DE2131167A1 - Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter und Gitterschutzdiode - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter und Gitterschutzdiode

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DE2131167A1 DE19712131167 DE2131167A DE2131167A1 DE 2131167 A1 DE2131167 A1 DE 2131167A1 DE 19712131167 DE19712131167 DE 19712131167 DE 2131167 A DE2131167 A DE 2131167A DE 2131167 A1 DE2131167 A1 DE 2131167A1
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Description

Dr. Richard Giowe
foi.-'ng. K'cius Deifs
Dr. leiter MoH 7ni1R7
A-8
Nippon Electric Company Limited, 7-15 Shiba Gochome, Minato-ku, Tokyo, Japan
Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter und Gitter-
schutzdiode
Die Erfindung bezieht sich, auf einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter (IGFET) mit einer Schutzdiode gegen das Durchschlagen der Gitterisolationsschicht·
Im allgemeinen tritt in einer integrierten Halbleiterschaltung infolge statischer Elektrizität, vorübergehender Erscheinungen usw. mitunter eine unerwartet hohe Spannung auf, die an den Elektroden zur Wirkung kommt» Dies birgt die Gefahr in sich, daß die integrierten Halbleiterschaltungen zusammenbrechen*
Bei einem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter
>unter (IGFET) erleidet die Isolierschicht/der Gitterelektrode
unter einer so hohen Spannung häufig einen Durchschlag*
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Um dieses Durchschlagen zu verhindern, sind bereits verschiedene Schutzmaßnahmen bekannt geworden bzw. vorgeschlagen worden* Beispielsweise wird zur Gitterelektrode eines IGFET eine Diode parallelgeschaltet, durch die der Gitterisolationsfilm bei Auftreten einer hohen Spannung, die einen gewissen Wert überschreitet, gegen Durchschlagen gesichert wird· Diese Schutzdiode wird in einem Substrat gebildet, das mit dem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter gebildet ist. Die Fremdstoffkonzentration des
^ Substrats kann nicht hoch genug gewählt werden, um eine günstige Charakteristik des IGFET zu erzielen· Infolgedessen kann die Sperrdurchbruchspannung der Diode nicht niedriger gewählt werden als in der Größenordnung von 100 V· Dies macht es schwierig, eine Schutzdiode zu verwirklichen, die bei niedriger Durchschlagspannung betriebsfähig ist, um für den Feldeffekttransistor einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten· Um nun die Diodendurchschlagspannung niedriger zu machen, ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine Elektrode auf einer
* verhältnismäßig dünnen Isolierschicht, oberhalb des p-n-Überganges, angeordnet wird und diese Elektrode geerdet wird, so daß das elektrische Feld an der Oberfläche des p-n-Überganges konzentriert wird und auf diese Weise die Durchschlagspannung an dem p-n-Übergang vermindert wird (Feldinduktionsübergang - Field induced junction)·
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Bei diesem Verfahren ist jedoch ein hoher Widerstand an dem Durchschlagpunkt des p-n-Überganges unvermeidbar, und es ist schwierig, einen erstrebenswerten Schutzeffekt für den IGFET zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die gegen das Durchschlagen der Isolierung der Gittersperrschicht geschützt ist, das von einer hohen Spannung herrührt, die möglicherweise beim piaktisehen Betriebszustand an der Gitterelektrode wirksam wird«
Gemäß der Erfindung ist ein Feldeffekttransistor vorgesehen, der ein Halbleitersubstrat, einen Feldeffekttransistor mit in dem Substrat gebildeten Elektroden, nämlich einer
/isolierten Kathode, einer Anode und einen/Gitter (source, drain bzw.
/ersten
gate) einen'Bereich hoher Fremdstoffkonzentration, der
in einem von dem IGFET getrennten Bereich des Substrats gebildet ist und dessen Leitfähigkeitstyp dem des Substrats
/und
entgegengesetzt ist/ einen zweiten Bereich hoher Verunreinigungskonzentration, der mit dem ersteren Bereich an dem einen Ende desselben einen p-n-Übergang bildet, aufweist, wobei das eine Ende des ersten Bereiches mit der Gitterelektrode des IGFET verbunden ist und ein weiteres Ende des ersten Bereiches mit einer Eingangssignalquelle
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gekoppelt ist, und wobei das Substrat und/oder der zweite Bereich geerdet sind.
Ia der beschriebenen Konstruktion kann die Durchschlagspannung an dem p-n-Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich auf einen geeigneten Wert (etwa zwischen 80 und 20 v) eingestellt werden, indem für den ersten Bereich ein geeigneter Wert der Fremdstoffkonzentration,
' -j P mm ^ Λ (\ mm ^
beispielsweise 5 · 10 cm bis 5 β 10 cm gewählt wird« Der Reihenwiderstand an dem Durchschlagpunkt ist " merklich niedriger als der an dem Feldinduktionsübergang·
Außerdem ist gemäß der Erfindung die Spannungszunähme infolge des erzeugten Reihenwiderstandes im Fall eines Durchschlags an dem p-n-Übergang durch die Widerstandskomponente zwischen dem einen und dem anderen Ende des ersten Bereiches begrenzt, und auf diese Weise ist die Gitterelektrode des IGFET, die mit dem einen Ende des ersten Bereiches verbunden ist, gegen unerwartet an dem anderen Ende des ersten Bereiches zur Wirkung gelangende hohe Spannung geschützt.
Es kann zusammengefaßt werden, daß der Feldeffekttransistor gemäß der Erfindung eine Schutzdiode hat, die zur Gitterelektrode parallelgeschaltet ist und bei niedriger Durchschlagsspannung und bei einem im Falle eines Durch-
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Schlags auftretenden geringen Reihenwiderstand betrieben werden kann· Wenn daher an der Signaleingangselektrode eine hohe Spannung angelegt wird, kann die tatsächlich an der Gitterelektrode des Feldeffekttransistors zur Wirkung gelangende Spannung auf einengenug niedrigeren Wert begrenzt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Die Konstruktion gemäß der Erfindung ist also besonders geeignet für derartige Halbleitervorrichtungen, wie Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gitter, bei denen der Gitterisolationsfilm geschützt werden muß·
Die Erfindung schafft also einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter (iGFET), der ein Halbleitersubstrat aufweist, in dem der XGFET sowie zwei Bereiche mit hoher Fremdstoffkonzentration gebildet sind. Der Leitfähigkeitstyp des ersten Bereiches ist dem des Substrats entgegengesetzt, während der zweite Bereich vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat ist. Der zweite Bereich befindet sich in Kontakt mit dem einen Ende des ersten Bereiches, und der zweite Bereich und/oder das Substrat sind geerdet« Das eine Ende des ersten Bereiches, das sich mit dem zweiten Bereich in Berührung befindet, ist mit der Gitterelektrode des XGFET, und das andere Ende mit der Eingangselektrode verbunden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schaltplan eines Feldeffekttransistors, bei dem die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung anwendb ar ist;
Fig. 2 (a) und 2 (b) sind eine Draufsicht bzw. ein Schnitt durch den Feldeffekttransistor gemäß der Erfindung;
Figo 3 zeigt schematisch die Strom-Spannungs-Kennlinien der beiden in der Gitterschutzvorrichtung der Ausführungsform gemäß Fig. 2 gebildeten p-n-Übergänge in Sperrichtung;
Fig. k ist ein Schema zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2; und
Fig. 5 (a) und 5 (b) sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung«
Fig· 1 zeigt ein Schaltschema zur Veranschaulichung der Verwendung der Gitterschutzvorrichtung gemäß der
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Erfindung; die Gitterschutzvorrichtung 200 ist unmittelbar vor dem Gitter eines Feldeffekttransistors 100 mit isoliertem Gitter angeordnet und soll den Durchschlag durch die Isolierung verhindern, der auftreten kann, wenn eine übermäßige Spannung an das Gitter angelegt wird«
Die Halbleitervorrichtung weist ein n-leitendes
Siliciumsubstrat 1 mit einer Fremdstoffkonzentration
15 —3
von ca, 10 cm ; einen Feldeffekttransistor 100 mit isoliertem Gitter mit einem Kathodenbereich 11, einem Anodenbereich 12 und einer Gitterelektrode 13 ,eine Gitterschutzvorrichtung 200 mit einem ρ -leitenden Bereich 3 und einem η -leitenden Bereich 2; einen Eingangsanschluß 5 und einen Ausgangsanschluß 6; und eine Verdrahtungsschicht 14 auf, welch letztere den Ausgangsanschluß 6 mit der Gitterelektrode 13 elektrisch leitend verbindet. Der η -leitende Bereich 2 wird in dem Substrat 1 nach der bekannten Technik der selektiven Diffusion gebildet, und anschließend wird der Bereich 3, der Kathodenbereich 11 und der Anodenbereich 12, die vom ρ -Leitfähigkeitstyp sind, ebenfalls nach dem Diffusionsverfahren gebildet. Die Fremdstoffkonzentration des η -leitenden Bereiches 2 beträgt ca. 10 cm , und die der p+-leitfähigen Bereiche
be 19 -3
3, 11 und 12 trägt ca. 10 y cm J. Schließlich wird auf die beiden Flächen des Substrates 1 Aluminium aufgedampft,
*) die von dem Substrat 1 durch eine Isolierschicht 1o getrennt ist
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und dann worden der Eingangsanschluß 5 ι der Ausgangsanschluß 6, die Verdrahtungsschicht 14, die Kathode (Quellenelektrode) 15, die Anode 16, die Gitterelektrode 13 und die Erdungselektrode 8 im üblichen Photoätzverfahren gebildet»
In der beschriebenen Konstruktion beträgt die Widerstandskomponente zwischen den beiden Anschlüssen 5 und ca. 3 kXL , und der Anschluß 6 ist in der Nähe des zwischen dem η -leitfähigen Bereich 2 und dem ρ -leitfähigen Bereich 3 i gebildeten p-n-Uber.^anfres 22 angeordnet.
Der Anschluß 5 wird als Eingangsanschluß verwendet, der Anschluß 6 dient als Ausgangsanschluß, der an die Gitterelektrode des IGFET 100 angeschlossen ist, und die Elektrode 8 wird als mit dem Erdungskreis verbundene Elektrode verwendet ,
fc Die beschriebene Konstruktion läßt sich leicht durch
bekannte Halbleitertechniken herstellen, und die Beschreibung befaßt sich daher nicht mit der Herstellung der Halbleitervorrichtung.
Bei der besprochenen Ausführungsform beträgt die Durchschlagspannung an dem p-n-Übergang 22, der zwischen dem
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ρ —leitenden Bereich. 3 und. dem η -leitenden Bereich 2 gebildet ist, ca. kO V, und der an dem p-n-Übergang 21 zwischen dem ρ -leitenden Bereich 3 und dem n-leitenden Siliciumsubstrat 1 beträgt ca. 9° V«
Die beschriebene Halbleitervorrichtung arbeitet in folgender Weise. Fig„ 3 zeigt die Sperrspannungs-Strom-Kennlinien der p-n-Übergänge 21 und 22f und I/»\ gilt für den p-n-Übergang 22, und I/td\ für den p-n-Übergang 21 ·
Fig. h zeigt die Beziehung zwischen einer an einen Eingangsanschluß 5 angelegten Spannung und der an eine Ausgangsklemme 6 in Fig. 2 (a) angelegten Spannung» Es sei angenommen, daß an den Eingangsanschluß 5 eine Eingangsspannung V/ \ angelegt wird. Wenn die Spannung V/ \ an dem Eingangsanschluß 5 gesteigert wird, sinkt die Spannung V/, \ an dem Ausgangsanschluß 6 entsprechend. Wenn die Spannung V/, \ an dem Ausgangsanschluß 6 die Sperrdurchbruchspannung des p-n-Übergangs 22 überschreitet, fließt ein Strom entsprechend der in Figo 3 gezeigten Kennlinie, und die Spannung V/, \ an dem Ausgangsanschluß 6 steigt entsprechend der folgenden Beziehung«
V(b) - BVJ6 + R-Tr1- (V(a) - BVj6>'
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R den. Widerstandswert infolge der
zwischen dem Eingangsanschluß 5 und dem Ausgangsanschluß 6 liegenden ρ leitenden Schicht 3
r die Widerstandskomponente in. Sperrich-
tung entsprechend der in Fig« 3 durch I/.\ bezeichneten Kennlinie des p-n-Überganges bezeichnet.
Bei der oben besprochenen Ausführungsform ist R auf 3 kJfL, r auf 50XL und BVj6 auf 40 V eingestellt. Folglich ist die Spannung V/. \ an dem Ausgangsanschluß 6 nicht höher als BV ^. Wenn beispielsweise V/ ν 1000 V beträgt, ist V/, \ auf 56 V begrenzt.
Wenn die Spannung V/ \ an dem Eingangsanschluß 5 die Sperrdurchbruchspannung BV e des p-n-Überganges 21 überschreitet, fließt darin ein Strom entsprechend der Kennlinie Ι/Ώ\ in Fig„ 3* Die Stromstärke dieses Stromes ist nicht nennenswert, da die Widerstandskomponente I/ß\ gemäß Fig. 2 genügend groß ist.
Im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen hat also die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung folgende
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technische Vorteile: Die Sperrdurchbruchspannung der Schutzdiode ist niedrig; die an dem Durchschlagpunkt erzeugte Widerstandskomponente ist gering; und es besteht keine Möglichkeit, daß selbst beim Durchschlag eine abnormal hohe Spannung auftritt« Es ist bisher nicht möglich, die Durchschlagspannung zu senken. Gemäß der Erfindung kann hingegen eine genügend niedrige Sperrdurchbruchspannung erzielt werden, in-dem die Fremdstoffkonzentration des n+-leitenden Bereiches 2 gesteuert wird,. Die Erfindung kann also in wirksamer Weise bei Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gitter Anwendung finden, bei denen die Gitterisolierschicht dünn ist.
Bisher kann die Durchschlagspannung erheblich vermindert werden, in-dem eine Diode mit Feldinduktionsübergang verwendet wird. Andererseits jedoch ist die am Durchschlagpunkt erzeugte Widerstandskomponente hoch, und im Falle eines Durchschlags kommt eine hohe Spannung an dem Ausgangsanschluß heraus β Auf jeden Fall ist das in der Technik Bekannte nicht ausreichend wirksam für die Zwecke des Schaltungsschutzes. Gemäß der Erfindung hingegen ist die am Durchschlagpunkt erzeugte Widerstandskomponente gering, und wegen der Widerstandskomponente des ρ -leitenden Bereiches 3 besteht selbst im Falle des Durchschlags keine Möglichkeit, daß am Ausgangsanschluß eine hohe Spannung auftritt.
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5 (a) und 5 (b) zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindungo In dem n+-leitenden Bereich 2 und dem Substrat 1 in der Nähe des p+-leitenden Bereiches 3 gemäß Fig« 1 ist ein ρ -leitender Bereich k gebildet, dessen
19 —3 +
Fremdstoffkonzentration ca, 10 cm ^ beträgt. Dieser ρ leitende Bereich k wird dazu verwendet, eine Erdungselektrode 7 herauszuführenο Es ist erwünscht, daß der Abstand zwischen den ρ -leitenden Bereichen 3 und k so bestimmt wird, daß keine Durchschlagerscheinung auftritt. Praktisch beträgt dieser Abstand ca« 10/um«
In der oben beschriebenen Anordnung kann die Schaltung mit äußerst geringem Widerstand durch eine Metalleitung von hoher Leitfähigkeit geerdet werden. Auf diese Weise kann die Widerstandskomponente, die an dem Durchschlagpunkt beobachtet wird, in ausgeprägter Weise vermindert werden. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform fließt der Durchschlagstrom bei einer hohen Spannung zur Erde durch das Substrat, dessen Fremdstoffkonzentration verhältnismäßig niedrig ist» Bei der zweiten Ausführungsform hingegen kann der Durchschlagstrom durch eine Metalleitung geerdet werden, und auf diese Weise ist es möglich, die a« Durchschlagpunkt erzeugte Widerstandskomponente zu vermindern.
Der ρ -leitende Bereich h befindet sich im Ohmsehen Kontakt mit der Elektrode 7» Anstatt dessen kann der
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Leitfähigkeitstyp des ρ -leitenden Bereiches 4 η leitend mit hoher Fremdstoffkonzentration sein, und die Elektrode 7 kann direkt im Ohmschen Kontakt mit dem η -leitenden Bereich 2 gebracht werden, wenn die Fremdstoffkonzentration hoch genug ist.
Bei den beschriebenen beiden Ausführungsformen ist der η -leitende Bereich 2 in der Nähe des Anschlusses 6 des ρ -leitendenBereiches 3 angeordnet, und dieser Anschluß wird zur Verbindung der Gitterelektrode eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gitter verwendet. Anstatt dessen kann der η -leitende Bereich 2 überjder ganzen Fläche des Substrates 1 mit Ausnahme des Gitterbereiches des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gitter 100 und der erforderlichen Teile und benachbarten Teile der p-leitenden Bereiche mit Ausnahme des ρ -leitenden Bereiches 3 gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform können der Kanteneffekt und der parasitäre MOS-Effekt vermieden werden, die zu beobachten sind, wenn in einem anderen Teil als dem Gitterbereich 18 (in Fig. 5 (b)) des Feldeffekttransistors 100 mit isoliertem Gitter Strompfade ausgebildet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Teil zwischen den pleitenden Bereichen mit Ausnahme des Gitterbereiches 18 (in Fig. 5 (b)) des Feldeffekttransistors 100 als Bereich mit hoher Fremdstoffkonzentration ausgebildet wird und
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die für das Umkehren des Leitfähigkeitstyps zwischen den genannten Bereichen erforderliche Spannung hoch iste Wie aus dem Obigen ersichtlich, findet die Erfindung hauptsächlich Anwendung, bei MOS- (Metalloxyd-Silicium-) Vorrichtungen in integrierter Schaltungsbauweise «
Obwohl nur einige spezielle Ausführungsformen der Erfindung oben eingehend beschrieben wurden, ist erkennbar, daß die Erfindung auf diese nicht beschränkt ist.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    1,JFeldeffekttransistor mit isoliertem Gitter mit einer Schutzeinrichtung gegen übermäßige Gitterspannung, gekennzeichnet durch
    a) ein Halbleitersubstrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp;
    b) einen in dem Substrat gebildeten Feldeffekttransistor mit isoliertem Gitter mit Elektroden, nämlich Kathode, Anode und Gitter, wobei die Gitterelektrode auf einem Isolierfilm gebildet ist, der auf dem Substrat in dem Bereich zwischen Kathode und Anode liegt;
    c) einen an dem Substrat gebildeten ersten Bereich, der von dem Transistor getrennt gebildet ist und eine hohe Fremdstoffkonzentration aufweist, deren Leitfähigkeitstyp dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist und einen Eingangsanschluß an seinem einen Ende und ein Ausgangsende am anderen Ende hat; und
    d) einen in dem Substrat gebildeten zweiten Bereich, der sich mit dem ersten Bereich in Berührung befindet
    - 15 -
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    und eine hohe Fremdstoffkonzentration vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem ersten Leitfähigkeitstyp hat;
    e) wobei der Ausgangsanschluß des ersten Bereiches mit der Gitterelektrode verbunden ist,
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich sich mit dem ersten
    " Bereich an dem ersteren Ende desselben in Berührung
    befindet.
  3. 3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Bereich eines vorherbestimmten Leitfähigkeitstyps mit hoher Fremdstoffkonzentration neben dem einen Ende des ersten Bereiches angeordnet ist und mittels einer auf dem Substrat gebildeten Leiterschicht geerdet ist«
  4. 4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitstyp des dritten Bereiches dem erstgenannten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist„
    5· Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Leitfähigkeitstyp des dritten Bereiches der gleiche wie der erste Leitfähigkeitstyp ist.
    - 16 -
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    6« Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich auf dem ganzen Oberflächenteil des Substrates gebildet ist, mit Ausnahme derjenigen Bereiche, die den Elektroden des Feldeffekttransistors mit isoliertem Gitter zugeordnet sind«
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DE2131167A 1970-06-24 1971-06-23 Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit als Schutzdiode wirkendem PN-Übergang Ceased DE2131167B2 (de)

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