DE10202274B4 - Integrated semiconductor circuit arrangement - Google Patents
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Abstract
Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit mindestens einer mindestens ein Halbleiterbauelement (10, 20) aufweisenden Halbleiterbauelementeanordnung (10', 20'), welche mit einem Driftgebiet (2) in einem Halbleitersubstrat (1) vorgesehen ist, wobei zwischen dem Driftgebiet (2) und dem Halbleitersubstrat (1) zur elektrischen Isolation der jeweiligen Halbleiterbauelementeanordnung (10', 20') und/oder der jeweiligen Halbleiterbauelemente (10, 20) eine Doppelwannenisolationsstruktur (30) mit einem ersten oder inneren Dotierwannengebiet (8) und mit einem zweiten oder äußeren Dotierwannengebiet (9) vorgesehen ist, wobei die Abfolge der Leitungstypen des Driftgebiets (2), des sich daran anschließenden inneren Dotierwannengebiets (8), des sich daran anschließenden äußeren Dotierwannengebiets (9) und des sich daran anschließenden Halbleitersubstratbereichs (1) alternierend zwischen einem ersten Leitungstyp und einem zweiten Leitungstyp wechselnd ausgebildet ist und die beiden Dotierwannengebiete (8, 9) deutlich höher dotiert sind als das Driftgebiet (2) und das Halbleitersubstrat (1), wobei zwischen den Dotierwannengebieten (8, 9) einer Halbleiterbauelementeanordnung (10', 20') ein aus demselben Material wie das Driftgebiet (2) gebildeter oder...Integrated semiconductor circuit arrangement with at least one semiconductor component arrangement (10 ', 20') having at least one semiconductor component (10, 20), which is provided with a drift region (2) in a semiconductor substrate (1), wherein between the drift region (2) and the semiconductor substrate ( 1) for the electrical insulation of the respective semiconductor component arrangement (10 ', 20') and / or the respective semiconductor components (10, 20), a double well insulation structure (30) with a first or inner doping well region (8) and with a second or outer doping well region (9) is provided, the sequence of conduction types of the drift region (2), the adjoining inner doping well region (8), the adjoining outer doping well region (9) and the adjoining semiconductor substrate region (1) alternating between a first conductivity type and a second Conduction type is formed alternately and the two doping wells ete (8, 9) are significantly more heavily doped than the drift region (2) and the semiconductor substrate (1), wherein between the doping well regions (8, 9) of a semiconductor component arrangement (10 ', 20') one made of the same material as the drift region (2 ) educated or ...
Description
Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit mindestens einer mindestens ein Halbleiterbauelement aufweisenden Halbleiterbauelementeanordnung, welche mit einem Driftgebiet in einem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, wobei zwischen dem Driftgebiet und dem Halbleitersubstrat zur elektrischen Isolation der jeweiligen Halbleiterb-Bauelementeanordnung und/oder der jeweiligen Halbleiterbauelemente eine Doppelwannenisolationsstruktur mit einem ersten oder inneren Dotierwannengebiet und mit einem zweiten oder äußeren Dotierwannengebiet vorgesehen ist, wobei die Abfolge der Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen des Driftgebiets, des sich daran anschließenden inneren Dotierwannengebiets, des sich daran anschließenden äußeren Dotierwannengebiets und des sich daran anschließenden Halbleitersubstratbereichts alternierend zwischen einem ersten Leitungstyp oder Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Leitungstyp oder Leitfähigkeitstyp wechselnd ausgebildet ist und die beiden Dotierwannengebiete deutlich höher dotiert sind als das Driftgebiet und das Halbleitersubstrat.The invention relates to a semiconductor integrated circuit arrangement having at least one semiconductor component arrangement having at least one semiconductor component, which is provided with a drift region in a semiconductor substrate, wherein between the drift region and the semiconductor substrate for electrically insulating the respective semiconductor component arrangement and / or the respective semiconductor components a double-well isolation structure having a first or inner doping well region and with a second or outer doping well region, the sequence of conductivity types or conductivity types of the drift region, the adjoining inner doping well region, the adjoining outer doping well region and the adjoining semiconductor substrate region alternating between a first conductivity type or conductivity type and a second conductivity type or conductivity type is alternately formed and the two doping well regions are doped significantly higher than the drift region and the semiconductor substrate.
Bei der Weiterentwicklung der Technologie integrierter Schaltkreise wird besonders Augenmerk gelegt unter anderem auf die Erzielung immer höherer Integrationsdichten und auf die Verbesserung der Funktionszuverlässigkeit der integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen in den Anwendungen. Dies trifft insbesondere auch auf den Bereich der sogenannten Leistungshalbleiterelektronik zu. Ein besonderes Problem in diesem Bereich ist die Notwendigkeit der elektrischen Isolation von Bereichen der Halbleiterschaltungsanordnung, welche im Hinblick auf die ihnen zugeführten elektrischen Potenziale große Unterschiede aufweisen.Particular attention has been paid to the advancement of integrated circuit technology, including achieving ever higher integration densities and improving the functional reliability of semiconductor integrated circuit devices in the applications. This applies in particular to the field of so-called power semiconductor electronics. A particular problem in this area is the need for electrical isolation of areas of the semiconductor circuitry which vary greatly in the electrical potentials applied to them.
So ist es zum Beispiel im Bereich der Leistungshalbleiterelektronik notwendig, Steuerkreise, welche massebezogen arbeiten und welche deshalb als Low-Side der Schaltungsanordnung bezeichnet werden, von denjenigen Schaltungsbereichen zu isolieren, welche nicht massebezogen arbeiten und welche deshalb als sogenannte High-Side der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung bezeichnet werden.For example, in the field of power semiconductor electronics, it is necessary to isolate control circuits which operate on a ground-specific basis and which are therefore referred to as the low-side of the circuit, which do not operate on a ground-related basis and which therefore are referred to as a so-called high-side of the integrated semiconductor circuit arrangement become.
Zur Erzielung derartiger Isolationsmechanismen wurden sogenannte Doppelwannenisolationsstrukturen vorgesehen, welche ein erstes oder inneres Dotierwannengebiet und ein zweites oder äußeres Dotierwannengebiet aufweisen und in welche eine jeweilige Halbleiterbauelementeanordnung mit jeweils mindestens einem Halbleiterbauelement mit einem entsprechenden Driftgebiet eingebettet ist. Diese Anordnung befindet sich dann in einem entsprechenden Halbleitersubstratbereich eingebettet. Das Vorsehen einer derartigen Doppelwannenisolationsstruktur gewährleistet zum Einen die erforderliche Isolation oder Plasmaisolation des jeweiligen Bauelements oder der Halbleiterbauelementeanordnung und insbesondere des jeweiligen Hochinjektionsbauelements, auch in Bezug auf Leckströme. Die Doppelnatur der Isolationswannenstruktur ist notwendig, um im Betrieb aufgrund von Streuinduktivitäten gegebenenfalls auftretende transiente Ströme ebenfalls aufzunehmen und abzuschotten. Diese Doppelnatur ist also auch notwendig, um im Betrieb die Spannungsisolation von transienten Über- und Unterspannungen zu gewährleisten, bei denen die Spannung an dem einen oder anderen Anschluss des umgebenen Bauelementes oder der Bauelementanordnung durch den Einfluss der Lastinduktivität oder von Streuinduktivitäten über die Zwischenkreisspannung ansteigen bzw. unter die Masse abfallen kann.To achieve such isolation mechanisms, so-called double-well isolation structures have been provided which have a first or inner doping well region and a second or outer doping well region and in which a respective semiconductor component arrangement is embedded, each having at least one semiconductor component with a corresponding drift region. This arrangement is then embedded in a corresponding semiconductor substrate region. The provision of such a double-well insulation structure on the one hand ensures the required isolation or plasma isolation of the respective component or of the semiconductor component arrangement and in particular of the respective high-injection component, also with respect to leakage currents. The dual nature of the isolation well structure is necessary to also accommodate and isolate any transient currents that may occur during operation due to stray inductances. This dual nature is therefore also necessary in order to ensure the voltage isolation of transient over and under voltages during operation, in which the voltage at one or the other terminal of the surrounding component or the component arrangement rises or falls above the intermediate circuit voltage due to the influence of the load inductance or stray inductances can fall below the mass.
Bekannte Doppelwannenisolationsstrukturen, wie sie zum Beispiel aus der
Aus der
Weiterhin sind aus der
Dabei sind die äußere n-Wannenstruktur sowie Anschlüsse der p- und n-Wannenstruktur nicht als hochdotiert angegeben.The outer n-well structure and connections of the p- and n-well structure are not indicated as heavily doped.
In der
Weiterhin ist aus der
Schließlich zeigt ein Aufsatz von GÓMEZ, R.; BASHIR, R.; NEUDECK, G. W.: On the design and fabrication of novel lateral bipolar transistor in a deep-submicron technology, in Microelectronics Journal, Nr. 31, 2000, S. 199–205 eine Halbleiteranordnung mit Wannenstrukturen, welche Bauelemente umschließen. Auch hier sind eine p-Wanne und eine n-Wanne in direktem mechanischen und elektrischen Kontakt zueinander ausgebildet.Finally, an essay by GÓMEZ, R .; BASHIR, R .; NEUDECK, G.W .: On the design and fabrication of novel lateral bipolar transistors in a deep-submicron technology, in Microelectronics Journal, No. 31, 2000, pp. 199-205 a semiconductor device with well structures, which enclose components. Again, a p-well and an n-well are formed in direct mechanical and electrical contact with each other.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung und insbesondere eine integrierte Halbleiteranordnung für niedrig und hoch injizierende Low-Side- und High-Side-Bauelemente mit niedriger und hoher Spannungsfestigkeit zu schaffen, welche bei steigenden Integrationsdichten besonders flexibel und gleichwohl zuverlässig und geschützt einsetzbar ist.The invention has for its object to provide a semiconductor integrated circuit arrangement and in particular an integrated semiconductor device for low and high-injecting low-side and high-side devices with low and high voltage resistance, which can be used particularly flexible and nevertheless reliable and protected with increasing integration densities is.
Die Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Dotierwannengebieten einer Halbleiterbauelementeanordnung ein Abstands- oder aus demselben Material wie das Driftgebiet gebildeter oder mit dem gleichen Dotiermaterial wie das Halbleitersubstrat dotierter Lückenbereich derart vorgesehen ist, und dass sich die Dotierwannengebiete dadurch nicht unmittelbar berühren. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.The object is achieved in an integrated semiconductor circuit arrangement of the aforementioned type according to the invention that between the doping well regions of a semiconductor device arrangement a distance or from the same material as the drift region formed or doped with the same dopant material as the semiconductor substrate gap area is provided, and that the Do not touch the doping bath areas directly. Advantageous developments of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention are the subject of the dependent subclaims.
Die gattungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung weist mindestens eine mindestens ein Halbleiterbauelement aufweisende Halbleiterbauelementeanordnung auf, welche mit einem Driftgebiet in einer Halbleitersubstratbereich vorgesehen ist, wobei zwischen dem Driftgebiet und dem Halbleitersubstratbereich zur elektrischen Isolation der jeweiligen Halbleiterbauelementeanordnung und/oder der jeweiligen Halbleiterbauelemente selbst eine Doppelwannenisolationsstruktur mit einem ersten oder inneren Dotierwannengebiet und einem zweiten oder äußeren Dotierwannengebiet vorgesehen ist.The generic integrated semiconductor circuit arrangement has at least one semiconductor component arrangement having at least one semiconductor component, which is provided with a drift region in a semiconductor substrate region, wherein between the drift region and the semiconductor substrate region for electrical isolation of the respective semiconductor component arrangement and / or the respective semiconductor components themselves a double well isolation structure having a first or a second well isolation structure inner doping well region and a second or outer doping well region is provided.
Bei dieser integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist die Abfolge der Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen des Driftgebiets, des sich anschließenden inneren Dotierwannengebiets, des sich daran anschließenden äußeren Dotierwannengebiets und des sich daran anschließenden Halbleitersubstratbereichs alternierend zwischen einem ersten Leitungstyp oder Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Leitungstyp oder Leitfähigkeitstyp ausgebildet.In this semiconductor integrated circuit device, the sequence of conduction types or conductivity types of the drift region, the adjoining inner doping well region, the adjoining outer doping well region, and the adjoining semiconductor substrate region are alternately formed between a first conductivity type and a second conductivity type or conductivity type.
Die Abfolge der Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen des Driftgebiets, des sich anschließenden inneren Dotierwannengebiets, des sich anschließenden äußeren Dotierwannengebiets und des sich daran anschließenden Halbleitersubstratbereichs ist also abwechselnd zwischen einem ersten Leitungs- oder Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Leitungs- oder Leitfähigkeitstyp ausgebildet, so dass jeweils paarweise benachbarte Materialbereiche unterschiedliche Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen besitzen und dass zwischen Driftgebiet und Substrat sowie zwischen innerer Dotierwanne und Substrat immer mindestens ein sperrender pn-Übergang liegt, egal welche. Polarität die angelegte Spannung besitzt. Durch diese Maßnahmen wird zum Einen erreicht, dass eine elektrische Isolation des innen liegenden Driftgebiets zum außen liegenden Halbleitersubstratbereichs auf besonders einfache Art und Weise gewährleistet werden kann. Des Weiteren ist durch die alternierende Abfolge der Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen eine besonders flexible Gestaltung der Ausbildung der Halbleiterbauelemente der Halbleiterbauelementeanordnungen im Inneren der Driftzonen oder Driftgebiete möglich. War bisher gelegentlich die Realisierbarkeit eines n-Kanal-IGBT äußerst problematisch oder unmöglich, so ist gemäß dem obigen Vorgehen diese Beschränkung aufgehoben. Des Weiteren fallen auch bestehende geometrische Einschränkungen im Hinblick auf das Ausbilden der Halbleiterbauelementeanordnung weg, insbesondere in Bezug auf die Anschlussmetallisierungen und deren elektrischer Isolation.The sequence of conduction types or conductivity types of the drift region, of the adjoining inner doping well region, of the adjoining outer doping well region and of the adjoining semiconductor substrate region is thus alternately formed between a first conduction or conductivity type and a second conduction or conductivity type, so that pairs adjacent to each other Material regions have different conductivity types or conductivity types and that between drift region and substrate and between the inner doping well and substrate is always at least one blocking pn junction, no matter which. Polarity has the applied voltage. By these measures is achieved on the one hand, that an electrical insulation of the inner drift region to the outside Semiconductor substrate region can be ensured in a particularly simple manner. Furthermore, due to the alternating sequence of the conductivity types or conductivity types, a particularly flexible configuration of the semiconductor components of the semiconductor component arrangements in the interior of the drift zones or drift regions is possible. Whereas the feasibility of an n-channel IGBT has hitherto occasionally been extremely problematic or impossible, this restriction has been abolished in accordance with the above procedure. Furthermore, existing geometrical limitations with regard to the formation of the semiconductor device arrangement are eliminated, in particular with regard to the terminal metallizations and their electrical insulation.
Die Wirkungsweise der Doppelwanne im Hinblick auf ihre Spannungsisolationseigenschaften kann man sich anschaulich wie bei einer Reihenschaltung zwei entgegengesetzt gerichteter Dioden vorstellen (antiserielle Schaltung). Auf diese Weise befindet sich zwischen Driftgebiet und Substrat sowie zwischen innerer Dotierwanne und Substrat immer mindestens ein sperrender pn-Übergang, egal welche Polarität die angelegte Spannung besitzt. Ihre Plasmaisolationseigenschaften erreicht die Doppelwanne dagegen durch die hohe Dotierung ihrer beiden Einzelwannen.The effect of the double trough with regard to its voltage insulation properties can be clearly imagined as in a series connection of two oppositely directed diodes (antiserial circuit). In this way, there is always at least one blocking pn junction between the drift region and the substrate and between the inner doping well and the substrate, regardless of the polarity of the applied voltage. The plasma insulation properties of the double trough, on the other hand, are achieved by the high doping of its two individual troughs.
Die ersten und zweiten Leitungstypen oder Leifähigkeitstypen können jeweils vom n-Typ und/oder vom p-Typ sein, so dass sich in Bezug auf das Driftgebiet, die inneren und äußeren Dotierwannengebiete sowie den Halbleitersubstratbereich eine Abfolge npnp oder pnpn ergibt, wobei aber vorzusehende Lückenbereiche zwischen den Dotierwannengebieten hier nicht berücksichtigt sind.The first and second conductivity types or conductivity types may each be n-type and / or p-type so as to give a sequence npnp or pnpn with respect to the drift region, the inner and outer doping well regions, and the semiconductor substrate region, but with gap regions to be provided between the doping well areas are not considered here.
Dass diese npnp- bzw. pnpn-Struktur, die stark an einen Thyristor erinnert, sich aber nicht wie ein Thyristor verhält, liegt an der hohen Dotierung der beiden Isolationswannen, die deutlich höher ist als die des Driftgebiets bzw. des Substrats.The fact that this npnp or pnpn structure, which is strongly reminiscent of a thyristor, but does not behave like a thyristor, is due to the high doping of the two isolation wells, which is significantly higher than that of the drift region or of the substrate.
Das Driftgebiet und der Halbleitersubstratbereich weisen unterschiedliche Leitungstypen oder Leitfähigkeitstypen auf.The drift region and the semiconductor substrate region have different conductivity types or conductivity types.
Die Dotierwannengebiete weisen jeweils einen Bodenbereich sowie Seitenwandbereiche auf.The doping well regions each have a bottom region and sidewall regions.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist der Bodenbereich jeweils als vergrabene Schicht ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention, the bottom region is formed in each case as a buried layer.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sind Seitenwandbereiche als Abfolge von Implantations- und/oder Diffusionsgebieten ausgebildet.In another embodiment of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention, sidewall regions are formed as a sequence of implantation and / or diffusion regions.
Alternativ dazu oder zusätzlich können Seitenwandbereiche als Abfolge von entsprechend gefüllten und/oder ausdiffundierten Graben- oder Trenchstrukturen ausgebildet sein.Alternatively or additionally, sidewall regions may be formed as a sequence of correspondingly filled and / or out-diffused trench or trench structures.
Gerade im Bereich der Leistungshalbleiterelektronik ist es vorgesehen, dass das Driftgebiet und/oder der Halbleitersubstratbereich vergleichsweise niedrig dotiert ausgebildet sind.Especially in the field of power semiconductor electronics, it is provided that the drift region and / or the semiconductor substrate region are formed comparatively low doped.
Dies ist erforderlich, um die vergleichsweise hohen Spannungen über den Schaltern bzw. zwischen den High-Side- und Low-Side-Bauelementen aufzunehmen.This is necessary to accommodate the comparatively high voltages across the switches or between the high-side and low-side devices.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Dotierwannengebiet vergleichsweise hoch dotiert ausgebildet sind. Dadurch wird insbesondere die Isolationswirkung der Doppelwannenisolationsstruktur auf besonders zuverlässiger Art und Weise realisiert. Die Wirkungsweise der Doppelwanne im Hinblick auf ihre Spannungsisolationseigenschaften kann man sich anschaulich wie die Reihenschaltung zweier entgegengesetzt gerichteter Dioden vorstellen (antiserielle Schaltung). Auf diese Weise befindet sich zwischen Driftgebiet und Substrat sowie zwischen innerer Dotierwanne und Substrat immer mindestens ein sperrender pn-Übergang, egal welche Polarität die angelegte Spannung besitzt. Ihre Plasmaisolationseigenschaften erreicht die Doppelwanne dagegen durch die hohe Dotierung ihrer beiden Einzelwannen.In another embodiment of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention, provision is made for the first and / or the second doping well region to be comparatively highly doped. As a result, in particular the insulating effect of the double-tub insulation structure is realized in a particularly reliable manner. The mode of operation of the double trough with regard to its voltage insulation properties can clearly be imagined as the series connection of two oppositely directed diodes (antiserial circuit). In this way, there is always at least one blocking pn junction between the drift region and the substrate and between the inner doping well and the substrate, regardless of the polarity of the applied voltage. The plasma insulation properties of the double trough, on the other hand, are achieved by the high doping of its two individual troughs.
Zwischen dem ersten Dotierwannengebiet und dem zweiten Dotierwannengebiet ist erfindungsgemäß ein Abstands- oder Lückenbereich derart vorgesehen, dass sich die ersten und zweiten Dotierwannengebiete materiell nicht unmittelbar berühren. Vielmehr wird ein materieller Bereich im Lückenbereich oder Abstandsbereich vorgesehen, welcher vorzugsweise aus demselben Material gebildet wird wie das Driftgebiet selbst oder welcher mit dem gleichen Dotiermaterial dotiert ist wie das Substrat. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass neben der elektrischen Isolation im Hinblick auf Leckströme oder neben der Plasmaisolation auch transient auftretende Spannungs- und/oder Stromspitzen aufgenommen und gegenüber dem Rest der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung isoliert werden können.Between the first doping well region and the second doping well region, according to the invention, a gap or gap region is provided such that the first and second doping well regions do not touch each other materially. Rather, a material region is provided in the gap region or spacing region, which is preferably formed from the same material as the drift region itself or which is doped with the same dopant material as the substrate. By this measure it is achieved that in addition to the electrical insulation with respect to leakage currents or in addition to the plasma insulation also transiently appearing voltage and / or current peaks can be recorded and isolated from the rest of the integrated circuit semiconductor device.
Im Bereich der Leistungshalbleiterelektronik treten diese transienten Spannungs- und/oder Stromspitzen aufgrund vorliegender induktiver Lasten und/oder Streuinduktivitäten beim Schalten oder Umschalten von Strömen und/oder Stromlasten auf und können, falls sie nicht von einem sperrenden pn-Übergang aufgenommen werden und an andere Bereiche, insbesondere Niedrigspannungsbereiche, der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung übertragen werden, dort zu unerwünschten Strömen im Halbleiter und damit zu temporären oder bleibenden Funktionsstörungen führen.In the field of power semiconductor electronics, these transient voltage and / or current peaks occur due to existing inductive loads and / or stray inductances when switching or switching currents and / or current loads and, if they are not absorbed by a blocking pn junction and to other areas , in particular low-voltage areas, are transmitted to the integrated semiconductor circuit arrangement, where they lead to undesired currents in the semiconductor and thus to temporary or permanent malfunctions.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sind eine erste Halbleiterbauelementeanordnung und eine zweite Halbleiterbauelementeanordnung vorgesehen, wobei insbesondere die erste Halbleiterbauelementeanordnung einem Hochspannungsbereich und/oder die zweite Halbleiterbauelementeanordnung einem Niedrigspannungsbereich der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung zugeordnet sind und/oder diese zumindest zum Teil bilden. Durch diese Maßnahme können also Hochspannungsbereiche in der Leistungselektronik mit den entsprechenden sie steuernden Niedrigspannungsbereichen innerhalb eines gemeinsamen integrierten Schaltkreises ausgebildet werden, ohne dass es aufgrund der sich unterscheidenden Betriebspontenzialbereiche zu gegenseitigen und negativen Beeinflussungen und Funktionsstörungen kommt.In a particularly preferred embodiment of the semiconductor integrated circuit device according to the invention, a first semiconductor device array and a second semiconductor device array are provided, wherein in particular the first semiconductor device array is associated with and / or at least partially associated with a high voltage area and / or the second semiconductor device array is associated with a low voltage area of the semiconductor integrated circuit device. By virtue of this measure, therefore, high-voltage regions in the power electronics with the corresponding low-voltage regions controlling them can be formed within a common integrated circuit, without causing mutual and negative influences and malfunctions on account of the differing operating peculiarities.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass direkt benachbarte Halbleiterbauelementeanordnung in Bezug auf ihre äußeren Dotierwannengebiete mindestens einen gemeinsamen Seitenwandbereich aufweisen.In a particularly advantageous embodiment of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention, it is provided that directly adjacent semiconductor component arrangements have at least one common sidewall area with respect to their outer doping well areas.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass eine einem Schalterbereich und/oder einem High-Side-Bereich zugewiesene erste Halbleiterbauelementeanordnung als mindestens ein Halbleiterbauelement und insbesondere als mindestens ein Hochspannungs- und/oder Hochinjektionshalbleiterbauelement einen IGBT, einen Bipolartransistor, ein MOS-Transistor und/oder dergleichen aufweist, insbesondere in lateraler Bauweise. Dies sind insbesondere diejenigen Bauelemente, die als Hochspannungs- und/oder Hochinjektionsbauelemente im Schalterbereich und/oder High-Side-Bereich von integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen der Leistungselektronik Verwendung finden.In a further preferred embodiment of the integrated semiconductor circuit arrangement according to the invention, it is provided that a first semiconductor component arrangement assigned to a switch region and / or a high-side region has at least one semiconductor component and in particular at least one high-voltage and / or high-injection semiconductor component an IGBT, a bipolar transistor, a MOS transistor and / or the like, in particular in lateral construction. These are, in particular, those components which are used as high-voltage and / or high-injection components in the switch region and / or high-side region of integrated semiconductor circuit arrangements of power electronics.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass eine einem Ansteuerbereich und/oder einem Low-Side-Bereich der Halbleiterschaltungsanordnung zugewiesene Halbleiterbauelementeanordnung als mindestens ein Halbleiterbauelement und insbesondere als mindestens ein Niederspannungshalbleiterbauelement einen Bipolartransistor, einen MOS-Transistor und/oder dergleichen aufweist, insbesondere in lateraler Bauweise.In another preferred embodiment of the semiconductor integrated circuit arrangement according to the invention, it is provided that a semiconductor component arrangement assigned to a drive region and / or a low-side region of the semiconductor circuit arrangement has at least one semiconductor component and in particular at least one low-voltage semiconductor component a bipolar transistor, a MOS transistor and / or The like, in particular in a lateral construction.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das äußere Dotierwannengebiet nicht kontaktiert, insbesondere floatend ausgebildet ist.It is particularly advantageous if the outer doping well region is not contacted, in particular is designed to be floating.
Vorteilhafter weise ist die erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung als Halbbrückentreiber, als Single-Chip-Inverter und/oder dergleichen ausgebildet.Advantageously, the semiconductor integrated circuit arrangement according to the invention is designed as a half-bridge driver, as a single-chip inverter and / or the like.
Vorteilhafter weise ist es ferner vorgesehen, dass das vorgesehene Low-Side-Bauelement und High-Side-Bauelemente, insbesondere Low-Side- und High-Side-Schalter und/oder -Ansteuerungen auf einem gemeinsamen Chip monolithisch integriert ausgebildet sind.Advantageously, it is further provided that the provided low-side device and high-side components, in particular low-side and high-side switches and / or -Ansteuerungen are monolithically integrated on a common chip.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Bemerkungen näher erläutert: Im Zuge des allgemeinen Trends zur Systemintegration wird auch bei High-Side-Applikationen, zum Beispiel bei Halbbrückentreibern, Single-Chip-Invertern, über eine monolithische Integration der High- und Low-Side-Ansteuerbausteine sowie der Leistungstransistoren nachgedacht. Unter anderem müssen folgende Anforderungen von einer entsprechenden HVIC-Technologie erfüllt sein:
- – Gewährleistung einer
Spannungsfestigkeit von mindestens 600 V sollte gegeben sein. - – Das typische transiente Über- bzw. Unterschwingen des Lastknotens über die Versorgungsspannung bzw. unter Masse darf zu keiner nachteiligen Beeinflussung der beteiligten IC-Bauelemente führen (Eigenverträglichkeit).
- – Das Ladungsträgerplasma von Hochinjektionsbauelementen wie zum Beispiel IGBTs darf sich nicht unkontrolliert auf dem Chip ausbreiten (Eigenverträglichkeit).
- – Die Technologie sollte möglichst billig sein, damit entsprechende Produkte am Markt bestehen können.
- - Ensure a dielectric strength of at least 600 V should be given.
- - The typical transient overshoot or undershoot of the load node via the supply voltage or ground must not adversely affect the IC components involved (inherent compatibility).
- - The charge carrier plasma of Hochinjektionsbauelementen such as IGBTs may not uncontrolled spread on the chip (Eigenverträglichkeit).
- - The technology should be as cheap as possible so that corresponding products can exist on the market.
Bisher wurde dabei wie folgt verfahren:
- a) Der klassische Ansatz, um die genannten technischen Probleme zu lösen, besteht in der Verwendung eines dielektrisch isolierten Ausgangsmaterialws, z. B. von Silicon-On-Insulator-(SOI-)Wafern, bei denen die aktiven Bauelemente an der Chip-Oberfläche durch eine vergrabene isolierende Schicht wie zum Beispiel Buried-Oxide (BOX) vom restlichen Silizium-Substrat isoliert sind und bei denen tiefe dielektrisch aufgefüllte Trenches verwendet werden, um diese Bauelemente lateral voneinander zu isolieren. Da das Ausgangsmaterial sehr teuer ist, sind auch fertig prozessierte Wafer nicht kostengünstig. Typischerweise kosten derartige Wafer zweimal soviel wie Wafer, die in einer konventionellen Junction Isolation-(JI-)Technologie hergestellt sind.
- b) Es wurde auch vorgeschlagen, eine JI-Technologie mit einer doppelten und entgegengesetzt dotierten PN-Isolationswanne zu verwenden. Diese erfüllt zwar die wirtschaftlichen Anforderungen, hat aber auf der anderen Seite folgende Nachteile: – Für die Realisierung eines bevorzugten n-Kanal IGBTs ist ein n-Substrat erforderlich, das an das Versorgungspotential angeschlossen sein muss. Letzteres ist ungünstig, da sich zum Einen die Masse als Bezugspontential weltweit eingebürgert hat und da zum Anderen mit EMV-Problemen zu rechnen ist, wenn ICs mit unterschiedlichen Bezugssystemen aneinander angeschlossen werden. – Wählt man stattdessen ein p-Substrat, um die Systemmasse als Bezugspotential verwenden zu können, so lässt sich nur ein p-Kanal IGBT realisieren, der über deutlich schlechtere Kurzschlusseigenschaften als ein n-Kanal IGBT verfügt. – Das Gate des IGBTs lässt sich nur über eine Leitung anschließen, welche über den Kollektor (hohe Spannung) geführt werden muss, und erfordert deshalb eine HV-Isolation der Metallisierung. – Da der Kollektor am Rand der Isolationsdoppelwanne liegt, benötigt der IGBT einen zusätzlichen Rand zu benachbarten Bauelementen und insbesondere zu seinen Ansteuerbauelementen, um die hohe Kollektorspannung abzubauen (Randabschluss). – Ein transientes Überschwingen (Unterschwingen) führt bei einem n-Kanal-Low-Side-IGBT (p-Kanal-High-Side) zwangsläufig zu einer Minoritätsträgerinjektion in das Substrat, was zu EMV-Problemen oder auch zu Funktionsstörungen benachbarter Bauelemente führen kann.
- a) The classical approach to solve the above technical problems is to use a dielectrically isolated starting material, e.g. Silicon On On Insulator (SOI) wafers in which the active devices on the chip surface are isolated from the remainder of the silicon substrate by a buried insulating layer such as buried oxide (BOX), and where deep dielectrically filled trenches can be used to isolate these components laterally from each other. Since the starting material is very expensive, finished processed wafers are not cost-effective. Typically, such wafers cost twice as much as wafers made in conventional Junction Isolation (JI) technology.
- b) It has also been proposed to use a JI technology with a double and opposite doped PN isolation well. Although this fulfills the economic requirements, it has the following disadvantages, on the other hand: For the realization of a preferred n-channel IGBT, an n-type substrate is required, which must be connected to the supply potential. The latter is unfavorable since, on the one hand, the mass has become established as reference potential worldwide and, on the other hand, EMC problems can be expected when ICs with different reference systems are connected to one another. If one instead selects a p-type substrate in order to be able to use the system ground as the reference potential, then only a p-channel IGBT can be realized which has significantly worse short-circuit properties than an n-channel IGBT. The gate of the IGBT can only be connected via a line which must be conducted across the collector (high voltage) and therefore requires HV insulation of the metallization. Since the collector is located at the edge of the insulation double well, the IGBT requires an additional edge to neighboring components and in particular to its drive components in order to reduce the high collector voltage (edge termination). - Transient overshoot (undershoot) inevitably leads to a minority carrier injection into the substrate in the case of an n-channel low-side IGBT (p-channel high-side), which can lead to EMC problems or malfunction of neighboring components.
Die Erfindung besteht u. a. in einer verbesserten Struktur einer JI-Technologie mit doppelten und entgegengesetzt dotierten PN-Wannen. Sie weist damit folgende Vorteile auf:
- – Billige Technologie, da JI-Technologie.
- – Realisierbarkeit eines n-Kanal-IGBT auf einem an Masse angeschlossenen p-Substrat.
- – Keine HV-Isolation der Metallisierung erforderlich, da der Emitter/Gate-Komplex am Rand und der Kollektor im Zentrum der Isolationswanne zu liegen kommt.
- – Spannungsfestigkeit auch gegen transientes Über- bzw. Unterschwingen des Lastknotens (keine Minoritätsträgerinjektion ins Substrat).
- - Cheap technology, since JI technology.
- Realizability of an n-channel IGBT on a p-type substrate connected to ground.
- - No HV insulation of the metallization required, since the emitter / gate complex at the edge and the collector comes to rest in the center of the insulation pan.
- - Dielectric strength also against transient overshoot or undershoot of the load node (no minority carrier injection into the substrate).
Grundlegende Aspekte der Erfindung sind also:
- a) eine optimierte JI-Struktur,
- b) die Verwendung einer floatenden (nicht angeschlossenen) n-Wanne und
- c) kein flächenintensiver Randabschluss für HV-Bauelemente erforderlich.
- a) an optimized JI structure,
- b) the use of a floating (not connected) n-tub and
- c) no area-intensive edge termination for HV components required.
Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a schematic drawing based on preferred embodiments.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltungsanordnung gemäß den
Um die Motivation der Erfindung deutlich zu machen, wird auf
In diesem Zusammenhang werden auch die Begriffe „Low-Side” und „High-Side” deutlich. „Low-Side” kennzeichnet die Schalter und Ansteuerbauelemente, die massebezogen arbeiten, d. h. an Masse angeschlossen sind. „High-Side” charakterisiert die Schalter und Ansteuerbauelemente, die nicht massebezogen, sondern bezogen auf die Zwischenkreisspannung 600 V oder bezogen auf den geschalteten Lastknoten arbeiten.In this context, the terms "low-side" and "high-side" become clear. Low-side identifies the switches and drivers that operate on a per-mass basis; d. H. connected to ground. "High-side" characterizes the switches and control components that are not ground-referenced, but based on the
Grundsätzlich sind nun zwischen den beteiligten Schaltungsteilen
Zugrunde gelegt ist der Ausführungsform der
In der Ausführungsform der
Im Oberflächenbereich
Auf der linken Seite der
Bei der Ausführungsform der
Ein Unterschied zur Ausführungsform der
Ein weiterer Unterschied zur Ausführungsform der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Halbleitersubstratbereich, p+-SubstratSemiconductor substrate region, p + substrate
- 22
- Driftgebiet, n-EpitaxischichtDrift area, n epitaxial layer
- 2a2a
- Oberflächenbereichsurface area
- 2'2 '
- Materialbereich, n-EpitaxischichtMaterial area, n-epitaxial layer
- 2a2a
- Oberflächenbereichsurface area
- 3n3n
- n-Ausgleichsschichtn-balancing layer
- 3p3p
- p-Wannenbereichp-well region
- 44
- p-Bodybereichp-body region
- 55
- n+-Gebietn + area
- 66
- p-Gebietp-type region
- 6n6n
- Pufferschichtbuffer layer
- 88th
- erstes Dotierwannengebiet, p+-Wannefirst doping well area, p + tub
- 8b8b
- Bodenbereichfloor area
- 8d8d
- Diffusionsgebietediffusion regions
- 8s8s
- SeitenwandbereichSidewall region
- 8t8t
- Trenchstrukturentrench structures
- 99
- zweites Dotierwannengebiet, n+-Wannesecond doping well region, n + well
- 9b9b
- Bodenbereichfloor area
- 9d9d
- Diffusionsgebietediffusion regions
- 9s9s
- SeitenwandbereichSidewall region
- 9t9t
- Trenchstrukturentrench structures
- 1010
- erstes Halbleiterbauelementfirst semiconductor device
- 10'10 '
- erste Halbleiterbauelementeanordnungfirst semiconductor device arrangement
- 2020
- zweites Halbleiterbauelementsecond semiconductor device
- 20'20 '
- zweite Halbleiterbauelementeanordnungsecond semiconductor device arrangement
- 3030
- DoppelwannenisolationsstrukturDouble well isolation structure
- 3131
- Lückenbereich, AbstandsbereichGap area, distance range
- 100100
- integrierte Halbleiterbauelementeanordnungintegrated semiconductor device arrangement
- AA
- Annode, KollektorAnnode, collector
- GG
- Gategate
- KK
- Katode, EmitterCathode, emitter
- IaIa
- Low-Side-Schalter, z. B. IGBT mit FreilaufdiodeLow-side switch, z. B. IGBT with freewheeling diode
- Ibib
- Low-Side-Ansteuerung, Niedervoltbauelemente, wie z. B. aus üblichen IC-TechnologienLow-side control, low-voltage components such. B. from conventional IC technologies
- IIaIIa
- High-Side-Schalter, z. B. IGBT mit FreilaufdiodeHigh-side switch, z. B. IGBT with freewheeling diode
- IIbIIb
- High-Side-Ansteuerung, Niedervoltbauelemente, wie z. B. aus üblichen IC-TechnologienHigh-side control, low-voltage components, such as B. from conventional IC technologies
- IIIIII
- Last, üblicherweise eine induktive Last z. B. eines MotorsLoad, usually an inductive load z. B. an engine
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