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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem integrierten vertikalen Halbleiterbauelement
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein vertikales Halbleiterbauelement
mit einem eine mit dem Rückseitenpotential
korrelierende elektrische Größe liefernden
integriertem Schaltmittel bekannt (
EP-Patentschrift
0 179 099 B1 ), bei dem aber das Schaltmittel lateral angeordnet
ist und einen beträchtlichen Teil
der Chipfläche
beansprucht.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße integrierte
vertikale Halbleiterbauelement mit dem kennzeichnenden Merkmal des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, in einer platzsparenden, trotzdem spannungsfesten und hochohmigen
Anordnung eine mit dem Rückseitenpotential
korrelierende elektrische Größe zu liefern,
die auf der Vorderseite des Chips mit Logikelementen verarbeitbar
ist.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen
Halbleiterbauelements möglich.
In einfacher Weise läßt sich
eine derartige vertikale Anordnung durch Ausnutzung eines vertikalen
Stromflusses realisieren.
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Insbesondere
eine einfache Anordnung stellt eine auf der Vorderseite des Chips
eingebrachte obere Dotierzone dar, die ein Loch aufweist, das die
Dotierung des Substrats besitzt. Durch dieses Loch ist auf der Vorderseite
des Chips ein Stromfluß erzielbar, der
mit dem Rückseitenpotential
korreliert.
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Durch
geeignete Wahl des Durchmessers des Lochs läßt sich eine bestimmte Charakteristik
der Abhängigkeit
des Stroms vom Rückseitenpotential einstellen.
Als vorteilhaft erweist sich insbesondere, wenn der Durchmesser
des Lochs ungefähr
der Eindringtiefe der oberen (P-)Dotierzone entspricht.
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Durch
zusätzliches
Aufbringen einer stark dotierten (P-)Aufdotierzone um das Loch herum
läßt sich
gezielt die laterale räumliche
Ausdehnung des Lochs festlegen.
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Ist
die obere P-Dotierzone ein von einer Logikwanne, in die Logikelemente
eingebracht sind, getrennter Bereich, der im Folgenden als Meßwanne bezeichnet
wird, so läßt sich
das Potential der Logikwanne unabhängig vom Potential der Meßwanne einstellen.
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Ist
die Meßwanne
als ein von der Logikwanne getrennter Bereich ausgebildet, so ist
der Metallkontakt des Lochs so ausführbar, daß er gleichzeitig die Meßwanne kontaktiert.
Dadurch ergibt sich eine erhöhte
Spannungsfestigkeit des Schaltmittels gegenüber Durchbrüchen.
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Ist
das integrierte vertikale Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement,
so läßt sich mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
integrierten Logikelementen eine mit dem hohen Rückseitenpotential korrelierende
elektrische Größe, die
sich in einem niedrigeren Spannungsbereich bewegt, zuführen. Insbesondere
bei der Ausführung
des Leistungshalbleiterbauelements als intelligenter Leistungshalbleiterschalter
ist die erfindungsgemäße Anordnung
in vorteilhafter Weise für
Strombegrenzungen, Überlastschutzeinrichtungen
usw. anwendbar.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 ein dem Stand der Technik entnehmbares vertikales Halbleiterbauelement
mit einem großflächigen lateral angeordneten
Spannungsteiler, 2 ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, 3 eine
Strom-Spannungscharakteristik des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, 4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung, 5 ein
drittes Ausführungsbeispiel
und 6 ein viertes Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
schematisch ein dem Stand der Technik entnehmbares vertikales Halbleiterbauelement,
das hier als Transistor ausgeführt
ist. In das n-dotierte Substrat ist an der stark n-dotierten Rückseite 2 ein
Metallkontakt 3 aufgebracht, der den Kollektoranschluß C darstellt.
In die schwach n-dotierte Vorderseite 1 des Halbleiterbauelements
in 1 sind drei p-dotierte Wannen 4, 5, 6 eingebettet.
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In
die als Transistorbasis dienende Wanne 4 ist eine n-dotierte Emitterzone 13 eingebettet.
Emitterzone bzw. Transistorbasis sind jeweils über entsprechend stark dotierte
Abgriffe 14 bzw. 16 mit dem Emitteranschluß 15 bzw.
dem Basisanschluß 17 verbunden.
Die im Folgenden als Logikwanne bezeichnete Wanne 5 ist
ebenfalls über
einen stark dotierten Logikwannenabgriff 11 mit dem Logikwannenanschluß 12 verbunden.
Alle drei Wannen sind voneinander durch schwach dotierte n-Gebiete
voneinander getrennt, so auch die im folgenden als Spannungsteiler
bezeichnete Wanne 6, die drei stark p-dotierte Abgriffe 7 aufweist,
wobei zwei der drei Abgriffe mit Spannungsteileranschlüssen 10 verbunden
sind. Der randständige
der drei Abgriffe 7 ist galvanisch über eine Metallbrücke 9 mit
einer randständigen
stark n-dotierten Zone 8 (Channelstop) verbunden.
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Die 1 zeigt
ein vertikales Halbleiterbauelement mit einem vertikal angeordneten
Transistor mit Emitterzone 13, Transistorbasis 4 und
der als Kollektor dienenden schwach n-dotierten Vorderseite 1. Lateral
getrennt von der Transistorbasis 4 ist die Logikwanne 5 angeordnet,
in die weitere Funktionen in das Halbleiterbauelement integriert
werden können, beispielsweise
Strombegrenzungen, Temperaturabschaltungen usw. Diese Funktionen
sind nicht dargestellt, eingezeichnet ist lediglich der Logikwannenabgriff 11, über den
das Potential der Logikwanne auf einem bestimmten Niveau gehalten
wird. Benötigt beispielsweise
eines der in die Logikwanne integrierten Funktionen eine Information über das
Rückseitenpotential
am Kontakt C, so ist zur Lösung
dieser Aufgabe dem Stand der Technik ein Bauelement mit lateralem
Spannungsteiler entnehmbar. Hierzu wird das Rückseitenpotential über den
stark n-dotierten Channelstop 8 und den randständigen der
Abgriffe 7 des Spannungsteilers 6, galvanisch
mit dem Channelstop 8 über
die Metallbrücke 9 verbunden,
zum Spannungsteiler geführt.
Je nach Anordnung der weiteren Ab griffe 7 kann eine bestimmte
Spannung abgegriffen werden, die mit der Rückseitenspannung UC korreliert.
Der Widerstand dieses Spannungsteilers muß hochohmig sein sowie spannungsfest
ausgeführt
werden. Seine Integration ist deshalb flächenintensiv. Der mittlere
der Abgriffe 7 wird dabei elektrisch mit einem entsprechenden
Kontakt eines nicht eingezeichneten Logikelements in der Logikwanne 5 elektrisch
verbunden. Diese elektrische Verbindung ist ebenfalls nicht eingezeichnet.
Durch diese elektrische Verbindung steht dem Logikelement in der
Logikwanne eine sozusagen verkleinerte Rückseitenspannung zur Verfügung. Diese
niedrige Spannung kann mit ebenfalls niedrigsperrenden Signaltransistoren
in der Logikwanne 5 ausgewertet werden. Nachteilig bei
dieser Anordnung ist, daß für den hochohmigen
und hochsperrenden Spannungsteiler viel Siliziumfläche benötigt wird.
Die in den folgenden Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele beseitigen
diesen Nachteil.
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2 zeigt
einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
In der Logikwanne 5 befindet sich ein Loch 20,
das die schwache N-Dotierung
der Vorderseite 1 aufweist. Dieses Loch 20 ist über einen
Lochabgriff 21, der von einer stark n-dotierten Zone gebildet
wird, die in den p-dotierten Bereich der Logikwanne 5 hineinragt,
und über
den Lochmetallkontakt 22 elektrisch kontaktierbar. Das
Loch 20 weist einen Durchmesser D auf. Dieser Durchmesser
D ist vorzugsweise ungefähr
so groß wie
die Eindringtiefe t der Logikwanne 5. Die Logikwanne ist
in einer bevorzugten Ausführungsform
symmetrisch um das Loch 20 über einen Logikwannenabgriff 11 und
Logikwannenanschluß 12 kontaktierbar.
Dabei wird die Logikwanne 5 im allgemeinen auf Massepotential
gelegt.
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Der
von der stark n-dotierten Zone gebildete Lochabgriff 21 kann
auch so ausgeführt
werden, daß er
nicht in den p-dotierten
Bereich der Logikwanne 5 hineinragt. Der Lochmetallkontakt 22 ist
dann entsprechend kleiner ausgeführt,
so daß er
nur den stark n-dotierten Bereich 21 kontaktiert.
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Liegt
am rückseitigen
Kontakt C das Potential UC, so kann ein
Strom von der Rückseite
zum Lochmetallkontakt 22 auf der Vorderseite fließen. Dabei
sei das Potential UC positiv und größer als
das Potential am Lochmetallkontakt 22. Nimmt die Spannung
UC zu, so breitet sich die Raumladungszone des
in Sperrichtung geschalteten PN-Übergangs
zwischen der Logikwanne 5 und der Vorderseite 1 aus und
behindert den Stromfluß vom
Kontakt C zum Lochmetallkontakt 22. Der Strom durch den
Lochmetallkontakt 22 steigt daher mit zunehmender Rückseitenspannung
UC immer weniger stark an, bis er näherungsweise
in einen linearen Anstieg übergeht.
Dieses Verhalten des Stroms durch das Loch 20 ist in 3 für den Fall
dargestellt, daß das
Potential des Lochmetallkontakts 22 gleich Null ist. Aufgetragen
ist in dem Diagramm der Lochstrom IB durch
das Loch 20 in Abhängigkeit
von der Rückseitenspannung
UC. Der Lochstrom IB ist
gemäß dieser
Darstellung mit der Rückseitenspannung
verknüpft
und kann durch eine geeignete Logikschaltung, die in die Logikwanne 5 integriert
ist, ausgewertet werden. Der Strom kann durch eine geeignete Wahl
des Öffnungsdurchmessers
D des Lochs 20 eingestellt werden. Dabei erweist sich insbesondere
ein Durchmesser D als vorteilhaft, der in der Größenordnung der Eindringtiefe
t liegt. Wird der Lochdurchmesser D erheblich kleiner gewählt, so
wird der Stromfluß durch
das Loch 20 bei steigender Rückseitenspannung UC infolge
der sich ausbreitenden Raumladungszone sehr bald abgeschnürt, so daß kein Strom
mehr durch den Metallkontakt 22 fließt, der als Maß für die Rückseitenspannung
UC dienen könnte. Würde andererseits der Lochdurchmesser
D erheblich größer gewählt, so
be stünde
ein linearer Zusammenhang zwischen dem Stromfluß durch das Loch 20 und
der Rückseitenspannung
UC. Dies würde zu nicht handhabbaren großen Strömen bei
großen
Rückseitenspannungen UC führen.
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Die
insbesondere bei hohen Temperaturen wirksamen Sperrströme des PN-Übergangs
zwischen der Logikwanne 5 und der Vorderseite 1 beeinflussen
den Strom durch den Lochmetallkontakt 22 praktisch nicht,
da sie direkt zum Logikwannenanschluß 12 abfließen, der
mit Masse verbunden ist. Die maximal mögliche Spannung zwischen dem
Logikwannenanschluß 12 und
dem Lochmetallkontakt 22 wird durch die Avalanchedurchbruchspannung des
PN-Übergangs
zwischen dem Lochabgriff 21 und der Logikwanne 5 bestimmt.
Ist diese Avalanchedurchbruchspannung nicht ausreichend, kann eine Anordnung
gemäß 5 gewählt werden.
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Der
Zusammenhang zwischen dem Lochstrom IB und
der Rückseitenspannung
UC weist einen linearen Bereich 30 auf,
der in idealer Weise eine Detektion der Rückseitenspannung UC ermöglicht.
Außer
vom Durchmesser D des Lochs 20 hängt die Stromspannungscharakteristik
jedoch auch vom Potential des Lochmetallkontakts 22 ab,
das in 3 als mit dem Massepotential identisch vorausgesetzt wird.
Soll das Potential des Lochmetallkontakts 22 in einer Logikschaltung
ausgewertet werden, befindet sich der Kontakt 22 aber nicht
mehr auf Masse. Die Stromspannungskennlinie verschiebt sich etwas.
Im linearen Teil der Kennlinie in 3 entspricht
der Strom dann näherungsweise
dem Wert bei der Spannung UC abzüglich des
Potentials am Lochmetallkontakt 22.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Gezeichnet ist der relevante Abschnitt um das Loch 20 herum.
Zusätzlich
zur p-dotierten
Logikwanne 5 ist im Bereich der Logikwanne 5,
etwas in das Loch 20 hineinragend, eine stark p-dotierte
Aufdotierzone 40 eingebracht. Zum einen entfällt durch
diese Aufdotierzone 40 der Logikwannenabgriff 11,
der Logikwannenanschluß 12 kann
direkt auf die Aufdotierzone 40 aufgebracht werden. Der
Logikwannenanschluß 12 ist dabei
im allgemeinen weiterhin auf Massepotential gelegt. Im Gegensatz
zur 2 wird hier nun der Lochdurchmesser D durch den
Durchmesser des Bereichs bestimmt, der von der Aufdotierzone 40 ausgespart
ist. Die Aufdotierzone 40 ist flacher als die Logikwanne 5.
Dadurch läßt sich
ein exakteres Dotierprofil einstellen als bei der tiefen Logikwanne 5. Dadurch
läßt sich
insbesondere die Geometrie des Lochs 20 exakter einstellen
als ohne zusätzliche
Aufdotierzone 40. Allerdings ergibt sich bei dieser Anordnung
eine verminderte Sperrfähigkeit,
da hier die maximal anlegbare Spannung zwischen Kontakt C und Lochmetallkontakt 22 durch
die Durchbruchspannung zwischen Lochabgriff 21 und stark
p-dotierter Aufdotierzone 40 gegeben ist, die niedriger
ist als die Durchbruchspannung zwischen Lochabgriff 21 und p-dotierter
Logikwanne 5 in 2. Hat man beispielsweise in 2 ein
Sperrverhalten bis ungefähr 50
V zwischen Lochmetallkontakt 22 und Rückseitenmetallkontakt 3,
so vermindert sich dieser Wert auf beispielsweise 10 V in einer
Anordnung gemäß 4.
Eine Anordnung gemäß 5 behebt
wieder diesen Nachteil.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Dargestellt ist eine Abwandlung von 4. Das Loch 20 ist
im Gegensatz zur 4 nicht in der Logikwanne 5 integriert,
sondern die Anordnung gemäß 5 weist
eine Meßwanne 50 auf,
die im gleichen Herstellungsschritt wie die Logikwanne 5 eingebracht worden
ist. Sie ist ebenso wie die Logikwanne 5 p-dotiert und
von der Logikwanne 5 und der Transistorbasis 4 zumindest
durch einen Abstand W getrennt. Der Abstand W liegt zwischen ca.
80 bis 200 μm.
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Der
Abstand muß in
jedem Falle so groß gewählt werden,
damit kein Punchthrough ermöglicht wird.
Da die Logikwanne getrennt von der Meßwanne über den Logikwannenanschluß 12 kontaktiert
werden kann, ist es in dieser Anordnung möglich, den Lochabgriff 21 gemeinsam
mit der Aufdotierzone 40 zu kontaktieren. Das hat den Vorteil
einer erhöhten Spannungsfestigkeit
der erfindungsgemäßen Anordnung,
da die Durchbruchspannung nicht mehr von der Avalanchedurchbruchspannung
wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen bestimmt wird.
Dadurch lassen sich zwischen Lochabgriff 21 und Masseanschluß 12 Spannungen
größer als
50 V anlegen.
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Auch
eine Anordnung gemäß 2 kann analog
zur Ausführung
in 5 in einer gesonderten Meßwanne angeordnet werden mit
den gleichen eben genannten Vorteilen.
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Falls
die erfindungsgemäße Anordnung
mit dem Loch 20 als isoliertes Bauteil eingesetzt wird oder
falls in einer Kombination mit Transistor oder anderen Bauelementen
keine Isolation von diesen Bauelementen notwendig ist, kann auch
die Meßwanne entfallen.
Alternativ wenn eine hohe Sperrfähigkeit der
erfindungsgemäßen Anordnung
mit dem Loch 20 nicht erforderlich ist, können auch
in der in 5 dargestellten Anordnung mit
eigener Meßwanne 50 weiterhin
getrennte Metallkontakte für
Lochabgriff 21 und Aufdotierzone 40 vorgesehen
sein.
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6 zeigt
die Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
nach 5. Bereits eingeführte Bezugszeichen werden wie
auch bereits in den vorgenannten Ausführungsbeispielen nicht nochmals
beschrieben. Gestrichelt eingezeichnet ist der Außenrand 51 und
der Innenrand 52 der Meßwanne 50. Die Meßwanne hat
einen Abstand W zur Logikwanne 5. Eventuell in die Logikwanne 5 eingebrachte
Logikelemente sowie die Transistorbasis 4 usw. sind nicht dargestellt.
Ersichtlich ist hier in der Draufsicht der am Rand des Halbleiterbauelements
verlaufende Channelstop 8, der in die Vorderseite 1 eingebracht ist.
Der Übergang
zwischen dem Channelstop 8 und der Vorderseite 1 kann
noch mit einem sich auf UC-Potential befindlichen,
seitlich umlaufenden, schmalen Metallstreifen überdeckt sein, der in 6 nicht
ersichtlich ist.
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Das
Loch 20 mit dem Durchmesser D wird in seiner Geometrie
festgelegt durch den Innenrand 42 der Aufdotierzone 40.
Der Außenrand
der Aufdotierzone 40 ist mit dem Bezugszeichen 41 versehen.
Der Lochmetallkontakt 22 ist großflächig ausgeführt. Der Lochmetallkontakt
ist entlang der mit Bezugszeichen 23 versehenen Linie abgegrenzt.
Nur innerhalb dieser Lochmetallkontaktbegrenzung 23 ist
der Lochmetallkontakt 22 mit dem darunterliegenden Halbleiterbauelement
in elektrischer Verbindung. Außerhalb des
durch die Linie 23 begrenzeten Bereichs ist er durch eine
nicht eingezeichnete Isolierschicht sowohl von der Meßwanne 50 als
auch von der Vorderseite 1 als auch von der Logikwanne 5 elektrisch
isoliert. Der Lochmetallkontakt 22 kontaktiert lediglich
den Lochabgriff 21 und einen Teil der Aufdotierzone 40. Bevor
der großflächige Metallkontakt 22 also
aufgebracht wird, müssen
die Bereiche, die gemäß den obigen
Ausführungen
nicht kontaktiert werden sollen, mit einer Oxidschicht bedeckt werden.
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In
dieser Draufsicht ist deutlich ersichtlich, daß der Flächenaufwand für die Anordnung
mit dem Loch 20 erheblich reduziert ist im Vergleich zu
einer Anordnung nach dem Stand der Technik. Dabei ist die in 6 gezeigte
Anordnung mit dem Loch 20 in einer Ecke nur eine mögliche,
bevorzugte Ausführungsform.
Auch andere Anordnungen der Meßwanne 50,
beispielsweise in der Mitte des Halbleiterbauelements, sind möglich. Die
spezielle Wahl hängt
einzig von der Schaltungsumgebung ab, in der die erfindungsgemäße Anordnung
zum Einsatz kommt; auch andere Geometrien (z. B. kreisförmige Ausgestaltungen
der Meßwanne)
sind hierbei wählbar.