DE4229307A1 - Conductor component for protecting microelectronic system from overvoltage - comprises bidirectional thyristor diode with highly-doped surface region and high gradient of free charge carrier at predefined distance from oppositely doped base region - Google Patents
Conductor component for protecting microelectronic system from overvoltage - comprises bidirectional thyristor diode with highly-doped surface region and high gradient of free charge carrier at predefined distance from oppositely doped base regionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, welches mikroelektronische Syste me, die in der Regel eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen, sicher vor der Zerstörung durch Transientenspannungen (die innerhalb weniger Mikrosekunden eine Größe von eini gen kV annehmen können) schützt. Der absolute Schutz mikroelektronischer Systeme ist, physikalisch bedingt, nur durch Halbleiterstrukturen möglich, die ein ganz spezifisches Schaltverhalten aufweisen.The invention relates to a semiconductor component, which microelectronic system me, which usually have a low dielectric strength, safe from destruction by means of transient voltages (which are a size of a few microseconds can accept gen kV) protects. The absolute protection of microelectronic systems is physical, only possible through semiconductor structures that have a very specific Have switching behavior.
Derartige überspannungsableitende Halbleiteranordnungen sind aus EP 0.088. 179 und USP 4.262.295 bekannt. Dort sind mehrere Halbleiterschichten vertikal mit spezieller Dotierung so angeordnet, daß die im Durchbruchgebiet betriebenen Übergänge oberhalb der Durch bruchspannung UBR eine Kennlinie mit negativem Verlauf besitzen und danach im angren zenden Hochstrombereich auf Spannungen U«UBR begrenzen. Diese Ableiter haben den Nachteil, daß wegen U<0 hohe Verlustenergien aufgenommen werden müssen, was zur Fol ge hat, daß keine hohen Stoßströme abgeleitet werden können. Das angeschlossene Netz wird nicht abgeschaltet.Such surge arrester semiconductor devices are known from EP 0.088. 179 and USP 4,262,295. There, several semiconductor layers are arranged vertically with special doping so that the transitions operated in the breakdown region above the breakdown voltage U BR have a characteristic curve with a negative profile and then limit them to voltages U «U BR in the adjacent high current range. These arresters have the disadvantage that, because of U <0, high energy losses have to be absorbed, which has the consequence that no high surge currents can be derived. The connected network is not switched off.
Ein weiterer Ableiter ist durch das EP 0.167.440 bekannt. Er besteht aus einem ungesteuerten bidirektionalen Thyristor. Hier sind auf einem Si-Chip zwei geshortete Thyristoren antipa rallel angeordnet. Infolge der vertikalen Stromführung (bedingt durch speziell eingebrachte vergrabene Gebiete in der zentralen n-Halbleiterschicht und der Konstruktion des Bauele ments insgesamt) liegt herstellungsbedingt eine große Streubreite der Schaltströme, der Zündspannung und der Ansprechstoßspannung vor. Diese Bauelemente besitzen im Gegen satz zu gasgefüllten Überspannungsableitern eine geringe Schaltsymmetrie und keine Schalthysterese mit der Bedingung Einschaltstrom (IE)« Haltestrom (IH). Die Stromver stärkungen der n⁺pn-Anordnungen, die im Emitter-Basis-Raum über die Hochtemperatur prozesse eingestellt werden, bestimmen IE und IH gleichzeitig, weil der Zündvorgang über wiegend durch einen vom Feldstärkeverlauf im Volumen verursachten Strom eingeleitet wird.Another arrester is known from EP 0.167.440. It consists of an uncontrolled bidirectional thyristor. Here, two shorted thyristors are arranged antipa rallel on a Si chip. As a result of the vertical current flow (due to specially introduced buried regions in the central n-semiconductor layer and the construction of the component as a whole), there is a large spread of the switching currents, the ignition voltage and the response surge voltage due to the manufacturing process. In contrast to gas-filled surge arresters, these components have a low switching symmetry and no switching hysteresis with the condition that the inrush current (I E ) «holding current (I H ). The current amplifications of the n⁺pn arrangements, which are set in the emitter-base room via the high-temperature processes, determine I E and I H at the same time because the ignition process is mainly initiated by a current caused by the field strength in the volume.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementekonstruktion für eine Zweirich tungsthyristordiode vorzugeben, deren Kennlinie der des gasgefüllten Überspannungsablei ters nahezu entspricht. Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die eine hohe Verlustenergie aufnehmen kann, eine hohe Schaltsymmetrie hat, eine einstellbare Schal thysterese zwischen IE und IH aufweist, und deren Spannungsgrenzwert technologisch defi niert eingestellt werden kann. The purpose of the present invention is to provide a component design for a two-directional thyristor diode, the characteristic of which almost corresponds to that of the gas-filled surge arrester. The task is to create an arrangement that can absorb a high energy loss, has a high switching symmetry, has an adjustable switching thysteresis between I E and I H , and the voltage limit can be set technologically defi ned.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Halbleiterstruktur gelöst, die im Aufbau ein em Zweirichtungsthyristor entspricht, der zwei zusätzliche konstruktive Besonderheiten auf weist.According to the invention, the object is achieved by a semiconductor structure, which is a structure em two-way thyristor, which has two additional design features points.
- 1. Im Abstand s0 vom entgegengesetzt dotierten Basisgebiet ist am Passivierungsrand ein hochdotierter Oberflächenbereich angeordnet, der einen Gradienten der freien Ladungsträger von ∂(10-23) cm-4 aufweist.1. At a distance s 0 from the oppositely doped base region, a highly doped surface area is arranged on the passivation edge, which has a gradient of the free charge carriers of ∂ (10 -23 ) cm -4 .
- 2. Zwischen dem hoch dotierten n⁺-Gebiet und dem äußersten Rand des an die Oberfläche tretenden Basisgebietes (Dotierungswanne) ist ein Oberflächenshunt mit einstellbarem Widerstand angeordnet.2. Between the highly doped n⁺ region and the outermost edge of the to Surface of the base area (doping well) is a surface shunt arranged with adjustable resistance.
Die genannte konstruktive Lösung ermöglicht es, das Einschaltverhalten so zu beeinflussen, daß es weitgehend unabhängig von der Stromverstärkung der Thyristoranordnung im Volu men ist.The constructive solution mentioned makes it possible to influence the switch-on behavior in such a way that it is largely independent of the current gain of the thyristor arrangement in the volu men is.
Durch die erste Maßnahme wird der Einschaltvorgang, für die Gesamtanordnung energe tisch vorteilhaft, von der Oberfläche her, durch einen parallel zur Oberfläche fließenden Strom, eingeleitet. Der Oberflächenshunt, als zweite konstruktive Maßnahme, ermöglicht die anwendungsbezogene optimale Einstellung des Oberflächenstromes.The first measure makes the switch-on process more energy-efficient for the overall arrangement table advantageous, from the surface, by a flowing parallel to the surface Electricity, initiated. The surface shunt, as a second constructive measure, enables the application-related optimal setting of the surface current.
Die Einzelheiten der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.The details of the invention are shown in FIGS. 1 to 4.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Bauform einer Zweirichtungsthy ristordiode. Fig. 1 shows a section through a known design of a bidirectional transistor diode.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie eines bekannten Zweirichtungsthyristors (a) im Ver gleich mit zwei Kennlinien der erfindungsgemäßen Lösung (b) und (c). Fig. 2 shows the characteristic of a known bidirectional thyristor (a) in comparison with two characteristics of the inventive solution (b) and (c).
Fig. 3a zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Bauform mit der nachfolgend dargestellten Einzelheit. Fig. 3a shows a section through the inventive construction with the illustrated below detail.
Fig. 3b zeigt die Einzelheit aus Fig. 3a in der neuen konstruktiven Gestaltung. FIG. 3b shows the detail from FIG. 3a in the new structural design.
Fig. 3c zeigt die durch die konstruktiven, erfindungsgemäßen Maßnahmen ver änderten und veränderbaren Feld- und Stromverteilungen. Fig. 3c shows the ver through the constructive measures according to the invention changed and variable field and current distributions.
Fig. 4 zeigt eine besondere Anwendungsform der erfindungsgemäßen Lösung für hochsperrende Bauelemente. Fig. 4 shows a special application of the solution according to the invention for high-blocking components.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe gehört es, die Kennlinien entsprechend der Fig. 2 zu realisieren. Die Kennlinie (a) stellt die bekannte Thyristordiodenkennlinie mit dem Verhalten (IE < IH) dar. Die Kennlinien (b) und (c) zeigen die erfindungsgemäße Kennli nie bzw. deren Variationsmöglichkeiten mit der Bedingung (IE2<IH2) bzw. (IE1«IH1). Voraussetzung für das Erreichen eines solchen Schaltverhaltens ist die Erhöhung der Feld stärke im oberflächennahen Bereich zwischen dem p-Gebiet und dem Rand der Anordnung (Fig. 3b). Dies wird durch das Einbringen eines hochdotierten Oberflächenbereiches am Rand der Anordnung im Abstand s0 vom p-Gebiet erreicht.To achieve the object according to the invention it is necessary to implement the characteristic curves according to FIG. 2. The characteristic curve (a) represents the known thyristor diode characteristic curve with the behavior (I E <I H ). The characteristic curves (b) and (c) never show the characteristic curve according to the invention or its possible variations with the condition (I E2 <I H2 ) or . (I E1 «I H1 ). A prerequisite for achieving such a switching behavior is an increase in the field strength in the area near the surface between the p-area and the edge of the arrangement ( FIG. 3b). This is achieved by introducing a highly doped surface area at the edge of the arrangement at a distance s 0 from the p-area.
Der hochdotierte Oberflächenbereich weist einen Gradienten der freien Ladungsträger von ∂(10-23) cm-4 auf. Der Abstand s0 kann im Bereich zwischen dem 5- und 30-fachen der Eindringtiefe des hochdotierten Oberflächenbereiches liegen. Die Eindringtiefe des hoch dotierten Gebietes soll zwischen 2 µm und 8 µm liegen.The highly doped surface area has a free carrier gradient of ∂ (10 -23 ) cm -4 . The distance s 0 can be in the range between 5 and 30 times the penetration depth of the highly doped surface area. The penetration depth of the highly doped area should be between 2 µm and 8 µm.
Diese Feldstärkeerhöhung im oberflächennahen Bereich bewirkt einen oberflächennahen la teralen Stromfluß IP (Fig. 3c) entlang des in Sperrichtung gepolten n⁺ p-Übergangs am Au ßenrand der p-Wanne.This increase in field strength in the area near the surface causes a near-surface la teral current flow I P ( FIG. 3c) along the n⁺ p junction, which is polarized in the blocking direction, on the outer edge of the p-well.
Ist der hochdotierte Oberflächenbereich am Rande nicht vorhanden, wird die Thyristordiode ausschließlich durch den Volumenstrom IV, bzw. durch den von ihm hervorgerufenen Span nungsabfall an den n⁺p-Übergängen im Zentrum der p-Wanne eingeschaltet. Zur schnellen Stromübernahme aus dem Überspannungsimpuls (Transienten) durch den Strom vom Au ßenrand nach innen, ist die erfindungsgemäße Konstruktion für das Bauelement energetisch günstiger. Die zu schützende Anordnung ist damit wirksamer zu schützen.If the highly doped surface area is not available at the edge, the thyristor diode is only switched on by the volume flow I V , or by the voltage drop at the n⁺p transitions in the center of the p-well caused by it. For the rapid transfer of current from the overvoltage pulse (transients) through the current from the outer edge to the inside, the construction according to the invention is more energy-efficient for the component. The arrangement to be protected can thus be protected more effectively.
Die Steuerung der Kennlinien IE/IH (Fig. 2) ist möglich, wenn es gelingt, den für das Ein schalten verantwortlichen oberflächenparallelen Strom Ip (Fig. 3c) zusätzlich zur konstrukti ven Vorgabe durch S0 zu variieren.The control of the characteristic curves I E / I H ( FIG. 2) is possible if it is possible to vary the surface-parallel current I p responsible for the switching on ( FIG. 3 c) in addition to the constructive specification by S 0 .
Dazu dient die zweite konstruktive Lösung. Durch einen Oberflächenshunt S1 (Fig. 3b) zwi schen dem Rand der p-Wanne und dem hoch dotierten äußersten n-Bereich in der Wan ne. Verfahrenstechnisch läßt sich dieser Shunt fotolithographisch, durch Wahl des Kontakt materials und dessen Dicke beeinflussen. In der Praxis kann die Weite S1 (Fig. 3b) bis zum 6- fachen der Eindringtiefe der hochdotierten n-Bereiche liegen. Der Shunt bewirkt eine Verrin gerung des für den Einschaltstrom verantwortlichen Stromes Ip (Fig. 3c) um den Strom IS (Fig. 3c). Das bedeutet einen um einen entsprechenden Betrag höheren Einschaltstrom IE2 (Fig. 2).The second constructive solution serves this purpose. By means of a surface shunt S 1 ( FIG. 3b) between the edge of the p-well and the highly doped outermost n-region in the tub. In terms of process technology, this shunt can be influenced photolithographically by choosing the contact material and its thickness. In practice, the width S 1 ( FIG. 3b) can be up to 6 times the penetration depth of the highly doped n-regions. The shunt causes a reduction in the current I p responsible for the inrush current ( FIG. 3c) by the current I S ( FIG. 3c). This means an inrush current I E2 which is higher by a corresponding amount ( FIG. 2).
Zum Verständnis der durch die veränderte Konstruktion hervorgerufenen veränderten Feld stärkeverhältnisse dienen die in Fig. 3c angedeuteten Feldstärkeverläufe E (x).The field strength profiles E (x) indicated in FIG. 3c serve to understand the changed field strength relationships caused by the changed construction.
Beim Einsatz höherer Spannungen kann auch ein p-Schutzring gem. Fig. 5 zusätzlich ange ordnet sein, wobei die Wirksamkeit der ersten konstruktiven Maßnahme gemindert werden kann.When using higher voltages, a p-type protective ring according to Fig. 5 also be arranged, wherein the effectiveness of the first constructive measure can be reduced.
Die Einstellung des Haltestromes erfolgt in bekannter Weise über die Einstellung der Strom verstärkung der Thyristordiodenanordnung.The holding current is set in a known manner via the setting of the current reinforcement of the thyristor diode arrangement.
Gemäß Fig. 3a wird in eine beidseitig polierte, 270 µm dicke, n-dotierte Si-Wafer mit einem spezifischen Bulkwiderstand zwischen 2 Ωcm und 5 Ω cm beidseitig strukturiert Bor, z. B. durch Diffusionstechnik mit vorausgegangener Bor-Implantation, eingebracht. Es entsteht eine p-Wanne mit einer Eindringtiefe von ca. 16 µm und einer Oberflächenkonzentration von ca. 2,5 × 1018 cm-3.According to FIG. 3a, boron, eg, structured on both sides, is polished on both sides, 270 μm thick, n-doped Si wafer with a specific bulk resistance between 2 Ωcm and 5 Ωcm. B. introduced by diffusion technology with previous boron implantation. A p-well is created with a penetration depth of approx. 16 µm and a surface concentration of approx. 2.5 × 10 18 cm -3 .
Nachfolgend wird, ebenfalls beidseitig strukturiert, Phosphor vorabgelagert und danach bis zu einer Tiefe von ca. 4 µm eindiffundiert. Es entstehen die n⁺-Gebiete und der hochdotierte Oberflächenbereich am Rand der Anordnung mit einer Oberflächenkonzentration von ca. 5 × 1019 cm-3. Anschließend wird eine beidseitig aufgebrachte Schutzoxidschicht struktu riert,welche die Aufgabe hat, die Oberfläche der Anordnung im Falle der "Blockierung" vor Spannungsüberschlägen zu schützen. Diese Schicht hat eine Dicke von 1-2 µm.Subsequently, also structured on both sides, phosphorus is pre-deposited and then diffused to a depth of approx. 4 µm. The n⁺ regions and the highly doped surface area arise at the edge of the arrangement with a surface concentration of approx. 5 × 10 19 cm -3 . Subsequently, a protective oxide layer applied on both sides is structured, which has the task of protecting the surface of the arrangement from flashovers in the event of "blocking". This layer has a thickness of 1-2 µm.
Abschließend wird beidseitig eine Metallisierung aufgebracht und strukturiert. Diese besteht beispielsweise aus einer Schichtfolge von Ti-Ni-Au oder Ti-Ni-Ag mit einer Gesamtdicke von ca. 1 µm. Der Abstand s0 des hochdotierten Randgebietes von der p-Wanne beträgt 40 µm. Der, in diesem Falle metallische Shunt, mit dem über den lateralen Strom Ip der Ein schaltstrom IE gesteuert wird, hat die Ausdehnung s1 von 3 µm.Finally, a metallization is applied and structured on both sides. This consists, for example, of a layer sequence of Ti-Ni-Au or Ti-Ni-Ag with a total thickness of approx. 1 µm. The distance s 0 of the highly doped edge area from the p-well is 40 µm. The, in this case metallic shunt, with which the switching current I E is controlled via the lateral current I p , has the dimension s 1 of 3 μm.
Der Abstand der am Rand der p-Wanne gelegenen n⁺-Gebiete von diesem beträgt 15 µm und ihre Ausdehnung 50 µm, während die innen liegenden n⁺-Gebiete in abstandsgleicher Anordnung eine Ausdehnung von 140 µm haben. Im Ausführungsbeispiel haben diese n⁺- Gebiete die Form von Kreisen, der Zahlenwert der Ausdehnung ist somit als Durchmesser zu verstehen. Das beschriebene Beispiel ist für Blockierspannungen von 210 bis 250 Volt sowie für einen Stoßstrom von größer 100 Ampere bei einer Stoßwelle 10/1000 nach IEEE ausge legt. Die Chipfläche ist 2,6 × 2,6 mm2.The distance between the n⁺ regions located at the edge of the p-well is 15 µm and its extension is 50 µm, while the inner n⁺ regions have an extension of 140 µm in an equally spaced arrangement. In the exemplary embodiment, these n⁺ regions have the form of circles, the numerical value of the expansion is therefore to be understood as a diameter. The example described is laid out for blocking voltages of 210 to 250 volts and for a surge current of greater than 100 amperes with a shock wave 10/1000 according to IEEE. The chip area is 2.6 × 2.6 mm 2 .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |