DE69426185T2

DE69426185T2 - Halbleiterbauelement geschützt durch Dioden

Info

Publication number: DE69426185T2
Application number: DE69426185T
Authority: DE
Inventors: David J. Halchin; Charles E. Weitzel
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2014-07-29
Also published as: DE69426185D1; EP0645817B1; EP0645817A1; US5399893A; JPH0786522A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Halbleiterbauelemente und im Besonderen auf durch Dioden geschützte Halbleiterbauelemente.
Hochfrequenzverstärker (HF), die zum Beispiel in der Telekommunikation eingesetzt werden, sind manchmal schwerwiegenden Fehlanpassungen der Impedanz an ihrem Ausgang unterworfen. Bei Hochfrequenz bewirkt die Fehlanpassung der Impedanzr dass erhebliche Leistung zurück in den Ausgang des HF-Verstärkers reflektiert wird. Folglich müssen die Schaltkreise, aus denen der HF-Verstärker besteht, widerstandsfähig sein, um einem Ausfall im Falle erheblicher zurück in den Ausgang reflektierter Leistung vorzubeugen.
Typischerweise enthält ein HF-Verstärker einen HF-Transistor, der den Ausgang ansteuert. In Übereinstimmung mit den Industriestandards muss der HF-Transistor so ausgelegt sein, dass er einer Fehlanpassung der Impedanz von 20 : 1 an seinem Ausgang standhalten kann. Eine Fehlanpassung der Impedanz von 20 : 1 kann dazu führen, dass der Ausgang des Transistors bis hin zum Vierfachen der Versorgungsspannung zwischen der Source- und der Drain-Elektrode belastet wird.
Konventionell wird eine höhere Durchbruchsspannung in einem HF-Transistor durch Erniedrigung der Kanaldotierung des Bauelements erreicht. Unglücklicherweise erhöht eine niedrigere Kanaldotierung den Widerstand des Transistors im durchgeschalteten Zustand. Ein höherer Widerstand im durchgeschalteten Zustand beeinflusst wichtige Parameter wie Verstärkungsfaktor, Effizienz und Ausgangsleistung etc. negativ.
FR-A-2 140 436 beschreibt eine Anordnung mit nur einer einzigen Diode, um die Durchbruchsspannung in einem Transistor zu erhöhen, und JP-A-59 044 872 beschreibt ein Schutzanordnung mit zwei Dioden, um die Durchbruchsspannung in einem Transistor zu erhöhen.
Folglich wird eine Anordnung zum Schutz gegen Fehlanpassung der Impedanz am Ausgang benötigt, die keine Erniedrigung der Kanaldotierung erforderlich macht. Es wäre wünschenswert, wenn der Schutz einfach in existierende Entwürfe von EF-Transistoren integriert werden könnte.
In Übereinstimmung mir der vorliegenden Erfindung wird ein durch Dioden geschütztes Halbleiterbauelement bereitgestellt, wie im Patentanspruch 1 herausgestellt.
Dazu enthält die vorliegende Erfindung ganz allgemein einen Transistor mit einem Steueranschluss, einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Zusätzlich enthält die Erfindung eine erste Diode mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Der erste Anschluss der ersten Diode ist elektrisch mit dem ersten Anschluss des Transistors verbunden. Die Erfindung enthält weiterhin eine zweite Diode mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Der erste Anschluss der zweiten Diode weist die gleiche Polarität wie der erste Anschluss der ersten Diode auf, und der zweite Anschluss der zweiten Diode weist die gleiche Polarität wie der zweite Anschluss der ersten Diode auf. Der zweite Anschluss der zweiten Diode ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss der ersten Diode verbunden. Zusätzlich ist der erste Anschluss der zweiten Diode elektrisch mit dem zweiten Anschluss des Transistors verbunden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 ist ein vereinfachter Schaltplan, der eine Schaltung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, eingebunden in eine typisches Umfeld;
Abb. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Schaltung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, implementiert als ein elektronisches Festkörper-Bauelement;
Abb. 3 zeigt den Querschnitt durch einen Teil des Diodenpaars, das sich im Bauelement nach Abb. 2 befindet; und
Abb. 4 zeigt ein Diagramm, welches das Dotierungsprofil der in Abb. 3 gezeigten Struktur veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Zeichnungen

Abb. 1 ist ein vereinfachter Schaltplan, der eine Schaltung in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, eingebunden in eine typisches Umfeld. Genauer gesagt stellt die Abb. 1 einen HF- Verstärker dar, der über ein Anpassungsnetzwerk an eine Last angeschlossen ist. Der HF-Verstärker enthält die durch Dioden geschützte Schaltung 10. Der Ausgang der durch Dioden geschützten Schaltung 10 ist mit dem Eingang des Netzwerkes zur Impedanzanpassung 11 verbunden. Der Ausgang des Netzwerkes zur Impedanzanpassung 11 ist kapazitiv mit der Last 12 verbunden. Diese Schaltung stellt zum Beispiel die Sendeseite eines Telekommunikationsapparates dar. Das zu übertragende Signal wird von der Schaltung 10 verstärkt. Das verstärkte Signal wird durch das Anpassungsnetzwerk 11 geführt, um Reflexionen von der Last 12 zu vermindern. Das Anpassungsnetzwerk 11 weist beispielhaft die Induktivitäten 7 und 8 auf und die Kapazität 9. Der Koppelkondensator 13 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Gleichspannungen zur Last 12 gelangen können.
In Übereinstimmung mit den Industriestandards ist der HF-Verstärker typischerweise so ausgelegt, dass er zu einer 50-Ohm- Last kompatibel ist. Mit Verweis auf Abb. I sind die Schaltung 10 und das Anpassungsnetzwerk 11 durch wohlbekannte Verfahren so ausgelegt, dass sie zu der Last 12 kompatibel sind, bei der es sich um eine 50-Ohm-Last handelt. Gleichwohl ist es während des Betriebs möglich, dass die Last unvorhergesehen abgeklemmt, kurzgeschlossen oder durch andere Weise so verändert wird, dass sie nicht länger als 50-Ohm-Last erscheint. Folglich fordern die Industriestandards, dass der HF-Verstärker in der Lage ist, einer Fehlanpassung der Last im Verhältnis bis zu 20 : 1 standzuhalten. Es ist leicht einsehbar, dass eine derartige Fehlanpassung unerwünschte Leistung zurück in den Verstärker reflektiert, und so den Ausgangstransistor des Verstärkers mit bis zum Vierfachen der Versorgungsspannung belastet.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine durch Dioden geschützte Schaltung bereitgestellt, um den Ausgangstransistor unter solchen Umständen zu schützen. Genauer gesagt weist die durch Dioden geschützte Schaltung 10 in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform einen Feldeffekttransistor (FET) 14 auf. FET 14 enthält Steueranschluss 15, ersten Anschluss 18 und zweiten Anschluss 19. Der erste Anschluss 18 ist mit einer Versorgungsspannung verbunden und der zweite Anschluss 19 ist mit Masse verbunden. Steueranschluss 15 ist die Gate-Elektrode des FET. Wie leicht einzusehen ist, wird das zu übertragende HF-Signal an den Steueranschluss 15 angeschlossen.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Schaltung 10 ebenfalls das Diodenpaar 17 auf. Diodenpaar 17 enthält erste Diode 20 und zweite Diode 21. Erste Diode 20 besitzt einen ersten Anschluss 22 und einen zweiten Anschluss 25. Erster Anschluss 22 ist die Kathode der Diode. Entsprechend ist der zweite Anschluss 25 die Anode der Diode. Ähnlich dazu hat Diode 21 einen ersten Anschluss 26 und einen zweiten Anschluss 27. Zweiter Anschluss 25 der Diode 20 und zweiter Anschluss 27 der Diode 21 sind miteinander verbunden. Zusätzlich ist erster Anschluss 22 der Diode 20 mit erstem Anschluss 18 des FET 14 verbunden. Weiterhin ist erster Anschluss 26 der Diode 21 mit zweitem Anschluss 19 des FET 14 verbunden.
Wie beschrieben stellt das Diodenpaar Schutz gegen erhebliche reflektierte Leistung am Ausgang des Verstärkers bereit, der Schaltung 10 enthält. Genauer gesagt, wenn die Spannung an Anschluss 18 auf einen vorherbestimmten Pegel ansteigt, bricht das Diodenpaar 17 durch und erlaubt ein Abfließen von Strom durch das Diodenpaar 17 zum Masseanschluss 19. Durch Verwendung der beschriebenen Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung muss der Kanal des FET 14 nicht unangemessen niedrig dotiert sein, was unerwünscht den Widerstand des Bauelements im Zustand Ein erhöhen würde und die Leistungsfähigkeit des Bauelements schwerwiegend negativ beeinträchtigen würde.
Abb. 2 veranschaulicht das durch Dioden geschützte Bauelement in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, implementiert als ein monolithisches Halbleiterbauelement. Es ist leicht einsehbar, dass das in Abb. 2 gezeigte Bauelement auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats mittels wohlbekannter fotolithografischer und Implantationsverfahren gebildet wird. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleitersubstrat um eine III-V -Struktur, von der bekannt ist, dass sie für analoge Hochfrequenzschaltungen gut geeignet ist. · Bei der in Abb. 2 gezeigten Struktur handelt es sich um eine relativ herkömmlichen Hochfrequenz-Feldeffekttransistor mit Mehrfach-Gate mit den Modifikationen zur Bereitstellung eines Diodenpaars im Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Teile des in Abb. 2 gezeigten elektronischen Festkörper- Bauelements entsprechen Teilen der in Abb. 1 gezeigten Schaltung 10. Zum Beispiel zeigt die Abb. 2 den Steueranschluss (Gate) 15, ersten Anschluss (Drain) 18 und zweiten Anschluss (Source) 19. Bei dem FET-Bauelement nach Abb. 2 handelt es sich um einen so genannten "MEtal on Semiconductor Field Effekt Transistor" (MESFET). Der MESFET weist eine Anzahl von Transistor-Abschnitten auf, die durch den Transistor-Abschnitt 28 dargestellt werden, der vom Rahmen aus gepunkteten Linien umgeben ist. Transistor-Abschnitt 28 weist den verlängerten Gate-Finger 29 auf. Der Gate-Finger 29 überlagert die Kanal-Region 33. Die Kanal-Region 33 ist vom Typ N und bei Gate-Finger 29 handelt es sich um eine verlängerte Elektrode, die unmittelbar über der Kanal-Region 33 in Übereinstimmung mit wohlbekannten Fertigungsverfahren gehildet wird. Gate-Finger 29 hat eine vorherbestimmte Länge und eine Verbreiterung 34.
Weiterhin weist Transistor-Abschnitt 28 eine verlängerte, mit N+ dotierte Region 35 auf, welche die Source-Strecke des FET bildet. Ähnlich dazu enthält Transistor-Abschnitt 28 eine verlängerte, mit N+ dotierte Region 36, welche die Drain- Strecke des FET bildet. Es ist verständlich, dass die N+ - Regionen 35 und 36 ohmsche Regionen bereitstellen, die für ohmsche Kontakte zu den Source- und Drain-Regionen der MESFET-Struktur notwendig sind.
Die dotierten Regionen 35 und 36 sind einander gegenüberliegend gebildet, parallel zum verlängerten Gate-Finger 29. Alle der verlängerten N+ -Regionen, die Source-Strecken der jeweiligen Transistor-Abschnitte bilden, sind elektrisch mit der Metallschicht 30 der Source-Elektrode 19 verbunden. Ähnlich dazu sind alle verlängerten N+ -Regionen, die Drain-Strecken der jeweiligen Transistor-Abschnitte bilden, elektrisch mit der Metallschicht 31 der Drain-Elektrode 18 verbunden.
Das in Abb. 2 gezeigte Bauelement weist weiterhin ein Diodenpaar auf, dass dem in Abb. 1 gezeigten Diodenpaar 17 entspricht. Das Diodenpaar ist aufgebaut aus Diodenpaar- Abschnitten, dargestellt durch den Diodenpaar-Abschnitt 37, der vom Rahmen aus gepunkteten Linien umgeben ist. Wie aus Abb. 2 deutlich hervorgeht, gibt es jeweils einen Diodenpaar-Abschnitt für jeden der entsprechenden Transistor- Abschnitte. Diodenpaar-Abschnitt 37 enthält erste dotierte Region 40, zweite dotierte Region 41 und dritte dotierte Region 42. Erste dotierte Region 40 ist eine Erweiterung der verlängerten N+ -Drain-Region des entsprechenden Transistor- Abschnitts. Ähnlich dazu ist zweite dotierte Region 41 eine Erweiterung der verlängerten N+ -Source-Region des entsprechenden Transistor-Abschnitts. Diese Anordnung erlaubt eine besonders einfache Integration der Diodenpaar-Abschnitte in typische FET-Designs, die gewöhnlich eine Vielzahl verlängerter Transistor-Abschnitte wie Abschnitt 28 aufweisen.
N+ -Region 40 bildet einen Teil der Kathode der Diode 20 in Abb. 1, verbunden mit der Drain-Elektrode 18 des FET. Ähnlich dazu bildet N+ -Region 41 einen Teil der Kathode der Diode 21 in Abb. 1, verbunden mit der Source-Elektrode 19 des FET. P- -Region 42 bildet die Anode jeder der Dioden, die natürlich miteinander verbunden sind. Folglich bilden die Regionen 40, 42 und 41 und die dazu analogen Bestandteile der anderen Diodenpaar-Abschnitte zusammengenommen ein Diodenpaar wie das, was im Schaltplan in Abb. 1 als Diodenpaar 17 gezeigt wird. Diodenpaar 17 ist elektrisch mit dem Transistor 14 verbunden, wie in Abb. 1 gezeigt ist.
Genauer gesagt verbindet die metallisierte Schicht 31 des Anschlusses 18 des FET jede der Drain-Strecken aller Transistor-Abschnitte elektrisch miteinander und ebenfalls auch alle ersten Kathoden-Regionen (z. B. Region 40) aller Diodenpaar- Abschnitte. Ähnlich dazu verbindet die metallisierte Schicht 30 des Anschlusses 19 des FET jede der Source-Regionen aller Transistor-Abschnitte elektrisch miteinander und ebenfalls auch alle zweiten Kathoden-Regionen (z. B. Region 41) aller Diodenpaar-Abschnitte.
Wie durch Abb. 2 veranschaulicht wird, erstrecken sich die jeweiligen verlängerten N+ -Drain- und Source-Regionen der Transistor-Abschnitte (z. B. Regionen 36 und 35) über die Verbreiterung des verlängerten Gate-Fingers (z. B. Verbreiterung 34 des Gate-Fingers 29) hinaus.
Demzufolge bildet die Region 40 nicht nur eine Kathode des Diodenpaars, sondern gleichzeitig auch die Drain-Strecke des Transistor-Abschnitts 38. Ähnlich dazu bildet Region 41 nicht nur eine Kathode des Diodenpaars, sondern gleichzeitig auch die Source-Strecke des Transistor-Abschnitts 38. In der bevorzugten Ausführungsform weist die P- -Region, welche die N+ -Regionen 41 und 42 verbindet, um das Diodenpaar zu bilden, eine Weite parallel zur Richtung der verlängerten N+ - Regionen auf. Diese Weite liegt vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 40-70% der Länge des verlängerten Gate-Fingers 39. Weiterhin hat die P- -Region 42 einen Abstand von der Verbreiterung 43 des Gate-Fingers 39, der 20-30% der Länge des Gate-Fingers 39 beträgt. Gleichwohl ist dieser Abstand meistens abhängig von fotolithografischen Beschränkungen und von wohlbekannten Überlegungen bezüglich Kurzschluss und Durchbruch.
Speziell in der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge des Gate-Fingers 39 wie auch die aller anderen Gate-Finger 55 Mikrometer. Die Weite der P- -Region 42 beträgt 35 Mikrometer. Der Abstand zwischen P- -Region 42 und der Verbreiterung 43 des Gate-Fingers 39 beträgt 15 Mikrometer.
Abb. 3 zeigt einen Querschnitt des in Abb. 2 gezeigten Diodenpaar-Abschnitts 37. Bei Metallschicht 31 handelt es sich um die in Abb. 2 gezeigte Metallschicht des Source-Anschlusses 19. Ähnlich dazu handelt es sich bei Metallschicht 30 um die in Abb. 2 gezeigte Metallschicht des Drain-Anschlusses 18. Der Diodenpaar-Abschnitt 37 wird im Halbleitersubstrat 48 gebildet. Wie voranstehend erörtert weist der Diodenpaar-Abschnitt 37 ein erstes Ende auf, das Region 40 aufweist, bei dem es sich um eine N+ -Region handelt, der eine Kathode des Diodenpaars bildet. Zusätzlich weist der Diodenpaar-Abschnitt 37 P- -Region 42 auf, welche die Anoden beider Dioden des Diodenpaars bildet. P- -Region 42 verbindet die N+ -Region 40 mit N+ -Region 41, die am zweiten Ende des Diodenpaar-Abschnitts 37 angeordnet ist.
In der bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Metallschichten 30 und 31 jeweils nach innen bis annähernd ein Mikrometer von der inneren Kante (zur Region 42 gerichtet) der N+ -Regionen 41 bzw. 40. Der Abstand von ein Mikrometer verhindert, dass Metall von den Metallschichten die elektronische Aktivität am Übergang zwischen den N+ -und P- - Regionen stört. Wenn sich die Metallschichten zu nahe am jeweiligen N-P-Übergang befinden, werden die elektrischen Kenndaten des Diodenpaars nur schwieriger zu steuern sein. Zusätzlich haben in der bevorzugten Ausführungsform die N+ - Regionen 40 und 41 die selbe Tiefe im Halbleitersubstrat 48 wie die P- -Region 42. Obwohl noch ein Diodenpaar gebildet werden würde, wenn beispielsweise die P- -Region sich weiter in die Struktur 48 ausdehnen würde, würde dadurch eine unerwünschte Kapazität erzeugt werden. Folglich haben in der bevorzugten Ausführungsform die Regionen 40, 41 und 42 alle die selbe Dicke.
Abb. 4 zeigt ein Diagramm, welches das spezielle Dotierungsprofil des bevorzugten Diodenpaars in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Kurvenzug 50 stellt das Dotierungsprofil aller verlängerten N+ -Abschnitte dar, die sowohl die Source- und Drain-Regionen des FET als auch die Kathoden des Diodenpaars bilden. Speziell in der bevorzugten Ausführungsform wird Silizium als N+ -Dotierungsstoff bevorzugt, implantiert bei 100 keV mit einer Dichte von 3e13 cm². Kurvenzug 51 stellt das Dotierungsprofil aller P- - Regionen der Diodenpaar-Abschnitte dar. Speziell wird Beryllium als ein P- -Dotierungsstoff bevorzugt, bei einer Implantierungsenergie von 30 keV und mit einer Dichte von 9e12 cm² Das Diagramm der Abb. 4 spiegelt wieder, dass die N+ - und P- -Regionen bis hinab zur selben Tiefe dotiert werden, wie zuvor beschrieben. Es ist leicht einzusehen, dass Abwandlungen der Dotierungsstoffe, der Dotierungsparameter etc. verwendet werden können, abhängig von der speziellen Anwendung des Bauelements.
Jetzt sollte erkannt worden sein, dass ein durch Dioden geschütztes Halbleiterbauelement bereitgestellt wurde, das gegen schwerwiegende Fehlanpassungen der Impedanz am Ausgang geschützt ist. Weiterhin beeinträchtigt der Schutz im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren nicht die Leistungsfähigkeit des Halbleiterbauelements. Zusätzlich wird ein durch Dioden geschütztes Halbleiterbauelement bereitgestellt, das einfach in herkömmliche Transistorstrukturen integriert werden kann.

Claims

1. Ein durch Dioden geschütztes Halbleiterbauelement mit:

Einem Feldeffekttransistor mit einer Vielzahl an Transistor- Abschnitten (28), jeder Transistor-Abschnitt (28) einen verlängerten Gate-Finger (29), einen verlängerte Drain-Region (36) und eine verlängerte Source-Region (35) aufweist, und die verlängerte Drain-Region (36) und die verlängerte Source- Region (35) zu gegenüberliegenden Seiten und parallel zum verlängerten Gate-Finger (29) ausgerichtet sind, und eine Kanal-Region (33), die zwischen der verlängerten Source- Region (35) und der verlängerten Drain-Region (36) angeordnet ist und unter dem verlängerten Gate-Finger (29) angeordnet ist, wobei die verlängerte Drain-Region (36) und die verlängerte Source-Region den gleichen Typ von Leitfähigkeit aufweisen, und wobei ein Abschnitt (41) der verlängerten Drain- Region (36) und ein Abschnitt (40) der verlängerten Source- Region (35) sich über den verlängerten Gate-Finger (29) hinaus erstrecken; und

eine Diodenstruktur mit einer Vielzahl von Diodenpaar- Abschnitte (37), jeder Diodenpaar-Abschnitt (37) einer der Transistor-Abschnitte (28) entspricht, jeder Diodenpaar- Abschnitt (37) Rücken-an-Rücken -Dioden aufweist, jede der Rücken-an-Rücken -Dioden den Abschnitt (40) der verlängerten Source-Region (35) aufweist, der Abschnitt (41) der verlängerten Drain-Region (36) und eine dotierte Region (42), von Kanal-Region (33) getrennt, die dotierte Region (42) an die Abschnitte (40, 41) der verlängerten Source- (35) und Drain- Regionen (36) angrenzt und eine von diesen verschiedene Art von Leitfähigkeit aufweist, derart, dass der verlängerte Gate-Finger (29) die dotierte Region (42) nicht überlagert, die dotierte Region (42) und der Abschnitt (40) der verlängerten Source-Region (35) eine erste Diode der Rücken-an-Rücken -Dioden bilden, und die dotierte Region (42) und der Abschnitt (41) der verlängerten Drain-Region (36) eine zweite Diode der Rücken-an-Rücken -Dioden bildet.

2. Das Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Breite der dotierten Region in Richtung parallel zu den verlängerten Source- und Drain-Regionen innerhalb des Bereichs von 40-70% der Länge des Gate-Fingers liegt.

3. Das Bauelement nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei der Gate-Finger (29) eine Gate-Finger-Verbreiterung (34) hat und wobei die dotierte Region einen Abstand von der Gate-Finger- Verbreiterung (34) hat, der im Wesentlichen im Bereich von 20-30% der Länge des Gate-Fingers liegt.

4. Das Bauelement nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die erste (40) und die zweite (41) dotierte Region eine Leitfähigkeit vom Typ n hat und die dotierte Region (42) eine Leitfähigkeit vom Typ p hat.

5. Das Bauelement nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, wobei es sich bei dem Feldeffekttransistor um einen so genannten "Metal on Semiconductor Field Effect Transistor (MESFET)" handelt.

6. Das Bauelement nach jedem det voranstehenden Ansprüche, wobei die Kanal-Region (33) einen von der dotierten Region (42) verschiedenen Typ von Leitfähigkeit hat.