DE3203066C2

DE3203066C2 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit zwei gegenpolig geschalteten Dioden

Info

Publication number: DE3203066C2
Application number: DE3203066A
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: 1985-11-14
Also published as: JPS6358380B2; IT8219390A0; US4405933A; JPS57154879A; GB2092379A; DE3203066A1; IT1149532B; GB2092379B; CA1170784A; FR2499315A1; FR2499315B1

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement mit P-leitendem Substrat, darauf liegender N-leitender Epitaxialschicht, an der Grenzfläche zwischen Substrat und Epitaxialschicht angeordneter N-leitender erster Zone und sich durch die Epitaxialschicht hindurch bis zu einem ersten PN-Übergang mit der ersten Zone erstreckender zweiter Zone beschrieben. Um eine leicht in einen monolithischen, integrierten Schaltkreis einzubauende Schutzschaltung gegenüber hohen Spannungssprüngen zu schaffen, weist das Halbleiterbauelement mit Abstand von der zweiten Zone eine P-leitende, dritte Zone auf, die sich durch die Epitaxialschicht hindurch bis zu einem zweiten PN-Übergang mit der ersten Zone erstreckt. Mit Hilfe von Außenkontakten an der dritten bzw. zweiten Zone lassen sich der erste und zweite PN-Übergang als Schutzschaltung in Form von gegeneinandergeschalteten Zenerdioden koppeln.

Description

2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung In der Zeitschrift IEEE Transactions on Electron Denach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vices, Band ED-18, No. 4, April 1971, Seiten 249 bis 257 erste Emitterzone (22) und der erste PN-Übergang wird eine Halbleiterschaltungsanordnung nach dem (24) die zweite Emitterzone (26) umgeben. 50 Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben, die als

3. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung Schutzschaltung dient und aus zwei gegeneinander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, (»buck-to-back«) geschalteten Dioden besteht, wobei

die Dioden nicht als Zenerdioden ausgeführt sind.

— daß eine den anderen Leitungstyp (N) aufwei- Aus der Zeitschrift Electronics, 16. September 1976, ^sende zweite vergrabene Zone (34) mit Abstand 55 Seiten 106 bis 112, ist es ferner bekannt, mit Hilfe einer von der ersten vergrabenen Zone (16) zwischen vergrabenen N⁺-Zone und einer P-Isolations-Diffu-Substrat (12) und Epitaxialschicht (18) angeord- sionszone eine Halbleiterschaltungsanordnung mit Zenet ist, nerdioden herzustellen. In dieser Druckschrift wird auch

— daß sich eine den einen Leitungstyp (P) aufwei- eine unter der Oberfläche liegende Zenerdiode (Fig. 1, sende dritte Emitterzone (36) von der Außenflä- 60 Seite 106) beschrieben, die dadurch zu erzeugen äst, daß ehe (20) durch die Epitaxialschicht (18) hindurch durch eine erste Diffusion eine enge aber tiefe P+-Zone bis zur zweiten vergrabenen Zone (34) erstreckt im N-leitenden Körper des Siliziumsubstrats gebildet und diese unter Bildung eines dritten PN-Über- wird. Nach dem anschließenden Herstellen einer übligangs (38) kontaktiert, chen P-Basis folgt ein vollständiges Abdecken der

— daß eine den einen Leitungstyp (P) aufweisende 65 P⁺-Zone mit einer N+-Emitterzone. Ein solches Bauelevierte Emitterzone (40) mit Abstand von der ment bricht dort durch, wo die Dotierstoffkonzentration dritten Emitterzone (36) von der Außenfläche am größten ist, nämlich zwischen den P⁺- und N⁺-Zo-(20) aus durch die Epitaxialschicht (18) hindurch nen. Da der P⁺-Bereich vollständig durch die N+-Diffu-

sionszone abgedeckt wird, tritt der Lawinendurchbruch im Innern des Siliziumkörpers und nicht an der Oberfläche, wie bei den meisten Zenerdioden, auf. Dieser »vergrabene« Durchbruch vermindert das Rauschen und verbessert die Langzeitstabilität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltungsanordnung einzubauende Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die einfach herstellbar ist und ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschrieben. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Vorteil der in einen monolithischen, integrierten Schaltkreis einzubauenden Schaltungsanordnung sind der erste und der zweite PN-Übergang, die gemeinsam als gegeneinander geschaltete Zenerdioden wirken, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter vorliegt

der Zeichnun** wird die Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Halbleiterschaltungsanordnung in Draufsicht;

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

Fig.3 ein Diagramm betreffend die Änderung des

Stroms (I) als Funktion der Spannung (V) in einem Abschnitt der Halbleiterschaltungsanordnung;

F i g. 4 ein Schaltbild mit einer Darstellung einer weiteren Betriebsweise der Halbleiterschaltungsanordnung;

F i g. 5 ein Schaltbild der Halbleiterschaltungsanordnung gemäß F i g. 1 und 2; und

F i g. 6 in einem Diagramm die Änderung des Stroms (I) als Funktion der Spannung (V) in der gesamten HaIbieiterschaltungsanordnung nach F i g. 1 und 2.

In den F i g. 1 und 2 wird eine insgesamt mit 10 bezeichnete Halbleiterschaltungsanordnung dargestellt Hierzu gehören ein hclbleitendes Substrat 12 des einen Leitungstyps, z. B. P-Leitung, welches mit einer Substrathauptoberfläche 14 an weitere Bereiche innerhalb der Schaltungsanordnung 10 angrenzt An einen Bereich der Substrathauptoberfläche 14 stößt eine erste vergrabene Zone 16 des anderen Leitungstyps, hier N-Leitung an. Über der Substrathauptoborfläche 14 befindet sich eine Epitaxialschicht 18 des anderen Leitungstyps, welche auch die erste vergrabene Zone 16 derart abdeckt, daß diese Zone als vergrabene Schicht vorliegt. Die Epitaxialschicht 18 besitzt eine der Substrathauptoberfläche 14 gegenüberliegende Außenfläche 20.

Benachbart zur Außenfläche 20 wird eine den ersten Leitungstyp aufweisende, erste Emitterzone 22 vorgesehen, die sich durch die Epitaxialschicht 18 bis zum Kontakt mit einem ersten PN-Übergang 24 zur ersten vergrabenen Zone 16 erstreckt. Ebenfalls benachbart zur Außenfläche 20 wird eine den ersten Leitungstyp aufweisende, zweite Emitterzone 26 mit Abstand von der ersten Emitterzone 22 so angeordnet, daß sie sich durch die Epitaxialschicht 18 unter Bilden eines zweiten PN-Obergangs 28 bis zur ersten vergrabenen Zone 16 erstreckt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt die erste Emitterzone 22 die zweite Emitterzone 26 volkommen (vgl. Fig. 1). Ein vollständiges Einschließen ist jedoch nicht in aller Ausführungsbeispielen erforderlich. Auf eine Schutzschicht 33 aus Siliziumdioxid werden erste und zweite Lei'.rr 30 und 32 so aufgebracht, daß sic die zweite und erste Emitterzone 26 bzw. 22 an der Außenfläche 20 kontaktieren. Wenn eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Leiter 30, ?.2 anliegt wirken der erste und zweite PN-Übergang 24 und 28 gewissermaßen als Rücken-an-Rücken in Reihe liegende, d. h. gegeneinandergeschaltete, Zenerdioden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht eine erste vergrabene Zone 16 aus einer so ausreichend ausgedehnten, vergrabenen Schicht, daß die erste Emitterzone 22 und der erste PN-Übergang 24 nach F i g. 1 und 2 die zweite Emitterzone 26 im wesentlichen oder vollständig ringförmig umfassen können. Durch diesen Aufbau wird der innerhalb der ersten vergrabenen Zone 16 als leitender Pfad für Ströme zwischen dem ersten und zweiten PN-Übergang 24, 23 während eines kontrollierten Lawinendurchbruchs wirksame Bereich vergrößert. Gemäß F i g. 2 kann die erste Emitterzone 22 das Substrat 12 auch an der Peripherie der ersten vergrabenen Zone 16 berühren.

In F i g. 1 und 2 wird ferner ein zweites Ausführungsbeispiel der HalbleiterschaltungsanorJ-ung dargestellt Dieses Ausführungsbeispie! besitzt ährdiche Zonen wie das erste. Der Substrathauptoberfläche 14 des Substrats 12 liegt zunächst eine zweite vergrabene Zone 34 an, die den zweiten Leitungstyp besitzt. Die Zone 34 wird ähnlieh wie die erste vergrabene Zone 16 als vergrabene Schicht ausgebildet. Die beiden vergrabenen Zonen 16, 34 werden jedoch in der Substrathauptoberfläche 14 auf Abstand gesetzt Ähnlich der ersten Emitterzone 22 geht von der Außenfläche 20 eine dritte Emitterzone 36 des ersten Leitungstyps aus und erstreckt sich durch die Epitaxialschicht 18 bis zur zweiten vergrabenen Zone 34 unter Bildung eines dritten PN-Übergangs 38 mit dieser. Eine mit Abstand von der dritten Emitterzone 36 angeordnete, den ersten Leitungstyp aufweisende, vierte Emitterzone 40 reicht von der Außenfläche 20 durch die Epitaxialschicht 18 hindurch bis zum Kontakt mit einem vierten PN-Übergang 42 zur zweiten vergrabenen 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 dritten Emit'3rzone 36 erhält, und der erste Leiter 30 wird mit der vierten Emitterzone 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 F i g. 1 und 2 bestehen die Zenerdioden aus Elementen eines monolithisch integrierten Mikroschaltkreises. Die neue Haibleiterschaltungsanordnung wird auf herkömmliche Weise hergestellt Das Substrat 12 und die Epitaxialschicht 18 werden aus einkristallinem Silizium so gebildet, daß sie spezifische Widerstände von 25 bis 50 Ohm · cm bzw. 1 bis 6 Ohm · ein besitzen Nach dem Erzeugen der vergrabenen Zonen 16,34 wird die Epitaxialschicht 18 bis zu einer Dicke von etwa 10 bis 14 Mikrometer so aufgewachsen, daß sie eine Dotierstoff-Konzentration von etwa 5 · 10¹⁵ Atome/cm³ erhält. Die Epitaxialschicht besitzt an ihrer Außenfläche einen Flächenwiderstand von etwa lOOOÖhm/Quadrat. Unter Verwendung standardisierter Fotolithografie-Techniken werden in einer Maske aus Fotolack Öffnungen begrenzt, durch die P⁺-Zonen auf bekannte Art einzudiffundieren sind. Diese P⁺-Zonen besitzen einen Flächenwiderstand von etwa 5 Ohm/Quadrat. Die Leiter können aus fotolithografisch begrenzten Schichten aus Aluminium bestehen, welche auf die Schutzschicht

33 aus Siliziumdioxid aufgebracht werden.

Einer der Vorteile der Halbleiterschaltungsanordnung IO 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 Schaltungsanordnung kann daher in einen monolithischen Schaltkreis ohne das Erfordernis zusätzlicher Verfahrensschritte eingebautwerden, ίο

Die erste Emitterzone 22 und der erste PN-Übergang 24 können die zweite Emitterzone 26 (innerhalb der Epitaxialschicht 18) umgeben bzw. umschließen. Durch diese Konstruktion wird der innerhalb der ersten vergrabenen 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 Strcrnpfsd zwischen dem dritten und vierten PN-Übergang 38, 42 in F i g. I durch die Pfeile 46 symbolisiert. Wenn jedoch die erste, P⁺-leitende Emitterzone 22 und der zugeordnete erste PN-Übergang 24 die zweite Emitterzone 26 und den zweiten PN-Übergang 23 umgehen, wird der effektive Strompfad — wie durch die Pfeile 48 in F i g. 1 symbolisiert — im wesentlichen vervierfacht. Wo der effektive Widerstand des Strompfads durch die vergrabenen N+-Zonen beispielsweise 40 Ohm betrug, wird der effektive Widerstand in der Schaltungsanordnung somit auf etwa 10 Ohm vermindert.

Diese Verminderung des Widerstandes der N⁺-Zone verbessert die Leistungsfähigkeit der gegeneinander geschalteten Zenerdioden als schützendes Schaltungselement. In F i g. 3 wird in einem Diagramm dargestellt, wie der Strom (I) für einen Abschnitt der neuen Scha'tungsanordnung von der Spannung (V) abhängt. Für die Halhleiterschaltungsanordnung 10 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. Vr, durch das neue Bauelement mehr Strom fließen kann als durch ein bisheriges Bauelement. Die Steigung der neuen /-V-Kurve 50 ist somit beträchtlich größer als diejenige der bisher gültigen /-V-Kurve 52. Wenn also ein Spannungssprung die Durchbruchspannung V_B — 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 Durchbruchspannung V₈ liegenden Wert halten.

Ein weiteres \6irkmal der Halbleiterschaltungsanordnung 10 besteht darin, daß sie oberhalb einer bestimmten Spannung V> — vergleiche das Diagramm gemäß 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 Ie und den Kollektorstrom I_c einen Strombypass für die Zenerdioden liefert

Die Ermitterzone dieses Transistors 54 kann entwe- ω der aus der zweiten Emitterzone 26 oder der dritten Emitterzone 36 bestehen, während die Kollektorzone des Transistors 54 aus der ersten Emitterzone 22 oder der vierten Emitterzone 40 und die Transistor-Basiszone durch den zwischen den jeweiligen ersteren Zonen gelegenen Teil der N-leitenden Epitaxialschicht 18 gebildet werden. Durch diesen Mechanismus wird ein zusätzlicher Strompfad geliefert, der im Sinne einer Minimierung jeder zusätzlichen Vergrößerung der Betriebsspannung wirkt. In F i g. 3 wird die zusätzliche Schutzwirkung des parasitären Transistors 54 durch die größere Steigung im oberen Abschnitt 56 der /- K-Kurve 50 charakterisiert.

Fig.5 zeigt ein Schaltbild der Halbleiterschaltungsanordnung 10, in welchem der dritte und vierte PN-Übergang 38,42 als gegeneinander geschaltete Zenerdiode wirken, welche wiederum in Reihe mit der Gegeneinander-Schaltung der durch den ersten und zweiten PN-Übergang 24, 28 gebildeten Zenerdioden liegen. Im Ausführungsbeispiel wird der dritte Leiter 44 mit einer positiven Versorgungsspannung (B+) verbunden, während der zweite Leiter 32 an Erde liegt. Das Ergebnis des Reihen-Schaltens der gegeneinander geschalteten Zenerdioden-Gruppen besteht in einer beträchtlichen Ausdehnung des Betriebsspannungsbereichs des Kreises vor Eintritt der Durchbruchspannung, ohne daß zusätzliche Bearbcitun^sschrit?¹? erforderlich wären. Gemäß ? i g. 6 wird der Betriebsspannungsbereich nun von den vorgenannten ±12 Volt auf den größeren Bereich von etwa ± 25 Volt ausgedehnt.

Ein wesentliches Merkmal der Struktur der Halbleiterschaltungsanordnung besteht darin, daß unter Zuhilfenahme von für integrierte Schaltkreise üblichen Herstellungsschritten ohne das Erfordernis zusätzlicher Bearbeitungsgänge ein verbessertes Betriebsverhalten betreffend ''e Schutzwirkung zu erreichen ist. Die Herstellung der Schutzschaltungsanordnung kann leicht in vorhandene Produktionsverfahren eingepaßt bzw. eingearbeitet werden, beispielsweise wenn ein Basis-Eingangsschutz und ein Emitter-Acsgangsschutz gegenüber elektrostatischer Entladung oder elektrischer Überlastung in monolithischen integrierten Schaltkreisen gewünscht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 bis zur zweiten vergrabenen Zone (34) reicht Patentansprüche: und diese unter Bildung eines vierten PN-Ober- gangs (42) kontaktiert und

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung (10) — daß der dritte und der vierte PN-Übergang (38,

mit zwei gegenpolig geschalteten Dioden, bestehend 5 42) mit Hilfe eines die dritte Emitterzone (36)

aus: kontaktierenden Leiters (44) bei Anlegen einer

Spannung zwischen den zweiten und dritten

— einem Substrat (12) eines Leitungstyps (P) mit Leiter (32, 44) als in Reihe mit den durch den einer Substrathauptoberfläche (14), ersten und zweiten PN-Übergang (24,28; gebil-

— einer auf der Substrathauptoberfläche (14) an- io deten Zenerdioden liegende, gegeneinander gegeordneten Epitaxialschicht (18) des anderen schaltete Zenerdioden verbunden sind. Leitungstyps (4) mit einer der Substrathauptoberfläche (14) gegenüberliegenden Außenflä- 4. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung ehe (20), nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet

— einer sich von der Außenfläche (20) bis zum 15 durch P-Leitung als einen Leitungstyp.

Substrat (12) erstreckenden ersten Emitterzone 5. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung

(22) des einen Leitungstyps (P), nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

— einer mit Abstand von der ersten Emitterzone daß der zweite Leiter (32) geerdet ist und der dritte (22) von der Außenfläche (20) aus in der Epitaxi- Leiter (44) an einer positiven Versorgungsspannung alschicft t (18) ausgebildeten zweiten Emitterzo- 20 (¹B+) anliegt

ne (26) des einen Leitungstyps (P),

— wobei die zweite Emitterzone (26) mit einem

ersten Leiter (30) und die erste Emitterzone (22)

mit einem zweiten Leiter (32) kontaktiert ist, so

daß bei Anlegen einer Spannung zwischen dem 25 Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterersten (30) und dem zweiten (32) Leiter zwei schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Pagegenpolig geschaltete Dioden gebildet wer- tentanspruchs 1.

den, Integrierte Schaltkreise werden oft durch von elek-

dadurchgekennzeichnet, trostatischen Entladungen und elektrischer Überlastung

30 herrührenden, relativ großen Spannungssprüngen be-

— daß zwischen Substrat (12) und Epitaxialschicht schädigt. Die kleinräumige Geometrie in modernen in-(18) eine erste vergrabene Zone (16) des ande- tegrierten Schaltkreisen kann hohen Energien nicht wiren Leitungstyps (N) angeordnet ist, die die er- derstehen, so daß PN-Übergänge leicht zerstört werste Emitterzone (22) umer BHdung eines ersten den. Besonders empfindlich sind in Sperr-Richtung ge-PN-Übergangs (24) kontaktiert, 35 schaltete Übergänge gegenüber Oberflächendurchbrü-

— daß sich die zweite Emitterzone (26) durch die eben, z. B. bei Durchbruch des Emitter-Basis-Übergangs Epitaxialschicht (18) hindurch bis zur ersten eines vertikalen NPN-Transistors.

vergrabenen Zone (16) erstreckt und diese un- Es wurden auch bereits Schutzscbaltungen in Chips

ter Bildung eines zweiten PN-Übergangs (28) mit integrierten Schaltkreisen tingebiui, namentlich mit

kontaktiert, und 40 Hilfe von Diodenklemmen an der positiven Versor-

— daß bei Anlegen einer Spannung zwischen dem gungsspannung oder an Erde. Auch gegeneinander geersten (30) und dem zweiten (32) Leiter der er- schaltete Zenerdioden wurden schon zum Schutz von ste und der zweite PN-Übergang (24, 28) die Schaltungen benutzt. Die Schutzwirkung entsteht dabei PN-Übergänge zweier gegenpolig geschalteten dadurch, daß ein kontrollierter Durchbruch eingeleitet Zenerdioden bilden. 45 wird, wenn die an den Dioden anliegende Spannung

einen bestimmten Wert überschreitet.