bereich vergrößert. Gemäß Fig. 2 kann die zweite Zone 22 das Substrat 12 auch an der Peripherie der ersten Zone 16 berühren.

In Fig. 1 und 2 wird ferner ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements dargestellt. Dieses besitzt ähnliche Zonen wie das erste. An der Grenzfläche 14 des Substrats 12 liegt zunächst eine vierte Zone 34 an, die den zweiten Leitungstyp besitzt. Die vierte Zone 34 wird ähnlich wie die erste Zone 16 als vergrabene Schicht ausgebildet. Die erste und vierte Zone werden in der Grenzflache 14 jedoch auf Abstand gesetzt. Ähnlich der zweiten Zone 22 geht von der Außenfläche 20 eine fünfte Zone 36 des ersten Leitungstyps aus und erstreckt sich durch die Epitaxialschicht 18 bis zur vierten Zone 34 unter Bildung eines dritten PN-Übergangs 38 mit dieser. Eine mit Abstand von der fünften Zone 36 angeordnete, den ersten Leitungstyp aufweisende, sechste Zone 40 reicht von der Außenfläche 20 durch die Epitaxialschicht 18 hindurch bis zum Kontakt mit einem vierten

PN-Übergang 42 zur vierten Zone 34. Schließlich wird auf eine auf der Außenfläche 20 liegende Schutzschicht 33 aus Siliziumdioxid ein dritter Leiter 44 so aufgebracht, daß er Kontakt mit der fünften Zone 36 erhält, und der erste Leiter 30 wird mit der sechsten Zone 40 verbunden. Wenn eine Spannung zwischen dem zweiten und dritten Leiter 32 und 44 anliegt, wirken der dritte und vierte PN- Übergang 38 und 42 als gegeneinander geschaltete Zenerdioden, welche in Reihe mit dem durch den ersten und zweiten PN-Übergang 24 und 28 gebildeten Zenerdiodenpaar geschaltet sind.

Gemäß Fig. 1 und 2 bestehen die Zenerdioden aus Elementen eines monolithisch integrierten Mxkroschaltkreises. Das neue Halbleiterbauelement wird auf herkömmliche Weise hergestellt. Das Substrat 12 und die Epxtaxialschicht 18 werden aus einkristallinem Silizium so hergestellt, daß sie spezifische Widerstände von 25 bis 50 Ohm-cm bzw. 1 bis 6 0hm-cm besitzen. Nach dem Bilden der vergrabenen Schichten, d.h. der ersten und vierten Zone 16 bzw. 34 wird die Epitaxialschicht 18 bis zu einer Dicke von etwa

10 bis 14 Mikrometer so aufgewachsen, daß sie eine Dotierte O
stoff-Konzentration von etwa 5 χ 10 Atom/cm erhält.

Die Epitaxialschicht besitzt an ihrer Außenfläche einen Flächenwiderstand von etwa 1000 Ohm/Quadrat. Unter Verwendung standardisierter Photolithographie-Techniken werden in einer Maske aus Photolack Öffnungen begrenzt, durch die P -Zonen auf bekannte Art einzudiffundieren sind. Diese P -Zonen besitzen einen Flächenwiderstand von etwa 5 0hm/Quadrat. Die Leiter können aus photolithographxsch begrenzten Schichten aus Aluminium bestehen, welche auf die Schutzschicht 33 aus Siliziumdioxid aufgebracht worden sind.

Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10 besteht darin, daß die Komponenten des Bauelements, d.h. die vergrabenen Zonen und die P⁺-Kontaktzonen zugleich mit anderen, an anderen Stellen innerhalb des Substrats 12 angeordneten Schaltkreiskomponenten herzustellen sind. Die erfindungsgemäße integrierte Schutzschaltung kann daher in einen monolithischen Schaltkreis ohne das Erfordernis zusätzlicher Verfahrensschritte eingebaut werden.

Eines der neuen Merkmale der erfindungsgemäßen Struktur ist die Ausdehnung der vergrabenen Zone, d.h. der ersten Zone 16 in Fig. 1 und 2, auf einen solchen Bereich, daß die zweite Zone 22 und der erste PN-Übergang 24 die dritte Zone 26 (innerhalb der Epitaxialschicht 18) umgeben bzw. umschließen können. Durch diese Konstruktion wird der innerhalb der ersten Zone 16 als leitender Pfad zwischen dem ersten und zweiten PN-Übergang 24 und 28 während eines gesteuerten Lawinendurchbruchs effektiv zur Verfügung stehende Bereich vergrößert. Beispielsweise wird der effektive Strompfad zwischen dem dr.itten und vierten PN-Übergang 38 und 32 in Fig. 1 durch die Pfeile 46 symbolisiert. Wenn jedoch die zweite P⁺-Zone 22 und der zugeordnete erste PN-Übergang 24 die dritte Zone 26 und den zweiten PN-Übergang 28 umgeben, wird der effektive Strom - wie durch die Pfeile 48 in Fig. 1 symbolisiert - .im wesentlichen vervierfacht. Wo der effektive Widerstand des Strompfades durch die vergrabenen N⁺- Schichten beispielsweise 40 Ohm betrug, wird der effektive Widerstand beim erfindungsgemäßen Bauelement somit auf etwa 10 Ohm vermindert.

Diese Verminderung des Widerstandes der N -Schicht verbessert die Leistungsfähigkeit der gegeneinander geschalteten Zenerdioden als schützendes Bauelement. In Fig. 3 wird in einem Diagramm dargestellt, wie der Strom (I) für einen Abschnitt des neuen Bauelements von der Spannung (V) abhängt. Für die erfindungsgemäße Konstruktion ergibt sich dabei die durchgezogene Linie 50, während bisher die gestrichelte Linie 52 galt. Die Widerstandserniedrigung verbessert den Stromfluß, so daß bei gegebener Spannung, z. B. V_, durch das neue Bauelement mehr Strom fließen kann als durch ein bisheriges Bauelement. Die Steigung der neuen I-V-Kurve 50 ist also beträchtlich größer als diejenige der bisher gültigen I-V-Kurve 52. Wenn also ein Spannungssprung die Durchbruchsspannung V_n - in Fig. 2 ± 12 Volt - übersteigt, kann das neue Bauelement den resultierenden, hohen Stromimpuls wirksamer aufnehmen und dadurch den Spannungssprung auf einem minimalen, näher an der ursprünglichen Durchbruchsspannung V_ liegenden Wert halten.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10 besteht darin, daß es oberhalb einer bestimmten Spannung V_p - vgl. das Diagramm von Fig. 4 — auch als parasitärer PNP-Transistor wirkt. Bei geeigneter Vorspannung beginnt der die Epitaxialschicht 18 als Basiszone ausnutzende Transistor 54 als PNP-Transistor zu arbeiten, welcher über den Emitterstrom I„ und den Kollektorstrom I_, einen Strombypass für die Zenerdioden liefert. In diesen Transistor 54 kann die Emitterzone entweder aus der dritten Zone 26 oder der fünften Zone 36 und die Kollektorzone aus der zweiten Zone 22 oder der sechsten Zone 40 bestehen, während die Basiszone durch den zwischen den jeweiligen ersteren Zonen gelegenen Teil der N-leitenden Epitaxialschicht 18 gebildet wird. Durch diesen Mechanismus wird ein zusätzlicher Strompfad geliefert, der im Sinne einer Min ImIerung jeder zu.'üitz 1 I chon

Vergrößerung der Betriebsspannung wirkt. In Fig. 3 wird die zusätzliche Schutzwirkung des parasitären Transistors 54 durch die größere Steigung im oberen Abschnitt 56 der I-V-Kurve 50 charakterisiert.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, in welchem der dritte und vierte PN-Übergang 38, 42 als gegeneinandergeschaltete Zenerdioden wirken, welche wiederum in Reihe mit der Gegeneinanderschaltung der durch den ersten und zweiten PN-Übergang 24, 28 gebildeten Zenerdioden liegen. Im Ausführungsbeispiel wird der erste Leiter 44 mit einer positiven Versorgungsspannung (B+) verbunden, während der zweite Leiter 32 an Erde liegt. Das Ergebnis des Reihen-Schaltens der gegeneinandergeschalteten Zenerdioden-Gruppen besteht in einer beträchtlichen Ausdehnung des Betriebsspannungsbereichs des Kreises vor Eintritt der Durchbruchsspannung, ohne daß zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich wären. Gemäß Fig. 6 wird der Betriebsspannungsbereich nun von den vorgenannten +, 12 Volt auf den größeren Bereich von etwa + 25 Volt ausgedehnt.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Schutzschal tungs-Struktur besteht darin, daß unter Zuhilfenahme von für integrierte Schaltkreise üblichen Herstellungsschritten ohne das Erfordernis zusätzlicher Bearbeitungsgänge ein verbessertes Betriebsverhalten betreffend die Schutzwirkung zu erreichen ist. Das beschriebene Schutz-Bauelement kann leicht in vorhandene Herstellungsverfahren eingepaßt bzw. eingearbeitet werden, beispielsweise wenn ein Basis-Eingangsschutz und ein Emitter-Ausgangsschutz gegenüber elektrostatischer Entladung oder elektrischer Überlastung in monolithischen, integrierten Schaltkreisen gewünscht werden.

9 fu/br

Leerseite

Claims

Dn.-lng. R ei mar "Kern ig*·" ·■ Dipi.--*Ing. Klaus Bergen

Ceclllenallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 452ΟΟ8 Patentanwälte

29. Januar 1982
34 347 B

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

"Halbleiterbauelement"
f* Patentansprüche:

[Ij Halbleiterbauelement (10) mit einem bis zu einer inneren Grenzfläche (14) reichenden Substrat (12) des einen Leitungstyps (P), einer an die Grenzfläche (14) angrenzenden ersten Zone (16) des anderen Leitungstyps (N), einer über der Grenzfläche (14) angeordneten und die erste Zone (16) bedeckenden Epitaxialschicht (18) des zweiten Leitungstyps mit der Grenzfläche (14) gegenüberliegender Außenfläche (20) und einer an der Außenfläche (20) anliegenden sowie sich durch die Epitaxialschicht (18) hindurch bis zum Kontakt über einen ersten PN-Übergang (24) mit der ersten Zone (16) erstreckenden zweiten Zone (22) des ersten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit Abstand von der zweiten Zone (22) eine den ersten Leitungstyp aufweisende dritte Zone (26) von der Außenfläche (20) weg durch die Epitaxialschicht (18) hindurch bis zum Kontakt über einen zweiten PN-Übergang (28) mit der ersten Zone (16) erstreckt und daß der erste und zweite PN-Übergang (24, 28) mit Hilfe von die dritte bzw. die zweite Zone (26, 22) an der Außenfläche (20) kontaktierenden ersten bzw. zweiten Leitern (30, 32) bei Anlegen einer Spannung zwischen die Leiter (30, 32) als gegeneinandergeschaltete Zenerdioden verbunden sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (22) und der erste PN-Übergang (24) die dritte Zone (26) im wesentlichen umgeben bzw. einschließen.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (22) und der erste PN-Übergang (24) die dritte Zone (26) vollständig umgeben bzw. einschließen.
4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (22) am Umfang der ersten Zone (16) auch das Substrat (12) kontaktiert.
5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine den zweiten Leitungstyp aufweisende vierte Zone (34) mit Abstand von der ersten Zone (16) an die Grenzfläche (14) des Substrats (12) anstößt und ebenfalls durch die Epitaxialschicht (18) abgedeckt ist, daß sich eine den ersten Leitungstyp aufweisende fünfte Zone (36) von der Außenfläche (20) durch die Epitaxialschicht (18) hindurch bis zum Kontakt über einen dritten PN-Übergang (38) mit der vierten Zone (34) erstreckt, daß eine den ersten Leitungstyp aufweisende sechste Zone (40) mit Abstand von der fünften Zone (36) von der Außenfläche (20) aus durch die Epitaxialschicht (18) hindurch bis zum Kontakt über einen vierten PN-Übergang (42) mit der vierten Zone (34) reicht und daß der dritte und vierte PN-Übergang (38, 42) mit Hilfe eines die fünfte Zone (36) kontaktierenden Leiters (44) bei Anlegen einer Spannung zwischen den zweiten und dritten Leiter (32, 41) als in Reihe mit den durch den ersten und zweiten PN-Übergang (24, 28) gebildeten Zenerdioden liegende, gegeneinandergeschaltete Zenerdioden verbunden sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch P-Leitung als ersten Leitungstyp.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leiter (32) geerdet ist und der dritte Leiter (44) an positiver Versorgungsspannung B+ anliegt.
8. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenerdioden Elemente eines monolithisch integrierten Mikroschaltkreises sind.