DE3635523A1 - Elektronische halbleiteranordnung zum schutz von integrierten schaltungen sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Halbleiter­ anordnung zum Schutz von integrierten Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen, die zwischen einem Eingang der zu schützenden integrierten Schaltung und einer Referenzspannungsleitung angeordnet ist und ein gegenpolig in Serie geschaltetes Diodenpaar enthält, deren erste Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren zweite Anschlüsse mit dem Eingang bzw. der Referenzspannungsleitung verbunden sind.

Schutzanordnungen für integrierte Schaltungen, insbe­ sondere für lineare integrierte Schaltungen, gegen elektrostatische Entladungen beider Vorzeichen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Einige Anord­ nungen verwenden z. B. Basis-Emitter- oder Basis- Kollektor-Übergänge, um Dioden und Widerstände ent­ sprechend dem unterschiedlichen Aufbau der Anordnun­ gen zu bilden. Andere Lösungsvorschläge enthalten ge­ steuerte Siliziumgleichrichter (SCR), die zwischen dem Eingang der zu schützenden integrierten Schaltung und einer Referenzspannungsleitung angeordnet sind.

Es gibt jedoch mehrere Gründe, warum diese Lösungen nicht vollständig zufriedenstellen. Insbesondere be­ nötigen die bekannten Lösungsmöglichkeiten eine ver­ hältnismäßig große Integrationsfläche, was dazu bei­ trägt, daß die Gesamtabmessungen von integrierter Schaltung und Schutzanordnung sich vergrößern. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen, im besonde­ ren derjenigen, die Dioden und Widerstände einsetzen, liegt in der verhältnismäßig hohen Serienimpedanz, was zu recht hohen Verlustleistungen führt. Diese An­ ordnungen sind wirksam gegen schädliche Spannungen unterhalb eines bestimmten Wertes, können dort jedoch nicht eingesetzt werden, wo ein Schutz vor sehr hohen Spannungen erforderlich ist.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine elektronische Halbleiteranordnung zum Schutz von integrierten Schaltungen vor elektrostati­ schen Entladungen vorzuschlagen, welche die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und Entladungen von positiver oder negativer elektrostatischer Span­ nung zuverlässig entgegenwirkt, die an den An­ schlüssen von integrierten Schaltungen entstehen. Insbesondere soll eine elektronische Schutzvorrich­ tung vorgeschlagen werden, die kleine Abmaße hat und insbesondere keine zusätzliche Halbleiterfläche beim Integrieren in die zu schützende Schaltung benötigt. Diese elektronische Schutzanordnung soll hohen Schad­ spannungen standhalten und überall dort einsetzbar sein, wo Schutz vor Entladungen hoher Spannungen er­ forderlich ist. Diese elektronische Schutzanordnung soll durch die gleichen Fertigungsphasen wie die zu schützende integrierte Schaltung gefertigt werden können, so daß keine zusätzlichen Fertigungkosten entstehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elek­ tronische Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Dioden eng benachbart integriert sind, wobei die ersten, miteinander verbundenen Anschlüsse der Dioden als einzige Halbleiterschicht ausgebildet sind und die Schichten, welche die zweiten Anschlüsse bilden, gleichzeitig hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Halbleiter­ anordnung, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem einzigen Implantationsschritt auf der gemeinsamen Schicht ein zweites chemisches Ele­ ment mit größerem Diffusionskoeffizienten als dem des ersten chemischen Elementes hergestellt wird und daß in einem Diffusionsschritt das zweite chemische Ele­ ment eingebracht wird, wodurch zwei Implantatbereiche auf einander entgegengesetzten Seiten der gemeinsamen Schicht gebildet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektro­ nischen Halbleiteranordnung gemäß der Er­ findung; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Silizium- Wafer, in den die Anordnung nach Fig. 1 integriert wurde.

Die erfindungsgemäße Schutzanordnung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen (1) versehen und zwischen dem Eingang (IN) einer zu schützenden integrierten Schal­ tung (schematisch als gestricheltes Rechteck darge­ stellt, in dem lineare Bauelemente wie Transistoren enthalten sind) und einer Referenzspannungsleitung 3 (mit Masse verbunden) geschaltet. Die Schutzanordnung enthält ein Diodenpaar 5 und 6, das gegenpolig in Serie geschaltet ist, wobei Anode 7 der Diode 5 mit der Eingangsleitung IN verbunden ist, während ihre Kathode 8 mit der Kathode 10 der Diode 6 verbunden ist. Die Anode 9 der Diode 6 ist mit Masse 3 verbun­ den.

Gemäß der Erfindung sind die Dioden 5 und 6 eng be­ nachbart integriert, wobei die Kathoden 8 und 10 durch dieselbe Halbleiterschicht gebildet werden, während die Anoden 7 und 9 nach der Top-Bottom-Tech­ nik gefertigt werden. Der Aufbau ist in Fig. 2 darge­ stellt, aus der die umgekehrte Anordnung der die Schutzanordnung bildenden Halbleiterschichten hervor­ geht.

Die Anordnung nach Fig. 2 enthält ein Substrat 12 der P Type, das elektrisch mit Masse verbunden ist, und eine obere Epitaxialschicht 13 der N Type, die eine obere Fläche 18 der Anordnung bildet.

Quer auf dem Übergang von Substrat 12 und Epitaxial­ schicht 13 sitzend werden die Dioden 5, 6 erfindungs­ gemäß gebildet. In der Zeichnung ist ein P⁺ Typ-Be­ reich 14 dargestellt, der sich innerhalb des Sub­ strats 12 parallel dazu erstreckt, eine N Typ- Schicht 15, die sich genau rittlings auf dem Substrat 12 und der Epitaxialschicht 13 befindet, sowie ein weiterer P⁺ Typ-Bereich 16, der gegenüber der An­ ordnung des Bereiches 14 zur Schicht 15 im wesent­ lichen symmetrisch angeordnet ist und sich innerhalb der Epitaxialschicht 13 erstreckt. Die Schichten 14, 15 und 16 bilden die Anode der Diode 6, die gemeinsa­ me Kathode der Dioden 5 und 6 bzw. die Anode 7 der Diode 5. Der Aufbau wird vervollständigt durch einen P⁺Typ-Verbindungsbereich 17, der sich von der obe­ ren Fläche 18 der Anordnung bis zum Bereich 16 er­ streckt, eine Metallschicht 19, die den Eingangsan­ schluß der integrierten Schaltung 2 bildet, sowie eine isolierende Oxydschicht 20, die in Fig. 2 nur teilweise gezeigt ist.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung läuft wie folgt ab: Es wird vom P Typ Sub­ strat 12 (mit Bor dotiert) ausgegangen und zuerst ei­ ne Aufbringung und Diffusion von Antimon vorgenommen. Dieser Schritt erfolgt zur gleichen Zeit wie die Auf­ bringung und Diffusion bei der zu schützenden inte­ grierten Schaltung für die verdeckte Schicht. Auf diese Weise wird ein N⁺ Typ-Bereich geschaffen. In der Folge wird über dem Bereich dieser verdeckten Schicht ein Implantat aus Bor eingebracht, und zwar gleichzeitig mit dem Implantieren von Bor in die zu schützende integrierte Schaltung, um dort die implan­ tierte Isolierschicht herzustellen. Danach läßt man die Epitaxialschicht 13 bei hoher Temperatur aufwach­ sen, wobei das Bor und das Antimon in die Epitaxial­ schicht und das Substrat diffundieren. Da jedoch Bor einen höheren Diffusionskoeffizienten hat als Anti­ mon, wird eine tiefere Diffusion des Bor erreicht, das den Antimonbereich durchquert und in das unter der Antimon dotierten Schicht befindliche Substrat eindringt. Auf diese Weise bildet sich der Bereich 16 innerhalb der Epitaxialschicht 13 und der Bereich 14 im Substrat 12 während derselben Verfahrensphase. Dann findet ein Aufbringen von Bor auf die Epitaxial­ schicht 13 entsprechend den Bereichen 16 und 14 statt, worauf eine Diffusion des Bor durch die Epita­ xialschicht 13 erfolgt, um den Bereich 17 zu bilden. Hierdurch wird die Anode 7 der Diode 5, die dem Be­ reich 16 entspricht, auf die Fläche aufgebracht. Auch dieser Schritt kann gleichzeitig mit dem Isolier- Diffusionsschritt der zu schützenden integrierten Schaltung erfolgen.

Aus dieser Beschreibung geht hervor, daß die Erfin­ dung die gestellten Aufgaben löst. Es wird besonders darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Anord­ nung sehr geringe Abmessungen hat und tatsächlich keinen zusätzlichen Raum benötigt. Wegen der bei die­ ser Erfindung angewandten Technik können die beiden Dioden sogar unmittelbar unter der Eingangsanschluß­ fläche der zu schützenden integrierten Schaltung an­ geordnet sein.

Außerdem kann die erfindungsgemäße Anordnung hohen schädlichen Spannungen widerstehen. Gegenüber den Lö­ sungen, bei denen Dioden dadurch gebildet werden, daß die Basis-Emitter- oder Basis-Kollektor-Übergänge von Transistoranordnungen genutzt werden, hat die erfin­ dungsgemäße Anordnung einen viel geringeren Reihenwi­ derstand und folglich eine entsprechend verringerte Verlustleistung.

Außerdem wird noch einmal darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Anordnung gleichzeitig mit den üb­ lichen Fertigungsschritten zur Herstellung der zu schützenden integrierten Schaltungen hergestellt wer­ den kann und somit keine getrennten Verfahrensschrit­ te erfordert.

Zu der Erfindung sind zahlreiche Änderungen und Variationen denkbar, die sich alle im Rahmen des er­ finderischen Konzeptes halten. So kann beispielsweise die N Typ-Schicht 15 über Ionen-Implantation und gleichzeitig mit Schichten 14 und 16 thermisch aufge­ wachsen werden.

Claims (7)

1. Elektronische Halbleiteranordnung zum Schutz von integrierten Schaltungen vor elektrostatischen Entla­ dungen, die zwischen einem Eingang (IN) der zu schüt­ zenden integrierten Schaltung und einer Referenzspan­ nungsleitung angeordnet ist und ein gegenpolig in Serie geschaltetes Diodenpaar enthält, deren erste Anschlüsse miteinander verbunden sind und deren zwei­ te Anschlüsse mit dem Eingang bzw. der Referenzspan­ nungsleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (5, 6) eng be­ nachbart integriert sind, wobei die ersten miteinan­ der verbundenen Anschlüsse (8, 10) der Dioden als einzige Halbleiterschicht (15) ausgebildet sind und die Schichten (14, 16), welche die zweiten Anschlüsse (7, 9) bilden, gleichzeitig hergestellt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat (12) erster Polari­ tät; eine Epitaxialschicht (13), die sich zwischen einer äußeren Fläche (18) der Anordnung (1) und dem Substrat (12) erstreckt; eine verdeckten Schicht (15) zweiter Polarität, die der ersten Polarität im wesentlichen entgegengesetzt ist, wobei die verdeckte Schicht sich zumindest teilweise zwischen dem Sub­ strat (12) und der Epitaxialschicht (13) erstreckt und eine einzige Halbleiterschicht bildet; erste und zweite hochdotierte, gleichzeitig hergestellte Im­ plantatbereiche (14, 16) im wesentlichen erster Pola­ rität, wobei sich diese Implantatbereiche (14, 16) im Substrat (12) bzw. in der Epitaxialschicht (13) er­ strecken und mit einander entgegengesetzten Seiten der verdeckten Schicht (15) Kontakt haben und so mit der verdeckten Schicht sowohl zwei Übergänge als auch eins hochdotierte Verbindungszone (17) im wesent­ lichen erster Polarität bilden, die sich durch die Epitaxialschicht (13) zwischen der äußeren Fläche (18) der Anordnung (1) und dem Implantatbereich (16) in der Epitaxialschicht (13) erstreckt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie unter einer Eingangs­ anschlußfläche der zu schützenden integrierten Schal­ tung (2) vorgesehen ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schutzanordnung für eine zu schützende integrierte Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzanordnung ein gegenpolig in Serie geschaltetes Diodenpaar aufweist, das eine gemeinsame Halbleiterschicht einer ersten Polarität enthält, die mit einem ersten chemischen Element do­ tiert ist, sowie zwei Halbleiterbereiche einer zwei­ ten, der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität aufweist, die sich auf zwei entgegengesetzten Seiten der gemeinsamen Schicht erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einzigen Implan­ tationsschritt auf der gemeinsamen Schicht ein zwei­ tes chemisches Element mit größerem Diffusionskoeffi­ zienten als dem des ersten chemischen Elementes her­ gestellt wird und daß in einem Diffusionsschritt das zweite chemische Element eingebracht wird, wodurch zwei Implantatbereiche auf einander entgegengesetzten Seiten der gemeinsamen Schicht gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

• - erste Aufbringung und Diffusion oder Implantation eines chemisches Elementes auf einem Substrat erster Polarität zum Bilden einer ersten Schicht einer zweiten, der ersten im wesentlichen entgegen­ gesetzten Polarität bei gleichzeitiger Aufbringung und Diffusion einer eingeschlossenen Schicht für einen zu schützenden integrierten Schaltkreis;
• - Implantation eines zweiten chemischen Elementes auf einem Bereich der ersten Schicht, der dem Bereich der ersten Aufbringung höchstens gleich ist, wobei das zweite chemische Element einen größeren Diffu­ sionskoeffizienten aufweist als das erste chemische Element, zur Bildung von Schichten mit im wesent­ lichen erster Polarität sowie gleichzeitiger Im­ plantation einer implantierten Isolierschicht in dem zu schützenden Schaltkreis;
• - Aufwachsen einer Epitaxialschicht bei hoher Tempe­ ratur und gleichzeitiger Diffusion des ersten und zweiten chemischen Elementes und damit Ausbildung von zwei getrennten Implantatbereichen, die sich in dem Substrat bzw. der Epitaxialschicht erstrecken und mit zwei einander entgegengesetzten Seiten der eingeschlossenen Schicht Kontakt haben; und
• - zweite Aufbringung und Diffusion des zweiten chemi­ schen Elementes in der Epitaxialschicht ent­ sprechend den Implantatbereichen zum Bilden eines Verbindungsbereiches mit im wesentlichen erster Po­ larität sowie gleichzeitiger Anlagerung und Diffu­ sion von Isolierschichten des zu schützenden inte­ grierten Schaltkreises.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Polarität zum Typ P und die zweite Polarität zum Typ N gehört.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste chemische Ele­ ment Antimon und das zweite chemische Element Bor ist.