DE2009358B2 - Integrierte Halbleiteranordnung mit einer integrierten Impulstorschaltung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung - Google Patents

Integrierte Halbleiteranordnung mit einer integrierten Impulstorschaltung und Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiteranordnung

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Description

Die Erfindung gebt aus von einer integrierten Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche Halbleiteranordnung ist bekannt aus der FR-PS 15 49 853.
Bei dieser Halbleiteranordnung wird in demselben inselförmigen Gebiet vom zweiten Leitungstyp neben der Widerstandszone vom ersten Leitungstyp eine mit der Speisespannung verbundene Oberflächenzone vom ersten Leitungstyp angebracht, die als Schutzdiode dient
Will man nun in einer solchen integrierten Halbleiteranordnung auf konventionelle Weise eine Impulstorschaltung realisieren, wobei ein Widerstand und ein Kondensator in einer mittels eines PN-Überganges isolierten Insel angeordnet werden, bildet dieser PN-Übergang einen störenden Kondensator.
Der nachteilige Effekt dieses Kondensators wird oft durch die Änderung seines kapazitiven Wertes mit der über diesem Kondensator stehenden Spannung vergrößert. Die Folgen dieser Änderung sind besonders ungünstig in bestimmten Fällen, in denen es erwünscht wäre, daß bei Erhöhung der über diesem Kondensator stehenden Spannung keine Erhöhung der Kapazität auftritt
Aus der FR-PS 13 06 078 ist eine Impulstorschaltung bekannt, die jedoch von einer Esaki-Diode Gebrauch macht
Aus SCP and SST (1966) 4, 24-27 ist es bekannt, durch eine Oberflächenzone in einem Halbleiterkörper und eine durch eine Isolierschicht von dieser Oberflächenzone getrennten leitenden Schicht einen Kondensator zu bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer integrierten Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art ein Impulstor zu realisieren, wobei der nachteilige Einfluß des zwischen der Insel vom zweiten Leitungstyp und dem Gebiet vom ersten Leitungstyp gebildeten Kondensators vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der integrierten Halbleiteranordnung nach der Erfindung sind die Oberflachenzone und das inselförmige Gebiet voneinander durch einen PN-Übergang getrennt, der in bezug auf den PN-Übergang zwischen dem inselförmigen Gebiet und dem Gebiet vom ersten
Leitungstyp in entgegengesetzter Richtung (»back-to back«: rückenweise) geschaltet ist. Dadurch wird die Streukapazität durch ein System zweier in Reihe geschalteter Kondensatoren ersetzt, von denen im Betriebszustand einer der Inselkondensator, auf der Seite des Gebietes vom ersten Leitungstyp (der Substratseite) geerdet wird, während die andere Seite (die Insel), an die höchste Speisespannung gelegt wird und also beim Ein- und Ausschalten des Impulstors nicht mehr störend wirken kann. Der einzige Kondensator, der eine Rolle spielt, ist der zwischen der Oberflächenzone und dem inselförmigen Gebiet; dieser erfällt in der Halbleiteranordnung nach der Erfindung die Funktion der bereits erwähnten Streukapazität, Spannungsteiler usw. Auch über diesem Kondensator steht eine veränderliche Spannung, die in diesem Falle durch den Spannungsunterschied zwischen einem festen verhältnismäßig hohen Bezugspotential und der über dem Impulstor, somit zwischen der Oberflächenzone und der Insel, angelegten Spannung gebildet wird. Diese veränderliche Spannung über dem Kondensator ändert sich aber, im Gegensatz zur beschriebenen bekannten integrierten Impulstorschaltung, nicht mehr im gleichen Sinne wie die erwähnte angelegte Spannung, sondern in entgegengesetztem Sinne. Infolgedessen erreicht die Kapazität zwischen der Oberflächenzone und dem inselförmigen Gebiet zu günstigen Zeitpunkten ihren Höchst- und ihren Mindestwert
Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 das elektrische Schaltbild einer bekannten Impulstorschaltung,
F i g. 2 in halblogarithmischem Maßstab den Verlauf der Kapazität eines pn-Übergangs als Funktion der dem Übergang stehenden Sperrspannung,
Fig.3 das elektrische Ersatzschaltbild einer integrierten Halbleiteranordnung mit einem Impulstor nach der Erfindung,
Fig.4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer integrierten Halbleiteranordnung entsprechend F i g. 3 und
F i g. 5 schematisch einen Querschnitt längs der Linie V-V durch die Halbleiteranordnung nach F i g. 4.
Die Figuren sind der Deutlichkeit halber schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet, während entsprechende Teile in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Das bekannte Impulstor, dessen Schaltung in Fig. 1 dargestellt ist, schaltet ein, wenn die beiden Eingänge, der Konditionierungseingang und er Triggereingang, gleichzeitig ein geeignetes Potential aufweisen, während das Impulstor in allen anderen Fällen ausschaltet bzw. nicht einschaltet. Das Impulstor enthält einen Kondensator C, dessen erste Platte den Triggercingang E2 bildet, und einen Widerstand R, dessen eines Ende den Konditionierungseingang E\ bildet während die zweite Platte des Kondensators und das andere Ende des Widerstandes miteinander und auch mit dem Ausgang Sverbunden sind.
Der Konditionierungseingang £Ί kann zwei Potentiale annehmen, und zwar ein Potential auf hohem Pegel V\h und ein Potential auf niedrigem Pegel V^ Dem Triggereingang Ei werden Spannungsimpulse mit einer Amplitude V2 zugeführt. Wenn die beiden Spannungspegel des Konditionierungseingangs positiv in bezug auf Erde sind, ist die negative Impulsflanke wirksam, und umgekehrt. In der nachstehenden Beschreibung wird angenommen, daß die wirksame Impulsflanke die negative Flanke ist; die Wirkung im entgegengesetzten Falle kann ohne weiteres durch Umkehrung der Leitungstype und der Polarisationsspannungen davon abgeleitet werden.
Grundsätzlich wird die Bedingung für Ein- oder Ausschalten durch eine Grenzspannung V0 gegeben, d. h. im Falle einer negativen wirksamen Impulsflanke:
Vlb+ V1
In der Praxis sind die verwendeten Spannungsquellen nicht völlig konstant und können die angelegten Spannungen pro Quelle und/oder mit der Zeit etwas variieren, so daß es notwendig ist, zwei Reihen von Werten zu berücksichtigen, und zwar eine Reihe hoher Werte Vu,h, Vi μ und V2h, und eine Reihe niedriger Werte Vihb, Vi ^ und Vzb, zwischen welchen Werte Vi/» V\b und V2 variieren können, während zwei Grenzwerte festgestellt werden können, und zwar ein hoher Wert Voh und ein niedriger Wert Vo&, von denen einer für das Ausschalten und der andere für das Nichteinschalten unter den ungünstigsten Bedingungen zutrifft
Für das Einschalten durch eine negative Impulsflanke gilt:
V,,
V2 h < V111
Für das Nichteinschalten durch eine negative Impulsflanke gilt:
+ V2h > V111
Naturgemäß wird man versuchen, die beiden Schwellwerte V0/, und V0/, einander möglichst nahe kommen zu lassen.
Die Änderung der Streukapazität Cp zwischen dem Ausgang und Erde wirkt bei diesem Impulstor in integrierter Form noch ungünstiger. Das Impulstor wird auf dem niedrigen Pegel einschalten, wenn der Wert der Streukapazität maximal ist. Diese Streukapazität ist dadurch störend, weil sie Ladungsträger absorbiert und zwar in um so größerem Maße, desto größer diese Kapazität ist.
Zum Ausschalten bzw. Nichteinschalten ist das Vorhandensein dieser Streukapazität gerade günstig, weil sie wie Spannungsteiler wirkt Dieser Einfluß wird größer sein, je nachdem der Wert dieser Kapazität höher ist. Da die Spannung über dieser Streukapazität zu dem Ausschaltzeitpunkt hoch ist ist zu diesem Zeitpunkt der Kapazitätswert niedrig, während die Richtung, in der sich der Wert dieser Kapazität ändert, dazu beiträgt, die beiden Schwellwerte V^b und Vw, voneinander zu entfernen.
In bezug auf die Spannung V2 an dem Triggereingang Ei wirkt die Streukapazität Cp in Verbindung mit dem Kondensator C wie ein Spannungsteiler, der diese Spannung V2 in zwei Teile teilt: V2, über dem Kondensator Cund V22 über der Kapazität Cp.
V2= V2, + V22.
Die wirksame Spannung über dem Kondensator C ist also stets geringer als die Steuerspannung am Triggereingang E2. Außerdem ist diese Verringerung infolge der Spannungsabhängigkeit der Streukapazität von der Spannung am Ausgang abhängig.
F i g. 2 zeigt die Kapazitätsänderung von C1, in halblogarithmischem Maßstab als Funktion der Sperrspannung Vüber dem pn-Übergang.
Bei dem bekannten Impulstor nach F i g. 1 ist diese Spannungsverringerung im ausgeschalteten Zustand minimal, wenn die Abweichung der Spannung am Ausgang herabgesetzt werden soll, während diese Spannungsverringerung zu dem Einschaltzeitpunkt maximal ist wenn das Umgekehrte erwünscht ist. Außerdem absorbiert die Kapazität Cp zu dem Einschaltzeitpunkt Ladungsträger, so daß der hohe Wert von Cp zu diesem Zeitpunkt noch einen zusätzlichen Nachteil ergibt.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß, wenn bei dieser bekannten Schaltung die Gleichspannung am Konditionierungseingang E\ von dem einen Pegel auf den anderen, z.B. von dem niedrigen Pegel Vk, auf den
PN-Übergang, dessen veränderliche Kapazität Cp Einfluß auf die Wirkung der Anordnung ausübt, gleichfalls von dem niedrigen Pegel Vn, auf den hohen Pegel Vi α übergeht
Diese Nachteile werden bei der integrierten Halbleiteranordnung nach der Erfindung, von dem F i g. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild zeigt, vermieden. Diese Halbleiteranordnung (siehe F i g. 4 und 5) enthält einen P-leitenden Siliciumkörper 1, der wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht 2 aus Siliciumoxyd überzogen ist. Dieser Körper enthält ein an eine Oberfläche grenzendes P-leitendes erstes Gebiet 3, das mit einem Anschlußleiter 4 in Form einer Metallschicht versehen ist sowie ein an diese Oberfläche grenzendes zweites inselförmiges Gebiet 5 vom N-Leitungstyp. Dieses inselförmige Gebiet 5 wird innerhalb des Körpers völlig von dem ersten Gebiet 3 umgeben und bildet mit diesem einen ersten PN-Übergang 6. Das inselförmige Gebiet 5 ist über ein Fenster in der Isolierschicht 2 mit einem Anschlußleiter in Form einer Metallschicht 7 verbunden. Die Halbleiteranordnung enthält ferner eine P-leitende Oberflächenzone 8, die innerhalb des; Körpers völlig von dem inselförmigen Gebiet 5 umgeben ist und mit diesem einen zweiten PN-Übergang 9 bildet. Die Oberflächenzone 8 bildet eine der Platten eines Kondensators, dessen Dielektrikum durch einen Teil 16 der Oxydschicht 2 gebildet wird, während die andere Kondensatorplatte durch eine auf der Oxydschicht 2 über der Oberflächenzone 8 liegende Metallschicht 12 gebildet wird. Die Oberflächenzone 8 ist mit einem Anschlußleiter ;.i Form einer Metallschicht 10 versehen, die gle jhstrommäßig mit dem Ausgang 5 des Impulstores verbunden ist Die Metallschicht 12 ist gleichstrommäßig mit dem Triggereingang E2 des Impulstores verbunden.
Der Halbleiterkörper enthält femer einen Widerstand in Form einer zweiten P-leitenden Oberflächenzone R, die innerhalb des Körpers völlig von einem zweiten inselförmigen N-leitenden Gebiet 13 umgeben ist das mit der Zone R einen PN-Übergang 15 bildet Das inselförmige Gebiet 13 bildet mit dem ersten Gebiet 3 einen PN-Übergang 14. Der Anschlußleiter 10 schließt sich über ein Fenster in der Oxydschicht 2 an die Zone R an und sit über den Widerstand R mit dem Konditionierungseingang E\ des Impulstores verbunden.
Im Betriebszustand ist der Anschlußleiter 7 des inselförmigen Gebietes 5 mit der höchsten positiven
·> Speisespannung V1x verbunden, während eine Metallschicht 4, die den Anschlußleiter auf dem ersten Gebiet 3 bildet, geerdet ist
Die inselförmigen Zonen S und 13 bilden in diesem Beispiel Teile einer auf dem ersten Gebiet 3 liegenden
κι N-leitenden epitaktischen Schicht die durch diffundierte P-leitende Trennzonen 17 begrenzt wird, die sich von der Oberfläche her über die ganze Dicke der epitaktischen Schicht erstrecken und einen Teil des Gebietes 3 bilden. Nach einer anderen Ausführungsform der Halbleiteranordnung können die inselförniigen
Gebiete 5 und 13 und die Oberflächenzonen 8 und R
durch Diffusion von der Oberfläche in den ursprünglich völlig P-leitenden Halbleiterkörper gebildet werden.
Da bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung
2(i die Inselkapazität Cp auf einer Seite geerdet und auf der anderen Seite mit der hohen Speisespannung Vx verbunden ist, beeinflußt diese Kapazität das elektrische Verhalten des Impulstores nicht mehr. Die veränderliche Kapazität die eine Rolle spielt ist in diesem Falle
die Kapazität C, des PN-Übergangs 9. Wenn die Gleichspannung an dem Konditionierungseingang £\ von dem niedrigen Pegel Vi/, auf den hohen Pegel Vl* übergeht ändert sich die Spannung über Cq von Vcc— V\b zu Vcc— Via, welcher Ausdruck sich in entgegengesetztem Sinne zu dem erwähnten Spannungspegel ändert Dem hohen Pegel Vi* der Konditionierungsspannung entspricht somit ein hoher Wert der Streukapazität während dem niedrigen Pegel Vt der Konditionierungsspannung ein niedriger Wert dieser Kapazität entspricht was die Erfindung gerade bezweckt
Die beschriebene integrierte Halbleiteranordnung kann durch in der Halbleitertechnik allgemein übliche Verfahren hergestellt werden. Dabei sind viele Abarten möglich. Dabei werden vorteilhaft die Inseln 5 und 13 und auch die Zonen 8 und R gleichzeitig in dem Körper angebracht So wurden in dem beschriebenen Beispiel die Inseln 5 und 13 gleichzeitig dadurch angebracht daß nach dem Anwachsen der N-leitenden epitaktischen Schicht von der diese Inseln einen Teil bilden, in dem gleichen Diffusionsschritt die Zonen 8 und R und auch die P-leitenden diffundierten Trennzonen 17 (siehe Fig.5) zwischen den Inseln angebracht werden. Der Teil 16 der Oxydschicht wird zum Erhalten der für den Kondensator C erwünschten Dicke vorzugsweise örtlich auf eine Dicke von einigen zehn nm abgeätzt
Es können auch andere Halbleitermaterialien, andere Isolierschichten und andere Metallschichten verwendet werden. Ferner können die Leitungstypen und die angelegten Spannungen gleichzeitig umgekehrt werden. Weiter können auch ganz andere Geometrien verwendet werden, wobei z. B. das Gebiet 3 selber durch eine auf einem Substrat angebrachte epitaktische Schicht gebildet werden kann.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Integrierte Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer an eine Oberfläche grenzenden Widerstandszone (R) von einem ersten Leitungstyp, die innerhalb des Halbleiterkörpers von einem ersten inselförmigen, an die wenigstens teilweise mit einer Isolierschicht (2) überzogenen Oberfläche grenzenden Gebiet (13) vom zweiten Leitungstyp umgeben ist, welches Gebiet (13) innerhalb des Halbleiterkörpers von einem an die Oberfläche grenzenden Gebiet (3) vom ersten Leitungstyp umgeben ist, und mit einer neben der Widerstandszone (R) angeordneten weiteren Oberflächenzone (8) vom ersten Leitungstyp, die innerhalb des Halbleiterkörper ebenfalls -'öllig von Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps (5) umgeben ist, wobei die Widerstandszone (R) mit zwei Anschlußleitern und die weitere Oberflächenzone (8) und das Gebiet (3) vom ersten Leitungstyp je mit einem Anschlußleiter versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Impulstors, das die weitere Oberflächenzone (8) umgebende Halbleitermaterial ein zweites inselförmiges Gebiet (5) vom zweiten Leitungstyp bildet, das ebenfalls völlig vom Gebiet (3) vom ersten Leitungstyp umgeben und mit einem Anschlußleiter (7) versehen ist,
daß auf der weiteren Oberflächenzone (8) eine durch einen Teil (16) der Isolierschicht (2) von der Oberflächenzone (8) getrennte leitende Schicht (12) angeordnet ist, die mit der weiteren Oberflächenzone (8) und dem genannten Teil (16) der Isolierschicht (2) einen Kondensator fQbildet,
daß einer der beiden Anschlußleiter (10) der Widerstandszone (R) mit dem Anschlußleiter der weiteren Oberflächenzone (8) und mit dem Ausgang (S)des Impulstors verbunden ist,
daß der andere Anschlußleiter der Widerstandszone (R) mit dem Konditionierungseingang (E1) und die leitende Schicht (12) mit dem Triggereingang (E2) des Impulsators verbunden ist,
und daß der Anschlußleiter (4) des Gebietes (3) vom ersten Leitungstyp und der Anschlußleiter (7) des zweiten inselförmigen Gebiets (5) mit den Klemmen der Speisespannung (Vcc, Erde) derart verbunden sind, daß der zwischen diesen Gebieten (3, 5) gebildete PN-Übergang (6) sperrt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inselförmigen Gebiete (5, 13) Teile einer auf dem Gebiet (3) vom ersten Leitungstyp liegenden epitaktischen Schicht vom zweiten Leitungstyp bilden und durch diffundierte Trennzonen (17) vom ersten Leitungstyp begrenzt werden, die sich von der Oberfläche her über die ganze Dicke der epitaktischen Schicht erstrecken.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle inselförmigen Gebiete (5,13) und Oberflächenzonen (8, /?,) durch in den Halbleiterkörper eindiffundierte Zonen gebildet sind.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter der inselförmigen Gebiete (5,13) und der Oberflächenzonen (8, R) wenigstens teilweise durch auf der Isolierschicht (2) angebrachte Metallschichten gebildet sind, die sich über Kontaktfenster
in der Isolierschicht an den Halbleiterkörper anschließen.
5. Verfahren zur Hersteilung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem in einem ersten Gebiet vom ersten Leitungstyp die inselförmigen Gebiete (5, 13) und die Oberflächenzonen (8, R) angebracht werden, wonach der Halbleiterkörper mit Anschlußleitern versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die inselförmigen Gebiete (5, 13) und/oder die Oberflächenzonen (8, R) gleichzeitig in dem Körper angebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Oberflächenzone (8, R) und die Trennzonen (17) gleichzeitig in dem Körper angebracht werden.
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