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 HalbleiteranordnungInfo
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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
durch Diffusion von der Oberfläche in den ursprünglich
völlig P-leitenden Halbleiterkörper gebildet werden.
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.
Claims (6)
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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