DE69425295T2 - Schutzdiode für einen Transistor - Google Patents

Schutzdiode für einen Transistor

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diode, die in einen Chip eines Transistors eingebaut ist, zum Schützen des Transistors vor einer Überspannung und insbesondere eine Schutzdiode, die sich für einen Transistor mit isoliertem Gate, wie z. B. einen Feldeffekttransistor (nachstehend als "FET" bezeichnet) oder einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (nachstehend als "IGBT" bezeichnet), eignet.
  • Wenn eine Überspannung an einen Transistor von der Lastseite aus angelegt wird und zwischen den Hauptanschlüssen des Transistors ein Durchbruch auftritt, während er beispielsweise eine Last ansteuert, kann der Transistor durch einen übermäßigen Lawinenstrom, der während des Durchbruchzeitraums durch den Transistor fließt, beschädigt oder zerstört werden. Um dies zu vermeiden, wird häufig eine Diode, die vor dem Durchbruch des Transistors durchbricht, wenn eine Überspannung angelegt wird, mit dem Transistor verbunden. Ein herkömmliches Verfahren zum Schützen des Transistors vor einer solchen Überspannung wird nun mit Bezug auf Fig. 3 der zugehörigen Zeichnungen gemäß einem dynamischen Abfangschutzverfahren des Standes der Technik, das sich für einen Transistor mit isoliertem Gate eignet, beschrieben.
  • In Fig. 3(a) soll ein FET 10 vor einer Überspannung geschützt werden. Eine Schutzdiode 30 ist in umgekehrter Polarität zu einer Zusatzdiode 50 zwischen einen Drain- und einen Gateanschluß G geschaltet. Die Schutzdiode 30 bricht beispielsweise durch eine von der Lastseite aus angelegte Überspannung durch, wenn eine Seite des Sourceanschlusses S geerdet (an Erde gelegt) wird und eine Last an eine Drain-Source [einen Drainanschluß] D angeschlossen wird. Wenn der FET 10 gesperrt wird und die durch die Induktion oder dergleichen auf der Lastseite verursachte Überspannung die Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 (die geringer ist als der Durchbruchspannungswert des FET 10) erreicht, wird die Schutzdiode 30 leitend, so daß die Gatespannung des n-Kanal-FET 10 erhöht wird, welcher dann im Durchlaßzustand bleibt. Folglich wird die Überspannung bei der Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 abgefangen. Wenn die vorübergehende Überspannung abnimmt, kehrt die Schutzdiode 30 in einen Nicht-Durchbruch-Zustand zurück, um den FET 10 zu sperren. Die Zusatzdiode 50 wird verwendet, um zu verhindern, daß die Schutzdiode 30 durch eine positive Gatespannung, wenn der FET 10 durchgesteuert wird, leitend wird.
  • In Fig. 3(b) soll ein IGBT 20 geschützt werden. In diesem Fall ist die Schutzdiode 30 zwischen die Basis des IGBT 20 und den Gateanschluß G geschaltet, ohne die in Fig. 3(a) zu sehende Zusatzdiode 50 zu verwenden. Wenn beispielsweise eine Überspannung an einen mit einer Last verbundenen Kollektoranschluß C des IGBT 20 im Sperrzustand, dessen Emitteranschluß geerdet ist, angelegt wird, bricht die Schutzdiode 30 durch, um die an den IGBT 20 angelegte Spannung bei der Durchbruchspannung der Diode 30 abzufangen. Durch die zugehörige Erhöhung der Gatespannung des IGBT 20 wird der IGBT 20 dann in derselben Weise wie in Fig. 3(a) durchgesteuert. Wenn die Überspannung verschwindet, wird der IGBT 20 gesperrt.
  • In Fig. 3(b) ist es vorteilhafter, die Schutzdiode 30 in den Chip des zu schützenden Transistors einzubauen, als die Diode 30 extern zu installieren. Diese Erfindung betrifft die integrierte Schutzdiode. Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine herkömmliche integrierte Schutzdiode 30 darstellt. Der FET 10 in Fig. 4(a) und der IGBT 20 in Fig. 4(b) sind die jeweils zu schützenden Komponenten.
  • Der Chip des FET 10, der in Fig. 4(a) dargestellt ist, wird durch Züchten einer Epitaxialschicht vom n-Typ als Halbleiterbereich 2 auf einem Substrat 1 vom n-Typ hergestellt. Der FET 10 wird durch wiederholtes Anreichern der Struktureinheiten vertikal in den Halbleiterbereich 2 eingebaut, wie auf der rechten Seite der Figur gezeigt. Der FET 10 umfaßt ein Gate 11, das auf einer Gateoxidschicht 11a angeordnet ist, eine Basisschicht 12 vom p-Typ und eine Sourceschicht 13 vom n-Typ. Der Sourceanschluß S führt aus einer Elektrodenschicht 14 in elektrischem Kontakt mit der Basisschicht 12 und der Sourceschicht 13 heraus; der Drainanschluß D führt aus einer rückseitigen Elektrodenschicht 15 in elektrischem Kontakt mit dem Substrat 1 heraus; und der Gateanschluß G führt aus dem Gate 11 heraus. Die Schutzdiode 30 umfaßt eine Diodenschicht 32 vom p-Typ, die durch Diffusion von dem Oberflächenbereich des Halbleiterbereichs 2, der von einer Isolationsschicht 31 umgeben ist, ausgebildet wird; und ein Diodenanschluß A führt aus einer Elektrodenschicht 34, die auf den Diodenschichten 32 angeordnet ist, heraus. Die Zusatzdiode 50 ist zwischen den Diodenanschluß A und den Gateanschluß G des FET 10 geschaltet.
  • Der IGBT 20 von Fig. 4(b) unterscheidet sich vom FET 10 von Fig. 4(a) insofern, daß der Chip durch Diffundieren einer Pufferschicht 1a vom n-Typ auf dem Substrat 1 vom p-Typ und dann epitaxiales Züchten des Halbleiterbereichs 2 vom n-Typ auf der Pufferschicht 1a ausgebildet wird. Der IGBT 20 in Fig. 4(b) wird jedoch unterhalb der Oberfläche des Halbleiterbereichs 2 in derselben Weise wie der FET 10 in Fig. 4(a) ausgebildet, und die Schutzdioden 30 in beiden Fig. 4(a) und 4(b) weisen dieselbe Struktur auf. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, ist die Schutzdiode 30 in den Halbleiterbereich 2 integriert, in welchen sich eine Verarmungsschicht ausbreitet, während der FET 10 oder der IGBT 20 gesperrt ist. Die Zusatzdiode 50 in Fig. 4(a) wird in einem Bereich auf dem Substrat, der in der Figur nicht dargestellt ist, unter Verwendung von polykristallinem Silizium für das Gate 11 ausgebildet.
  • Patent Abstracts von Japan, Band 17, Nr. 178 & JP 4332172 A offenbaren eine Schaltung zum Schützen von Elementen.
  • Ein Transistor kann durch Einbauen der Schutzdiode 30 in einen gemeinsamen Chip mit dem FET 10 oder dem IGBT 20 vor einer Überspannung geschützt werden, ohne irgendwelche externen Anschlüsse zu verwenden. Diese Konfiguration erfordert jedoch gewöhnlich, daß die Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 genau um 50 bis 100 V niedriger als der Stehspannungswert des zu schützenden Transistors eingestellt wird. Außerdem dauert es eine beträchtliche Zeit, um die Diodenschicht 32 einzudiffundieren, und die Diffusionstiefe läßt sich nicht leicht steuern.
  • Obwohl die Diodenschicht 32 durch Diffusion von der Oberfläche des Halbleiterbereichs 2 eingebaut wird, wird eine Epitaxialschicht, wie z. B. der Halbleiterbereich 2, mit einer ausreichenden Dicke und einem ausreichenden spezifischen Widerstand gezüchtet, um die Ausbreitung der Verarmungsschicht, während der FET 10 oder der IGBT 20 gesperrt ist, zu erleichtern. Daher kann die Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 nicht auf einen gewünschten Wert verringert werden, wenn die Diodenschicht 32 nicht tief eindiffundiert ist. Es dauert nicht weniger als 20 bis 30 Stunden, um eine ausreichend tiefe Diodenschicht 32 einzudiffundieren, selbst bei Temperaturen, die nicht niedriger als 1100ºC sind, was wirtschaftliche und praktische Nachteile verursacht. Die Genauigkeit der Diffusionstiefe wird durch den langen Heizzeitraum verschlechtert. Außerdem unterliegt die Diodenschicht 32 durch die hohe Temperatur, die bei der Diffusion der Basisschicht 12 des FET 10 oder des IGBT 20 verwendet wird, einer Verformung, was eine unerwünschte Verteilung der Durchbruchspannung verursacht. Im Hinblick auf diese Probleme, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Schutzdiode bereitzustellen, die sich leicht in einen Chip eines zu schützenden Transistors einbauen läßt und eine genaue Durchbruchspannung zeigt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Chip mit einem Transistor und einer Schutzdiode zum Schützen des Transistors vor einer Überspannung, wie in Anspruch 1 definiert, gelöst.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun im einzelnen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Schutzdiode für einen Transistor darstellt, welcher nicht von der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Schutzdiode für einen Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • Fig. 3(a) und 3(b) zeigen Schaltpläne, die die Verbindung einer Schutzdiode mit einem zu schützenden Transistor darstellen, wobei Fig. 3(a) eine Schaltung für den Schutz eines FET zeigt und Fig. 3(b) eine Schaltung für den Schutz eines IGBT zeigt; und
  • Fig. 4(a) und 4(b) sind Querschnittsansichten der herkömmlichen Schutzdiode, die in einen Chip eines zu schützenden Transistors eingebaut ist, wobei Fig. 4(a) ein Beispiel für den FET-Schutz zeigt und Fig. 4(b) ein Beispiel für den IGBT-Schutz zeigt.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Teile, die den in Fig. 3 und 4 gezeigten Teilen entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern oder -zeichen bezeichnet, und auf die Beschreibung solcher Teile wird der Einfachheit halber verzichtet. In den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der FET 10, der der Ersatzschaltung in Fig. 3(a) entspricht, als Beispiel einer zu schützenden Komponente verwendet, obwohl die erfindungsgemäße Schutzdiode zum Schützen von verschiedenen Transistoren, einschließlich des IGBT 20 in Fig. 3(b), verwendet werden kann.
  • In Fig. 1 ist der zu schützende Transistor ein FET mit derselben Struktur wie jener, die in Fig. 4 zu sehen ist. Der Halbleiterbereich 2, eine Epitaxialschicht vom n-Typ, in dem Chip, in den der Transistor 10 eingebaut ist, wird mit einer Dicke von 30 bis 50 um und mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 10¹³ Atomen/cm³ ausgebildet, um die gewünschte Stehspannung zu erhalten. Der FET 10 kann beispielsweise eine Stehspannung von 800 V und eine Stromkapazität von einigen bis ungefähr zehn Ampere aufweisen. In diesem vertikalen FET 10 breitet sich eine Verarmungsschicht von der Basisschicht 12 in den Halbleiterbereich 2 aus, während der FET 10 gesperrt ist, wie gut bekannt ist. Die an den Drainanschluß D in Fig. 3(a) angelegte Überspannung überschreitet die Stehspannung erheblich und erreicht beispielsweise über 900 V. Um den FET 10 vor einer solchen Überspannung zu schützen, wird die Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 gewöhnlich auf 700 bis 750 V eingestellt, einen Wert, der um 50 bis 100 V geringer ist als die entsprechende Stehspannung des FET 10.
  • Die Schutzdiode 30 in der Ausführungsform in Fig. 1 wird ausgebildet durch Bereitstellung einer Isolationsschicht 31 auf der Oberfläche des Halbleiterbereichs 2 vom n-Typ; Ausbilden einer Vielzahl von Kontaktfenstern durch die Schicht 31 hindurch durch ein bekanntes Mittel wie z. B. den Photoprozeß; Ausbilden einer Vielzahl von Diodenschichten 32 durch Ionenimplantation von Störstellen von p-Typ durch die Kontaktfenster hindurch und thermische Diffusion der implantierten Störstellen; und Anordnen einer Aluminiumelektrodenschicht 34, die sich gemeinsam mit den Diodenschichten 32 in elektrischem Kontakt befindet, als Diodenanschluß A. In Übereinstimmung mit Fig. 3(b) [3(a)] ist dieser Diodenanschluß A über die Zusatzdiode 50 mit dem Gateanschluß G verbunden. Die Diodenschichten 32 mit der Oberflächen-Störstellenkonzentration von 10¹&sup9; Atomen/cm³ werden beispielsweise in eine Tiefe von 2 bis 3 um eindiffundiert. Es ist wegen der Zweckmäßigkeit des Prozesses vorteilhaft, die Diodenschichten 32 und die Basisschicht 12 durch gleichzeitige Diffusion auszubilden. Es ist bevorzugt, drei bis mehrere Diodenschichten 32 zu verwenden, wie in Fig. 1 gezeigt. Es ist auch bevorzugt, die Zusatzdiode 50 in einen anderen Bereich als den in Fig. 1 gezeigten Querschnitt unter Verwendung von polykristallinem Silizium, aus dem das Gate 11 des FET 10 besteht, einzubauen.
  • Wie vorstehend beschrieben, breitet sich von jeder der Diodenschichten 32 eine Verarmungsschicht in den Halbleiterbereich 2 aus, während der FET 10 gesperrt ist. Der Lawinendurchbruch beginnt von dem Teil, wo das elektrische Feld am stärksten konzentriert ist, welcher der Ecke in der Unterseite der Diodenschicht 32 entspricht, wenn eine Überspannung an den Drainanschluß D angelegt wird. Die herkömmliche Einzeldiodenschicht 32 von Fig. 4(a) erfordert eine Diffusionstiefe von 15 bis 20 um. Die Schutzdiode 30 in der ersten Ausführungsform verringert jedoch ausreichend die Durchbruchspannung in der Diodenschicht 32 bei einer Diffusionstiefe von der Hälfte bis einem Zehntel der herkömmlichen Tiefe. Um eine solche Wirkung zu verstärken, ist es bevorzugt, die Ausbreitung der Verarmungsschichten von benachbarten Diodenschichten 32 zu minimieren und die Konzentration des elektrischen Feldes in dem gekrümmten Teil der Grenze der Diodenschichten 32 zu unterdrücken. Daher sollte der Abstand unter der Vielzahl von Diodenschichten 32 für den FET 10 mit hoher Stehspannung vorzugsweise auf mehr als 10 um eingestellt werden.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine bevorzugte Modifikation der Ausführungsform von Fig. 1 darstellt. In Fig. 2 ist eine gegendotierte Schicht 33 vom n-Typ mit einer höheren Störstellenkonzentration als der Halbleiterbereich 2 durch Diffusion zwischen den Diodenschichten 32 unterhalb der Oberfläche des Halbleiterbereichs 2 ausgebildet. Die bevorzugte Störstellenkonzentration in der gegendotierten Schicht 33 ist eine Größenordnung höher als jene im Halbleiterbereich 2, beispielsweise 10¹&sup4; Atome/cm³. Die Diffusionstiefe der gegendotierten Schicht 33 sollte vorzugsweise sehr flach sein, das heißt ungefähr 1 bis 2 um. Wenn der FET 10 gesperrt ist, breiten sich in der Ausführungsform in Fig. 1 Verarmungsschichten auch entlang der Oberfläche des Halbleiterbereichs 2 unterhalb der Isolationsschicht 31 unter den Diodenschichten 32 aus, während in Fig. 2 die gegendotierten Schichten 33 die Querausdehnung der Verarmungsschichten unterbinden. Somit verhindern die gegendotierten Schichten 33, daß sich die Verarmungsschichten, die sich von benachbarten Diodenschichten erstrecken, miteinander verbinden und die Durchbruchspannung der Schutzdiode 30 weiter verringern. Die Bereitstellung von gegendotierten Schichten 33 ermöglicht die Verringerung des Abstands zwischen den Diodenschichten 32, wenn die Durchbruchspannung nicht verringert werden muß.
  • In der beschriebenen Ausführungsform werden eine Vielzahl von Diodenschichten mit einem Leitungstyp entgegengesetzt zu jenem des Halbleiterbereichs durch den Diffusionsprozeß von der Oberfläche des Halbleiterbereichs, in den sich Verarmungsschichten ausbreiten, wenn der zu schützende Transistor gesperrt ist, ausgebildet, so daß sich die Vielzahl von Verarmungsschichten nicht leicht miteinander verbinden können. Somit wird nicht nur die Störstellendiffusionstiefe auf eine Größenordnung flacher als im Stand der Technik verringert, was es folglich möglich macht, leicht und wirtschaftlich eine Schutzdiode mit der gewünschten Durchbruchspannung, die geringer ist als die Stehspannung des zu schützenden Transistors, herzustellen, sondern auch die Durchbruchspannung kann genauer gesteuert werden als im Stand der Technik, um den zu schützenden Transistor sicher und zuverlässig vor einer Überspannung zu schützen. Außerdem kann die Chipfläche, die zum Einbau eines Schutztransistors [einer Schutzdiode] erforderlich ist, durch eine flache Diffusion verringert werden, was auch eine Querdiffusion der Dotierungssubstanzen verhindert.

Claims (1)

1. Chip mit einem Transistor und einer Schutzdiode (30) zum Schützen des Transistors (10) vor einer Überspannung, wobei die Schutzdiode folgendes umfaßt:
eine Anzahl von beabstandeten Diodenschichten (32), die in einer Oberfläche eines Halbleiterbereichs (2) ausgebildet sind, in den Verarmungsschichten ausgebreitet werden, wenn der Transistor gesperrt ist, wobei die Diodenschichten einen zum Halbleiterbereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen und eine Tiefe zwischen 2 und 3 Mikrometern besitzen;
eine gemeinsame Isolationsschicht (31), die Oberflächen der Diodenschichten bedeckt;
eine Elektrodenschicht (34) in elektrischem Kontakt mit den Diodenschichten (32) durch Kontaktfenster hindurch, die durch die Isolationsschicht (31) hindurch ausgebildet sind; und
einen Diodenanschluß (A), der aus der Elektrodenschicht (34) herausführt und mit dem Transistor (10) verbunden ist und eine Vielzahl von gegendotierten Schichten (33) umfaßt, die in der Oberfläche des Halbleiterbereichs (2) zwischen den Diodenschichten (32) ausgebildet sind, wobei die gegendotierten Schichten (33) denselben Leitfähigkeitstyp wie, aber eine höhere Konzentration als Störstellen im Halbleiterbereich (2) aufweisen und eine Tiefe von 1 bis 2 Mikrometern besitzen.
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