DE2320579C3

DE2320579C3 - Schutzanordnung für ein planares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2320579C3
Application number: DE2320579A
Authority: DE
Inventors: Hisao Atsugi Kanagawa Hayashi; Takeshi Sagamihara Kanagawa Matsushita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-04-20
Filing date: 1973-04-21
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB1427014A; FR2181075B1; FR2181075A1; NL7305642A; DE2320579A1; IT1049525B; JPS493580A; CA985794A; DE2320579B2; JPS5320194B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Schutzanordnung bei einem Thyristor aus der GB-PS 1138 237(Fi g. 5) bekannt Dabei sind an der oberen Hauptfläche des Substrats drei Anschlüsse vorgesehen: Ein zentraler Gate-Anschluß, der mit einem Bereich des zweiten Leitungstyps verbunden ist, ein Kathodenanschluß, der mit einem Bereich des ersten Leitungstyps verbunden ist sowie ein Anodenanschluß, der mit einem Bereich des zweiten Leitungstyps in Verbindung steht, und das Substrat an der ganzen unteren Hauptfläche, an der Seitenfläche und am Außenrand der oberen Hauptfläche umschließt.

Zur Vergrößerung der Durchbruchspannung sind ferner an der oberen Hauptfläche des Substrats mehrere "^lSchutzringe vorhanden. Ferner ist aus dieser Patentjschrift ein Transistor bekannt, der an der unteren Hauptfläche des Substrats einen Schutzring sowie den

Kollektoranschluß aufweist

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von diesem Stand der Technik eine Schutzanordnung für ein planares Halbleiterbauelement zu schaffen, die eine noch wesentlich größere Durchbruchspannung als die bekannten Anordnungen hat

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die erfindungsgemäße Schutzanordnung ist eine Halbleiteranordnung gegeben, die mit hohen Sperrspannungen belastet werden kann, ohne daß an einem pn-Obergang ein Spannungsdurchbruch erfolgt

Die Wirkung der Erfindung beruht auf der geschickt vorgewählten Feldform im Halbleiterbauelement, die durch die Beziehung zwischen dem Anschlußbereich, dem Schutzring und dem weiteren Schutzbereich zustande kommt Wenn eine von dem Anschlußbereich sich ausdehnende und mit dem inneren Schutzring zusammenwirkende Sperrschicht den weiteren Schutzbereich erreicht breitet sie sich in seitlicher Richtung im Substrat aus. Mit erhöhtem Radius erhöht sich die Durchbruchspannung. Das Substrat kann daher dünn sein.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine bekannte Planardiode mit einem Schutzring.

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines planaren Halbleiterbauelementes mit der erfindungsgemäßen Schutzanordnung.

Fig.3 die Strom·Spannungs-Kennlinie des Halbleiterbauelementes gemäß F i g. 2,

F i g. 4 bis 9 weitere Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauelementen mit der erfindungsgemäßen Schutzanordnung.

F i g. 1 zeigt ein bekanntes planares Halbleiterbauelement mit einem Substrat 3 aus Halbleitermaterial vom N-Leitungstyp. In der oberen Hauptfläche des Substrats 3 ist durch Diffusion ein erster Anschlußbereich 4 vom P-Leitungstyp gebildet, der einen P-Vr-Obergang 5 mit dem Substrat 3 bildet Der Bereich 4 stellt die Anode und der Bereich 3 die Kathode der Planardiode dar. Eine Elektrode 9 befindet sich in Kontakt mit dem Bereich 4. während auf der unteren Hauptfläche des Substrats 3 ein Ohmscher Kontakt 10 vorgesehen ist Durch Diffusion in die obere Hauptfläche des Substrats 3 ist um den Bereich 4 herum ein Schutzring 6 aus P-Ieitendem Material gebildet. Es besteht keine elektrische Verbindung zu diesem Schutzring 6. Zwischen diesem Schutzring 6 und dem Substrat 3 ist ein P-N-Übergang 5' vorhanden. Auf die obere Hauptfläche des Substrats wird mit Ausnahme des von der Elektrode 9 bedeckten Teiles eine Oxydschicht 8 aufgebracht

Wird an den Bereich 4 eine negative Spannung angelegt, so bildet sich vom Bereich 4 eine Sperrschicht 7 aus, die durch den Schutzring 6 in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise verform: wird. Dabei ist im Punkt A die vom Bereich 4 ausgehende Feldstärke mit E„o. die vom Schutzring 6 hervorgerufene Feldstärke E_p ι und die resultierende Feldstärke mit E, bezeichnet.

F i g. 2 zeigt demgegenüber ein planares Halbleiterbauelement mit der erfindungsgemäßen Schutzanordnung, durch die eine vergrößerte Durchbruchspannung erreicht wird.

Das Substrat 11 aus Silizium mit N-Dotierung besitzt an seiner oberen Hauptfläche einen diffundierten Anschlußbereich 12 mit P-Dotierung und eine Anzahl von P-leitcnden Schutzringen 14a, 146 und 14c, die den An-

Schlußbereich 12 mit Abstand umgeben. An der unteren Hauptfiäche des Substrats 11 ist ein weiterer, nicht angeschlossener Schutzbereich 12* des P-Leitungstyps vorgesehen. Dieser weitere Schutzbereich 12* besitzt einen größeren Durchmesser als der Anschlußbereich IZ An der unteren Hauptfläche des Substrats 11 sind ferner eine Anzahl von P-lehenden Schutzringen 14a', 146'14e' eindiffundiert. Diese Schutzringe umgeben mit Abstand den Schutzbereich YZ und sind jeweils auf einem etwas größeren Durchmesser als die Schutzringe 14a, 146 und 14c an der oberen Hauptfläche angeordnet

Mit dem Anschlußbereich 12 ist eine Anode 15 verbunden. Eine Kathode 16 verbindet das Substrat 11 durch einen Bereich 19 mit hoher N +-Dotierung.

Vom Bereich 12 aus erstreckt sich eine Sperrschicht 20, wobei in F i g. 2 die Focm dieser Sperrschicht für den Fall mit und ohne den weiteren Schutzbereich 12* angedeutet bt Die Feldstärke im Punkt A ergibt sich aus der Vektorsumme der vom Anschlußbereich 12 erzeugten Feldstärke Ep₀, der vom Schutzring 14a erzeugten Feldstärke Ept und der vom weiteren Schutzbereich 12* erzeugten Feldstärke Epo. Man erkennt, daß d^:e resultierende Feldstärke verhältnismäßig klein und demgemäß die Durchbruchspannung sehr groß wird.

Die Durchbruchspannung Vs läßt sich wie folgt ausdrücken:

Vs= V_p+ V,

wobei V_p die Durchbruchspannung zwischen dem Anschlußbereich 12 und dem Schutzring 14a, Vdie Durchbruchspannung des äußersten Schutzringes und π die zahl der Schutzringe ist

. Ein planares Halbleiterbauelement mit der erfindungsgemäßen Schutzanordnung kann beispielsweise folgende Abmessungen besitzen:

n= 15;

Tiefe X₁ des Hineindiffundierens der P-Dotierung des Substrats = 30 Mikrometer, Dicke des Substrats 11 = 200 Mikrometer bei einem spezifischen Widerstand von 120 Ohm cm. Abstand W zwischen den einzelnen Schutzringen sowie zwischen dem Anschlußbereich 12 und dem Schutzring 14a = 130 Mikrometer.

Ein planares Halbleiterbauelement mit dem in F i g. 2 dargestellten Aufbau und den vorstehend genannten Daten besitzt die in F i g. 3 dargestellte Kennlinie. Die Durchbruchspannung lic^t bei etwa 7 kV, was eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Durchbruchspannung bekannter planerer Halbleiterbauelemente darstellt.

Bei dem in Fig.4 dargestellten Planar-Transistor wird der Emitter durch einen N+-Diffusionsbereich 13' gebildet, der in einen P-Ieitenden Anschlußbereich 12 eindiffundiert ist Dieser ist in das N-leitende Substrat 11 unter Bildung einer P-N-Grenzschicht/c eindiffundiert Das Substrat 11 bildet in üblicher Weise den Kollektor. An der oberen Hauptfläche des Substrats sind P-Ieitende Schutzringe 14a, 146, JSa und 156 vorgesehen. Dabei ist der verhältnismäßig kleine Abstand zwischen dem Schutzring 14a und dem Anschlußbereich 12 mit L, bezeichnet; der Schutzring 146 besitzt vom Schutzring 14a denselben Abstand L₂. Der Schutzring 15a weist demgegenüber vom Schutzring 146 den größeren Abstand W_x auf. Der Abstand zwischen den Schutzringen 15a und 156 ist schließlich mit Wt bezeichnet Die Sperrschichten sind in Fig.4 mit gestrichelten Linien angedeutet und mit dem Bezugszeichen 18 verse-

to hen.

Ein N+-leitender Bereich 19 steDt einen Ohmschen Kontakt zwischen dem Substrat 11 und einer Elektrode 24 her. Ebenso ist der Bereich 13' und der Bereich 12 mit je einer Elektrode 25 bzw. 26 versehen.

Dem Anschlußbereich 12 gegenüberliegend ist an der unteren Hauptfläche des Substrats ein weiterer, nicht angeschlossener Schutzbereich 12* vorgesehen, der von Schutzringen 17a, 176 mit Abstand umgeben ist Auf der oberen Hauptfläche des Substrats ist eine erste Oxyd schicht 27 und auf der unteren Ha»ptfläche des Sub strats eine zweite Oxydschicht 28 vorgesehen.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Austtihrungsbeispiel sind in Abwandlung der Ausführung gemäß Fig.4 der weitere Schutzbereich 12' sowie die ihn umgebunden Schutzringe 17a, 176 in dem Substrat 11 eingebettet Weiteiiiin sind auch die den Anschlußbereich 12 umgebenden Schutzringe 14a, 146 in dem Substrat 11 eingebettet Im übrigen stimmt der Aufbau mit F i g. 4 überein.

F i g. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der Ausführung gemäß F i g. 4, bei der in dem Substrat 11 zwischen dem Anschlußbereich 12 und dem weiteren Schutzbereich 12' ein P-Ieitender Bereich 116 eingebettet ist Sein Abstand vom AnschluBbereich 12 ist mit /t, sein Abstand vom Schutzbereich 12' mit h und sein Durchmesser mit h bezeichnet Im Punkt A sind die einzelnen Feldstärkekomponenten (in Obereinstimmung mit der bei F i g. 2 gewählten Bezeichnung) angegeben. Die Feldstärke E'p, kennzeichnet die vom Bereich 116 ausgehende Wir kung.

F i g. 7 zeigt einen Thyristor ähnlich F i g. 6, jedoch mit einem zusätzlichen P-Ieitenden Bereich 34 im Substrat 11, wobei mit diesem Bereich 34 ein? Elektrode 34'verbunden ist Anode, Kathode und Gate Sind mit A,

K bzw. C bezeichnet

Bei dem in F i g. 8 dargestellten Planar-Transistor besteht der Anschlußbereich 12 aus einem unmittelbar unter dem Emitterbereich 13' befindlichen Hauptteil 12a und einem sich hieran nach unten erstreckenden Umso fangsteil 126. Die Stärke des Hauptteils 12a ist mit D\ und der Abstand des Hauptteils 12a vom weiteren Schutzbereich 12' mit D₀ bezeichnet. Die Emitterelektrode ist mit 25, die Basiselektrode mit 26 und die Kollektorelektrode mit 24 bezeichnet; letztere steht über einen N+ -Bereich 79 mit dem Substrat It in Verbindung.

F i g. 9 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel ähnlich F i g. 8, das jedoch als Thyristor geschaltet ist wie sich aus der Anordung der Elektroden für Anode (A)

Kathode Wund Gate ^ergibt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzanordnung für ein planares Halbleiterbauelement, mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, einem an der oberen Hauptfläche des Substrats vorgesehenen, mit einem ersten Anschluß versehenen Anschlußbereich des zweiten Leitungstyps, wenigstens einem den Anschlußbereich mit Abstand umgebenden ersten Schutzring des zweiten Leitungstyps und gegebenenfalls weiteren solchen Schutzringen an der oberen Mauptfläche des Substrats sowie mit mindestens einem weiteren Anschlußbereich an der oberen Hauptfläche des Substrats außerhalb der Schutzringe, dadurch gekennzeichnet,

daß dem AnschluBbereich (12) mit Abstand gegenüberliegend an der unteren Hauptflädhe des Substrats (11) oder in das Substrat (11) eingebettet ein weiterer, nichi angeschlossener Schutzbereich (12*) des zweiten VÄitungstyps vorgesehen ist, der einen größeren Durchmesser als der Anschlußbereich (12) besitzt, und

daß alle Anschlußbereiche (12, 19, 13% 34) ausschließlich an der oberen Hauptfläche des Substrats

(11) vorgesehen sind.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des dem Anschlußbereich (12) gegenüberliegenden weiteren Schutzbereiches (12') kleiner ist als der Außenumfang des den A"schlußbereich (12) mit Abstand umgebenden ersten Schutzringes (14aJ an der oberen Hauptfläche des Substrat (11).

3. Schutzanordnung naoi Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere & lutzbereich (12*) von mehreren Schutzringen (14^, 14//, 14</) des zweiten Leitungstyps mit Abstand umgeben ist, die jeweils auf einem etwas größeren Durchmesser als die Schutzringe (14a, 146,14c,) an der oberen Hauptfläche des Substrats (U) angeordnet sind.

4. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschlußbereich

(12) und dem ihm gegenüberliegenden weiteren Schutzbereich (12') ein in das Substrat (11) eingebetteter Bereich (116) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.