DE69404700T2 - Referenzdiode in integriertem Bipolarschaltkreis - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft bipolare integrierte Schaltungen und spezieller die Herstellung von Lawinendioden, die für eine Bezugsspannung in solchen Schaltungen verwendet werden.
• Lawinendioden oder Durchbruchdioden werden schon seit langer Zeit erforscht, und es ist bekannt, wie man beim Herstellen diskreter Komponenten zufriedenstellende Lawinendioden erhalten kann. Bei der Herstellung integrierter Schaltungen gibt es jedoch viele Beschränkungen, d.h. eine große Anzahl einzelner Komponenten wird gleichzeitig hergestellt, und alle diese Komponenten müssen mit so wenig technologischen Schritten wie möglich realisiert werden.
• Wenn eine vergrabene oder verdeckte Lawinendiode hergestellt werden soll, die von dem Substrat getrennt ist, Z, entspricht die resultierende Komponente im allgemeinen dem in Figur 1 gezeigten Ersatzschaltbild. Diese Komponente umfaßt eine erste Lawinendiode Z1 in Reihe mit einem Widerstand R1. Eine zweite Diode Z2 ist parallel zu der Reihenschaltung aus der Diode Z1 und dem Widerstand R1 angeordnet.
• In der Praxis hat der Widerstand Rl häufig einen nicht vernachlässigbaren Wert, z.B. in der Größenordnung von 400 bis 1000 Ω. Weiterhin ist diediode Z2, die einen höheren Durchbruch-Schwellwert hat als die Diode Z1 normalerweise nicht leitend. Wenn der Lawinenstrom in der Diode Z1 jedoch zunimmt, nimmt der Spannungsabfall am Widerstand R1 zu, und wenn der Spannungsabfall die Differenz der Durchbruchspannungen zwischen den Dioden Z2 und Z1 überschreitet, kann auch die Diode Z2 durchbrechen.
• Diese verschiedenen Nachteile können vermieden werden, indem bestimmte Dotierungspegel für die verschiedenen Schichten vorgesehen werden, welche die Lawinendiode bilden. Wenn dies so gemacht wird, wird jedoch das technologische Herstellungsverfahren komplizierter, und es ist nicht mehr möglich, die üblichen Technologien zum Herstellen bipolarer Komponenten zu verwenden.
• Die europäischen Patentanmeldungen EP-A-0 314 399 und EP-A-0 017 022 offenbaren Lawinendioden, die den Vorteil haben, daß die Stördiode Z2 eine sehr hohe Durchbruchspannung hat, in der Größenordnung von 100 V oder mehr, während die Diode Z1 eine Durchbruchspannung von etwa 6 V hat. Die Stördiode Z2 kann somit nicht mehr leitend werden.
• Trotz dieses Vorteils haben diese Dioden noch immer einige Nachteile. Wie oben bereits gesagt, dürfen für die Herstellung solcher Dioden nur die technologischen Schritte eingesetzt werden, die auch schon für die Herstellung einer üblichen bipolaren integrierten Schaltung benotigt werden. Die verschiedenen Dotierungspegel der verschiedenen Schichten dieser Diode sind daher durch technologi.3che Beschränkungen belastet und nicht für diese Diode optimiert. Der Reihenwiderstand R1 der Diode kann daher in der Größenordnung von 100 bis 400 Ω liegen. Ferner hat diese Diode einen Temperaturkoeffizienten, d.h. ihre Durchbruchspannung variiert als Funktion der Temperatur, der etwa 2,8 mV/Cº beträgt. Diese beiden Eigenschaften (der Innenwiderstand und der nicht vernachlässigbare Temperaturkoeffizient) sind wesentliche Nachteile für die Realisierung einer Referenzdiode, deren Spannung unabhängig davon genau definiert sein sollte, wie groß der Strom und die Temperatur der integrierten Schaltung sind.
• Da diese beiden Nachteile mehr oder weniger in allen bekannten Lawinendioden auftreten, wurde im Stand der Technik vorgesehen, mit einer Lawinendiode Schaltungen zum Liefern einer Bezugsspannung aufzubauen, die eine Kompensation für Strom- und Temperaturänderungen enthalten. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Figur 2 gezeigt. Dieses Schaltung ist mit den Anschlüssen einer Versorgungsspannungsquelle verbunden, z.B. zwischen einem positiven Spannungsversorgungsanschluß Vcc und Masse G. In dieser Schaltung wird ein erster Zweig von der Reihenschaltung aus einer Stromquelle I und einem NPN-Transistor T1 gebildet. Ein zweiter Zweig umfaßt die Reihenschaltung aus einem NPN-Transistor T2, einer Lawinendiode (die in der Form einer idealen Lawinendiode Z in Reihe mit einem Innenwiderstand RZ dargestellt ist) und einem Widerstand R. Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Kollektor des Transistors T1 verbunden, und die Basis des Transistors T1 ist mit der Verbindungsstell.e zwischen der Lawinendiode Z-RZ und dem Widerstand R verbunden. Die gewünschte Bezugsspannung Vr wird an den Anschlüssen der Reihenschaltung aus der Lawindendiode und dem Widerstand R vorgesehen, d.h. zwischen dem Emitter des Transistors T2 und Masse G. Wenn Vbe die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 ist, ist die Bezugsspannung durch die folgende Gleichung gegeben.
• Vr = Vz + Vbe + RzIz,
• wobei Iz der Strom ist, der durch die Lawinendiode fließt.
• Da der Basisstrom des Transistors T7 im Vergleich zu dem Strom Iz klein ist, ergibt sich:
• Iz = Vbe/R,
• wobei: Vr = Vz + Vbe + Vbe(Rz/R)
• d.h. Vr = Vz+ Vbe(1 + Rz/R).
• Wie man sehen kann, hängt die Bezugsspannung von dem Verhältnis zwischen dem Serienwiderstande Rz der Lawinendiode und dem Widerstand R ab, der den Strom in dieser Diode bestimmt. Rz ist im allgemeinen im Verhältnis zu R nicht vernachlässigbar. Der absolute Wert der Bezugsspannung unterliegt den Änderungen des Verhältnisses Rz/R, und das glßiche gilt für Temperaturänderungen. Daraus ergibt sich eine schlechtere produzierbarkeit für diese Bezugsspannung.
• Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Referenzdiodenstruktur vorzusehen, die in einer bipolaren integrierten Schaltung verwendet werden kann und die keine Herstellungsschritte außer denen benötigt, die üblicherweise für eine bipolare integrierte Schaltung vorgesehen werden.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Referenzdiode vorzusehen, die bezüglich des Stromes und der Temperatur kompensiert ist.
• Die vorliegende Erfindung schlägt insbesondere eine spezielle Realisierung des Widerstandes R vor, um sicherzustellen, daß das Verhältnis Rz/R unempfindlich gegen Abweichungen bei der Herstellung bleibt.
• Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Referenzdiode vor, die in einer isolierten Mulde einer Epitaxieschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, welche ein Substrat des zweiten Leitfähigkeitstyps bedeckt. Diese Referenzdiode umfaßt:
• einerseits eine Lawinendiode mit einem tiefen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem hohen Dotierungspegel auf dem Boden der Mulde, unter dem überlappend eine vergrabene Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; einem ersten tiefen Diffusionsbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der einen mittleren Teil des tiefen Bereichs berührt; einem zweiten tiefen Diffusionsbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der den Umfang des tiefen Bereichs berührt; einem Oberflächenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Dotierung, der die Oberfläche des ersten tiefen Diffusionsbereichs bedeckt und mit diesem einen Lawinenübergang bildet; einer ersten Elektrode, welche in Kontakt mit der Oberfläche des Oberflächenbereichs ist; und einer zweiten Elektrode, die in Kontakt mit der zweiten Oberfläche des zweiten tiefen Diffusionsbereichs ist;
• andererseits wenigstens eine weitere Struktur in der selben Mulde, die abgesehen von dem Oberflächenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps identisch mir der Lawinendiode ist, wobei die erste Elektrode dieser weiteren Struktur dann in Kontakt mit der Oberseite des ersten tiefen Diffusionsbereichs ist, wobei diese weitere Struktur zwischen ihrer ersten und ihrer zweiten Elektrode einen Widerstand bildet, und Mittel zum Verbinden der Lawinendiode mit dem Widerstand oder den Widerständen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der zweite tiefe Diffusionsbereich eine Ringform.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Isolation der Mulde durch den Kontakt eines Fundaments des zweiten Leitfähigkeitstyps, welches in dem Substrat ausgebildet ist, mit einem dritten tiefen Diffusionsbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher von der Außenseite der Epitaxieschicht ausgeht, gewährleistet, wobei dieser tiefe Bereich von derselben Art ist wie das Fundament.
• Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Schaltung zum Liefern einer Bezugsspannung vor, welche eine solche Referenzdiode aufweist und die zwischen einer hohen Versorgungsquelle und Masse folgende Komponenten hat: eine erste Verzweigung, die von der seriellen Verbindung einer Stromquelle und eines ersten Transistors gebildet wird, eine zweite Verzweigung, welche die serielle Verbindung eines zweiten Transistors der Lawinendiode und des Widerstands oder der Widerstände umfaßt, Mittel zum Verbinden der Basis des zweiten Transistors mit dem Emitter des ersten Transistors und Mittel zum Verbinden der Basis des ersten Transistors mit dem Verbindungspunkt zwischen der Lawinendiode und dem Widerstand oder den Widerständen.
• Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. In den Figuren zeigt:
• Fig. 1 eine Ersatzsschaltbild einer üblichen vergrabenen isolierten Lawinendiode;
• Fig. 2 zeigt eine übliche Schaltung zum Zuführen einer Bezugsspannung;
• Fig. 3A und 3B zeigen eine Schnittdarstellung bzw. ein Draufsicht einer Ausführungsform einer Lawinendiode, die bei der Erfindung verwendet werden kann;
• Fig. 4A und 4B zeigen eine Schnittdarstellung bzw. eine Draufsicht einer Lawinendiode, die mit Widerständen kombiniert ist, um eine Referenzdiode gemäß der Erfindung aufzubauen; und
• Fig. 5 zeigt eine Bezugsspannungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Referenzdiode, welche die Struktur der Figuren 4A und 4B hat.
• Wie es bei der Darstellung von integrierten Schaltungen üblich ist, wird man auch hier erkennen, daß die verschiedenen Zeichnungen sehr schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet sind. Insbesondere die gekrümmte Form der Kanten bei den übergängen, die sich aufgrund der Diffusionsschritte ergeben, sind nicht richtig wiedergegeben.
• Wie in den Figuren 3A und 3B dargestellt, verwendet die Erfindung eine Lawinendiode, die gemäß der bipolaren Schaltungstechnologie mit einer Epitaxieschicht 2 des N-Typs über einem Substrat 1 des P-Typs ausgebildet ist. Spezieller ist die Lawinendiode in einer Mulde (Caisson) 10 der Epitaxieschicht ausgebildet, wobei die Mulde seitlich von einer Isolierwand 11 des P-Typs begrenzt ist und einen Boden hat, der einer vergrabenen Schicht 3 des N-Typs entspricht. Die Isolierwand 11 wird durch den Kontakt eines tiefen Diffusionsbereichs 12, der von der Oberseite der Epitaxieschicht 2 nach unten geht, und eines Diffusionsbereiches 13 gebildet, der von einem Fundament des P-Typs aufsteigt, das anfänglich an der Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet ist, bevor die Epitaxieschicht 2 aufgebaut wird.
• Der aktive Übergang der Lawinendiode wird durch die Grenzschicht zwischen einem tiefen, nach unten reichenden Diffusionsbereich 15 des P-Typs mit einem stark dotierten Oberflächenbereich 16 des N-Typs gebildet. Der Bereich 16 ist außerhalb seiner Grenzschicht mit dem P-Diffusionsbereich 15 von einem schwach dotierten Bereich des N-Typs umgeben, welcher der Epitaxieschicht entspricht.
• Der Kontakt mit dem N&spplus;-Bereich 16 wird durch eine Kathodenmetallisierung K hergestellt. Der Kontakt mit dem P-Bereich 15 wird durch einen stark dotierten tiefen Diffusionsbereich 20 des P-Typs hergestellt, der einem aufsteigenden Diffusionsbereich entspricht, welcher von einem P-Fundament ausgeht, das in dem Substrat über der vergrabenen N&spplus;-Schicht 3 implantiert wird. Das P-Fundament wird simultan mit den Fundamenten der isolierenden aufsteigenden Diffusionsbereiche 13 ausgebildet. Dann werden tiefe Diffusionsbereiche 21 von der Oberseite der Epitaxieschicht her ausgebildet, welche die tiefe Schicht 20 kontaktiert. Die Diffusionsbereiche 21 werden gleichzeitig mit den Diffusionsbereiche 12 und 15 hergestellt. Eine Anodenmetallisierung A kontaktiert den oberen Teil des Diffusionsbereich 21.
• Wie üblich, wenn eine bipolare integrierte Schaltungskomponente in einer Mulde ausgebildet wird, ist die Mulde zusätzlich vorgespannt, so daß sie gegenüber dem Übergang des Substrats isoliert ist. Die N-Mulde 10 muß also positiv vorgespannt werden. Dies wird erreicht, indem ein hochdotierter Bereich 23 des N-Typs in einem Teil der oberen Oberfläche der Mulde 10 ausgebildet wird, wobei der Bereich 23 in Kontakt mit einer Metallisierung 24 ist, die mit einer Spannung verbunden ist, welche höher ist, als die Spannung, mit der das Substrat 1 verbunden ist. Da die Diode als eine Lawinendiode arbeitet, ist ihr Anschluß K normalerweise mit einer höheren Spannung verbunden als ihr Anschluß A, und die Metallisierung 24 kann mit dem Anschluß K verbunden werden.
• Figur 3 ist eine schematische Draufsicht, welche der Figur 3A entspricht; Teile, die in den Figuren 3A und 3B gleich sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Man muß beachten, daß der Bereich 21, der den Kontakt mit der tiefen Schicht 20 herstellt, vorzugsweise ein runder Bereich ist, welcher den N&spplus;-Kathodenbereich 16 völlständig umgibt.
• Die Figuren 4A und 4B sind eine Schnittdarstellung bzw. eine Draufsicht einer Kombination der oben offenbarten Lawinendiode mit Widerständen gemäß der Erfindung, um den in Verbindung mit Figur 2 beschriebenen Widerstand R vorzusehen. In diesen Figuren sind dieselben Elemente wie in den Figuren 3A und 3B mit denselben Bezugs zeichen bezeichnet.
• Der linke Teil der Figuren 4A und 4B zeigt wiederum eine Diodenstruktur, die vollkommen identische zu der Struktur der Figur 3A ist. Bei dem Beispiel der Figur 4A ist diese Diodenstruktur ohne den N&spplus;-Diffusionsbereich 16 zweimal wiederholt, um zwei Widerstandsstrukturen R' und R" mit im wesentlichen demselben Widerstandswert Rz wie die Diode herzustellen. Der Widerstand R' umfaßt eine tiefe Schicht 30, einen tiefen mittleren Diffusionsbereich 31, der die tiefe Schicht 30 berührt, und einen tiefen ringförmigen Diffusionsbereich 32, der diese tiefe Schicht ebenfalls berührt. Ein Kontakt 33 wird zu dem Bereich 31 hergestellt, und ein Kontakt 34 wird zu der Oberfläche des Rings 32 hergestellt. Ahnlich umfaßt der zweite Widerstand R" entsprechende Bereiche 40, 41, 42, 43 und 44. Der Anschluß A der Diode ist mit der Metallisierung 33 des Widerstands R' und dem Basisanschluß B des Widerstandes T1 verbunden. Die Metallisierung 34 des Widerstands R' ist mit der Metallisierung 43 des Widerstands R" verbunden, dessen Metallisierung 44 mit dem Masseanschluß G verbunden ist.
• Die Draufsicht der Figur 4B zeigt die verschiedenen Metallisierungen besser.
• Figur 5 zeigt dieselbe Schaltung wie Figur 2, wobei die Widerstände R' und R" hinzugefügt sind, die beide denselben Wert Rz wie der Serienwiderstand der Diode Vz haben.
• Für diese Struktur gilt:
• Vr = Vz + Vbe [1 + Rz (R'+ R")]
• = Vz + Vbe (1 + Rz/2Rz)
• = Vz + 1,5 Vbe.
• Man muß außerdem beachten, daß ein einzelner Widerstand R oder mehr als zwei Widerstände R vorgesehen werden könnten. Um die Temperaturänderung zu reduzieren, wird jedoch bei den von der Anmelderin verwendeten Dotierungspegeln bevorzugt, zwei Widerstände R' vorzusehen. Die Temperaturänderung ist dann:
• dVr/dT = dVz/dT + 1,5 dVbe/dT.
• Bei der verwendeten Technologie gilt dVz/dT = +2,8 mV/ºC und dVbe/dT = -2 mV/ºC, wobei
• dVr/dT = -0,2 mV/ºC,
• d.h., die Temperaturänderung wird im wesentlichen vollständig kompensiert. Diese Kompensierung kann sehr präzise sein, wenn die Intensität der Stromquelle 1 als eine Funktion der Oberfläche des Transistors T1 gewählt wird, um eine vorgegebene Stromdichte in diesem Transistor zu erhalten. Tatsächlich nimmt das Temperaturverhältnis der Spannung Vbe ab, wenn die Stromdichte in dem Emitter des Transistors T1 zunimmt.
• Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist selbstverständlich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen auf viele Weisen modifiziert werden können. Insbesondere kann, obwohl eine Draufsicht auf eine runde Struktur mit einer zentralen Kathode und einer ringförmigen Anodenelektrode dargestellt ist, diese Struktur jede andere Form haben. Die verschiedenen Bereiche können verschachtelte quadratische Bereiche, rechteckige Bereiche, digitalisierte Bereiche usw. sein.
• Die Dicke der Epitaxieschicht 2 kann z.B. etwa 16 µm betragen. Die Diffusionstiefe der tiefen Diffusionsbereiche 12, 21, 31, 32, 41 und 42 kann z.B. etwa 6 µm betagen, wobei der Diffusionsbereich 15 bei seiner Grenzfläche zu dem N-Bereich 16 einen Dotierungspegel von etwa 3 x 10¹&sup8; Atome/cm³ hat, und der N-Bereich 16 hat einen Dotierungspegel von etwa 3 x 10²&sup0; Atome/cm³. Die tiefen Schichten 20, 30, 40 und 13 können durch Bohrimplantation mit einer Dosis von 2,5 x 10¹&sup4; Atome/cm² und einer Energie von 180 keV hergestellt werden.
• Bei einer besonderen Ausführungsform, die in den Figuren 4A und 4B gezeigt ist, haben die Bereich 15, 31 und 41 einen geringeren Durchmesser als 10 µm; die Bereiche 21, 32 und 42 haben einen Durchmesser von 48 µm; die Außenlinie dieser Bereiche ist ein Quadrat mit einer Längenseite von 76 µm; und der Bereich 16 hat einen Durchmesser von 10 µm. Die Lawinenspannung Vz beträgt 6,7 V ± 250 mV, und der Widerstandswert des Serienwiderstands Rz ist 350 Ω. Die resultierende Bezugsspannung Vr (Figur 6) beträgt 719 V ± 300 mV.
• Wie der Fachmann sofort verstehen wird, kann die Erfindung modifiziert werden. Insbesondere wurden einige Aspekte nur vereinfacht dargestellt. In der Praxis können viele übliche Verbesserungen durchgeführt werden. Die Oberseite der verschiedenen Schichten, wie der Schichten 21, 31, 32, 41 und 42, kann z.B. überdotiert werden, um die Kontakte zu verbessern.

Claims (5)

1. Referenzdiode, welche in einer isolierten Mulde (10) einer Epitaxieschicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist, welche ein Substrat (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps bedeckt, mit

einer Lavinendiode mit folgenden Merkmalen:

einem tiefen Bereich (20) des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem hohen Dotierungspegel auf dem Boden der Mulde, unter dem überlappend eine vergrabene Schicht (3) des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist,

einem ersten tiefen Diffusionsbereich (15) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der einen mittleren Teil des tiefen Bereiches berührt,

einem zweiten tiefen Diffusionsbereich (21) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der den Umfang des tiefen Bereiches berührt,

einem Oberflächenbereich (16) des ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Dotierung, welcher die Oberfläche des ersten tiefen Diffusionsbereiches bedeckt und mit diesem einen Lavinenübergang bildet,

einer ersten Elektrode (K), welche in Kontakt mit der Oberfläche des Oberflächenbereichs ist, und

einer zweiten Elektrode (A), welche in Kontakt mit der Oberfläche des zweiten tiefen Diffusionsbereichs ist; die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine weitere Struktur (30-34; 40-44), welche identisch mit der Lavinendiode ist, abgesehen von dem Oberflächenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Elektrode (33; 43) dieser weiteren Struktur dann in Kontakt mit der Oberseite des ersten tiefen Diffusionsbereiches (31; 41) ist, wobei diese weitere Struktur zwischen ihrer ersten und ihrer zweiten Elektrode (33, 34;43, 44) einen Widerstand bildet, und Mittel zum Verbinden der Lavinendiode mit dem oder den Widerständen.

2. Referenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp der P- Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp der N-Typ ist.

3. Referenzdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite tiefe Diffusionsbereich (21) eine Ringform hat.

4. Referenzdiode nachanspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Mulde durch den Kontakt eines Fundaments (13) des zweiten Leitfähigkeitstyps, welches in dem Substrat ausgebildet ist, mit einem dritten tiefen Diffusionsbereich (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps, welcher von der Außenseite der Epitaxieschicht ausgeht, gewährleistet ist, und daß der tiefe Bereich (20) von derselben Art ist wie das Fundament (13).

5. Bezugsspannungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen einer hohen Versorgungsquelle und Masse folgende Komponenten aufweist:

eine erste Verzweigung, die von der seriellen Verbindung einer Stromquelle (I) und eines ersten Transistors (T1) gebildet ist,

eine zweite Verzweigung, welche die serielle Verbindung eines zweiten Transistors (T2) und der Referenzdiode umfaßt, welche die Lavinendiode und den oder die Widerstände gemäß Anspruch (1) aufweist, Mittel zum Verbinden der Basis des zweiten Transistors mit dem Emitter des ersten Transistors und

Mittel zum Verbinden der Basis des ersten Transistors mit dem Verbindungspunkt der Lavinendiode und des oder der Widerstände.