DE4022022C2

DE4022022C2 - Vertikal-Halbleitervorrichtung mit Zenerdiode als Überspannugsschutz

Info

Publication number: DE4022022C2
Application number: DE4022022A
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Fujihara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: US5077590A; DE4022022A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Halbleitervorrichtung, die einen PN-Übergang zwischen einer Substratzone und einer Elementzone verwendet, damit das auf einer Seite des Halbleitersubstrats integrierte Element nicht von einer Spannung beeinflußt wird, die an der auf der anderen Substratseite befindlichen Hauptelektrode anliegt, ist bekannt.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer Zenerdiode, wie sie in einer solchen Halbleitervorrichtung eingesetzt wird. In der Figur ist eine n⁻ Bulkschicht 3 auf ein n⁺ Siliziumsubstrat 1 geschichtet, an dessen einer Seite eine Elektrode 2 angebracht ist. Eine p⁻ Wanne 4 ist selektiv an der Seite des Substrats 1 ausgebildet, an der sich die n⁻ Schicht 3 befindet. Eine n⁺ Zone 5 ist in der dem Substrat 1 abgewandten Seite der p⁻ Wanne 4 ausgebildet. Diese n⁺ Zone 5 wird zur Kathodenzone der Zenerdiode, während die p⁻ Wanne 4 ihre Anodenzone darstellt. Eine p⁺ Zone 6, die von der Oberfläche bis zur n⁻ Schicht 3 reicht, umgibt die n⁺ Zone 5. Eine Anodenelektrode 7 der Zenerdiode kontaktiert diese p⁺ Zone 6, und eine Kathodenelektrode 8 kontaktiert die n⁺ Zone 5, jeweils im Bereich von Öffnungen eines Isolierfilms 9. Durch Verbinden der Elektrode 7 mit einer Elektrode eines anderen integrierten Elements und Verbinden der Elektrode 8 mit dem Anschluß eines weiteren integrierten Elements ist es möglich, daß die Zenerdiode eine Schutzfunktion gegen Überspannung ausübt. Die p⁺ Zone 6 oder die p⁺ Zonen 6 sind nützlich als Trennzonen und, ob wohl auf sie verzichtet werden könnte, bewirken sie die Un terdrückung des Betriebs parasitärer Elemente, die zwischen integrierten Elementen gebildet werden.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem eine bidirektionale Ze nerdiode als Schutzelement gegen eine bidirektionale Über spannung ausgebildet ist. Hier sind zwei n⁺ Kathodenzonen 5 in der p⁻ Wanne 4 ausgebildet und mit jeweiligen anderen integrierten Elementen oder Anschlüssen über sie kontaktie rende Kathodenelektroden 8 verbunden.

Diese Zenerdioden, die von der p⁻ Wanne 4 und den n⁺ Zonen 5 gemäß Darstellung in den Fig. 2 und 3 gebildet werden, sind von dem PN-Übergang zwischen der n⁻ Schicht 3 und der p⁻ Wanne 4 gegenüber einer positiven Spannung an der Elek trode 2 abgetrennt.

Wenn es erwünscht ist, die Zenerdurchbruchsspannung der in Fig. 2 oder Fig. 3 gezeigten Zenerdiode zu erhöhen, dann muß die Störstellenkonzentration in der p⁻ Wanne 4, also der Anodenzone der Zenerdiode, gesenkt werden. Wenn diese Störstellenkonzentration der p⁻ Wanne 4 gesenkt wird, wird jedoch der Gleichstromverstärkungsfaktor h_fe eines parasitären bipolaren Transistors mit der n⁺ Kathodenzone 5 als Emitter, der p⁻ Wanne 4 als Basis und der n⁻ Bulkschicht 3 und dem n⁺ Substrat 1 als Kollektor größer. Damit wird die maximale Spannung V_CEO zwischen dem Kollektor und dem Emit ter gesenkt. V_CEO liegt beispielsweise bei 90 bis 95 V, wenn die Zenerdurchbruchsspannung 5 V beträgt, und bei 80 bis 85 V, wenn die Zenerdurchbruchsspannung 10 V ist. V_CEO wird auf 50 V gesenkt, wenn die Zenerdurchbruchsspannung auf 25 V angehoben wird. Da dieses V_CEO die an die Elektrode 2 anlegbare Spannung bestimmt, das heißt die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung, bedeutet dies, daß die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung abnimmt.

Aus der DE 32 29 250 C2 ist eine Halbleitervorrichtung mit Vertikal-FET und einer Schutzdiodenanordnung bidirektionale Zenerdiodenanordnung für den FET bekannt. Die aus zwei gegensinning in Reihe geschalteten Dioden bestehende Schutzdiodenanordnung umfaßt eine auf einer Isolierschicht auf der einen Seite des Substrats angeordnete Halbleiterschicht mit horizontaler NPN Dotierung. Die eine N- Zone ist mit dem Gate des FET, die andere mit seiner Sourceelektrode verbunden. Da bei diesem Stand der Technik alle Halbleiterzonen der Schutzdiodenanordnung gegenüber dem Substrat isoliert sind, tritt das oben erläuterte Problem des parasitären Transistors nicht auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochspannungs-Halbleitervorrichtung mit einer integrierten Zenerdiode zu schaffen, die eine hohe Zenerdurchbruchsspannung aufweist, ohne daß die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung gesenkt würde.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiter vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Indem der Teil der zweiten Zone, der sich mit der ersten Zone im Kontakt befindet, eine niedrige Störstellenkonzentration aufweist, wird die Störstellenkonzentration auf der Emitterseite des Emitter-Basis-Übergangs eines parasitären bipolaren Transistors gesenkt und damit auch der Faktor h_fe verringert. Der parasitäre bipolare Transistor setzt sich aus der zweiten Zone des ersten Leitungstyps als Emitter, der ersten Zone des zweiten Leitungstyps als Basis und der übrigen Zone des Halbleitersubstrats des ersten Leitungstyps als Kollektor zusammen. Durch die vorgenannte Maßnahme wird V_CEO des parasitären bipolaren Transistors erheblich gesenkt, aber die Zenerdurchbruchsspannung der Zenerdiode, die von der Störstellenkonzentration der ersten Zone bestimmt wird, nimmt kaum ab.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer Hochspannungshalbleitervorrichtung gemäß einer Aus führungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer herkömmlichen Hochspannungshalbleitervorrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer anderen herkömmlichen Hochspannungshalbleitervorrichtung und

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Zenerdiodenteils einer Halbleitervorrichtung mit hoher Sperrspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der für Teile, die mit solchen in Fig. 2 übereinstimmen, dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Ähnlich dem Fall von Fig. 2, ist eine n⁻ Schicht 3 mit einer Störstellenkonzentration von etwa 10¹³ bis 10¹⁶ cm^-3 auf eine n⁺ Schicht 1 aufge schichtet. Eine p⁻ Wanne 4 ist durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 1 × 10¹³ cm^-3 in dieser n⁻ Schicht 3 ausgebildet. In der p⁻ Wanne 4 ist eine n⁻ Kathodenzone 51 durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 1 × 10¹² bis 3 × 10¹² cm^-3 ausgebildet. In der Kathodenzone 51 ist durch Ionenimplantation mit einer Dosis von etwa 5 × 10¹⁵ cm^-3 eine n⁺ Kathodenzone 5 ausgebildet. Zusätzlich weist die Anordnung gemäß Fig. 1 eine p⁺ Trennzone 6, eine Elek trode 2, die das n⁺ Substrat 1 kontaktiert, eine Anoden elektrode 7, die die p⁺ Trennzone 6 kontaktiert und eine Kathodenelektrode 8, die die n⁺ Kathodenzone 5 kontaktiert, in ähnlicher Weise wie im beschriebenen herkömmlichen Fall auf. Dabei stehen die Elektroden 7 und 8 mit der jeweiligen Zone über Öffnungen in einem Isolierfilm 9 im Kontakt.

Durch Ausbilden einer Zenerdiode in dieser Weise, die sich aus der p⁻ Wanne (Anodenzone), der n⁻ Kathodenzone 51 und der n⁺ Kathodenzone 5 zusammensetzte, wurde ein Wert von 92 V als V_CEO des parasitären bipolaren Transistors mit der n⁺ Zone 5 und der n⁻ Zone 51 als Emitter, der p⁻ Wanne als Ba sis und der n⁻ Schicht 3 und dem n⁺ Substrat 1 als Kollek tor ungeachtet der Zenerdurchbruchsspannung von 25 V erhal ten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine sog. bidirektionale Zenerdiode in ähnlicher Weise wie in Fig. 3 ausgebildet ist. Die Kathodenzonen beider Zenerdioden setzen sich aus jeweils einer n⁺ Zone 5 und ei ner n⁻ Zone 51, die die Zone 5 umgibt, zusammen. Hiermit konnte die Sperrspannung der gesamten Halbleitervorrichtung erhöht werden. Wenn die für die jeweiligen Zenerdioden er forderlichen Sperrspannungen voneinander verschieden sind, kann jedoch die Sperrspannung der gesamten Halbleitervor richtung dadurch erhöht werden, daß nur die Kathodenzone einer der Zenerdioden als Doppelzone ausgeführt wird.

Claims

1. Hochspannungs-Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat (1, 3) eines ersten Leitungstyps (n), in welchem ein Vertikal-Leistungshalbleiterelement mit Hauptelektroden auf beiden Seiten des Substrats sowie eine Zenerdiode als Überspannungsschutz ausgebildet sind, von denen die Zenerdiode umfaßt:
eine in einem Oberflächenbereich auf der einen Seite des Substrats (1, 3) ausgebildete erste Zone (4) eines zweiten Leitungstyps (p) und
eine in einem Oberflächenbereich der ersten Zone (4) auf der einen Seite des Substrats (1, 3) ausgebildete zweiten Zone (5, 51) des ersten Leitungstyps (n),
dadurch gekennzeichnet, daß sich die zweite Zone aus einem ersten, mit der ersten Zone (4) in Kontakt stehenden Abschnitt (51) sowie einem von der ersten Zone weiter entfernt liegenden zweiten Abschnitt (5) zusammensetzt, wobei der erste Abschnitt (51) eine geringere Störstellenkonzentration als der zweite Abschnitt (5) aufweist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer bidirektionalen Zenerdiode zwei zweite Zonen (5, 51) innerhalb der ersten Zone (4) ausgebildet sind.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone bzw. beide zweite Zonen (5, 51) von einer dritten Zone (6) des zweiten Leitungstyps und hoher Störstellenkonzentration umgeben ist bzw. sind, welche in der ersten Zone (4) ausgebildet ist und sich bis in das Substrat (1, 3) unter der ersten Zone hinein erstreckt.