DE2002841A1

DE2002841A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2002841A1
Application number: DE19702002841
Authority: DE
Inventors: Koichi Fujinuma; Kiyoshi Kanekawa; Tetsuaki Nakagawa; Atsushi Ohwada
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-01-22
Filing date: 1970-01-22
Publication date: 1970-07-30
Also published as: FR2030175B1; GB1276791A; FR2030175A1; NL7000879A

Description

Dr. F.;
Dr. R. Koenlgsberger

■ Olpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln jun.

PATENTANWÄLTE

TELEf⁷ON: 8AMMEL-NR. 22S341 TELEGRAMME: ZUMPAT POaTeCHECKKONTOi MÜNCHEN 01133

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8 MÜNCHEN 2,

2/lii
44644-3

Tokyo Shibaura, Electric Co. ,Ltd., Kawasaki-shi

Haitie i t ervorr ic htung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die zur Spannungsbegrenzung geeignet ist, and insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, mittels der die Amplitude einer einem Kreis mit hoher Eingangsimpedanz zugeführten Eingangsspannung begrenzt werden kann und mittels der gleichermaßen ein isolierender Film,auf dem die Gate-Elektrode eines Feldeffekt trans is-r tors mit hoher Eingangsimpedanz (im folgenden als "MIS-FET" oder "PET vom MIS-Typ" bezeichnet) angeordnet ist, geschützt werden kann.

Wie bekannt, wird ein MIS-PET über einen isolierenden PiIm, beispielsweise aus Siliciumdioxyd, mit Steuersignalen beaufschlagt, wotei sich als Vorteil eine wesentlich höhere Eingangsimpedanz ergibt als bei gewöhnlichen Transistoren. ., Aufgrund dieses Vorteils wird der MIS-PET in

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großem Umfang als Schaltkreiselement verwendet. Dieser isolierende PiIm aus Siliciumdioxyd jedoch ist im allgemeinen außerordentlich dünn, d.h. etwa 1000 A. Daher kann es leicht auftreten, daß die statische Elektrizität, die sich als Entladestoß "bei einem Berührungskontakt des menschlichen Körpers oder eines anderen Gegenstandes mit der Oberfläche des MIS-FET zeigt oder die sich bei raschen Stromänderungen in einem irgendwie mit dem MIS-I¹ET gekoppelten Schaltkreis ergebende Induktionsspannung einen Spannungswert erreicht, der die zulässige Isolationsfestigkeit des isolierenden Films übersteigt und unter Umständen eine Zerstörung der Isolation zur Folge hat. Ein Durchschlagen des isolierenden Pilms ist für den MIS-PET unter Umständen äußerst schädlich.

Anders als beim Sperrschicht-FET zeichnet sich der MIS-FET wie bekannt dadurch aus, daß er sowohl in stromdrosselnder als auch in stromerhöhender Weise (Verarmung oder Anreicherung der Majoritätsträger im Kanal) betrieben werden kann, je nach der Polarität einer der Gate-Elektrode aufgedrückten Vorspannung. Aus diesem Grund ist eine Spannungsbegrenzer-Vorrichtung als Schutz für den isolierenden IiIm des MIS-FET erwünscht, die.so arbeiten soll, daß sie bei normalem Betrieb des MIS-FET eine so kleine Eingangskapazität aufweisen soll, daß die Eingangsimpedanz nicht verkleinert wird, oder die so beschaffen ist, daß im wesentlichen symmetrische !positive und negative elektrische Eigenschaften vorliegen, d.h. die mit gleichem Pegel positiver und negativer Spannung von höherem als dem vorgegebenen Wert beaufschlagt werden kann und bei normalem Betrieb in positiver und negativer Richtung eine kleine, im wesentlichen symmetrische Eingangskapazität aufweist'.

Bisher bekannt spannungsbegrenzende Halbleitervorrichtungen umfassen z.B. die Verwendung einer Zener-Diode oder eines Varistors» oder sie nützen die Spannungsfestigkeit des p-n-Übergangs zwischen dem Emitter und der B&.sis oder zwischen der Basis und dem Kollektor eines Transistors zur Spannungsbegrenzung aus. Bei aolchen Elementen jedoch werden die Durchbruchsphänomene ausgenützt,

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die auf treten* wenn dem p-n-irbergang eine ziüüöHiiiisiicle Vorspannung auf gedrückt wird. !Damen^sprecheiid zeigen sich, wenü die Spannung auf etwa + 1OV begrenzt werden ööll, größe öindiffu'iidierte Verünräinigüngsfcönsentratiöneii in dem Bereich, in den Hinein sich eitie Verarmungsschicht erstreckt, wenn der p-ti-irbergäüg mit einer Vorspannung in Spetrichtuttg beaufschlagt wird. Damit wird die Ver ärmungsochicht dünn, uiid der p-ü-übergattg neigt dazu, schön Bei niedrigen Spanüungeii durchztibreehert, während, drier Kapazität zunimmt. Aus dieöeni Grund ist jedes der erwätinten Elemente zur Spannungsbegrenzung alö Schütz fiir den isöliereüden Ρίίίί einies MIS₇ Ρίίί tingeeigtiet.

alternativ ließeii sidh durch" die ÖeriensbEaltüng Zweier

in etttgig^hidöeiztSr Micntüngi äie^: iiiieh p-ti-Ü1iergang auf weisen, sowohl positive als auch negative Sparxnungen begrenzen. Dieses Verfahren tiietil jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich im wesentlichen ÖpmetriibMir iiifctriiciief Eiieii^cliafiien und Bei dir Miniiteiilerüng eiäif spiiiiiu^ilSisireM^r^orriciitui^ als

Wird der p-n-lJbergang all Mittel - zur Spannungsbegrenzung angewendet, so bewirkt dir' verkleinerte Übergang sb ere ich eine Verringärung der Sperrschichtkapazität. Werden daher zwei p-n-Übergänge iä ÖigönriBiitÜni iii iitiii gitiloHnlic'iliiri ll&hiir^iratiiiM-ilbr -in' Serie' geschaltet, so läßt Bich der Übergangsbereich tatsächlich verengen bzw. kontrahieren. Es ist dabei jedoch aufgrund der ungleichen Diffusion der Verunreinigungen schwierig, ig wesentlichen metrische positive und negative elektrische Eigenschaften zu

Kb ist Aufgabe der Erfindung, eine sjiannungBbegrenzende Kalbleitervorrichtung mit kleiner Eingarigskapazität anzugeben, die mit ii glelöHiti iifeei pööitiver und negativir Spaiihungen werden kattti;

BADORIOINAt.

Die- erfindungogeraäße Halbleitervorrichtung läßt sich nicht nur durch Parallelöchaiten zu einem Schaltkreis mit hoher Eingangsimpedanz zur Amplitudenbegrenzung von Eingangssignalen verwenden, vielmehr wird es auoh ermöglicht, MIS-PET sowohl in stromerhöhender oder in stromdrosselnder Weise zu betreiben. Zusätzlich dient die Vorrichtung dazu, den isolierenden PiIm der Gate-Elektrode des MIS-PET zu schützen und läßt sich sowohl einheitlich verbunden mit anderen aktiven Elementen als auch als Einzelteil verwenden. *) (Verarmung und Anreicherung von Ladungsträgern im Kanal)

w Die spannungsbegrenzende Punktion der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung beruht auf einem Durchbruchsphänomen, d.h. einem Zener-Durchbruch oder einem Lawinendurchbruch, verursacht durch eine in Sperrichtung am p-n-Übergang liegende Spannung und auf dem Phänomen des sogenannten Durchgriffs- bzw. Durchreicheeffekts, gemäß dem die Verarmungsschicht bzw. Raumladungszone oder Sperrschicht einer der beiden p-n-Übergänge, der in Sperrichtung vorgespannt ist, bis zu dem anderen in Durchlaßrichtung beaufschlagten Übergang wo'durch die Halbleitervorrichtung stromführend, d.h. leitend wird. Durch die auftretende Erscheinung wird die Spannungsbegrenzervorrichtung gemäß der Erfindung nie zerstört. Sie weist einen ersten, aus

φ einem Halbleitermaterial von einem I*eitfähigkeitstyp bestehenden Bereich und eine Anzahl zweiter Bereiche auf, die in dem ersten Bereich ausgebildet sind, so daß damit ein Übergang bestimmt ist. Einige dieser Übergänge werden mit einer Spannung in Sperrrichtung und die anderen mit einer Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagt. Die Übergänge sind so in Reihe miteinander verbunden, daß bei Aufdrücken einer höheren als der vorgegebenen Sperrspannung diese leitend werden, wodurch verhindert wird, daß eine über einen vorgegebenen Wert ansteigende Spannung einem zu der Halbleitervorrichtung parallel geschalteten Schaltelement aufgedrückt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher

beispielsweise erläutert.

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Pig. 1 bis 8 zeigen schematische Schnittansichten mehrerer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;

Pig. 9A bis 11A zeigen Draufsichten auf weitere Ausführungsformen der erfind^ngsgemäßen Halbleitervorrichtung;

Pig. 9 B bis 11B zeigen schematisch im Schnitt die Ausführungs form der Halbleitervorrichtungen gemäß den Pig. 9A bis 11A* und

Pig. 12 bis 14 zeigen schematische Schnittansichten, bei denen die vorerwähnten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung in ein Halbleitersubstrat mit einem verschiedenen aktiven Element eingebaut sind.

Zunächst wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Pig. 1 beschrieben..Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung weist einen ersten Bereich 1 auf, der aus einem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps besteht und enthält weiter zwei In dem ersten Bereich 1 ausgebildete zweite Bereiche 2 und 3 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die mit wesentlich größeren Verunreinigungskonzentrationen dotiert sind als der erste Bereich 1. Die beiden zweiten Bereiche 2 und 3 sind angrenzend an die Hauptfläche des ersten Bereichs 1 in einem Abstand 1 voneinander angeordnet· Mit den zweiten Bereichen 2 und 5 sind Elektroden Ϊ bzw. 6 über in einem isolierenden PiIm 4 vorgesehene Öffnungen verbundenV

Diese so ausgebildete Halbleitervorrichtung weist zwei zueinander In Gegenrichtung in Serie verbundene p-n-Übergänge auf.Liegt daher über die Elektroden 5 und 6 eine Spannung, so wird einer der p-n-Übergänge in Durchlaßrichtung und der andere in Sperrrichtung vorgespannt, unabhängig von der Polarität der anliegenden Spannung. Es ist bekannt, daß sich die Verarmungs- oder Sperrschicht des In Sperr ichtung vorgespannten p-n-Übergangs ausdehnt. Steigt die Spannung an, so erstreckt sich die Verarmungsschicht schließlich bis zum anderen p-n-Übergang, so daß beide übergänge miteinander leitend verbunden sind. Dieser Vor fang wird als Durchgriff- oder Durchreiche-Effekt (reach-

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through effect)bezeichnet. Weiterhin wird diese Schicht manchmal, bevor die Verarmungs- oder Sperrschicht den anderen p-n-Übergang erreicht, mit einem starken Feld beaufschlagt, so daß bei dem in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergang ein Zoner- oder Lawinendurchbruch auftritt und folglich beide p-n-tJbergänge leitend werden.

Werden, wie bei der Anordnung der Pig. 1 , die zweiten Bereiche 2 und 3 mit wesentlich höheren Verunreinigungskonzentrationen als der erste Bereich dotiert, so weist die Sperrschicht des in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergangs eine Breite d auf, die sich annähernd durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt:

ro_c _Λ ? 1/2 d = \ j£o*s . ^ . (Y-YH (1).

L ^q ^N J

Darin bedeuten:

q = Elektronenladung

N = Verunreinigungskonzentration im ersten Bereich ^₈ = Spezifische Dielektrizitätskonstante des Halbleiters £q = Dielektrizitätskonstante in Vakuum V = angelekgte Spannung
V^ = Diffusionsspannung

Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß die Breite d einer Sperrschicht bestimmt ist durch die Konzentration N der Verunreinigungen im ersten Bereich 1 und die angelegte Spannung V. Um die in Rede stehende Vorrichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung leitend zu mächen, ist es erforderlich, daß die Breite d der Sperrschicht, wenn die angelegte Spannung den vorgegebenen Wert erreicht, gleich oder breiter ist als der Abstand £ zwischen den beiden zweiten Bereichen, wie es in Pig.

veranschaulicht ist. In diesem PaU wird die Vorrichtung auf-

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grund des erwähnten Durchgriff-Effekts leitend, d.h. sie hat die Fähigkeit, eine über den vorgegebenen Wert ansteigende Spannung zu begrenzen.

Je kleiner weiterhin der mit der obigen Gleichung gegebene Wert der Verünreinigungskonzentration IT in der ersten Schicht gewählt wird, desto breiter wird die Breite bzw.' Weite d der. Verarmungs- bzw..Sperrschicht. Damit- ist es möglich, einen Durchgriff-Effekt schon bei niederer Spannung zu erhalten.

Werden im Falle der in Fig. 1 gezeigten Anordnung die zweiten Bereiche 2 und 3 mit einer wesentlich höheren Verünreinigungskonzentration dotiert als der erste Bereich 1, so läßt sich damit erreichen, daß die Durchgriffspannung hinsichtlich positiver und negativer Richtung symmetrisch verläuft, selbst wenn Verunreinigungen in einer zur. Fläche des ersten Bereichs senkrechten Richtung ungleichmäßig verteilt sein sollten oder wenn die zweiten Bereiche 2 und 3 verschiedene Verunreinigungskonzentrationen aufweisen sollten. Der Durchgriff-Effekt erhöht außardem die Breite bzw. Weite der Verarmungs- oder Sperrschicht, und dementsprechend nimmt die Kapazität des Übergangs ab. Sind die Verunreinigungen dagegen im ersten Bereich 1 bis zum Grund der zweiten Bereiche 2 und 3 in einer zur iläche des ersten Bereiche 1 senkrechten Richtung gleichmäßig verteilt, so läßt sich ein größerer Strom einspeisen oder hindurchführen.

Ist die Verünreinigungskonzentration im ersten Bereich zur Spannungsbegrenzung nur in einem nahe der Oberfläche liegenden Teil erhöht, so wird die Ausbreitung der Sperrschicht nahe dieser Oberfläche gestört, und der Durchgriff-Effekt tritt in einer Tiefe, z.B. über 0,1 Mikron unter der Oberfläche, auf. Dadurch ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung nicht nur gegen störende Effekte zu schützen, die sich aus einer Ver-Bchmutzung oder Beschädigung der Oberfläche ergeben, vielmehr läßt sich auch dadurch der Mah.bereich . dm? Oberfläche des

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Halbleiterkörper vermeiden, in dem die ' " 3 Konzentration der Verunreinigungen leicht unstabil wird.

Es ist auch möglich, eine Spannungsbegrenzung durch Zerstörung der Isolationswirkung des p-n-tTb er gangs zu erreichen, indem eine Spannung in Umkehrrichtung, d.h. eine Sperrspannung, aufgedrückt wird. In diesem Fall läßt sich die Durchbruchsspannung Y_ß annähernd durch die folgende Gleichung ausdrücken:

♦ 2,.N

Darin bedeuten:

N = Verunreinigungskouzentration im ersten Bereich. Em = Maximalfeidstärke

£_s»£q und q bezeichnen dieselben Größen wie in Gleichung (1)

Mit V_B läßt sich damit die ausreichende Spannungshöhe angeben, die angelegt werden muß, damit die Feldstärke in der Sperrschicht eines in Umkehrrichtung vorgespannten p-n-Übergangs einen Maximal pegel erreicht.

Um den in Sperrichtung vorgespannten p-n-Übergang durchweinen Zener- oder lawinen-Durchbruch leitfähig zu machen, ist es lediglich erforderlich, die in Fig. 1 angegebenen zweiten Bereiche in einem größeren Abstand voneinander anzuordnen als der Breite bzw. Weite d einer Sperrahicht entspricht, die auftritt, wenn die vorerwähnte Durchbruchsspannung Vg angelegt wird. Wie eich aus Gleichung (2) ergibt, ist die Durchbruchsspannung Vg bestimmt durch die Verunreinigungskonzentration N im ersten Bereich. D.h. je größer die Verunreinigungekonzentration is.t, umso niedriger liegt die Durchbruchsspannung Vg. Werden jedoch große Verunreinigungskonzentrationen N eindiffundiert, so ist dies nicht von Vorteil, da es zu einer Verminderung der Breite

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bzw. Weite der Sperrschicht führt und damit eine vergrößerte Kapazität des Übergangs auftritt. Um einen Zener- oder lawinendurchbruch auftreten zu lassen, ist es ratsam, den Abstand £> zwischen den zweiten Bereich größer zu machen als es dem Pail entspricht, in dem der Durchgriff-Effekt auftritt und angewendet wird und höhere Verunreinigungskonzentrationen in den Bereich einzudiffundieren, der nahe dem Übergang des ersten Bereichs liegt. Soll eine so geringe Spannung, bei der noch kein Zener- oder Lawinendurchbruch auftritt, auf einen vorgegebenen Pegel begrenzt werden, so läßt sich auch da. der Durchgriff-Effekt anwenden. Auch eine Spannung, die so groß ist, daß ein Zener- oder Lawinendurchbruch auftreten kann, läßt sich mittels des Durchgriff-Effekts begrenzen. Unter Anwendung dieses Effekts lassen sich daher Spannungen über einen großen Bereich begrenzen.

Eine Halbleitervorrichtung der in Pig. 1 gezeigten Anordnung wird in folgender Weise hergestellt. Der erste Bereich 1 besteht aus einem Siliciumplättchen mit IT-Ieitfähigkeit und einem spezifischen Widerstand von 10 Xlcm. Auf diesem Plättchen wird eine Siliciumdioxydschicht durch thermische Oxydation abgelagert. Die Teile der Siliciumdioxydschicht, in deren Bereich die zweiten Bereiche ausgebildet werden sollen, werden nach einem bekannten Photoätzverfahren ausgeschnitten, um die Oberfläche des ersten Bereichs freizulegen. Die freigelegte Oberfläche wird mit P-Verunreinigüng hoher Konzentration dotiert, um P⁺-Bereiche als zweite Bereich 2 und 3 so auszubilden, daß der Übergang eines

jeden dieser Bereiche 2 und 3 eine Pläche von 20 χ 500 μ bei einer Dicke der Diffusionsschicht von 5000 A aufweist, wobei der Zwischenraum -C zwischen den Bereichen 2 und 3 5 Mikron beträgt, und die Verunreinigungskonzentration bei 10 ^cm liegt. Die Siliciumdioxydschicht 4 wird nochmals thermisch auf eine Dicke von 5000 A oxydiert. Die so oxydierten Abschnitte der Siliciumdioxydschicht, die auf den zweiten Bereichen 2 und 3 liegen, werden abgeätzt, um die Oberfläche der zweiten Bereiche 2 und 3 freizulegen. Darauf werden mit den zweiten Bereichen 2 und 3 zu verbindende Blektrpden₁5. yqd^jn durch Vakuumabscheidung von

Q Q 9 8 3 ι /

- ίο -

Aluminium in einer Dicke von ebwa 1,5 Mikron aufgebracht. Das Gebilde wird während einer Minute bei einer Temperatur von etwa 55O°C in Wasserstoff atmosphäre wärcieböhandelt, um die Herstellung der Halbleitervorrichtung abzuschließen. In Praxis wird eine große Anzahl Elemente aua einer einzelnen Bahn oder Scheibe von Siliciumplättchen hergestellt, und die einzelnen Elemente werlen in einem Schneidvorgang vom Gesamtplattehen getrennt. Bei einer so hergestellten Halbleitervorrichtung ergab sich der Durchgriff-Effekt bei einer Spannung von +1OV und einem Widerstand von 200 -Ti- Bei nicht vorliegendem Durchgriff-Effekt ergab sich für die Vorrichtung eine Kapazität von 0,2 pF.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Anders als bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der erste Bereich 1 in einem Substrat 7 ausgebildet, das eine dem Bereich 1 entgegengesetzt 3 Leitfähigkeit aufweist. Auch in diesem Fall sind die zweiten Bereiche 2 und 3 mit höherer Verunreinigungskonzentration dotiert als der erste Bereich 1. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 läßt sich auch mit der Halbleitervorrichtung nach Fig. 2 eine Spannungsbegrenzung unter Anwendung des vorerwähnten Durchgriff- oder Durchbruchphanonens der Sperrschicht des p-n-Übergangs erreichen.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform der Erfindung. Angrenzend an die Oberfläche des Halbleitersubstrats eines Leitfähigkeitstyps ist ein erster Bereich mit gegenüber dem Substrat 17 entgegengesetzter Leitfähigkeit durch selektive Diffusion einer Oxydschicht ausgebildet. Ebenfalls im Grenzbereich der Oberfläche des Substrats 17 sind durch selektive Diffusion eines Oxydfilms zweite Bereiche 12 und 13 mit gegenüber dem ersten Bereich 11 entgegengesetzter Leitfähigkeit eingebracht, die eine wesentlich höhere Verunrainigungskonzentration als der erste Bereich 11 enthalten. In diesem Fall sind die zweiten Bereiche angrenzend an den ersten Bereich 11 angeordnet. Im ersten Bereich 11 ist einer der zweiten Bereich 13 eingebracht, während der andere Bereich 12 so angeordnet ist, daß das Substrat 17 und der erste

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Bereich 11 so überbrückt.sind, daß der zwischen dem ersterwähnten zweiten Bereich 13 und dem ersten Bereich 11 gebildete Übergang und der durch den anderen zweiten Bereich 12 mit dem ersten Bereich 11 gebildete Übergang im wesentlichen flächengleich sind. Der ersterwähnte zweite Bereich 13, der in dem ersten Bereich 11 Eingeordnet ist, ist elektrisch mit einer Elektrode 16 verbunden, die durch Vakuumabscheidung von Aluminium über eine in dem isolierenden Film 14 auf der Oberfläche des Substrats 17 ausgebildeten Öffnung hergestellt ist. Als andere Elektrode dient das Substrat 17 selbst, wobei als Anschluß eine von der Unterseite des Substrats aus herausgeführte Elektrodenklemme 15 - -äk dient. -

Anhand der Fig. 4 wird nun eine vierte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Anders als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein zweiter Bereioh 12 so angeordnet·, daß der erste Bereich 11 und das Substrat 17 überbrückt sind, wobei der zweite Bereich 12 unter der Oberfläche des Substrats 14 durch bekannte Verfahren so eingebracht ist, daß ©r sich in senkrechter' Richtung vom ersten Bereich 11 in das Substrat 17 hinein erstreckt. Auch in diesem Fall sind die zweiten Bereiche 12 und 13 angrenzend an den ersten Bereich 11 angeordnet. Die zweiten Bereiche 12 und 13 sind vom selben Leitfähigkeitstyp wie; das mit _Y geringer Verunreinigungskonzentration dotierte Substrat 17, sie φ weisen Jedoch eine wesentlich größere Dotierungskonzentration auf. Auch sind-die zweiten Bereiche 12 und 13 mit wesentlich höherer Verunreinigungskonzentration dotiert, als der erste Bereioh11, der entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist. Wie in Fig. 3 ist mit der Unterseite des Substrats 17 eine Elektrodenanschlußklemme 15 verbunden. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen läßt sich mit der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 4 eine Spannungsbegrenzung aufgrund des Durchgriff-Effekts oder' eines Durchbruchs dadurch erreichen, daß der Abstand 4Γ zwischen den zweiten Bereichen 12 und 13sowie die Konzentration der Verunreinigungen in entsprechender Weise gewählt werden.

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Anhand der Pig. 5 wird nun eine fünfte Aus führung sform der Erfindung "beschrieben.

Bei einem Halbleitersubstrat 27 von einem Leitfähigkeitstyp ist angrenzend an die Hauptfläche eine Verunreinigung vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp selektiv eindiffundiert, um einen scheibenartigen ersten Bereich 21 auszubilden. Im Bereich der Mitte dieses ersten Bereichs 21 * ist durch selektive Verunreinigungsdiffusion ein scheibenartiger zweiter Bereich 22 erzeugt, der dieselbe Leitfähigkeit wie das Substrat, jedoch eine höhere Verunreinigungskonzentration als dieses, aufweist. Zur gleichen Zeit oder nach der Ausbildung des zweiten Bereichs 22 wurde ebenfalls durch selektive Verunreinigungsdiffusion ein ringförmiger dritter Bereich 23 vom selben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat, jedoch ebenfalls von höherer Verunreinigungskonzentration als dieses, so ausgebildet, daß das Substrat 27 und der erste Bereich 21 überbrückt sind. In diesem Fall begrenzen die zweiten und dritten Bereiche 22 und 23 dieselbe Übergangsfläche mit dem ersten Bereich. Der zweite Bereich 22 ist elektrisch mit einer Elektrode 25 verbunden, die durch eine auf einem Teil eines isolierenden, auf die Oberfläche des Substrats 27 aufgebrachten Films ausgeschnittenen Öffnung auf den Bereich 22 durchgreift, wobei der isolierende Film die ersten, zweiten und dritten Bereiche 21, 22 und 23 im übrigen überdeckt. Eine weitere Elektrode wird durch das Substrat 27 selbst gebildet. Um den Durchbruchswiderstand zu vermindern, besteht das Substrat 27 aus einer dünnen, epitaxialen Schicht, die auf einer separaten ' Schicht 28 vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxialschicht ausgebildet ist und die mit einer wesentlich höheren Verunreinigungskonzentration dotiert ist als die Epitaxialschicht. Von der Unterseite dieser separaten Schicht 28 aus ist eine Anschlußklemme 26 nach außen geführt.

Die Durchbruchsspannung ist bestimmt durch die in jenen Teilen des ersten Bereichs 21 vorhandene Konzentration an Verunreini-

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gungen, die im Bereich der durch den ersten Bereich 21 mit dem zweiten und dritten Bereich 22 und 23 bestimmten Übergängen, liegen.

Sind in diesem Pali die Verunreinigungen in einer,zur Oberfläche des ersten Bereichs 21 parallel liegenden Ebene gleichmäßig verteilt, so kann die Verteilung in einer zu dieser Oberfläche senkrechten Ebene durchaus ungleichmäßig sein. Eine solche Verunreinigungsdiffusion läßt sich leicht nach einem bekannten thermischen Diffusionsprozeß erreichen. Sind die zweiten und dritten Bereiche 22 und 23 weiterhin mit wesentlich höheren Verunreinigungskonzentrationen als der erste Bereich 21 dotiert, so brauchen die Konzentrationen in beiden Bereichen 22 und 23 nicht notwendigerweise stets gleich zu sein.

Da die durch den ersten Bereich 21 mit dem zweiten und dritten Bereich 22 und 23 bestimmten Übergänge flächengleich sind, so kann die statische Kapazität der Halbleitervorrichtung im noch nicht durchgebrochenen Zustand, wenn sie mit einer positiven Spannung beaufschlagt wird, gleichgemacht werden, wie jene, die sich bei Anlegen einer negativen Spannung ergibt. Weiterhin kann die Kapazität des durch den ersten Bereich 21 mit dem Substrat 27 bestimmten Übergangs durch Verminderung des Verunreinigungsgehalts im Substrat 27 so verkleinert werden, daß sie vernachlässigbar ist. Das Substrat 27besteht aus einer p-leitenden Epitaxialschicht mit einem spezifischen Widerstand von 10 .dom und einer Dicke der Schicht von 8 Mikron, die durch Epitaxialwachstum auf einer Seite eines p-leitenden Siliciura-Einkristallplättchens erzeugt wurde, das einen spezifischen Widerstand von 0,5 £1 cm und eine Dicke von 200 Mikron aufweist. Durch thermische Diffusion von Phosphor von der Hauptfläche aus ist angrenzend an diese Hauptfläche in der vorerwähnten p-leitenden Zone ein scheibenartiger η-leitender erster Bereich 21 mit einem spezifischen Widerstand von 0,7-^-cm, einer Dicke von 3 Mikron und einem Durchmesser von 67 Mikron ausgebildet. Im Mittelbereich

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dieses ersten Bereichs 21,angrenzend an dessen Hauptfläehe,iüt durch thermische Diffusion von Bor ein scheibenartiger P' leitender zweiter Bereich 22 mit einem spezifischen V/iderstand von 0,01 Ω. cm, einer Dicke von 1 Mikron und einem Durchmesser von 40 Mikron ausgebildet. Weiterhin ist,angrenzend an die Oberfläche des ersten Bereichs 21, ebenfalls wie beim zweiten Bereich 22 durch thermische Diffusion von Bor ein ringförmiger, P-leitender dritter Bereich 23 mit einem spezifischen V/iderstand von 0,01-XI cm, einer Dicke von 1 Mikron, einem Innendurchmesser von 54 Mikron und einem Außendurchmesser von 72 Mikron konzentrisch zum zweiten Bereich 22 ausgebildet.

Jeder der vorerwähnten Bereiche wurde durch selektive Diffusion unter Verwendung einer Siliciumdioxydschicht hergestellt. Der isolierende EiIm 24 besteht aus einer Siliciumdioxydschicht von

5000A Dicke, die durch thermische Oxydation aufgebracht wurde. Zur Ausbildung einer mit dem zweiten Bereich 22 verbundene Elektrode 25 wurde im Vakuum Aluminium im Bereich einer Öffnung von 30 Mikron Durchmesser abgeschieden, die aus der auf dem zweiten Bereich 22 aufgebrachten Siliciumdioxydschicht ausgeschnitten worden war.

Wird ein nach der vorerwähnten Anordnung aufgebautes Halbleiter-™ element durch ein geeignetes Haftmittel auf ein Halterungsteil, z.B. einen Fuß, aufgebracht, so erhält man eine für Spannungsbegrenzungszwecke geeignete Halbleitervorrichtung. Diese Vorrichtung wird in den Durchbruchszustand überführt, wenn eine +1OV übersteigende Spannung angelegt wird. Im Zustand vor dem Durchbruch weist die Vorrichtung eine statische Kapazität von 0,2 ρϊ auf, wenn eine Spannung von + 5 V angelegt wird. Die Vorrichtung hat bezüglich positiver und negativer SpannungswerΛβ symmetrische Eigenschaften.

Wie "bereits erwähnt, läßt sich die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung in extrem kompakter Bauweise herstellen, so daß

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eich selbst dann, wenn die Spannung durch einen Durchbruch begrenzt wurde, die Kapazität der Vorrichtung ganz wesentlich reduziert werden kann.

Die - Ausführungsformen gemäß den Pig. 1 bis 5 weisen p-n-übergänge auf, die durch Halbleitermaterialien von verschiedenem Leitfähigkeitstyp bestimmt sind, dedoch läßt sich auch unter Anwendung einer Schottky-Sperrschicht aus Metall und Halbleitermaterial eine zur Spannungsbegrenzung geeignete Haltervorrichtung ^ herstellen. W

Pig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der. zwei Bereich 32 und 33 vorgesehen sind, die beispielsweise aus Molybdän bestehen und auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrate eingebracht sind, das einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweist und als erster Bereich 31 dient. Wird an die Anschlußklemmen 35 und 36 der mit dein Molybdän verbundenen Elektroden eine Spannung gelegt, so bricht eine der Schottky-Sperrschichten, die aus dem Halbleitersubstrat 31 und dem Molybdän der zweiten Bereiche 32 bzw. 33 gebildet und in Sperrichtung vorgespannt ist, entweder durch oder die Sperrschicht dieser in Umkehrrichtung vorgespannten Schottky-Sperrschicht erstreckt sich bis zu £ der anderen, in Durchlaßrichtung betriebenen Schottky-Sperrschicht, so daß beide Sperrschichten leitend miteinander verbunden sind, und der sogenannte Durchgriff- oder Durchreiche-Effekt erreicht ist. Durch die Anwendung dieses Durchbruch-oder Durchgriff-Effekts wird das Ziel der Spannungsbegrenzung, wie bei der vorerwähnten Ausfüarungsformen der Erfindung erreicht.

Die Pig. 7 und 8 zeigen Abwandlungen der Ausführungsform gemäß Fig. 6. Xn ?ig. 7 ist der erste Bereich 31 gemäß Pig. 6 in einem Substrat 37 von dem ersten Bereich 31 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Pig. 8 zeigt den PaIl^"bei dem der " durch Molybdän gebildete zweite Bereiten⁷ 52'aus 3?ig. ?^<<sb?ange- · -ordnet ist, daß das Substrat 37^ und der erste Bereich 31 über-

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brückt oind. Y/ährend in diesem Pail' El eic trod enans chi ußkl emmen 35 und 36 von beiden,aus Molybdän gebildeten zweiten Bereichen 32 bzw. 33 nach außen geführt sein können, kann beim Substrat 37 dieses selbst als Elektrode verwendet werden.

Alle bisher beschriebenen Ausführungsformen wiesen zwei Elektroden auf. Je nach Art des Schaltkreises jedoch, für den die Halbleitervorrichtung verwendet wird, oder wenn die Vorrichtung dazu dient, den isolierenden PiIm eines mit zwei Gate-Elektroden versehenen MIS-FET zu schützen, an die Steuersignale angelegt werden, so können auch niGhr als zwei spannungobegrenzende Halbleitervorrichtungen verwendet werden und demzufolge auch eine Vielzahl von Elektroden. In diesem Fall können die Vorrichtungen natürlich in einem einzigen System gruppiert und angeordnet sein.

Die Fig. 9A und 9B zeigen eine Ausführungsform, bei der zwei Einheiten der Halbleitervorrichtung, wie sie beispielsweise in Pig. 1 dargestellt sind, in einem einzigen System integriert sind. Von der Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 41» das als erster Bereich dient, sind in Parallelanordnung unter Anwendung eines isolierenden Pilms 44 drei zweite Bereiche 42a, 42b und 42c selektiv eindiffundiert, die eine gegen das Substrat 41 entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen und mit einer wesentlich höheren Verunreinigungskonzentration dotiert sind als das Substrat 41. Die zweiten Bereiche sind flächengleich, wobei die Bereiche 42a und 42c an den beiden Seiten im gleichen Abstand^ von dem in der Mitte liegenden zweiten Bereich 42b angeordnet sind. Ein unvermeidlich auf der Oberfläche eines jeden der zweiten Bereiche 42a, 42b und 42c bei deren Herstellung auftretender isolierender PiIm wird abgeätzt, um die Oberfläche freizulegen, auf der Aluminium im Vakuum abgeschieden wird, um Elektroden 45a, 45b und 45c herzustellen, die elektrisch mit den Bereichen 42a, 42b bzw. 42c verbunden sind. Die mit dem mittleren zweiten Bereich 42b verbundene Elektrode 45b dient als gemeinsame Elektrode, während die Elektroden 45a und 45c,die mit den beiden seit-

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lieh vom mittleren Bereich. 42b angeordneten zweiten Bereichen 42a und 42c verbunden sind, sind außerdem mit zwei Gate-Elektroden verbunden. Mit der in den Fig. 9A und 9B gezeigten Halbleitervorrichtung läßt sich ebenfalls eine Spannungsbegrenzung unter Ausnutzung eines Zener- oder Lawinendurehbruohs erreichen.

Der in den Pig. 1OA und 1OB veranschaulichten Halbleitervorrichtung liegt bezüglich der Anordnung eine Weiterentwicklung der der Ausführungsform in den Pig. 9A und 9B entsprechenden Idee zugrunde. Von der Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 51 aus, das als erster Bereich verwendet wird, sind in paralleler An-Ordnung zu einander sieben zweite Bereiche 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f und 52g selektiv eindiffundiert, die flächengleich sind und voneinander gleichen Abstand aufweisen. Diese Bereiche weisen eine zum Substrat 51 entgegengesetzte Leitfähigkeit auf und sind mit einer wesentlich höheren Verunreinigungskonzentration dotiert als das Substrat 51. Sin auf der Ob er Hache dieser zweiten Bereiche 52a bis 52g bei deren Herstellung unvermeidlich erzeugter isolierender PiIm wurde durch Photoätzen entfernt, um diese Pläche freizulegen. Anschließend wurden Elektroden 55a, 55b und 55c ausgebildet, die eine Gruppe der zweiten Bereiche 52a und 52c, eine Gruppe der zweiten Bereiche 52b, 52d und 52f und eine Gruppe der zweiten Bereiche 52e und 52g jeweils miteinander verbinden. In diesem Pail wird die mit den zweiten Bereichen 52b, 52d und 52f verbundene Elektrode 55b als gemeinsame Elektrode verwendet, und die anderen Elektroden 55a und 55c sind beispielsweise mit zwei Gate-Elektroden eines MIS-PET verbunden, denen Steuersignale zugeführt werden, so daß damit isolierende Pilme,mit denen die Gate-Elektroden verbunden sind, geschützt werden. Die Ausführungsform gemäß den Pig. 1OA und 10B zeichnet 'sich dadurch aus, daß ein größerer Maximalstrom eingespeist werden kann als bei der Ausführungsform gemäß Pig. 9A und 9B.

Auch bei einer in den Pig. 1IA und 11B gezeigten Anordnung kann

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der maximal zulässige Strom erhöht werden. In einem Halbleitersubstrat 61, das als erster Bereich dient, sind angrenzend an dessen Oberfläche vier zweite Bereiche 62a, 62b, 62c und 62d ausgebildet. Weiterhin sind Elektroden 65a und 65b vorgesehen, die jeweils alternierend zwei Bereiche elektrisch miteinander verbinden, so daß eine Bereichsgruppe 62a und 62b und eine weitere Gruppe 62b und 62d bestehen. Es ist ersicht?.ich, daß bei der Ausführungsform nach den Pig. 11A und 11B ein größerer Strom eingespeist werden kann als bei den Ausführungsformen gemäß den Pig. 1 und 2.

Alle vorerwähnten Ausführungsformen sind so beschrieben, daß sie sich als einzelne Halbleitervorrichtung verwenden lassen. Es ist jedoch möglich, diese Vorrichtung in ein Halbleitersubstrat einzubauen, in dem andere aktive Halbleiterelemente ausgebildet sind. Die Pig. 12 bis 14 zeigen Ausführungsformen, bei denen die erfindungsgemäße Vorrichtung In ein Substrat zusammen mit einem MIS-PET so eingebaut ist, daß der isolierende i'ilm, mit dem die Gate-Elektrode des PET verbunden ist, geschützt wird. Es soll jedoch betont werden, daß die Integration in einem Halbleitersubstrat keineswegs auf die Verbindung mit dem vorerwähnten MIS-PET begrenzt ist. Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung auch in einem Halbleitersubstrat anwenden, in dem ein anderes aktives Element ausgebildet ist, um die Amplitude einer dem Element aufgedrückten Eingangsspannung zu begrenzen. Pig. 12 zeigt den im folgenden beschriebenen Aufbau einer Halbleitervorrichtung zur Spannungsbegrenzung: angrenzend an die Hauptfläche eines Halbleitersubstrates 77 eines bestimmten Leitfähigkeitstyps ist ein erster Bereich 71 ausgebildet, der eine gegenüber dem Substrat 77 entgegengesetzte Leitfähigkeit aufwei3t. Innerhalb des ersten Bereichs 71 sind angrenzend an dessen Hauptfläche durch selektive Diffusion zweite Bereiche 72 und 73 mit einer gegenüber dem ersten Bereich 71_rfentgegengesetzten Leitfähigkeit ausgebildet, die mit einer wesentlich höheren Verunreinigungskonzentration dotiert sind als der erste Bereich 71. Mit den zweiten Bereichen 72 bzw. 73 sind Elektroden

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75 bzw. 76-elektrisch verbunden, die über in einem isolierenden Film 74 ausgeschnittene Öffnungen auf'den "zweiten-Bereichen 72 und 73 abgeschieden -worden- sind. Der Souree-Bereich 78 und der Drain-Bereich 79 des in demselben Substrat 77 untergebrachten MIS-FET oind nahe der Hauptfläche dieses Substrats mit einer gegenüber dem Substrat 77 entgegengesetzten .leitfähigkeit ausgebildet, Hit dem Source-Bereich 78 bzw. dem Drain-Bereich 79 sind weiterhin eine ilource-Elektrode 80 bzw. eine -"Drain-. Elektrode 01 verbunden, die über in einem isolierenden. PiIm 74 -ausgeschnittene Öffnungen auf dem Source-Bereich 78 bzw. dem Drain-Bereich 79 abgeschieden wurden. Der zwischen dem Source- und dem Drain-Bereich liegende isolierende Teil des Films 74 ist mit einer Gate-Elektrode 82 verbunden.

Um die spannungsbegrenze-nde Halbleitervorrichtung als Schutz des isolierenden Films des MIS-PET zu verwenden, ist es lediglich erforderlich, daß eine der Elektroden 75 und 76, beispielsweise die Elektrode 76, die mit den zweiten Bereichen 72 bzw. 73 der spannungsbegrensenden Halbleitervorrichtung verbunden sind, an die Gate-Elektrode 82 des MIS-FET angeschlossen und die andere Elektrode 75 mit dem Substrat 77 verbunden wird.

Wird die Sate-Elektrode 82 mit einer zur Zerstörung des isolierenden Films 74t der mit der Elektrode 82 verbunden ist, ausreichend hohen Spannung beaufschlagt, so wird die Spannungsbegrenzervorrichtung, die die beiden p^n-Übergänge aufweist, leitend, so daß ein augenblicklicher Spannungsabfall an der Gate-Elektrode 82 auftritt, so daß der isolierende Film 74 geschützt ist. Im normalen Betrieb ist es zulässig, die Gate-Elektrode des MIS-FET mit einer positiven oder negativen Vorspannung zu beaufschlagen, so daß dieser entweder in stromdrosselnder oder in stromerhöhender V/eise betrieben wird.

Fig. 13 zeigjt den Fall, bei dem die in Fig. 3 gezeigte HaIb-■ lagervorrichtung in das Substrat gemäß Fig. 12 in Verbindung

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mit einem MIS-PET eingebaut ist. In diesem Pail ist ein zweiter B_ereich. 72 der Halbleitervorrichtung, angrenzend an die Hauptfläche des Substrats 77, so vorgesehen, daß das Substrat 77 und der erste Bereich 71 überbrückt sind, wobei das Substrat selbst als die in Pig. 12 gezeigte Elektrode 75 verwendet wird.

Pig. 14 zeigt den Pail, bei dem die in Pig. 5 veranschaulichte Halbleitervorrichtung in einem Substrat gemäß Pig. 12 zusammen mit einem MIS-FET enthalten ist.' Auch in diesem Pail ist ein zweiter Bereich 72 der Halbleitervorrichtung so ausgebildet, φ daß er sich in vertikaler Richtung vom ersten Bereich 71 in

das Substrat 77 hineinerstreckt, das selbst eine Elektrode bildet.

Das die zweiten Bereiche 72 und 73 in den Pig. 12 und 13 bildende Halbleitermaterial kann auch durch Molybdän, wie bei den. weiter oben beschriebenen Ausführungsformen ersetzt sein, d.h. es ist auch hier möglich, eine Schottky-Sperrschicht zwischen einem Metall und einem Halbleitermaterial zu verwenden.

Die Anordnung, bei der die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung, zusammen mit anderen aktiven Elementen, insbesondere mit einem oder mehreren MIS-FET im selben Substrat untergebracht ™ ist, ist besonders für die integrierte Schaltkreistechnik geeignet, beispielsweise als lineare integrierte Halbleiterschaltung.

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Claims

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Pate η t a η s ρ r ü c h e

Zu einem Schaltelement parallel zu sc'haltende Halbleitejrvorrichtung aus einem Halbleitermaterial, das einen ersten Bereich eines leitfähigkeitstyps und im Abstand voneinander angeordnete, an den ersten Bereich angrenzende' zweite Bereiche sowie eine Anzahl durch den ersten mit den zweiten Bereichen gebildete Übergänge bzw· Übergangszonen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Schaltelements gegen unzulässig hohe Spannungen beim Betrieb an einigen der Übergänge eine Sperrspannung und an anderen»der Übergänge eine Pl ußspannung liegt, daß die ersteren. und die letzteren Übergänge in Serie liegen, und daß die beiden Gruppen von Übergängen bei Einprägen einer höheren als der vorerwähnten Spannung(en).( aus Pluß und Sperrspannungen) miteinander leitend verbunden sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche getrennt 7oneinander angeordnet und in dem ersten Bereich angrenzend an dessen Hauptfläehe derart ausgebildet sind, daß Übergänge zwischen dem . ersten und den zweiten Bereichen bestehen, die miteinander leitend verbunden sind, wenn die Verarmungs- bzw* Sperrschioht einer der Übergänge, die mit einer höheren als der vorgegebenen Sperrspannung beaufschlagt ist, bis zum anderen Übergang erstreckt ist, an dem eine Durchlaßspannung liegt.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereich getrennt voneinander angeordnet und im ersten Bereich angrenzend an dessen Haupt fläche derart ausgebildet sind, daß Übergänge zwischen dem ersten und den zweiten Bereichen bestehen, die miteinander leitend verbunden

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sind, wenn einer der Übergänge durch Einprägen einer höheren als der vorerwähnten Sperrspannung durchbricht.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich in einem Substrat vom dazu entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, so daß ein p-n-Übergang mit dem Substrat besteht, und daß einige der zweiten Bereiche in dem ersten Bereich angrenzend an dessen Hauptfläche liegen, während die anderen zweiten Bereiche so angeordnet sind, daß sie das Substrat und den ersten Bereich

4} überbrücken.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche aus einem Halbleitermaterial bestehen, dessen Leitfähigkeit der des ersten Bereichs entgegengesetzt ist und die mit einer höheren Verunreinigungskonzentration als der erste Bereich dotiert sind, so daß ein p-n-Übergang mit dem ersten Bereich besteht.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche aus Metall bestehen, so daß eine Schottky-Sperrschicht mit dem ersten Bereich gebildet
7. Halbleitervorrichtung naca Anspruch 1, dadurch gekennzeich- ; net, daß der erste Bereich in einem Substrat mit einer zur Leitfähigkeit des ersten Bereichs entgegengesetzten Leitfähigkeit ausgebildet ist, und daß das Schaltelement getrennt vom ersten Bereich zusammen mit der Vorrichtung einp integrierte Baueinheit mit dem Substrat bildet.

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