WO1992000606A1 - Monolithisch integrierte halbleiteranordnung mit einer deckelektrode - Google Patents

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    • H10D62/102—Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H10D62/103—Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices
    • H10D62/105—Constructional design considerations for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse-biased devices by having particular doping profiles, shapes or arrangements of PN junctions; by having supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] 
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    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00—Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/111—Field plates

Definitions

  • Monolithically integrated semiconductor arrangement with a cover electrode Monolithically integrated semiconductor arrangement with a cover electrode.
  • the invention relates to a monolithically integrated egg conductor arrangement according to the preamble of claim 1.
  • a substrate has a weak doping (substrate region n ⁇ ) under a first main surface and a high doping under a second main surface, at least in the finished arrangement of the same conductivity type (substrate area n + ).
  • a first zone (p) which forms a pn junction with the substrate, and a second zone (r. "*" ) Of the same conductivity type as the substrate, but which is the first zone (p) not touched, diffused.
  • the first main surface of the substrate is covered by an insulating passivation layer.
  • a metallic Deckelek ⁇ which borders on the first major surface
  • Subs ⁇ ratge- offer (substrate region n ⁇ ), the edge areas of the first zone (p) and the peripheral regions of the second zone (n +) covers.
  • Protection of a planar transistor arrangement against environmental influences, possibly combined with influencing the breakdown voltage, is achieved here by the metallic cover electrode lying above the space charge region.
  • the cover electrode lies at a potential between the base and the collector determined by a voltage divider. The breakdown voltage is essentially determined by this potential and the thickness of the oxide under the cover electrode.
  • a By diffusion of one or two additional zones (Zone
  • Fig. 1 is a monolithically integrated Halbleiteranordnur.g with a voltage divider 'according to the prior art
  • 2 shows a monolithically integrated semiconductor arrangement according to the invention with an additional zone (zone V, which is assigned to an n + zone,
  • zone II which is assigned to a p-zone
  • FIGS. 2 and 3 show a semiconductor arrangement which contains both additional zones (zone ⁇ and zone 1h ⁇ ) from FIGS. 2 and 3,
  • FIG. 5 shows a connected semiconductor arrangement according to FIG. 2,
  • FIG. 6 shows a connected semiconductor arrangement according to FIG. 3,
  • FIG. 7 shows a diagram which, in comparison with the state of the art, shows the increase in the breakdown voltage when using the additional zone according to FIG. 2 (zone shows and
  • FIG. 8 is a diagram which, in comparison with the state of the art, shows the increase in the breakdown voltage when the additional zone according to FIG. 3 (zone 11) is used.
  • FIGS. 1 to 6 are limited to the representation of the base-collector diode of an npn transistor.
  • the base is labeled A (anode) and the collector K (cathode).
  • the invention is also suitable for pnp transistors, with p and n doping to be interchanged in each case.
  • FIG. 1 shows a monolithically integrated semiconductor arrangement 1, the starting material for the manufacture of which is a silicon substrate 2, which is weak on the front side (first main surface 3) (substrate region n ⁇ ) and on the rear side (second Hauot surface) 4) highly endowed (Substrate area n + ).
  • first zone (p) On the front side 3 there is a first zone (p) in a known manner by means of photo technology, doping and diffusion, which forms a pn junction with the substrate 2 and a * second zone (n + ) of the same conductivity type as the substrate ⁇ represents.
  • the first zone (p) and the second zone (n + ) do not touch.
  • the second zone (n + ) can be diffused in simultaneously with the emitter.
  • the front side 3 is covered with an insulating passivation layer 5, over which a metallic cover electrode D is arranged.
  • the cover electrode D covers the substrate area (substrate area n ⁇ ) bordering the front side 3, the edge areas of the first zone (p) and the edge areas of the second zone (n + ).
  • connection for the anode A is located on the front side 3 and connected to the first zone (p).
  • connection for the cathode K (collector) is connected on the rear side 4 to the substrate region (n + ).
  • the second zone (n + ) limits the space charge to areas under the cover electrode when reverse voltage is applied between the anode A and the cathode K.
  • the cover electrode D can be connected to a voltage divider between the anode A and the cathode K formed by resistors R 1 and R 2.
  • the cover electrode D additionally covers an additional zone (zone V) bordering the second zone (n + ), the surface concentration of which is lower than that of the second zone (n *).
  • the cover electrode D additionally covers an additional zone (zone U) bordering the first zone (p), the surface concentration of which is lower than that of the first zone (p).
  • FIG. 5 shows an arrangement corresponding to FIG. 2 with an additional zone ⁇ , in which the cover electrode D and the anode A are connected or the decode D is connected to the same potential as the first zone (p) is.
  • FIG. 7 shows a semiconductor arrangement corresponding to FIG. 3 with an additional zone ′, the cover electrode D being connected to the cathode K or the cover electrode D and the cathode K being connected to the same potential , whereby a connection to the second zone (n + ) is also possible.
  • FIG. 8 similar to FIG. 7, the enrichment breakdown voltage is shown with and without the additional zone ⁇ . It can also be seen from this that, depending on the thickness of the oxide layer under the cover electrode D, significantly higher values for the breakdown voltage are achieved if an additional zone f is introduced.
  • FIGS. 5 and 6 therefore make it possible in certain cases to achieve a desired blocking capability between the anode and the cathode even without integrating a voltage divider, which takes up the silicon area.
  • FIG. 4 An arrangement according to FIG. 4 is useful if a higher blocking capability is desired in connection with a voltage divider ⁇ / 2.

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  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thyristors (AREA)
  • Bipolar Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Halbleiteranordnung, bei der in ein Substrat (2), das unter einer ersten Hauptoberfläche (3) eine schwache Dotierung (Substratbereich n-) und unter einer zweiten Hauptoberfläche (4) eine hohe Dotierung (Substratbereich n+) aufweist, von der ersten Hauptoberfläche eine erste Zone (p) und eine zweite Zone (n+) eindiffundiert sind. An der ersten Hauptoberfläche (3) ist eine isolierende Passivierungsschicht (5) angebracht, über der eine metallische Deckelektrode (D) liegt, die angrenzende Substratgebiete (n-) und die Randgebiete der ersten Zone (p) und der zweiten Zone (n+) überdeckt. Erfindungsgemäß ist zur Erhöhung der Durchbruchspannung wenigstens eine zusätzliche Zone (∑) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die zugeordnete Zone (n+), aber mit geringerer Dotierung eindiffundiert, die Verbindung zur Zone (n+) aufweist, die andere Zone (p) nicht berührt und verhindert, daß unterhalb der Deckelektrode (D) die Zone (n+) direkt an das Substrat (n-) angrenzt.

Description

Monolithisch integrierteHalbleiteranordnung mit einer Deckelektrode.
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Ealblei- teranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer bekannten, monolithisch integrierten, Halbleiteran¬ ordnung (DE-OS 32 27 536) weist ein Substrat unter einer ersten Hauptoberfläche eine schwache Dotierung (Substratbe¬ reich n~) und unter einer zweiten Hauptoberfläche, mindestens bei der fertigen Anordnung, eine hohe Dotierung des gleichen Leitfähigkeitstyps (Substratbereich n+) auf. Von der ersten Hauptoberfläche sind eine erste Zone (p), die mit dem Sub¬ strat einen pn-Übergang bildet, und eine zweite Zone (r."*") vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat, die aber die erste Zone (p) nicht berührt, eindiffundiert.
Die erste Hauptoberfläche des Substrats wird mit Ausnahme von Kontaktfenstern von einer isolierenden Passivierungsschicht bedeckt. Über dieser Schicht liegt eine metallische Deckelek¬ trode, die an die erste Hauptoberfläche grenzende Subs~ratge- biete (Substratbereich n~) , die Randgebiete der ersten Zone (p) und die Randgebiete der zweiten Zone (n+) überdeckt. Durch die über dem Raumladungsgebiet liegende, metallische Deckelektrode wird hier ein Schutz einer planaren Transistor¬ anordnung gegen Umgebungseinflüsse, gegebenenfalls verbunden mit einer Beeinflussung der Durchbruchspannung erreicht. Die Deckelektrode liegt dazu auf einem durch einen Spannungstei¬ ler bestimmten Potential zwischen Basis und Kollektor. Die Durchbruchspannung wird im wesentlichen durch dieses Potenti¬ al und die Dicke des Oxids unter der Deckelektrode bestimmt.
Die Verwendung eines Spannungsteilers ist eine relativ auf¬ wendige Maßnahme, wobei dessen Integration in die Halbleiter¬ anordnung Siliziumfläche beansprucht. Zudem ist es wünschens¬ wert, bei gleicher Oxiddicke eine höhere Durchbruchspannung zu erreichen.
Vorteile der Erfindung
Durch Eindiffusion von einer oder zwei zusätzlichen Zonen (Zone |( bzw. Zone v ) mit einer Dotierung, die schwächer ist als die der unter die Deckelektrode reichenden Zonen (erste Zone p bzw. zweite Zone n"*") kann bei gleicher Oxiddicke eine gegenüber der bekannten Halbleiteranordnung höhere Durchbruch¬ spannung erreicht werden. Damit wird es in bestimmten Fällen möglich, auf einen Spannungsteiler zum Anschluß der Deckelek- trode zu verzichten und die gewünschte Sperrfähigkeit durch eine Verbindung der Deckelektrode mit der Basis/Anode bzw. Kollektor/Kathode zu erreichen.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutere.
Es zeigen:
Fig. 1 eine monolithisch integrierte Halbleiteranordnur.g mit einem Spannungsteiler'nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine erfindungsgemäße, monolithisch integrierte Halb¬ leiteranordnung mit einer zusätzlichen Zone (Zone V , die einer n+-Zone zugeordnet ist,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße, monolithisch integrierte Halb¬ leiteranordnung mit einer zusätzlichen Zone (Zone II ), die einer p-Zone zugeordnet ist,
Fig. 4 eine Halbleiteranordnung, die beide zusätzlichen Zonen (Zone ^und Zone lh~) aus den Fig. 2 und 3 enthält,
Fig. 5 eine beschaltete Halbleiteranordnung nach Fig. 2,
Fig. 6 eine beschaltete Halbleiteranordnung nach Fig. 3,
Fig. 7 ein Diagramm, das im Vergleich mit dem Stand der Tech¬ nik den Anstieg der Durchbruchspannung bei Verwendung der zusätzlichen Zone nach Fig. 2 (Zone
Figure imgf000005_0001
zeigt und
Fig. 8 ein Diagramm, das im Vergleich mit dem Stand der Tech¬ nik den A.nstieg der Durchbruchspannung bei Verwendung der zusätzlichen Zone nach Fig. 3 (Zone 11 ) darstellt.
Allgemein ist festzustellen, daß die Erfindung bei Trar.sisto- ren in Planartechnik angewendet werden soll. Da der Emirter dabei keine Rolle spielt, sind die Fig. 1 bis 6 auf die Dar¬ stellung der Basis-Kollektor-Diode eines npn-Transistors be¬ schränkt. Die Basis ist dabei mit A (Anode) und der Kollektor mit K (Kathode) bezeichnet.
Sinngemäß ist die Erfindung auch für pnp-Transistoren geeig¬ net, wobei jeweils p- und n-Dotierung zu vertauschen sind.
In Fig. 1 ist eine monolithisch integrierte Halbleiteranord- nung 1 dargestellt, deren Ausgangsmaterial für die Herstel¬ lung ein Silizium-Substrat 2 ist, das auf der Vorderseite (erste Hauptoberfläche 3) schwach (Substratbereich n~) und auf der Rückseite (zweite Hauotoberflache 4) hoch dotiert (Substratbereich n+) ist.
Auf der Vorderseite 3 sind in bekannter Weise mittels Foto- ' tecnnik, Dotierung und Diffusion eine erste Zone (p), die mit dem Substrat 2 einen pn-Übergang bildet und eine* zweite Zone (n+) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat herge¬ stellt. Die erste Zone (p) und die zweite Zone (n+) berühren sich nicht. Die zweite Zone (n+) kann gleichzeitig mit dem Emitter eindiffundiert werden.
Die Vorderseite 3 ist mit Ausnahme von Kontaktfenstern mit einer isolierenden Passivierungsschicht 5 bedeckt, über der eine metallische Deckelektrode D angeordnet ist. Die Deckelek¬ trode D überdeckt das an die Vorderseite 3 grenzende Substrat- gebiet (Substratbereich n~), die Randgebiete der ersten Zone (p) und die Randgebiete er zweiten Zone (n+).
An der Vorderseite 3 und mit der ersten Zone (p) verbunden liegt der Anschluß für die Anode A. Auf der Rückseite 4 mit dem Substratbereich (n+) verbunden liegt der Anschluß für die Kathode K (Kollektor). Die zweite Zone (n+) begrenzt die Raum¬ ladung auf Gebiete unter der Deckelektrode, wenn zwischen der Anode A und der Kathode K Sperrspannung angelegt wird.
Nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 kann die Deckelek¬ trode D an einen durch Widerstände R]_ und R2 gebildeten Spannungsteiler zwischen der Anode A und der Kathode K ange¬ schlossen werden. Die im Falle von R]_ bzw. R2 = 0 zwischen der Anode A und der Kathode K erreichbaren Durchbruchspannun- gen sind üι_ bzw. U2• Dabei ist tιχ die Anreicherungsdurchbruch- spannung und U2 die Verarmungsdurchbruchspannung der durch die Deckelektrode D, das darunterliegende Oxid 5 und das Silizium 2 gebildeten MOS-Struktur. Die maximal erreichbare Durchbruchspannung ist D"-*_ + U2, wenn R]_ : R2 = U2 : Uτ_. Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, wie der Spannungs¬ teiler R1/R2 monolithisch integriert werden kann, in der Wei¬ se, daß der Widerstand R]_ anstelle mit der Kathode K mit der praktisch auf gleichem Potential liegenden zweiten Zone (n+) auf der Vorderseite 3 verbunden wird. Weiter ist es bekannt, wie die Sperrspannung zwischen der Anode A und K abgleichbar gemacht werden kann, beispielsweise durch Zener-Dioden in Reihe zu den Widerständen, die bei Bedarf kurzgeschlossen werden.
In der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung nach Fig. 2 über¬ deckt die Deckelektrode D zusätzlich eine an die zweite Zone (n+) grenzende, zusätzliche Zone (Zone V ) , deren Oberflächen- konzentration geringer ist als die der zweiten Zone (n*).
In der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung nach Fig. 3 über¬ deckt die Deckelektrode D zusätzlich eine an die erste Zone (p) grenzende, zusätzliche Zone (Zone U ), deren Oberflächen- konzentration geringer ist als die der ersten Zone (p).
In Fig. 4 sind beide zusätzlichen Zonen (Zone
Figure imgf000007_0001
Zone ll ) vorhanden.
Beide zusätzlichen Zonen
Figure imgf000007_0002
in bekannter Weise mittels Fototechnik, Dotierung und Diffusion hergestellt.
In Fig. 5 ist eine Anordnung entsprechend der Fig. 2 mit einer zusätzlichen Zone ^dargestellt, bei der die Deckelek- trode D und die Anode A verbunden sind bzw. die Dec elektrode D auf das gleiche Potential wie die erste Zone (p) gelegt ist.
Aus dem Diagramm nach Fig. 7 ist der Nutzen der zusätzlichen Zone \f'zu entnehmen. Dabei ist die Verarmungsdurchbruch- spannung zwischen der Anode A und der Kathode K eingezeich¬ net, für den Fall ohne der zusätzlichen Zone V (unterer Kur- venast) und mit der zusätzlichen Zone
Figure imgf000007_0003
(oberer Kurvenast). Nach oben ist die Durchbruchspannung aufgetragen und nach rechts die Dicke der Oxidschicht unter der Deckelektrode D. Es ist zu entnehmen, daß je nach der Dicke der Oxidschicht zum Teil deutlich höhere Werte für die Durchbruchspannung er¬ reicht werden, wenn eine zusätzliche Zone Vverwendet wird. In Fig. 6 ist eine Halbleiteranordnung entsprechend Fig. 3 mit einer zusätzlichen Zone '^dargestellt, wobei die Dεckelek- trode D mit der Kathode K verbunden ist bzw. die Deckelektro¬ de D und die Kathode K auf das gleiche Potential gelegt wer- den, wobei auch eine Verbindung mit der zweiten.Zone (n+) mög¬ lich ist.
In Fig. 8 ist dabei ähnlich wie in Fig. 7 die Anreicherungs- durchbruchspannung mit und ohne der zusätzlichen Zone ^einge- zeichnet. Auch hieraus ist zu entnehmen, daß je nach Dicke der Oxidschicht unter der Deckelektrode D deutlich höhere Werte für die Durchbruchspannung erreicht werden, wenn eine zusätzliche Zone f-eingebracht wird.
Anordnungen entsprechend den Fig. 5 und 6 machen es daher in bestimmten Fällen möglich, eine gewünschte Sperrfähigkεit zwi¬ schen der Anorde und Kathode auch ohne die Siliziumfläche be¬ anspruchende Integration eines Spannungsteilers zu erreichen.
Eine Anordnung entsprechend der Fig. 4 ist dann nützlich, wenn in Verbindung mit einem Spannungsteiler χ/ 2 eine höhe¬ re Sperrfähigkeit gewünscht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Monolithisch integrierte Halbleiteranordnung bei der in ein Substrat, das unter einer ersten Hauptoberfläche eine schwache Dotierung (Substratbereich n~), unter einer zweiten Hauptoberfläche, mindestens bei der fertigen Anordnung, eine ■ hohe Dotierung des gleichen Leitfähigkeitstyps (Substratbe¬ reich n+) aufweist, von der ersten Hauptoberfläche eine erste Zone (p), die mit dem Substrat einen pn-übergang bildet und eine zweite Zone (n+) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat, die aber die erste Zone (p) nicht berührt, ein- diffundiert sind und bei der eine die erste Hauptoberfläche des Substrats mit Ausnahme von Kontaktfenstern bedeckende iso¬ lierende Passivierungsschicht und eine'über dieser Schicht liegende metallische Deckelektrode, die an die erste Haupt¬ oberfläche grenzende Substratgebiete (Substratbereich n~), Randgebiete der ersten Zone (p) und Randgebiete der .zweiten Zone (n+) überdeckt, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Hauptoberfläche (3) wenigstens eine je¬ weils einer der Zonen (erste Zone p bzw. zweite Zone n"*") zuge¬ ordnete, zusätzliche Zone (Zone T" bzw. Zone v ) eindiffun- diert ist, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp, jedoch mit geringerer Dotierung wie die zugeordnete Zone (erste Zone p bzw. zweite Zone n+) ist, die die andere Zone (zweite Zone n" bzw. erste Zone p) nicht berührt und die unterhalb der zu¬ geordneten Zone (erste Zone p bzw. zweite Zone n+) liegt und deren Randgebiet im Bereich der Deckelektrode (D) umfaßt und somit verhindert, daß unterhalb der Deckelektrode (D) die zu¬ geordnete Zone (erste Zone p bzw. zweite Zone n+) direkt an das Substrat (Substratbereich n~) angrenzt.
2. Monolithisch integrierte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei zusätzlichen Zonen (Zone "ft-und Zone V) gemeinsam vorgesehen sind und sich gegen¬ seitig nicht berühren.
3. Monolithisch integrierte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorhandensein einer der ersten Zone (p) zugeordneten zusätzlichen Zone (Zone']]'"') oder von zwei zusätzlichen Zonen (Zone t| und Zone y" ) die Deckelektrode (D) auf das Potential der zweiten Zone (n+) oder der zweiten Hauptoberfläche (4) des Substrats (2) gelegt ist.
4. Monolithisch integrierte Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorhandensein einer der zweiten Zone (n"*") zugeordneten Zone (Zone V ) oder von zwei zusätzlichen Zonen (Zone || und Zone V"~} die Deckelek¬ trode (D) auf das gleiche Potential gelegt ist wie die erste Zone (p) oder höchstens eine oder mehrere Diodenflußspannun- gen davon verschieden.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelektrode (D) durch einen Spannungsteiler ( -1/R2) auf ein Potential zwischen dem der ersten Zone (p) und der zweiten Zone (n"*") oder der zweiten Hauptoberfläche (4) des Substrats gelegt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (R-L/R2) ohmsch ist und monolithisch inte- griert ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (R1/R2) abgleichbar ist, insbesondere durch kurzzuschließende Zener-Dioden in Reihe zu mindestens einem der Teilwiderstände oder parallel zu Teilwiderständen des Spannungsteilers (R_/R2).
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