DE2104862C3 - Lastwiderstand für eine monolithisch integrierte Schaltung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lastwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für bipolare Schaltungen ist es bereits bekannt, in einem Substratkörper elektrisch isolierte Gebiete durch die Wirkung einer dies Gebiet umgebenden Verarmungszone zu erzeugen. Auf diese Weise sind jedoch keine hochohmigen Widerstände hergestellt worden, deren Widerstandswert höher ist als es dem elektrischen Leitungsvermögen des Halbleitermaterials dieses Gebietes entspricht.

Aus der Druckschrift L. V a d a s ζ, Elektronik-Industrie 3 (1970), S. 50 ff ist bekannt, einen Feldeffekttransistor als Widerstand zu benutzen. Soll auf diese Weise ein sehr hoher Widerstandswert erreicht werden, so muß der Kanal des Transistors sehr lang sein, so daß der Transistor verhältnismäßig große Abmessungen besitzt

In der Druckschrift RH. Gaensslen, j.F. Shepard, IBMTechnical Disclosure Bulletin VoI. 13,No.2, Juli (1970), S. 302 ff, wird eine Schottky-Diode als Lastwiderstaod benutzt. Diese Schottky-Diode ist mit einem anschließenden Transistor über eine freitragende Aluminium-Leiterbrücke verbunden, d. h, die Diode ist mit verhältnismäßig großem Aufwand in die Schaltung integriert

In der Druckschrift M.P. Lepselter, S.M. Sze, The Bell System Technical Journal, Bd. 47 (1968), S. 195 ff werden Schottky-Dioden und Maßnahmen zur Unterbindung von Leckströmen bei Schottky-Dioden beschriebea Dazu dient ein durch Gegendotierung gebildeter Schutzrand, d. L·, in der unmittelbaren Umgebung der Metallelektrode ist der Halbleiterkörper der Diode gegenüber den übrigen Bereichen des Halbleiterkörpers entgegengesetzt dotiert

In der Druckschrift D.A. Hodges, M.P. Lepselter, D.J. Ly η es, R-W. Macdonald, A.U. Macrae. ΗΛ. Waggener, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-4, No. 5. Oct. (1969), S. 280 ff wird beschrieben, wie Schottky-Dioden als Lastwiderstänoe in bipotere Speicherschaltungen integriert sein können. Jedoch sind bipolare Schaltungen in der Herstellung aufwendiger als unipolare Schaltungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen für logische Schaltungen, z. B. für Halbleiter-Speicherelemente, geeigneten hochohmigen Lastwiderstand anzugeben, der sich mit geringem Aufwand in integrierter Technik realisieren läßt, und durch den eine hohe Integrationsdichte erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet ines hochohmigen Lastwiderstandes nach der Erfindung sind logische Schaltungen. Insbesondere ist der Lastwiderstand für Halbleiter-Speicherelemente nach Art einer bistabilen Kippschaltung geeignet. In letzterem Falle wird der Widerstand vozugsweise mit Feldeffekt-Schalttransistoren, speziell mit Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren, zusammengeschaltet.

F i g. 1 zeigt einen Aufbau eines erfindungsgemäßen hochohmigen Lastwiderstandes.

F i g. 2 zeigt eine bekannte Schaltung für ein Halbleiter-Speicherelement.

F i g. 3 zeigt im Querschnitt ein integriertes Bauelement, bestehend aus einem Feldeffekt-Schalttransistor und einem erfindungsgemäßen hochohmigen Lastwiderstand für ein Halbleiter-Speicherelement.

F i g. 4 zeigt eine Einzelheit aus F i g. 3.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist der Halbleiterkörper, auch Substrat genannt, bezeichnet, das beispielsweise /7-leitend ist. Auf diesem Halbleiterkörper sind zwei Elektroden 2 und 3 aufgebracht, wobei die Elektrode 3 im wesentlichen ringförmig ist und die Elektrode 2 mit Abstand einschließt. Im Falle des dargestellten Beispiels bildet die Elektrode 3 auf dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 1 einen sog. Schottky-Kontakt. Vorzugsweise wird für diesen Kontakt bei einem Halbleiterkörper aus Silizium eine Elektrode 3 aus Aluminium verwendet.

Unterhalb der Elektrode 2 befindet sich in dem Halbleiterkörper 1 ein über den Rand der Elektrode 2 hinausgreifender Bereich 4. Dieser Bereich ist so dotiert,

daß er einen dem Halbleiterkörper 1 gegenüber entgegengesetzten Leitungstyp hat. Die Länge des lußeren Randes des Bereiches 4 bestimmt u. a. die Höhe des Widerstandes. Je langer der Rand ist, um so niedriger ist der Widerstand. Mit 5 ist ein elektrischer Kontakt an dem Halbleiterkörper 1 angedeutet 6,7 ui.d S sind elektrische Anschlüsse, die, abweichend von der hier gewählten schematischen Darstellung, entsprechend der integrierten Technik ausgebildet sind.

Mit 9 ist die Verarmungszone bezeichnet. Ihre ungefähre Abgrenzung in dem Halbleiterkörper 1 ist durch die gestrichelt dargestellten Linien 10 und 11 angedeutet Bei einem Λ-leitenden Haibleiterkörper hat diese Verarmungszone 9 überwiegend positive Raumladung.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Teilgebiet 12 des Halbleiterkörpers 1 etwas höher /j-leitend dotiert als der übrige Halbleiterkörper 1. Dieses höher leitende Gebiet befindet sich im wesentlichen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 und erstreckt sich in das Innere etwa bis zu der gestrichelt angedeuteten Ebene 14. Ein derartiges Teilgebiet 12 kann vorzugsweise durch epitaktisches Abscheiden oder durch Diffusion hergestellt werden. Zweck dieser höher leitenden Zone ist, die Ausdehnung der Raumladur.gszone nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers im wesentlichen auf die Fläche der Elektrode 3 zu begrenzen. Je höher nämlich die Dotierung des Halbleitermatenals ist, um so weniger weit dehnt sich die Verarmungszone über die unmittelbare Nähe des Diodenüberganges, hiec des Schottky-Kontaktes zwischen der Elektrode 3 und dem Halbleiterkörper 1, aus. In dem dagegen nur schwach dotierten Material des restlichen Teils des Körper;. 1 soll sich dagegen die Verarmungszone weit ausdehnen und zwar insbesondere so weit, daß sie, wie in der F i g. 1 dargestellt, ein Gebiet 15 des Halbleiterkörpers umscnließt in dem sich der Bereich 4 befindet.

Die Verarmungszone 9 bildet sich aus, wenn zwischen den Anschlüssen 6 und 7 eine den Diodenübergang, hier den Schottky-Barrier-Übergang. sperrende elektrische Spannung angelegt ist. Die Ausdehnung der Verarmungszone hängt dabei von der Höhe der angelegten Spannung und von der Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ab.

Der hochohmige Widerstand liegt zwischen den Anschlüssen 7 und 8, d. h. räumlich zwischen dem 4 und der Zone 9, wenn, im Falle eines p-leitenden Bereiches 4, das Potential an dem Anschluß 8 negativ gegenüber dem Potential an dem Anschluß 7 ist.

Ein Teil des Sperrstromes fließt von der Elektrode 3 in den Bereich 4 bis sich dieser Bereich etwa bis auf das Potential der Elektrode 3 aufgeladen hat. Durch diesen Teil des Sperrstroms ist die Höhe des hochohmigen Widerstandes bestimmt.

Es kommt wesentlich darauf an, daß wenigstens nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 bzw. im Teilbereich 12 zwischen dem Bereich 4 und der Elektrode 3 noch ein räumlicher Abstand besteht. Nahe der Oberfläche herrschen nämlich im Betrieb relativ hohe elektrische Feldstärken, die bei zu geringem oder gar fehlendem Abstand zu hohen Durchbruchströiiien führen können. Dagegen kommt es an Orten, die von der Elektrode 3 weiter entfernt sind, nur zu so geringen Feldstärken, daß ein Durchbruch ausgeschlossen ist. Es ist wesentlich, daß noch kein hoher Durchbruchstrom fließen kann. Unter einem hohen Durchbruchstrom versteht man im Gegensatz zu dem bei weichem Druchbruch austretenden Strom einen abrupt um mehrere Größenordnungen ansteigenden Strom.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat der Schottky-Kontakt beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen Schutzring, wie er im Prinzip hierfür bekannt ist Es ist hier beispielsweise ein dielektrischer Schutzrand vorgesehen, der durch die dielektrischen Belegungen 16 und 17 sowie durch die in der Fig. dargestellten übergreifenden Ränder 18 und 19 der Elektrode 3 gebildet wird. Dieser Schutzrand hat den Zweck, den Gradienten des elektrischen Feldes in der Randzone herabzusetzen und damit den Sperrstrom des Überganges zu verkleinern.

Anstelle eines dielektrischen Schutzrandes kann auch, wie an sich bekannt, ein durch Dotierung gebildeter Schutzrand vorgesehen sein. Dieser wird dadurch realisiert, daß in der unmittelbaren Umgebung des Randes der Elektrode 3 im Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1 ein gegendotierter Bereich vorgesehen ist. Im Falle einer ringförmigen Elektrode 3 wären dies zwei konzentrische, ringförmige Dotierungsbereiche.

F i g. 2 zeigt das bekannte Schaltbild einer bistabilen Kippschaltung. Für die in der Schaltung vorgesehenen Lastwiderstände 21 und 22 werden hochohmige Widerstände vorgesehen. Zusammen mit den Schalttransistoren 23 und 24 bilden sie die zwei parallelen Zweige der Kippschaltung eines Speicherelementes. Die Schaltur.gspunkte 25, 26 und 27 entsprechen den Anschlüssen 6,7 und 8 des hochohmigen Lastwiderstandes wie er in F i g. 1 dargestellt ist.

F1 g 3 zeigt, wie ein einzelner Zweig Speicherelementes in einem integrierten Halbleiterspeicher ausgeführt werden kann. Dieser Zweig besteht aus dem Schalttransistor 23 und dem Lastwiderstand 21 bzw. dem Schaittransistor 24 und dem Lastwiderstand 22. Für ein Speicherelement gemäß Fig. 2 sind jeweils zwei, wie in Fig.3 dargestellte integrierte Bauelemente in ebenfalls integrierter Bauweise zusammengeschaltet.

Die bereits zur F i g. 1 beschriebenen Einzelheiten des erfindungsgemäßen Widerstandes haben in der Fig.3 dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 1. Der Schalttransistor enthält das Source-Gebiet 31 und das Drain-Gebiet 32, die beide, wie bekannt, dem Halbleiterkörper 1 gegenüber entgegengesetzt dotiert sind. Mit 33 ist die Elektrodenbelegung der Gate-Elektrode bezeichnet, die auf der Isolierschicht 34 aufgebracht ist. 35 und 3C sind Elektrodenbelegungen auf den Gebieten 31 und 32. 39 und 40 sind schematisch dargestellte Anschlüsse.

Das Beispiel nach Fig.3 zeigt eine besondere Ausführungsform der galvanischen Verbindung zwischen dem Schaittransistor, d. h. dem Drain-Gebiet 32 und dem erfindungsgemäßen hochohmigen Widerstand bzw. zwischen der Elektrode 36 und der Elektrode 2.

Die im wesentlichen ebenfalls ringförmige Elektrode 3 besitzt hier, abweichend von der Form in F i g. 1, einen Schlitz 44. In der Fig.4 ist in Vergrößerung die Form dieser Elektrode 3 in der Draufsicht dargestellt. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen 36 und 2 ist in Form einer schmalen Leitungsbahn 38 auf oder in dem Halbleiterkörper 1 bzw. der Schicht 12 ausgeführt. Sie kann z. B. auch durch eine p-dotierte Bahn in dem n-dotierten Halbleiterkörper realisiert sein.

Die F i g. 4 zeigt vergrößert und andeutungsweise noch eine weitere bereits angesprochene besondere Ausgestaltung der Erfindung. Der Rand des Bereiches 4 ist durch eine wellige oder gezahnte Form verlängert, um den erfindungsgemäßen Widerstand zu verringern.

Dies ist vorteilhaft, wenn der parallelliegende parasitäre Sperrwiderstand zwischen dem Drain-Gebiet 32 und dem Halbleiterkörper 1 nicht genügend hoch ist.

Ein wie in Fig.3 dargestelltes Bauelement kann vollständig in Einkanaltechnik hergestellt werden.

Der hochohmige Lastwiderstand nach Anspruch 1 läßt sich insbesondere vergleichsweise zu anderen hochohmigen Widerständen, z. B. in der Ausführung eines Feldeffekt-Transistors, mit langem Kanal, in geometrisch sehr viel kleineren Abmessungen realisieren. Er hat außerdem den Vorteil, daß seine Temperaturabhängigkeit etwa die gleiche ist, wie die von p/j-Übergängen, so daß eine monolithische Schaltung so ausgelegt werden kann, daß sie weitgehend gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich ist. Dies ist insbesondere für die spezielle Anwendung als Lastwiderstand in Speicherelementen von besonderer Bedeutung.

Im Regelfall sind die Anschlüsse 6 und 39 galvanisch miteinander verbunden. Sie entsprechen dem Schaltungspunkt 25 der F i g. 2. Die Elektrode 32 bzw. die Elektrode 2 entsprechen dem Schaltungspunkt 27 und der Anschluß 7 dem Schaltungspunkt 26. Der dotierte Bereich 4 reicht beispielsweise etwa 1,5 μπι tief in den Halbleiterkörper hinein. Bei einem Halbleitermaterial

ίο mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm χ cm für den Körper 1 reicht die Zone 9 bei einer Sperrspannung von 10 Volt zwischen den Anschlüssen 6 und 7 etwa bis zu einer Tiefe von 7 μιη. Ist die flächenmäßige Ausdehnung des Bereiches 4 kleiner als ΙΟμιτι kann er von der Zone 9 umschlossen und vom Rest des Halbleiterkörpers 1 isoliert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lastwiderstand für eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung bestehend aus zwei gegeneinander gerichteten Diodenübergängen, von denen einer eine Schottky-Diode ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Obergang ein PN-Übergang zwischen einem Halbleiterkörper (1) und einem darin etngebettenten Halbleitergebiet (4) ist, und der Schotiky-Übergang durch eine das HaIb-Jeitergebiet (4) ringförmig oder nahezu ringförmig umgebende Elektrode (3) auf dem Halbleiterkörper (1) gebildet wird, wobei der Abstand zwischen der Elektrode (3) des Schottky-Überganges und dem Rand des Halbleitergebietes (4) abhängig von einer vorgegebenen elektrischeil Maximalspannung des Halbleiterkörpers (1) derart gewählt ist, daß noch kein hoher Durchbruchstrom fließen kann, und daß der Halbleiterkörper (J) einen Massekontakt (6) besitzt.

2. Lastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Schottky-Übergang ein dielektrischer oder ein durch Dotierung gebildeter Schutzring (16,17) vorgesehen ist.

3. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) im Bereich seiner Oberfläche bis zu einer Tiefe (14), die etwa der Tiefe des eingebetteten Halbleitergebietes (4) gleich ist, höher dotiert ist.

4. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Feldeffekttransistor in integrierter Bauweise zusammengeschaltet ist.

5. Lastwiderstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor ist (Fig.3), und daß der dielektrische Schutzring (16, 17) aus dem gleichen Isolierschichtmaterial wie die Isolierschicht (34) des IsolierschichtFeldeffekttransistors besteht.

6. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Grenze zwischen dem eingebetteten Halbleitergebiet (4) und dem Halbleiterkörper (1) so groß ist, daß der Widerstandswert des PN-Überganges im gesperrten Zustand klein ist gegenüber parallel liegenden parasitäten Widerständen zwischen dotierten Bereichen weiterer in dem Halbleiterkörper (1) liegenden Schaltungselementen, insbesondere zwischen Drain-Gebiet (32) des Transistiors, und dem Halbleiterkörper (1).