DE2853116C2

DE2853116C2 -

Info

Publication number: DE2853116C2
Application number: DE19782853116
Authority: DE
Inventors: Hartmut 7410 Reutlingen De Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-12-08
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1987-06-04
Also published as: DE2853116A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Widerstandselement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der GB-PS 14 05 503 sind schon Widerstandselemente 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 Halterleiterelement 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/Epitaxieschicht. Sie liegt ungefähr zwischen 40 Volt und 100 Volt. Treten höhere Spannungen auf, kann ein Durchbruch dieser Sperrschicht zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.

Aus der DE-OS 24 25 625 ist weiter ein Widerstandselement bekannt, bei dem unter Elektroden jeweils eine Wannenanschlußdiffusion vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie eine Epitaxieschicht angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgbe zugrunde, ein Widerstandselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszuführen, daß es eine erhöhte Durchbruchsspannung aufweist.

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- Epitaxieschicht ausgenutzt wird, welche wesentlich höher ist als die Durchbruchsspannung der Sperrschicht Isolierdiffusion-Epitaxie, so daß diese hohe Sperrspan nung bestimmend für den Durchbruch der Wanne zum Substrat ist.

Zeichnung

Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Schnitte durch die drei Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung,

Fig. 2a gibt ein Ersatz schaltbild 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 Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Widerstandselement 1 besteht nach Fig. 1 in seiner einfachsten Form aus einer auf ein gewöhnlich p-leitendes, schwach dotiertes Substrat 2 aufgebrachten n-leitenden Epitaxieschicht 3, die eine höhere Dotierung besitzt. Die Epitaxieschicht 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 Epitaxieschicht 3 haben, aber stärker dotiert sind. Der Wider stand wird durch die Epitaxieschicht 3 zwischen den Elek troden 5 und 6 gebildet. Durch die Anordnung der Elek troden 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 Durchbruchs spannung der Sperrschicht 7 zwischen Epitaxieschicht 3 und Sub strat 2, einsetzen. Da zwischen Elektrode 5 und Elektrode 6 ein großer Spannungsabfall entsteht, wird ein Durch bruch der Sperrschicht 8 zwischen Epitaxieschicht 3 und Isolier diffusion 4 vermieden. Um weiterhin die Halbleiteranordnung zu schützen und einen Durchbruch der Sperrschicht 8 zu ver meiden, kann die Elektrode 6 mit einer Spannungsbegrenzungs schaltung (Zenerdiode) verbunden sein, die Bestandteil der integrierten Schaltung ist und deren Durchbruchsspannung so gewählt ist, daß die Halterleiteranordnung nicht beschädigt wird, wenn diese Spannung erreicht wird. Das Widerstands element 1 läßt sich über seinen Durchmesser so dimensio nieren, daß es den jeweils gewünschten Widerstandswert erhält und daß es während der Zeit, in der die Überspan nung anliegt, nur so weit erhitzt wird, daß es keine irre versible Schädigung davonträgt.

Fig. 2 stellt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Widerstandselementes 1 dar. In die Epitaxieschicht 3 sind weitere Diffusionszonen eingebracht. Von der Oberfläche her ist eine p-leitende erste Basisdiffusionszone 9 eindiffundiert, die ringförmig um die erste Elektrode 5 in der Mitte der Epitaxieschicht 3 angeordnet ist. Diese Diffusionszone wird als Basisdiffusionszone bezeichnet, da sie bei der Herstel lung 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 aufgebrach ten zweiten Anschluß 14. Zwischen Substrat 2 und Epitaxieschicht 3 ist kreisförmig eine n-leitende Leitschicht 10 eindiffun diert. Unter der ersten Elektrode 5 ist die Wannenanschluß diffusion 32 so weit in die Epitaxieschicht 3 eingebracht, daß sie auf die Leitschicht 10 trifft. Der Widerstand des Widerstandselementes 1 wird jetzt nicht nur von der Epitaxieschicht 3 bestimmt, sondern hauptsächlich von der stärker leitfähigen ersten Basisdiffusionszone 9. Bei gleicher Fläche des Widerstandselementes 1 lassen sich jetzt klei nere Widerstandswerte realisieren als bei Verwendung der Epitaxieschicht 3 als Widerstandsschicht. Eine Schwierigkeit dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß die neu hinzu kommende Sperrschicht 12 zwischen erster Basisdiffusions zone 9 und Epitaxieschicht 3 einerseits stets in Sperrichtung vor gespannt sein muß, um einen Transistoreffekt zwischen er ster 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 Epitaxieschicht 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 Vor spannung in Sperrichtung der Sperrschicht 12 zu erhalten, sind einerseits die Wannenanschlußdiffusion 32 und die Leitschicht 10 unter der Elektrode 5 eingebracht, zum anderen ist die Epitaxieschicht 3 über die Elektrode 6 und den zweiten Anschluß 14 mit der ersten Basisdiffusionszone 9 verbunden. Daher ist die Sperrschicht 12 auch am äußer sten 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 Epitaxieschicht 3 bis zum äußeren Rand des Kontaktfensters des ersten Anschlusses 13 der ersten Basisdiffusionszone 9. Eine weitere Möglichkeit um die notwendige Polung der Sperr schicht 12 am Rande des Widerstandselementes 1 zu erreichen, besteht darin, daß die zweite Elektrode 6 nicht direkt mit dem zweiten Anschluß 14 der ersten Basisdiffusionszone 9 verbunden ist, sondern über eine äußere Zenerdiode.

In Fig. 2a ist beispielhaft das elektrische Schaltbild einer Anordnung nach Fig. 2 gezeigt, wobei die Ersatz schaltbilder für die anderen Ausführungsformen analog aufgebaut sind.

Die positive Klemme 21, die die Elektrode 5 darstellt, ist einerseits mit der Kathode der Diode D 20, die gegen Masse 23 geschaltet ist, verbunden und andererseits an die Wi derstände R 10 und R 9 angeschlossen. D 20 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. R 9 ist der Bahnwiderstand der ersten Basisdiffusionszone 9 und R 10 der der Leitschicht 10 und der Wannenanschlußdiffusion 32. An den zweiten An schluß des Widerstandes R 10 ist die Kathode der Diode D 7 und der Widerstand R 3 angeschlossen, wobei die Anode der Diode D 7 auf Massepotential 23 liegt. D 7 entspricht der Sperrschicht 7 zwischen Substrat 2 und Epitaxieschicht 3 und R 3 ist der Bahnwiderstand der Epitaxieschicht 3. Die Kathode der Diode D 8, die anodenseitig auch auf Massepotential 23 liegt, ist mit dem zweiten Anschluß des Widerstandes R 9 und R 3 und mit der Klemme 22, die die Elektrode 6 dar stellt, verbunden. D 8 ist die Diode, die durch die Sperrschicht 8 zwischen Isolierdiffusion 4 und Epitaxieschicht 3 gegeben wird. Der pn-Übergang zwischen Substrat 2 und Epitaxieschicht 3 muß stets gesperrt sein (Substrat 2 negativ gegenüber Epitaxieschicht 3). Das Substrat 2 wirkt daher als Kollektorzone eines pnp-Transistors, der hier als Sub strattransistor T 2 bezeichnet wird.

Seine Basiszone(n) ist identisch mit der Epitaxieschicht 3 des Widerstandselementes und die Emitterzone (p) entspricht der ersten Basisdiffusionszone 9. An Klemme 22 kann kathodenseitig eine Zenerdiode D 22 angeschlossen werden, die anodenseitig auf Massenpotential gelegt wird und einen Durchbruch der Sperrschicht 8 verhindern soll.

Fig. 3 stellt eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Wider standselementes um eine Verpolschutzdiode dar, die von dem kreisförmigen Epitaxiegebiet 15 und der ebenfalls kreisför migen zweiten Basisdiffusionszone 17, die von der Ober fläche her unter der Elektrode 5 eindiffundiert ist, ge bildet wird. Durch das Einbringen dieser zweiten Basis diffusionszone 17 ist die Elektrode 5 nicht mehr direkt mit der Epitaxieschicht 3 verbunden, sondern es gibt noch eine Sperrschicht 16 zwischen Elektrode 5 und Epitaxieschicht 3. Um einen Transistoreffekt zwischen der zweiten Basisdiffusions zone 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 An schluß 19 aufweist, eingebracht. Die Leitschicht 10 und die Diffusionszone 18 dienen als Rekombinationsschicht für die Minoritätsträger im Epitaxiegebiet 15, die ent stehen, wenn die Sperrschicht 16 in Flußrichtung vorge spannt ist. Neben der Verhinderung dieses Transistor effektes haben die Diffusionszone 18 und die Leitschicht 10 auch die oben beschriebene Aufgabe, die richtige Vor spannung der Sperrschicht 12 zwischen erster Basisdiffusions zone 9 und Epitaxieschicht 3 zu gewährleisten. Außerdem soll die erste Basisdiffusionszone 9 wiederum mit der Epitaxieschicht 3 parallel geschaltet werden, daher wird der Anschluß 19 der Diffusionszone 18 mit dem ersten Anschluß 13 der Basis diffusionszone 9 verbunden. Der zweite Anschluß 14 der ersten Basisdiffusion 9 kann wie in Fig. 2 direkt mit der zweiten Elektrode 6 verbunden sein. In dem in Fig. 3 dar gestellten Zustand muß eine äußere Zenerdiode zwischenge schaltet werden.

Weiterhin können Zenerdioden, die zwischen zweiter Elek trode 6 und Masse geschaltet werden und zur notwendigen Polung der Sperrschicht 8 dienen, auch in dem Widerstands element 1 integriert sein. Ausführungsbeispiele dazu sind in Fig. 4 bis 6 dargestellt. In Fig. 4 ist als einfachste Möglichkeit die n-dotierte Wannenanschlußdiffusion 31 un ter der zweiten Elektrode 6 bis in die p-dotierte Isolier diffusionszone 4 eingebracht. Dadurch wird eine weitere Sperrschicht 34 gebildet, die bei den üblichen Herstel lungstechnologien von monolithisch integrierten Bauelemen ten 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 Epitaxieschicht 3 und teilweise in die Iso lierdiffusion 4 hineinragt. Die Wannenanschlußdiffusion 31 erstreckt sich zum einen in die Epitaxieschicht 3 und zum ande ren in die Basisdiffusionszone 36, mit der sie die Zener diode bildet, die die Sperrschicht 37 aufweist. Diese Sperr schicht 37 der Zenerdiode bricht wiederum bei gebräuchlichen Herstellungstechnologien bei Spannungen zwichen 6,8 und 7,5 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 ein gebracht werden. Unter der zweiten Elektrode 6 liegt wieder die stark n-dotierte Wannenanschlußdiffusion 31. Zwei weitere p-dotierte Basisdiffusionszonen 38, 41 sind in die Epitaxieschicht eindiffundiert, in die jeweils eine n⁺-do tierte Diffusionszone 39, 42 eingebracht sind, so daß sich jeweils eine Sperrschicht 40, 43 ergibt, die das Durch bruchsgebiet der entsprechenden Zenerdiode bildet.

Da die Zenerdioden 38, 39 und 41, 42 in Reihe geschaltet sind, ist der Anschluß 45 der Basisdiffusionszone 38 der ersten Zenerdiode 38, 39 mit dem Anschluß 46 der n⁺-Dif fusionszone 42 der zweiten Zenerdiode 41, 42 verbunden. Außerdem sind die n⁺-Diffusionszone 39 mit einem Anschluß 44 der ersten Zenerdiode 38, 39 mit der zweiten Elektrode 6 und die Basisdiffusionszone 41 mit einem Anschluß 47 der zweiten Zenerdiode 41, 42 mit der Isolierdiffusionszone 4 über deren Anschluß 48 verbunden.

Die beschriebenen Widerstandselemente lassen sich als Schutzwiderstände bzw. als Kombination eines Schutz widerstandes 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

1. Monolithisches zusammen mit einer Halbleiteranordnung integriertes Widerstandselement (1), das als Schutzwiderstand für die Halbleiteranordnung dient und aus einer auf ein Substrat (2) aufgebrachten Epitaxieschicht (3) von im Vergleich zum Substrat (2) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp besteht, wobei das Widerstandselement (1) durch eine Isolierdiffusion (4) von der Halbleiteranordnung getrennt ist und die Epitaxieschicht (3) als vorzugsweise kreisförmige Wanne ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) des Widerstandselementes (1) in der Mitte der Wanne angeordnet ist und die zweite Elektrode (6) des Widerstandselementes (1) am Rand der Wanne so angeordnet ist, daß 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 Epiaxieschicht (3) angeordnet ist.

3. Widerstandselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wanne mittig im Grenzbereich zwischen Epitaxieschicht (3) und Substrat (62) eine kreisförmige Leitschicht (10) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxieschicht (3) eindiffundiert ist, daß die Anschlußdiffusion (32) unter der ersten Elektrode (5) so weit eindiffundiert ist, daß sie die Leitschicht (10) berührt, und daß von der Oberfläche her eine ringförmige erste Basisdiffusionszone (9) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) in die Wanne 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 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wanne mittig im Grenzbereich zwichen Epitaxieschicht (3) und Substrat (2) eine kreisförmige Leitschicht (10) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Epitaxieschicht (3) eindiffundiert ist und um die Mitte der Wanne herum von der Oberfläche her ringförmig eine erste Basisdiffusionszone (9) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) und in der Mitte der Wanne 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 (18) vom Leitfähigkeitstyp der Leitschicht (10) ringförmig so weit eindiffundiert ist, daß sie auf die Leitschicht (10) trifft, wobei die Diffusionszone (18) mit einem dritten ringförmigen Anschluß (19) 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.

5. Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (14) der ersten Basisdiffusionszone (9) mit der zweiten Elektrode (6) direkt verbunden ist.

6. Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (14) der ersten Basisdiffusionszone (9) über eine Spannungsbegrenzungsschaltung mit der zweiten Elektrode (6) verbunden ist.

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zweiter Elektrode (6) und Isolierdiffusion (4) eine Spannungsbegrenzungsschaltung geschaltet ist.

8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, 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).

9. Widerstandselement nach Anspruch 7, 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.

10. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß unter der zweiten Elektrode (6) eine Basisdiffusionszone (36) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) eingebracht ist, welche sich teilweise in die Isolierdiffusion (4) und teilweise in die Epitaxieschicht (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.

11. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zweiter Elektrode (6) und Isolierdiffusion (4), die einen Anschluß (48) aufweist, in die Epitaxieschicht (3) eine Basisdiffusionszone (38) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) eindiffundiert ist, in die eine Diffusionszone (39) des Leitfähigkeitstyps der Epitaxieschicht (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) des Leitfähigkeitstyps der Epitaxieschicht (3) über ihren Anschluß (44) mit der zweiten Elektrode (6) verbunden ist.

12. Widerstandselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Basisdiffusionszone (41) vom Leitfähigkeitstyp des Substrats (2) eindiffundiert ist, in die eine Diffusionszone (42) des Leitfähigkeitstyps der Epitaxieschicht (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) des Leitfähigkeitstyps der Epitaxieschicht (3) der nächsten Zenerdiode verbunden ist.