DE10202479A1 - Integrierte Schaltungsanordnung mit einer Struktur zur Verringerung eines Minoritätsladungsträgerstromes - Google Patents

Integrierte Schaltungsanordnung mit einer Struktur zur Verringerung eines Minoritätsladungsträgerstromes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Halbleiterzone (12) eines ersten Leitungstyps (n) im Bereich einer Rückseite (102) und einer sich an die erste Halbleiterzone anschließenden zweiten Halbleiterzone des ersten Leitungstyps (n), die schwächer als die erste Halbleiterzone dotiert ist, im Bereich der Vorderseite (104), DOLLAR A - einen ersten Bauelementbereich (I) in dem Halbleiterkörper, der wenigstens eine Halbleiterzone (20) eines zweiten Leitungstyps (p) aufweist, DOLLAR A - einen zweiten Bauelementbereich (II) in dem Halbleiterkörper, der wenigstens eine Halbleiterzone (70) des zweiten Leitungstyps aufweist, DOLLAR A - eine Konvertierungsstruktur (60), die eine Halbleiterzone (62) des zweiten Leitungstyps (p) und eine Halbleiterzone (66) des ersten Leitungstyps (n) aufweist, die kurzgeschlossen sind und die jeweils beabstandet zu der ersten Halbleiterzone (12) zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich (I, II) in der zweiten Halbleiterzone (14) angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung mit einer Struktur zur Verringerung eines Minoritätsladungsträgerstromes.
  • Bei integrierten Schaltungsanordnungen, insbesondere bei integrierten Schaltungsanordnungen, bei denen ein vertikales Leistungsbauelement und eine Steuer- oder Verarbeitungsschaltung in einem Halbleiterkörper integriert sind, ist es hinlänglich bekannt, dass das Leistungsbauelement unter bestimmten Betriebzuständen, die durch die äußere Beschaltung bestimmt sind, Minoritätsladungsträger in das Substrat bzw. in eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht injizieren kann, die über die Anschlüsse des Leistungsbauelements nicht abfließen. Diese in das Substrat bzw. die Epitaxieschicht injizierten Ladungsträger können sich dort ausbreiten und die Steuer- oder Verarbeitungsschaltung stören, sofern keine geeigneten Maßnahmen getroffen werden, die ein derartiges Ausbreiten verhindern.
  • Aus der DE 42 09 523 C1 ist es bekannt, eine ringförmige Struktur in einer Epitaxieschicht auf einem Substrat um einen Bauelementbereich anzuordnen, der potentiell Minoritätsladungsträger injiziert. Diese Struktur umfasst eine stark dotierte Zone desselben Leitungstyps wie das Substrat, die von einer Vorderseite des Halbleiterkörpers bis an das Substrat reicht, und eine stark dotierte Zone eines zu der Dotierung des Substrats komplementären Leitungstyps, die ebenfalls ausgehend von der Vorderseite bis an das Substrat reicht, wobei die beiden Zonen kurzgeschlossen sind. Werden bei dieser Anordnung Ladungsträger in das Substrat injiziert, so zieht ein Stromfluss in der ringförmigen Struktur das Substrat auf ein niedrigeres Potential, um die Injektion von Ladungsträgern zu reduzieren.
  • Vergleichbare Strukturen zur Verringerung der Ausbreitung von Minoritätsladungsträgern oder der Injektion von Minoritätsladungsträgern sind in der US 5,719,431 und der EP 0 725 442 beschrieben.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Schaltungsanordnung mit einer Struktur zur Verminderung einer Ausbreitung von Minoritätsladungsträgern zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Ziel wird durch eine integrierte Schaltung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße integrierte Schaltungsanordnung umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps im Bereich einer Rückseite und einer sich an die erste Halbleiterzone anschließenden zweiten Halbleiterzone des ersten Leitungstyps, die schwächer als die erste Halbleiterzone dotiert ist, im Bereich der Vorderseite. Die erste Halbleiterzone stellt beispielsweise ein Halbleitersubstrat und die zweite Halbleiterzone eine auf das Halbleitersubstrat aufgebrachte Epitaxieschicht dar. In dem Halbleiterkörper ist ein erster Bauelementbereich, der wenigstens eine Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps aufweist, und ein zweiter Bauelementbereich, der wenigstens eine Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps aufweist, gebildet. Um die Ausbreitung von Minoritätsladungsträgern in der zweiten Halbleiterzone zu unterbinden oder wenigstens zu verringern ist eine Konvertierungsstruktur zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich in der zweiten Halbleiterzone vorhanden, wobei die Konvertierungsstruktur eine Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps und eine Halbleiterzone des ersten Leitungstyps aufweist, die kurzgeschlossen sind und die jeweils beabstandet zu der ersten Halbleiterzone zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich in der zweiten Halbleiterzone angeordnet sind.
  • Die Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps in der zweiten Halbleiterzone im ersten Bauelementbereich ist vorzugsweise Teil eines vertikalen Halbleiterbauelements mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Anschlusselektrode, wobei die erste Anschlusselektrode an die erste Halbleiterzone und die zweite Anschlusselektrode an die Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps angeschlossen ist.
  • Werden bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement Minoritätsladungsträger in die zweite Halbleiterzone injiziert, so werden diese durch die Konvertierungsstruktur aufgenommen und in Majoritätsladungsträger umgewandelt, die wieder in die zweite Halbleiterzone injiziert werden. Diese Majoritätsladungsträger können dann über die Anschlusselektroden abfließen. Durch eine Umwandlung der Minoritätsladungsträger in Majoritätsladungsträger verhindert die Konvertierungsstruktur die Ausbreitung von Minoritätsladungsträgern in der zweiten Halbleiterzone, die sonst zu Zonen des zweiten Leitungstyps in dem zweiten Bauelementbereich gelangen und die Funktionsweise dort realisierter Bauelemente beeinflussen könnten.
  • Das Leistungsbauelement in dem ersten Bauelementbereich kann als Diode ausgebildet sein, wobei die erste Halbleiterzone bzw. das Halbleitersubstrat im Fall einer n-Dotierung die Kathode und die Zone des zweiten Leitungstyps, die dann p- dotiert ist, die Anode bildet.
  • Das Leistungsbauelement kann auch als MOS-Transistor ausgebildet sein, wobei dann wenigstens eine weitere Zone des ersten Leitungstyps in der Zone des zweiten Leitungstyps angeordnet ist und eine gegenüber dieser Zone des ersten Leitungstyps und der Zone des zweiten Leitungstyps isolierte Gate-Elektrode vorhanden ist. Die Zone des zweiten Leitungstyps bildet Body-Zone des MOS-Transistors, die mit der Zone des ersten Leitungstyps, die die Source-Zone bildet, mittels einer Source-Elektrode kurzgeschlossen ist. Die erste Halbleiterzone bildet die Drain-Zone des MOS-Transistors.
  • Ein MOS-Transistor als Leistungsbauelement injiziert Minoritätsladungsträger in die zweite Halbleiterzone, die als Driftstrecke dient, wenn er in Rückwärtsrichtung betrieben wird, das heißt, wenn das Potential am Source-Anschluss geringer als am Drain-Anschluss ist und die interne Body-Diode somit leitet. Diese Minoritätsladungsträger sind Löcher im Fall eines n-leitenden Transistors.
  • Eine Diode als Leistungsbauelement injiziert Minoritätsladungsträger, wenn sie in Flussrichtung betrieben wird.
  • Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Zone des ersten Leitungstyps und die Zone des zweiten Leitungstyps der Konvertierungsstruktur unmittelbar aneinander anschließen, während sie bei einer weiteren Ausführungsform beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Kurzschluss zwischen diesen beiden Zonen wird vorzugsweise durch eine auf die Vorderseite des Halbleiterkörpers aufgebrachte Schicht aus einem Metall oder Polysilizium gebildet.
  • Außerdem erstreckt sich die Zone des zweiten Leitungstyps der Konvertierungsstruktur bei einer Ausführungsform ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers weiter in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper hinein als die Zone des ersten Leitungstyps der Konvertierungsstruktur.
  • Vorzugsweise sind mehrere Konvertierungsstrukturen mit jeweils einer Zone eines ersten Leitungstyps und einer Zone eines zweiten Leitungstyps, nebeneinander zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich angeordnet.
  • Um eine besonders gute Wirkung der Konvertierungsstruktur zu erzielen, ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Konvertierungsstruktur ringförmig um den ersten Bauelementbereich, in dem potentiell Minoritätsladungsträger injiziert werden, ausgebildet ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
  • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltungsanordnung mit einer Diode als vertikalem Leistungsbauelement,
  • Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltungsanordnung mit einem MOS-Transistor als vertikalem Leistungsbauelement.
  • In den Figuren beizeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltungsanordnung, die einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten stark n-dotierten Halbleiterzone 12 im Bereich einer Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 und eine sich unmittelbar an die erste Halbleiterzone 12 anschließende zweite Halbleiterzone 14 des ersten Leitungstyps im Bereich einer Vorderseite 104 des Halbleiterkörpers 100 aufweist, wobei die zweite Halbleiterzone 14 schwächer als die erste Halbleiterzone 12 dotiert ist. Die erste Halbleiterzone 12 ist beispielsweise als Halbleitersubstrat ausgebildet, auf welches die zweite Halbleiterzone 14 als Epitaxieschicht aufgebracht ist.
  • Der erste Halbleiterkörper 100 ist in einen ersten Bauelementbereich I und einen zweiten Bauelementbereich II unterteilt, wobei sowohl in dem ersten Bauelementbereich I als auch in dem zweiten Bauelementbereich II stark p-dotierte Zonen 20, 70 ausgebildet sind, wobei sich diese Zonen 20, 70 ausgehend von der Vorderseite 104 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstrecken.
  • Die stark p-dotierte Zone 20 im ersten Bauelementbereich I ist Teil eines in dem Beispiel als Diode ausgebildeten vertikalen Leistungsbauelements, dessen Annode A durch die p- dotierte Zone 20 und dessen Kathode K durch das Halbleitersubstrat 12 gebildet ist. Die zweite Halbleiterzone 14 bildet die Driftzone der Diode.
  • Die p-dotierte Zone 70 im zweiten Bauelementbereich II repräsentiert einen Teil einer Steuer- und/oder Auswerteschaltung, wobei in dieser p-dotierten Zone zur Veranschaulichung ein lateraler n-leitender MOS-Transistor ausgebildet ist, dessen Source- und Drain-Zonen durch zwei stark n-dotierte Zonen 72, 74 gebildet sind, und dessen Gate-Elektrode 76 isoliert oberhalb der Vorderseite 104 des Halbleiterkörpers 100 gebildet ist.
  • Wird die Leistungsdiode im Bauelementbereich I in Flussrichtung betrieben, d. h. wird an die Annode A ein positiveres Potential als an die Kathode K angelegt, so werden Löcher in die Epitaxieschicht 14 injiziert. Um zu verhindern, dass sich diese Löcher in lateraler Richtung in der Epitaxieschicht 14 ausbreiten und in die p-dotierte Zone 70 im Bauelementbereich II gelangen, wo sie den durch die Halbleiterzonen 70, 72 und 74 gebildeten parasitären Bipolartransistor ansteuern könnten, ist erfindungsgemäß eine Konvertierungsstruktur 60 zwischen dem ersten Bauelementbereich I und dem zweiten Bauelementbereich II vorgesehen. Diese Konvertierungsstruktur umfasst eine stark p-dotierte Zone 62 und eine stark n-dotierte Zone 66, die sich jeweils ausgehend von der Vorderseite 104 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstrecken und die beabstandet zu dem stark n-dotierten Halbleitersubstrat 12 angeordnet sind. Die p-dotierte Zone 62 und die n-dotierte Zone 66 sind kurzgeschlossen, was in Fig. 1 schematisch durch eine Leitungsverbindung dargestellt ist.
  • Löcher, die durch die p-dotierte Zone 20 in die Epitaxieschicht 14 injiziert werden und die bis in den Bereich der Konvertierungsstruktur 60 gelangen, werden von der stark p- dotierten Zone 62 aufgenommen, was zu einem Stromfluss von der stark p-dotierten Zone 62 über den Kurzschluss zu der stark n-dotierten Zone 66 führt, wodurch die stark n-dotierte Zone 66 Elektronen in die Epitaxieschicht 14 injiziert. Elektronen stellen in der Epitaxieschicht 14, die auch die Driftzone der vertikalen Leistungsdiode bildet, die Majoritätsladungsträger dar, die über die stark n-dotierte Halbleiterzone 12 abgeführt werden.
  • Die stark p-dotierte Zone 62 und die stark n-dotierte Zone 66 sind in dem Ausführungsbeispiel beabstandet zueinander angeordnet, diese beiden Zonen können auch unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, wie dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zu entnehmen ist.
  • Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltungsanordnung, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung dadurch unterscheidet, dass das vertikale Leistungsbauelement in dem Bauelementbereich I als n-leitender MOS-Transistor ausgebildet ist. Die p- dotierten Zonen 20 in der Epitaxieschicht 14 bilden dabei die Body-Zone des MOS-Transistors. In dieser Body-Zone 20 ist eine stark n-dotierte Source-Zone 14 ausgebildet. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 ist eine Gate-Elektrode 40 vorhanden, die in dem Ausführungsbeispiel oberhalb des Halbleiterkörpers 100 benachbart zu der Source-Zone 30 und der Body-Zone 20 angeordnet ist. Der MOS-Transistor ist zellenartig aufgebaut, d. h. es ist eine Vielzahl gleichartiger Strukturen mit jeweils einer Body-Zone 20 und Source-Zonen vorhanden.
  • Die Source-Zone 30 und die Body-Zone 20 sind durch eine Source-Elektrode 32 kontaktiert, wobei die Source-Elektrode 32, S die Body-Zone 20 und die Source-Zone 30 kurzschließt. Der Drain-Anschluss D des MOS-Transistors wird durch das Halbleitersubstrat 12 gebildet.
  • Wird der MOS-Transistor in Vorwärtsrichtung betrieben, d. h. wird eine positive Spannung zwischen dessen Drain-Anschluss D und dessen Source-Anschluss S angelegt, werden keine Löcher in die Epitaxieschicht injiziert. Kommt es zu einer Umkehr der Polung der an dem MOS-Transistor anliegenden Spannung, die beispielsweise bei der Ansteuerung induktiver Lasten mittels des MOS-Transistors auftreten kann, so wird die Freilaufdiode wirksam, die durch den pn-Übergang zwischen der p- dotierten Body-Zone 20 und der Epitaxieschicht 14 gebildet ist, und deren Anoden-Anschluss der Source-Anschluss S und deren Kathoden-Anschluss der Drain-Anschluss D des MOS- Transistors ist.
  • Wie bereits zuvor für das Ausführungsbeispiel 1 erläutert, werden in diesem Betriebszustand Löcher in die Epitaxieschicht injiziert, wobei Löcher die bis in den Bereich der Konvertierungsstruktur 60 gelangen, dort in Majoritätsladungsträger umgewandelt werden und über die Epitaxieschicht in das Halbleitersubstrat 12 abgeführt werden.
  • Der Dotierungsunterschied zwischen dem Halbleitersubstrat 12 und der Epitaxieschicht 14 bewirkt ein Driftfeld, das verhindert, dass die in die p-dotierte Zone 20 injizierten Löcher in das Halbleitersubstrat 12 gelangen und verstärkt so den Effekt, dass die Löcher der stark p-dotierten Zone 62 der Konvertierungsstruktur für eine "Umwandlung" der Löcher als Minoritätsladungsträger in Elektronen als Majoritätsladungsträger zugeführt werden.
  • Vorzugsweise sind mehrere Konvertierungsstrukturen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen zwischen dem ersten Bauelementbereich I und dem zweiten Bauelementbereich II angeordnet, um ein Ausbreiten von Löchern bis in den zweiten Bauelementbereich II möglichst vollständig zu unterbinden.
  • Der Kurschluss zwischen der stark p-dotierten Zone 62 und der stark n-dotierten Zone 66, die bei der Konvertierungsstruktur 60 gemäß Fig. 2 unmittelbar aneinander anschließen, ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 durch eine auf der Vorderseite 104 des Halbleiterkörpers aufgebrachte Verbindungsstruktur 64 realisiert, die beispielsweise aus einem Metall oder aus Polysilizium besteht.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind zudem Feldplattenstrukturen 50, 55 vorhanden, die einen Spannungsdurchbruch im Randbereich des MOS-Transistors verhindern. Bezugszeichenliste D Drain-Anschluss
    I erster Bauelementbereich
    II zweiter Bauelementbereich
    12 Erste Halbleiterzone
    14 Zweite Halbleiterzone
    20 stark p-dotierte Zone
    30 stark n-dotierte Zone
    32 Source-Anschluss
    40 Steuerelektrode
    60 Konvertierungsstruktur
    62 stark p-dotierte Zone
    66 stark n-dotierte Zone
    70 stark p-dotierte Zone
    76 Steuerelektrode
    100 Halbleiterkörper
    102 Rückseite des Halbleiterkörpers
    104 Vorderseite des Halbleiterkörpers
    72, 74 stark n-dotierte Zone

Claims (8)

1. Integrierte Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist:
einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Halbleiterzone (12) eines ersten Leitungstyps (n) im Bereich einer Rückseite (102) und einer sich an die erste Halbleiterzone anschließenden zweiten Halbleiterzone des ersten Leitungstyps (n), die schwächer als die erste Halbleiterzone dotiert ist, im Bereich der Vorderseite (104)
einen ersten Bauelementbereich (I) in dem Halbleiterkörper, der wenigstens eine Halbleiterzone (20) eines zweiten Leitungstyps (p) aufweist,
einen zweiten Bauelementbereich (II) in dem Halbleiterkörper, der wenigstens eine Halbleiterzone (70) des zweiten Leitungstyps aufweist,
eine Konvertierungsstruktur (60), die eine Halbleiterzone (62) des zweiten Leitungstyps (p) und eine Halbleiterzone (66) des ersten Leitungstyps (n) aufweist, die kurzgeschlossen sind und die jeweils beabstandet zu der ersten Halbleiterzone (12) zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich (I, II) in der zweiten Halbleiterzone (14) angeordnet sind.
2. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterzone (20) des zweiten Leitungstyps (p) in der zweiten Halbleiterzone (14) im ersten Bauelementbereich (I) Teil eines vertikalen Halbleiterbauelements mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Anschlusselektrode ist, wobei die erste Anschlusselektrode an die erste Halbleiterzone (12) und die zweite Anschlusselektrode an die Halbleiterzone (20) des zweiten Leitungstyps angeschlossen ist.
3. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in der Halbleiterzone (20) des zweiten Leitungstyps in der zweiten Halbleiterzone (14) Halbleiterzonen (30) des ersten Leitungstyps (n) angeordnet sind, die an die erste Anschlusselektrode angeschlossen sind.
4. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei dem in dem ersten Bauelementbereich (I) eine Steuerelektrode (40) isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) benachbart zu der Zone des (20) des zweiten Leitungstyps (p) und der in der Zone des zweiten Leitungstyps (p) ausgebildeten Zone (30) des ersten Leitungstyps (n) vorhanden ist.
5. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1, bei dem in der Halbleiterzone (20) des zweiten Leitungstyps (p) in der zweiten Halbleiterzone (14) im ersten Bauelementbereich (II) wenigstens eine weitere Halbleiterzone des ersten Leitungstyps angeordnet ist.
6. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zone (62) des ersten Leitungstyps (n) und die Zone (66) des zweiten Leitungstyps (p) der Konvertierungsstruktur (60) sich unmittelbar aneinander anschließen.
7. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem mehrere Konvertierungsstrukturen mit jeweils einer Zone eines ersten Leitungstyps und einer Zone eines zweiten Leitungstyps, nebeneinander zwischen dem ersten und zweiten Bauelementbereich angeordnet sind.
8. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Konvertierungsstruktur ringförmig um den ersten Bauelementbereich ausgebildet ist.
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