DE2129184A1 - Halbleiterbauelement mit steuerbarem Wider Stands wert - Google Patents
Halbleiterbauelement mit steuerbarem Wider Stands wertInfo
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Description
2129164
Patentanwälte
Dlpl.-Ing. R. BEETZ sen.'
Dipl-Ing. K. LAMPFiECHT
Dlpl.-Ing. R. BEETZ sen.'
Dipl-Ing. K. LAMPFiECHT
Dr.-Ing. K. ES LZ IX T Z Jr.
München 22, Steinsdorfetr. 10
München 22, Steinsdorfetr. 10
81-17.172P(17.175H) II.6.I97I
I T-./K f K Ϊ J I.TD./T -To· k i ο (Japan)*
Halbleiterbauelement mit steuerbarem Widerstandswert
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit steuerbarem
Widerstandswert, der von der angelegten Spannung abhängt. Ein derartiges Bauelement soll im folgenden Varistor genannt werden.
Der immer komplexer werdende Aufbau verschiedener elektrischer Schaltungen hat zu einem immer größer werdenden Bedarf an
Varistoren geführt. Insbesondere für integrierte Schaltungen und integrierte Großschaltkreise oder großintegrierte Schaltungen
(LSI-Schaltungen) besteht ein Bedarf an derartigen Varistoren,
die mit anderen elektrischen Bauelementen integriert werden können.
Ein Anwendungsbeispiel für Varistoren in einer elektrischen Schaltung ist eine Speicherzelle mit Mehremitter-Transistoren,
wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Eine derartige Speicherzelle hat Mehremitter-Transistoren 1 und 2, einen Widerstand j5* einen
8l-POS25.448-HdOt(8)
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Anschluß 4 zur Einspeisung einer Vorspannung, einen Adressensignaleingang
5 und Bauelemente 6 und 7 mit steuerbarem Wider- ' standswert. Die Bauelemente 6 und 7 haben große Werte an Bereitschaf
tszeit und kleine Werte an Adressierzeit. Um die Integration
der gesamten Schaltung zu fördern, besteht jedes der Bauelemente
6 und 7 aus Widerständen R1 und R2 und einer Diode D, wie in ·
Fig« 2 gezeigt ist. Ein typisches Beispiel einer S tr om- Spannung 's-'
Kennlinie eines derartigen Bauelements mit steuerbarem Widerstandswert ist in Fig. 3 abgebildet, woraus ersichtlich ist,
daß der Widerstandswert des Bauelements R1 und R beträgt, wenn
die Klemmenspannung unterhalb und oberhalb eines bestimmten Werts V (der Schwellenspannung des PN-Übergangs) liegt, vorausgesetzt
Rn^
Ein Beispiel eines derartigen Varistors der in der Oberfläche
eines Halbleitersubstrats eingebettet ist, ist in Fig. 4ä und gezeigt. Fig. 4A stellt eine Draufsicht eines Halbleitersubstrats
und Fig. 4B'einen Längsschnitt durch das Halbleitersubstrat entlang
der Strichpunktlinie X - X1 von Fig. 4A dar. Aus Fig. 4B
sind ersichtlich ein Halbleitersubstrat 8, z.B. ein P-Siliziumsubstrat,
eine N-Siliziumepitaxialschicht auf einer Hauptoberfläche
des Substrats 8, P-Bereiche 10 und 11 auf der Epitaxialschicht 9, hergestellt-durch selektive Diffusion eines P-Fremdstoffs,
wobei der P-Bereich 11 als Widerstandsschicht verwendet wird, eine N-Schicht 12 in der P-Schicht 10, um mit dieser eine
Diode zu bilden, durch Aluminiumaufdampfung hergestellte Elektroden
IJ - 15 und eine Isolierschicht 16 aus einem an sich bekannten
Passivierungsfilm wie SiO2, Si,N^, AIpO5 usw.
Im Varistor von Fig. 4A und 4B sind die Widerstände R1 und R2
und die Diode D einzeln auf dem Halbleitersubstrat 8 gebildet und dann durch Metallisierung verbunden. Daher ist die Fläche
auf dem Halbleitersubstrat, die durch den Varistor eingenommen wird, relativ groß, und die Zahl der Speicherzellen (Bits), die
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i±i ed.iiem HalbleiterGhli .feiiie^.bestimmteri iiaetle ,eiitilälteii skill
können,^ list begrenzt. Sis wird jieskaib eiii HälbleiterbMis ipBÄer
Flache zur ihtegpäiioh eiiaer gjpQßeh ZaM von Stoeienetzeiieii be-rnötigt,
was zü'einer V;er£ingeinihg. der Ä;iisbeüte ühtl zii einem; Ah-steigen
aerPeftigungskpsten führt. Da ferner die V'erbilidüiigsverdrahtungen
lähg werdefi, nimmt auch die Streükapäzität der
Schaltung zu und die Öesehwindigkeit der· Schaltung ab..
Eis ist daher Aufgäbe dfer Erfindung, ein diese iyiängei überwindendes
Hjalbleiterbaüeiement .mit steuerbarem Widerstandswert
(■Varistor) zu. sehaffenj, das für integrierte. Schaltungen geeignet
ist, insbesondere kleine Abmessungen, hat und -leicht zu fertigen
ist.
Der erfindungsgemäße Varistor hat ein Halbleitersubstrat mit
einem Widerstandsbereich und einem PN-Übergang in det1 Nähe des
Widerst.andsbereichs, eine Elektrode am Widerstandsbereich und
eine andere Elektrode, die so ausgebildet ist, daß sie im wesentlichen
den PN-Übergang kurzschließt, so daß eine. Struktur .erhalten wird, in der ein Widerstand und eine. Diode parallel geschaltet
sind. ... .;. .
Der PN-Übergang in der Nähe des Widerstandsbereichs kann hergestellt
werden, indem ein. Bereich, mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
in dem Widerstandsbereich oder ein Emitter-Basisoder ein Basis-Kollektor-Übergang eines Transistors vorgesehen
wird. .... ...
Der Widerstandsbereich im Fall einer integrierten Schaltung ist entweder (1) ein Bereich in einer Halbleitersubstratoberfläche,
hergestellt zur Zeit der Emitterdiffusion eines Transistors,
oder (2) ein Bereich in einer Substratoberfläche, hergestellt zum Zeitpunkt der Basisdiffusion eines Transistors, oder (3)
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eine Epitaxial· ■( Kollektor-) Schicht oder (4) -eine eingeschnürte
Epitaxialschicht oder (5) ein eingeschnürter Bäsisdiffusionsbereich
oder: eine Kombination dieser Schichten .bzw-, Bereiche.· -:
Für die Bereiche gemäß (1) - (5) nimmt der spezifische •Flächenwiderstand
mit der Nummer zu. Z,B. hat ßin.Emitteräiffusionsbereich
einen spezifischen Widerstand von 2 - IOiTl/ D + ), ein
Basisdiffusionsbereich von 100 -500 Cl/ Q >
ein-Epitaxialbereiclr. von 1 - 10 k Ci/ D , ein eingeschnürter Epitaxialbereich von
5 - 50 kCl/:O und ein eingeschnürter Bäsisdiffusionsbereich
von 10' - 100 k-Ω/Ο .. + ) (vgl.. "McGraw-Hill-Encyclopedia of Science
and Technology" vol. H,. S. 520, Stichwort "Measurement
of Thin-Film Resistance") ------ - - . ■- . ■ ..,.-. :-.· - . ■.-■ ■
Die genaue Struktur des erfindungsgemäßen Varistors, kann also. -·
willkürlich entsprechend der· Spezifikation der Schaltung,-ge- . wählt werden« Es müssen jedoch die Speicherladungsträger in der
als Bestandteil des Varistors ausgebildeten Diode berücksichtigt werden,wenn die' Geschwindigkeit der Schaltung von Wichtigkeit
ist. Für eine sehr schnelle Schaltung is.t ein PN-Übergang mit, wenig Speicherungsladungsträgern vorzuziehen, so daß vorzugsweise
ein Emitter-Bäsis-Übergang verwendet wird. Wenn anderers.eits ein PN-Übergang viele Speicherladungsträger haben soll, kann
ein Basis-Kollektor-Übergang verwendet werden. . . ..... . ....
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen: ·",."■- :
Fig. 1 das Schaltbild einer Speicherzelle mit zwei Mehremitter-TransistorTen;
;
Fig. 2 ein Ersatzsehaltbild eines bekannten Varistors?
Fig. 5 die SpannungSrStrom~Kennlinie der Schaltung von ..
Fig. 2; ■-·-.■".- ■■■-.. ■ ■ ; , . ■,'_■■
Fig. 4A und 4B eine Drauf* und. eine Querschnittsansicht
eines üblichen Varistors, in einem Halbleitersubstrat;
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Pig. 5A, 5B und 5C ein Ersatzschaltbild sowie eine Drauf-
und eine Querschnittansicht eines Varistors gemäß
der Erfindung;
Fig, 6 eine .Spannungs-Strom-Kennlinie des Varistors von
Fig, 6 eine .Spannungs-Strom-Kennlinie des Varistors von
Pig. 5A - 5Cj
Fig. 7A, 7B und 7C ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Fig. 7A, 7B und 7C ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Varistors gemäß der Erfindung; und Fig. 8A, 8b und 8C ein weiteres Ausführungsbeispiel des er- .
findungsgemäßen Varistors.
Im in Fig. 5A - 5Cabgebildeten Varistor wird ein Widerstandsbereich
gebildet durch Diffusion eines Fremdstoffs gleichzeitig mit der Bildung des Basisbereichs eines Transistors, wobei eine
Diode durch einen PN-Übergang zwischen dem Widerstandsdiffusionsbereich und dem Kollektorbereich eines Transistors hergestellt
wird.
Fig. 5A zeigt ein Ersatzschaltbild dieses Ausführungsbeispiels, Fig. 5B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel auf einer
Halbleitersubstratoberfläche und Fig. 5C eine Längsschnittansicht
entlang der Linie X-X' in Fig.<5B. In diesen Figuren sind die
Hauptbestandteile maßstäblich zu groß dargestellt. Bei der
Fertigung des Bauelements von Fig. 5A - 5C kann die in der Halbleitertechnik
gut bekannte Planartechnik verwendet werden.
Zum Beispiel eignet sich das folgende Verfahren. Zuerst wird in der Oberfläche eines P-Siliziumsubstrats 17 ein stark dotierter
N+-Bereich 18 durch selektive Diffusion eines N-Fremdstoffs erzeugt.
Dieser N+-Bereich wird eingebetteter oder innenverlegter Bereich genannt und dient dazu, den Widerstandswert einer
darauf zu bildenden hochohmigen Epitaxialschicht auf einen gewünschten
Wert zu reduzieren. Anschließend wird eine N-Silizium-Epitaxialschicht
19 mit einer Leitfähigkeit von etwa 0,5-O.cm
auf der Substratoberfläche bis zu einer Dicke von etwa 30 /Um
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hergestellt. Diese N-Epitaxialschicht wird dann elektrisch in
mehrere Bereiche durch P-Diffusionsbereiche 20 unterteilt, die
durch Isolierdiffusion eines P-Fremdstoffs erzeugt werden. Dann wird der P-Fremdstoff wahlweise in die Epitaxialschicht diffundiert,
um einen Basisbereich 21 eines Transistors zu bilden. Gleichzeitig mit der.Fremdstoffdiffusion wird ein Widerstandsbereich
22 hergestellt. Nach der Basisherstellung werden ein Emitterbereich 2J und ein Kollektorelektrodenabschnitt 24 im
Basisbereich. 21 bzw. Kollektorbereich 19 durch wahlweise Diffusior
des N-Fremdstoffs erzeugt. Dann werden Aluminiumelektroden 25 28
auf die entsprechenden Bereiche des Transistors und den Widerstandsbereich aufgedampft. Ein üblicher Isolierfilm wird
als Passivierungsfilm 29 dieses Halbleiterbauelements verwendet;
z.B. ein Siliziumoxidfilm mit einer Dicke von 7000 S.
Ein Ersatzschaltbild des Bauelements von Figs, 5B und 5C ist in
Fig. 5A gezeigt, wobei Anschlüsse E, B, C und A denen von Fig.
5B entsprechen.
Wie ein Vergleich mit dem üblichen Bauelement von Fig. 4A und
kB zeigt, sind beim erfindungsgemäßen Bauelement von Fig. 5Ä■'"-5C
nicht nur ein Varistor, sondern auch ein Transistor auf relativ kleiner Fläche untergebracht, so daß das erfindungsgemäße Bauelement sich besser für eine Schaltungsintegration
eignet.
Fig. 6 zeigt die Spannungs-Strom-Kennlinie des Varistors von
Fig. 5A - 5C Hinsichtlich Fig. 5A - 5C und 6 bezeichnet R5 den
Widerstandswert der Epitaxialschicht 19. Dieser Teil der Epitaxialschicht, der der eingebetteten Schicht l8 benachbart ist,
ha-^linen sehr niedrigen Widerstanäswert/,ha<$er in Fig. 5A zu
Null approximiert ist, Die Bezugszeichen R^ und R2^ bezeichnen
Widerstandswerte des P-Fremdstoff-diffundierten Widerstandsbe-
+) bildet nicht den Widerstand im Schaltbild von Fig. 5A
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re j±is-:, 22..R^ gibt den.Widerstandswert- des Teils über dem eingebetteten Berei-ch. X8 .und..-R, den Widerstandswert des übrigen Teils
Anfangs, wenn die Spannung zwischen A und.G unter 0,5 V liegt,
kann, da die Spannung unter der Schwellenspannung der entsprechenden verteilten Dioden liegt,.Strom nur durch die Fremdstoffdiffundierte
Widerstandsschicht 22 fließen» Genauer gesagt, ein durch die Widerstände R,, und R2, bestimmter Strom kann zwischen
A und C fließen, ■ . ■
Wenn die Spannung zwischen A und C größer als etwa 0,5 V wird,
wird die äußerste der verteilten Dioden eingeschaltet, und ein durch den Widerstand R1. bestimmter Strom kann fließen. Wenn die
angelegte Spannung weiter über etwa 0,8 V ansteigt, wird die über den Rand des eingebetteten Bereichs 18 verteilte Diode eingeschaltet,
und ein Strom kann durch R., und den eingebetteten
Bereich 18 fließen.
In der obigen, Weise wird der Widerstandswert zwischen A und C
entsprechend der angelegten Spannung gesteuert oder variiert.
Fig. -7A r 7C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung, wobei eine.Widerstandsschicht aus einem eingeschnürten Basisdiffusionsbereich und eine Diode aus einem Emitter-Basis-Übergang
gebildet wird. Fig. 7A zeigt ein Ersatzschaltbild, Fig. 7B ejine. Drauf sieht und Fig. 7C einen Längsschnitt
entlang X-X' von Fig.-7B.
Gemäß FIg-. 7-C wird in einem P-SiIiζiumsubstrat j50 ein ^-eingebetteter
Bereich Jl hergestellt· Eine N-Epitaxialschicht J>2 mit
hohem spezifischen Widerstand wird,auf der Siliziumsubstratoberfläche
.ausgebildet. Eljti .P-Bereich^2 wird wahlweise in der Epitaxialschicht
32, hergestellt,,wonach..ein. N+-Be.reich J.4 im P-Be-
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reich 53-ausgefeiMet, wird. Diese Bereiche 33:,und-34; können durch
verschiedene; Verfahren hergestellt, werden,. jedoch üblicherweise
durch-selektive; Diffusion eines P.*-.. oder, N-Fremdstoffs., - Ein .
Passivierungsfilm 35 wird auf der Substratoberfläche hergestellt·
und aus einem konventionellen Werkstoff wie SiO2, Si.,Nu, ρ?°ς *
gi AIpO- USW*.erzeugt. Elektroden 36.und 37 werden durch
Aluminiumauf dämpfung gebildet. Die Elektrode 36 ist mit., einem.
Ende;an-den P-Bereich"33 angeschlossen, der als Widerstandsbereich
arbeitet, während die Elektrode 37 so geschaltet ist, daß sie die Bereiche 33 und 34 überbrückt oder kurzschließt. Ein
Ersatzschaltbild des Bauelements von Fig. 7_B und 7C ist in Fig.
7A abgebildet,; wobei Anschlüsse A und C denen, in Fig» 7B-ent sprechen,
■ . ·.
Ein weiteres Äüsführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varistors
ist in Fig» 8A - 8C abgebildet, wobei ein Widerstandsbefeich
aus einem Basisdiffusionsbereich und eine Diode aus einem Emitter-Basis-Übergang von wenigen Speicherladungsträgern gebildet ist. ■ ■■■' ■; "·' ■-·'■■-- --'-■
Fig. 8a zeigt ein Ersatzschaltbild, Fig. 8.B eine Draufsicht und
Fig, 8C eine Längsschnittansichtentlang der Linie X-X' von
Fig.... 8b. . _""l ' ■ ■■■" ."' ' -' ' ' : ■
In Fig. 8C sind zu sehen ein P-Sillziumsubstrat 38, ein N+-elngebetteter
Bereich 39,. eine N-Siiizium-Epitaxialschicht 40 höhenspezifischen. Widerstands, gezogen auf dem Substrat 38* P-Fremdstoff-dif
fundierte Bereiche 41 zur Isolierung der "'Epitaxial-schicht
in mehrere Bereiche, ein P-Bereich 42, hergestellt in
der Epitaxialschicht durch wahlweise Diffusion des P-Fremdstoffs,
wobei der P-Bereich 42 als Basisbereich für einen Transistor und als Widerstandsbereich für.einen Varistor benutzt werden,
und ein N-Fr.emdstoff-DiffusiQnsbereich 4j3 im Bä.si&berelch 42.,
wobei der Bereich 43 als Emitterschicht des Transistors arbeiten
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kann. Ein Pasivierungsfilm 44 wird auf der Silizium-Epitaxialschicht
hergestellt, Aluminiumelektroden 45, 46, 47 und 48 sind
ebenfalls vorhanden, um die Schaltungselemente untereinander zu
verbinden, * ■
Der Varistor wird im Basisbereich 42 gefertigt, während der Emitter-Basis-Übergang
als Diode arbeitet. Im Ersatzschaltbild von · Pig. 8A entsprechen die Bezugszeichen Vcc, V. und Vc denen in
Pig. 8B.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
ersichtlich ist, werden die folgenden Vorteile durch die Erfindung erzielt:
1. Die auf einer Halbleitersubstratoberfläche von einem Varistor eingenommene Fläche kann größenmäßig verringert werden, was den
Entwurf einer hochdichten integrierten Schaltung erleichtert. Anders ausgedrückt, bei einer gegebenen Halbleiteroberfläche kann
eine größere Anzahl von Schaltungselementen untergebracht werden, so daß die Fertigung von integrierten Großschaltkreisen bedeutend
vereinfacht wird.
2. Das Fertigungsverfahren ist leicht und einfach. Ein Emitter-Basis-
oder ein Basis-Kollektor-Übergang eines Transistors kann nämlich auch als Diode verwendet werden, die Bestandteil des erfindungsgemäßen
Varistors ist. Ferner kann willkürlich gewählt werden, welcher PN-Übergang benutzt wird, entsprechend der
Speicherzeit von Minoritätsträgern am PN-Übergang, Schließlich kann der Varistor während desselben Veiföhrens wie bei der Herstellung
der entsprechenden Schaltungselemente der integrierten Schaltung gefertigt werden, z.B, wie Transistoren und Dioden.
Der Varistor gemäß der Erfindung kann entweder als einzelnes Bauelement
oder als Bestandteil eines Punktionsbausteins wie z.B. einer Speicherzelle benutzt werden.
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Claims (5)
1.!Halbleiterbauelement mit steuerbarem Widerstandswert,
ekennzeichnet durch einen einen ersten
Leitfähigkeitstyp (P) aufweisenden Widerstandsbereich (22) als Teil eines Halbleitersubstrats (17), durch einen Halbleiterbereich
(19), der einen zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist und in der Nähe des Widerstandsbereichs
so vorgesehen ist, daß er mitdiesem einen PN-Übergang bildet,
durch eine erste Metallelektrode (28) auf einem Teil des Widerstandsbereichs
und durch eine zweite Metallelektrode (.27) zur w Überbrückung des Widerstandsbereichs und des Halbleiterbereichs
vom zweiten Leitfähigkeitstyp (Fig. 5C)". ■
2„ Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen eingebetteten Bereich (18) mit einem Leitfähigkeitstyp (N+), der gleich dem des Halbleiterbereichs (I9) ist, und mit
einer hohen Störstellen- oder Fremdstoffkonzentration, wobei der eingebettete Bereich in der Nähe des Halbleiterbereichs
liegt, um dadurch die Strom-Spannungs-Kennlinie (Fig. 6) des Halbleiterbauelements einzustellen (Fig.
3, Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch einen einen ersten
Leitfähigkeitstyp (P) aufweisenden Widerstandsbereich (33), der
Teil eines Halbleitersubstrats (30) ist, durch einen ersten Halbleiterbereich (32), der einen zweiten, zum ersten entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp (N) aufweist und in der Nähe und um den Widerstandsbereich ausgebildet ist, um mit diesem einen PN-Übergang
zu bilden, durch einen zweiten Halbleiterbereich (34) vom zweiten Leitfähigkeitstyp (N+), der sich im Widerstandsbereich
befindet, durch eine erste Metallelektrode (36) auf einem Teil des Widerstandsbereichs, und durch eine zweite Metallelek-
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trode (57) zur Überbrückung.·des Widerstandsbereichs und des
zweiten Halbreiterbereichs (Fig. TC).
4. Halbleiterbauelement nach-Anspruch 3, gekennzeichnet durch Λ.
einen '.eingebetteten Bereich (31) vom zweiten. Leitfähigkeitstyp
(N+) und hoher Störstellen-· oder.Fremdstoffkonzentration, der
in der Nähe. des: ersten Halbleiterbereichs (32) liegt,.; um die
Strom-SpännungS'-Kejmlinie des,Halbleiterbauelements einzustellen
(Flg. ' '
5.■ Halbleiterbauelement nach Anspruch.3. oder ^, dadurch gekennzeichnet,
ν daß der zweite· Halbleiterbereich (Λ3)ί <äer Widerstandsbereich
(42) und der ,erste HaXbIeiterbereich (4.0) als Emitter,
Basis bzw. Kollektor eines. Transistors-arbeiten (Fig. 8A -8C).
10985 1/134E ..= ,., , .,- ·
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Families Citing this family (6)
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| JPS5321838B2 (de) * | 1973-02-28 | 1978-07-05 | ||
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| KR100881055B1 (ko) * | 2007-06-20 | 2009-01-30 | 삼성전자주식회사 | 상변화 메모리 유닛, 이의 제조 방법, 이를 포함하는상변화 메모리 장치 및 그 제조 방법 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3416049A (en) * | 1963-05-17 | 1968-12-10 | Sylvania Electric Prod | Integrated bias resistors for micro-logic circuitry |
| DE1614800C3 (de) * | 1967-04-08 | 1978-06-08 | Telefunken Patentverwertungsgesellschaft Mbh, 7900 Ulm | Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors mit Tetrodeneigenschaften |
| US3510735A (en) * | 1967-04-13 | 1970-05-05 | Scient Data Systems Inc | Transistor with integral pinch resistor |
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1973
- 1973-06-06 US US00367417A patent/US3801886A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS4840307B1 (de) | 1973-11-29 |
| NL7108034A (de) | 1971-12-14 |
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