DE3408285A1

DE3408285A1 - Schutzanordnung fuer einen feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE3408285A1
Application number: DE19843408285
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7101 Untergruppenbach Ohagen
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-09-19
Also published as: DE3408285C2; US4742015A

Description

TELEFUNKEN electronic GmbH Theresienstr. 2, 7100 Heilbronn

-J.

Heilbronn, den 16.02.84 PTL-HN Ma/goe HN /48

Schutzanordnung für einen Feldeffekttransistor

Die Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode unter Verwendung einer integrierten, eindiffundierten Schutzdiode. Derartige Schutzanordnungen sind beispielsweise aus der DE-OS 1639254 und aus der DE-AS 1639255 bekannt. Diese Schutzanordnungen haben den Zweck, die empfindlichen Gate-Bereiche der Feldeffekttransistoren vor Überspannungen zu schützen. Die bekannten Schutzanordnungen haben den Nachteil, daß die Schutzdioden zu weiche Kennlinien aufweisen, die im Belastungsfall, beispielsweise durch Oberflächenladungen, verschoben werden. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzanordnung anzugeben, bei der die Durchbruchseigenschaften der Schutzdiode exakt eingestellt werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Schutzanordnung der beschriebenen Art, dadurch gelöst, daß die Durchbruchsspannung der Schutzdiode durch mindestens einen Implantationsprozeß eingestellt ist.

Die Schutzdiode wird daher durch einen kombinierten Diffusion-Implantationsprozeß hergestellt, so daß die Durchbruchskennwerte der Schutzdiode leicht und exakt eingestellt werden können. Ferner hat sich gezeigt, daß die Schutzanordnung auch nach mehrfacher Belastung der Schutzdiode im Durchbruchsbereich ihre Eigenschaften

- κ.

weitgehend unverändert beibehält.

Die Schutzdiode kann als gesondertes Bauelement in dem die Feldeffekttransistoren enthaltenden Halbleiterkörper angeordnet werden. Ferner ist auch eine Kombination der Schutzdiode für bestimmte Anwendungszwecke der Feldeffekttransistoren mit der Source-Zone bzw. der Drain-Zone möglich. Dann bildet ein Teilbereich des Source-Substrat- bzw. des Drain-Substrat-Übergangs die Schutzdiode.

Die Durchbruchsspannung der Schutzdiode kann auch durch zwei aufeinanderfolgende Implantationsprozesse eingestellt werden, wobei ein Implantationsprozeß gleichzeitig die Oberflächendotierung des Halbleiterbauelementes außerhalb des Diodenbereiches erhöht, um die Feldinversionsspannung auf einen Wert anzuheben, der oberhalb der Versorgungsspannung der Schaltung liegt. Ausgenommen von den Implantationsprozessen wird dann nur der Transistorbereich bzw. der Kanalbereich der Feldeffekttransistoren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung soll nachstehend noch anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Hierzu zeigt die Figur 1 den prinzipiellen Aufbau der Schutzschaltung.

In den Figuren 2 bis 6 sind verschiedene Fertigungs-Stadien dieser Schutzschaltung dargestellt.

Die Figur 7 zeigt eine abgewandelte Schutzschaltung mit einem Vorwiderstand.

Die Figur 8 zeigt die realisierte Schutzschaltung gemäß Figur 7.

Figur 9 zeigt eine weitere Variante der Schutzschaltung.

Figur 10 zeigt die Realisierung der Schutzschaltung gemäß Figur 9.

In Figur 1 ist ein MOS-Feldeffekttransistor (2) dargestellt, dessen Substrat auf Bezugspotential liegt. Parallel zur Gate-Substrat-Strecke ist eine Schutzdiode 1 geschaltet, die mit ihrer Kathode an die Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors angeschlossen ist. Die Durchbruchsspannung der Schutzdiode 1 muß unterhalb der Durchbruchsspannung des Gateoxyds liegen, damit eine irreversible Zerstörung des Feldeffekttransistors verhindert wird.

Zur Herstellung der Schutzschaltung gemäß Figur 1 wird entsprechend Figur 2 ein beispielsweise n-leitender Siliziumhalbleiterkörper 11 zunächst einer ersten Feldim plantation D.. ausgesetzt. Das Implantationsgebiet ist etwas größer, als der für die Schutzdiode vorgesehene Oberflächenbereich. Alle übrigen Teile der Halbleiteroberfläche sind mit einer Maskierungsschicht 13 und mit einer Photolackschicht 12 abgedeckt, wobei die Photolackschicht 12 zur Öffnung des Implantationsfensters dient. Die Isolierschicht 13 besteht beispielsweise aus 0,1 μπι dickem Siliziumdioxyd, während die Lackschicht 12 beispielsweise 1 μπι dick ist. Die Feldimplantation erzeugt im Halbleiterkörper einen Implantationsbereich 7, der Störstellen enthält, die nach ihrer Ausheilung den n-Leitungstyp erzeugen. Die Eindringtiefe des Bereichs 7 beträgt beispielsweise 0,2 μπι. Die implantierten Ionen können beispielsweise Phosphoroder Arsen-Ionen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Implantationsprozeß so ausgebildet, daß

nach Beendigung aller weiteren Diffusions- und Hochtemperaturprozesse eine Durchbruchspannung von ca. -27 V erreicht würde. Die Aktivierung der implantierten Ladungsträger erfolgt erst nach einem zweiten Implantationsschritt.

Gemäß Figur 3 wirkt die zweite Feldimplantation D₂ auf einen größeren Bereich der Halbleiteroberfläche ein. Die Halbleiteroberfläche bleibt nur in den Bereichen mit einer Oxydschicht 13 und einer Lackschicht 12a abgedeckt, die für die Aufnahme des eigentlichen Feldeffekttransistors vorgesehen sind. In alle übrigen Oberflächenbereiche werden Störstellen, beispielsweise Phosphor oder Arsen implantiert, wobei wiederum eine Eindringtiefe von ca. 0,2 um vorgesehen ist. Im ersten Implantationsbereich 7 summieren sich die implantierten Ladungsträger, so daß ein Bereich 7a entsteht, in den Ladungsträger beispielsweise mit einer Gesamtdosis von

12 2

5,4 χ 10 Ionen je cm implantiert wurden. Diese Gesamtdosis würde nach Beendigung aller Hochtemperaturprozesse eine Abbruchspannung der Schutzdiode von ca. -23 V bewirken.

Im übrigen Feldbereich führt die Implantationsdosis D₂ zu einer Erhöhung der Feldinversionsspannung, da die oberflächenahen Bereiche nach Ausheilung der implantierten Ladungsträger eine erhöhte Störstellenkonzentration aufweisen.

Gemäß Figur 4 werden nun in den Grundkörper mit Hilfe einer Oxydmaske 16 p-leitende Zonen 4, 5 und 9 durch eine Vordiffusion eingebracht. Das Störstellenmaterial ist beispielsweise Bor und die Eindringtiefe der Zonen 4, 5 und 9 beträgt ca. 0,3 - 0,4 um. Die Zone 9 bildet zusammen mit dem Grundkörper 11 die Schutzdiode, deren

pn-übergang an der Halbleiteroberfläche von einem hochdotierten η-leitenden Gebiet 7a, das durch die beiden Implantationsprozesse erzielt wurde, umgeben ist. Am Randbereich 10 zwischen dem pn-übergang 9a der Schutzdiode und dem hochdotierten Oberflächenbereich 7a, erfolgt bei Belastung der Schutzdiode in Sperrichtung der Spannungsdurchbruch, durch den das Gateoxyd vor der Zer störung geschützt wird. Die p-leitenden Zonen 4 und 5 bilden die Source- bzw. die Drain-Zone des Feldeffekttransistors.

Die Eindiffusion der Zonen 9, 4 und 5 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Nach der bereits erwähnten Vordiffusion, bei der eine Eindringtiefe von ca. 0,35 μπι erreicht wird, wird die Eindringtiefe der Diffusionszonen in einem weiteren Temperprozeß vergrößert. Bei 1000 ⁰G und einer Diffusionsdauer von 320 min erhält man eine Eindringtiefe von ca. 2,1 μπι, bei einer 20

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Oberflächenkonzentration von ca. 6 χ 10 Atome je cm

Gemäß Figur 5 wird sodann das Gateoxyd 18 und das Feldoxyd 17 in den übrigen Oberflächenbereichen der Halbleiteranordnung hergestellt. Hierzu wird vorzugsweise in das erhaltene Feldoxyd 17 über einen Lack- und Ätzprozeß eine Öffnung oberhalb dem Gatebereich eingebracht, um das Gateoxyd 18 dann in einem gesonderten Oxidationsprozeß zu erzeugen. Dieser Oxidationsprozeß wird beispielsweise bei 1000 ⁰G in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt. Die Dicke der Gateoxydschicht beträgt beispielsweis 0,12 μπι. Die Gateoxydschicht 18 kann noch mit Phosphorglas passiviert werden, indem Phosphor bei einer Temperatur von ca. 1050 ⁰G auf das Gateoxyd einwirkt. Die Durchbruchsspannung einer derart

hergestellten Gateoxydschicht beträgt ca. 60 bis 80 V. Das Feldoxyd 17 hat eine Dicke von ca. 1,1 μΐη.

Zur Aktivierung der implantierten Ladungsträger wird in einer Stickstoffatmosphäre ein weiterer Temperaturprozeß bei ca. 800 ⁰C während einer Dauer von ca. 60 Minuten durchgeführt. Schließlich werden gemäß der Figur 6 Kontaktbereiche in der Feldoxydschicht 17 geöffnet. In der Figur 6 ist nur der Anschlußkontakt an die Zone 9 der Schutzdiode dargestellt. Dieser Anschlußkontakt 20 wird über eine Leitbahn 19 mit der Gatemetallisierung verbunden, um die Schutzwirkung der Diode herzustellen. Die Leitbahn 19 kann aus Aluminium bestehen. Auf das Leitbahnsystem kann noch eine pyrolytische Oxydschicht 21 als Schutzschicht aufgebracht werden. In diese Schutzschicht 21 müssen sodann die Kontaktierungsöffnungen 22 für die Leitbahnen eingebracht werden.

In Figur 7 ist eine Variante der Schutzschaltung nach Figur 1 dargestellt. Hier ist dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 2 noch zusätzlich ein Widerstand 6 vorgeschaltet. Dieser Widerstand hat eine Größenordnung von ca. 1 kOhm und begrenzt den Strom durch die Schutzdiode 1. Die Realisierung dieser Schaltung ergibt sich aus der Figur 8. Der Widerstand 6 besteht aus dem Bahnwiderstand eines Teils der p-leitenden Zone 9, die mit dem η-leitenden Grundkörper 11 die Schutzdiode bildet. Hierzu wird die p-leitende Zone 9 an ihrem vom Feldeffekttransistor abgewandten Ende an der Anschlußstelle 20 von der Verbindungsleitbahn 14, die zum Eingang der Schaltung führt, kontaktiert. An dem dem Feldeffekt transitor benachbarten Ende befindet sich der Diodenkontakt, der über eine Leitbahn 19 mit der Gatemetallisierung über dem Gateoxyd 18 verbunden ist. Im Be-

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reich des Diodenkontaktes enthält die p-leitende Zone 9 zusätzlich das Implantationsgebiet 7a, das beiden Implantationsprozessen ausgesetzt war und das sich über den dem Feldeffekttransistor benachbarten Rand des pn-Überganges 9a der Schutzdiode hinaus erstreckt. Dadurch kommt im Randbereich 10 der p-leitenden Zone 9 eine deffinierter Spannungsdurchbruch zustande, wenn die Sperrspannung an der Schutzdiode einen bestimmten Schwellwert überschreitet, da das Oberflächengebiet im Randbereich 10 außerhalb der Zone 9 eine sehr hohe n-Störstellenkonzentration aufweist. Der nur einem Implantationsprozeß ausgesetzte Oberflächenbereich 8 kann sich auch, wie in Figur 8 dargestellt, in die Source- bzw. Drain-Zone 4 und 5 erstrecken, wodurch das Durchbruchspotential dieser Zonen auf einen Wert herabgesetzt wird, der oberhalb der Durchbruchsspannung der Schutzdiode aber unterhalb der Durchbruchsspannung des Gateoxydes liegt. Der Halbleitergrundkörper ist noch mit einem ohmschen Rückseitenkontakt 15 versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Goldkontakt handeln.

Figur 9 zeigt einen abgewandelten Schaltungsaufbau für eine Schaltung, bei der die Signale über die Drain- bzw. Source-Zone zur Zerstörung der Gate-Oxyd-Schicht führen könnten. Der Feldeffekttransistor 2 wird hierbei über eine Logik aus den Feldeffekttransistoren 23 und 24 an der Gate-Elektrode angesteuert und kann über diese Logik auf Bezugspotential gelegt werden. Die Drain- und die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 2 sind dagegen als offene Anschlüsse aus der Schaltung herausgeführt. Bei diesem Fall wird das Gate-Oxyd durch Schutzdioden 1a und 1b geschützt, die zwischen die Drain-Zone und das Substrat bzw. zwischen die Source-Zone und das Substrat geschaltet sind. Diese Schutzdioden 1a und Ib können gemäß der Figur 10 durch

Teilbereiche 4a bzw. 5a der Source-Zone 4 bzw. der Drain-Zone 5 gebildet werden. Der Oberflächenbereich 7a, der beiden Implantationsprozessen ausgesetzt war, erstreckt sich somit in die Source- und die Drain-Zone hinein und überlappt deren pn-Übergänge an ihrem dem Gate abgewandten Ende. Nur der Oberflächenbereich unterhalb des Gate-Oxyds 18 und die unmittelbar daran angrenzenden Bereiche der Source- und der Drain-Zone bzw. 5 weisen somit keinen implantierten Oberflächenbereich auf. Die Source- und die Drain-Zone 4 bzw. 5 werden über Leitbahnen 25 und 26 an den Stellen kontaktiert, die den implantierten Oberflächenbereich 7a aufweisen. Ein definierter Spannungsdurchbruch erfolgt dann in den Randbereichen 10 am vom Kanal abgewandten Ende der p-leitenden Zonen 4 und 5, da dort das beiden Implantationsprozessen ausgesetzte Oberflächengebiet außerhalb des pn-Überganges sehr stark η-dotiert ist. Weitere Bereiche der Oberfläche des Grundkörpers 11 wurden zur Bildung der Oberflächenschicht 8 nur einem Implantationsprozess unterworfen, durch den die Ladungs trägerkonzentration an der Oberfläche und damit die Feldinversionsspannung erhöht wurde. Die Anschlußkontaktöffnungen an die Leitbahnen 25, 26 sind in Figur mit 22a und 22b bezeichnet. Die übrigen Bereiche der Oberfläche können mit der Oxydschicht 21 passiviert werden. Die Halbleiteranordnung weist außerdem den Rückseitenkontakt 15, der beispielsweise aus Gold besteht, auf.

Die beschriebenen Halbleiteranordnungen können sowohl Verarmungs- als auch Anreicherungsfeldeffekttransistoren enthalten. Der Grundkörper kann, wie beschrieben, η-dotiert aber auch p-dotiert sein. Im letzteren Fall werden Ladungsträger implantiert, die im Halbleiterkörper den p-Leitungstyp erzeugen. Es ist noch daraufhinzuweisen, daß durch die Implantationsprozesse keine

- y- λα.

Umdotierung der Zonen 4, 5 und 9 vom zum Grundkörper entgegengesetzten Leitungstyp an der Halbleiteroberfläche erfolgt, sondern daß in den Implantationsbereichen innerhalb der genannten Zonen die Implantation eine Reduzierung der Oberflächenkonzentration bewirkt. Entscheidend ist, daß der Spannungsdurchbruch nicht unmittelbar an der Halbleiteroberfläche, sondern im Inneren der Schutzzonen erfolgt und zwar in dem Randbereich, wo die pn-Übergänge der Schutzzonen an die hochdotierten Oberflächenbereiche außerhalb dieser Schutzzonen anstoßen.

Claims

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TELEFUNKEN electronic GmbH Theresienstr. 2, 7100 Heilbronn

Heilbronn, den 16.02.84 PTL-HN Ma/goe HN /48

Patentansprüche

Schutzanordnung für einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode unter Verwendung einer integrierten, eindiffundierten Schutzdiode, deren Durchbruchsspannung kleiner ist als die der Gate-Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsspannung der Schutzdiode (1) durch mindestens einen Implantationsprozeß eingestellt ist.
2) Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (1) als gesondertes Bauelement ausgebildet ist und mit ihrer einen Elektrode mit dem Gate (3) des Feldeffekttransistors (2) verbunden ist.
3) Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (1) aus einem Teilbereich (4a, 5a) des Source-Substrats bzw. des Drain-Substrat-Übergangs besteht.
4) Schutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzdiode (1) ein diffundierter Widerstand (6) vorgeschaltet ist.
5) Schutzanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der diffundierte Widerstand (6) einen Wert von ca. 1 kOhm aufweist.
6) Schutzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der implantierte

Bereich (7 bzw. 8) der Schutzdiode (1) den diffundierten Bereich (9, 4, 5) zumindest an einem für den Durchbruch bestimmten Randbereich (4a, 5a, 10) überlappt.
7) Schutzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierten Störstellen den Leitungstyp des Substrats (11) des Halbleiterbauelementes erzeugen, während die eindiffundierten Störstellen zur Bildung der Source-Zone (4), der Drain-Zone (5) und des Dioden-pn-Überganges (4a, 5a, 9a) den zum Substrat (11) gegengesetzten Leitungstyp erzeugen.
8) Verfahren zum Herstellen einer Schutzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche des Substrats (11) vom ersten Leitungstyp in dem für die Schutzdiode (1) vorgesehenen Oberflächenbereich erste, den ersten Leitungstyp erzeugende Störstellen, implantiert werden, daß danach in die Oberfläche des Substrats mit Ausnahme des für den Feldeffekttransistor vorgesehenen Bereichs, zweite, den ersten Leitungstyp erzeugende Störstellen implantiert werden und daß schließlich die Source- und Drain-Zone und eine dritte, die Schutzdiode bildende Zone vom zweiten Leitungstyp, in das Substrat eindiffundiert werden.
9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für Schutzdioden vorgesehenen Oberflächenbereiche des Substrats (11) mit den äußeren Randbereichen (4a, 5a) der Source- und Drain-Zonen (4, 5) zusammenfallen und die implantierten Störstellen mindestens eines Implantationsprozesses in diese Randbereiche eingebracht werden.