DK157468B - Diode til monolitisk integreret kreds - Google Patents

Description

i

DK 157468 B

o

Den foreliggende opfindelse angår en halvleder-diode, der er særlig egnet til anvendelse i monolitiske elektroniske kredsløb, der drives med spændinger over de normale transistorers eraitter-basisgennembrudsspændin-5 ger, dvs. ca. 7 V.

I den kendte teknik anvendes en af transistorens p-n overgange, når der ønskes et diodeelement i monolitiske integrerede kredse. Ved fremstilling af kredse indeholdende en n-p-n-transistor er udgangspunktet et P-do-10 teret substrat. I substratet inddiffunderes et kraftigt N-doteret område, det såkaldte "begravede lag", som har til formål at formindske kollektorens modstand. Et N-do-teret kollektorlag pålægges herefter ved en epitaksial proces. Et ringformet stærkt P-doteret område er diffun-15 deret helt ned til substratet. Ved at lægge substratet og dermed også det ringformede P-område på kredsens laveste potentiale, vil transistoren ligge i et område, der er isoleret fra den øvrige del af kredsen. Efter isolationsdiffusionen følger en diffusion af P-urenheder, således at OCi basis dannes, hvorefter emitterområdet og kollektorkontakt-området samtidigt inddiffunderes. Metalliserede kontakter anbringes til slut på basis, emitter og kollektor.

Såvel basis-emitterovergangen som basis-kollek-torovergangen kan anvendes til at frembringe en diode.

25 Den førstnævnte har dog en gennembrudsspænding på ca. 7 V, og til højere spændinger er det derfor nødvendigt at anvende basis-kollektorovergangen, hvorved altså basis-området bliver anode og kollektorområdet bliver katode. Samtidig opnås en parasittransistor, hvis emitter og basis 30 er fælles med diodens anode henholdsvis katode, og hvis kollektor udgøres af substratet. Når dioden er forspændt i gennemgangsretningen, vil transistoren også være åben og lede strøm til substratet. Uden for N-området kan hpg være 1 eller større, således at mere end det halve af 35 * diodens strøm kan afledes til substratet. Det begravede lag vil med sin stærke dotering forøge rekombinationen for 2

DK 157468 B

O

de ladningsbærere, som diffunderer ned mod substratet og derved forminskes substratstrømmen. En yderligere formindskelse opnås ved at lade kollektorkontaktområdet danne en ring rundt om anodeområdet. Denne ring modvirker 5 således på samme måde, at strømmen når isolationsområdet.

Forsøg på yderligere at reducere substratstrømmen er beskrevet i de almindeligt tilgængelige svenske patentansøgninger nr. 77.070688 og nr. 77.07251-0. Den førstnævnte patentansøgning beskriver anvendelsen af den tilstand, 10 at virkningsgraden af parasittransistorens emitter kan forringes ved at forbinde N-P-N-transistorens emitter med diodens anode. Den anden patentansøgning omhandler desuden pålægning af en P-doteret zone rundt om anoden.

Ved transistorer, der er bestemt til høje spændin-15 ger, er det rumfang, som isolationsområdet optager, betydeligt. Ved voksende spænding må nemlig epitaksiallagets tykkelse forøges for at der er plads til det dybere rumladningsområde for transistorernes kollektor-basisovergang. Når isolationsområdet herved må diffunderes længere ned, 20 kræver området som følge af den samtidige sidediffusion større rumfang. Det er kendt, at begrænse dette rumfang ved en fremgangsmåde, hvor der før pålægning af det epi-taksiale lag aflejres doteringsurenheder af samme slags som dem, der anvendes i isolationsdiffusionen under de om-25 råder, hvor isolationsdiffusionen senere finder sted. Ved at lade disse doteringsurenheder diffundere op i det epi-taksiale lag, opnås sammen med det oppefra neddiffunderede isolationsområde et isolationsområde med mindre udstrækning.

3D

Ved transistorer til højere spændinger er det også kendt, at formindske kollektorens modstand ved at lade kollektorens stærkt doterede kontaktområde strække sig ned til det begravede lag.

Anvendelse af samtlige ovennævnte foranstaltnin- ger kan formindske substratstrØmmen til ca. 5% af diodestrømmen. Ved kredse til højere spændinger giver denne reducerede substratstrøm dog anledning til problemer scan 35

O

DK 157468 B

3 følge af den effektudvikling den forårsager, når dioden er tæt ved kredsens pluspotential.

Ved en diodestrøm på f.eks. 500 mA i gennemgangs-retningen betyder 5% substratlækstrøm en ekstra effektud-5 vikling på 1W, når dioden har en spænding på ca. 40V over substratets potentiale. Denne effektudvikling er af samme størrelse, som den effektudvikling, der opnås fra en given kreds og er derfor en klar begrænsning af kredsens belastningsevne.

10 Ifølge opfindelsen er det muligt at formindske sub- stratlækstrømmen til helt negligible værdier. Dette opnås med en diode som er udformet på den i den kendetegnede del j af kravet angivne måde.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under 15 henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 i snit viser princippet for en monolitisk integreret diode, der er udført i overensstemmelse med opfindelsen, fig. 2 set oppefra viser princippet for en monoli-20 tisk integreret diode, der er udført i overensstemmelse med opfindelsen, og fig. 3 viser en detalje af en integreret kreds med en diode ifølge opfindelsen.

I figurerne betegner 11 et siliciumhalvledersub-25 strat af p-type, hvilket siliciumhalvledersubstrat har et første begravet lag af n-type, der er udført på sådan måde, at et stærkt n -doteret område 12 opnås. Over det begravede lag 12 findes et andet begravet lag 13 af p-type samt en nedre ydre isolationsring 14 af p-type. Over sub-30 stratet findes et epitaksialt n-lag 15. I dette findes inddiffunderet en øvre, ydre isolationsring 16, som når ned til den nedre isolationsring 14, samt en indre ring 17, som når ned til det øvre begravede lag 13. Ringen 17 og det andet begravede lag 13 udgør diodens anode. Samtlige 35 disse områder er af p -type. I n-området 23, som danner diodens katode, findes en n -kontaktdiffusion 18.

En n+-diffusion 19 forbinder det begra-

O

DK 157468 B

4 vede lag 12 med halviederchippens overflade, hvor den har en kontaktring 20, som er forbundet med kontaktringen 21 på anodetilslutningen. Denne tilslutning har til opgave at give området 12 et bestemt potentiale, eftersom pn-o-5 vergangen 13-12 kan forspændes på en sådan måde, at der kan flyde strøm til substratet ved hurtige strømændringer, når dioden går fra en ledende til en ikke-ledende tilstand.

Grunden til at området 19 er diffunderet helt ned til området 12'er, at der kræves en lavohmisk strømvej ned 10 til dette område. En større del af diodestrømmen i gennemgangsretningen vil følge denne vej, når laget 12 virker som kollektor i den transistor, som dannes af lagene 12, 13 (basis) og 23 (emitter). Hvis seriemodstanden i kredsen ned til den nedre diffusion er stor, er der risiko for at 15 overgangen mellem n -laget 12 og p -laget 13 får en forspænding i spærreretningen, hvorved laskstrøm kan løbe til substratet. Hvis derimod lagene 12 og 13 holdes på i hovedsagen samme potentiale, kan der ses bort fra laskningen, bortset fra en meget lille strøm i spærreretningen.

20 Som et eksempel på en diode ifølge opfindelsen er der blevet fremstillet en kreds, der er bestemt til at drives ved 40V spænding. Det epitaksiale lag 15 havde en resistivitet på 3- ohm.cm og var 16yum tykt. p -diffusionen 13 var ca. 8yum tykt og afstanden mellem dette område og 25 katodekontaktområdet 18 var 5yum. Når en strøm på 500 mA løb gennem dioden i gennemgangsretningen blev der målt en substratstrøm på mindre end 1yuA. Kredsens effektudvikling i øvrigt lå under 0,5W, hvorfor der helt kan ses bort fra forøgelsen hidrørende fra substratlækstrømmen.

30 Dette kan sammenlignes med de bedste kendte dioder, hvor substratlækstrømmen når en værdi på ca. 5% af diodestrømmen. Hvis dioden har en spænding på 40V over substratpotentialet betyder dette et effekttab på 1W, dvs. dobbelt så meget som effekttabet for selve diodekredsen.

35 Dioden ifølge opfindelsen kan helt fremstilles i følge de processer, som anvendes til fremstilling af tran-

DK 157468 B

5 o sistorer, der er bestemt til højspænding i integrerede kredse. Dette fremgår af fig. 3, som viser en diode ifølge opfindelsen og en transistor T begge i samme substrat 11. Transistoren T har sit kollektorlag 33 i epitaksial- 5 laget 33. Under laget 33 ligger et subkollektorlag af + + n -type som via n -diffusionen er forbundet med kollek-torkontakten C. I kollektorlaget er basislaget 31 og emit-terlaget 38 inddiffunderet på sædvanlig måde. Transistorens isolationsdiffusion 36 er fremstillet i to trin på samme 10 måde som det er vist for dioden ifølge fig. 2.

Følgende diffusionstrin anvendes ved fremstillingen: 1 Pålægning af doteringsurenheder til n+-områderne 12 og 32.

15 2 Diffusion af doteringsurenhederne ifølge punkt 1- 3 Pålægning af doteringsurenheder til p+-områderne 13, 14 og 34.

4 Pålægning af det epitaksiale n-doterede lag 15.

5 Pålægning af doteringsurenhederne til p -områderne 16, 20 17 og 36.

6 Pålægning af doteringsurenheder til n+-områderne 19 og 39.

7 Diffusion af doteringsurenhederne, der er pålagt ifølge punkt 5 og 6.

25 8 Pålægning af doteringsurenhed på det p-doterede basis område 31 i transistoren.

9 Diffusion af doteringsurenheden ifølge punkt 8.

10 Pålægning af doteringsurenheder til katodekontaktområdet 18 og emitteren 38.

30 11 Diffusion af områderne ifølge punkt 10.

Disse processer er helt sædvanlige og er tidligere blevet beskrevet i litteraturen.

35

Claims (1)

1. O DK 157468 B Patentkrav . Halvlederdiode, der er bestemt til at indgå i integrerede kredse, som også indbefatter transistorer, hvilken halvlederdiode er udformet i et substrat (11) af en før-5 ste ledningstype (p), der har et første højt doteret begravet lag (12) af en anden ledningstype (n) og et derover liggende epitaksial lag (15) af den anden ledningstype (n), i hvilket diodens ene lag 23 er udformet og med hvilket en kontakt (22) er forbundet, som udgør diodens ene pol 10 (K), kendetegnet ved et andet højt doteret begravet lag (13) af den første ledningstype (p), som er beliggende umiddelbart over det første begravede lag (12), et ringformet højt doteret område (17) af den første led-15 ningstype (p), som omslutter diodens ene lag (23) og danner kontakt med det andet begravede lag (13) samt en højt doteret kontaktdiffusion (19) af den anden ledningstype (n) , som danner kontakt med det første begravede lag (12) , hvorved tilslutninger (20,21) til det ringformede områ-20 de (17) og kontaktdiffusionen (19) er indbyrdes forbundne og udgør diodens anden pol (A). 25 1 35