DE2322490C3 - Integrierte Halbleiterschaltung mit mindestens einem mit einer isolierten Steuerelektrode versehenen Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit mindestens einem mit einer isolierten Steuerelektrode versehenen Halbleiterbauelement, das auf eine an die Steuerelektrode gelegte elektrische Ladung mit einer Änderung seines Leitungszustandes anspricht und das dadurch geschaltet wird, daß ein von der Steuerelektrode durch eine Schicht aus Isoliermaterial getrennter PN-Übergang in Sperrichtung derart vorgespannt wird, daß der am PN-Übergang ausgelöste Lawinendurchbruch eine Ladungsträgerinjektion durch die Isolierschicht hindurch bewirkt, wodurch die zum Schalten des Halbleiterbauelements erforderliche Ladung auf die Steuerelektrode gebracht wird.

Bei einer bereits bekannten integrierten Schaltung dieser Gattung (USA.-Patentschrift 36 60 819) wird eine elektrische Ladung auf die Steuer- oder Gateelektrode eines Feldeffekttransistors gebracht, indem eine Spannung zwischen die Source oder die Drainelektrodc des Transistors und das Substrat gelegt wird, in welchem der Transistor ausgebildet ist. Die Spannung h;it f>5 eine genügende Größe, um einen Durchbruch in dem Übergang zu bewirken, der zwischen entweder der Sourceelektrode oder der Drainelektrode des Transistors und dessen Substrat vorhanden ist. so daß die Elektronen in die das Substrat und die Gateelektrode trennende Isolation eintreten und durch sie hindurchgehen. Dabei ist eine relativ hohe Spannung in der Größe von 20 bis 50VoIt erforderlich, um einen Lawinendurchbruch zu bewirken. Bei integrierten Schaltungen ist die Source- oder Drainelektrode eines Feldeffekttransistors typischerweise mit anderen Schaltungsteilen gekoppelt Wenn die 20 bis 50 Volt betragende Lawinendurchbruchsspannung zwischen die Source- oder Drainelektrode und das Substrat gelegt wird, gelangt sie auch an die übrige Schaltung, die mit dem Feldeffekttransistor gekoppelt ist. Ein derart hoher Spannungsimpuls kann naturgemäß andere, mit der Source- oder Drainelektrode elektrisch verbundene Schaltungsteile beschädigen.

Es besteht daher die Schwierigkeit, daß der zur Änderung des Schaltzustandes erforderliche Impuls zu groß wird und damit weitere Schaltungselemente in der integrierten Schaltung beschädigen kann, die elektrisch mit der Drainelektrode verbunden sind, und zwar resul tiert eine derartige Beschädigung aus der hohen Spannung des zuzuführenden Impulses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr der Beschädigung von Schalungselementen einer integ.-ierien Schaltung bei der Anlegung einer Vorspannung oder eines Impulses zur Änderung des Schaltzustandes eines mit dem genannten Schaltung* elerient elektrisch verbundenen, mit einer isolierten Steuerelektrode versehenen Halbleiterbauelements zu beseitigen.

Ei ist schon mehrfach bekanntgeworden, in einer integrierten Halbleiterschaltung nut mindestens einem MOS-Bauelement für Schalt- und Schutzzwecke gesonderte Dioden im Abstand von dem zu schaltenden bzw. zu schützenden Halbleiterbauelement anzuordnen (USA.-Patentschriften 35 90 343, 35 77 043). Es ist auch bekinnt, die Aufgabe, eine Halbleitervorrichtung zu schiffen, die gegen das Durchschlagen der Isolierung der Giltersperrschicht geschützt ist. das von einer möglicherweise beim praktischen Beuieb an der Gitterelektrode wirksam werdenden hohen Spannung herrührt, dadurch zu lösen, daß ein Feldeffekttransistor vorgesehen wird, der ein Halbleitersubstrat, einen FeIdeffe «transistor mit in dem Substrat gebildeten Elektroden, nämlich einer Kathode, einer Anode und einem isolierten Gitter, einen ersten Bereich hoher Fremdstoffkonzentration, der in einem von dem IGFET getrennten Bereich des Substrats gebildet ist und dessen Leitungstyp dem des Substrats entgegengesetzt ist, und einen zweiten Bereich hoher Fremdstoffkonzentration, der mit dem ersten Bereich an dem einen Ende dessel ben einen PN-Übergang bildet, aufweist, wobei das eine Ende des ersten Bereichs mit der Gitterelektrode des IGFET verbunden ist und ein weiteres Ende des erst ;n Bereichs mit einer Eingangssignalquelle gekoppelt ist, und wobei das Substrat und/oder der /weite Bereich geerdet sind (DT-OS 21 31 167).

Hiervon abweichend wird die vorhererwähnte, dem Anmeldungsgegenstand zugrunde liegende Aufgabe bei einer integrierten Halbleiterschaltung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mit der Vorspannung zu beaufschlagende PN-Übergang einer gesonderten Diode angehört, die innerhalb des Halbleiterkörpers an einer von dem zu schaltenden Halbleiterbauelement entfernt gelegenen Stelle ausgebildet ist, und daß sich die Steuerelektrode des zu schaltenden Halbleiterbauelementes bis in die

Nachbarschaft des PN-Übergangs der Diode erstreckt, aoer von ihr durch die erwähnte Isolierschicht getrennt

Zwar ist auch schon eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer mehreren Feldeffekttransistoren ge- meinsamen Steuerelektrode bekannt (FR-OS 20 63 062), aber nicht im Zusammenhang mit einer Halbleiterschaltung der hier zur Rede stehenden Gattung und auch nicht als Mittel zu der hier zu lösenden Aufgabe.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung besteht darin, die zu schaltenden Halbleiterbauelemente mit einer gemeinsamen Steuerelektrode auszustatten, so daß durch die Ladungsträgerinjektion infolge eines Lawinendurchbruchs der Schaltzustand bei allen diesen Halbleiter!, auelementen gleichzeitig verändert werden kann. Die e wähnte Isolierschicht kann bei einer integrierten Halbleiterschaltung der /ur Rede stehenden Art eine Oxydschicht sein. Ferner können bei einer integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung die mit einer gemeinsamen Steuerelektrode versehenen Halbleiterbauelemente MOS-Feldeffekttransistoren sein.

Durch die Erfindung wird es somit auch möglich, bei Strukturen integrierter Schaltungen, bei denen viele einzelne Schaltungselemente auf einem ein/einen Platt chen aus Halbleitermaterial angeordnet sind, cm Schema für das Zu- und Abschalten ganzer Unterabschnitte einer solchen integrierten Schaltung verfügbar /u ma- chen, das von einer oder mehreren entfernt gelegenen Stellen aus schaltbar sein kann.

Im folgenden ist die integrierte Halbleiterschaltung nach der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung mit schräger Querschnittsansicht eines Teils einer integrierten Schaltung, die mehrere MOS-Halbleiterbauelemente mit einer gemeinsamen schwimmenden Steuerelektrode aufweist, die sich bis in die Nachbarschaft einer ent· fernt angeordneten Diode mit PN-Übergang erstreckt.

F i g. 2 eine Querschnitlsdarstellung der integrierten Schaltung von F i g. 1 mit Blickrichtung auf die in F i g. 1 mit 2-2 angedeutete Schaltungsebcne, läßt den Aufbau eines MOS-Halbleiterbauelements erkennen und veranschaulicht zugleich die Beziehung der schwimmenden Steuerelektrode /u dem übrigen Teil der Gesamtanordnung.

Bei einer solchen Anordnung ist mindestens ein Halbleiterbauelement in einer integrierten Schaltung von einer entfernt gelegenen Stelle aus durch lawinenartige Injektion von ladungen auf einer schwimmenden Steuerelektrode schallbar. Die Figuren der Zeichnungen zeigen einen Teil einer integrierten Schaltung 11 mit zwei MOS-Halbleiterbauelementen 12 und 13 und einer entfernt angeordneten Diode 14 nut einem PN-Übergang. Wie Fig 2 zeigt, enthalt jedes der MOS-Halbleiterbauelemente 12 und 11 cine Source/one 16 und eine Drainzone 17, die beispielsweise .ils Zonen vom P⁺-Leitungslyp in einem Körper aus I i:\lbleitermaterial 18 ausgebildet "'in können, iler beisfvris weise aus Silizium von N-l.eitungsisp be.su.-lieii ή..;. Iran sich bekannter Weise ist eine die ObcM. '.-. .'. , Halbleiierkörpers 18 passiviciende Schieb; .iu ■>--> 1 material 19. beispielsweise aus Siliziuuutio\\ii. .·>. ,icir; H freiliegenden Teil der Oberflache des i i.ilbleitei k.irpers 18 vorgesehen. In ebenfalls an sich bekannter Weise dient eine Metallisierung zur Bildung von Source- iitul Drainelektroden 21 und 22, die sich durch die Isoliermaterialschicht 19 hindurch erstrecken, um mit der Sourcezone und der Drainzone 16 bzw. 17 in Kontakt zu kommen. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 18 ist eine Steuerelektrodenschicht 23 zwischen der Source- und Drainzone 16 bzw. 17 gebildet. In dieser Oxydschicht 23 ist eine Steuer- oder Gateelektrode 24 angeordnet. Die Oxydschicht 23 zwischen der Steuerelektrode 24 und der Oberfläche des Halbleiterkörpers 18 kann eine Dicke von beispielsweise etwa 500 bis 1000 Angströmeinheiten haben, wobei eine Isolierschicht von vielleicht 5000 Angströmeinheiten aus Isoliermaterial oder Oxyd auf der Oberseite der Steuerelektrode 24 gebildet ist.

Wie aus F i g. 1 zu ersehen, erstreckt sich sowohl die Steuerelektrode 24 als auch die Steuerelektroden-Oxydschicht 23 über eine Mehrzahl ve lalbleiterbauelementen vom MOS-Typ, d.h. die Halbleiterbauelemente vom MOS-Typ 12 und 13, und beide enden in der Nachbarschaft der einen PN-Übergang aufweisen den Diode 14. Das bedeutet, die Steuerelektrode 24 isi für eine Mehrheit von Halbleiterbauelementen gemeinsam vorgesehen.

Die deii PN-Übergang aufweisenden Diode 14 ist in einer bei integrierten Schaltungen üblichen Art und Weise hergestellt. Beispielsweise wird in dem Halb leiterkörper 18 aus Material vom N-Typ eine P' Zone 26 hergestellt. Die Steuerelektroden-Oxydschichi 23 und die Steuerelektrode 24 erstrecken sich bis in die Nachbarschaft der den PN-Übergang aufweisenden Diode 14 und enden in ringförmigen Zonen 23a und 246, welche den PN-Übergang überlagern, der zwischen der P⁺ -Zone 26 und dem Körper aus Halbleitermaterial vom N-Leitungsiyp 18 gebildet ist. Eine Dio denelektrode 27 erstreckt sich nach unten durch die Ringzonen 23a und 24b, um den Kontakt zu der P⁴ Zone 26 herzustellen.

Im Betrieb wird eine Spannung an die Diodenelektrode 27 angelegt, um die Vorspannung der den PN-Übergang aufweisenden Diode 14 umzukehren. Es wird eine Entleerungszone 28, wie sie mit gestrichelten Li nien in F i g. 1 angegeben ist, gebildet. Wenn die an die Diodenelektrode 27 angelegte Spannung eine genügende Höhe hat, üblicherweise in der Größenordnung von 20 bis 50 Volt, kommt es zu einem lawinenartigen Durchbruch der den PN-Übergang aufweisenden Diode 14. Dieser lawinenartige Durchbruch ergibt eine Trägermjektion aus der Entleerungszone 28 durch die Oxydschicht 23 in die Steuerelekt-ode 24. Dadurch wird eine Ladung auf die Steuerelektrode 24 gebracht, welche das Schalten der Halbleiterbauelemente vom MOS-Typ 12 und 13 bewirkt Die Verwendung einer Trägermjektion aus einer getrennten, einen PN-Übergang auUv eisenden Diode zum Laden der Steuer oder Ciateelekiiodc 24 führt zu keinerlei schädlichen Auswirkungen auf irgendwelche Schaluingsbesiandieile, d'e an die Source- oder Drainelektrode 21 bzw. 22 der ! l.ilhlciterhauelemente vom MOS-T χι angekoppelt sein mi \:er,

Durch die I-rl'indii nt! w;;v. es somit möglich, dal.i eir·

i !aihk'iiernaiH. k'iiH·! .><. . u^;r die liiliiykiit ii.ibeii. ihr.:" '1.'.-!111-.!'-./UsKUiJ im Miliangigke.t \on ι,-mer an d:c .ML-'.icr.'k'kiiv.vie gelegten elektrischen Ladung oder >>:.;nnung /u andern, von einer entfernten Stelle aus iKireli t.adiingsirägerinjcktion geschaltet werden, um eine Ladung auf die Steuerelei.irode zu bringen. Wenn es gewünscht wird, mehr .ils ein Halbleiterbauelement

gleichzeitig zu schalten, kann eine gemeinsame Steuerelektrode für mehrere vorhandene Halbleiterbauelemente vorgesehen werden, wobei die Ladungsträgerinjektion in die gemeinsame Elektrode die Schaltung aller Halbleiterbauelemente bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit mindestens einem mit einer isolierten Steuerelektrode versehenen Halbleiterbauelement, das auf eine an die Steuerelektrode gelegte elektrische Ladung mit einer Änderung seines Leitungszustandes anspricht und das dadurch geschaltet wird, daß ein von der Steuerelektrode durch eine Schicht aus Isoliermaterial getrennter PN-Übergang in Sperrichtung derart vorgespannt wird, daß der am PN-Übergang ausgelöste Lawinendurchbruch eine Ladungsträgerinjektion durch die Isolierschicht hindurch bewirkt, wodurch die zum Schalten des Halbleiterbauelements erforderliche Ladung auf die Steuerelektrode gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Vorspannung zu beaufschlagende PN-Übergang einer gesonderten Diode (14) angehört, die innerhalb des Halbleiterkörpers an einer jo von dem zu schaltenden Halbleiterbauelement (z. B. 12) entfernt gelegenen Stelle ausgebildet ist, und daß sich die Steuerelektrode (24) des zu schaltenden Halbleiterbauelements bis in die Nachbarschaft des PN-Übergangs der Diode (14) erstreckt, aber von ihr durch die Isolierschicht (23) getrennt ist.

2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schaltenden Halbleiterbauelemente (12, 13) eine gemeinsame Steuerelektrode (24) aufweisen.

3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (23) eine Oxidschicht ist.

4. Integrierte Halbleiterschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer gemeinsamen Steuerelektrode (24) versehenen Halbleiterbauelemente (12, 13) MOS-Feldeffekttransistoren sind.