DE2853116A1

DE2853116A1 - In monolithischer technik ausgefuehrtes widerstandselement

Info

Publication number: DE2853116A1
Application number: DE19782853116
Authority: DE
Inventors: Hartmut Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-12-08
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2853116C2

Description

In monolithischer Technik ausgeführtes Widerstandselement
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Widerstandselement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon Widerstands--elemente bekannt, die auch als Schutzwiderstände für Halbleiteranordnungen gelten, bei denen auf ein p-leitendes Substrat eine n-leitende Epitaxie-Wanne aufgebracht ist, in die die leitenden Widerstandsbahnen eingebracht sind. Die Epitaxie-Wanne ist von dem übrigen Halbleiterelement durch eine sehr stark dotierte p-leitende Isolierdiffusion getrennt. Wegen dieser hohen Dotierung wird die maximal erzielbare Durchbruchsspannung eines solchen Widerstandselements bestimmt durch die Sperrschicht Isolierdiffusion Epitaxie. Sie liegt ungefähr zwischen 40 Volt und 100 Volt. Treten höhere Spannungen auf, kann ein Durchbruch dieser Sperrschicht zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die besondere Anordnung der Elektroden des Widerstandselementes die Sperrspannung der Substrat-Epitaxiesperrschicht ausgenutzt wird, welche wesentlich höher ist als die Durchbruchsspannung der Sperrschicht Isolierdiffusion-Epitaxie, so daß diese hohe Sperrspannung bestimmend für den Durchbruch der Wanne zum Substrat ist.
Zeichnung Es zeigen Fig. 1 bis 3 Schnitte durch die drei Ausführungsbeispiele der Erfindung, Fig. 2a gibt ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 wieder und in Fig. 4 bis 6 sind Möglichkeiten zur Darstellung von Spannungsbegrenzungsschaltungen (Zenerdioden)# die in dem Widerstandselement integriert sind, aufgezeigt.
Beschreibung der Aus führungsb eispiele Das erfindungsgemäße Widerstandselement 1 besteht nach F#ig. 1 in seiner einfachsten Form aus einer auf ein gewöhnlich p-leitendes, schwach dotiertes Substrat 2 aufgebrachten n-leitenden Epitaxie 3, die eine höhere dotierung besitzt. Die Epitaxie 3 wird durch eine stark dotierte p-leitende Isolierdiffusion 4 begrenzt, so daß eine kreisförmige Wanne entsteht. In der Mitte der Wanne ist eine kreisförmige erste Elektrode 5 angebracht, die als elektrischer Anschluß des Widerstandselementes dient.
Die zweite Elektrode 6 befindet sich am Wannenrand und ist ringförmig um die erste Elektrode 5 angeordnet. Unter den Elektroden 5, 6 sind Wannenanschlußdiffusionen 31, 32 eingebracht, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxie 3 haben, aber stärker dotiert sind. Der Widerstand wird durch die Epitaxie 3 zwischen den Elektroden 5 und 6 gebild#et. Durch die Anordnung-der Elektroden 5, 6 in der Mitte der Wanne und am Rand der Wanne läßt sich das Widerstandselement 1 bis zu Spannungen an der Elektrode 5, die etwas kleiner sind als die Durchbruchsspannung der Sperrschicht 7 zwischen Epitaxie 3 und Substrat 2 , einsetzen. Da zwischen Elektrode 5 und Elektrode 6 ein große#r Spannungsabfall entsteht, wird ein Durchbruch der Sperrschicht 8 zwischen Epitaxie 3 und Isolierdiffusion 4 vermieden. Um weiterhin die Halbleiteranordnung zu schützen und e3tienDurchbruch der Sperrschicht 8 zu vermeiden, kann die Elektrode 6 mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung (Zenerdiode) verbunden sein, die Bestandteil der integrieten Schaltung ist und deren Durchbruchsspannung so gewählt ist, daß die Halbeiteranordnung nicht beschädigt wird, wenn diese Spannung erreicht wird. Das Widerstandselement 1 läßt sich über seinen Durchmesser so dimensionieren, daß es den jeweils gewünschten Widerstandswert erhält und daß es während der Zeit, in der die Überspannung anliegtwnur soweit erhitzt wird, daß es keine irreversible Schädigung davonträgt.
Fig. 2 stellt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Widerstandselementes 1 dar. In die Epitaxie 3 sind weitere Diffusionszonen eingebracht. Von der Oberfläche her ist eine p-leitende erste Basisdiffusionzone 9 eindiffundiert, die ringförmig um die erste Elektrode 5 in der Mitte der Epitaxie 3 angeordnet ist. Diese Diffusionszone wird als Basisdiffussionszone bezeichnet, da sie bei der Herstelleng von npn-Transistoren als Basis verwendet wird. Die erste Basisdiffusionszone wird kontaktiert durch einen auf den inneren Rand kreisförmig aufgebrachten ersten Anschluß 13 und einen auf den äußeren Rand aufgebrachten zweiten Anschluß 14. Zwischen Substrat 2 und Epitaxie 3 ist kreisförmig eine n-leitende Leitschicht 10 eindiffundiert. Unter der ersten Elektrode 5 ist die Wannenanschlußdiffusion 31 soweit in die Epitaxie 3 eingebracht, daß sie auf die Leitschicht 10 trifft. Der Widerstand des Widerstandselementes 1 wird jetzt nicht nur von der Epitaxie 3 bestimmt, sondern hauptsächlich von der stärker leitfähigen ersten Basisdiffusionszone 9. Bei gleicher Fläche des Widerstandselementes 1 lassen sich jetzt kleinere Widerstandswerte realisieren als bei Verwendung der Epitaxie 3 als Widerstandsschicht. Eine Schwierigkeit dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß die neu hinzukommende Sperrschicht 12 zwischen erster Basisdiffusionszone 9 und Epitaxie 3 einerseits stets in Sperrichtung vorgespannt sein muß, um einen Transistoreffekt zwischen erster Basisdiffusionszone 9 und Substrat 2 zu vermeiden, zum anderen die Durchbruchsspannung dieser Sperrschicht 12 an keiner Stelle überschritten werden darf. Die Überschreitung der Durchbruchsspannung wird dadurch verhindert, daß die Epitaxie 3 der ersten Basisdiffusionszone 9 parallel geschaltet wird, d.h. der erste ringförmige Anschluß 13 am inneren Rand der Basisdiffusionszone 9 wird mit der ersten Elektrode 5 verbunden und der zweite ringförmige Anschluß 14 am äußeren Rand der Basisdiffusionszone 9 wird mit der zweiten Elektrode 6 verbunden. Um die Vorspannung in Sperrichtung der Sperrschicht 12 zu erhalten, sind einerseits die Wannenanschlußdiffusion 32 und die Leitschicht 10 unter der Elektrode 5 eingebracht, zum ;ltlderen ist die Epitaxie 3 über die Elektrode 6 den zweiten Anschluß 14 mit der ersten Basisdiffusionzone 9 verbunden. Daher ist die Sperrschicht 12 auch am äußersten Rand der ersten Basisdiffusionszone 9 nicht in Flußrichtung gepolt. Für die richtige Vorspannung ist außerdem wichtig, daß der Radius der Leitschicht 10 größer ist als der Radius von der Mitte der Epitaxie 3 bis zum äußeren-Rand des Kontaktfensters des ersten Anschlusses 1-3 der ersten Basisdiffusionszone 9. Eine weitere Möglichkeit um die notwendige Polung der Sperrschicht 12~am Rande des Widerstandselementes 1 zu erreichen, besteht darin, daß die zweite Elektrode 6 nicht direkt mit- dem zweiten Anschluß 14 der ersten Basisdi-ffusionszone 9 verbunden ist, sondern über eine äußere Zenerdiode.
In Fig. 2a ist beispielhaft das elektrische Schaltbild einer Anordnung-nach Fig. 2 gezeigt, wobei die Ersatzschaltbilder für die anderen Ausführungsformen analog aufgebaut sind.
Die positive Klemme 21, die die Elektrode 5 darstellt, ist einerseits mit der Kathode der Diode D20, die gegen Masse 23 geschaltet ist, verbunden und andererseits an die Widerstände.R10 und R9 angeschlossen. D20 entspricht der Sperrschicht 20 zwischen Leitschicht 10 und Substrat 2, wobei das Potential 23, auf dem das Substrat 2 und die Isolierdiffusion 4 liegen, das niedrigste Potential der Schaltung ist. R9 ist der Bahnwiderstand der ersten Basisdiffusionszone 9 und R10 der der Leitschicht 10 und der Wannenanschlußdiffusion 32. An den zweiten Anschluß des Widerstandes R10 ist die Kathode der Diode D7 und der- Widerstand R3 angeschlossen, wobei die Anode der Diode D7 auf Massepotential.23 liegt. D7 entspricht der Sperrschicht 7 zwischen Substrat 2 und Epitaxie 3.und R3 ist der Bahnwiderstand der Epitaxie 3. Die Kathode der Diode D8, die anodenseitig auch auf Massepotential 23 liegt, ist mit dem zweiten Anschluß des Widerstandes R9 und R3 und mit der Klemme 22, die die Elektrode 6 darstellt, verbunden. D8 ist die Diode, die durch die Sperrschicht 8 zwischen Isolierdiffusion 4 und Epitaxie 3 gegeben wird. Der pn-Übergang zwischen Substrat 2 und Epitaxie 3 muß stets gesperrt sein (Substrat 2 negativ gegenüber Epitaxie 3). Das Substrat 2 wirkt daher als Kollektorzone eines pnp-Tranistors, der hier als Substrattransistor T2 bezeichnet wird.
Seine Basiszone(n) ist identisch mit der Epitaxie 3 des Widerstandselementes und die Emitterzone (p) entspricht der ersten Basisdiffusionszone 9. An Klemme 22 kann kathodenseitig eine Zenerdiode D22 angeschlossen werden, die anodenseitig auf Massepotential gelegt wird und einen Durchbruch der Sperrschicht 8 verhindern soll.
Fig. 3 stellt eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Widerstandselementes um eine Verpolschutzdiode dar, die von dem kreisförmigen Epitaxiegebiet 15 und der ebenfalls kreisförmigen zweiten Basisdiffusionszone 17, die von der Oberfläche her unter der Elektrode 5 eindiffundiert ist, gebildet wird. Durch das Einbringen dieser zweiten Basisdiffusionszone 17 ist die Elektrode 5 nicht mehr direkt mit der Epitaxie 3 verbunden, sondern es gibt noch eine Sperrschicht 16 zwischen Elektrode 5 und Epitaxie 3. Um einen Transistoreffekt zwischen der zweiten Basisdiffusionszone 17 und dem Substrat 2 zu verhindern, ist wiederum die Leitschicht 10 und von der Oberfläche eine ringförmige, n-leitende Diffusionszone 18, die einen ringförmigen Anschluß 19 aufweist, eingebracht. Die Leitschicht 10 und die Diffusionszone 18 dienen als Rekombinationsschicht für die Minoritätsträger im Epitaxiegebiet 15, die entstehen, wenn die Sperrschicht 16 in Flußrichtung vorgespannt ist. Neben der Verhinderung dieses Transistoreffektes haben die Diffusionszone 18 und die Leitschicht 10 auch die oben beschriebene Aufgabe, die richtige Vorspannung der Sperrschicht 12 zwischen erster Basisdiffusionszone 9 und Epitaxie 3 zu gewährleisten. Außerdem soll die erste Basisdiffusionszone 9 wiederum mit der Epitaxie 3.
parallel geschaltet werden, daher wird der Anschluß 19 der Diffusionszone 18 mit dem ersten Anschluß//13 der Basisdiffusionszone 9 verbunden. Der zweite Ansc luß 14 der ersten Basisdiffusion 9 kann wie in Fig. 2 direkt mit der zweiten Elektrode 6 verbunden sein. In dem in Fig. 3 dargestellten Zustand muß eine äußere Zenerdiode zwischengeschaltet werden.
Weiterhin können Zenerdioden, die zwischen zweiter Elektrode 6 und Masse geschaltet werden und zur notwendigen Polung der Sperrschicht 8 dienen, auch in dem Widerstandselement 1 integriert sein. Ausführungsbeispiele dazu sind in Fig. 4 bis 6 dargestellt. In Fig. 4 ist als einfachste Möglichkeit die n-dotierte Wannenanschlußdiffusion 31 unter der zweiten Elektrode 6 bis in die p-dotierte Isolierdiffus-ionszone 4 eingebracht. Dadurch wird eine weitere Sperrschicht 34 gebildet, die bei den üblichen Herstellungstechnologien von monolithisch integrierten Bauelementen zwischen 5 und 7 V durchbricht.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das im Vergleich zum Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine kleinere Streuung der Zenerspannung gewährleistet. Eine Basisdiffusionszone 36 mit dem Leitfähigkeitstyp der ersten Basisdiffusionszone 9 ist so eindiffundiert, daß sie teilweise in die Epitaxie 3 und teilweise in die Isolierdiffusion 4 hineinragt. Die Wannenanschlußdiffusion 31 erstreckt sich zum einen in die Epitaxie 3 und zum anderen in die Basisdiffusionszone 36, mit der sie die Zenerdiode bildet, die die Sperrschicht 37 aufweist. Diese Sperrschicht 37 der Zenerdiode bricht wiederum bei gebräuchlichen iLestellungstechnologien bei Spannungen zwischen 658 und TJ5 V durch.
In Fig. 6 sind zwei Zenerdioden in Reihe geschaltet. Dieses Ausführungsbeispiel kann aber auch dahingehend geändert werden, daß nur eine Zenerdiode oder mehr als zwei eingebracht werden. Unter der zweiten Elektrode 6 liegt wieder die stark n-dotierte Wannenanschlußdiffusion 31.
Zwei weitere p-dotierte Basisdiffusionszonen 38, 41 sind in die Epitaxie eindiffundiert, in die jeweils eine n+ -dotierte Diffusionszone 39, 42 eingebracht sind, so daß sich jeweils eine Sperrschicht 40, 43 ergibt, die das Durchbruchsgebiet der entsprechenden Zenerdiode bildet.
Da die Zenerdioden 38 39 und 41, 42 in Reihe geschaltet sind, ist der Anschluß 45 der Basisdiffusionszone 38der ersten Zenerdiode 385 39 mit dem Anschluß 46 der n+ -Diffusionszone 42 der zweiten Zenerdiode 41, 42 verbunden.
Außerdem ist die n+ -Diffus ions zone 39 mit seinem Anschluß 44 der ersten Zenerdiode 38, 39 mit der zweiten Elektrode 6 und die Basisdiffusionszone 41 mit seinem Anschluß 47 der zweiten Zenerdiode 41, 42 mit der Isolierdiffusions 4 über deren Anschluß 48 verbunden.
Die beschriebenen Widerstandselemente lassen sich als Schutzwiderstände bzw. als Kombination eines Schutzwiderstandes mit einer Verpolschutzdiode und einer Z-Diode für integrierte Halbleiteranordnungen verwenden und können positive Spannungsspitzen von einigen Hundert Volt und Verpolungen bis ca. 60 Volt ohne Zerstörung aushalten.

Claims

Ansprüche Öi In monolithischer Technik ausgeführtes Widerstandselement, das als Schutzwiderstand einer Halbleiteranordnung dient und eine auf ein Substrat aufgebrachte Epitaxie auSweist, wobei das Widerstandsele#ment durch eine Isolierdiffusion von der Halbleiteranordnung getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Epitaxie (3) als vorzugsweise kreisförmige Wanne ausgebildet ist, in deren Mitte die erste Elektrode (5) des Widerstandselementes (1) und an deren Rand die zweite Elektrode (6) des Widerstandselementes (1) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (6) die erste Elektrode (5) ringförmig umgibt.
2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Elektroden (5 und 6) -jeweils eine Wannenanschlußdiffusion (31, 32) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxie (3) angeordnet ist.
3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittig im Grenzbereich zwischen Epitaxie (5) und Substrat (2) eine kreisförmige Leitschicht (10) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxie (3) eindiffundiert ist und daß von der Oberfläche her eine ringförmige erste Basisdiffusionszone (9) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) in die Epitaxie (3) eingebracht ist, die an ihrem inneren Rand einen ersten ringförmigen Anschluß (13) und an ihrem äußeren Rand einen zweiten ringförmigen Anschluß (14) aufweist, wobei der erste Anschluß (13) mit der ersten Elektrode (5) und der zweite Anschluß (14) mit der zweiten Elektrode (6) verbunden- ist.
4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdiffusion (32) unter der ersten Elektrode (5) soweit eindiffundiert ist, daß sie die Leitschicht (10) berührt.
5. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittig im Grenzbereich zwischen Epitaxie (3) und Substrat (2) eine kreisförmige Leitschicht (10) vom gleichen Leitfähigeitstyp wie die Epitaxie (3) eindiffundiert ist und um die Mitte herum von der Oberfläche her ringförmig eine erste Basisdiffusionszone (9) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) und in der Mitte unter der ersten Elektrode (5) eine zweite Basisdiffusionszone (17) gleicher Leitfähigkeit eingebracht ist, wobei an dem inneren Rand der ersten Basisdiffusionszone (9) ein erster ringförmiger Anschluß (13) und an ihrem äußeren Rand ein zweiter ringförmiger Anschluß (14) aufgebracht ist und daß von der Oberfläche her zwischen erster (9) und zweiter Basisdiffusionszone (17) eine Diffusionszone (1off) vom Leitfähigkeitstyp der Leitschicht (10) ringförmig soweit eindiffundiert ist, daß sie auf die Leitschicht (10) trifft, wobei die Diffusionszone (18) mit einem dritten ringförmigen Anschluß'versehen ist, der mit dem ersten Anschluß (13) der ersten Basisdiffusionszone (9) verbunden ist, deren zweiter Anschluß (14) mit der zweiten Elektrode (6) verbunden ist.
6. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (14) der ersten Basisdiffusionszone (9) mit der zweiten Elektrode (6) direkt verbunden ist.
7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (14) der ersten Basisdiffusionszone (9) über eipe Spannungsbegrenzungsschaltung mit der zweiten Elektrode (6) verbunden ist.
8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zweiter Elektrode (6) und Isolierdiffusion (4) eine Spannungsbegrenzungsschaltung geschaltet ist.
9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der kreisförmigen Leitschicht (10) größer ist als der Radius von der Mitte der Wanne bis zum äußeren Rand des Kontaktfensters des ersten Anschlusses (13) der ersten Basisdiffusionszone (9).
10. Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unter der zweiten Elektrode (6) befindliche Wannenanschlußdiffusion (31) bis in die Isolierdiffusion (4) erstreckt, wobei der überlappungsbereich die als Zenerdiode ausgebildete Spannungsbegrenzungsschaltung bildet.
11. Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter der zweiten Elektrode (6) eine Basisdiffusionszone (36) vom Leitfähigkeitstyp des Sustrats (2) eingebracht ist, welche sich teilweise in die Isolierdiffusion (4) und teilweise in die Epitaxie (3) erstreckt und daß die unter der zweiten Elektrode (6) eindiffundierte Wannenanschlußdiffusion (31) sich teilweise mit der Basisdiffusionszone (36) überlappt, wobei die als Zenerdiode ausgebildete Spannungsbegrenzungsschaltung durch den Überlappungsbereich der Basisdiffusionszone (36) und der Wannenanschlußdiffusion (31) gebildet wird.
12. Widerstandselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zweiter Elektrode (6) und Isolierdiffusion (4),- die einen Anschluß (48) aufweist, in die Epitaxie (3) eine Basisdiffusionszone (38) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) eindiffundiert ist, in die eine Diffusionszone (39) des Leitfähigkeitstyps der Epitaxie (3) eingebracht ist, so daß dadurch die als Zenerdiode ausgebildete Spannungsbegrenzungsschaltung gebildet wird und daß die Basisdiffusionszone (38) über ihren Anschluß (45) mit dem Anschluß (48) der- Isolierdiffusion (4) und die Diffusionszone (39) über ihren Anschluß (44) mit der zweiten Elektrode (6) verbunden ist.
13. Widerstandselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Basisdiffusionszone (41) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) eindiffundiert ist, in die eine Diffusionszone (42) des Leitfähigkeitstyp der Epitaxie (3) eingebracht ist, so daß mehrere Zenerdioden die Spannungsbegrenzungsschaltung bilden und daß die Zenerdioden untereinander in Reihe geschaltet sind, indem die Basisdiffusionszone (39) der einen Zenerdiode mit der Diffusionszone (42) der nächsten Zenerdiode verbunden ist.