DE2705990A1

DE2705990A1 - Integrierte schaltung mit einem thyristor e2

Info

Publication number: DE2705990A1
Application number: DE19772705990
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Dr Ing Lehning
Original assignee: ENGL WALTER L PROF DR RER NAT; Engl walter L profdrrernat
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-02-12
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1978-08-17

Description

Integrierte Schaltung mit einem Thyristor
Bei integrierten Schaltungen werden Thyristoren bekanntlich als Schalter verwendet. Für manche Anwendungszwecke wie z. B.
beim Einsatz von Thyristoren als Sprechpfadschalter im Raumvielfach von Nachrichtenvermittlungssystemen ist es erforderlich, daß die Thyristoren von benachbarten Bauelementen aus übertragungstechnischen Gründen möglichst gut isoliert sind.
Dies ist besonders dann erforderlich, wenn die benachbarten Bauelemente ebenfalls Thyristoren oder Transistoren sind.
Das Isolationsproblem tritt besonders bei integrierten Schaltungen auf, bei denen die Bauelemente durch Sperrschichtisolation voneinander isoliert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung anzugeben, bei der eine möglichst gute elektrische Entkopplung zwischen den Thyristoren und benachbarten Bauelementen vorhanden ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer integrierten Schaltung mit mindestens einem Thyristor nach der Erfindung vorgeschlagen, daß in die Anode des Thyristors mindestens eine Iialbleiterzone eingelassen ist, die den entgQjengesetzten Leitungstyp aufweist wie die Anode, und daß diese eingelassene flaibleiterzone mit der Anode elektrisch kurzgeschlossen ist.
Wie bereits zum Ausdruck gebracht, ist die erfindungsgemäße Ausbildunci des Thyristors vor allem bei integrierten Schaltungen mit Sperrschichtisolation erforderlich. Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Verkopplung benachbarter Bauelemente auf ein Nindesmaß verringert wird. Außerdem wird durch die Erfindung die sonst vorhandene Signaleinfügungsdämpfung weitgehend reduziert.
Unter der Anode des Thyristors ist im vorliegenden Fall eine fialbleiterzone zu verstehen. Der erforderliche elektrische Kurzschluß zwischen der eingelassenen Halbleiterzone und der Anode wird vorzugsweise durch einen Metallbelag erzielt, der zur Verbindung der beiden Halbleiterzonen auf die eingelassene Halbleiterzone und auf die Anode aufgebracht wird.
Die eingelassene Ilalbleiterzone wird nach der Erfindung derart ausgebildet, daß sie die Löcherinjektion der Anodenzone in den angerenzenden Anoden-Gatebereich reduziert. Die durch die Erfindung erzielte Verminderung der Löcherinjektion der Anodenzone in den angrenzenclen Anoden-Gatebereich führt zu einer wesentlichen Verringerung des unerwünschten Substratstroms, welcher für die unerwünschte Einfügungsdämpfung und die unerwünschte Stromverkopplung der Bauelemente verantwortlich ist.
Die angestrebte Reduzierung der Löcherinjektion erreicht man durch entsprechende Dotierung und geometrische Bemessung der in die Anode eingelassenen Halbleiterzone. Bei der Dotierung und geometrischen Bemessung der eingelassenen Halbleiterzone ist darauf zu achten, daß die Thyristorzündung und der durchgezündete Zustand des Thyristors stets erreicht wird und außerdem der dynamische Innenwiderstand nur in einem vertretbaren Maß erhöht wird. Die Dotierung der in die Anode eingelassenen llalbleiterzone ist jedoch im allgemeinen vorgegeben, da die eingelassene Halbleiterzone im Zuge der Emitterdiffusion hergestellt wird. Aus diesem Grund wird der angestrebte Effekt vorzugsweise durch entsprechende geometrische Bemessung der eingelassenen Halbleiterzone erzielt. Die Löcherinjektion aus der Anode in den angrenzenden Anoden-Gatebereich wird bei geometrischer Vergrößerung der eingelassenen Halbleiterzone reduziert. Die in die Anode eingelassene Elalbleiterzone ist höher dotiert als die Anode. Die Oberflächenkonzentration der Anode vom ersten Leitungstyp beträgt beispielsweise 2-5 ~ 1018 cm 3. Die Oberflächenkonzentration der in die Anode eingelassenen Halbleiterzone vom entgegengesetzten Leitungstyp beträgt dagegen beispielsweise 2-5 . 1020 cm 3. Die g(>ometrische bemessung der Breite der in die Anode eingelassenen Zone sollte derart erfolgen, daß die Anode eine Breite von beispielsweise 15 - 20 um hat.
I.s empfiehlt sich, die eingelassene Halbleiterzone in mehrere Teilbereiche aufzuteilen. Diese Aufteilung in mehrere einbelassene Halbleiterzonen hat zur Folge, daß die Anode schmal ausgebildet werden kann und dabei gleichzeitig der elektrishe Kurzschluß zwischen der eingelassenen ilalbleiterzone ud der Anode durch einen Pletallbelag gut realisiert werden kann. Durch eine schmale Ausbildung der Anode wird eine Vrringerung der löcherinjizierenden Anodenflächen erzielt.
Ist die Kathode des Thyristors ringförmig ausgebildet, so wird bei diesem Thyristor die Anode innerhalb des Kathodtnrings im Zentrum angeordnet. Sind dagegen beim Thyristor streifenförmige Kathoden vorhanden, so liegt die Anode in diesem Fall zwischen den streifenförmigen Kathoden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die den Thyristor bildenden Halbleiter zonen, d. h. Anode, Kathode und Anoden bzw. Kathoden-Gatebereiche, von einer Ringzone umgeben, die den gleichen oder den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathode aufweist. Die Ringzone kann dabei sowohl eine Rechteckform als auch eine Kreisform haben. Hierbei muß man jedoch zwei Fälle unterscheiden. Weist die Ringzone den gleichen Leitungstyp wie die Kathode auf, so ist die Ringzone nicht mit der Kathode kurzgeschlossen. Weist dagegen die Ringzone den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathode auf, so ist die Ringzone mit der Kathode elektrisch leitend verbunden. Diese Verbindung wird vorzugsweise durch einen Metallbelag hergestellt, der die beiden Zonen miteinander verbindet. Die die Halbleiter zonen des Thyristors umgebende Ringzone wird derart ausgebildet, daß sie einen lateralen Ladungsträgerfluß von Kathoden-Gatebereich zur Isolationssperrschicht zumindest reduziert. Die Ringzone, die die Halbleiterzonen des Thyristors seitlich umgibt, ist lateral gesehen so breit zu bemessen, daß ein möglichst geringer lateraler Ladungsträgerfluß zur Isolationssperrschicht gelangt. Bei einer Ringzone vom gleichen oder ungleichen Leitungstyp wie die Kathode, sollte die Breite der Ringzone beispielsweise 20 um betragen. Bei dieser Bemessung bewirkt die Ringzone des der Kathode entgegengesetzten Leitungstyps eine vollständige Unterdrückung des lateralen Ladungsträgerflusses. Die Ringzone vom gleichen Leitungstyp wie die Kathode bewirkt eine weitgehende Verminderung des lateralen Ladungsträgerflusses zur Isolationssperrschicht.* Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer integrierten Schaltung mit zwei benachbarten Thyristoren, die durch Sperrschichten voneinander getrennt sind. Da eine Sperrschichtisolation jedoch keine genügende elektrische Trennung ergibt, sind nach der Erfindung Vorkehrungen getroffen, um die Isolation der benachbarten Thyristoren zu verbessern. Das I;olationsproblem tritt nicht nur dann auf, wenn einem Thyristor ein Thyristor benachbart ist, sondern auch dann, wenn einem Thyristor ein anderes Bauelement wie z. B. ein Transiscor im Schaltkreis benachbart ist.
Der in der Figur 1 dargestellte Teil der integrierten Schaltling besteht aus einem Substrat 1 vom ersten Leitungstyp, auf das eine epitaktische Schicht 2 vom entgegengesetzen Lnitungstyp aufgebracht ist. In der epitaktischen Schicht 2 befinden sich zwei Thyristoren, die durch die pn-tJbergänge 3 voneinander sperrschichtisoliert sind. Diese pn-Ubergänge 3 entstehen dadurch, daß in die epitaktische Schicht 2 die Se!parationszonen 4 eindiffundiert werden.
Die beiden benachbarten Thyristoren der Figur 1 bestehen aus den beiden streifenförmigen Kathoden 5 und 6, den beiden Kathoden-Gatebereichen 7 und 8, der Anode 9 und dem Anoden-G~ltebereich 10. Nach der Erfindung ist in die Anode 9 eine II;ilbleiterzone 11 eingelassen, die den entgegengesetzten L<#itungstyp aufweist wie die Anode 9 und mit der Anode 9 elektrisch leitend verbunden ist. Diese elektrische Verbindilng wird durch den Metallbelag 12 hergestellt, der sowohl auf der Anode 9 als auch auf der eingelassenen Halbleiterzone 11 aufliegt. Die beiden Kathoden 5 und 6 sind durch die Metallbeläge 13 und 14 kontaktiert. Im allgemeinen wird jedoch ein einziger Metallbelag verwendet, indem die beiden Metallbeläge durch einen weiteren Metallbelag verbunden sind. Wie die Figur 1 weiter zeigt, sind die beiden streifenf<)rmigen Kathoden 5 und 6 miteinander elektrisch verbunden.
Zwischen dem Substrat 1 und der epitaktischen Schicht 2 sind die buried-layer 15 vorhanden, die denselben Leitungstyp wie die epitaktische Schicht aufweisen und möglichst niederolimig sein sollen. Das Konzentrationsmaximum der buried-layer sollte beispielsweise 1-3 . 1018 cm-3 1018sein.
Bei der Herstellung der integrierten Schaltung der Figur 1 geht man zunächst von einem Substrat 1 aus und bringt durch Separationsdiffusion die beiden buried-layer 15 ein. Danach wird die epitaktische Schicht 2 auf das Substrat 1 aufgebracht. Anschließend werden die Separationszonen 4 in die epitaktische Schicht eindiffundiert, und zwar bis zum Substrat 1. Wie die Figur 1 erkennen läßt, werden die Kathoden-Gatebereiche 7 und 8 und die Anoden 9 in einem Arbeitsgang durch Diffusion hergestellt. Anschließend werden die Kathoden 5 und 6 sowie die eingelassenen Zonen 11, ebenfalls in einem Arbeitsgang, durch Diffusion erzeugt. Die Kathoden 5 und 6 sowie die eingel~lssenen Halbleiterzonen 11 haben eine höhere Dotierung als die Kathoden-Gatebereiche 7 und 8 sowie die Anoden 9.
Die integrierte Schaltung der Figur 2 unterscheidet sich von der Figur 1 dadurch, daß bei den Thyristoren anstelle von nur einer eingelassenen Halbleiterzone 11 mehrere Halbleiterzonen 11 vorhanden sind. Bei der integrierten Schaltung der Figur 3 weisen die Thyristoren anstelle von streifenförmigen Kathoden eine ringförmige Kathode 5 auf. Entsprechend ist auch der Kathoden-Gatebereich 7 ringförmig ausgebildet. In Anpassung daran ist die Anode 9 kreisförmig ausgebildet, wobei jedoch in die Anode 9 noch die Halbleiterzone 11 eingelassen ist.
Die integrierte Schaltung der Figur 4 stimmt im Prinzip mit den integrierten Schaltungen der Figuren 1 bis 3 überein, d. h. die Anoden enthalten eine oder mehrere eingelassene Halbleiter zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp, doch ist noch zusätzlich eine Ringzone 16 vorhanden, die die Halbleiter zonen des Thyristors ringförmig umgibt, um einen lateralen Ladungsträgerfluß nicht zur Isolationssperrschicht gelangen zu lassen. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 hat die Ringzone 16 den gleichen Leitungstyp wie die Kathoden 5 und 6. In diesem Fall ist die Ringzone 16 nicht kontaktiert.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 hat die Ringzone 16 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Figur 4 den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathoden 5 und 6. In diesem Fall ist die Ringzone 16 mit den Kathoden 5 und 6 elektrisch verbunden. Diese elektrische Verbindung wird im Ausführungsbeispiel der Figur 5 durch den Metallbelag 13 hergestellt. Bei Anwendung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die Anode 9, wie bereits ausgeführt, stets im Zentrum des Thyristors angeordnet ist.

Claims

Patent ansprüche 1) Integrierte Schaltung mit einem Thyristor, dadurch gekennzeichnet, daß in die Anode des Thyristors mindestens eine Ilalbleiterzone eingelsssen ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist vie die Anode, und daß diese eingelassene llalbleiterzone mit der Anode elektrisch kurzgeschlossen ist.

2) Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelassene lialbleiterzone mit der Anode durch einen Metallbelag verbunden ist.

3) Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelassene fialbielterzone derart ausgebildet ist, daß sie die Löcherinjektion der Anodenzone in den angrenzenden Anoden-Gatebereich reduziert.

4) Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelassene Halbleiterzone derart dotiert und derart geometrisch bemessen ist, daß sie die Löcherinjektion der Anodenzone in den angrenzenden Anoden-Gatebereich reduziert.

5) Integrierte Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelassene Halbleiterzone derart ausgebildet ist, daß der Thyristor durch einen Zündimpuls noch zündbar ist und nach dem Durciischalten im durchgeschalteten Zustand verbleibt.

6) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelassene Halbleiterzone höher dotiert ist als die Anode.

7) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode den p-Leitungstyp aufweist.

8) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die Anode mehrere Halbleiterzonen vom entgegengesetzten Leitungstyp eingelassen sind und <laß diese Halb#eiterzonen durch einen Metallbelag unterein-.

ander mit der Anode verbunden sind.

')) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode im Zentrum des Thyristors liegt und von einer ringförmigen Kathode umgeben ist.

10) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode bei streifenförmigen Kathoden zwischen diesen Kathoden liegt.

11) Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Thyristor bildenden Iialbleiterzonen von einer Ringzone umgeben sind, die den gleichen oder den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathode aufweist, wobei jedoch eine Ringzone vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathode mit der Kathode elektrisch kurzgeschlossen ist.

12) Integrierte Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring zone derart ausgebildet ist, daß sie einen lateralen Ladungsträgerfluß vom Kathoden-Gatebereich zur Isolationssperrschicht zumindest reduziert.

13) Integrierte Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzone vom Leitungstyp der Kathode dieselbe Dotierung wie die Kathode und die Ringzone vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kathode dieselbe Dotierung wie die Anode aufweist.