DE2047166B2 - Integrierte Halbleiteranordnung - Google Patents

Integrierte Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung mit in einem Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitungstyps ausgebildeten komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren und einem Bipolartransistor, bei der die Source- und Drainzonen des einen Feldeffekttransistors mit zum Substrat entgegengesetztem Leitungstyp direkt im Substrat, die Source- und Drainzonen des anderen Feldeffekttransistors mit zum Substrat gleichen Leitungstyp in einem inselförmigen Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps und der den Emitterbereich einschließende Basisbereich des Bipolartransistors mit entgegengesetztem Leitungstyp in dem als Kollektor dienenden Substrat ausgebildet sind.
Eine derartige Halbleiteranordnung ist aus »Electronics«, Bd. 41, Heft 22, Seiten 49 und 50 bekannt. Aus der DE-OS 18 08 661 ist weiterhin ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitungstyps bekannt, in dem wenigstens ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor und ein Bipolartransistor ausgebildet sind, wobei die Source- und Drainzonen des Feldeffektransistors mit zum Substrat gleichen Leitungstyp in einem inselförmigen Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps und der den Emitterbereich einschließende Basisbereich des Bipolartransistors mit entgegengesetztem Leitungstyp in dem als Kollektor dienenden Substrat ausgebildet sind. Bei diesem bekannten Halbleiterbauelement ist der Emitterbereich des Bipolartransistors mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors elektrisch verbunden.
Aus der US-PS 34 70 390 ist weiterhin eine integrierte Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitungstyps bekannt, in dem ein Feldeffekttransistor und ein aus zwei Zenerdsoden bestehendes Halbleiterschutzelement ausgebildet sind. Auch bei dieser bekannten Halbleiteranordnung sind die Source- und Drainzonen des Feldeffekttransistors mit zum Substrat gleichen Leitungstyp in einem inselförmigen Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildet Weiterhin ist der die Bereiche der Zenerdioden vom gleichen Leitungstyp wie dem des Substrats einschließende Bereich mit entgegengesetztem Leitungstyp im Substrat ausgebildet und steht der Source- oder der Drainbereich einer Zenerdiode mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors in Verbindung.
Die bei den bekannten Halbleiteranordnungen vorgesehenen Bipolartransistoren oder das Halbleiterschutzelement aus zwei Zenerdioden dienen dazu, den
ίο Feldeffekttransistor vor einer zu hohen an der Gate-Elektrode liegenden Spannung zu schützen. Bei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren soll nämlich beispielsweise zur Erhöhung der Steilheit die Isolierschicht so dünn wie möglich ausgebildet werden. Bei einer
•5 Verringerung der Stärke der Isolierschicht wird jedoch auch die dielektrische Durchbruchsspannung verringert, so daß beim Anlegen einer hohen Spannung an die Gate-Elektrode die Isolierschicht ausfällt Hat die Isolierschicht eine Stärke von 1000 A, bei der eine große Steilheit erreicht werden kann, so wird bereits bei einer Gate-Spannung von weniger als 100 V die Isolierschicht durchbrochen. Die bei den bekannten Anordnungen vorgesehenen Bipolartransistoren oder das aus zwei Zenerdioden bestehende Element schützen den Isolierschicht-Feldeffekttransistor vor zu hohen an seiner Gate-Elektrode liegenden Spannungen dadurch, daß bei derartigen Spannungen ein Lawinendurchbruch dieser Halbleiterschutzelemente auftritt.
Die Schutzwirkung des Bipolartransistors bei einer integrierten Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art beginnt somit bei einem Spannungspegel, der durch die Lawinendurchbruchspannung des Basis-Kollektor-Überganges des Bipolartransistors bestimmt ist, die im allgemeinen bei etwa 100 V liegt. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, diesen Spannungspegel, bei dem die Schutzwirkung eintritt, herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Emitterbereich des Bipolartransistors
«ο mit den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren elektrisch verbunden ist und daß im Substrat ein Hilfsbereich mit zum Substrat entgegengesetztem Leitungstyp ausgebildet ist, der eine höhere Dotierungskonzentration als der Basisbereich aufweist und sich in diesen hinein erstreckt
Bei der in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildeten Halbleiteranordnung ist der Beginn der Schutzwirkung durch die Durchbruchspannung des Überganges zwischen dem Hilfsbereich und dem Substrat bestimmt,
so die wesentlich geringer als die des Basis-Kollektor-Überganges ist, da der Hilfsbereich eine höhere Dotierungskonzentration als der Basisbereich aufweist. Die Durchbruchspannung zwischen dem Hilfsbereich und dem Substrat liegt im allgemeinen bei etwa 40 V, so daß der Spannungspegel, bei dem die Schutzwirkung einsetzt, bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wesentlich herabgesetzt ist.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:
F i g. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer bekannten integrierten Halbleiteranordnung;
Fig.2 zeigt eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung;
F i g. 3 zeigt das Ersatzschaltbild der in F i g. 1 und 2 dargestellten Halbleiteranordnungen;
Fig.4 zeigt in einem Diagramm die Eingangs- und
Ausgangsspannung bei der in F i g. 3 dargestellten Schaltung.
Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Halbleitervorrichtung, die als Schaltelement verwandt werden kann, ist mit !Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 81 und 82 mit η-leitendem bzw. p-leitendem K,*nal und einem Bipolartransistor 83 in einem η-leitenden Siliciumsubstrat 80 ausgebildet Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor 81 mit η-leitendem Kanal liegt in einem ρ leitenden inselfönnigen Bereich 84, der durch Eindiffundieren von Verunreinigungen in das Substrat 80 ausgebildet ist und weist n+ -leitende Source- und Drainbereiche 86 bzw. 85, die in einem vorgeschriebenen Abstand voneinander angeordnet sind, eine Isolierschicht 87 aus Siliciumdioxid, die auf einem p-leitenden Bereich 84 zwischen den Source- und Drainbereichen 86 und 85 angeordnet ist, und eine Gate-Elektrode 88 auf, die auf die Isolierschicht 87 aufgebracht ist Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor 82 mit p-leitendem Kanal weist ρ+-leitende Source- und Drainbereiche 89 und 90, die in einem vorgeschriebenen Abstand im Substrat 80 ausgebildet sind, eine Isolierschicht 91, die auf dem Substrat 80 in gleicher Weise wie beim Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit η-leitendem Kanal ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode 92 auf. Der Bipolartransistor 83, bei dem das Substrat 80 als Kollektorbereich dient, weist einen p-leitenden Inselbereich 93, der durch Eindiffundieren von Verunreinigungen in den Kollektorbereich ausgebildet ist, und einen n+-leitenden Emitterbereich 94 auf, der gleichfalls durch Eindiffundieren von Verunreinigungen in den Inselbereich 93 ausgebildet ist. Der Bipolartransistor ist ein planarer npn-Transistor. Der Emitterbereich 94 ist mit einer Emitterelektrode 95 versehen. Die Gate-Elektroden 88 und 92 der Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 81 und 82 und die Emitterelektrode 95 des Bipolartransistors 183 sind elektrisch mit Anschlüssen 96,97 bzw. 98 versehen. Mit 99 ist eine Schutzschicht bezeichnet, die beispielsweise aus Siliciumdioxid besteht Die Schaltung der drei Transistoren 81,82 und 83 ist aus F i g. 3 ersichtlich. Die beiden p-leitenden Inselbereiche 84 und 93 sind nach dem gleichen Diffusionsverfahren hergestellt und die η+-leitenden Bereiche 85 und 86 des Transistor:» 81 und der n+-leitende Bereich 94 des Bipolartransistors 83 können nach dem gleichen Diffusionsverfahren hergestellt sein.
Die bei der oben beschriebenen Halbleiteranordnung vorgesehenen Isolierschicht-Feldeffekttransisioren wirken als Inverter oder Umkehrstufe. Im normalen Betrieb ist der Sourcebereich 86 elektrisch mit dem p-leitenden Inselbereich 84 verbunden, und an den p-leitenden Inselbereich 84 wird gegenüber dem η-leitenden Substrat 80 eine negative Spannung gelegt, so daß der Übergang zwischen dem Inselbereich 84 und dem η-leitenden Substrat 80 in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn an die Eingangsanschlüsse 96, 97 eine Spannung von 0 V angelegt wird. Der Transistor mit p-leitendem Kanal wird in den nicht leitenden Zustand gebracht, weil die Gate-Spannung nicht negativ ist Da der p-leitende Bereich 84 auf negativem Potential liegt, kann die Eingangsspannung des Transistors 81 mit η-leitendem Kanal als gegenüber dem p-leitenden Bereich 84 positiv angesehen werden. Demzufolge wird der Transistor 81 mit η-leitendem Kanal leitend, so daß der Ausgang des Inverters auf eine hohe negative Spannung kommt Wird eine negative Eingangsspannung mit gleicher Größe wie die Source-Spannung des Transistors 81 mit η-leitendem Kanal angelegt, so wird der Transistor 81 mit p-leitendem Kanal leitend und wird der Transistor 81 mit n-ieitendem Kanal nicht leitend, da die Eingangsspannung gegenüber dem Inselbereich 84 als eine Spannung gleich NuIJ angesehen werden kann, so daß eine Ausga.igsspannung erzeugt wird. Somit werden, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, die Ausgangs- und Eingangsspannung in ihrer Polarität umgekehrt
Liegt am Eingangsanschluß 98 des Bipolartransistors
ίο 83 im Gegensatz zum vorher beschriebenen normalen Betrieb eine hohe positive Spannung, so wird der pn-Ubergang zwischen dem p-leitenden Inselbereich 93 und dem n-Ieitenden Substrat 80 in Durchlaßrichtung vorgespannt In diesem Fall ist jedoch der pn-Übergang zwischen dem p-leitenden Inselbereich 93 und dem n+-leitenden Emitterbereich 94 in Sperrichtung vorgespannt so daß durch den Transistor 83 kein hoher Strom fließen kann. Der Transistor 83 kann somit nicht ausfallen und wirkt als ein zuverlässiger Schutz. Infolge
des Lawinendurchbruchs des Emitter-Basis-Überganges des Bipolartransistors 83 werden die Isolierschichten 87 und 91 der beiden Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 81 und 82 sicher vor einem Durchbruch geschützt
Liegt an dem Eingangsanschluß 98 eine hohe negative
Spannung, so ist der Emitter-Basis-Übergang, d. h. der n+p-Übergang zwischen dem Emitterbereich 94 und dem Basisbereich 93, des Bipolartransistors 83 in Durchlaßrichtung vorgespannt während sein Basis-Kollektor-Übergang, d.h. der pn-übergang zwischen dem Basisbereich 93 und dem Substrat 80, in Sperrichtung vorgespannt ist Dadurch wird verhindert, daß durch den Bipolartransistor 83 ein zu hoher Strom fließen kann. Es ergibt sich somit die gleiche Wirkung wie in dem Fall, in dem eine hohe positive Spannung anliegt
Bei einer Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art werden die Isolierschicht-Feldeffekttransistoren sicher vor einem Ausfall geschützt gleichgültig ob eine positive oder negative Eingangsspannung am Bipolartransistor liegt Weiterhin ist auch der Bipolartransistor selbst vor einem Ausfall geschützt Da der Emitter-Basis-Übergang und der Basis-Kollektor-Übergang in Reihe miteinander liegen, kann der Bipolartransistor miniaturisiert werden, so daß seine Kapazität abnimmt und die sich ergebende Halbleiteranordnung insgesamt kompakter ausgeführt werden kann.
In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt Diese erfindungsgemäße Halbleiteranordnung unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten bekannten Halbleiteranordnung dadurch, daß im Substrat 80 am Basis-Kollektor-Übergang des Bipolartransistors ein ρ+-leitender Hilfsbereich 100 ausgebildet ist der eine höhere Dotierungskonzentration als der p-leitende Inselbereich 93 aufweist Bei der bekannten Anordnung wird der Spannungspegel, bei dem die Schutzwirkung beginnt durch die Lawinendurchbruchspannung des Basis-Kollektor-Überganges des Bipolartransistors bestimmt, die allgemein bei etwa 100 V liegt Dadurch daß der Hilfsbereich 100 vorgesehen ist, beginnt die Schutzwirkung bei einem Spannungspegel, der durch die Durchbruchspannung im p+n-Übergang zwischen dem Hilfsbereich 100 und dem Substrat 80 bestimmt ist Da die Lawinendurchbruchspannung des p+n-Überganges
geringer als die des Basis-Kollektor-Überganges ist ergibt sich eine wesentlich geringere Durchbruchspannung bei dem Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im allgemeinen bei etwa 40 V liegt
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Integrierte Halbleiteranordnung mit in einem Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitungstyps ausgebildeten komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren und einem Bipolartransistor, bei der die Source- und Drainzonen des einen Feldeffekttransistors mit zum Substrat entgegengesetztem Leitungstyp direkt im Substrat, die Source- und Drainzonen des anderen Feldeffekttransistors mit zum Substrat gleichen Leitungstyp in einem inselförmigen Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps und der den Emitterbereich einschließende Basisbereich des Bipolartransistors mit entgegengesetztem Leitungstyp in dem als Kollektor dienenden Substrat ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterbereich (94) des Bipolartransistors (83) mit den Gate-Elektroden (96,97) der Feldeffekttransistoren (81,82) elektrisch verbunden ist und daß im Substrat (80) ein Hilfsbereich (100) mit zum Substrat entgegengesetztem Leitungstyp ausgebildet ist, der eine höhere Dotierungskonzentration als der Basisbereich (93) aufweist und sich in diesen hinein erstreckt
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