DE3533478A1 - Monolithisch integrierte halbleiter-leistungsvorrichtung - Google Patents

Monolithisch integrierte halbleiter-leistungsvorrichtung

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Description

Beschrei bung
Die Erfindung betrifft den Aufbau einer elektronischen Halbleiter-Vorrichtung, die vor allem wenigstens eine integrierte Schaltung sowie Leistungsbauelemente aufweist, die monolithisch im selben Plättchen (Chip) aus Halbleitermaterial integriert sind.
Wenn in demselben Silizium-Plättchen Leistungstransistoren hoher Spannungsfestigkeit mit vertikalem Stromfluß vom Emitter zum Kollektor und eine integrierte Steuerschaltung untergebracht werden, kann dadurch eine sehr kompakte und wirksame Vorrichtung mit geringen Kosten zur Verfügung gestellt werden, die den gegenwärtigen industriellen Anforderungen entspricht.
Eine derartige Vorrichtung, die in der italienischen Patentanmeldung Nr. 6616/A/84 vom 21.08.1984 beschrieben und dargestellt ist, sieht die Verwendung von ebenen Übergängen hoher Durchbruchspannung (breakdown) vor, wodurch die Vorrichtung für Leistungszwecke mit hoher Spannung verwendet werden kann. Die Ausbildung der ebenen PN-übergänge hoher Spannungsfestigkeit wird mit einem Stufenprofil und einer Dotierstoffkonzentration an einer der beiden Seiten des Überganges erreicht, die von der Mitte zum Rand in einem vorbestimmten Ausmaß abnimmt.
Eine in dieser Weise ausgebildete Vorrichtung kann jedoch beim Umschalten nicht korrekt arbeiten. Weil nämlich im Inneren des Plättchens mehrere Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit sind, ergeben sich parasitäre Bipolartransistoren. Diese geben dann keinen Anlaß für Schwierigkeiten, wenn die ebenen Übergänge mit hoher Spannungsfestigkeit in der Vorrichtung in Sperrichtung vorgespannt sind, weil in diesem Fall sowohl der Emitter-Basis-Übergang als auch der Kollektor-Basis-übergang der parasitären Transistoren in Sperrichtung vorgespannt sind. Sie sind jedoch schädlich, wenn die Leistungstransistoren, die von der integrierten Schaltung gesteuert werden, in den Sättigungszustand
gelangen. In diesem Fall verursacht die Einschaltung der parasitären Elemente, die Strom in die Isolierzone injizieren, welche in ihrem Inneren die integrierte Schaltung enthält, die Durchlaßvorspannung des inneren PN-überganges, der sich am übergang von der integrierten Schaltung der Vorrichtung zur umgebenden Isolierzone befindet, wenn die Schwellenspannung von 0,6 V dieses Überganges überschritten wird; das verursacht den Verlust der elektrischen Isolierung und damit einen schlechten Betrieb, im Grenzfall die Zerstörung der integrierten Schaltung der Vorrichtung.
Der Erfindung liegt hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau zur Verfügung zu stellen, der mit der Planartechnik verwirklicht werden kann, indem die üblichen Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen eingesetzt werden, und die erwähnten und weitere Nachteile zu vermeiden, die sich im Laufe der nachfolgenden Beschreibung ergeben.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem Plättchen die integrierte Steuerschaltung und der Steuertransistor eines Darlington-Paares voneinander entfernt angeordnet sind und sich der Leistungsendtransistor als Trennelement an einer Zwischenstelle befindet. Zwischen den Zonen, die dem Leistungsendtransistor und der integrierten Steuerschaltung vorbehalten sind, befinden sich gemäß der Erfindung außerdem kleine, stark dotierte Halbleiterzonen, welche die horizontale Fortsetzung der Kollektorzone der Vorrichtung unterbrechen und als Abschirmung dienen. In einer derartigen Struktur sind die schädlichen, von den parasitären Transistoren hervorgerufenen Einflüsse vernachlässigbar, wodurch der einwandfreie Betrieb der Vorrichtung gewährleistet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigen:
Figur 1 einen nicht maßstabsgetreuen Schnitt durch einen Teil
eines Plättchens mit einer monolithisch integrierten
Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine schematische, nicht maßstabsgerechte Draufsicht
zur Darstellung der Einteilung eines Plättchens in einer monolithisch integrierten Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Figur 3 einen ebenfalls nicht maßstabsgerechten Schnitt durch
einen Teil eines Plättchens mit der Vorrichtung der Figur 2 und
Figur 4 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung in der die
parasitären Transistoren im Inneren der Struktur hervorgehoben sind und die Vorrichtung mit einer Abschirmung gezeigt ist, die weniger kompliziert als diejenige
der Figuren 2 und 3 ist.
In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie Figur 1 zeigt, sind die Bauelemente der Vorrichtung nach dem Stand der Technik in einem Substrat 1 aus monokristallinem Silizium untergebracht. Auf diesem Substrat 1 wird eine erste epitaktische Schicht 2 und anschließend eine zweite epitaktische Schicht 4 niedergeschlagen, wobei beide Schichten einen hohen Widerstand und eine Dotierstoffkonzentration von 1.10
3
Atomen/cm haben. Eine integrierte Steuerschaltung IC, von der ein NPN-Transistor mit seiner Emitterelektrode El, seiner Basiselektrode Bl und seiner Kollektorelektrode Cl gezeigt ist, befindet sich in der Nähe des rechten Randes des Plättchens innerhalb einer Isolierzone 3-5 (3 bezeichnet den horizontalen Teil
und 5 den vertikalen Teil der Isolierzone), die für hohe Spannung ausgebildet ist und an die Masse der Schaltungsanordnung angeschlossen ist, in welche die Vorrichtung eingesetzt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite, die sich in der Nähe des linken Randes des Plättchens befindet, liegt ein NPN-Leistungstransistor T, der ebenfalls für hohe Spannung ausgebildet ist. Dieser Transistor besteht aus einer Kollektorzone, die in den Schichten 1-2-4 enthalten ist und eine Kollektorelektrode C hat, aus einer Basiszone 6 mit einer Basiselektrode B und aus einer Emitterzone 7 mit einer Emitterelektrode E. Die Elektroden, die in der Figur schraffiert dargestellt sind, befinden sich alle auf derselben Seite des Plättchens, ausgenommen die Kollektorelektrode C, die auf der gegenüberliegenden Seite ist. Metallische Leiterbahnen, die in der Figur 1 nicht dargestellt sind und sich auf der Isolierschicht 8 des Plättchens befinden, verbinden den Ausgang der integrierten Steuerschaltung IC mit dem Leistungstransistor T.
In der Figur 1 sind gestrichelt parasitäre Elemente dargestellt, die im Inneren der Struktur entstehen, nämlich:
Tp ein PNP-Transistör, der sich zwischen T und IC
bildet und der, genauer betrachtet, als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 6 bzw.
1-2-4 bzw. 3-5 hat,
TpISg einen NPN-Transistör, der sich in der Isolierzone 3-5, die in ihrem Inneren die integrierte Steuerschaltung IC enthält, bildet und der, genauer betrachtet, als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 9 bzw. 3-5 bzw. 1-2-4 hat,
RpjgQ einen Widerstand der vertikalen Isolierzone 5 von
IC.
Wenn der Leistungstransistor T aus dem Sperrzustand (AUS) in den Sättigungszustand (EIN) gebracht wird, in dem sein Basis-Kollektor-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, spannt sich der parasitäre Transistor Tp in den aktiven Bereich vor und injiziert damit, auch wenn seine Verstärkung kleiner als eins ist, einen Teil des Kollektorstroms von T in die Isolierzone, d.h. in einen äußeren Teil des Widerstandes Κρτςη-Dieser Strom fließt über RpjSQ nach Masse, mit der das andere, obere Ende des Widerstandes verbunden ist. Sobald dieser Strom den Wert überschreitet, bei dem sein Produkt mit dem Widerstand RPISO die SchwelTenspannung von 0,6 V erreicht oder überschreitet, spannt sich der Basis-Emitter-übergang des anderen Transistors Τη.™ in Durchlaßrichtung vor. Aus diesem Grund findet in diesem Fall der Strom, der zuerst nur durch Rpjcn floß, einen Weg zur Zone 9 und wird vom Kollektor des Transistors der integrierten Steuerschaltung IC aufgenommen. Dadurch geht die elektrische Isolierung in der Zone 3-5, die IC umgibt, verloren. Dieser unerwünschte Stromfluß ist die Ursache für den mangelhaften Betrieb der monolithischen Vorrichtung.
Dieses technische Problem wird bei der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Paar von Leistungstransistoren hoher Spannungsfestikeit in Darlington-Schaltung eingesetzt wird, die auf dem Plättchen derart angeordnet sind, daß sich der Endtransistor des Paares an einer Zwischenstelle zwischen dem Steuertransistor des Paares und der integrierten Steuerschaltung befindet.
Die Figuren 2 und 3 zeigen, daß in der Nähe des linken Randes des Plättchens der NPN-Steuertransistör T^ (Driver) des Darlington-Paares in der Ausbildung für hohe Spannung angeordnet ist. Dieser Transistor besteht aus einer Kollektorzone in den Schichten 1-2-4 mit einer Kollektorelektrode Cp, aus einer Basiszone 10 mit einer Basiselektrode B^ und aus einer Emitterzone 11 mit einer Emitterelektrode EQ. Zwischen TQ und IC erkennt man den NPN-Endtransistör (Tp) des genannten Darlington-Paares in der
Ausbildung für hohe Spannung, der gebildet ist durch dieselbe Kollektorzone 1-2-4 mit einer Kollektorelektrode Cp, die mit der Elektrode Cq zusammenfällt, durch eine Basiszone 12 mit einer Basiselektrode Br und durch eine Emitterzone 13 mit einer Emitterelektrode Ep. Die Elektrode EQ des Steuertransistors Tp. ist elektrisch mit der Elektrode Bp des Endtransistors Tp verbunden, und zwar durch eine metallische Bahn 14, die in der Figur 3 schraffiert eingezeichnet ist. In der Figur 3 ist die Verbindung zwischen dem Ausgang von IC und dem Eingang des Steuertransistors Tr. des Darlington-Paares nicht gezeigt. Zwischen Tp und IC befindet sich schließlich eine komplexe Halbleiter-Abschirmung, die als Summe von drei einfachen Abschirmungen S,, Sv, und S, ausgebildet ist.
Figur 4 zeigt dieselbe Vorrichtung wie Figur 3 mit dem einzigen Unterschied, daß die Abschirmung zwischen IC und Tp auf die einfache Abschirmung S, reduziert ist. In dieser Figur 4 sind gestrichelt die parasitären Elemente dargestellt, die sich im Inneren der Struktur gemäß der Erfindung befinden, nämlich:
TpD ein PNP-Transistör, der sich zwischen T^ und
IC bildet und der als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 10 bzw. 1-2-4 bzw. 3-5 hat,
Tpp ein PNP-Transistör, der sich zwischen Tp und IC
bildet und der als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 12 bzw. 1-2-4 bzw. 3-5 hat, ein PNP-Transi stör, der sich zwischen den Transistoren Tp. und Tp des Darlington-Paares bildet und der als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 10 bzw. 1-2-4 bzw. 12 hat, ein NPN-Transistor, der sich in der Isolierzone 3-5 von IC bildet und der als Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone die Zonen 9 bzw. 3-5 bzw. 1-2-4 hat,
ein Widerstand der vertikalen Isolierzone 5 von IC.
- 10 -
Die parasitären Elemente ΤρΤς0 und Rpiso s^na mit denjenigen der Figur 1 identisch.
Wenn das Darlington-Paar von dem Sperrzustand (AUS) in den Sättigungszustand (EIN) gebracht wird, arbeitet der Endtransistor TV bei diesen elektrischen Betriebsbedingungen bekanntlich im Unterschied zum Steuertransistor T^ in einem Bereich einer Quasi-Sättigung. Dadurch gelangt der Streutransistor TpF, der sich zwischen Tp und IC bildet und der gesperrt war, nicht in den leitenden Zustand. Der Emitter-Basis-Übergang von Tpp ist schlimmstenfalls leicht in Durchlaßrichtung vorgespannt, weshalb die Wirkung einer Kollektorstrominjektion von Tp in den Widerstand RpTcn im Vergleich zu der Strominjektion, die durch Tp0 verursacht wird, völlig vernachlässigt werden kann. Aus diesem Grunde ist bei der Erfindung das Darlington-Paar so angeordnet, daß sich der Endtransistor Tp, an einer Zwischenstelle zwischen IC und Tp. befindet.
Um zu vermeiden, daß eine Durchlaßvorspannung des Basis-Emitter-überganges des parasitären Transistors Tpj^g auftritt, wird bei der Erfindung der in die Isolierzone von IC geleitete Strom dadurch verringert, daß die Verstärkung hpr des parasitären Transistors Tpp, der sich aufgrund der Umschaltung in den aktiven Bereich vorspannt, minimiert wird. Bei der Erfindung wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Rändern von T0 und von IC in der Weise maximiert wird, daß die Verstärkung von Tpp. << 1 ist, und daher wird das Darling-Paar auf dem Plättchen mit dem Endtransistor an einer Zwi schenstelle zwischen Tn. und IC und in der Form eines Rechtecks, das durch die beiden gegenüberliegenden Seiten des Plättchens begrenzt ist, angeordnet.
- 11 -
Mit dieser Anordnung wird außerdem der parasitäre Transistor TpDp, der in jedem Fall im Innern des Darlington-Paares vorliegt, gemäß der Erfindung verwendet, um einen Teil des Kollektorstromes von Tp. in Richtung auf T- umzuleiten, der sonst über TpD vollständig durch den Widerstand Rpjcn geflossen wäre.
Mit der Erfindung werden schließlich die unerwünschten und schädlichen Wirkungen sowohl von Tprj als auch von Tpp minimiert, und zwar durch den Einsatz von Halbleiterschirmen, die im wesentlichen von zwei verschiedenen Bauarten sind, zwischen Tp und IC,
In den Figuren 2 und 3 ist ein erster Abschirmungstyp passiv, und zwar die Abschirmung S,, die zwei N Zonen 15 und 16 aufweist, sowie die andere Abschirmung S3, die zwei N Zonen 17 und 18 hat und mit der Abschirmung S, gleichwertig ist. Die kleinen Zonen, die die Abschirmung S, bilden, sind von derselben Leitfähigkeitsart wie die Kollektorzone des Darlington-Paares, von dem sie umgeben sind, aber sie sind stärker als diese dotiert.
Eine erste Zone 15 hat Kontakt mit der Isolierschicht 8 des
19 Plättchens und hat eine Dotierstoffkonzentration von 5.10 Atome/cm in dem Bereich des Kontaktes mit der genannten Isolierschicht. Eine zweite Zone 16 ist unter der ersten Zone 15 an der SchittstelIe der epitaktisehen Schichten 2 und 4 vergraben und hat im zentralen Kern eine Dotierstoffkonzentration von
19 3
1.10 Atome/cm . Die passive Abschirmung S. verringert den Strom, der von den beiden parasitären PNP-Transistören TpD und Tpp in die Isolierzone von IC geleitet wird, denn dadurch, daß sie vom N+ Typ ist, ist sie wesentlich stärker dotiert als die Zone N~, in der sie liegt, so daß sie die Löcher reflektiert; außerdem verringert sie auch aufgrund der höheren Konzentration von Dotierstoffen, die die Abschirmung in die Basiszonen dieser Transistoren einbringt, deren Verstärkung.
- 12 -
Ein zweiter Typ von Abschirmung S2, der ebenfalls in den Figuren 2 und 3 zwischen den beiden passiven Abschirmungen S, und S~ dargestellt ist, ist aktiv. Diese Abschirmung besteht aus einer P+ Zone 19 mit einer Leitfähigkeit, die entgegengesetzt zu der Leitfähigkeit in der anliegenden Kollektorzone 1-2-4 des Darlington-Paares, stärker als diese dotiert und über eine Elektrode mit der Masse der Schaltungsanordnung verbunden ist, in die die Vorrichtung eingesetzt ist. Die Zone 19 mit einer Ausbildung für hohe Spannung ist unter die Isolierschicht 8 des Plättchens diffundiert, und zwar mit einer Dotierstoffkonzentration, die im mittleren Bereich der Zone ihres Kontaktes mit der Isolierschicht 8 bis zu einer gewünschten Tiefe, beispielsweise in der gesamten Dicke der epitaktisehen Schicht
17 3
4, 5 χ 10 Atome/cm beträgt. Sie verringert die Verstärkung der parasitären Transistoren Tp^ und Tpp, weil sie vor allem als aktiver Schirm wirkt, in dem Sinne, daß sie aufgrund ihrer Verbindung mit der Masse der Vorrichtung fast den gesamten Strom aufnimmt, der von den parasitären Transistoren injiziert wird, und dessen Weiterfließen zur Isolierzone von IC blockiert.
über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung hinaus sind selbstverständlich Abänderungen möglich, ohne dadurch den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Beispielsweise ist es nicht unbedingt notwendig, daß die Transistoren des Darlington-Paares beide eine genaue Rechteckform haben müssen. Der Steuertransistor des Darlington-Paares kann durch eine leichte Verzahnung mit dem Endtransistor ausgebildet werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Abschirmung, die aus dem Halbleitermaterial resultiert und die bei der Erfindung zwischen dem Endtransistor des Darlington-Paares und der integrierten Steuerschaltung angeordnet ist, entweder aus einfachen Abschirmungen der zwei bereits beschriebenen Typen oder aus ei-
- 13 ORIGINAL INSPECTED
ner Kombination von diesen, die sich wiederholen können, bestehen, je nach den Konstruktionserfordernissen, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele einfacher Abschirmungen und kombinierter Abschirmungen sind in der Figur 4 bzw. in der Figur 3 dargestellt.

Claims (6)

  1. KU'NKER-SCHMITT-MLS(A IfmsCU ΙΛΤΕ1ΝΤ4Λ\*ΛΙΤΕ \
    • κι witkan ητκ\ΤΑτη)Κ\κ\:*
    K 30030 SM/6
    19. September 1985
    SGS-Microelettronica S.p.A.
    Verwaltungssitz: Via C. Olivetti, 2 - 1-20041 Agrate Brianza(MI) Registersitz: Stradale Primosole, 50 - 1-95121 Catania
    Priorität: 21. September 1984 - Nr. 6620A/84 - Italien
    Monolithisch integrierte Halbleiter-Leistungsvorrichtung
    Patentansprüche
    ill Monolithisch integrierte Halbleiter-Leistungsvorrichtung mit wenigstens zwei Leistungstransistoren und einer integrierten Steuerschaltung, die monolithisch in demselben Plättchen integriert sind, umfassend
    - ein Substrat (1-2-4) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps (N), das von einer oberen Fläche begrenzt ist, die teilweise von einer Isolierschicht (8) bedeckt ist, und die Kollektorzone der Leistungstransistoren bildet,
    - wenigstens drei Zonen (3-5), (10), (12) aus Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P), der dem ersten entgegengesetzt ist, welche in dem Substrat (1-2-4) von der oberen Fläche ausgehend unter der Isolierschicht (8) so gebildet sind, daß sie PN-übergänge bilden, wobei von diesen drei Zonen die erste Zone (3-5) die Isolierzone der integrierten Schaltung bildet, innerhalb deren sich die Elementarvorrichtungen der Steuerschaltung der Vorrichtung befinden, während die zweite Zone (10) und die dritte Zone (12) die Basiszonen der Leistungstransistoren bilden,
    - wenigstens eine vierte Zone (11) und eine fünfte Zone (13) aus Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps (N), die die Emitterzonen der Leistungstransistoren bilden und die, ausgehend von der oberen Fläche unter der Isolierschicht (8) in der zweiten Zone (10) bzw. in der dritten Zone (12) so gebildet sind, daß sie PN-Übergänge bilden,
    Leitungsmittel, die Ohmsche Kontakte mit dem Substrat und mit den Basis- und Emitter-Zonen der Leistungstransistoren herstellen,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Darlington-Schaltung verbundene Leistungstransistoren vorgesehen sind und daß der Endtransistor (Tp) des Darlington-Paares in einer Zwischenposition zwischen dem Steuertransistor (T0) des Darlington-Paares und der integrierten Steuerschaltung (IC) so angeordnet ist, daß sich beide gegenseitig nicht sehen können.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Abschirmung (S,) zwischen dem Endtransistor (Tp) des Darlington-Paares und der integrierten Steuerschaltung (IC), wobei diese Abschirmung aus wenigstens zwei Zonen besteht, die beide vom ersten Leitfähigkeitstyp (N) sind und von denen die erste Zone (15) sich in dem Substrat (1-2-4) von der oberen Fläche ausgehend unter die Isolierschicht (8) erstreckt, während die zweite Zone (16) in dem Substrat unter der ersten Zone vergraben ist, wobei beide Zonen i.w. in ihrer Längserstreckung von zwei gegenüberliegenden Seiten des Plättchens begrenzt sind, ohne elektrische Verbindung mit der Außenwelt der Vorrichtung zu haben.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine Abschirmung (S2) zwischen dem Endtransistor (Tr) des Darlington-Paares und der integrierten Steuerschaltung (IC), welche Abschirmung aus einer Zone (19) der zweiten Leitfähigkeit (P) besteht, die sich von der oberen Fläche unter der Isolierschicht (8) ausgehend in das Substrat (1-2-4) so erstreckt, daß sie einen PN-Übergang bildet, wobei sie in ihrer Längserstreckung i.w. von zwei gegenüberliegenden Seiten des Plättchens begrenzt ist und über eine metallische Elektrode mit der Masse der Schaltungsanordnung verbindbar ist, in die die Vorrichtung eingesetzt ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endtransistor (Tp) des Darlington-Paares eine horizontale Rechteck-Geometrie hat, wobei das Rechteck i.w. von zwei gegenüberliegenden Seiten des Plättchens begrenzt ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor (TQ) des Darlington-Paares eine horizontale Geometrie mit einer teilweise oder völlig mit der Form des Endtransistors (Tp) verzahnten Form hat.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Steuerschaltung, die Leistungstransistoren und die Abschirmung (So) gemäß Anspruch 3 jeweils wenigstens einen PN-Übergang hoher Spannungsfestigkeit haben, der als Stufenprofil ausgebildet ist und eine Dotierstoffkonzentration in einer der beiden Seiten des Überganges hat, die vom Zentrum zum Rand mit einer vorbestimmten horizontalen Erstreckung so abnimmt, daß die mittlere Stärke des elektrischen Feldes an der Oberfläche für eine vorbestimmte Durchbruchspannung (breakdown) des Überganges minimal ist.
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