DE3021042C2

DE3021042C2 - Widerstandselement mit hoher Durchbruchsspannung für integrierte Schaltungen

Info

Publication number: DE3021042C2
Application number: DE3021042A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Tokyo Imaizumi; Masatoshi Hachioji Kimura; Toyomasa Kokubunji Koda; Shikayuki Akishima Ochi; Takashi Tachikawa Yamaguchi; Masayoshi Tokyo Yoshimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-06-03
Publication date: 1983-08-18
Also published as: DE3021042A1; JPS5811750B2; IT1128796B; US4423433A; IT8067863A0; JPS55162255A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß ^5

— π Elektroden vorgesehen sind, wobei n>2 und ganzzahlig ist,

— die 2. bis (n— l)-te Elektrode mit Zwischenbereichen der Dotierungsschicht (13) verbunden sind,

— die zweite Isolierschich» (20) auf der ersten bis n-ten Elektrode ausgebildet ist,

— m Elektrodenteile (19) in e^:aer zweiten Elektrodenschicht vorgesehen sinu, die auf der zweiten Isolierschicht (20) aufgebracht und mit den entsprechenden, unter den η Elektroden der ersten Elektrodenschicht ausgewählten Elektroden I bis (n— I) verbunden sind, wobei m <n und ganzzahlig ist, und

— die π Elektroden zusammen mit den η Elektrodenteilen (19) die gesamte Oberfläche der Dotierungsschicht (13) sowie daran angren zende Bereiche überdecken.

45

2. Widerstandselement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß n = 2 und m=\ ist und der Elektrodenteil (19) durch ein Kontaktluch (21) in der zweiten Isolierschicht (20) mit der ersten Elektrode (I61) verbunden ist. >⁽⁾

3. Widerstandselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

— die erste Elektrode (16|) einen Teil des Oberflächenbereichs, der den einen Endbereich " der Dotierungsschicht (13) und einen daran angrenzenden Bereich einschließt und sich zur letzten Elektrode (I62) hin erstreckt und nahe bei ihr endet, und auch einen Teil des Oberflächenbereiehs überdeckt, der den Haupt- ^h" teil der Dotierungsschicht (13) sowie einen daran angrenzenden Bereich einschließt,

— die letzte Elektrode (I62) einen Teil des Oberflächenbereichs überdeckt, der den anderen Endbereich der Dotierungsschicht (13) und "' einen daran angrenzenden Bereich einschließt, und

— der Elektrodenteil (19) einen Teil des Oberflächenbereichs überdeckt, der den nicht metallisierten Bereich der Dotierungsschicht (13) zwischen der ersten Elektrode (I61) und der letzten Elektrode (I62) und einen daran angrenzenden Bereich einschließt

4. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (I61) den auf hohem Potential Hegenden Anschluß und die letzte Elektrode (I62) den auf niederem Potential liegenden Anschluß der Dotierungsschicht (13) darstellen.

5. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Elektroden 1 bis n— 1 sich zu den jeweils anschließenden Elektroden 2 bis π hin erstrekken und nahe bei ihnen enden und

— die Elektrodenteile (19) die nicht metallisierten Bereiche zwischen den Elektroden überdecken.

Die Erfindung betrifft Widerstandselemente mit hoher Durchbruchsspannung zur Verwendung in integrierten SchaRHingen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Widerstandselemente sind z. B. aus der DE-OS 16 40 588 bekannt.

Diffundierte Widerstände werden als Widerstandselemente in integrierten Halbleiterschaltungen (ICs bzw. LSIs) allgemein angewandt. In Fig. IA ist eine schematische Draufsicht und in Fig. IB ein schematischer Querschnitt durch eine Ausführungsform eines derartigen diffundierten Widerstands in einer integrierten Halbleiterschaltung dargestellt. In den Fig. IA und IB ist eine epitaxial aufgewachsene Siliciumschicht (epitaxiale Kollektorschicht) als Halbleiterschicht 12 mit N-Leitfähigkeit auf einerr, Silkiu-nsubstrat 11 mit P-Leitfähigkeit ausgebildet. In der epitaxial aufgewachsenen N-Ieitenden Halbleiterschicht 12 sind z. B. durch Eindiffundieren erzeugte Dotierungsschichten 13 und 13' vorgesehen, die eine P-Ieitende Schich t für eine Basis bzw. eine N+ -leitende Schicht für einen Emitter bilden, wodurch ein Widerstandskörper vorliegt. Ferner sind ein isolierender Bereich 14 mit P⁺-Leitfähigkeit und eine Isolierschicht 15 aus einem elektrisch isolierenden Material wie S1O2 vorgesehen. Mit I61,162.16Ί und 16Ί sind ferner Elektroden bezeichnet, die durch Aufbringen eines Metalls wie Aluminium vorgesehen sind; 17, 17' bezeichnen die entsprechenden Kontaktlöcher.

Es ist ferner auch bekannt, daß zwei Widerstandselemente 10 und 10' in einem einzigen isolierten Bereich 12 vorgesehen sein können.

Wenn eine Dotierungsschicht 13 mit P-Leitfähigkeit bzw. eine Dotierungsschicht 13' mit N + -Leitfähigkeit in der Halbleiterschicht 12 mit N-Leitfähigkeit zur Ausbildung eines Widerstandskörpers wie in den Fig. IA und 1B vorgesehen wird, besteht die Tendenz, daß hierbei durch die beweglichen Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 15 und der Dotierungsschicht 13 oder der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 15 und der Halbleiterschicht 12 parasitäre MOS-Transistoren entstehen. In derartigen Fällen bildet sich ein leitender Kanal aus, der sich zwischen den Widerstandskörpern der Dotierungsschichten 13, 13' oder zwischen der Dotierungsschicht 13 und der zu Isolationszwecken vorgesehenen, z. B.

durch Diffusion erzeugten Bereich 14 erstreckt, wie in Fig. IA durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. was zu einer unerwünschten Veränderung des Widerstandswerts oder zur unerwünschten Entstehung parasitärer Widerstände führt.

Die Tendenz zur Erzeugung derartiger parasitärer MOS-Transistoren tritt besonders dann auf, wenn am diffundierten Widerstand eine hohe Spannung anliegt Für Anwendungafälle, bei denen eine hohe Spannung am diffundierten Widerstand angelegt wirdi, wurde daher herkömmlicherweise so verfahren, daß die Elektroden 16 und 16' zur Erzielung von Feldplatten 160 ausgedehnt wurden, die wesentliche Bereiche der Oberfläche der Dotierungsschichten 13 und 13' mit P- bzw. N+-Leitfähigkeit überdecken.

Eine aus einer einzigen Schicht bestehende Elektrode kann allerdings nicht zum Abdecken sämtlicher Oberflächenbereiche der Widerstandskörper bildenden Dotierungsschichten 13 und 13' herangezogen werden, da für jedes Widerstandselement eine auf einem hohen Potential und eine auf einem niederen Potential liegende Elektrode erforderlich sind. Aus diesosn Grund bleiben die Widerstandsbereiche 18 und 18' ohne Abdeckung mit der Elektrodenschicht, wie aus den F i g. 1A und 1B hervorgeht; diese Widerstandsbereiche 18 und 18' wirken daher noch als Source und Drain parasitärer MOS-Transistoren, für deren Ausbildung aufgrund der beweglichen Ladungsträger an der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 15 und dem Kunststoff des Package-Materials eine Tendenz besteht.

Die Wirkung derartiger parasitärer MOS-Transistoren führt zu einer unerwünschten Änderung des Widerstandswerts oder zur unerwünschten Bildung von in erster Linie nicht erforderlichen parasitären Widerständen, wie aus dem Obigen hervorgeht; das Problem, das sich mit derartigen Widerstandselementen kein normaler Betrieb erzielen läßt, wie er für Widerstandselemente in integrierten Schaltungen erforderlich ist, läßt sich daher durch die oben erläuterten herkömmlichen Anordnungen nicht lösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Widerstandselemente zur Verwendung in integrierten Schaltungen anzugeben, bei denen die Wirkung parasitärer MOS-Transistoren, wie sie bei herkömmlichen Widerstandselementen für hohe Durchbruchsspannungen trotz Verwendung von Feldplatten auftritt, unterdrückt werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfinüungsgemäßen Widerstandselemente werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig. IA eine schematische Draufsicht auf ein herkömmliches Widerstandselement mit Feldplatten,

Fig. IB eine schematische Querschnittsdarstellung des in Fig. IA dargestellten herkömmlichen Widerstandselements längs der Linie Iß-ISin Fig. IA,

Fig. 2A eine schematische Draufsicht auf eine * Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Widerslandselements.

Fig. 2B eine schcmatischc Querschnittsdarstellung des Widerstandselenients von Fig. 2A längs der Linie llß-llßvonFig. 2A.

F i g. 3A eine schematische Draufsicht auf eine andere Alisführungsform eines erfindungsgemäßen Wiclcrstanilselemcntsund

Fig.3B eine schematische Querschnittsansicht des Widerstandselements von Fig.3A längs der Linie IlIß-IIIÄvonFig^A.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 2A bis 3B näher erläutert, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen beziehen.

In den F i g. 2A und 2B sind die mit den Bezugszahlen

11 bis 18 bezeichneten Teile gleich wie entsprechende Teile in den Fig. IA und IB bzw. ihnen äquivalent; die auf hohem Potential liegende Elektrode ist mit 16i, die auf niederem Potential liegende Elektrode mit I62 bezeichnet. Die Bezugszahl 19 bezeichnet Elektrodenteile einer zweiten Elektrodenschicht bzw. Metallisierung, deren Potential gleich dem der auf hohem Potential liegenden Elektrode I61 ist. Ferner ist eine zusätzliche zweite Isolierschicht 20, die beispielsweise ähnlich wie die Isolierschicht 15 aus SiO? besteht, mit Kontaktlöchern 21 vorgesehen, über die die Elektroden 16| mit den Elektrodenteilen 19 miteinander in elektrischem Kontakt stehen.

uCi uCn ίΐΐι ig. ir-i üiiu £.v uSrgCStClliCP s-lü3iUni~Ung5-

formen erstreckt sich die auf hohem Potential liegende Elektrode I61 zur auf niederem Potential liegenden Elektrode I62 in der Weise, daß sie sehr nahe am entsprechenden Ende der auf niederem Potential liegenden Elektrode I62 endet; der Elektrodenteil 19 der zweiten Elektrodenschicht, deren Potential gleich dem der auf hohem Potential liegenden Elektrode ISi ist, erstreckt sich ebenfalls in gleicher Richtung und liegt über dem entsprechenden Endbereich der auf niederem Potential liegenden Elektrode I62, so daß sie den nicht metallisierten Widerstandsbereich 18 des Widerstandselements vollständig überdeckt. Aufgrund dieser Anordnung entstehen keine parasitären MOS-Transistoren, da das Potential der Elektrode I61 stets höher als das der Dotierungsschicht 13 ist.

Im einzelnen sind die gesamte Oberfläche des durch die P-Ieitende oder N⁺-Ieitende Dotierung^schidit 13 gebildeten Widerstandskörpers sowie die an diese Oberfläche angrenzenden Flächen von den Elektroden 16|, iö2 der ersten Elektrodenschicht und die Eiektrodenteile 19 der zweiten Elektrodenschicht in Doppelschichtanordnung überdeckt, so daß die tntstehung unerwünschter parasitärer MOS-Transistoren vollständig verhindert werden kann.

In der Praxis ist es bevorzugt, wenn die Elektroden 16|, I62 und die Elektrodenteile 19 so aufgebracht sind, daß sie die Fläche innerhalb eines Bereichs von mindestens 10 μπι von den Rändern des Widerstandskörpers aus der Dotierungsschicht 13 überdecken.

Aus den F i g. 2A und 2B geht beispielhaft hervor, daß lediglich ein Widerstand in der Halbleiterschicht 12 vorgesehen ist. Es können jedoch auch mehrere derartige Widerstände vorgesehen sein, die jeweils mit ihrer gesamten Obarfläche und den angrenzenden Flächen mit der Doppelschicht-Elektrodenanordnung überdeckt sein können.

Die Erhöhung der Potenlialdifferenz am Widerstandselement führt zu eiiier entsprechenden Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen der auf hohem Potential liegenden Elektrode I61 und der Dotierungsschxht 13 mit P-Leitfähigkeit.

Die Durchbruchspannung zwischen der Dotierungsschicht 13 mit P-Leitfähigkcit und der Halbleiterschicht

12 mit N-Leilfähigkeit ist durch diese Potcntialdiffcrenz begrenzt. Wenn die Isolierschicht 15 beispielsweise eine Dicke von I um aufweist, die Dotierungssehich! 13 2.7 um tief ist und einen Flnchcnwiderslnnd von

200Ι>/α aufweist und eine Poteniialdiffereiu von K)O V am Widerstandselement anliegt, ist die Durchbruchspannung zwischen der P-Ieitenden Dotierungsschicht 13 und der N-Ieitendcn Halbleiterschicht 12 auf etwa 100 V begrenzt.

Diese Begrenzung kann überschritten und ein Widerstandselcment mit höherer Durchbruchsspannung erzielt werden, bei dessen Betrieb keine durch parasitäre MOS-Transistoren hervorgerufenen Wirkungen auftreten, wenn eine zwischen den Elektroden der ersten Schicht liegende Zwischenelektrode mit einem Zwischenbereich der den Widerstandskörper bildenden Dotierungsschicht 13 so verbunden wird, daß hierdurch das Potential der Elektroden der ersten Elektrodenschicht auf einen geeigneten Wert begrenzt wird.

In den F i g. 3A und 3B ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Widerstandselements, bei dem eine derartige Zwischenelektrode vorgesehen ist. schematisch in der Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht dargestellt.

Bei der in den F i g. 3A und 3B dargestellten Ausführungsform ist die P-Ieitende Dotierungsschicht 13 in einem Oberflächenbereich einer N-Ieitenden Halbleiterschicht 12 ausgebildet und an ihren gegenüberliegenden Enden mit Elektroden I6i und 16? verbunden, die beispielsweise aus Aluminium bestehen. Zwischengeschaltete Elektroden 16j und I64. die beispielsweise aus Aluminium bestehen, sind mit den Bereichen der Dotierungsschicht 13 verbunden, die zwischen den gegenüberliegenden Enden liegen. Die Elektroden I61. 16j und I64 erstrecken sich zu den Elektroden I61.I64 und 16> in der Weise, daß sie nahe bei den entsprechenden Enden der Elektroden 16). I64 bzw. I6j enden. Zur Abdeckung der entsprechenden nicht metallisierten Widerstandsbereiche sind Elektrodentei-Ie 19 in der zweiten Elektrodenschicht vorgesehen.

in den F i g. 3A und 3B sind i5 eine isolierschicht, die beispielsweise aus SiO₃ besteht, und 20 eine Isolierschicht, die beispielsweise aus PII (Polyimidisoindrochinazolindion) oder SiO: besteht. ⁴

Die Bezugszahl 17 bezeichnet wiederum Kontaktlöcher, die zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden I61. 16). I64 bzw. 16₃ vorgesehen sind: die Kontaktlöche-21 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenteile 19 in der zweiten Elektrodenschicht mit den ⁴ Elektroden 16|, I6j bzw. I64 der ersten Elektrodenschicht.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des in den F i g. 3A und 3B dargestellten Widerstandselements, bei dem die aus epitaxialem Silicium bestehende Halbleiter- > schicht 12 mit N-I.eitfähigkeii eine Veriinreinigiingskon/entration von 2.5 · 10" ml ^: und eine Dicke von 35μπι besaß, wies der P-Ieitende Widerstandskörper der Dotierungsschicht 13 eine Breite von ΙΟμηι, eine ■ Länge von 50 μηι und eine Tiefe von 2.7 μηι sowie einen Flächenwiderstand von 200Ω/ηιηι-' auf: die beiden /wisJiengeschalleten Elektroden 16, und I6₄ waren durch Kontaktlöcher 17 mit zwei Zwischenbereichen der Dotierungsschicht 13 verbunden. Wenn die Polentialdifferenz zwischen den an den Enden der Dotierungsschicht 13 vorgesehenen Elektroden 16, und 16; 140 V betrug, betrug die Durchbruchsspannung /wischen der P-Ieitenden Dotierungsschicht 13 und der N-Ieiienden Halbleiterschicht 12 in diesem Falle ebenfalls 140 V. Dieses Widerstandselement war ferner vollständig frei von Wirkungen unerwünschter parasitärer MOS-Transistoren.

Die /wischengeschalteten Elektroden 16, und 16₄ können üblicherweise an den Kontaktlöchern 17 mn eier Dotierungsschicht 13 verbunden sein, die jeweils bei einem Spannungsabfall von 40 bis 50 V liegen.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, daß das Potential jedes der Elektrodenteile der zweiten Elektrodenschicht höher ist als das des darunter liegenden Bereichs des Widerslandskörpers und nicht notwendigerweise gleich dem der zugeordneten Elektrode der ersten Elektrodenschicht sein muß. die direkt damit verbunden ist. wenn von der in den Fig. 3A und 3B dargestellten Anordnung abgesehen wird. Auf diese Weise können die Elektroden der zweiten Schicht irgendein anderes geeignetes Potential aufweisen. Die Elektrodenteile 19 der zweiten Elektrodenschicht können beispielsweise mit der Elektrode I6i der ersten Elektrodenschicht verbunden sein. In diesem Fall können die Elektrodenteile 19 der zweiten Elektrodenschicht durch eine einzige ausgedehnte Elektrode erseizi sein, die mit der auf hohem Potential liegenden Elektrode 16| verbunden sein kann.

Die Dotierungsschicht 13. die bei den oben erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Widerstandselements den Widerstandskörper darstellte, umfaßt beliebige, durch thermische Diffusion erzeugte Diffusionsschichten, ferner durch Ionenimplantation oder epitaxiales Aufwachsen erzeugte oder auch beliebige andere geeignete Verunreinigungsschichten. Ferner ist festzustellen, daß die Erfindung nicht auf die angegebenen Leitfähigkeitstypen des Siliciumsubstrats 11. der Halbleiterschicht 12. der Dotierungsschicht 13 und der isolierenden Bereiche 14 beschränkt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Widerstandselemente mit hoher Durchbruchsspannung mit ~>

— einem Halbleiterkörper(ll),

— einer in einem Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers einen Widerstandskörper bildenden Dotierungsschicht (13) und ι <>

— zwei Elektroden in einer ersten Elektrodenschicht, die mit der Dotierungsschicht (13) durch entsprechende Kontaktlöcher (17) in einer ersten, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildeten Isolierschicht (15) verbunden sind, wobei die zwei Elektroden der ersten Elektrodenschicht so zueinander angeordnet sind, daß die erste Elektrode (16i) mit einem Ende der Dotierungsschicht (13) und die letzte Elektrode (I62) mit dem anderen Ende der Dotierungsschiehl (13) verbunden sind,

— und einer über der ersten Isolierschicht (15) angeordneten zweiten isolierschicht (20),