DE3428067C2 - Halbleiter-Überspannungsunterdrücker mit genau vorherbestimmbarer Einsatzspannung und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleitervorrich­ tung.

Unterdrücker von Überspannungen sind Schaltungsbau­ steine, die insbesondere verwendet werden, wenn Schäden an einer Schaltung vermieden werden sollen, die sowohl vorübergehenden als auch andauernden, hohen Überspannungen ausgesetzt sein kann. Ideal verhält sie sich wie eine offene Schaltung bei nor­ malen Betriebsbedingungen und wie eine Kurzschluß­ schaltung, wenn die an ihren Anschlüssen anliegende Spannung einen vorbestimmten Wert überschreitet (Einsatzspannung).

Aus der Druckschrift US-A 38 81 179 ist eine Zener­ diodenstruktur mit drei Anschlüssen bekannt. Diese Zenerdiodenstruktur wird durch bekannte monolithi­ sche Herstellungsprozesse gefertigt und liefert eine konstante Bezugsspannung zum Ansteuern einer Last hoher Impedanz. Die Diode weist ein durch P- Typ-Diffusion in einer Epitaxialschicht vorgesehe­ nes Anodenelement auf. Durch eine "Emitter"-Diffu­ sion wird ein Kathodenelement gebildet, daß sich von der Oberfläche der Epitaxialschicht in die Ba­ sis-Diffusion erstreckt und an die Anode angrenzt, so daß eine Anoden-Kathoden-Verbindung entsteht. Da die Basisdiffusion einen höheren Widerstand als die Anoden-Kathoden-Verbindung aufweist, tritt ein ver­ grabener Durchbruch an der Anoden-Kathoden-Verbin­ dung auf. Der Steuerstrom für die Zenerdiode wird durch einen Pfad zwischen einem ersten Anodenan­ schluß, der mit der Basis-Diffusion verbunden ist, und dem Kathodenanschluß geleitet.

Aus der Druckschrift US-A-37 35 210 ist eine Ze­ nerdiode für monolithisch integrierte Schaltungen bekannt. Diese bekannte Zenerdiode weist einen er­ sten Bereich eines bestimmten Typs von Leitfähig­ keit auf, der zwei Teile hat, wobei einer der Teile eine signifikant höhere maximale Störstellenkonzen­ tration als der andere Teil aufweist. Ein zweiter Bereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hoher Leitfähigkeit ist innerhalb beider Teil des ersten Bereichs angeordnet und jeweils durch einen pn-Über­ gang separiert, wobei der pn-Übergang zwischen dem zweiten Bereich und dem Teil niedrigerer Leitfähig­ keit bei einer signifikant größeren Tiefe als der pn-Übergang zwischen dem zweiten Bereich und Teil mit hoher Störstellenkonzentration auftritt. Der elektrische Kontakt zum zweiten Bereich wird nur über den Teil mit geringerer Störstellenkonzentra­ tion hergestellt, wo der pn-Übergang bei einer sig­ nifikant größeren Tiefe angeordnet ist.

Aus der Druckschrift DE-C3-15 89 707 ist eine tem­ peraturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer Halbleiterschaltung bekannt, die aus mehreren nicht linearen und linearen, in einem gemeinsamen Halb­ leiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierung untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren Anschlüssen versehen ist, bei der als Einzelelemente mehr als zwei Transistorstrukturen dienen. Bei dieser bekannten Z-Diodenanordnung sind die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistorstruk­ turen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließ­ enden Gesamtstromes derart in Reihe geschaltet, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Übergänge in Sperr­ richtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, wobei gegebenenfalls der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß verbunden ist.

Eine bei der Anmelderin intern bekannte gattungsbildende Vorrichtung mit drei Übergängen ist im Querschnitt in Fig. 1 dargestellt. Sie besteht aus einem monokristallinen Siliciumsubstrat vom Typ P, das mit 1 bezeichnet ist und auf dem eine Epi­ taxialschicht 2 aus mit N-Störstellen dotiertem Silicium gewachsen ist; in dieser Epitaxialschicht 2 ist durch Diffusion mit den üblichen Verfahren der Planartechnologie eine kreisförmige Zone der P- Leitfähigkeit, die mit 3 bezeichnet ist, gebildet.

Im Innern der Zone 3 der Struktur der Fig. 1 wird anschließend durch Diffusion mit N-Störstellen eine ebenfalls kreisförmige Zone 4 gebildet, so daß ein PNPN-Aufbau entsteht. Eine Metallschicht 5, die in Ohm′schem Kontakt mit den Oberflächenteilen der Zonen 3 und 4 ist, bildet den "Emitter"-Anschluß der Vorrichtung, und eine Metallschicht 6, die in Ohm′schem Kontakt mit dem Substrat 1 ist, bildet den "Kollektor"-Anschluß. Die Oberfläche der Vor­ richtung ist mit Ausnahme der Zonen der metalli­ schen Kontakte von einer Schicht 7 aus Siliziumdi­ oxid bedeckt.

Der Betrieb der Vorrichtung, deren Struktur in Fig. 1 dar­ gestellt ist, kann leicht verstanden werden, wenn die in Fig. 3 gezeigte Ersatzschaltung betrachtet wird, in der der Emitter 10 des NPN-Transistors TR2 der Zone 4 der Struktur entspricht, die Basis 11 des Transistors TR2 und der Kollek­ tor 15 des PNP-Transistors TR1 der Zone 3 der Struktur ent­ sprechen, der Widerstand R zwischen der Basis 11 und dem Emitter 10 des Transistors TR2 den verteilten Widerstand dar­ stellt, der zwischen dem durch die Zonen 3 und 4 gebildeten Über­ gang und dem Emitterkontakt 5 definiert ist, der Kollektor 12 des Transistors TR2 und die Basis 14 des Transistors TR1 der Zone 2 der Struktur entsprechen und der Emitter 13 des Tran­ sistors TR1 der Zone 1 der Struktur entspricht.

Wenn man an die beiden Elektroden 5 und 6 der oben beschriebe­ nen Struktur eine Spannung anlegt, wobei der positive Pol +V am Anschluß 6 liegt, bildet sich am Übergang zwischen der Zone 2 und der Zone 3, der mit 8 bezeichnet ist, ein elektrisches Feld E, welches in den nahe am Übergang liegenden Zonen eine Ver­ armung an Majoritätsladungsträgern (Verarmungszone) bestimmt: und die daraus folgende Bildung einer Raumladung in der Nähe dieses Über­ gangs. Wenn die Spannung +V eine solche Größe hat, daß das elek­ trische Feld E einen kritischen Wert überschreitet, der durch die physikalischen und geometrischen Eigenschaften der den Übergang bildenden Zonen bestimmt ist, stellt sich innerhalb der Verarmungszone eine Kettenreaktion ein, die als Lawinendurch­ bruch (avalanche breakdown) bezeichnet wird und die die Ur­ sache für einen plötzlichen und unvorhergesehenen Stromfluß durch diesen Übergang ist.

Um diese Wirkung funktionell darzustellen, ist in Fig. 3 eine Zenerdiode zwischen die Basis 11 des Transistors TR2 - Zone 3 der Struktur - und den Kollektor 12 des Transistors TR2 - Zone 2 der Struktur - eingezeichnet.

Unter diesen Bedingungen findet ein Stromfluß zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 der Vorrichtung statt, weil beide Transistoren TR1 und TR2 im leitenden Zustand sind. Es ist bekannt, daß der Lawinendurchbruch in einem Planarübergang, der an der Oberfläche von einer Isolierschicht aus Siliciumdioxid wie die Schicht 7 in Fig. 1 geschützt ist, an der Oberfläche aufgrund in der Isolierschicht vorhandenen Störladungen statt­ findet. Diese haben die Wirkung, die Verarmungsschicht an der Oberfläche zu verringern und dadurch die Durchbruchspannung oder den Durchbruch des Übergangs zu erniedrigen. Bekanntlich neigt die Wiederholung dieses Phänomens dazu, die Eigenschaf­ ten des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs und dessen Durchbruchspannung zu verändern.

Um die Wirkungen dieses Phänomens zu verringern, kann in der Struktur der Fig. 1 die Metallschicht 5, die in Ohm′schem Kontakt mit den Oberflächenbereichen der Zonen 3 und 4 ist, über die Isolierschicht 7 ausgedehnt werden, bis sie über einem Teil der Zone 2 liegt. Die auf diese Weise ausgedehnte Metallschicht, die gewöhnlich "field plate" genannt wird, dient in der Praxis, wenn die an den Elektroden 5 und 6 an­ liegende Spannung die in der elektrischen Schaltung der Fig. 3 angegebene Polarität hat, dazu, eventuelle Ladungsanhäufun­ gen von der Oberfläche des Oxids 7 zu entfernen, und gestattet es, die Oberfläche des Oxids und die darunterliegende Ober­ fläche des Siliciums äquipotentiell zu machen, so daß sich an der Oberfläche kein Durchbruch mehr einstellt, sondern im Innern des Übergangs 8 und bei einer höheren Spannung. Sofern keine anderen Phänomene auftreten, stellt sich der Durchbruch insbesondere im Bereich der Oberfläche größter Krümmung des Übergangs und bei einer Spannung ein, die über die gesamte Lebensdauer der Vorrichtung stabil bleibt. Aufgrund der Ver­ änderlichkeit der Herstellungsparameter kann diese Spannung jedoch in der Entwurfs- und Konstruktionsphase nicht genau definiert werden.

Um ein Leiten zwischen den Zonen 1 und 3 einer Struktur der in Fig. 1 gezeigten Art zu erzeugen, wie es für die Auslö­ sung des leitenden Zustandes zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 der Vorrichtung erforderlich ist, kann man bekannt­ lich auf die Herstellungsparameter einwirken, insbesondere auf den spezifischen Widerstand und auf die Dicke der Epitaxial­ schicht 2, so daß das Leiten durch den Übergang 8 aufgrund des Lawinendurchbruchs nicht beginnen kann, weil es von einem anderen Phänomen vorweggenommen wird, das die Leitungsbe­ dingungen der Struktur modifiziert. Dieses als "punch-through" bekannte Phänomen ergibt sich, wenn sich die Verarmungs­ zone des Übergangs, der sich zwischen den Zonen 1 und 2 ein­ stellt, durch die gesamte Epitaxialschicht bis zu der durch die Zone 3 gebildeten Grenze ausdehnt, bis ein Kurzschluß zwischen den Zonen 1 und 3 erzeugt wird. Auch in diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, mit Exaktheit die Einsatzspannung in der Konstruktionsphase zu bestimmten, weil die Herstellungspara­ meter variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor­ richtung mit zwei Anschlüssen für den Betrieb als Überspannungs­ unterdrücker zu schaffen, deren Einsatzspannung bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase exakt definiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der im Patentanspruch 1 umrissenen Gattung erfindungsgemäß durch deren Kennzeichen gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel er­ läutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittdarstellung der bereits be­ schriebenen Vorrichtung mit zwei Anschlüssen und einer Struktur mit drei Übergängen nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit zwei Anschlüssen und einer Struktur mit drei Übergängen gemäß der Erfindung und

Fig. 3 das Ersatzschaltbild der Vorrichtung sowohl gemäß dem Stand der Technik als auch gemäß der Erfindung bei besonderen Vorspannungsbedingungen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind mit der Fig. 1 überein­ stimmende Teile durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die mit 5′ bezeichnete Emitterelektrode erstreckt sich über einen Teil der Zone 2, so daß eine bereits beschriebene, in Fig. 1 jedoch nicht dargestellte "field plate" gebildet wird. Außerdem wird vor der Diffusion der Zone 3 mit der Leitfähig­ keit P durch einen Bereich mit Kreisringform eine Implantation von N-Störstellen, beispielsweise Phosphor, durchgeführt, um eine örtliche Anreicherung der Zone 2 vom Typ N zu erzielen. Bei der folgenden Bildung der Zone 3 ist die Konzentration der P-Störstellen sehr groß, so daß der Leitfähigkeitstyp der implantierten Zone, die sich innerhalb der diffundierten Zone 3 befindet, umgekehrt wird.

Die Entwurfsparameter sind so gewählt, daß eine in Fig. 2 mit 9 bezeichnete N-Zone übrigbleibt, deren Leitfähigkeit größer ist als diejenige der Zone 2, in die sie sich etwas hinein erstreckt. Im einzelnen werden die Implantationsdosis und die Implantationsenergie so berechnet, daß der Durchbruch des Überganges 8 im Bereich der Zone 9 bei einer Spannung erfolgt, die geringer ist als die Spannung, die sich bei einem Durch­ bruch aufgrund der Krümmung ergeben würde, die jedoch bereits in der Entwurfsphase genau definiert werden kann.

Die angereicherte Zone 9 befindet sich in einem Teil des Über­ gangs 8, der seitlich neben der "Emitter"-Zone 4 liegt, das heißt außerhalb des Hauptstromflusses der Vorrichtung.

Der Betrieb der Vorrichtung mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Struktur kann ebenfalls anhand der elektrischen Schaltung der Fig. 3 erläutert werden, in der die Zenerdiode ebenfalls der Zone 3 entspricht, soweit die Anode 16 betroffen ist, jedoch der angereicherten Zone 9, soweit die Kathode 17 betroffen ist.

Über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung hinaus sind zahlreiche Varianten und Abänderungen möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann bei­ spielsweise die angereicherte Zone 9 andere Formen und Ab­ messungen haben als in Fig. 2 und kann außerdem aus mehreren, voneinander getrennten Zonen gebildet sein.

Claims (3)

1. Halbleitervorrichtung mit zwei Anschlüssen und mit einer Struktur mit drei Übergängen, gebil­ det in einer Scheibe aus Halbleitermaterial und umfassend:

• - ein Substrat (1) einer ersten Leitfähig­ keit (P), das von einer ersten Hauptflä­ che der Scheibe begrenzt ist,
• - eine Schicht (2) einer zweiten Leitfähig­ keit (N), die auf dem Substrat (1) ange­ ordnet ist und von einer zweiten Haupt­ fläche der Scheibe begrenzt ist,
• - eine Schicht (7) aus isolierendem Mate­ rial, die sich über der zweiten Haupt­ fläche erstreckt,
• - eine erste Zone (3) der ersten Leitfähig­ keit (P), die sich in die Schicht (2) der zweiten Leitfähigkeit, ausgehend von der zweiten Hauptfläche, erstreckt,
• - eine Zweite Zone (4) der zweiten Leitfä­ higkeit (N), die sich von der zweiten Hauptfläche aus in die erste Zone (3) erstreckt,
• - eine erste Metallschicht (6), die auf der ersten Hauptfläche in Ohm′schem Kontakt mit dem Substrat (1) ist, und
• - eine zweite Metallschicht (5, 5′), die sich auf einem Teil der zweiten Haupt­ fläche durch eine Öffnung in der isolie­ renden Schicht (7) hindurch so erstreckt, daß sie in Ohm′schem Kontakt mit der ersten Zone (3) und der zweiten Zone (4) ist, und die sich so über die isolierende Schicht (7) erstreckt, daß sie über einem entlang dem Rand der ersten Zone (3) befindlichen Teil der Schicht (2) der zweiten Leitfähigkeit verläuft,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2) der zweiten Leitfähigkeit (N) wenigstens eine kreisringförmige Zone (9) vom gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist, die an die erste Zone (3) angrenzt, eine höhere Stör­ stellenkonzentration als der Rest der Schicht (2) aufweist und an einen Teil der ersten Zone (3) angrenzt, der der zweiten Zone (4) nicht gegenüberliegt.

2. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (2) der zweiten Leitfähigkeit (N) durch Epitaxial­ wachstum auf dem Substrat (1) gebildet wird und die erste Zone (3) sowie die zweite Zone (4) durch Diffusion gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Diffusion der ersten Zone (3) eine Io­ nenimplantation von Störstellen des zweiten Typs (N) in einen kreisringförmigen Teil der zweiten Hauptfläche durchgeführt wird, und die Verfahrensparameter bei den nachfolgenden Dif­ fusionsvorgängen für die erste Zone (3) und die zweite Zone (4) so gewählt werden, daß die implantierte Zone tiefer ist als die erste Diffusionszone (3) und den zweiten Leitfähig­ keitstyp (N) nur in einem Bereich (9), der außerhalb der ersten Zone (3) und nicht gegen­ über der zweiten Zone (4) liegt, beibehält.