DE2009358C3 - 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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DE2009358C3
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    • H03K17/74Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of diodes

Description

Die Erfindung geht 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 Oberflächenzone 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«: rflckenweise) 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 Impulstor; nicht mehr störend wirken kann. Der einzige Kondensator, der eine Rolle spielt, ist der zwischen der Oberflächenzone und dem inselförmigen Gebiet; dieser erfüllt 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 F i g. 1 dargestellt ist, schaltet ein, wenn die beiden Eingänge, der Konditionierungseingang und der 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 Triggereingang £2 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 5 verbunden sind.
Der Konditionierungseingang E\ kann zwei Potentia-Ie annehmen, und zwar r;n »Vv.cntial auf hohem Pegel Vi/, und ein Potential auf niedrigem Pegel Vi ;> 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:
< V0
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 Vj**, Vj«, und V2/,, und eine Reihe niedriger Werte V1AA, Vim, und V2A, zwischen welchen Werten Vl*, Via und V2 variieren können, während zwei Grenzwerte festgestellt werden können, und zwar ein hoher Wert VoA und ein niedriger Wert Vo*, von denen einer für das Ausschalten und der andere for das Nichteinschalten unter den ungünstigsten Bedingungen zutrifft
Für das Einschalten durch eine negative Impulsflanke gilt:
+ V21
Für das Nichteinschalten durch eine negative Impulsflanke gilt:
H» + V111 > K./, (3)
Naturgemäß wird man versuchen, die beiden Schwellwerte Voa und Voa 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 V0A und Voa voneinander zu entfernen.
In bezug auf die Spannung V2 an dem Triggereingang £2 wirkt die Streukapazität Cp in Verbindung mit dem Kondensator C wie ein Spannungsteiler, der diese Spannung V2 in zwei Teile teilt: V21 über dem Kondensator Cund V22 über der Kapazität Cp:
V2= V21+ 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 Cp 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 Vu, auf den hohen Pegel Vu* übergeht, die Sperrspannung über dem PN-Übergang, dessen veränderliche Kapazität Cp Einfluß auf die Wirkung der Anordnung ausübt, gleichfalls von dem niedrigen Pegel Vu, auf den hohen Pegel Vi/,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-Ieitendes 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 in Form einer Metallschicht 10 versehen, die gleichstrommäßig mit dem Ausgang S des Impulstores verbunden ist Die Metallschicht 12 ist gleichstrommäßig mit dem Triggereingang Ei des Impulstores verbunden.
Der Halbleiterkörper enthält ferner einen Widerstand in Form einer zweiten P-ieitenden Obernächenzone 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 ist 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 V«. verbunden, während eine Metallschicht 4, die den Anschlußleiter auf dem ersten Gebiet 3 bildet, geerdet ist.
Die inselförmigen Zonen 5 und 13 bilden in diesem Beispiel Teile einer auf dem ersten Gebiet 3 liegenden
ίο 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 inselförmigen
Gebiete 5 und 13 und die Oberfiächenzonen 8 und λ
durch Diffusion von der Oberfläche in den ursprünglich völlig P-leitenden Halbleiterkörper gebildet werden.
Da bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung
die Inselkapazität Cp auf einer Seite geerdet und auf dei anderen Seite mit der hohen Speisespannung V0 verbunden ist beeinflußt diese Kapazität das elektrische Verhalten des Impulstores nicht mehr. Die veränderliche Kapazität, die eine Rolle spielt ist in diesem Falle
2r> die Kapazität C, des PN-Übergangs 9. Wenn die Gleichspannung an dem Konditionierungseingang E von dem niedrigen Pegel Vk, auf den hohen Pegel Vi, übergeht ändert sich die Spannung über Cq vor Vcc— V\b zu Vor— Via, welcher Ausdruck sich ir
jo entgegengesetztem Sinne zu dem erwähnten Spannungspegel ändert Dem hohen Pegel Vu der Konditio nierungsspannung entspricht somit ein hoher Wert dei Streukapazität während dem niedrigen Pegel Vt dei Konditionierungsspannung ein niedriger Wert diesel Kapazität entspricht was die Erfindung gerade bezweckt
Die beschriebene integrierte Halbleiteranordnung kann durch in der Halbleitertechnik allgemein übliche Verfahren hergestellt werden. Dabei sind viele Abarter möglich. Dabei werden vorteilhaft die Inseln S und 13 und auch die Zonen 8 und R gleichzeitig in dem Körpei angebracht So wurden in dem beschriebenen Beispie die Inseln 5 und 13 gleichzeitig dadurch angebracht, dal; nach dem Anwachsen der N-leitenden epitaktischei Schicht von der diese Inseln einen Teil bilden, in den gleichen Diffusionsschritt die Zonen 8 und R und aucl die P-leitenden diffundierten Trennzonen 17 (siehi Fig.5) zwischen den Inseln angebracht werden. Dei Teil 16 der Oxydschicht wird zum Erhalten der für dei Kondensator C erwünschten Dicke vorzugsweisi örtlich auf eine Dicke von einigen zehn nm abgeätzt
Es können auch andere Halbleitermaterialien, ändert Isolierschichten und andere Metallschichten verwende werden. Ferner können die Leitungstypen und di< angelegten Spannungen gleichzeitig umgekehrt werden Weiter können auch ganz andere Geometrien verwen det werden, wobei z. B. das Gebiet 3 selber durch eini auf einem Substrat angebrachte epitaktische Schich 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 Halbleiterkörpers ebenfalls völlig 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 zweiter. 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 jo 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 (C) bildet, π
daß einer der beiden Anschlußleiter (10) der Widerstandszone (R) mit dem Anschlußleiter der weiteren Oberflächenzone (8) und mit dem Ausgang föjdes Impulstors verbunden ist, daß der andere Anschlußleiter der Widerstandszone (R) mit dem Konditionierungseingang (E1) und die leitende Schicht (12) mit dem Triggereingang (Ei) des Impulstors 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 >o 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, R) durch in bo den Halbleiterkörper eindiffundierte Zonen gebildet sind.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter der inselförmigen Gebiete (5,13) und hs 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 Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei dem in einem ersten Gebiet vom ersten Leitüngstyp 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, φ 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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