DE102012111832B4 - Integrierte Schaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor - Google Patents

Integrierte Schaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor Download PDF

Info

Publication number
DE102012111832B4
DE102012111832B4 DE102012111832.9A DE102012111832A DE102012111832B4 DE 102012111832 B4 DE102012111832 B4 DE 102012111832B4 DE 102012111832 A DE102012111832 A DE 102012111832A DE 102012111832 B4 DE102012111832 B4 DE 102012111832B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
power
auxiliary
integrated circuit
transistor
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102012111832.9A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102012111832A1 (de
Inventor
Hans-Joachim Schulze
Anton Mauder
Frank Pfirsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies Austria AG
Original Assignee
Infineon Technologies Austria AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Austria AG filed Critical Infineon Technologies Austria AG
Publication of DE102012111832A1 publication Critical patent/DE102012111832A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102012111832B4 publication Critical patent/DE102012111832B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H01L23/62—Protection against overvoltage, e.g. fuses, shunts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0617—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type
    • H01L27/0629—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type in combination with diodes, or resistors, or capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801—DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors
    • H01L29/7803—Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors structurally associated with at least one other device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/08—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
    • H01L27/085—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only
    • H01L27/088—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H01L29/0692—Surface layout
    • H01L29/0696—Surface layout of cellular field-effect devices, e.g. multicellular DMOS transistors or IGBTs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/417—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/41725—Source or drain electrodes for field effect devices
    • H01L29/41766—Source or drain electrodes for field effect devices with at least part of the source or drain electrode having contact below the semiconductor surface, e.g. the source or drain electrode formed at least partially in a groove or with inclusions of conductor inside the semiconductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42364—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the insulating layer, e.g. thickness or uniformity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Integrierte Schaltung, umfassend:
einen Leistungstransistor (102, 202) mit einem Leistungssteueranschluss (GP), einem ersten Leistungslastanschluss (DP) und einem zweiten Leistungslastanschluss (SP),
einen Hilfstransistor (104, 204) mit einem Hilfssteueranschluss (GA), einem ersten Hilfslastanschluss (DA) und einem zweiten Hilfslastanschluss (SA) , wobei der erste Hilfslastanschluss (DA) elektrisch mit dem Leistungssteueranschluss (GP) gekoppelt ist, und
einen Kondensator (107, 207) mit einer ersten Kondensatorelektrode (108, 208), einer zweiten Kondensatorelektrode (109, 209) und einer Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210), die wenigstens ein Material aus einem ferroelektrischen Material und einem paraelektrischen Material einschließt, wobei die erste Kondensatorelektrode (108, 208) elektrisch mit dem Hilfssteueranschluss (GA) gekoppelt ist, und wobei der zweite Hilfslastanschluss (SA), die zweite Kondensatorelektrode (108, 208) und der zweite Leistungslastanschluss (SP) elektrisch verbunden sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • Während des Betriebs werden Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Schalter in Strom- oder Spannungsversorgungen und Leistungsumsetzer, aufgrund von Verlustleistung in diesen Bauelementen erwärmt. Beispielhafte Halbleiterbauelemente sind etwa aus den Druckschriften US 2010 / 0 309 710 A1 , US 7 795 660 B2 , US 7 436 023 B2 , US 2011 / 0 198 725 A1 sowie dem Fachzeitschriftenartikel „B. Baliga: ‚Trends in Power Semiconductor Devices‘ in: IEEE Transactions on Electron Devices, V43 N10 p1717-1731 (1996)“ bekannt.
  • Wenn Halbleiterbauelemente unterhalb des sogenannten stabilen Temperaturpunkts betrieben werden, kann eine Stromfilamentierung auftreten und zu einer Zerstörung der Halbleiterbauelemente führen.
  • Als eine Gegenmaßnahme zu einer übermäßigen Erwärmung und einer Stromfilamentierung werden elektrische Paramater, wie beispielsweise Durchlassstrom, dI/dt, dU/dt, Temperatur usw. allgemein geeignet begrenzt und innerhalb eines sicheren Betriebszonenbereiches (SOA-Bereiches) während eines Betriebs gehalten. Die Begrenzung des Betriebsbereiches auf eine sichere Betriebszone schränkt jedoch weitere Verbesserungen der Eigenschaften der Halbleiterbauelemente ein.
  • Somit ist es wünschenswert, den Schutz von Halbleiterbauelementen gegen eine übermäßige Erwärmung und Stromfilamentierung zu verbessern.
  • Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung anzugeben, die dieser Forderung genügt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung umfasst diese einen Leistungstransistor mit einem Leistungssteueranschluss, einem ersten Leistungslastanschluss und einem zweiten Leistungslastanschluss. Die integrierte Schaltung umfasst weiterhin einen Hilfstransistor mit einem Hilfssteueranschluss, einem ersten Hilfslastanschluss und einem zweiten Hilfslastanschluss. Der erste Hilfslastanschluss ist elektrisch mit dem Leistungssteueranschluss gekoppelt. Die integrierte Schaltung umfasst weiterhin einen Kondensator mit einer ersten Kondensatorelektrode, einer zweiter Kondensatorelektrode und einer Kondensator-Dielektrikum-Schicht. Die Kondensator-Dielektrikum-Schicht umfasst wenigstens ein Material aus einem ferroelektrischen Material und einem paraelektrischen Material. Die erste Kondensatorelektrode ist elektrisch mit dem Hilfssteueranschluss gekoppelt. Der zweite Hilfslastanschluss, die zweite Kondensatorelektrode und der zweite Leistungslastanschluss sind elektrisch verbunden.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Einzelheiten nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • Figurenliste
  • Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht zu einander. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile.
  • Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung in Einzelheiten erläutert.
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines Teiles einer integrierten Schaltung einschließlich eines Leistungstransistors mit einem Leistungssteueranschluss, der elektrisch mit einer Schutzschaltung einschließlich einer Diode und eines Kondensators gekoppelt ist.
    • 2 ist eine schematische Darstellung eines Teiles einer integrierten Schaltung einschließlich eines Leistungstransistors mit einem Leistungssteueranschluss, der elektrisch mit einer Schutzschaltung einschließlich zwei Dioden und eines Kondensators gekoppelt ist.
    • 3 ist eine schematische Darstellung eines vertikalen Querschnittes durch einen Teil einer Leistungstransistorzellenanordnung einschließlich eines Hilfstransistors und eines Kondensators, der elektrisch mit einem Hilfssteueranschluss des Hilfstransistors gekoppelt ist.
    • 4 ist eine schematische Draufsicht von einem Layout einer Leistungstransistorzellenanordnung und einer Schutzschaltung mit Schutzschaltungsteilen, die gleichmäßig über die Leistungstransistoranordnung gestreut sind.
    • 5 ist eine schematische Draufsicht von einem Layout einer Leistungstransistorzellenanordnung und einer Schutzschaltung mit einer lateralen Distanz zu der Leistungstransistorzellenanordnung.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie beispielsweise „Ober-“, „Unter-“, „Vorder-“, „Hinter-“, „vorne“, „hinten“, „über“, „oberhalb“, „unterhalb“ und so weiter in Bezug auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Bauelemente der Ausführungsbeispiele in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Veranschaulichung benutzt und ist in keiner Weis begrenzend.
  • Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie diese in der vorliegenden Offenbarung verwendet sind, sollen eine Orientierung parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrates oder eines Halbleiterkörpers angeben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Scheibe sein.
  • Der Begriff „vertikal“, wie dieser in der vorliegenden Offenbarung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates oder Halbleiterkörpers angeordnet ist.
  • Die in der vorliegenden Offenbarung verwendeten Ausdrücke „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ erfordern keine direkte Kopplung, sondern lassen Elemente zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen zu. Der Begriff „elektrisch verbunden“ soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben, beispielsweise eine Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter.
  • In dieser Offenbarung kann sich n-dotiert auf einen ersten Leitfähigkeitstyp beziehen, während p-dotiert sich auf einen zweiten Leitfähigkeitstyp bezieht. Es ist selbstverständlich, dass die Halbleitervorrichtungen mit entgegengesetzten Dotierbeziehungen gebildet sein können, sodass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann. Weiterhin veranschaulichen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „-“ oder „+“ nächst zu dem Dotiertyp. Beispielsweise bedeutet „n-“ eine Dotierungskonzentration, die kleiner ist als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierbereiches, während ein „n+“-Dotierbereich eine größere Dotierungskonzentration als der „n“-Dotierbereich hat. Die Angabe der relativen Dotierungskonzentration bedeutet jedoch nicht, dass Dotierbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration die gleiche absolute Dotierungskonzentration haben, wenn nicht anderes festgestellt ist. Beispielsweise können zwei verschiedene n+-dotierte Bereiche verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben. Das gleiche gilt für einen n+-dotierten und einen p+-dotierten Bereich.
  • Spezifische, in dieser Offenbarung beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich, ohne hierauf begrenzt zu sein, auf Leistungshalbleitervorrichtungen, die durch Feldeffekt gesteuert sind, und insbesondere auf Unipolarvorrichtungen, wie beispielsweise MOSFETs.
  • Der Begriff „Feldeffekt“, wie dieser in der vorliegenden Offenbarung verwendet ist, soll die durch das elektrische Feld vermittelte Bildung eines „Inversionskanales“ und/oder eine Steuerung der Leitfähigkeit und/oder der Form des Inversionskanales in einem Halbleiterkanalbereich beschreiben.
  • In dem Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Feldeffektstruktur“ eine Struktur beschreiben, die in einem Halbleitersubstrat oder einem Halbleiterkörper oder einer Halbleitervorrichtung gebildet ist und die eine Gateelektrode hat, welche wenigstens von dem Bodybereich durch einen dielektrischen Bereich oder eine dielektrische Schicht isoliert ist. Beispiele von dielektrischen Materialien zum Bilden eines dielektrischen Bereiches oder einer dielektrischen Schicht zwischen der Gateelektrode und dem Bodybereich umfassen, ohne hierauf begrenzt zu sein, Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiOxNy), Zirkonoxid (ZrO2), Tantaloxid (Ta2O5), Titanoxid (TiO2) und Hafniumoxid (HfO2) oder Stapel von diesen Materialien.
  • Oberhalb einer Schwellenspannung Vth zwischen der Gateelektrode und der typischerweise mit dem Bodybereich verbundenen Sourceelektrode wird ein Inversionskanal gebildet und/oder aufgrund des Feldeffektes in einem Kanalbereich des Bodybereiches, der an den dielektrischen Bereich oder die dielektrische Schicht angrenzt, gesteuert. Die Schwellenspannung Vth bezieht sich typischerweise auf die Mindestensgatespannung, die für das Einsetzen eines unipolaren Stromflusses zwischen den beiden Halbleiterbereichen des ersten Leitfähigkeitstyps, die die Source und die Drain eines Transistors bilden, notwendig ist.
  • In dem Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung sollte der Begriff „MOS“ (Metall-Oxid-Halbleiter) als den allgemeineren Begriff „MIS“ (Metall-Isolator-Halbleiter) einschließend verstanden werden. Beispielsweise sollte der Begriff MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) so verstanden werden, dass er FETs einschließt, die einen Gateisolator, der kein Oxid ist, oder ein Gatematerial, das nicht ein Metall ist, haben, das heißt, der Begriff MOSFET wird in der allgemeineren Begriffsbedeutung IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) bzw. MISFET verwendet.
  • Zudem dienen die Begriffe „erste“, „zweite“ und dergleichen zur Beschreibung verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte, und sind ebenso nicht beschränkend. Ähnliche Begriffe dienen der Beschreibung ähnlicher Elemente in dieser Beschreibung.
  • Begriffe wie „umfassen“, „enthalten“, „einschließen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, das heißt neben den „umfassten“ Elementen können weitere Elemente vorliegen. Mit bestimmten und unbestimmten Artikeln gekennzeichnete Elemente können sowohl im Singular als auch im Plural vorliegen, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben ist.
  • 1 veranschaulicht einen Teil eines Schaltungsdiagrammes einer integrierten Schaltung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die integrierte Schaltung 100 umfasst einen n-Typ-MOSFET (NMOS) 102. Der NMOS 102 umfasst einen Drainanschluss DP als einen ersten Lastanschluss, einen Sourceanschluss SP als einen zweiten Lastanschluss und einen Gateanschluss GP als einen Leistungssteueranschluss.
  • Die integrierte Schaltung 100 umfasst weiterhin einen Hilfs-NMOS 104. Ein Drainanschluss DA des Hilfs-NMOS 104, der einen ersten Lastanschluss bildet, ist elektrisch mit dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 102 verbunden. Ein Sourceanschluss SA , der einen zweiten Lastanschluss des Hilfs-NMOS 104 bildet, ist elektrisch mit dem Sourceanschluss SP des Leistungstransistors 102 verbunden.
  • Eine Serienverbindung einer Diode 104 und eines Kondensators 107 ist parallel mit den Drain- und Sourceanschlüssen DA , SA des Hilfs-NMOS 104 verbunden. Eine Anode der Diode 106 ist elektrisch mit dem Drainanschluss DA des Hilfs-NMOS 104 und dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 102, also beiden Anschlüssen, verbunden. Der Kondensator 107 umfasst eine erste Kondensatorelektrode 108, die elektrisch mit einer Kathode der Diode 106 und einem Steueranschluss GA des Hilfs-NMOS 104, also zwei Anschlüssen, verbunden ist, während eine zweite Kondensatorelektrode 109 des Kondensators 107 elektrisch mit dem Sourceanschluss SA des Hilfs-NMOS 104 und dem Sourceanschluss SP des Leistungs-NMOS 102, also zwei Anschlüssen, verbunden ist. Eine Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 des Kondensators 107 umfasst wenigstens ein Material aus einem ferroelektrischen Material und einem paraelektrischen Material. Die Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 hat eine relative Dielektrizitätskonstante εr mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. Die Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 kann ein ferroelektrisches Material mit einem Curie-Punkt TC von weniger als 300 Grad K umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfüllen die relative Dielektrizitätskonstante εr(T1) der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 bei einer Temperatur T1 = 400 Grad K und die relative Dielektrizitätskonstante εr(T2) der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 und bei der Temperatur T2 = 475 Grad K die Beziehung εr(T2) ≤ 0,75 x εr(T1). Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 ein paraelektrisches Material oder ein ferroelektrisches Material mit wenigstens einem Material aus der BaTiO3, SrTiO3, BaxSr1-xTiO3 und KTaO3 bestehenden Gruppe.
  • Während eines Betriebes der integrierten Schaltung 100 wird ein Gatesignal SP zu dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 102 über einen Knoten N gespeist. Wenn der Leistungs-NMOS 102 über das Gatesignal SP eingeschaltet wird, wird der Kondensator 107 über die Diode 106 aufgeladen. Durch Einstellen einer Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 104 oberhalb der Schwellenspannung des Leistungs-NMOS 102 schaltet das Gatesignal SP den Leistungs-NMOS 102 ein, während der Hilfs-NMOS 104 ausgeschaltet bleibt. Das Kondensator-Dielektrikum 110 kann thermisch mit dem Leistungs-NMOS 102 gekoppelt sein, indem ein Abstand zwischen dem Kondensator 107 und der Transistorzellenzone des Leistungs-NMOS 102 begrenzt wird, beispielsweise durch gleichmäßiges Ausbreiten von Unterkondensatoren des Kondensators 107 über die Zellenzone des Leistungs-NMOS 102.
  • Wenn eine Temperatur innerhalb des Leistungs-NMOS 102 ansteigt, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses des Leistungs-NMOS 102, steigt eine Temperatur innerhalb der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 ebenfalls an. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der relativen Dielektrizitäts-Konstanten εr der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 verringert sich der Wert der Kapazität des Kondensators 107. Da die Diode 106 eine Entladung des Kondensators 107 über dem Knoten N verhindert, steigt ein Spannungsabfall über dem Kondensator 107 an. Damit steigt auch der Spannungsabfall zwischen dem Gateanschluss GA und dem Sourceanschluss SA des Hilfs-NMOS 104 an. Wenn die Spannung an dem Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS 104 die Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 104 überschreitet, wird der Hilfs-NMOS 104 eingeschaltet, was zu einem Kurzschluss zwischen dem Gateanschluss GP und dem Sourceanschluss SP des Leistungs-NMOS 102 führt. Als Folge wird der Leistungs-NMOS 102 ausgeschaltet.
  • Somit erlaubt eine Schutzschaltung 103, die die Elemente 104, 106, 107 umfasst, ein Ausschalten des Leistungs-NMOS 102, indem die Abnahme der relativen Dielektrizitätskonstanten εr der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 ausgenutzt wird, wenn die Temperatur innerhalb der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 aufgrund von Wärmediffusion von dem thermisch mit dem Kondensator 107 gekoppelten Leistungs-NMOS 102 ansteigt. Der Leistungs-NMOS 102 kann bei einer gewünschten Schwellentemperatur ausgeschaltet werden, indem Parameter der Schutzschaltung 103, wie beispielsweise Kennlinien oder Eigenschaften des Hilfstransistors 104, beispielsweise die Schwellenspannung, sowie Kennlinien oder Eigenschaften des Kondensators 107, beispielsweise die relative Dielektrizitätskonstante εr geeignet eingestellt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel überschreitet die Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 104 die Schwellenspannung des Leistungs-NMOS 102 in einer Weise, dass bei einer typischen Betriebsgatespannung des Leistungs-NMOS 102 der Leckstrom des Hilfs-NMOS 104 noch niedrig ist, was bedeutet, dass die Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 104 oberhalb der typischen Betriebsgatespannung des Leistungs-NMOS 102 ist. Da typischerweise der Leistungs-NMOS 102 eine Schwellenspannung in einem Bereich von ungefähr 0,8 V bis ungefähr 8 V hat und mit typischen Gatespannungen in dem Bereich von etwa 3,3 V bis etwa 20 V betrieben wird, liegen die Schwellenspannungen des Hilfs-NMOS 104 oberhalb von 3,3 bis zu 20 V. Der Hilfs-NMOS 103 kann eine Schwellenspannung haben, die typischerweise mehr als 50 % höher als diejenige des Leistungs-NMOS 102 ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Ansteuerschaltung, die das Gatesignal SF zu dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 102 über den Knoten N speist, gestaltet, um eine Zeitperiode Δt zwischen einem Abschalten des Leistungs-NMOS 102 aufgrund der Schutzschaltung 103 und einem erneuten Einschalten des Leistungs-NMOS 102 zu sichern. Die Zeitdauer Δt kann geeignet gewählt sein, um einer Hysterese der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 Rechnung zu tragen, indem ein ausreichendes Abkühlen des Leistungs-NMOS 102 und der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110 gesichert wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Wert eines Abfallwiderstandes Rd des Gateanschlusses GP des Leistungs-NMOS 102, der beispielsweise zwischen einem Anschluss N in 1 und einer Ansteuerschaltung verbunden ist, das heißt ein Widerstand, der in Reihe mit dem Gateanschluss GP liegt, in Bezug auf den Einschaltwiderstand des Hilfs-NMOS 104, also ein Widerstandswert Raux gemäß folgender Gleichung eingestellt: R d < R aux ⋅ ( V d r i v e r V t h , N M O S − 1 )
    Figure DE102012111832B4_0001
    wobei Vdriver die lastfreie Ausgangsspannung der Ansteuerschaltung angibt, welche mit dem Anschluss N über den Abfallwiderstand verbunden ist, und Vth.NMOS sich auf die Schwellenspannung des Leistungs-NMOS 102 bezieht. Durch Erfüllen von Gleichung 1 ist sichergestellt, dass die Spannung am Gate GP des Leistungs-NMOS 102 niedrig genug ist, um den Leistungs-NMOS 102 auszuschalten, wenn der Hilfs-NMOS 104 in einem leitenden Modus ist.
  • 2 veranschaulicht einen Teil eines Schaltungsdiagrammes einer integrierten Schaltung 200 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Ähnlich zu Schaltungselementen 102, 104, 106, 107 der in 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 umfasst die integrierte Schaltung 200 einen Leistungs-NMOS 202 mit einem Sourceanschluss SP , einem Drainanschluss DP und einem Gateanschluss GP , einen Hilfs-NMOS 204 mit einem Sourceanschluss SA , einem Drainanschluss DA und einem Gateanschluss DA , eine erste Diode 204 und einen Kondensator 207 mit einer ersten Kondensatorelektrode 208, einer zweiten Kondensatorelektrode 209 und einer Kondensator-Dielektrikum-Schicht 210. Die integrierte Schaltung 200 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 dadurch, dass die Schutzschaltung 203 eine zweite Diode 212 aufweist. Die erste Diode 206 und die zweite Diode 212 sind antiseriell verbundene Dioden, wobei deren Anoden miteinander verbunden sind. Somit ist eine Kathode der zweiten Diode 212 elektrisch mit dem Drainanschluss DA des Hilfs-NMOS 204 sowie mit dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 202, also beiden Anschlüssen, verbunden.
  • Die zweite Diode 212 wird in einem Rückwärts-Durchbruchmodus betrieben, wenn der Leistungs-NMOS 202 über ein jeweiliges Gatesignal SP eingeschaltet ist, das über den Knoten N zugeführt ist. In diesem Betriebsmodus ist eine Spannung am Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS 204 kleiner als die Spannung am Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 102, und eine Differenz zwischen diesen Gatespannungen ist gleich zu der Durchbruchspannung der zweiten Diode 212. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der in 1 veranschaulichten integrierten Schaltung 100 schaltet auch die Schutzschaltung 203 den Leistungs-NMOS 202 in einem Fall aus, dass die Temperatur der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 210 eine gewisse Schwellentemperatur überschreitet, oder, in anderen Worten, die relative Dielektrizitätskonstante εr der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 210 fällt unter einen gewissen Schwellenwert ab. Unter der Annahme, dass an dem Gateanschluss GP des Leistungs-NMOS 202 anliegende Spannungen in einem Einschalt-Betriebsmodusbereich innerhalb 10 V und 15 V liegen, beträgt eine typische Durchbruchspannung der zweiten Diode 212 zwischen 5 V und 8 V.
  • In der integrierten Schaltung 200 ist der Bruchanteil des zu dem Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS 204 gespeisten Gatesignales SP kleiner als der jeweilige Bruchanteil des zu dem Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS 104 der in 1 veranschaulichten integrierten Schaltung 100 gespeisten Gatesignales SP . Das in 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da der Hilfs-NMOS 204 und der Leistungs-NMOS 202 gleiche oder ähnliche Schwellenspannungen umfassen können. Die Gate-Dielektrika des Hilfs-NMOS 204 und des Leistungs-NMOS 202 können in einem gemeinsamen Prozess oder mit ähnlichen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Gate-Dielektrika hergestellt werden.
  • Hochohmige Widerstände können parallel zu der (den) Diode(n) und/oder dem Kondensator, wie dies in den 1 und 3 gezeigt sind, angeschlossen sein. Dies erlaubt beispielsweise ein Abfließen eines Leckstromes der zweiten Diode 212 z.B. zu dem Sourceanschluss SA des Hilfs-NMOS 204 und verhindert auch, dass eine Gateladung am Gateanschluss GA zu rasch entladen wird. Typische Werte für diese Widerstände sind über 1kΩ, insbesondere über 100kΩ oder über 1MΩ.
  • In den in den 1 und 2 dargestellten integrierten Schaltungen 100, 200 ist der Leistungstransistor als ein NMOS veranschaulicht. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Leistungstransistor irgendein Typ aus einem p-Typ- oder einem n-Typ-Kanal-Feldeffekttransistor, wie beispielsweise einem MOSFET oder einem IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) sein. In ähnlicher Weise kann auch der in den 1 und 2 als ein NMOS veranschaulichte Hilfstransistor als irgendein Typ aus einem n-Typ- oder einem p-Typ-Feldeffekttransistor, wie beispielsweise einem MOSFET, sein.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das in den Figuren nicht veranschaulicht ist, kann der Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS mit einer anderen Gatespannung, beispielsweise über ein gleichrichtendes Element, verbunden sein. Ein Verwenden einer anderen Ansteuerspannung für den Gateanschluss GA des Hilfs-NMOS kann hilfreich sein, da die gleichen Prozessschritte benutzt werden können, um den Hilfs-NMOS und den Leistungs-NMOS herzustellen und verschiedene Gatespannungen, bezogen auf die Schwellenspannung des Leistungs-NMOS und des Hilfs-NMOS, welche in diesem Fall in dem gleichen Bereich gewählt werden können, aufrecht zu erhalten.
  • 3 veranschaulicht einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Schaltung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die integrierte Schaltung 300 umfasst eine monolithische Integration eines Leistungstransistors und einer Schutzschaltung mit einem Hilfstransistor, einem Kondensator und einer Diode. Diese Schaltungselemente sind mit einander verbunden, wie dies in dem schematischen Schaltungsdiagramm von 1 veranschaulicht ist. Ein Teil der Zellenzone des Leistungstransistors ist in einer Zone 301 von 3 veranschaulicht, und ein Teil der Schutzschaltung ist in einer Zone 302 der 3 gezeigt.
  • Die integrierte Schaltung 300 umfasst einen n-dotierten Halbleiterkörper 305, wie beispielsweise ein n-dotiertes Halbleitersubstrat, z.B. ein Substrat, das aus Silizium (Si) oder Silizium-Auf-Isolator (SOI) hergestellt ist oder auch aus einem Material mit weitem Bandabstand wie z.B. SiC oder GaN gefertigt ist. In der Zone 301 ist ein Teil einer Zellenzone des Leistungs-NMOS veranschaulicht. Der Leistungs-NMOS umfasst einen p-dotierten Halbleiterbereich 306 und n+-dotierte Sourcebereiche 307. Eine p+-dotierte Bodykontaktzone 308 und ein Kontakt 309, z.B. ein leitender Stöpsel oder eine leitende Bahn, koppeln elektrisch den p-dotierten Bodybereich 306 mit einer leitenden Sourceschicht 310, z.B. einer Sourcemetallisierung. Ein Gate-Dielektrikum 311 und eine Gateelektrode 312 sind auf einer ersten Seite 313 des n-dotierende Halbleiterkörpers 305 angeordnet. Ein Kurzschluss zwischen den Gateelektroden 312 von verschiedenen Transistorzellen ist in 3 in vereinfachter Weise durch einen Draht 314 veranschaulicht. Der Draht 314 kann eine oder mehrere leitende Schichten oder leitende Bahnen aufweisen, die durch Strukturieren von einer oder einer Vielzahl von leitenden Schichten in einem anderen Teil der integrierten Schaltung 300, d.h. in einem in dem Querschnitt von 3 nicht veranschaulichten Teil, gebildet sind.
  • In der Zone oder dem Gebiet 302 der Schutzschaltung umfasst ein Hilfs-NMOS 315 einen p-dotierenden Bodybereich 306', einen n+-dotierten Sourcebereich 307' und eine p+-dotierte Bodykontaktzone 308'. Der p-dotierte Bodybereich 306' ist elektrisch mit der leitenden Sourceschicht 310 über die p+-dotierte Bodykontaktzone 308' und einen Kontakt 309' verbunden. In ähnlicher Weist ist der Sourcebereich 307' elektrisch mit der leitenden Sourceschicht 310 über den Kontakt 309' verbunden. Der Hilfs-NMOS 315 umfasst weiterhin einen n+-dotierten Drainbereich 316, der elektrisch mit dem Gate 312 des Leistungs-NMOS gekoppelt ist. Die elektrische Verbindung ist in einer vereinfachten Weise durch einen Draht 317 veranschaulicht, der eine oder mehrere leitenden Schichten oder leitende Bahnen umfassen kann, die durch Strukturieren einer leitenden Schicht oder mehrerer leitenden Schichten gebildet sind.
  • Auf dem n-dotierten Halbleiterkörper 305 sind an einer ersten Seite 313 ein Gatedielektrikum 318 und eine Gateelektrode 312' angeordnet. Die Dicke des Gatedielektrikums 318 des Hilfs-NMOS 315 ist größer als die Dicke des Gatedielektrikums 311 des Leistungs-NMOS in dem Gebiet 301 unter Annahme, dass das Material der Gatedielektrika 311, 318 das gleiche ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist die Dicke des Gatedielektrikums 318 gleich oder kleiner als die Dicke des Gatedielektrikums 311, vorausgesetzt, dass die Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 315 größer ist als die Schwellenspannung des Leistungs-NMOS, z.B. durch Wählen verschiedener Materialien für die Dielektrika 311, 318 und/oder durch Wählen eines geeigneten Pegels der Dotierung für den Bodybereich 306'. Somit ist eine Schwellenspannung des Hilfs-NMOS 315 höher eingestellt als die Schwellenspannung des Leistungs-NMOS in dem Gebiet 301. Die Gateelektrode 312 des Leistungs-NMOS ist elektrisch mit der Gateelektrode 312' des Hilfs-NMOS 315 über eine Diode gekoppelt, die in der Querschnittsdarstellung von 3 in einer vereinfachten Weise durch ein mit der Bezugszahl 319 versehenes Diodensymbol veranschaulicht ist.
  • Die Gateelektrode 312' bildet weiterhin eine erste Kondensatorelektrode 320 eines Kondensators, der außerdem eine Kondensator-Dielektrikum-Schicht 321 und eine zweite Kondensatorelektrode 310' umfasst, die in der gleichen Schicht wie die leitende Sourceschicht 310 gebildet ist.
  • Die Kondensator-Dielektrikum-Schicht 321 kann gebildet werden, wie dies hinsichtlich der Kondensator-Dielektrikum-Schicht 110, die in 1 gezeigt ist, beschrieben ist.
  • In der integrierten Schaltung 300 können die p-dotierten Bodybereiche 306, 306' beispielsweise gleichzeitig gebildet werden. In ähnlicher Weise können die n+-dotierten Sourcebereiche 307, 307' und der n+-dotierte Drainbereich 316 gleichzeitig gebildet werden. Auch können die p+-Typ-Body-Kontaktzonen 308. 308' gleichzeitig gebildet werden. Weiterhin können die Gateelektroden 312, 312' beispielsweise gleichzeitig gebildet werden. Damit können diese Elemente, z.B. die Bereiche 306. 306' durch Mustern einer gleichen Schicht oder eines gleichen Schichtstapels gebildet werden. Ein Drainkontakt des Leistungs-NMOS in einem Gebiet 301 kann beispielsweise auf einer Rückseite des n-dotierten Halbleiterkörpers 305 entgegengesetzt zur ersten Seite 313 angeordnet sein (in 3 nicht veranschaulicht) .
  • 4 ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Layouts einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die integrierte Schaltung umfasst ein Transistorzellengebiet 405 eines Leistungstransistors, wie beispielsweise eines in 1 veranschaulichten Leistungs-NMOS 102 oder eines in 2 veranschaulichten Leistungs-NMOS 202.
  • Innerhalb des Zellengebietes 405 ist ein Kondensator mit einer Vielzahl von parallel verbundenen Unterkondensatoren 409 angeordnet. Der Kondensator und der Leistungs-NMOS können monolithisch integriert sein, um eine integrierte Schaltung zu bilden, wie dies beispielsweise in einer der 1, 2 und 3 veranschaulicht ist. Die Unterkondensatoren 409 sind gleichmäßig über das Zellengebiet 405 verteilt. Das Muster der Anordnung der in 4 veranschaulichten Unterkondensatoren 409 ist ein Beispiel aus einer weiten Vielzahl von Möglichkeiten, um die Unterkondensatoren 409 über das Zellengebiet 405 gleichmäßig zu verteilen oder streuen.
  • Eine alternative Anordnung des Zellengebietes 405 und des Kondensators ist in 5 veranschaulicht. Hier ist der Kondensator in einem Kondensatorgebiet 508 mit einer lateralen Distanz d zu einem Zellengebiet 505 des Leistungstransistors angeordnet. Der Leistungstransistor in dem Zellengebiet 505 hat eine maximale Ausschaltzeit τ. Die Ausschaltzeit τ und die laterale Distanz d erfüllen ungefähr die Bedingung d < 10-5 m/µs × τ. Somit ist eine thermische Kopplung zwischen dem Leistungstransistor in dem Zellengebiet 505 und dem Kondensator in dem Kondensatorgebiet 508 erreicht. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur innerhalb des Zellengebietes 505 eine gewisse Schwelle überschreitet, führt die thermische Kopplung zwischen dem Zellengebiet 505 und dem Kondensatorgebiet 508 zu einer Abnahme der relativen Dielektrizitätskonstanten der Kondensator-Dielektrikum-Schicht in dem Kondensatorgebiet 508. Wie dies hinsichtlich des in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels beschrieben ist, wird diese Abnahme in der relativen Dielektrizitätskonstanten verwendet, um den Leistungstransistor in dem Zellengebiet 505 abzuschalten.

Claims (23)

  1. Integrierte Schaltung, umfassend: einen Leistungstransistor (102, 202) mit einem Leistungssteueranschluss (GP), einem ersten Leistungslastanschluss (DP) und einem zweiten Leistungslastanschluss (SP), einen Hilfstransistor (104, 204) mit einem Hilfssteueranschluss (GA), einem ersten Hilfslastanschluss (DA) und einem zweiten Hilfslastanschluss (SA) , wobei der erste Hilfslastanschluss (DA) elektrisch mit dem Leistungssteueranschluss (GP) gekoppelt ist, und einen Kondensator (107, 207) mit einer ersten Kondensatorelektrode (108, 208), einer zweiten Kondensatorelektrode (109, 209) und einer Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210), die wenigstens ein Material aus einem ferroelektrischen Material und einem paraelektrischen Material einschließt, wobei die erste Kondensatorelektrode (108, 208) elektrisch mit dem Hilfssteueranschluss (GA) gekoppelt ist, und wobei der zweite Hilfslastanschluss (SA), die zweite Kondensatorelektrode (108, 208) und der zweite Leistungslastanschluss (SP) elektrisch verbunden sind.
  2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Leistungstransistor (102, 202) wenigstens eines aus einem Einschaltwiderstand von 10 Ω oder niedriger und einem spezifischen Sperrspannungsvermögen von 300 V oder mehr hat.
  3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend ein Halbleitersubstrat (305) mit einer monolithischen Integration eines Leistungstransistors (301) und des Kondensators (302).
  4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei: der Leistungstransistor eine Vielzahl von Leistungstransistorzellen aufweist, die in einem Zellengebiet (405) des Halbleitersubstrats angeordnet sind, und der Kondensator in dem Zellengebiet (405) angeordnet ist.
  5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei: der Kondensator eine Vielzahl von Unterkondensatoren (409) aufweist, die parallel verbunden sind, und die Vielzahl von Unterkondensatoren (409) gleichmäßig über das Zellengebiet (405) verteilt ist.
  6. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Leistungstransistor (102, 202) eine maximale Ausschaltzeit τ hat und eine Vielzahl von Leistungstransistorzellen aufweist, die in einem Zellengebiet des Halbleitersubstrats angeordnet sind, der Kondensator (107, 207) in einem Kondensatorgebiet mit einer lateralen Distanz d zu dem Zellengebiet angeordnet ist, und die maximale Ausschaltzeit τ und die laterale Distanz d die folgende Bedingung erfüllen: d < 10-5 m/µs × τ.
  7. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend: eine Diode (106, 206) mit einer Anode und einer Kathode, wobei: die Anode und der erste Hilfslastanschluss (DA) elektrisch mit dem Leistungssteueranschluss (DP) gekoppelt sind, die Kathode und die erste Kondensatorelektrode (108, 208) elektrisch mit dem Hilfssteueranschluss (GA) gekoppelt sind, und die zweite Kondensatorelektrode (109, 209) und der zweite Hilfslastanschluss (SA) elektrisch mit dem zweiten Leistungslastanschluss (SP) gekoppelt sind.
  8. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: der Leistungstransistor (102, 202) einen Leistungs-Feldeffekttransistor umfasst, der Hilfstransistor (104, 204) einen Hilfs-Feldeffekttransistor umfasst, und eine Schwellenspannung des Hilfs-Feldeffekttransistors größer ist als eine Schwellenspannung des Leistungs-Feldeffekttransistors.
  9. Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, bei der eine Dicke eines Gatedielektrikums des Hilfs-Feldeffekttransistors größer ist als die Dicke eines Gatedielektrikums des Leistungs-Feldeffekttransistors.
  10. Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, bei der ein Widerstand mit einem Widerstandswert von mehr als 103 Ω parallel zu der Diode (106, 206) verbunden ist.
  11. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend: eine erste Diode (206) mit einer ersten Anode und einer ersten Kathode, eine zweite Diode (212) mit einer zweiten Anode und einer zweiten Kathode, wobei: die zweite Kathode und der erste Hilfslastanschluss (DA) elektrisch mit dem Leistungssteueranschluss (GP) gekoppelt sind, die zweite Anode elektrisch mit der ersten Anode gekoppelt ist, die erste Kathode und die erste Kondensatorelektrode (208) elektrisch mit dem Hilfssteueranschluss (GA) gekoppelt sind, und die zweite Kondensatorelektrode (209) und der zweite Hilfslastanschluss (SA) elektrisch mit dem zweiten Leistungslastanschluss (SP) gekoppelt sind.
  12. Integrierte Schaltung nach Anspruch 11, wobei: der Leistungstransistor (202) einen Leistungs-Feldfeffekttransistor umfasst, der Hilfstransistor (204) einen Hilfs-Feldeffekttransistor umfasst, und eine Schwellenspannung Vth1 des Hilfs-Feldeffekttransistors mehr als 50 % höher ist als eine Schwellenspannung Vth2 des Leistungs-Feldeffekttransistors.
  13. Integrierte Schaltung nach Anspruch 12, bei der ein Gatedielektrikum des Leistungs-Feldeffekttransistors und ein Gatedielektrikum des Hilfs-Feldeffekttransistors Teile einer gleichen strukturierten dielektrischen Schicht sind.
  14. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der eine Rückwärts-Durchbruchspannung der zweiten Diode (212) in einem Bereich von 5 V bis 8 V liegt.
  15. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der ein Widerstand mit einem Widerstandswert von mehr als 103 Ω parallel zu wenigstens einem Bauelement aus der ersten Diode (206), der zweiten Diode (212) und dem Kondensator (207) geschaltet ist.
  16. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei: der Hilfssteueranschluss (GA) eine Gateelektrode ist, und die Gateelektrode und eine Elektrode aus der ersten Kondensatorelektrode (208) und der zweiten Kondensatorelektrode (209) ein Teil einer gleichen strukturierten leitenden Schicht sind.
  17. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der Leistungstransistor einen Transistor, ausgewählt aus einem Metall-Oxid-Feldeffekttransistor und einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfasst.
  18. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der Hilfstransistor (104, 204) einen Feldeffektransistor umfasst.
  19. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der ein Temperaturkoeffizient der Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210) negativ ist.
  20. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der die Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210) ein ferroelektrisches Material mit einem Curie-Punkt TC von weniger als 300 Grad K umfasst.
  21. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der eine relative Dielektrizitätskonstante ε(T1) der Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210) bei einer Temperatur T1 = 400 Grad K und eine relative Dielektrizitätskonstante ε(T2) der Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210) bei der Temperatur T2 = 475 Grad K folgende Beziehung erfüllen: ε(T2) ≤ 0,75 × 8(T1).
  22. Integrierte Schaltung nach Anspruch 21, wobei: die Kondensator-Dielektrikum-Schicht (110, 210) ein paraelektrisches Material umfasst, und das paraelektrische Material wenigstens ein Material aus der aus BaTiO3, SrTiO3, BaxSr1-xTiO3 und KTaO3 bestehenden Gruppe umfasst.
  23. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei: der Leistungstransistor (102, 202) eine Vielzahl von Leistungstransistorzellen umfasst, die in einem Zellengebiet des Halbleitersubstrates angeordnet sind und der Hilfstransistor (104, 204) in dem Zellengebiet angeordnet ist.
DE102012111832.9A 2011-12-06 2012-12-05 Integrierte Schaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor Active DE102012111832B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/312,180 US8946850B2 (en) 2011-12-06 2011-12-06 Integrated circuit including a power transistor and an auxiliary transistor
US13/312,180 2011-12-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102012111832A1 DE102012111832A1 (de) 2013-06-06
DE102012111832B4 true DE102012111832B4 (de) 2019-03-07

Family

ID=48431504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102012111832.9A Active DE102012111832B4 (de) 2011-12-06 2012-12-05 Integrierte Schaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8946850B2 (de)
CN (1) CN103151348B (de)
DE (1) DE102012111832B4 (de)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015176889A (ja) * 2014-03-13 2015-10-05 株式会社東芝 半導体装置
US9553087B1 (en) * 2015-11-02 2017-01-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor device
DE102016104256B3 (de) * 2016-03-09 2017-07-06 Infineon Technologies Ag Transistorzellen und Kompensationsstruktur aufweisende Halbleitervorrichtung mit breitem Bandabstand
US10122357B2 (en) * 2016-11-14 2018-11-06 Ford Global Technologies, Llc Sensorless temperature compensation for power switching devices
CN107393923B (zh) * 2017-06-27 2020-06-23 苏州美天网络科技有限公司 开关性能稳定的功率器件
CN107369683B (zh) * 2017-06-27 2020-06-23 苏州美天网络科技有限公司 抗电磁干扰的功率器件
CN107256865B (zh) * 2017-06-27 2020-06-19 苏州美天网络科技有限公司 低损耗半导体功率器件
JP6920192B2 (ja) * 2017-12-28 2021-08-18 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置およびその製造方法
US11217392B2 (en) * 2019-01-17 2022-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Composite piezoelectric capacitor
US10833668B2 (en) * 2019-03-07 2020-11-10 Analog Devices International Unlimited Company Integrated and distributed over temperature protection for power management switches
US11579645B2 (en) * 2019-06-21 2023-02-14 Wolfspeed, Inc. Device design for short-circuitry protection circuitry within transistors
US20230299197A1 (en) * 2022-03-17 2023-09-21 Renesas Electronics Corporation Semiconductor device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7436023B2 (en) 2004-02-13 2008-10-14 Infineon Technologies Ag High blocking semiconductor component comprising a drift section
US7795660B2 (en) 2004-09-13 2010-09-14 Infineon Technologies Ag Capacitor structure in trench structures of semiconductor devices and semiconductor devices comprising capacitor structures of this type and methods for fabricating the same
US20100309710A1 (en) 2009-06-08 2010-12-09 Evans Jr Joseph Tate Variable Impedance Circuit Controlled by a Ferroelectric Capacitor
US20110198725A1 (en) 2008-10-27 2011-08-18 Nxp B.V. Generating and exploiting an asymmetric capacitance hysteresis of ferroelectric mim capacitors

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10146581C1 (de) * 2001-09-21 2003-04-24 Infineon Technologies Ag Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einer Schutzschaltung
DE102009038710B4 (de) 2009-08-25 2020-02-27 Infineon Technologies Austria Ag Halbleiterbauelement

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7436023B2 (en) 2004-02-13 2008-10-14 Infineon Technologies Ag High blocking semiconductor component comprising a drift section
US7795660B2 (en) 2004-09-13 2010-09-14 Infineon Technologies Ag Capacitor structure in trench structures of semiconductor devices and semiconductor devices comprising capacitor structures of this type and methods for fabricating the same
US20110198725A1 (en) 2008-10-27 2011-08-18 Nxp B.V. Generating and exploiting an asymmetric capacitance hysteresis of ferroelectric mim capacitors
US20100309710A1 (en) 2009-06-08 2010-12-09 Evans Jr Joseph Tate Variable Impedance Circuit Controlled by a Ferroelectric Capacitor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B. Baliga: „Trends in Power Semiconductor Devices" in: IEEE Transactions on Electron Devices, V43 N10 pp1717-1731, 10/1996 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012111832A1 (de) 2013-06-06
CN103151348A (zh) 2013-06-12
CN103151348B (zh) 2017-06-20
US20130140616A1 (en) 2013-06-06
US8946850B2 (en) 2015-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012111832B4 (de) Integrierte Schaltung mit einem Leistungstransistor und einem Hilfstransistor
DE3821065C2 (de)
DE102014107325B4 (de) Halbleiterbauelement und verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements
DE19701189B4 (de) Halbleiterbauteil
DE102013022360B3 (de) Halbbrückenschaltung
EP0833386B1 (de) Durch Feldeffekt steuerbares, vertikales Halbleiterbauelement
DE102006004405B4 (de) Leistungshalbleiterbauelemente mit einer Driftstrecke und einer hochdielektrischen Kompensationszone und Verfahren zur Herstellung einer Kompensationszone
DE102014111360B4 (de) Halbleiterbauelement und elektronische schaltung zum schalten von hohen spannungen
DE102016101679B4 (de) Halbleitervorrichtung mit einem lateralen Transistor
DE102012104503B4 (de) Halbleitervorrichtung und integrierte Schaltung mit der Halbleitervorrichtung
DE102014110366B4 (de) Mos-leistungstransistor mit integriertem gatewiderstand
DE102014109859B4 (de) Halbleitervorrichtungen mit einer feldelektrode, synchron-gleichrichtungsvorrichtung und energieversorgung
WO2000033385A1 (de) Mos-feldeffekttransistor mit hilfselektrode
DE102012111910B4 (de) Halbleitervorrichtung, die ein erstes und ein zweites Halbleiterelement aufweist
DE102015108440B3 (de) Streifenförmige elektrodenstruktur einschliesslich eines hauptteiles mit einer feldelektrode und eines die elektrodenstruktur abschliessenden endteiles
DE102014114230B4 (de) Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren hierfür
DE102014114836B4 (de) Halbleitervorrichtung
CH638928A5 (de) Halbleiteranordnung.
DE102012112332A1 (de) Halbleitervorrichtung mit einer Diode
DE102014109846A1 (de) Leistungs-MOSFET und Verfahren zum Herstellen eines Leistungs-MOSFET
DE102015112427B4 (de) Halbleitervorrichtung mit einer allmählich zunehmenden Felddielektrikumsschicht und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung
DE102018118875B4 (de) Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102009038710B4 (de) Halbleiterbauelement
DE102015119771A1 (de) Halbleitervorrichtung mit einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor
DE102013105009A1 (de) Halbleitervorrichtung mit einer Silikatglasstruktur und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R082 Change of representative