DE4229307A1 - Überspannungsableiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, welches mikroelektronische Syste­ me, die in der Regel eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen, sicher vor der Zerstörung durch Transientenspannungen (die innerhalb weniger Mikrosekunden eine Größe von eini­ gen kV annehmen können) schützt. Der absolute Schutz mikroelektronischer Systeme ist, physikalisch bedingt, nur durch Halbleiterstrukturen möglich, die ein ganz spezifisches Schaltverhalten aufweisen.

Derartige überspannungsableitende Halbleiteranordnungen sind aus EP 0.088. 179 und USP 4.262.295 bekannt. Dort sind mehrere Halbleiterschichten vertikal mit spezieller Dotierung so angeordnet, daß die im Durchbruchgebiet betriebenen Übergänge oberhalb der Durch­ bruchspannung U_BR eine Kennlinie mit negativem Verlauf besitzen und danach im angren­ zenden Hochstrombereich auf Spannungen U«U_BR begrenzen. Diese Ableiter haben den Nachteil, daß wegen U<0 hohe Verlustenergien aufgenommen werden müssen, was zur Fol­ ge hat, daß keine hohen Stoßströme abgeleitet werden können. Das angeschlossene Netz wird nicht abgeschaltet.

Ein weiterer Ableiter ist durch das EP 0.167.440 bekannt. Er besteht aus einem ungesteuerten bidirektionalen Thyristor. Hier sind auf einem Si-Chip zwei geshortete Thyristoren antipa­ rallel angeordnet. Infolge der vertikalen Stromführung (bedingt durch speziell eingebrachte vergrabene Gebiete in der zentralen n-Halbleiterschicht und der Konstruktion des Bauele­ ments insgesamt) liegt herstellungsbedingt eine große Streubreite der Schaltströme, der Zündspannung und der Ansprechstoßspannung vor. Diese Bauelemente besitzen im Gegen­ satz zu gasgefüllten Überspannungsableitern eine geringe Schaltsymmetrie und keine Schalthysterese mit der Bedingung Einschaltstrom (I_E)« Haltestrom (I_H). Die Stromver­ stärkungen der n⁺pn-Anordnungen, die im Emitter-Basis-Raum über die Hochtemperatur­ prozesse eingestellt werden, bestimmen I_E und I_H gleichzeitig, weil der Zündvorgang über­ wiegend durch einen vom Feldstärkeverlauf im Volumen verursachten Strom eingeleitet wird.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauelementekonstruktion für eine Zweirich­ tungsthyristordiode vorzugeben, deren Kennlinie der des gasgefüllten Überspannungsablei­ ters nahezu entspricht. Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die eine hohe Verlustenergie aufnehmen kann, eine hohe Schaltsymmetrie hat, eine einstellbare Schal­ thysterese zwischen I_E und I_H aufweist, und deren Spannungsgrenzwert technologisch defi­ niert eingestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Halbleiterstruktur gelöst, die im Aufbau ein­ em Zweirichtungsthyristor entspricht, der zwei zusätzliche konstruktive Besonderheiten auf­ weist.

• 1. Im Abstand s₀ vom entgegengesetzt dotierten Basisgebiet ist am Passivierungsrand ein hochdotierter Oberflächenbereich angeordnet, der einen Gradienten der freien Ladungsträger von ∂(10^-23) cm^-4 aufweist.
• 2. Zwischen dem hoch dotierten n⁺-Gebiet und dem äußersten Rand des an die Oberfläche tretenden Basisgebietes (Dotierungswanne) ist ein Oberflächenshunt mit einstellbarem Widerstand angeordnet.

Die genannte konstruktive Lösung ermöglicht es, das Einschaltverhalten so zu beeinflussen, daß es weitgehend unabhängig von der Stromverstärkung der Thyristoranordnung im Volu­ men ist.

Durch die erste Maßnahme wird der Einschaltvorgang, für die Gesamtanordnung energe­ tisch vorteilhaft, von der Oberfläche her, durch einen parallel zur Oberfläche fließenden Strom, eingeleitet. Der Oberflächenshunt, als zweite konstruktive Maßnahme, ermöglicht die anwendungsbezogene optimale Einstellung des Oberflächenstromes.

Die Einzelheiten der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Bauform einer Zweirichtungsthy­ ristordiode.

Fig. 2 zeigt die Kennlinie eines bekannten Zweirichtungsthyristors (a) im Ver­ gleich mit zwei Kennlinien der erfindungsgemäßen Lösung (b) und (c).

Fig. 3a zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Bauform mit der nachfolgend dargestellten Einzelheit.

Fig. 3b zeigt die Einzelheit aus Fig. 3a in der neuen konstruktiven Gestaltung.

Fig. 3c zeigt die durch die konstruktiven, erfindungsgemäßen Maßnahmen ver­ änderten und veränderbaren Feld- und Stromverteilungen.

Fig. 4 zeigt eine besondere Anwendungsform der erfindungsgemäßen Lösung für hochsperrende Bauelemente.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe gehört es, die Kennlinien entsprechend der Fig. 2 zu realisieren. Die Kennlinie (a) stellt die bekannte Thyristordiodenkennlinie mit dem Verhalten (I_E < I_H) dar. Die Kennlinien (b) und (c) zeigen die erfindungsgemäße Kennli­ nie bzw. deren Variationsmöglichkeiten mit der Bedingung (I_E2<I_H2) bzw. (I_E1«I_H1). Voraussetzung für das Erreichen eines solchen Schaltverhaltens ist die Erhöhung der Feld­ stärke im oberflächennahen Bereich zwischen dem p-Gebiet und dem Rand der Anordnung (Fig. 3b). Dies wird durch das Einbringen eines hochdotierten Oberflächenbereiches am Rand der Anordnung im Abstand s₀ vom p-Gebiet erreicht.

Der hochdotierte Oberflächenbereich weist einen Gradienten der freien Ladungsträger von ∂(10^-23) cm^-4 auf. Der Abstand s₀ kann im Bereich zwischen dem 5- und 30-fachen der Eindringtiefe des hochdotierten Oberflächenbereiches liegen. Die Eindringtiefe des hoch­ dotierten Gebietes soll zwischen 2 µm und 8 µm liegen.

Diese Feldstärkeerhöhung im oberflächennahen Bereich bewirkt einen oberflächennahen la­ teralen Stromfluß I_P (Fig. 3c) entlang des in Sperrichtung gepolten n⁺ p-Übergangs am Au­ ßenrand der p-Wanne.

Ist der hochdotierte Oberflächenbereich am Rande nicht vorhanden, wird die Thyristordiode ausschließlich durch den Volumenstrom I_V, bzw. durch den von ihm hervorgerufenen Span­ nungsabfall an den n⁺p-Übergängen im Zentrum der p-Wanne eingeschaltet. Zur schnellen Stromübernahme aus dem Überspannungsimpuls (Transienten) durch den Strom vom Au­ ßenrand nach innen, ist die erfindungsgemäße Konstruktion für das Bauelement energetisch günstiger. Die zu schützende Anordnung ist damit wirksamer zu schützen.

Die Steuerung der Kennlinien I_E/I_H (Fig. 2) ist möglich, wenn es gelingt, den für das Ein­ schalten verantwortlichen oberflächenparallelen Strom I_p (Fig. 3c) zusätzlich zur konstrukti­ ven Vorgabe durch S₀ zu variieren.

Dazu dient die zweite konstruktive Lösung. Durch einen Oberflächenshunt S₁ (Fig. 3b) zwi­ schen dem Rand der p-Wanne und dem hoch dotierten äußersten n-Bereich in der Wan­ ne. Verfahrenstechnisch läßt sich dieser Shunt fotolithographisch, durch Wahl des Kontakt­ materials und dessen Dicke beeinflussen. In der Praxis kann die Weite S₁ (Fig. 3b) bis zum 6- fachen der Eindringtiefe der hochdotierten n-Bereiche liegen. Der Shunt bewirkt eine Verrin­ gerung des für den Einschaltstrom verantwortlichen Stromes I_p (Fig. 3c) um den Strom I_S (Fig. 3c). Das bedeutet einen um einen entsprechenden Betrag höheren Einschaltstrom I_E2 (Fig. 2).

Zum Verständnis der durch die veränderte Konstruktion hervorgerufenen veränderten Feld­ stärkeverhältnisse dienen die in Fig. 3c angedeuteten Feldstärkeverläufe E (x).

Beim Einsatz höherer Spannungen kann auch ein p-Schutzring gem. Fig. 5 zusätzlich ange­ ordnet sein, wobei die Wirksamkeit der ersten konstruktiven Maßnahme gemindert werden kann.

Die Einstellung des Haltestromes erfolgt in bekannter Weise über die Einstellung der Strom­ verstärkung der Thyristordiodenanordnung.

Ausführungsbeispiel (nach den in der bipolaren Halbleitertechnik üblichen Technologien)

Gemäß Fig. 3a wird in eine beidseitig polierte, 270 µm dicke, n-dotierte Si-Wafer mit einem spezifischen Bulkwiderstand zwischen 2 Ωcm und 5 Ω cm beidseitig strukturiert Bor, z. B. durch Diffusionstechnik mit vorausgegangener Bor-Implantation, eingebracht. Es entsteht eine p-Wanne mit einer Eindringtiefe von ca. 16 µm und einer Oberflächenkonzentration von ca. 2,5 × 10¹⁸ cm^-3.

Nachfolgend wird, ebenfalls beidseitig strukturiert, Phosphor vorabgelagert und danach bis zu einer Tiefe von ca. 4 µm eindiffundiert. Es entstehen die n⁺-Gebiete und der hochdotierte Oberflächenbereich am Rand der Anordnung mit einer Oberflächenkonzentration von ca. 5 × 10¹⁹ cm^-3. Anschließend wird eine beidseitig aufgebrachte Schutzoxidschicht struktu­ riert,welche die Aufgabe hat, die Oberfläche der Anordnung im Falle der "Blockierung" vor Spannungsüberschlägen zu schützen. Diese Schicht hat eine Dicke von 1-2 µm.

Abschließend wird beidseitig eine Metallisierung aufgebracht und strukturiert. Diese besteht beispielsweise aus einer Schichtfolge von Ti-Ni-Au oder Ti-Ni-Ag mit einer Gesamtdicke von ca. 1 µm. Der Abstand s₀ des hochdotierten Randgebietes von der p-Wanne beträgt 40 µm. Der, in diesem Falle metallische Shunt, mit dem über den lateralen Strom I_p der Ein­ schaltstrom I_E gesteuert wird, hat die Ausdehnung s₁ von 3 µm.

Der Abstand der am Rand der p-Wanne gelegenen n⁺-Gebiete von diesem beträgt 15 µm und ihre Ausdehnung 50 µm, während die innen liegenden n⁺-Gebiete in abstandsgleicher Anordnung eine Ausdehnung von 140 µm haben. Im Ausführungsbeispiel haben diese n⁺- Gebiete die Form von Kreisen, der Zahlenwert der Ausdehnung ist somit als Durchmesser zu verstehen. Das beschriebene Beispiel ist für Blockierspannungen von 210 bis 250 Volt sowie für einen Stoßstrom von größer 100 Ampere bei einer Stoßwelle 10/1000 nach IEEE ausge­ legt. Die Chipfläche ist 2,6 × 2,6 mm².

Claims (4)

1. Überspannungsableiterbauelement auf der Basis einer Zweirichtungsthyristordio­ de mit hoher Schaltsymmetrie und einstellbarer Schalthysterese dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorgegebenen Abstand (S₀) vom entgegengesetzt do­ tierten Basisgebiet ein hochdotierter Oberflächenbereich angeordnet ist, der einen hohen Gradienten der freien Ladungsträger aufweist, und zusätzlich zwischen dem hochdotierten Emittergebiet und dem äußersten Rand des an die Oberfläche tretenden Basisgebietes einen Oberflächenshunt mit einstellbarem Widerstand angeordnet ist.

2. Überspannungsableiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (S₀) zwischen der Basis und dem hochdotierten Oberflächenbereich dem 5 bis 30-fachem der Eindringtiefe des n⁺-Gebietes entspricht.

3. Überspannungsableiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der eingebrachte hochdotierte Oberflächenbereich einen Gradienten der freien Ladungsträ­ ger von ∂(10^-23) cm^-4 aufweist.

4. Überspannungsableiterbauelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Shuntweite S₁ bis zum 6-fachen der Eindringtiefe der hochdotierten n-Bereiche beträgt.