DE2349986A1

DE2349986A1 - Kapazitaetsschaltung

Info

Publication number: DE2349986A1
Application number: DE19732349986
Authority: DE
Inventors: Noboru Horie; Fumihito Inoue; Yoshiji Nakajima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-10-04
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1974-05-02
Also published as: NL7313457A; GB1450561A; JPS551704B2; FR2202371A1; FR2202371B1; US3962718A; US4025802A; JPS4958726A

Description

Kapazitätsschaltung
(Priorität: 4. Oktober 1972, Japan, Nr. 99061)

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsschaltung, insbesondere die Übergangskapazität einer integrierten Halbleiter schal-

tung.

Fig.
und

2a 2b

Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand

der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: '

Fig. 1 das Schaltbild eines Hochpaßfilters; Vertikalschnitte von integrierten Halbleiterschaltungen, die die Schaltung der Fig. 1 verkörpern;

Fig. 3 einen perspektivischen Querschnitt einer Zenerdiode mit der Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 4 ein Diagramm der Störpegelcharakteristik einer Zenerdiode;

Draufsicht bzw. Querschnitt des Hauptausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 6 das Ersatzschaltbild eines Teils der Schaltung der , Fig. 5;

5a 5b

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Fig. 7a, 7b, Draufsichten bzw. Querschnitte weiterer Ausführungs-.

^{a 1}^¹¹ beispiele der erfindungsgemäßen Schaltung; und Pig. 9 · Vertikalschnitte weiterer Ausführungsbeispiele der ^{bis 11} Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine Emitterfolger-Detektor- oder -Demodulatorschaltung für Farbfernseher, bei der ein Filter aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 an den Kollektor eines Detektortransistors TR angeschlossen ist, um zu verhindern, daß hohe Frequenzen zur Spannungsquelle Vcc durchschlagen. Bei der Herstellung einer solchen Schaltung in Form einer'integrierten Halbleiterschaltung wurde bisher der Kondensator 01 für das Filter aus einem Halbleiterübergang hoher Kapazität gebildet (Fig. 2a, 2b), bei dem ein pn-übergang zwischen einem η -leitenden eingebetteten Bereich 4 und einem ρ -leitenden isolierten Bereich 5 in einem Halbleitersubstrat (mit Schichten 1 und 2·) verwendet wird. Bei diesem Aufbau entstehen jedoch oft starke Störungen.

Die Durchbruchspannung eines pn-Überganges wird durch die Verunreinigungskonzentration des n⁺-leitenden eingebetteten Bereichs und des ρ -leitenden isolierten Bereichs bestimmt. Wird an den Kondensator C1 der integrierten Schaltung eine die Durchbruchspannung übersteigende Spannung angelegt, so tritt ein Durchbruch auf. Dabei erzeugt der Kondensator C1 hohe impulsartige Störungen, so daß das Störungsverhalten der integrierten Schaltung verschlechtert wird. Diese impulsartigen Störungen beim Durchbruch des pn-Überganges sind weitgehend dem Mikroplasma-Durchbruch zuzuschreiben, bei dem es sich um eine ungleichförmige Avalanche-Erscheinung handelt. Der Mikroplasma-Durchbruch beginnt an einem kleinen Durchbruchpunkt mit einem Durchmesser von etwa 1 /U und führt, bei unregelmäßigen

zu /

Breiten einem transienten Durchbruchbereich zu Impulsströmen von etwa 10 bis 100/uA.

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Die Durchbruchspannung des Übergangskondensators kann durch Absenken der Verunreinigungskonzentration im Übergangsbereieh angehoben.werden. Dabei wird jedoch die Kapazität bei gleicher Fläche des Elements kleiner. Wenn also ein Kondensator mit einer bestimmten Kapazität hergestellt werden soll, wird die Fläche des Kondensators größer. Dies führt zu einer größeren Fläche für die gesamte integrierte Schaltung und damit zu einer Verminderung der Ausbeute.bei der Herstellung integrierter Schaltungen.

Außerdem ändern sich bei Absenkung der Verunreinigungskonzentration andere Parameter. Beispielsweise ändert sich der Kollektor-Reihenwiderstand r„« des Transistors in der integrierten Halbleiterschaltung, so daß die integrierte Schaltung unerwünschte Eigenschaften erhält.

■t

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, bei der beim Durchbruch eines Halbleiter-Übergangskondensators keine Störungen auftreten, und mit der die Ausbeute bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen erhöht werden kann.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß der Störpegel einer Zenerdiode (für die gemäß Fig. 3 der Emitter-Basis-Übergang eines Transistors verwendet wird) umgekehrt proportional ist der Stromdichte in der Diode,' und daß ihre Kennlinie der im Diagramm der Fig. 4 gezeigten Kurve folgt (IEEE JOURKAI OF SOLID-STATE CIRCUITS, December 1971, Seiten 366 bis 376, "Five-Terminal i 15V Monolithic Regulator").

Parallel zum Halbleiterübergangskondensator ist eine Zenerdiode geschaltet, deren Zenerspannung geringer als die Durchbruchspannung des pn-Übergangskondensators ist, so daß ein Durchbruch des Übergangskondensators verhindert und somit die Entstehung von Störungen am Kondensator vermieden wird. Ferner

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- wr' der ÜbergangsbereLch klein, wodurch der Störpegel der Zenerdiode unterdrückt werden soll.

Die erfindungsgemäße Kapazitätsschaltung zeichnet sich aus durch ein Kapazitätseleinent, das eine Durchbruchcharakteristik aufweist und beim Durchbruch Störungen/erzeugt, und durch ein Konstantspannungselement, dessen Durchbruchspannung geringer ist als die des Kapazitätselementes. Beide Elemente sind miteinander parallelgeschaltet. Das Konstantspannungselement wird in einen Durchbruchbereich vorgespannt.

Fig. 5a und 5b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung. In einem p-leitenden Halbleitersubstrat 1 und einer η-leitenden epitaktischen Halbleiterschicht 2 ist ein Übergangskondensator C aufgebaut, und zwar aus der elektrostatischen Kapazität der Verarmungsschicht des pn-Überganges zwischen dem n⁺-leitenden eingebetteten Bereich 4¹ und einem Teil 5" eines ρ -leitenden isolierten Bereichs 5· Auf der Oberfläche der η-leitenden Halbleiterschicht 2 ist eine Zenerdiode Dz aus

2 einem pn-übergang mit kleiner Übergangsfläche (etwa 10 χ 20/U ) aufgebaut, und zwar zwischen 'einem p-leitenden, gleichzeitig mit der Basisdiffusion ausgebildeten Bereich 12 und einem η -leitenden, gleichzeitig mit der Emitterdiffusion ausgebildeten Bereich 11. Der Übergangskondensator C und flie Zenerdiode Dz sind also gemäß dem Ersatzschaltbild der Fig. 6 zueinander parallelgeschaltet. Die Schaltungen der Fig. 5a und 5b enthalten ferner einen SiOp-Oberflächenschutzfilm 3» einen Kollektorbereich 6, einen Basisbereich 7, einen Bmitterbereich 8, einen η -Kollektorkontakt 9, einen Emitteranschluß. 13» einen Basisanschluß 14, einen Kollektoranschluß 15 und Kondensatoranschlüsse 16 und 17.

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Die Zenerdiode Dz verwendet als Zenerspannung Vz die umgekehrte Gegenspannung zwischen dem n -Diodenkontakt 11 und dem diffundierten p-leitenden Bereich 12.

Die Zenerdiode ist bei diesem Ausführurigsbeispiel so aufgebaut, daß der n⁺-leitende Diodenkontakt 11 der Fig. 2b verlängert ist und mit dem p-leitenden Diodenbereich 12 einen pn-übergang bildet.

Da bei der Schaltung der Fig. 5 der p⁺-leitende isolierte Bereich 5 an Masse geführt ist, liegt auch der Kondensatoranschluß 17 an Masse. Der Kondensator wird also als Massekondensator verwendet. Die Zener-Stromdichte wird bei diesem Ausführungs-

C ρ

beispiel zu etwa 1x10 mA/cm gewählt, um den Störpegel der Zenerdiode zu unterdrücken.

Die Bestandteile Ci bis 03 des Halbleiter-Übergangskondensators (oder Massekondensators) C haben die folgende Beziehung:

C = C1 + 02 + C3
(wenn 01 > 02). '
Darin sind:

C1 Übergangskapazität zwischen dem η -leitenden eingebetteten Bereich 4¹ und dem ρ -leitenden isolierten Bereich 5"»

02 Übergangskapazität zwischen einem epitaktischen n-leitenden Bereich 10 und dem diffundierten pleitenden Bereich 12,

03 Übergangskapazität zwischen η -leitendem Kontaktbereich und p-leitendem Bereich 12.

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Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau können folgende Vorteile erreicht werden:

1. Verhinderung von Störungen

Bei integrierten Schaltungen liegen die Durchbruchspannungen von pn-Übergängen zwischen dem isolierten ρ -leitenden Bereich und dem eingebetteten η -leitenden Bereich unregelmäßig zwischen 8 und 15 V. Die »Durchbruchspannungen von Übergängen zwischen' dem diffundierten η -leitenden Emitterbereich und dem diffundierten p-leitenden Basisbereich liegen zwischen 6,5 und 8 V. Daher ist die Durchbruchspannung eines als Halbleiterübergang ausgebildeten Kondensators, der aus einem eingebetteten, η -leitenden Bereich und einem isolierten ρ -leitenden Bereich besteht (Fig. 5a und 5b) höher als die Zener-Durchbruchspannung der Zenerdiode, die aus dem η -leitenden, bei der Emitterdiffusion hergestellten Bereich und dem bei der Basisdiffusion gebildeten p-leitenden Bereich besteht. Wie bereits erwähnt, ist das Ersatzschaltbild des Halbleiter-Übergangskondensators ö und der Zenerdiode Dz der Fig. 5a und 5b in Fig. 6 gezeigt. Die Elemente sind parallel zueinander geschaltet.

Da die Übergangsfläche der Zenerdiode zwischen dem η -leitenden und dem p-leitenden Bereich klein ist, ist die Zenerstromdichte ausreichend groß. Daher macht sich dieser Störpegel der Zenerdiode in deren Durchbruchbereich kaum bemerkbar.

Da ferner die Zenerdiode parallel zum Halbleiter-Übergangskondensator geschaltet ist, wird die Spannung am-Übergangskondensator auf die Zenerspannung festgelegt, die niedriger ist als die Durchbruchspannung des Kondensators. Daher gelangt der Halbleiter-Übergangskondensator nie in den Durchbruchbereich, so daß keine durch das Kikroplasma bedingten Störungen erzeugt werden.

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2. Herstellungsverfahren

Aus den oben dargelegten Gründen haben erfindungsgemäß hergestellte integrierte Schaltungen bessere Störeigenschaften, so daß der' Anteil der Ausfälle abgesenkt wird. Wenn auf Nichterfüllung der geforderten Störeigenschaften beruhen. Die Anwendung der Erfindung führt also zu einer höheren Ausbeute bei der Herstellung.

Damit ergeben sich folgende weitere Vorteile:

1 . Die Elementfläche braucht nicht erhöht zu werden. Bekanntermaßen wurden Störungen beim Durchbruch des Übergangskondensators dadurch verhindert, daß die Durchbruchspannung des Überganges angehoben wurde, um hierdurch einen Durchbruch des Übergangskondensators zu vermeiden. Zur Anhebung der Durchbruchspannung des Halbleiter-Übergangskondensators von integrierten Schaltungen muß die Verunreinigungskonzentration in der Nähe des Übergangs abgesenkt werden, so daß die Kapazität je Flächeneinheit des Halbleiters unvermeidlich verringert wird. Daher mußte bei Herstellung eines Halbleiter-Übergangskondensators mit gleicher Kapazität und höherer Durchbruchspannung die Übergangsfläche erhöht werden.

Demgegenüber werden die Störungen beim Durchbruch des Übergangskondensators erfindungsgemäß verhindert, ohne die Durchbruchspannung des Halbleiter-Übergangskondensators anzuheben. Daher braucht die Verunreinigungskonzentration nicht abgesenkt und die Übergangsfläche nicht vergrößert zu werden. Daher ist wiederum die Erhöhung der Fläche eines Typs der integrierten Halbleiterschaltung, die auf die Erhöhung der Übergangsfläche des Halbleiter-Übergangskondensators zurückzuführen ist, vermeidbar.

Die Erhöhung der Fläche eines Chips der integrierten Halbleiterschaltung ist bei der Herstellung nicht nur deshalb ein Problem, weil die Kosten durch Verringerung der Anzahl aus einem - einzelnen Plättchen erhältlicher Chips eine Kostenerhöhung mit sich

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--ersondern weil die Defekte im Chip proportional zur Fläche desselben und damit der Fehleranteil ansteigen, womit eine weitere Absenkung der Herstellungsausbeute von integrierten Halbleiterschaltungen einhergeht.

2. Die Anzahl der Herstellungsschritte wird nicht erhöht. Gemäß Fig. 5a und 5b ist die Zenerdiode aus dem p-leitenden und dem η -leitenden Bereich in der integrierten Schaltung aufgebaut. Der erstere Bereich wird gleichzeitig mit der Basisdiffusion für den Transistor, der letztere gleichzeitig mit der Emitterdiffusion ausgebildet. Eine besondere Behandlung ist also nicht erforderlich.

3. Die Eigenschaftend er integrierten Schaltung werden verbessert. Die Erhöhung der Durchbruchspannung des Halbleiter-Übergangskondensators erfolgt durch Absenkung der Verunreinigungskonzentrationen in der Nachbarschaft des Überganges. Dies führt jedoch, wie erwähnt, zu unerwünschten Änderungen der Eigenschaften der integrierten Schaltung. Die Eigenschaften der integrierten Schaltung ändern sich bei Absenkung der Verunreinigungskonzentration des η -leitenden eingebetteten Bereichs und bei Absenkung der Verunreinigungskonzentration des p⁺-leitenden isolierten Bereichs folgendermaßen:

A. Absenkung der Verunreinigungskonzentration des η -leitenden eingebetteten Bereichs: Der η -leitende eingebettete Bereich ist deshalb vorgesehen, um den Kollektor-Reihenwiderstand ^rSC ^^es ^^ransi^s"t°^rs i-ⁿ der integrierten Schaltung zu verringern. Die Verringerung der Verunreinigungskonzentration des η -leitenden eingebetteten Bereichs führt daher zu einem hohen Widerstand Ton» was folgende Verschlechterungen der Transistoreigenschaften nach sich zieht: die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung V—, (Sat) wird erhöht und die Grenzfrequenz fm verringert.

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-4T-

B". Absenkung der VerunreinigungskonzentiJation des p⁺-leitenden isolierten Bereichs: Die Tiefe der Diffusionsschicht wird durch die Oberflächen-Verunreinigungskonzentration und die Diffusionszeit beeinflußt. Bei Verringerung der Verunreinigungskonzentration der ρ -Diffusion' ist eine lange Diffusionszeit für den ρ -Isolationsbereich notwendig, um zu dem p-leitenden Halbleitersubstrat zu kommen.Wenn Dispersionen der epitaktischen Schichten in der Stärke und Konzentration auftreten, besteht die Gafahr, daß der isolierte Bereich nicht zum Substrat gelangt. Damit besteht die Gefahr, daß Produkte mit unvollständiger Elementisqlation entstehen und die Produktionsausbeute verschlechtert wird.

Im Gegensatz dazu braucht erfindungsgemäß zur Anhebung der Durchbruchspannung des Halbleiter-Übergangskondensators die Verunreinigungskonzentration des n⁺-leitenden eingebetteten Bereichs und des ρ -leitenden isolierten Bereichs nicht verringert zu werden. Der Herstellungsprozeß ist daher praktisch der gleiche wie bei bekannten Schaltungen. Es ist daher keine lange Diffusionszeit notwendig und die .Eigenschaften der integrierten Schaltungen werden nicht verändert.

Im folgenden werden einige weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kapazitätsschaltung erläutert.

Bei dem in Fig. 7a und 7b gezeigten Ausführungsbeispiel· ist die Zenerdiode Dz aus dem p⁺-leitenden isolierten Bereich 5 und dem η -leitenden Bereich 11 aufgebaut, der bei der Diffusion des Emitterbereichs 8 ausgebildet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8a und 8b wird die ρ -leitende Schicht 5" im Halbleiter-Übergangskondensator C getrennt vom isolierten Bereich 5 hergestellt, und zwar üblicher-· weise so, daß er nicht an Masse geführt ist.

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Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 9 und 10 wird der Basis-Emitter-.Übergang eines npn-Transistors als Zenerdiode verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 11 wird der Halbleiter-Übergangskondensator unter Verwendung des η -leitenden Bereichs 11 , der bei der Emitterdiffusion für den Transistor gebildet wird, und unter Verwendung des p-leitenden Bereichs 12 hergestellt, der bei der Basisdiffusion gebildet wird, während die Zenerdiode aus einem bei der Emitterdiffusion gebildeten η leitenden Bereich 11 ' und einem p-leitenden Bereich 12' hergestellt wird, der mit höherer Konzentration diffundiert wird als bei der Basisdiffusion.

Die Erfindung istnicht auf integrierte Schaltungen beschränkt. Der Kondensator kann durch ein beliebiges Kapazitätselement ersetzt werden, das beim Durchbruch Störungen erzeugt. Die Zenerdiode kann durch ein beliebiges anderes Konstantspannungs— element ersetzt werden, dessen Durchbruchspannung niedriger ist als die des Kapazitätselements und dessen Störpegel wenigstens in einem Teil des Durchbruchbereichs geringer ist als der des Kapazität selements.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist mit Ausnahme für Koppelkondensatoren zum Abblocken eines Sieichstroms für sämtliche Arten von Kapazitätsschaltungen geeignet. Da erfindungsgemäß parallel zum Kondensator eine Zenerdiode geschaltet ist, fließen die Gleichstromkomponenten durch die Zenerdiode.

Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich auch für einen Kondensator zur Speicherung einer Gleichspannung und zur Zufuhr eines hochfrequenten Stroms in einem Hochpaßfilter oder dergleichen. . ■

Patentanspruch

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Claims

PATENtAHSPRUGH DA-10821

' Kapazitätsschaltung mit einem Kapazitätselement, das eine Durchbruchcharakteristik aufweist und beim Durchbruch Störungen erzeugt, gekenn z-eichnet durch ein Konstantspahnungselement (Dz), dessen Durchbruchspannung geringer ist als die des Kapazitätselements und dessen Störungseigenschaften besser als die des Kapazitätselements (C) sind, wobei Kapazitätselement und Konstantspannungselement parallel zueinander geschaltet sind.

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