DE4342166A1 - Integrierte Halbleitervorrichtung mit einem Thyristor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer integrierter Halbleitervorrichtung mit einem Thyristor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 26 778 ist bereits ein Thyri­ stor in einer N-Wanne bekannt. Der Thyristor weist eine zentrale P-Dotierung auf, in die eine N-Dotierungszone eingebettet ist. Wei­ terhin sind in der N-Wanne äußere P-Zonen vorgesehen. Durch die äu­ ßeren P-Zonen, die N-Wanne, die innere P-Dotierung und die innere N-Dotierung wird ein Thyristor geschaffen. Um diesen Thyristor von andren Bauelementen zu isolieren, ist die N-Wanne von einer P-Zone vollständig umschlossen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung mit einem Thyristor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat dem­ gegenüber den Vorteil, daß ein Bauelement geschaffen wird, das wie ein Thyristor benutzt werden kann, bei dem jedoch im Unterschied zu einem Thyristor der wesentliche Stromfluß über Majoritätsladungsträ­ ger und nicht über Minoritätsladungsträger erfolgt. Dieses Bauele­ ment erzeugt daher besonders wenig Störungen in benachbarten anderen Bauelementen. Vorteilhaft ist dabei auch, daß eine Vielzahl derartiger Halbleitervorrichtungen mit einem Thyristor nebeneinander eingesetzt werden können, ohne daß es dabei zu Wechselwirkungen zwi­ schen den einzelnen Halbleitervorrichtungen kommt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Halbleitervorrichtung möglich. Durch die Me­ tallkontaktierung für die innere P-Dotierung wird ein Gate zum Zünden des Thyristors gegeben. Durch den Burried-Layer wird der Bahn­ widerstand zwischen Anode und Kathode gering gehalten. Durch die kammförmige Ausbildung der äußeren N-Dotierung kann der Stromfluß durch den äußeren NPN-Transistor bzw. den PNP-Transistor beeinflußt werden. Der Stromfluß wird durch diese Maßnahme gleichmäßig über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt.

Durch die P-Diffusionen 12 wird ein Ableitwiderstand zwischen Basis und Emitter des inneren NPN-Transistors 20 geschaffen, der das Zün­ den des Thyristors durch temperaturbedingte Sperrströme in den lateralen PNP-Transistoren oder durch steile Spannungsflanken an der Anode verhindert.

Durch Aussparungen in der äußeren P-Dotierung unterhalb der äußeren N-Dotierung, so daß die äußere N-Dotierung in Kontakt mit der N-Wan­ ne tritt, wird ein Ableitwiderstand geschaffen der ein Zünden des Thyristors bei steilen Spannungsflanken oder temperaturbedingten Sperrströmen verhindert. Durch eine entsprechende Auslegung der Flä­ che zwischen der äußeren Metallisierung und der äußeren P-Dotierung bzw. N-Dotierung kann das Verhältnis zwischen Majoritätsstrom und Minoritätsstrom beeinflußt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht auf das Halbleiterbauelement, die Fig. 2 und 3 zwei Querschnitte durch das Halbleiterbauelement nach der Fig. 1 und die Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Halblei­ terbauelements.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine Aufsicht auf das Halbleiterelement und in den Fig. 2 und 3 ein Querschnitt entlang der Linien II-II und III-III der Fig. 1 gezeigt. In einem P-Substrat 2 ist eine N-do­ tierte Wanne 1 vorgesehen. In der Fig. 1 sind die äußeren Abmessun­ gen dieser N-Wanne 1 und in den Fig. 2 und 3 die Erstreckung in die Tiefe des P-Substrats 2 hinein gezeigt. Im unteren Bereich der schwach N-dotierten Wanne 1 ist ein starkt N-dotierter Burried-Layer 11 vorgesehen. Ungefähr in der Mitte der N-Wanne 1 ist eine innere P-Dotierung 3 angeordnet. Innerhalb der inneren P-Dotierung 3 ist eine innere N-Dotierung 4 angeordnet. Die innere N-Dotierung 4 ist dabei vollständig in der inneren P-Dotierung 3 eingebettet, so daß kein direkter Kontakt zwischen der inneren N-Dotierung 4 und der N-Wanne 1 besteht. Die innere N-Dotierung 4 wird durch eine innere Metallisierung 6 kontaktiert. Zu beiden Seiten der inneren P-Dotie­ rung 3 sind äußere P-Dotierungen 5 vorgesehen. Die äußeren P-Dotie­ rungen 5 haben im wesentlichen eine rechteckige Form, wobei jedoch an einer Stellung eine Aussparung 13 vorgesehen ist. In der Fig. 2 wird ein Querschnitt entlang dieser Aussparungen 13 gezeigt. In den äußeren P-Dotierungen 5 sind äußere N-Dotierungen 7 angeordnet. Da die lateralen und vertikalen Abmessungen der äußeren P-Dotierung 5 größer sind als die der äußeren N-Dotierung, steht die äußere N-Do­ tierung 7 bis auf den Bereich der Ausnehmung 13 nicht im Kontakt mit der N-Wanne 1. Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, stehen die äuße­ ren N-Dotierungen 7 jedoch im Bereich der Ausnehmung 13 der äußeren P-Dotierung 7 in direktem Kontakt mit der N-Wanne 1. Im Bereich der äußeren P-Dotierung 5 und äußeren N-Dotierung 7 ist eine äußere Me­ tallisierung 8 vorgesehen. Diese äußere Metallisierung 8 steht dabei sowohl in Kontakt zu der äußeren P-Dotierung 5 wie auch zur äußeren N-Dotierung 7. Da die äußeren Metallisierungen 8 als rechteckige Be­ reiche ausgebildet sind, wird dies dadurch erreicht, daß die äußere N-Dotierung 7 als kammförmige Struktur ausgebildet ist, wie dies in der Aufsicht auf Fig. 1 gezeigt wird.

Die innere P-Dotierung 3 ist weiterhin noch mit einem Metallkontakt 10 versehen. Es sind noch weitere P-Dotierungen 12 vorgesehen, die derart angeordnet sind, daß sie eine Verbindung zwischen der inneren P-Zone 3 und dem P-Substrat 2 herstellen.

Im Querschnitt der Fig. 2 und 3 ist weiterhin noch eine Passivie­ rungsschicht 15 gezeigt, wie sie bei Halbleiterelementen üblich sind. Auf deren Darstellung wurde in der Aufsicht nach der Fig. 1 verzichtet.

In der Fig. 4 wird ein Ersatzschaltbild der so gebildeten Halblei­ tervorrichtung gezeigt. Die Halbleitervorrichtung weist einen An­ odenanschluß A, einen Kathodenanschluß K und einen Gateanschluß G auf. Weiterhin sind äußere NPN-Transistoren 20, äußere PNP-Transi­ storen 21, Anodenableitwiderstände 30, Kathodenableitwiderstände 31 und ein innerer NPN-Transistor 22 gebildet. Der Anodenanschluß A wird von den äußeren Metallisierungen 8, der Kathodenanschluß K von der inneren Metallisierung 6 und der Gateanschluß G vom Metallkon­ takt 10 gebildet. Der äußere NPN-Transistor 20 wird durch die äuße­ ren N-Dotierung-Zonen 7 als Emitter, die äußeren P-Dotierungen 5 als Basis und der N-Wanne als Kollektor gebildet. Die äußeren PNP-Tran­ sistoren 21 werden durch die äußeren P-Dotierungen 5 als Emitter, der N-Wanne 1 als Basis und der inneren P-Dotierung 3 als Kollektor gebildet. Der innere NPN-Transistor 22 wird durch die innere N-Do­ tierung 4 als Emitter, die innere P-Dotierung 3 als Basis und der N-Wanne 1 als Kollektor gebildet. Die Anodenableitwiderstände 31 werden durch die weiteren Dotierungszonen 12 gebildet, die die inne­ re P-Dotierung 3 mit dem Substrat 1 verbindet. Das Substrat und der Kathodenanschluß sind beide auf Masse gelegt. Die Anodenableitwider­ stände 30 werden durch den direkten Kontakt der äußeren N-Dotierun­ gen 7 mit der N-Wanne 1 im Bereich der Ausnehmungen 13 der äußeren P-Dotierung 5 gebildet. Die hier gezeigte Zusammenschaltung der äußeren PNP-Transistoren 21 und des inneren NPN-Transistors 22 bilden einen Thyristor.

Die so ausgestaltete Halbleitervorrichtung kann wie ein Thyristor genutzt werden. Dazu wird der Anodenanschluß auf ein positiveres Po­ tential als der Kathodenanschluß gelegt, beispielsweise wird der An­ odenanschluß mit einer positiven Versorgungsspannung und der Katho­ denanschluß mit Masse verbunden. Durch einen Zündimpuls am Gatean­ schluß G kann dann der Thyristor gezündet werden. Ein Thyristor wird hier durch die äußere P-Dotierung 5, die N-Wanne 1, die innere P-Do­ tierung 3 und die innere N-Dotierung 4 gebildet. Der Stromfluß durch diesen Thyristor erfolgt dabei im N-Gebiet der N-Wanne 1 durch die von der äußeren P-Dotierung 5 injizierten Minoritätsladungsträger. Der Transport der Minoritätsladungsträger erfolgt dabei nicht auf­ grund eines gerichteten Feldes, sondern aufgrund eines Diffusions­ prozesses. Dabei können viele dieser Minoritätsladungsträger in an­ dere Halbleiterbereiche wegdiffundieren und können so zu Störungen von anderen Halbleiterelementen führen. Durch die äußeren NPN-Tran­ sistoren 20 wird jedoch dieser Effekt verringert bzw. vollständig unterdrückt. Die äußeren NPN-Transistoren 20 werden durch die äußere N-Dotierung 7, die äußere P-Dotierung 5 und die N-Wanne 1 gebildet. Beim Anlegen einer positiven Spannung an der Anode (relativ zur Kathode) wird dieser Transistor invers betrieben, und somit sind Emitter und Kollektor gegenüber normalen integrierten Transistoren vertauscht. Die Stromverstärkung dieses Transistors ist somit ge­ ring, was jedoch toleriert werden kann, da Emitter und Basis kurzge­ schlossen sind. Beim Anliegen einer Spannung an den Metallisiserun­ gen 8 werden in den äußeren N-Gebieten 7 Majoritätsladungsträger er­ zeugt, die durch die als Basis des Transistors dienende P-Dotierung 5 hindurch in die N-Wanne 1 hineingelangen. Diese Majoritätsladungs­ träger können dann über den stark dotierten Burried-Layer 11 zum in­ neren NPN-Transistor 22 fließen, der von der inneren N-Dotierung 4 der inneren P-Dotierung 3 und dem darunterliegenden Bereich der N-Wanne 1 gebildet wird. Da die Dotierungszone 3, die die Basis des inneren NPN-Transistors bildet, gleichzeitig auch ein Teil des Thyristors bildet, der vom Minoritätsstrom angesteuert wird, ist der innere NPN-Transistor bei gezündetem Transistor durchgeschaltet. Die vom äußeren NPN-Transistor 20 injizierten Majoritätsladungsträger können somit über den inneren NPN-Transistor 22 abfließen. Von ent­ scheidender Bedeutung ist dabei, daß der größere Teil des Stromflus­ ses zwischen Anode und Kathode über Majoritätsladungsträger erfolgt und nicht über Minoritätsladungsträger. Aufgrund der Stromverstär­ kung des inneren NPN-Transistors 22 ist nur ein geringer Minoritäts­ ladungsträgerstrom über den Thyristor erforderlich um einen großen Majoritätsladungsträgerstrom über die äußeren NPN-Transistoren 20 und dem inneren NPN-Transistor 22 zu ermöglichen. Von dem Halblei­ terelement werden somit nur wenige Minoritätsladungsträger erzeugt, die eine Störung verursachen können. Weiterhin wird durch den Fluß der Majoritätsladungsträger in der N-Wanne 1 bzw. im Burried-Layer 11 ein Feldgradient geschaffen, der erstens die in die N-Wanne 1 injizierten Minoritätsladungsträger in die Mitte des Bauelements treibt und somit das Wegdiffundieren dieser Minoritätsladungsträger in andere Halbleiterbereiche verhindert, und zweitens den potentialmäßig negativeren Bereich des Buried-Layer, der Minoritäten ins P-Substrat injiziert, zur Mitte des Bauelementes verlagert und somit den Abstand des Injektors zum Nachbarelement vergrößert.

Durch die gezeigte kammförmige Ausbildung der äußeren N-Dotierungen 7 wird das Verhältnis von Minoritätsladungsträgerstrom zu Majori­ tätsladungsträgerstrom beeinflußt. Die äußeren P-Zonen 5 wirken nur in den Bereichen als Teil eines Thyristors, in denen die äußeren Me­ tallisierungen 8 in direktem Kontakt mit den P-Zonen 5 stehen. Die Größe des über den Thyristor fließenden Stroms hängt dabei von der Kantenlänge ab, die die mit der Metallisierung 8 kontaktierten Be­ reiche der Dotierungszonen 5 auf der Seite aufweisen, die der inne­ ren Dotierungszone 3 zugewandt ist. Dies liegt daran, daß ein Strom­ fluß vorwiegend in lateraler Richtung erfolgt. Die Größe des Majori­ tätsladungsträgerstroms hängt hingegen von der Fläche zwischen den Metallisierungen 8 und der äußeren N-Dotierungen 7 ab. Dies liegt daran, daß ein Stromfluß vorwiegend in senkrechter Richtung hin zum Burried-Layer 11 erfolgt. Durch die kammförmige Ausgestaltung der äußeren N-Dotierungen 7 wird nun erreicht, daß der große Teil der Chip-Fläche für die äußeren NPN-Transistoren 20, und somit für den Majoritätsladungsträgerstrom, genutzt wird. Durch entsprechende Ein­ teilung der Kantenlänge auf der inneren Seite Kammstruktur, kann dann der zum Aufsteuern des inneren NPN-Transistors 22 benötigte Strom durch den Thyristor eingestellt werden. Da ein gewisser Min­ destüberlappungsbereich von Metallisierung 8 und P-Zone 5 gewährlei­ stet sein muß, um Toleranzen bei der Übereinanderlage der einzelnen Maskenebenen bei der Herstellung der Schaltkreise zu erlauben, muß jedoch eine gewisse Fläche für diese Kontaktierung zur Verfügung ge­ stellt werden. Es ist jedoch anzustreben, den größeren Teil der Flä­ che (mindestens einen Faktor 4 größer) für die äußeren NPN-Transi­ storen zu nutzen.

Durch die Anodenableitwiderstände 30 wird ein Zünden des Thyristors bei steilen Spannungsflanken zwischen Anode und Kathode und bei Ein­ dringen von Majoritäten in die N-Wanne 1 aus benachbarten N-Gebieten und bei Eindringen von Majoritäten in die N-Wanne 1 aus benachbarten N-Gebieten verhindert.

Der hier gezeigte Aufbau mit einem inneren Bereich und zwei äußeren Bereichen, die zu beiden Seiten des inneren Bereichs angeordnet sind, kann in entsprechender Weise auf andere geometrische Anordnun­ gen erweitert werden. Es ist beispielsweise vorstellbar, den inneren Bereich kreisförmig und den äußeren Bereich ebenfalls kreisförmig auszugestalten.

Die gezeigten Bauelemente ermöglichen es, eine Vielzahl derartiger Bauelemente nebeneinander anzuordnen und zu betreiben. Beim Betrieb eines dieser Bauelemente werden die benachbarten Bauelemente nicht gestört. Es ist somit möglich auch bei dicht nebeneinander angeord­ neten Bauelementen diese einzeln anzusteuern, wobei die Gefahr, daß durch parasitäre Effekte auch benachbarte Bauelemente angesteuert werden gering ist. Da die Bauelemente durch Thyristoren gestartet und in Betrieb gehalten werden, genügt zum Ansteuern ein kurzer Impuls. Die Bauelemente können somit besondern leistungsarm angesteuert wer­ den. Besonders vorteilhaft können derartige Bauelemente zum Abgleich integrierter Schaltungen durch das Durchbrennen von Brennstrecken eingesetzt werden, wobei dabei die Bauelemente durch andere inte­ grierte Elemente angesteuert werden.

Claims (8)

1. Integrierte Halbleitervorrichtung mit einem Thyristor, wobei in eine N-Wanne (1) auf einem P-Substrat (2) eine innere P-Dotierungs­ zone (3) mit einer vollständig darin eingebetteten inneren N-Dotie­ rungszone (4) und mindestens eine äußere P-Dotierungszone (5) in der N-Wanne (1) eingebracht sind, wobei eine innere Metallisierung, die mit der inneren N-Dotierung (4) in Kontakt steht, vorgesehen ist, und wobei die innere N-Dotierung (4), die innere P-Dotierung (3), die N-Wanne (1) und die äußere P-Dotierung (5) den Thyristor bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere N-Dotierung (7) mindestens teilweise in der äußeren P-Dotierung (5) eingebettet ist, daß eine äußere Metallisierung (8) vorgesehen ist, die mit der äußeren N-Do­ tierung (7) und der äußeren P-Dotierung (5) in Kontakt steht.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallkontakt (10) für die innere P-Dotierung (3) vorgesehen ist.

3. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Burried-Layer (11) vorgesehen ist.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere N-Dotierung (7) kammförmig ausgebildet ist, so daß ein Kontakt der äußeren Metallisierung (8) zu der äußeren P-Dotierung (5) nur auf der nach innen weisenden Sei­ te der P-Dotierung (5) erfolgt.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet daß eine weitere P-Dotierung (12) in die N-Wanne (1) eingebracht ist, die die innere P-Dotierung (3) und das P-Substrat (2) miteinander verbindet.

6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aussparung (13) in der äußeren P-Dotierung (5) unterhalb der äußeren N-Dotierung (7) vorgesehen ist, so daß in diesem Bereich die äußere N-Dotierung (7) in direktem Kontakt mit der N-Wanne (1) steht.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche zwischen der äußeren Metalli­ sierung (8) und der äußeren N-Dotierung (7) größer ist als die Flä­ che zwischen der äußeren Metallisiserung (8) und der äußeren P-Do­ tierung (5).

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche zwischen Metallisierung (8) und äußerer N-Dotierung (7) zumindestens einen Faktor 4 größer ist als die Fläche zwischen der äußeren Metallisierung (8) und der äußeren P-Dotierung (5).