DE2041266A1 - Widerstandsanordnung fuer eine integrierte Mikroschaltung in einem halbleiterkoerper - Google Patents

Widerstandsanordnung fuer eine integrierte Mikroschaltung in einem halbleiterkoerper

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DE2041266A1 DE19702041266 DE2041266A DE2041266A1 DE 2041266 A1 DE2041266 A1 DE 2041266A1 DE 19702041266 DE19702041266 DE 19702041266 DE 2041266 A DE2041266 A DE 2041266A DE 2041266 A1 DE2041266 A1 DE 2041266A1
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Description

7039-70/Kö/S
RCA 60,430
Convention Date:
August 21, 1969
RCA Corporation, HeK York, Ν·Υ·, V.St.A*
Widerstandsanordnung fup «In· integrierte Mikroschaltung in eine*
Halbleiterkörper
Die Erfindung betrifft eine Widerstandsanordnung für eine integrierte Mikroschaltung in eine» Halbleiterkörper.
Bisher gibt es hauptsächlich zwei Arten von diffundierten Widerständen für integrierte Schaltungenr. einfachdlffundierte Widerstände, die gleichzeitig mit de» Basisgebiet eines Transistors in anderen Teilen der integrierten Schaltung hergestellt werden; und doppeltdiffundierte pider sogenannte Pinch-Widerstände, die gleichzeitig mit den Basis·» und dem Emitter gebiet eines Transistors an anderer Stelle der Schaltung hergestellt werden. Der "Pinch-Widerstand" ist im wesentlichen ein modifizierter einfachdiffundierter Widerstand mit einem «weiten Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps, das teilweise durch das erste Widerstandsgebiet hindurchdiffundiert und durch einen pn-übergang hiervon getrennt ist, wodurch die Querschnittsfläche des ersten Widerstandsgebietes verringert oder "eingeschnürt" und sein spezifischer Widerstand erhöht wird. Obwohl diese Widerstände für bestimmte Zwecke ausreichen, eignen sie sich nicht gut für Anwendungsfälle, wo Widerstände mit sowohl hoher Spannungsbelastbarkeit als auch hohem Widerstandswert benötigt werden. Einfachdiffundierte Widerstände haben zwar eine angemessene Spannungsbelastbarke.it, jedoch
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niedrig· Widerstandswerte. Man kann ihren Widerstandawert erhöhen, lad·» «aa ihr· Llageeratreckttag etark vergrößert, was jedoch den achwerwiegendan Machteil hat, da· dar Vidaratand dann den größten Teil der Ob ,-fliehe der integrierten Schaltung baanaprucht. Pinch-WideratAnde haben zwar hohe Wideratand'swerte, jedoch eine geringe Spannungabelaatbarkeit, die - ähnlich wie im PaHe der Emitter-Basis-Durchbruchaapannung von Traneietoren an anderer Ste-lle in dar integrierten Schaltung - auf dia Durchbruchaapannung zwischen des eraten und de« zweiten Gebiet beschränkt iat und in der Größenordnung von ungefähr 7 Volt betragt·
Der Erfindung liegt die Aafgab· zugrunde, ein· diffundierte Wideretaadaanordnung adt hohen WidaratandaWerten und hoher Spannungab«laatbarkeit for ein« i»t«erl«rt· Sdnltung zu achaffen.
Zur Löaung dieser Aufgab« iat erfindungsgemäß eine Wideratandaanordnung fur elate integriert· Mlluroachaltung in eine« Halbleiterkörper Torgaaehea, 41· gakenna«iehnet iat deurch eine Anzahl tob an der einen Rauptfllcha der integrierten Schaltung vorgeaeheaen Pinch-Wideratanda«ialMitatt ajtt· J«weila einer elektriach rom übrigen Teil dar Sefcaltomg ieollat't··! Zone «ines ersten Leitungatyps «it je eines «raten Gebiet 4·· «atgegengesetxten Leitungatyp» und ein·« zweiten Gebiet d·«: «raten teitungatype, wo- * bei die «raten Gebiete an die Hauptflloh« angrenzen und txeahetan dete Teile sowie eine vorbeetiaaate Tiefe haben und die zweiten biete an die Hauptfische angrenzen, Mindestens teilweise awischen den beabstandeten Teilen der ersten Gebiet« liegen, eine geringere Tiefe als die ersten Gebiete haben und τοη den eraten Gebieten durch einen pn-übergang axt vorbostiemter Durchbruchsspannung getrennt sind; wobei ferner die ersten Gebiete in Reihe geschaltet sind und an die Widerstandsanordnung eine Spannung gelegt wird, die gröaer ist als die Durchbruchsspannung de» pn-Übergangej und wobei schließlich die Anzahl der rerschalteten ersten Gebiete größer ist als die angelegte Spannung, dividiert durch die Durchbruchsspannung, derart, daß der Spannungsabfall an jedem der ersten Gebiete kleiner als dessen Durchbruchsspannung ist.
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— 3 —
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 den Grundriß eines Teils einer monolithischen integrierten Schaltung mit erfindungsgemäßer Widerstandsanordnung;
Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Figur 1}
Figur 3a das elektrische Schaltschema einer einzigen Pinch-* Widerstandseinheit der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung;
Figur 3h ein vereinfachtes elektrisches Schaltschema einer einzigen Pinch-WiderStandeeinheitj und
Figur 4 das elektrische Schaltschema der erfindungsgem&ßen Widerstandsanordnung·.
Die vorliegende Widerstandsanordnung wird gewöhnlich als Bestandteil einer integrierten Schaltung in Verbindung «it anderen elektrischen Schaltungselementen wie Transistoren und Kondensatoren hergestellt. Figur 1 und 2 zeigen ie Grundriß bzw. ie Querschnitt eine typische integrierte Schaltung, welche die erfindungspemäße Kiderstandeanordnung enthält· Die integrierte Schaltung weist ein Halbleitersubstrat 12 sowie eine epitaktische Schicht 14 ■it Oberfläche 16 auf. Das Substrat 12 besteht aus eine» Körper aus einkristallinem Silicium voe p-Leitungetyp, und die epitaktische Schicht 14 besteht aus n-leitendeeSilicium.
Innerhalb der integrierten Schaltung an der Oberfläch* l6 sind mehrere Pinch-Widerstandeeinheiten 18 vorgesehen. Die einzelnen Widerstandseinheiten 18 weisen jeweils an der Oberfläche 16 eine Zone 20 eines gegebenen Leitungstyps, _. die elektrisch voe übrigen Teil der Schaltung isoliert ist, auf. Ie vorliegenden Fall bilden die Zonen 20 Teile der epitaktischen Schicht 14 und sind daher η-leitend. Jede Zone 20 Hüb iron einem ji+«-leitenden Rand oder Saum 22 sowie dem darunter befindlichen p-leitenden Substrat 12 um geben, so daß die Zonen 20 vom übrigen Teil der integrierten SchajL tung jeweils durch einen pn-übergang 24 getrennt öder iffotiert sind. Gewöhnlich erfolgt die Bildung der Zonen 20 in der Weise, daß ein p+-Gebiet 22 durch die Schicht 14 diffundiert wird, wobei im vorliegenden Fall der sich ergebende pn-übergang 24 eine I&olationsdurchbruchsspanwMig von ungefShr 90 Volt h«t* Bei anderen *
Arten von integrierten Schaltungen wird eine dielektrische Isolation verwendet, wobei jede Zone 20 von einer Schicht aus Isoliermaterial umgeben und vom Substrat 12 getrennt ist. Diese Schaltun gen erfordern zwar ein komplizierteres Herstellungsverfahren, haben aber dafür eine höhere Durchbruchsspannung in der Größenordnung von 300 Volt.
Jede der Zonen 20 enthält einen sogenannten Pinch-Widerstand, bestehend aus einem ersten Gebiet 26 von entgegengesetztem Leitungstyp und einem zweiten Gebiet 28 vom gegebenen Leitungstyp an
fc der Oberfläche 16. Im vorliegenden Fall sind die Gebiete 26 pleitend und weisen voneinander beabstandete Teile 30 an der Oberfläche 16 auf. Die Gebiete 26 werden gewöhnlich von der Oberfläche 16 aus in eine vorbestimmte Tiefe eindiffundiert und sind von den Zonen 20 durch einen pn-übergang 32 getrennt. Die Gebiete 28 sind mindestens teilweise zwischen den beabstandeten Teilen 30 des ersten Gebietes 26 angeordnet, haben eine Tiefe, die geringer ist als die vorbestimmte liefe der ersten Gebiete 26, und sind von dije sen durch einen pn-übergang 34 mit vorbestimmter Durchbruchsspannung getrennt. Tm vorliegenden Fall sind die Gebiete 28n-leitend und van der Oberfläche I6 aus in die ersten Geriete 26 eindiffundiert. Die Pinch-Widerstandseinheiten 18 werden gewöhnlich gleicli zeitig mit einem npn-Transistor an anderer Stelle in der Schaltung
ψ hergestellt, wobei das I.mittei»-, das Basis- und das Kolleltorgebiet des Transistors dem zweiten Gebiet 28, dem eisten Gebiet 2< und der Zone 20 der Pinch-'., i tiei Standseinheiten 18 entsprechen und entsprechende Durchbruchsspannungen haben. Und zwar entspricht die Durchbruchsspannunp zwischen dem ersten Tebiet 26 und dem zweiten Gebiet 2 S der Lraitter-^asisriurohbruchsspannung und beträgt in der Größen irdnung ν in ungefähr 7 Volt, während die DurchbruchsspannuriE zwischen dem eisten Gebiet 2(. und der Zone 20 der Basis-KoIlektordurchbruchs&pannung entspricht und in der Größenordnung von uncefähr 70 Volt bet
hie ersten Gebiet* 2f der Pi nch-V.'i der.«=tände sind durch elektrische "erbi π hinfrn :< in Reihe i>e«chal te1 , während die elektrische Isolation zwischen den 7'..nrn 2< im Halbleitermaterial
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ß'" D ORfGjNAL
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erhalten bleibt.« Im vorliegenden Fall wird auf der Oberfläche l6 eine Isolierschicht 38 angebracht, die an bestimmten Stellen aufgebrochen wird, so daß die beabstandeten Teile JO der ersten Gebiete 2 6 freigelegt werden. Sodann wird auf die Isolierschicht 38 ein hoehleitendes Material aufgebracht und an bestimmten Stellen wieder entfernt, so daß sich die elektrischen Verbindungen 36 ergeben. Die Isolierschicht 38 1st. im. allgemeinen-transparent (licht durchlässig)j die an die Isolierschicht 38 angrenzenden Gebiete aus Halbleitermaterial sind in der Grundrißdarstellung nach Figur 1 zu sehen.
Die Widerstandsanordnung ist gewöhnlich mit anderen Elementen der integrierten Schaltung verbunden, -die. in der Zeichnung nicht dargestellt sindf dagegen ist die an die Widerstandsanordnung;^^ anzulegendeSpannung schematisch durch die Änschlußleitningen 40 und 42 angedeutet. Die richtige Sperrspannung für die .'Widerstahdsein-* heiten 18. erhält- man,* .-indem man. die ersten Gebiete-: 26 elektrisch in den Zonen 20 "schwimmen" läßt (wie in Figur 1 und-*2 gezeigt) oder .indem man die. am meisten positive Seite der .ersten Gebiete' -26 nach den Zonen 20 kurzschließt. Die Widerstandsanordnung- ist besonders in solchen Fällen von Nutzen, wo der Spannungsabfall an ihr größer ist als die einzelnen Pinch-Widers-fcandsdurch-bruchsspannungen am pn-übergang 34«
Die Anzahl der in Reihe zu schaltenden Pi»ch-¥iderstandseinhteiten l8 hängt von der Durchbruchsspannung'zwischen dem ersten Gebiet 26 und dem .zweiten Gebiet 28-(Emitter-Basis) jeder Einheit l8 ab. Die Anzahl der Einheiten 18 muß größer sein als die angelegte Spannung, dividiert durch die kXeias-fce -Dttrchbruchsspannung .einer der Einheiten .l8,.. so daß der Spannungsabfall -an-jeder .der Einheiten .18- kleiner ist als deren'.Durchbruc-hsspannung-·-Die Gründe, weshalb diese . speziellen.- .-Eigenschaften notwendig sind., weJ?den .-nachstellend erklärt» . ...
Figur "3a, die das elektrische Schaltschema* eiiaeK5 isolierten Pineh-Wide-Tistaadseittheit 18 wisäergib-fcj, dieat desa Ver= der- SpanauiEsgsbe.l-astbarkeit's- und^iiders^aad der VGi5Iiegeedea MlauPstandBanopdsmingc. Bei?
BÄD original
standewert des ersten Gebietes 26 ist durch den Widerstand 26a dargestellt, und der Spannungsabfall an ihm ist durch die Anschlüsse 40 und 42 dargestellt. Der pn-übergang 34 zwischen dem ecsten und de« zweiten Gebiet 26 und 28 (Emitter-Basis) ist durch eine Reihe von Dioden 34a längs der einen Seite des Widerstands 26a dargestellt, während der pn-übergang 32 zwischen den ersten Gebieten 26 und de» übrigen Teil der Zone 20 (Basis-Kollektor) durch eine zweite Reihe von Dioden 32a längs der anderen Seite des Widej? stands 26a dargestellt ist. Die Isolation zwischen der Zone 20 und dem p+-Isoliersaum 22 der Widerstandeeinheit 18 ist durch eine ψ weitere Diode 24a zwischen den Substrat 12 und der Zone 20 dargestellt. Beide Diodenreihen 34a und 32a sind untereinander kurzgeschlossen, da das zweite Gebiet 28 in die Zone 20 sowie in die ersten Gebiete 26 eindiffundiert ist (Figur '■ } f und da sowohl das zweite Gebiet 28 als auch die Zone 20 den gleichen Leitungstyp ha-■ ben, sind sie elektrisch miteinander verbunden* Der Widerstand 26a bricht stets an den Emitter-Basisdioden 34» sait der wesentlich niedrigeren Durchbruchsspannung durch; und da die Basis-Kollektordioden 32a nach den Dioden 34a kurzgeschlossen sind, brauchten sie an sich im Schaltschema nicht wiedergegeben zu werden.
In Figur 3b, die ein vereirafachtes Schaltβenema einer isolierten Pinch-Widerstandseinheit lS wiedergibt, ist.der effektive ψ Spannungsdurchbruch des Pinch-Widerstands durch zwei gegensinnig in Reihe Über die Enden des Widerstands 26a geschaltete Dioden 34b veranschaulicht, wobei dieser Spannungsdurchbruch dem Durchbruch am zweiten Gebiet 28 entspricht. Die Dioden 34b wirken als bedingter Nebenschluß zum Widerstand 26a, derart, daß der Strom unter Umgehung des Widerstands 26a durch die Dioden 34b und das zweite Gebiet28 fließt, wenn der Spannungeabfall am Widerstand 26a die Durchbruchsspannung des pn-Gebietes 34 übersteigt. Das zweite Gebiet 28 hat einen sehr kleinen Widerstandswert, so daß der Gesamtwider stand der Einheit l8 auf einen kleinen Bruchteil seines vorherigen Wertes abfällt. «Jedoch bricht der Widerstand 26a auch an der Kollektorzone 20, die nach dem aiwe.iten. Gebiet 28 kurzge-
s c h 1 ο s s ϊ η i s· t, ri ■: 1.1' ■,· h w * κ ;' ■" c, ζ u s ä t r 1 i; :■ *'" <t η F" t ο b 1 e in b e Λ e ι 11. e t. Di β
K ο J 1 e k 1 ο tr ζ "i > η ns '■ '■■ *> : <.. r" -: <;, ,;.<''. ■ : "i * '! s- η s c h .1 ?!»ß ;: ■■ ? c. h a η d e ι -r; η κ,' t ί Ii r i η
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"' BAD ORJGlNAL
elektrische« Kontakt befindlichen 'Pineh-Wi der ständen, itenii das erste Gebiet 26 durchbricht, so daß der Strom*-die.*--Widerstände 26-a auf dem niederohmigen Weg durch daa zweit© Gebiet 28 und die Zone 20 umgeht.
Figur 4 zeigt das elektrische Schal-ts-chema der'Widerstands-* anordnung nach Figur 1 und 2. Drei 'der. Vereinfachtet» 'Widerstandseinheiten 18 sind durch die Leitungen 36 in Reihe'geschaltet, und .die- SpannungsanechlUese 40 und 42 sind an den Enden der Anordnung vorgesehen. .Jede .der Einheiten 18 ist von Substrat 12 durch. :die. . entsprechende Isolationsdurchbruchsdiode 24 a getrennt« So'. könnendie Kollektorzonen 20 äie Widerstände'26a-nicht kurzschließen*.-'-da sie durch ihre Isolationsdioden '24a: .voneinander getrennt .sind, und. die Widerstandsanordnung kann Spannungen bis .sueWert der die.Kollektor'· zonen 20 trennenden Isolationsdurchbruchsspannung 24 verarbeiten.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der Pinch-Widerstandsanordnung in einer integrierten . Schaltung nach Art der Figur 1 und 2 erläutert» Für das Substrat 12 wird ein Körper aus' .einkriställinem Silicium von'p-LeitungStyp verwendet, und darauf wird eine epitaktische Schicht aus n-leiten- - den-" Silicium in einer Dicke von ungefähr 10 Mikron und mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 0,5 Ohmzentimeter aufgewachsen. Sodann wird der p-t—Saum ..22 durch die epitaktische Schicht 14 unter Bildung der Zonen 20 diffundiert, indem ein Teil der Oberfläche 16 Bornitrid 45 Minuten lang bei 1150° C. und anschließend einer trockenen Atmosphäre 5 Stunden lang bei 1200° C. ausgesetzt wird» Die sich ergebenden Zonen 20 haben einen elektrischen Isolationswert von ungefähr 90 Volt. Sodann werden das erste Gebiet 26 und das zweite Gebiet 28 der Pinch-Viderstände in die Zonen 20 eindiffundiert. Die ersten Gebiete 26 werden durch p-Diffusion gebildet, wobei die Oberfläche 40 Minuten lang bei 950° C. Bornitrid und anschließend 30 Minuten lang einer feuchten und 60 Minutenlang siaer trockenen Atmosphäre bei 1100° C-.-ausgesetzt wird. Die ersten Gebiete 2tv werden bis in eine Tiefe von ungefähr 2,1 Mikron eindiffundiert und sind vom übrigen Teil der Zonen 20 durch einen pn-
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Übergang 32 mit einer Durchbruchespannung von ungefähr 70 Volt getrennt. Sodann werden die zweiten Gebiete 28 durch n+-Diffusion gebildet, wobei die. Oberfläche 16 für eine Dauer von 18 Minuten POCl- bei 1050° C. und anschließend 35 Minuten lang einer feuchten und 10 Minuten lang einer trockenen Atmosphäre bei 940° C. ausgesetzt wird. Die zweiten Gebiete 28 werden bis in eine Tiefe, die geringer ist als die der ersten Gebiete 26, diffundiert und sind von diesen durch einen pn-übergang 34 mit einer Durchbruchsepannung von ungefähr 6,5 Volt getrennt.
Im vorliegenden Fall sind drei der Pinch-Widerstandseinheiten in Reihe geschaltet und wird an die Anschlüsse der Widerstandes anordnung eine Spannung gelegt. Jedes der ersten Widerstandsgebiete hat eine Länge von 0,254 Bim (10 Mil), eine Breite von 0,0127 mm (l/2 Mil) und einen spezifischen Widerstand von 5000 0hm pro Flächeneinheit. Aufgrunddessen hat jeder Pinch-Widerstand einen Widerstandswert von IOD OOO 0hm und hat die l/i der Standsanordnung einen Gesamtwiderstand von 300 000 0hm. Da jeder Pinch-Widerstand eine effektive Durchbruchsspannung von ungefähr 6,5 Volt hat, ergibt sich für die Widerstandsanordnung eine Gesaratdurchbruchsspannung oder Spannungsbelastbarkeit von bis zu 19,5 Volt.
BAD ORIG/NAL
ί K

Claims (2)

Paten tan s ρ r ü c he
1./Widerstandsanordnung für eine integrierte Mikroschaltung in einen Halbleiterkörper, ge kenn ζ ei c h η e t du rch eine Anordnung von an der einen Hauptfläche (14) der integrierten Schaltung vorgesehenen Pinch-Widerstandseinheiten (l8) aus jeweils einer elektrisch vom übrigen Teil der Schaltung isolierten (22,12) Zone (20) eines ersten Leitungstyps mit je einem ersten Gebiet (26) des entgegengesetzten Leitungstyps und einem zweiten Gebiet (28) des ersten Leitungstyps, wobei die ersten Gebiete (26) an die Hauptfläche angrenzen und beabstandete Teile (30) sowie eine vorbestimmte Tiefe haben und die zweiten Gebiete (28) an die Hauptfläche angrenzen, teilweise zwischen den beabstandeten Teilen ('3O) der ersten Gebiete (26) liegen, eine geringere Tiefe als die ersten Gebiete haben und von den ersten Gebieten durch einen pn-übergang (34) "A* vorbestimmter Durchbruchsspannung getrennt sind; wobei ferner die ersten Gebiete (26) elektrisch in Räihe geschaltet sind (36) und an die Widerstandsanordnung eine Spannung gelegt wird (40, 42), die größer ist als die Durchbruchs spannung des pn-Übergangs; und wobei schließlich die Anzahl der verschalteten ersten Gebiete (26) größer ist als die angelegte Spannung, dividiert durch die Durchbruchsspannung, derart, daß der Spannungsabfall an jedem der ersten Gebiete (26) kleiner als dessen Durchbruchsspannung ist. i
2. Widerstandsanordnung nach Anspruch 1, da du rc h g e k e η η ζ e i c.-h η e t, daß die Zonen (20) des ersten Leitungstyps vom übrigen Teil der Schaltung durch ein umgebendes Gebiet (22) des entgegengesetzten Leitungstyps unter Bildung eines pn-Übergangs isoliert sind, dessen Durchbruchsspannung wesentlich größer ist als die Durchbruchsspannung des pn-Übergangs (34) zwischen dem ersten (26) und dem zweiten (28) Gebiet der einzelnen Zonen.
BAD ORIGINAL 109809/1566
Leerseite
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2951646A1 (de) * 1979-12-21 1981-07-02 Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg Halbleiterbauelement
EP0211622A1 (de) * 1985-07-31 1987-02-25 Nec Corporation MOS-Integrierte Schaltung mit einer Schutzschaltung die geteilte Schutzwiderstände beinhaltet

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EP0211622A1 (de) * 1985-07-31 1987-02-25 Nec Corporation MOS-Integrierte Schaltung mit einer Schutzschaltung die geteilte Schutzwiderstände beinhaltet

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