DE4102574A1 - Integrierte halbleiterschaltungseinheit - Google Patents

Integrierte halbleiterschaltungseinheit

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschaltungs­ einheit und insbesondere auf eine integrierte Halbleiter­ schaltungseinheit, die eine Inverterschaltung und eine Steuerschaltung in demselben Halbleitersubstrat aufnimmt.
Ein System zum Steuern eines Motors durch eine Inverter­ schaltung durch Aufnahme einer Stromzufuhr von einer Strom­ quelle von 100 V oder darüber hatte bisher einen derartigen Aufbau, daß eine Inverterschaltung aus einzelnen Elementen besteht und daß deren Steuerschaltung aus einer integrier­ ten Schaltung (im folgenden mit IC bezeichnet) besteht,wie in PESC 1988 RECORD, April 1988, in den Abschnitten 1319 bis 1323 erläutert ist.
Aufgrund einer solchen, vorstehend beschriebenen herkömm­ lichen Technik gibt es jedoch die folgenden Probleme, weil eine Inverterschaltung aus einzelnen Elementen besteht: (1) eine Inverterschaltung wird größer, und (2) eine Verdrah­ tung zwischen den einzelnen Elementen der Inverterschaltung und der Steuer-IC wird länger, so daß sich eine erhebliche Möglichkeit ergibt, daß der Inverter aufgrund von Rauschen eine Fehlfunktion hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltungseinheit zu entwickeln, bei der die In­ verterschaltung kleiner wird und die Verdrahtung zwischen den einzelnen Elementen der Inverterschaltung und der Steuer-IC kürzer wird, um so die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des Inverters zu verringern.
Weitere, zusätzlich anzustrebende Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung.
Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist eine integrierte Halbleiterschaltung, mit dem Kennzeichen, daß innerhalb desselben Halbleitersubstrats integriert gebildet sind: eine Inverterschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen zur Aufnahme einer Stromzufuhr von einer Gleichstromquelle und Umwandlung des Gleichstroms in einen Wechselstrom enthält; eine Steuerschaltung zum Steuern eines Schaltelements der Inverterschaltung; eine innere Stromquellenschaltung zum Zuführen von Strom zur Steuerschaltung zum Steuern einer oberen Armseite der In­ verterschaltung; und eine Logikschaltung zum Übertragen eines Signals zur Steuerschaltung zum Steuern der oberen Armseite der Inverterschaltung.
Ausgestaltungen und vorteilhafte Varianten der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 ff. gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschau­ lichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Motorsteuersystems mit Verwendung der erfindungsgemäßen inte­ grierten Halbleiterschaltungseinheit;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das den Aufbau der integrierten Schaltungseinheit zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Sperrspannung und der aktiven Fläche, die zum Fließen des Stroms von 1A für die auf dem dielektrisch isolierten Substrat gebildeten Schaltelemente erfor­ derlich ist;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der aktiven Fläche und dem Aus­ gangsstrom der auf dem dielektrisch iso­ lierten Substrat gebildeten Schaltelemente bei der Sperrspannung von 250 V;
Fig. 5 eine perspektivische Querschnittsdarstel­ lung des Seitenisolationsgate-Bipolar­ transistors (LIGBT);
Fig. 6A eine Draufsicht der Diffusionsschicht des LIGBT;
Fig. 6B eine Draufsicht der Elektrode des LIGBT;
Fig. 7 eine Draufsicht eines Teils des LIGBT an der unteren Armseite;
Fig. 8A und 8B perspektivische Querschnittsansichten der Diode;
Fig. 9A eine Draufsicht der Diffusionsschicht der Diode;
Fig. 9B eine Draufsicht der Elektrode der Diode;
Fig. 10 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Elektronenstrahl-Bestrah­ lungsdosis und den elektrischen Eigen­ schaften des LIGBT und der Diode;
Fig. 11 ein Anordnungsdiagramm der IC;
Fig. 12 ein Herstellungsverfahrensdiagramm der IC- Einheit; und
Fig. 13 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Motor­ steuersystems mit Verwendung der erfin­ dungsgemäßen integrierten Schaltungsein­ heit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im einzelnen für jeden der folgenden Gegenstände beschrieben: (1) Aufbau des Motorsteuersystems, (2) Aufbau und Betrieb der integrierten Schaltungseinheit, (3) die Schaltelemente, (4) der Aufbau des seitlichen IGBT (LIGBT), (5) die Dioden, (6) Elektronenstrahl-Bestrahlung, (7) Anordnung der IC, und (8) IC-Herstellungsverfahren.
Aufbau des Motorsteuersystems
Der Aufbau des Steuersystems für den bürstenlosen Dreipha­ sen-Wechselstrommotor mit Verwendung der erfindungsgemä­ ßen integrierten Schaltungseinheit wird anhand von Fig. 1 erläutert. Der Motor hat zweckmäßig 5 bis 200 W. Dieses System weist eine integrierte Schaltungseinheit 1 gemäß der Erfindung, einen Motor 2, eine Rotorstellungs-Erfassungs­ schaltung 3, eine Signalerzeugungsschaltung 4, eine Strom­ quellenschaltung 5, Kondensatoren C1 und C2 und einen Wi­ derstand R auf. Die Stellungserfassungsschaltung 3 und die Signalerzeugungsschaltung 4 können in der IC integriert sein.
Nun wird der Betrieb dieses Systems erläutert. Mit von Gleichstrom umgewandeltem Wechselstrom von 100 V als Strom­ quelle führt die IC-Einheit 1 dem Motor 2 einen gewünschten Dreiphasen-Wechselstrom zu. Die IC-Einheit 1 erhält auch eine Niederspannungs-Stromzufuhr Vcc als Stromquelle für die Steuerschaltung. Die IC-Einheit 1 überträgt die im Kon­ densator C1 an der Niederspannungsseite gespeicherte Ladung zum Kondensator C2 an der Hochpotentialseite innerhalb der IC-Einheit 1 und verwendet den C2 als Stromquelle für die obere Armsteuerschaltung. Um den Motor 2 zu steuern, wird die Stellung des Rotors des Motors durch die Stellungser­ fassungsschaltung 3 erfaßt, und dann erzeugt die Signaler­ zeugungsschaltung 4 Signale A1 bis AK zum Steuern des Stroms, der durch den Motor fließt. Der Wert von K muß gleich der Phasenzahl des Motors oder größer, und zwar 3 oder mehr im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels sein.
Die Signalerzeugungsschaltung 4 erzeugt ein Trägersignal S1 zum Steuern der Impulsbreitenmodulation des zum Motor flie­ ßenden Stroms und ein Trägersignal S2 zum Verlagern der Leitung des Kondensators C1 zum Kondensator C2. Die IC-Ein­ heit 1 wandelt den Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechsel­ strom gewünschter Frequenz und Stromstärke durch die Signale A1 bis AK und das Signal S1 um und liefert den Dreiphasen-Wechselstrom zum Motor. Die IC erzeugt ein Feh­ lersignal F, wenn der zum Motor fließende Strom einen be­ stimmten Wert erreicht oder überschreitet. Eine Entschei­ dung, ob ein Fehler auftritt oder nicht, wird vorgenommen, indem man den durch den Widerstand R fließenden Strom und einen Teil des Stroms vergleicht, der von dem zum Motor fließenden Strom abgezogen wird. Die IC erzeugt auch ein Fehlersignal F, wenn die Temperatur der IC ein bestimmtes Niveau überschreitet.
Es ist zweckmäßig, daß die Frequenz des Trägersignals S1 für die Impulsbreitenmodulation 16 kHz oder höher ist, wel­ che höher als die vom menschlichen Ohr hörbare Frequenz ist. Durch diese Maßnahme wird kein Geräusch erzeugt.
Aufbau und Betrieb der integrierten Schaltung
Der Aufbau der integrierten Schaltungseinheit 1 gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die von einer gestrichelten Linie umgebenen Teile in einem Chip inte­ griert. Diese integrierte Schaltungseinheit weist eine Dreiphasen-Inverterschaltung mit Schaltelementen Q1 bis Q6 und umgekehrt parallel damit verbundene Dioden D1 bis D6, Steuerschaltungen DA2, DA4 und DA6 eines unteren Armschalt­ elements der Inverterschaltung, Steuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 eines oberen Armschaltelements, eine Niveauver­ schiebungsschaltung LS, eine Stromerfassungsschaltung Is zum Erfassen eines durch jedes der Schaltelemente Q1 bis Q6 fließenden Stroms, eine innere Stromquellenschaltung Ps und eine Logikschaltung Lg auf.
Es wird nun der Betrieb der integrierten Schaltungseinheit gemäß der Erfindung erläutert. Die Logikschaltung Lg erhält Steuersignale A1 bis AK und ein Trägersignal S1 von der Signalerzeugungsschaltung 4, führt diese Signale den oberen und unteren Armsteuerschaltungen DA1 bis DA6 jeder Phase zu, schaltet die Schaltelemente Q1 bis Q6 und steuert den dem Motor 2 zugeführten Strom. Die unteren Armsteuerschal­ tungen DA2, DA4 und DA6 werden mit Strom von einer äußeren Stromquelle Vcc gespeist. Die oberen Armsteuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 werden mit im Kondensator C2 durch eine innere Stromquellenschaltung Ps gespeicherter Ladung ge­ speist. Das Schalten durch Impulsbreitenmodulation wird mit den Schaltelementen Q2, Q4 und Q6 an der unteren Armseite durchgeführt. Dies geschieht, weil die Leistungsfähigkeit der oberen Armsteuerschaltung bei der impulsbreiten-modu­ lierten Frequenz wesentlich gesenkt wird, da die innere Stromquellenschaltung Ps Ladung vom Kondensator C1 zum Kon­ densator C2 durch die Schaltfrequenz als die impulsbreiten­ modulierte Frequenz überführt hat. Weiter können, da nur die untere Armseite impulsbreiten-moduliert wird, die obere Armsteuerschaltung und die Signalerzeugungsschaltung ein­ fach gemacht werden. Signale von der Niederpotential-Logik­ schaltung Lg zu den oberen Armsteuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 werden durch eine Niveauverschiebungsschaltung Ls übertragen.
Für den zum Motor fließenden Strom (im folgenden als Haupt­ strom bezeichnet) wird ein Teil des Stroms, der von dem durch die Unterarmseiten-Schaltelemente Q2, Q4 und Q6 flie­ ßenden Strom abgezweigt wird, mit einem Bezugsstrom vergli­ chen, der durch den an die Außenseite der IC-Einheit ange­ schlossenen Widerstand R fließt. Wenn der von dem durch die Unterarmseiten-Schaltelemente Q2, Q4 und Q6 fließenden Strom abgezweigte Strom größer als der durch den Widerstand R fließende Strom wird, wird ein Fehlersignal F von der Logikschaltung Lg zur Signalerzeugungsschaltung 4 übertra­ gen.
Wenn die Temperatur höher als die der Temperaturerfassungs­ schaltung Ts wird, liefert die Logikschaltung Lg ein Feh­ lersignal F an die Signalerzeugungsschaltung 4.
Die Verdrahtung für den aus Hochspannungsgleichstrom umge­ wandelten Wechselstrom von 100 V wird in eine Verdrahtung Ep, durch die der Hauptstrom fließt, und eine Verdrahtung Es unterteilt, durch die ein schwacher Strom für die Steuerschaltungen fließt. Auch wird die Verdrahtung für das Erdpotential in eine Verdrahtung Gp, durch die der Haupt­ strom fließt, und eine Verdrahtung Gs unterteilt, durch die ein schwacher Strom für die Steuerschaltungen und die Logikschaltung fließt. Es und Ep sowie Gp und Gs sind je­ weils außerhalb der IC miteinander verbunden. Durch Tren­ nen der Verdrahtung des Hauptstroms von der Verdrahtung eines schwachen Stroms beeinträchtigt eine Änderung des Po­ tentials aufgrund einer Änderung des Hauptstroms die Steuerschaltungen nicht.
Schaltelemente
LIGBT′s werden beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus folgenden Gründen für die Schaltelemente Q1 bis Q6 verwen­ det.
Die erfindungsgemäße integrierte Schaltungseinheit verwen­ det in Gleichstrom umgewandelten üblichen Wechselstrom von 100 V als Stromquelle. Daher wird einem Teil der Elemente der Schaltelemente Q1 bis Q6, der Dioden D1 bis D6, der Steuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 des oberen Armschaltele­ ments der Niveauverschiebungsschaltung Ls und der inneren Stromquellenschaltung Ps eine hohe Spannung zugeführt. Aus Wechselstrom von 100 V umgewandelter Gleichstrom ist etwa 145 V. Unter Berücksichtigung dieser Spannung und von Stromquellenänderungen sowie eines Spannungsanstiegs zur Zeit des Schaltens muß eine Sperrspannung dieser Elemente 250 V oder darüber sein. Daher wird ein dielektrisch iso­ liertes Substrat als Halbleitersubstrat verwendet. Das di­ elektrisch isolierte Substrat verwendet beispielsweise Poly­ silicium als Trägereinheit und bedeckt einen inselförmi­ gen einkristallinen Siliciumbereich, der das Element bil­ det, mit SiO2, um dadurch die Isolationssperrspannung zwi­ schen den Elementen zu verbessern.
Die impulsbreiten-modulierte Frequenz des in der erfin­ dungsgemäßen integrierten Schaltung verwendeten Schaltele­ ments ist 16 kHz oder höher. Daher ist es erforderlich, einen Schaltvorgang mit einer hohen Geschwindigkeit von 16 kHz oder darüber auszuführen. Es gibt einen Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor (im folgenden mit MOSFET bezeichnet), der ein Schaltelement ist, das einen Schalt­ vorgang mit einer Frequenz von 16 kHz oder höher bewirkt und das eine hohe Sperrspannung von 250 V oder darüber hat. Im dielektrisch isolierten Substrat gibt es ein vertikales Element, das einen Strom durch Verwendung einer vergrabenen Schicht niedrigen Widerstandes am Boden einer einkristalli­ nen Insel durchläßt, und ein seitliches Element, das einen Strom in der zur Hauptoberfläche parallelen Richtung durch­ läßt, wobei wenig Strom durch die vergrabene Schicht fließt.
Fig. 3 zeigt das Ergebnis einer Berechnung zum Erhalten einer Beziehung zwischen der Sperrspannung und der aktiven Fläche (welche die Fläche ist, die erhalten wird, indem man die das elektrische Feld reduzierende Fläche von der Ele­ mentenfläche ausschließt) beim Strom von 1 A für die verti­ kalen und seitlichen Elemente des MOSFET bzw. des IGBT. Man ersieht aus dem Diagramm, daß die Fläche des IGBT bei der Sperrspannung von 100 V und darüber kleiner als die des MOSFET gemacht werden kann. Dies ist so, weil im Fall des IGBT eine Hochwiderstands-n⁻-Schicht, die das elektrische Feld durch Ausdehnung einer Verarmungsschicht während der Aus-Periode reduziert, durch Leitfähigkeitsmodulation wäh­ rend der An-Periode eine Niedrigwiderstandsschicht wird. Man versteht weiter, daß im Fall des IGBT die Fläche des seitlichen Elements kleiner als die des vertikalen Elements gemacht werden kann. Dies ist so, weil das vertikale Ele­ ment eine vergrabene Schicht zum Durchlaß eines Stroms ver­ wendet und durch den Widerstand der vergrabenen Schicht be­ einflußt wird, wogegen das seitliche Element kein solches Problem hat.
Fig. 4 zeigt das Ergebnis einer Berechnung zum Erhalten einer Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der aktiven Fläche für den MOSFET und den IGBT der Sperrspannung 250 V. Man entnimmt dem Diagramm, daß im Niedrigstrombereich das seitliche Element eine größere Fläche als das vertikale Element sowohl beim IGBT als auch beim MOSFET benötigt, um den gleichen Ausgangsstrom zu erhalten. Im Fall des seitli­ chen Elements bilden üblicherweise die Emitter (Quelle) und die Kollektoren (Senke) mit der n⁻-Schicht einen Schicht­ aufbau, um eine abwechselnde Anordnung auf der gleichen Ebene zu haben. Daher ist es natürlich, daß bei dem glei­ chen Ausgangsstrom das seitliche Element eine größere Flä­ che als das vertikale Element benötigt, in dem Kollektoren gemeinsam gebildet sind. Wenn jedoch der Ausgangsstrom wächst, wächst der Strom proportional mit der Fläche im Fall des seitlichen Elements, während im Fall des vertika­ len Elements eine aktive Fläche größer in einem höheren Ausmaß als dem des Anstiegs des Stroms wegen des Wider­ stands der vergrabenen Schicht im vertikalen Element sein muß. Als Ergebnis kann im Fall des IGBT das seitliche Ele­ ment eine kleinere Fläche als das vertikale Element bei 0,6 A oder darüber haben.
Wie oben beschrieben, soll die Sperrspannung des Schaltele­ ments der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung 250 V oder darüber sein. Die meisten bürstenlosen Motoren erfor­ dern einen Strom von 0,6 A oder mehr. Demgemäß ist es für das Schaltelement der erfindungsgemäßen integrierten Schal­ tungseinheit die zweckmäßigste Wahl, den LIGBT zu verwen­ den, dessen aktive Fläche die kleinste unter den Schaltele­ menten ist, wenn die Sperrspannung 250 V oder darüber ist und der Strom 0,6 A oder darüber ist.
Aufbau des LIGBT Perspektivdarstellung
Fig. 5 ist eine Perspektivdarstellung des LIGBT, der für das Schaltelement der Inverterschaltung verwendet wird.
Jedes der LIGBT wird in je einem Inselbereich 503 eines di­ elektrisch isolierten Substrats 50 gebildet, das eine Mehr­ zahl von Inselbereichen 503 aus einkristallinem Silicium über eine SiO2-Schicht 502 auf einem Trägerkörper 501 aus Polysilicium aufweist. Der Inselbereich 503 enthält eine n⁻-Schicht 5031 und eine n⁺-Schicht 5032, die zwischen der n⁻-Schicht 5031 und der SiO2-Schicht 502 gebildet ist. In der n⁻-Schicht 5031 ist wenigstens eine Steifen-p-Schicht 5033 mit freiliegender Oberfläche gebildet, und eine Hoch­ verunreinigungsdichte-p⁺-Schicht 5034 ist mit freiliegender Oberfläche innerhalb der p-Schicht 5033 gebildet, und eine n⁺-Schicht 5035 ist mit freiliegender Oberfläche so gebil­ det, daß sie an die p-Schicht 5033 und die p⁺-Schicht 5034 angrenzt. Die n⁺-Schicht 5035 hat einen solchen Aufbau, daß ein Teil der Schicht in einem vorbestimmten Intervall längs der Längsrichtung der p-Schicht 5033 entfernt ist. Inner­ halb der n⁻-Schicht 5031 ist eine n-Schicht 5036 mit einem Abstand von der p-Schicht 5033 gebildet, und eine p⁺- Schicht 5037 ist mit freiliegender Oberfläche innerhalb der n-Schicht 5036 gebildet. Eine dünne SiO2-Schicht 5041 ist über die n⁺-Schicht 5035, die p-Schicht 5033 und die n⁻- Schicht 5031 hin auf deren Oberflächen gebildet, und über der SiO2-Schicht 5041 ist eine Polysiliciumschicht 5051 zur Schaffung eines MOS-Gates gebildet. Die p⁺-Schicht 5034 ist so vorgesehen, daß sie den Bereich zum Bilden eines MOS- Gate-Channels nicht überlappt. Eine dicke SiO2-Schicht 5042 ist angrenzend an eine dünne SiO2-Schicht 5041 in der Rich­ tung von der p-Schicht 5033 zur p⁺-Schicht 5037 auf der Oberfläche der n⁻-Schicht 5031 zwischen der p-Schicht 5033 und der p⁺-Schicht 5037 gebildet. Eine Polysiliciumschicht 5051 erstreckt sich über die dünne SiO2-Schicht 5041 und über die dicke SiO2-Schicht 5042 zur p⁺-Schicht 5037. Ein PSG (Polysiliciumdioxidglas) 5043 ist über der Polysili­ ciumschicht 5051 und den SiO2-Schichten 5041 und 5042 vor­ gesehen. Eine Emitterelektrode 5052 ist in ohmschem Kontakt mit der p⁺-Schicht 5034 und der n⁺-Schicht 5031 vorgesehen.
Eine p⁺-Schicht 5037 ist in ohmschem Kontakt mit einer Kol­ lektorelektrode 5053. Die Kollektorelektrode 5053 erstreckt sich weiter über das PSG 5043 zur p-Schicht 5033. Die n-Schicht 5036 und die n⁺-Schicht 5032 sind voneinander getrennt. Auf der Oberfläche der n⁺-Schicht 5032 ist eine dicke Oxid­ schicht 5044 gebildet, über der weiter ein PSG 5043 gebil­ det ist.
Mit dem Abschnitt A bis A′ als eine Einheit ergeben einige wiederholte Einheiten einen LIGBT, der einen starken Strom schalten kann.
Im folgenden wird der Betrieb des LIGBT erläutert. Im Zu­ stand, wo der Emitter 5052 auf einem Erdpotential ist und die Kollektorelektrode 5053 auf einem positiven Potential ist, wird ein positives Potential der Polysiliciumschicht 5051 zugeführt. So wird die p-Schicht 5033 unmittelbar un­ ter der dünnen SiO2-Schicht 504 umgekehrt, und ein Channel wird gebildet, so daß ein Elektron von der n⁺-Schicht 5035 fließt. Durch dieses Elektron wird der pn-Übergang zwischen der p⁺-Schicht 5037 und der n-Schicht 5036 durchlaßvorge­ spannt, und Elektronenlöcher werden von der p⁺-Schicht 5037 zur n-Schicht 5036 und zur n⁻-Schicht 5031 injiziert. Durch diese injizierten Löcher wird die n⁻-Schicht 5031 leit­ fähigkeits-moduliert, um einen niedrigeren Widerstand der­ art zu haben, daß der LIGBT in den EIN-Zustand eingestellt wird. Wenn das der Polysiliciumschicht 5051 zugeführte po­ sitive Potential beseitigt wird, wird der Channel ausgelöscht und die Elektronenzufuhr unterbrochen, so daß der LIGBT in den AUS-Zustand eingestellt wird.
Die injizierten Löcher erreichen die Emitterelektrode 5052 durch die p-Schicht 5033 unter der n⁺-Schicht 5035. Wenn die Zahl der geströmten Löcher wächst, wird der pn-Übergang zwischen der n⁺-Schicht 5035 und der p-Schicht 5033 durch den Widerstand der p-Schicht 5033 durchlaßvorgespannt. Wenn der Wert 0,7 V überschreitet, wird der Thyristor, der die n⁺-Schicht 5035, die p-Schicht 5033, die n⁻-Schicht 5031, die n-Schicht 5036 und die p⁺-Schicht 5037 aufweist, einge­ schaltet, so daß er nicht durch die Polysiliciumschicht 5051, die das Gate ist, gesteuert werden kann. Dieser Zu­ stand wird Latch-up-Effekt genannt. Um den Widerstand der p-Schicht 5033 niedriger zu machen und den Latch-up-Effekt zu vermeiden, wird die p⁺-Schicht 5034 vorgesehen, und die n⁺-Schicht 5035 wird periodisch beseitigt. Weiter ist, um die Injektion von der p⁺-Schicht 5037 zu steuern, die n- Schicht 5036 vorgesehen. Weiter erstreckt sich eine Verar­ mungsschicht in der n-Schicht 5036 unter Erreichen der p⁺- Schicht 5037, um den sog. Durchgriff zu vermeiden, der eine Verringerung der Potentialsperre zwischen der p-Schicht 5033, der n⁻-Schicht 5031 und der p⁺-Schicht 5037 ist.
Die Polysiliciumschicht 5051 und die Emitterelektrode 5052 sind zur p⁺-Schicht 5037 zur Ausdehnung der Verarmungs­ schicht erstreckt, so daß das elektrische Feld nahe dem pn- Übergang zwischen der p-Schicht 5033 und der n⁻-Schicht 5031 vermindert wird und die Sperrspannung erhöht wird.
Die Kollektorelektrode 5053 erstreckt sich zur p-Schicht 5033, so daß die Verarmungsschicht die p⁺-Schicht 5037 nicht erreicht, um so das Auftreten einer Durchgriffser­ scheinung zu vermeiden.
Der Umfangsteil des LIGBT ist mit der dicken SiO2-Schicht 5044 und dem PSG 5043 bedeckt. Durch diese Anordnung wird eine Konzentration des elektrischen Feldes im Umfangsbe­ reich vermieden, wenn die Verdrahtung zur Verbindung des LIGBT mit dem anderen Element herausgeführt wird.
Draufsicht
Fig. 6A zeigt eine Draufsicht eines LIGBT, der als die obe­ ren Armschaltelemente Q1, Q3 und Q5 verwendet wird. Die p⁺- Schicht 5037 und die p-Schicht 5033 sind abwechselnd ausge­ bildet, um sich längs in einer Richtung zu erstrecken. Die p⁺-Schicht 5037 ist an den rechten und linken Enden gebil­ det. Die n-Schicht 5036 ist rings um die p⁺-Schicht 5037 gebildet. Innerhalb der p-Schicht 5033 ist die p⁺-Schicht 5034 gebildet. Die n⁺-Schicht 5035 weist eine Mehrzahl von Bereichen auf, die zyklisch längs der Längsrichtung der p- Schicht 5033 vorgesehen sind. Beide Enden der Längsrichtung der n-Schicht 5036, der p-Schicht 5033 und der p⁺-Schicht 5034 haben eine vorbestimmte Krümmung, um eine Konzentra­ tion des elektrischen Feldes zu vermeiden. Die Länge L der n⁺-Schicht 5035 in der Längsrichtung ist kürzer als die Länge der p⁺-Schicht 5037 in der Längsrichtung, um das Auf­ treten eines Latch-up-Effekts infolge einer Integration der Löcher am Endteil der n⁺-Schicht 5035 zu vermeiden. Beide Längsrichtungsenden der p⁺-Schicht 5037 haben eine gerade Begrenzung, die einen rechten Winkel mit der Längsrichtung bildet. Dies basiert auf folgendem Grund. Am Teil, wo eine Halbkreiskrümmung an beiden Enden der n-Schicht 5036 in de­ ren Längsrichtung gebildet wird, ist die Verunreinigungs­ dichte der n-Schicht 5036 niedriger als in allen übrigen Teilen. Wenn der Endteil der p⁺-Schicht 5037 am Halbkreis­ teil beider Enden der n-Schicht 5036 in deren Längsrichtung vorliegt, wächst die Injektion von positiven Löchern von der p⁺-Schicht 5037 zur n-Schicht 5036 in diesem Teil, und ein Latch-up-Effekt tritt an diesem Teil auf. Deshalb ist bei vorliegendem Ausführungsbeispiel kein halbkreisförmiger Teil an beiden Enden der p⁺-Schicht 5037 vorgesehen, so daß das Auftreten eines Latch-up-Effektes von vornherein ver­ hindert wird.
Fig. 6B ist eine Draufsicht der Elektrode des LIGBT. Die Kollektorelektrode 5053 und die Emitterelektrode 5052 sind abwechselnd unter Erstreckung in einer Richtung gebildet. Die Kollektorelektrode 5053 und die Emitterelektrode 5052 haben eine vorbestimmte Krümmung an einem einander zuge­ wandten Teil, um das elektrische Feld zu verringern. Die Kollektorelektrode 5053 und die Emitterelektrode 5052 sind nach außerhalb des Inselbereichs in untereinander entgegen­ gesetzten Richtungen in Längsrichtung herausgeführt. Die Polysiliciumschicht 5051 und die Kollektorelektrode 5053 sind abwechselnd gebildet, und der Mittelteil ist in der Längsrichtung entfernt. Die p-Schicht 5033 wird durch Injek­ tion von Bor in den Bereich, der um eine vorbestimmte Länge länger als die Länge des Teils ist, von dem die Polysili­ ciumschicht 5051 entfernt wurde, und durch Wärmebehandlung des injizierten Bors gebildet. Die Polysiliciumschicht 5051 ist in ohmschem Kontakt mit der Gateelektrode 5054 am End­ teil, und die Polysiliciumschicht 5051 ist nach außerhalb des Inselbereichs 503 durch die Gateelektrode 5054 geführt. Die dicke Oxidschicht 5044 und das PSG 5043 sind auf der n⁺-Schicht 5032, der Kollektorelektrode 5053, der Emitter­ elektrode 5052 und der Gateelektrode 5054 gebildet.
LIGBT mit dem Stromerfassungsanschluß
Fig. 7 ist eine Teildraufsicht des LIGBT, der als die unte­ ren Armschaltelemente Q2, Q4 und Q6 verwendet wird. Der LIGBT hat den gleichen Aufbau wie der LIGBT an der oberen Armseite mit Ausnahme des in Fig. 6B mit B bezeichneten Be­ reichs. Mit anderen Worten muß der LIGBT der unteren Arm­ seite Stromerfassungsanschlüsse TA2, TA4 und TA6 haben, um einen Teil des Hauptstroms zur Erfassung des Hauptstroms abzuzweigen, und hat daher diese Anschlüsse im Bereich B.
Im Bereich B ist eine Hilfs-p-Schicht 5033A mit Abstand von der p-Schicht 5033 innerhalb der n⁺-Schicht 5031 vorgese­ hen, eine Hilfs-p⁺-Schicht 5034A ist innerhalb der Hilfs-p- Schicht 5033A vorgesehen, und weiter ist eine Hilfs-n⁺- Schicht 5035A innerhalb der Hilfs-p-Schicht 5033A und der Hilfs-p⁺-Schicht 5034A unter Angrenzung an diese zwei Schichten vorgesehen. Weiter ist ein Stromerfassungsan­ schluß TA2 (TA4 und TA6) in ohmschem Kontakt mit der Hilfs- n⁺-Schicht 5035A und der Hilfs-p⁺-Schicht 5034A. Während die Gateelektrode nicht gezeigt ist, erstreckt sich die außerhalb des Bereichs B vorgesehene Polysiliciumschicht 5051 zum Bereich B zur Verwendung als die Gateelektrode.
Der durch den Stromerfassungsanschluß fließende Strom wird durch das Verhältnis der Summe der Breiten der Hilfs-n⁺- Schicht 5035A und der n⁺-Schicht 5035 in der Längsrichtung bestimmt. Wenn das Verhältnis groß ist, wird der durch den Stromerfassungsanschluß fließende Strom gering, und es er­ gibt sich ein Störproblem, das es schwierig macht, den Strom mit dem Bezugsstrom zu vergleichen. Wenn andererseits das Verhältnis klein ist, fließt ein starker Strom durch den Stromerfassungsanschluß, was zu einer Steigerung der Verluste führt. Daher ist das Verhältnis von 200 bis 2000 zweckmäßig.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die p⁺-Schicht 5034 1 × 1018 bis 1 × 1019 cm-3 bei der Diffusionstiefe von 3 bis 5 µm, die p-Schicht 5033 hat 1 × 1016 bis 1 × 1017 cm-3 bei der Diffusionstiefe von 3 bis 6 µm, die n⁺-Schicht 5035 hat 1 × 1018 cm-3 oder darüber bei der Diffusionstiefe von 1 µm oder darunter, die p⁺-Schicht 5037 hat 1 × 1018 cm-3 oder darüber bei der Diffusionstiefe von 1 µm oder darunter, die n-Schicht 5036 hat 1 × 1016 bis 3 × 1017 cm-3 bei der Diffusionstiefe von 3 bis 6 µm, die n⁺-Schicht 5035A hat 1 × 1018 cm-3 oder darüber bei der Diffusions­ tiefe von 6 bis 12 µm, und die n⁻-Schicht 5031 hat 1 × 1014 bis 5 × 1014 cm-3 bei der Dicke von 30 bis 50 µm.
Es ist zweckmäßig, daß die SiO2-Schicht 5041 die Dicke von 50 nm bis 120 nm hat, die SiO2-Schicht 5042 die Dicke von 0,5 bis 1,5 µm hat, die SiO2-Schicht 5044 die Dicke von 2,0 µm oder darüber hat, das PSG 5043 die Dicke von 0,5 µm oder darüber hat und die SiO2-Schicht 502 die Dicke von 2 µm oder darüber hat.
Dioden Perspektivquerschnitt
Fig. 8A ist ein Perspektivquerschnitt der Dioden D1 bis D6, die umgekehrt parallel zu den Schaltelementen der Inverter­ schaltung angeschlossen sind. Jede Diode ist innerhalb des Inselbereichs 503 des dielektrisch isolierten Substrats ge­ bildet. Die n⁺-Schicht 5038 längs der n⁺-Schicht 5031 und die SiO2-Schicht 502 ist die gleiche wie die in Fig. 5 ge­ zeigte. Die n⁺-Schicht 5038 ist nahe der Oberfläche der n⁺- Schicht 5032 vorgesehen und ist in ohmschem Kontakt mit der Kathodenelektrode 81.
Der p⁺-Bereich 5039 ist selektiv nahe der Oberfläche der n⁻- Schicht 5031 gebildet, und die Anodenelektrode 82 ist in Kontakt mit den freiliegenden Oberflächen des p⁺-Bereichs 5039 und der n⁻-Schicht 5031. Die Anodenelektrode 82 ist aus einem Material hergestellt, das eine Schottky-Sperr­ schicht in der n⁻-Schicht 5031 bildet. Die Isolierschicht 83 liegt zwischen der p⁺-Schicht 5039 und der n⁺-Schicht 5038. Die Kathodenelektrode 81 erstreckt sich über der Iso­ lierschicht 83 zum freiliegenden Teil der n⁺-Schicht 5038. Durch diese Anordnung wird die Verarmungsschicht zur Ver­ ringerung des elektrischen Feldes ausgedehnt.
Die Schottky-Übergangsoberfläche wird folgendermaßen gebil­ det. Nachdem die p⁺-Schicht 5039 gebildet ist, werden die p⁺-Schicht 5039 und die n⁻-Schicht 5031 freigelegt, auf de­ ren Oberseite eine Aluminium-Silicium-Legierung (im folgen­ den Al-Si bezeichnet) abgeschieden wird, und diese werden dann erhitzt. Das Al-Si und die p⁺-Schicht sind in ohmschem Kontakt miteinander, und das Al-Si und die n⁻-Schicht sind in Schottky-Kontakt miteinander.
Die Diode arbeitet wie folgt. Wenn die Kathodenelektrode 81 an Erdpotential gelegt wird und an die Anodenelektrode 82 ein positives Potential angelegt wird, so daß sie durchlaß­ vorgespannt werden, werden Löcher von der p⁺-Schicht 5039 injiziert und Elektronen von der n⁺-Schicht 5032 injiziert, und die n⁻-Schicht wird leitfähigkeits-moduliert, so daß der Widerstand verkleinert wird. Daher wird die Durchlaß­ spannung niedriger als die Schottky-Diode. Wenn man an die Anodenelektrode 82 ein negatives Potential zur Änderung ihres durchlaßvorgespannten Zustandes zum Sperrspannungszu­ stand anlegt, gibt es weniger Überschußladungsträger nahe dem Schottky-Übergang als in der Nähe des pn-Übergangs, so daß der Erholungsstrom kleiner als der der pn-Diode ist.
Die p⁺-Schicht 5039 wird durch eine Mehrzahl von kreisför­ migen Teilen und diese in der Draufsicht umgebenden Schei­ benteilen gebildet. Jedoch sind die Formen auf diese nicht beschränkt, und die kreisförmigen Teile können beispiels­ weise durch Vieleck- oder Gitter- oder Streifenform ersetzt werden.
Fig. 8B zeigt ein Beispiel einer anderen Diode, die von der nach Fig. 8A dadurch verschieden ist, daß eine dünne p- Schicht 5039A unmittelbar unterhalb des Schottky-Übergangs gebildet ist. Da ein pn-Übergang unterhalb des Schottky- Übergangs vorliegt, wird die Höhe der Sperrschicht des Schottky-Übergangs größer, und der Leckstrom wird kleiner als der der Diode in Fig. 8A.
Es ist zweckmäßig, daß die Tiefe der p-Schicht 5039A 100 mm oder geringer ist. Die p-Schicht 5039A wird durch Abschei­ den der Al-Si-Legierung aus der Schottky-Legierungsschicht und deren Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 430 bis 577°C gebildet.
Draufsicht
Fig. 9A ist eine Draufsicht der Diode. Die kreisförmigen p⁺-Schichten 5039 sind derart angeordnet, daß ihre Mittel­ punkte an der Spitze des zwischen den angrenzenden Schich­ ten gebildeten Dreiecks liegen. Eine scheibenförmige p⁺- Schicht 5039 ist rings um die kreisförmige p⁺-Schicht 5039 gebildet. Die Ecke der scheibenförmigen p⁺-Schicht 5039 hat eine Krümmung zur Vermeidung einer Konzentration des elek­ trischen Feldes. Die durch die scheibenförmige p⁺-Schicht 5039 umgebene n⁻-Schicht 5031 und die kreisförmige p⁺- Schicht haben konvexe Formen.
Fig. 9B ist eine Draufsicht der Elektrode der Diode. Die Kathodenelektrode 81 ist längs des äußersten Umfangs des Elements gebildet und ist in ohmschem Kontakt mit der frei­ liegenden Fläche der n⁺-Schicht 5038. Die Anodenelektrode 82 erstreckt sich von der p⁺-Schicht 5039 zur n⁺-Schicht 5038 über die Isolierschicht 83 und ist teilweise nach außerhalb des Elements herausgezogen. Der sog. Kathoden­ elektrodenflecken 811 und der Anodenelektrodenflecken 821, die die Flächen zum Anschluß der Verdrahtung von der Katho­ denelektrode 81 nach außerhalb der IC darstellen, sind auf der Isolierschicht 83 innerhalb des Elements gebildet.
Die p⁺-Schicht 5034 des LIGBT und die p⁺-Schicht 5039 der Diode werden im gleichen Verfahren hergestellt. Beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, daß die p⁺-Schicht 5039 1 × 1018 bis 1 × 1019 cm-3 bei der Diffu­ sionstiefe von 3 bis 5 µm hat, die n⁺-Schicht 502 1 × 1018 cm-3 oder darüber bei der Diffusionstiefe von 6 bis 12 µm hat, die n--Schicht 5031 1 × 1014 bis 5 × 1014 cm-3 bei der Dicke von 30 bis 50 µm hat, die Isolierschicht 83 die Dicke von 2,5 µm oder darüber und die SiO₂-Schicht 502 die Dicke von 2 µm oder darüber hat.
Elektronenstrahlbestrahlung
Um den LIGBT und die Diode zu beschleunigen, wird eine Elektronenstrahlbestrahlung vorgenommen. Es ist bekannt, daß, wenn ein Elektronenstrahl auf ein Halbleiterbauelement eingestrahlt wird, die Zeit der Minoritätsladungsträger kurz ist und die Bauelemente beschleunigt werden. Jedoch wächst dabei die Durchlaßspannung, weil die Leitfähigkeits­ modulation schwierig wird.
Um das Verfahren zu vereinfachen, wird die Elektronen­ strahlbestrahlung im Zustand einer Platte vor deren Unter­ teilung in Chips vorgenommen. Mit anderen Worten wird der Elektronenstrahl in gleicher Menge auf den LIGBT und die Diode eingestrahlt. Für die gesonderten Elemente kann eine optimale Elektronenstrahlbestrahlungsmenge für den LIGBT und die Diode besonders gewählt werden. Da jedoch ein Elek­ tronenstrahl der gleichen Menge auf die integrierte Schal­ tungseinheit gemäß der Erfindung eingestrahlt wird, ist es unmöglich, optimale Elektronenstrahlmengen auf den LIGBT und die Diode getrennt einzustrahlen.
Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Elektronenstrahl­ bestrahlungsdosis, einer LIGBT Ausschaltzeit tf, einer Um­ kehrerholungszeit trr der Diode und des LIGBT und der Dio­ dendurchlaßspannung VF. Die Ausschaltzeit tf stellt die Zeit dar, die genommen wird von dem Zeitpunkt, wenn das Gate des LIGBT abgeschaltet wird, bis zum Zeitpunkt, wenn sich der Strom von 90% auf 10% ändert. Die Umkehrerho­ lungszeit stellt die Zeit von dem Zeitpunkt an, wenn der Strom einmal Null wird, bis zu dem Zeitpunkt dar, wenn Strom rückwärts fließt und der Strom wieder Null wird, wenn ein Durchlaßstrom an die Diode angelegt wird und dann eine Sperrvorspannung angelegt wird.
Um mit der Schaltfrequenz von 16 kHz oder darüber zu arbei­ ten, ist es erforderlich, daß der Wert tf 0,3 µs oder darunter wird und der Wert trr 0,15 µs oder darunter wird. Andererseits ist es zweckmäßig, daß die Durchlaßspannung VF 2,5 V oder darunter vom Verlust für den LIGBT und 1,5 V oder darunter für die Diode ist. Die Elektronenstrahlbe­ strahlungsmenge, die sämtlichen Eigenschaften genügt, ist 6,5 × 1014 bis 1,2 × 1015 cm-3. Die Elektronenstrahlbe­ strahlung in diesem Bereich wird bei der IC gemäß der Er­ findung vorgenommen.
Wichtig bei der Erfindung ist, daß der Elektronenstrahl nicht nur auf den LIGBT und die Diode, sondern auf die gan­ zen Halbleiterchips eingestrahlt werden sollte. Dabei wird angestrebt, unerwünschte Beaufschlagung aufgrund der Elek­ tronenstrahlbestrahlung an anderen Teilen als dem LIGBT und der Diode zu kompensieren. Beispielsweise ändert sich, wenn eine Schaltung den MOS-Transistor enthält, die Schwellen­ wertspannung aufgrund der Elektronenstrahlbestrahlung. Da­ her wird das Bauelement unter Berücksichtigung einer ge­ schätzten Änderungsgröße infolge der Elektronenstrahlbe­ strahlung vorab ausgelegt, so daß der obige schlechte Ein­ fluß beseitigt wird.
Anordnung der IC
Fig. 11 zeigt ein Anordnungsmuster der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung. Wie in der Darstellung gezeigt ist, sind eine Logikschaltung Lg, eine Stromerfassungsschaltung Is, eine Steuerschaltungsniveauverschiebungsschaltung Ls für jede der Phasen U, V und W, obere und untere Arm-LIGBT Q1 bis Q6 für jede der Phasen U, V und W und zu diesen um­ gekehrt parallel geschaltete Dioden D1 bis D6 im IC-Chip angeordnet.
Eine Logikschaltung Lg ist über dem quadratischen IC-Chip angeordnet. Eine Temperaturerfassungsschaltung Ts und eine Stromerfassungsschaltung Is sind an der rechten Seite der Logikschaltung angeordnet, und eine innere Stromquellen­ schaltung Ps ist an der rechten Seite von Is angeordnet.
Die Ober- und Unterarmsteuerschaltungen und die Niveauver­ schiebungsschaltung für die U-Phase, die Ober- und Unter­ armsteuerschaltungen und die Niveauverschiebungsschaltung für die V-Phase und die Ober- und Unterarmsteuerschaltungen und die Niveauverschiebungsschaltung für die W-Phase sind von der linken Seite aus an der Unterseite (der Frontseite auf der Darstellung) der Logikschaltung Lg, der Temperaturer­ fassungsschaltung, der Stromerfassungsschaltung und der inneren Stromquellenschaltung Ps angeordnet.
An der Unterseite der Steuerschaltungen usw. sind von links nach rechts der U-Phasen-Oberarm-LIGBT Q1 mit der an der linken Seite herausgeführten Kollektorelektrode, der U-Pha­ sen-Unterarm-LIGBT Q2 mit der an der linken Seite herausge­ führten Kollektorelektrode, der V-Phasen-Unterarm-LIGBT Q4 mit der an der linken Seite herausgeführten Emitterelek­ trode, der V-Phasen-Oberarm-LIGBT Q3 mit der an der linken Seite herausgeführten Emitterelektrode, der W-Phasen-Ober­ arm-LIGBT Q5 mit der an der linken Seite herausgeführten Kollektorelektrode und der W-Phasen-Unterarm-LIGBT Q6 mit dem an der linken Seite angeordneten Kollektor vorgesehen. Die Emitterelektrode des U-Phasen-Oberarm-LIGBT Q1 und die Kollektorelektrode des U-Phasen-Unterarm-LIGBT Q2 sind mit­ einander zur Bildung einer Verdrahtungsfläche verbunden. Die Emitterelektrode des U-Phasen-Unterarm-LIGBT Q2 und die Emitterelektrode des V-Phasen-Unterarm-LIGBT Q4 sind unter­ einander zur Bildung einer Verdrahtungsfläche verbunden. Die Kollektorelektrode des V-Phasen-Unterarm-LIGBT Q4 und die Emitterelektrode des V-Phasen-Oberarm-LIGBT Q3 sind zur Bildung einer Verdrahtungsfläche verbunden. Die Kollektor­ elektrode des V-Phasen-Oberarm-LIGBT Q3 und die Kollektor­ elektrode des W-Phasen-Oberarm-LIGBT Q5 sind miteinander zur Bildung einer Verdrahtungsfläche verbunden. Die Emit­ terelektrode des W-Phasen-Oberarm-LIGBT Q5 und die Kollek­ torelektrode des W-Phasen-Unterarm-LIGBT Q6 sind miteinan­ der zur Bildung einer Verdrahtungsfläche verbunden.
An der Unterseite des seitlichen IGBT der Hauptinverter­ schaltung sind von links nach rechts die U-Phasen-Oberarm- Diode D1, die U-Phasen-Unterarm-Diode D2, die V-Phasen- Unterarm-Diode D4, die V-Phasen-Oberarm-Diode D3, die W- Phasen-Oberarm-Diode D5 und die W-Phasen-Unterarm-Diode D6 vorgesehen.
Das vorliegende Anordnungsdiagramm zeigt den Fall, wo drei Signale von A1 bis A3 von der Signalerzeugungsschaltung empfangen und diese Signale in Signale von sechs Oberflä­ chen für die oberen und unteren Arme von U bzw. V bzw. W durch die Logikschaltung unterteilt werden. Auf der Ober­ seite des IC-Chips sind von links nach rechts längs des Um­ fangs ein P-S1-Flecken für das Trägersignal vom Mikrocompu­ ter, P-A1-, P-A2- und P-A3-Flecken für Steuersignale von der Signalerzeugungsschaltung, ein Erdleitungsflecken P-Gs, ein Niederspannungsstromquellenflecken P-Vcc, ein Signal­ übertragungsflecken P-F zum Übertragen von Signalen zur Signalerzeugungsschaltung, wenn ein Fehlerzustand auftritt, ein Flecken P-RE für den Bezugswiderstand der Erfassungs­ schaltung, ein Trägersignalflecken P-S2 für die innere Stromquelle, ein Flecken P-E für die Hochspannungsstrom­ quelle, ein Flecken P-C1⁻ für die Kondensator C1-Niederpo­ tentialseite, ein Flecken P-C1⁺ für die Kondensator C₁- Hochpotentialseite, ein Flecken P-C2⁻ für die Kondensator C2-Hochpotentialseite und ein Flecken P-Eh für die Konden­ sator C2-Hochpotentialseite vorgesehen.
An der Unterseite des Chips sind von links nach rechts ein Flecken P-Ep1 für die Hochspannungsstromquelle durch Ver­ bindung der Kollektorelektrode des U-Phasen-Oberarm-LIGBT Q1 und der Kathodenelektrode der U-Phasen-Oberarm-Diode D2, ein Flecken P-Uout für den U-Phasen-Ausgang durch Verbinden der Emitterelektrode des U-Phasen-Oberarm-LIGBT Q1, der Kollektorelektrode des U-Phasen-Unterarm-LIGBT Q2, der Schwingungsartelektrode der U-Phasen-Oberarm-Diode D1 und der Kathodenelektrode der U-Phasen-Unterarm-Diode D2, ein Flecken P-Gp1 für das Erden durch Verbinden der Emitter­ elektrode des U-Phasen-Unterarm-LIGBT Q2, der Emitterelek­ trode des V-Phasen-Unterarm-LIGBT Q4, der Anodenelektrode der U-Phasen-Unterarm-Diode D2 und der Anodenelektrode der V-Phasen-Unterarm-Diode D4, ein Flecken P-Vout für den V- Phasenausgang durch Verbinden der Kollektorelektrode des V- Phasen-Unterarm-LIGBT Q4, der Emitterelektrode des V-Pha­ sen-Oberarm-LIGBT Q3, der Kathodenelektrode der V-Phasen- Unterarm-Diode D4 und der Anodenelektrode der V-Phasen- Oberarm-Diode D3, ein Flecken P-Ep2 für die Hochspannungs­ stromquelle durch Verbinden der Kollektorelektrode des V- Phasen-Oberarm-LIGBT Q3, der Kollektorelektrode des W-Pha­ sen-Oberarm-LIGBT Q5, der Kathodenelektrode der V-Phasen- Oberarm-Diode D3 und der Kathodenelektrode der W-Phasen- Oberarm-Diode D5, ein Flecken P-Wout für den W-Phasenaus­ gang durch Verbinden der Emitterelektrode des W-Phasen- Oberarm-LIGBT Q5, der Kollektorelektrode des W-Phasen-Un­ terarm-LIGBT Q6, der Anodenelektrode der W-Phasen-Oberarm- Diode D5 und der Kathodenelektrode der W-Phasen-Unterarm- Diode D6 und ein Flecken P-Gp2 für das Erden durch Verbin­ den der Emitterelektrode des W-Phasen-Unterarm-LIGBT Q6 und der Anodenelektrode der W-Phasen-Unterarm-Diode D6 vorgese­ hen.
Wie vorstehend beschrieben, sind eine Mehrzahl von Hoch­ spannungsstromquellenflecken und Erdungsflecken vorgesehen, und sie sind außerhalb der IC angeschlossen, so daß die Verdrahtungsfläche innerhalb der IC verringert ist.
Die Hochspannungsstromquellenflecken und die Erdungsflecken sind in die Flecken P-Ep1, P-Ep2, P-Gp1 und P-Gp2, durch die ein starker Strom (0,6 A oder darüber) fließt, und die Flecken P-Gs und P-Es unterteilt, durch die ein kleiner Strom (0,1 A oder darunter) fließt, und diese sind inner­ halb der IC elektrisch isoliert. Durch diese Anordnung be­ einträchtigt eine Potentialänderung aufgrund von Schaltun­ gen eines Starkstroms nicht die Verdrahtung, durch die ein kleiner Strom fließt.
Der LIGBT, der einen starken Strom schaltet, und die Logik­ schaltung sind durch die Niveauverschiebungsschaltung ge­ trennt, um so eine Fehlfunktion der Logikschaltung aufgrund einer durch das Schalten des LIGBT erzeugten Störung zu ver­ meiden.
In der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungseinheit wird das Zerhacken durch Impulsbreitenmodulation mittels des seitlichen IGBT an der Unterarmseite durchgeführt. Dem­ gemäß fließt durch die Diode des unteren Arms wenig Strom. Daher ist der Anstieg des Gesamtverlustes auch dann gering, wenn die Fläche der Diode an der Unterseite gering gemacht wird und die Durchlaßspannung groß wird. Durch Verringern der Fläche der Diode an der unteren Armseite kann die Chip­ fläche ohne wesentliche Steigerung des Verlustes der IC klein gemacht werden.
Das Anordnungsdiagramm in Fig. 11 zeigt den Fall, wo das dielektrisch isolierte Substrat verwendet wird und der LIGBT und die Diode durch ein Bauelement in einem Inselbe­ reich gebildet werden können, und für andere Teile ist, ob ein oder eine Mehrzahl von Bauelementen in einem Inselbe­ reich zu bilden sind, geeignet in Abhängigkeit von der Schaltungsspannung zu entscheiden.
Verfahren zur Herstellung der integrierten Schaltungsein­ heit
Fig. 12 veranschaulicht das Herstellverfahren der inte­ grierten Schaltungseinheit. Dabei zeigen Flächen X und Y Teilquerschnitte für jeden Verfahrensschritt, um den LIGBT bzw. die Diode zu erhalten.
Zunächst, wie in A gezeigt, wird ein Halbleitersubstrat 121 hergestellt. Es ist zweckmäßig, daß ein einkristallines n- Silicium mit (100)-Kristalloberflächen und einem spezifi­ schen Widerstand von 16 bis 24 Ω × cm als das Halbleitersub­ strat 121 verwendet wird.
Eine Nut 1211 wird an der Hauptoberfläche des Siliciumsub­ strats gebildet, wie in B gezeigt ist.
Wie C zeigt, werden eine n⁺-Schicht 5032 und eine SiO2- Schicht 502 auf der ganzen Oberfläche der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 121 gebildet, an der die Nut 1211 gebildet wurde. Die n⁺-Schicht 5032 wird durch Ionenimplan­ tation gebildet. Es ist zweckmäßig, daß ihre Verunreinigung Arsen mit einer Dosis von 1 × 1015 cm-2 oder darüber ist. Weiter sollte die SiO2-Schicht 502 vorzugsweise die Dicke von etwa 2,0 µm haben.
Dann wird, wie in D gezeigt, Polysilicium 501 aufgebracht, um einen Trägerkörper auf der SiO2-Schicht 502 zu bilden.
Dann wird, wie in E gezeigt ist, die Oberfläche des Sub­ strats 121 abgetragen, um die Nut 1211 zu erreichen. Die n⁻- Schicht 121 und der übrige Substratteil werden untereinan­ der durch Isolation mittels der SiO2-Schicht 502 getrennt, um die n--Schicht 5031 zu bilden.
Dann wird, wie in F gezeigt ist, die SiO2-Schicht 122 auf der ganzen Oberfläche gebildet. Die SiO2-Schicht sollte vorzugsweise die Dicke von etwa 2,2 µm haben.
Diese SiO2-Schicht 122 wird selektiv geätzt, wie in G ge­ zeigt ist. Das Ätzverfahren sieht das Ätzen zur Bildung einer SiO2-Schicht 1221, die dünner als die SiO2-Schicht 122 ist, und das Ätzen zur Freilegung der Oberfläche der n⁻- Schicht 5031 vor. Die SiO2-Schicht 1221 sollte vorzugs­ weise die Dicke von etwa 0,9 µm haben. So gibt es zwei Ätz­ schritte zum stufenweisen Verdünnen der SiO2-Schichten zwecks Vermeidung einer Trennung der Verdrahtungen aufgrund eines großen Niveauunterschiedes zwischen der dicken Oxid­ schicht und dem Silicium.
Dann wird die dünne SiO2-Schicht 5041 für das MOS-Gate auf der ganzen Oberfläche thermisch oxidiert, und eine Polysi­ liciumschicht 5051 wird auf der SiO2-Schicht 1221 und der dünnen SiO2-Schicht 5041 gebildet, wie in H gezeigt ist. Als Verunreinigung wird Phosphor in die Polysiliciumschicht eingeführt, um dadurch den Widerstand zu verkleinern. Der Flächenwiderstand der Polysiliciumschicht sollte vorzugs­ weise etwa 10 Ω/ sein, und die Phosphor-Einführung kann vorzugsweise durch die Abscheidung von POCl3 erfolgen.
Dann werden, wie in I gezeigt ist, die n⁻-Schichten 5036, 5037 und die p-Schicht 5033 selektiv gebildet. Dabei werden die SiO2-Schichten 122 und 1221 und die Polysiliciumschicht als Masken verwendet. Als Verunreinigung der n-Schicht 5036 ist Phosphor zweckmäßig. Die Verunreinigung wird vorzugs­ weise durch Ionenimplantation mit einer Beschleunigungs­ spannung von 125 keV und einer Dosis von 1 × 1014 cm-2 ein­ geführt. Weiter ist Bor vorzugsweise die Verunreinigung der p-Schicht 5033. Die Verunreinigung wird vorzugsweise durch Ionenimplantation mit einer Beschleunigungsspannung von 75 keV und einer Dosis von 0,8 bis 1,2 × 1014 cm-2 eingeführt.
Dann werden, wie in J gezeigt ist, p⁺-Schichten 5034 und 5039 selektiv gebildet. Die p⁺-Schichten 5034 und 5039 wer­ den im gleichen Verfahren gebildet. Bor wird als Verunrei­ nigung für sie bevorzugt. Die Verunreinigung wird vorzugs­ weise durch Ionenimplantation mit einer Beschleunigungs­ spannung von 80 keV und einer Dosismenge von 2 × 1015 cm-2 eingeführt.
Dann werden, wie in K gezeigt ist, eine n⁺-Schicht 5035 und p⁺-Schichten 5037 und 5038 selektiv gebildet. In der Diode werden eine n-Schicht 5037 und eine n⁺-Schicht 5038 am End­ teil gebildet, um den Kontaktwiderstand der n⁺-Schicht 5032 und der Kathodenelektrode 81 zu senken. Die n⁺-Schicht 5035 des LIGBT wird durch Selbstausrichtung mit der p-Schicht 5033 unter Verwendung der Polysiliciumschicht als Maske gebildet, um eine Maskenabweichung zu vermeiden und eine Channelbreite zu verringern. Phosphor ist als Verunreini­ gung der n⁺-Schicht 5035 zweckmäßig. Die Bildung der Verun­ reinigung erfolgt vorzugsweise durch die Abscheidung von POCl3 mit dem Flächenwiderstand von etwa 10 Ω/.
Danach wird, wie in L gezeigt ist, ein PSG (Phosphorsilikatglas) 5043 auf der ganzen Oberfläche gebil­ det und dann selektiv entfernt, um Löcher zu erhalten, die einen Kontakt zwischen der Elektrode und der Diffusions­ schicht ermöglichen. Das PSG 5043 verhindert einen Kontakt zwischen der Polysiliciumschicht 5051 und der Emitterelek­ trode 5052, wodurch ein Kurzschluß zwischen dem Gate und dem Emitter verhindert wird. Durch Überlappung einer SiO2- Schicht 122 mit dem PSG 5043 wird das elektrische Feld zwi­ schen der Verdrahtung und der n⁺-Schicht 5032 verkleinert, und die Sperrspannung wird erhöht. Das PSG 5043 hat vor­ zugsweise die Dicke von etwa 1,2 µm.
Dann wird, wie in M gezeigt ist, eine Al-Si-Legierung auf die ganze Oberfläche aufgebracht und anschließend selektiv durch einen Photolithographieprozeß und einen Ätzprozeß entfernt, um Elektroden 5052, 5053, 81 und 82 zu bilden.
Dann wird, obwohl in den Figuren nicht dargestellt, eine Schutzschicht auf der ganzen Oberfläche abgeschieden, und es folgt die Elektronenstrahlbestrahlung im Plattenzustand, das ganze wird in Wasserstoffatmosphäre wärmebehandelt und danach in Chips unterteilt, um die IC fertigzustellen. Die Wärmebehandlung unter Wasserstoffatmosphäre wird vorgenom­ men, um durch die Elektronenstrahlbestrahlung verursachte Schäden der Platte auszuheilen.
Vorstehend wurde der Fall der Steuerung des bürstenlosen Dreiphasenmotors erläutert. Die integrierte Schaltungsein­ heit gemäß der Erfindung kann auch zur Steuerung anderer Motorarten mit einem Gleichstrom von 100 V oder darüber als Stromquelle angewandt werden. Fig. 13 zeigt die Anordnung des allgemeinen Motorsteuerungssystems unter Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Schaltungseinheit. Im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel ist der im Diagramm von der gestrichelten Linie umgebene Teil in einem Chip integriert. Diese integrierte Schaltungseinheit weist eine Dreiphasen- Inverterschaltung mit LIGBT Q1 bis Q6 und Dioden D1 bis D6, die umgekehrt parallel zu diesen LIGBT Q1 bis Q6 geschaltet sind, Steuerkreise DA2, DA4 und DA6 der Unterarm-LIGBT der Inverterschaltung, Steuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 der Oberarm-LIGBT, Niveauverschiebungsschaltungen LS1 bis LS4, eine Oberarm-Stromerfassungsschaltung IS1 zum Erfassen des durch die Oberarm-LIGBT Q1, Q3 und Q5 fließenden Stroms, eine Unterarmstrom-Erfassungsschaltung IS2 zum Erfassen des durch die Unterarm-LIGBT Q2, Q4 und Q6 fließenden Stroms, eine Oberarm-Stromquelle PS1, eine Logikschaltung Lg und eine Temperaturerfassungsschaltung Is auf.
Der Betrieb der integrierten Schaltungseinheit mit der vor­ stehenden Anordnung soll nun erläutert werden. Während das Schalten durch Impulsbreitenmodulation beim bürstenlosen Dreiphasenmotor durch die Unterarm-LIGBT Q2, Q4 und Q6 er­ folgt, wird das Schalten durch Impulsbreitenmodulation beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Ober- und Unter­ arm-LIGBT Q1 bis Q6 vorgenommen.
Eine Logikschaltung Lg nimmt Signale A1 bis An von einer Signalerzeugungsschaltung Pa auf, liefert diese Signale zu den Ober- und Unterarmsteuerschaltungen DA1 bis DA6 jeder Phase, schaltet die LIGBT′s und steuert den einem Motor 2 zugeführten Strom. Die Unterarmsteuerschaltungen DA2, DA4 und DA6 werden mit Strom von einer äußeren Unterarmstrom­ quelle PS2 gespeist. Die Oberarmsteuerschaltungen DA1, DA3 und DA5 werden mit Strom, der durch Umwandeln des Stroms im Inneren der Einheit durch dessen Erhalten von der Unterarm­ stromquelle P2 vorgesehen wird, von der Oberarmstromquelle PS1 gespeist. Ein Signal wird von der Niedrigpotential-Lo­ gikschaltung Lg zu den Hochpotential-Oberarmsteuerschaltun­ gen DA1, DA3 und DA5 durch die Niveauverschiebungsschaltun­ gen LS1, LS2 und LS3 übertragen.
Der Hauptstrom wird gemessen, indem man einen Teil des durch die LIGBT Q1 bis Q6 fließenden Stroms abzweigt. Da die Ströme der Ober- und Unterarm-LIGBT erfaßt werden, ist es möglich, einen Übermaßstrom auch dann zu erfassen, wenn der Ausgangsanschluß zum Motor mit Erde kurzgeschlossen wird. Dies ist sicherer als der Fall, wo nur der Strom des Unterarm-LIGBT gemessen wird. Die Stromerfassungsschaltung ist in eine Oberarm-Stromerfassungsschaltung IS1 und eine Unterarm-Stromerfassungsschaltung IS2 unterteilt. Das Signal der Oberarm-Stromerfassungsschaltung IS1 wird von einem Hochpotentialsignal durch die Niveauverschiebungs­ schaltung LS4 zu einem Niedrigpotentialsignal umgewandelt und der Logikschaltung Lg zugeführt. Ein Signal, das die Größe des Stroms von der Oberarm-Stromerfassungsschaltung IS1 und der Unterarm-Stromerfassungsschaltung IS2 dar­ stellt, und Temperatursignale F1 bis Fl einer Temperaturer­ fassungsschaltung Ts werden einer Signalerzeugungsschaltung Pa durch die Logikschaltung Lg zugeführt.
Wenn ein Schalten durch Impulsbreitenmodulation mittels der oberen und unteren LIGBT durchgeführt wird, fließt ein Strom durch die Ober- und Unterarmdioden D1 bis D6 für fast die gleiche Zeitdauer. Daher werden die Bauelementbereiche der Oberarmdioden D1, D3 und D5 und der Unterarmdioden D2, D4 und D6 gleichgemacht.
Wie vorstehend beschrieben, werden erfindungsgemäß die In­ verterschaltung und die Steuerschaltung auf bzw. in demsel­ ben Halbleitersubstrat gebildet, so daß die Verdrahtung extrem verkürzt werden kann, wodurch eine Fehlfunktion auf­ grund von Rauschen verhindert wird. Demgemäß kann eine Mo­ torsteuereinheit unter Verwendung der erfindungsgemäßen integrierten Haltleiterschaltung in einem kompakten System mit hoher Verläßlichkeit gebildet werden.

Claims (12)

1. Integrierte Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb desselben Halbleitersubstrats integriert ge­ bildet sind: eine Inverterschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen (Q1 bis Q6) zur Aufnahme einer Stromzufuhr von einer Gleichstromquelle und Umwandlung des Gleichstroms in einen Wechselstrom enthält; eine Steuerschaltung (DA1 bis DA6) zum Steuern eines Schaltelements der Inverter­ schaltung; eine innere Stromquellenschaltung (Ls) zum Zu­ führen von Strom zur Steuerschaltung zum Steuern einer obe­ ren Armseite der Inverterschaltung; und eine Logikschaltung (Lg) zum Übertragen eines Signals zur Steuerschaltung zum Steuern der oberen Armseite der Inverterschaltung.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement der Inver­ terschaltung ein Seitenisolationsgate-Bipolartransistor ist.
3. Integrierte Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Hauptoberfläche eines quadratischen Halbleitersubstrats vorgesehen sind: eine Mehrzahl von Schaltelementen (Q1-Q6), die eine Inverterschaltung bilden und zwischen zwei zugewandten Seiten des quadra­ tischen Halbleitersubstrats längs der anderen zugewand­ ten Seiten im Abstand von den anderen zugewandten Seiten angeordnet sind; eine Mehrzahl von Dioden (D1-D6), die zwischen einer der anderen zugewandten Seiten und einer Reihe von Schaltelementen so angeordnet sind, daß sie umgekehrt parallel zu je einem der Schaltelemente ge­ schaltet sind; Steuerschaltungen zum Steuern der Schalt­ elemente, die an der entgegengesetzten Seite der Dioden­ reihe für die Schaltelementreihe längs der anderen ent­ gegengesetzten Seiten angeordnet sind; und eine Logik­ schaltung (Lg) zum Steuern der Steuerschaltungsreihe, eine Temperaturerfassungsschaltung (Ts), eine Stromer­ fassungsschaltung (Is) und eine innere Stromquellen­ schaltung (Ps), welch letztere vier Schaltungen zusammen zwischen der Steuerschaltungsreihe und der anderen Seite der anderen zugewandten Seiten längs der anderen Seite angeordnet sind.
4. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat ein dielektrisch isoliertes Substrat ist.
5. Integrierte Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß integriert innerhalb desselben Halbleitersubstrats gebildet sind: eine Inverterschaltung mit einer Mehrzahl von Schaltelementen; Steuerschaltungen, deren jede in je einem Arm zum Steuern der Inverterschaltung vorgesehen sind; eine innere Stromquellenschaltung zum Zuführen von Strom zu den Steuerschaltungen, die die obere Armseite des Inverters steuern; und eine Logikschaltung zum Lie­ fern eines Steuersignals zu den Steuerschaltungen, die die Oberarmseite des Inverters steuern; und daß ein Elektronenstrahl auf die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats eingestrahlt wurde.
6. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Seitenisolationsgate-Bipolartran­ sistoren sind und die Elektronenstrahl-Bestrahlungsmenge 6,5 × 1014 bis 1,2 × 1015 cm-3 ist.
7. Integrierte Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß integriert innerhalb desselben Halbleitersubstrats gebildet sind: eine Inverterschaltung mit einer Mehrzahl von Schaltelementen; Steuerschaltungen, deren jede in je einem Arm zum Steuern der Inverterschaltung vorgesehen ist; eine innere Stromquellenschaltung zum Zuführen von Strom zu den Steuerschaltungen, die die Oberarmseite der Inverterschaltung steuern; eine Logikschaltung zum Lie­ fern eines Steuersignals zu den Steuerschaltungen, die die Oberarmseite der Inverterschaltung steuern; und eine Stromerfassungsschaltung zum Erfassen des durch die Schaltelemente des unteren Arms der Inverterschaltung fließenden Stroms und zum Liefern eines Signals an die Logikschaltung.
8. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Seitenisolationsgate-Bipolartran­ sistoren sind.
9. Integrierte Halbleiterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß integriert innerhalb desselben Halbleitersubstrats gebildet sind: eine Inverterschaltung mit einer Mehrzahl von Schaltelementen und einer Mehrzahl von Dioden, die umgekehrt parallel zu jedem der Schaltelemente geschal­ tet sind; für jeden Arm jeder Phase vorgesehene Steuer­ schaltungen zum Steuern der Inverterschaltung; eine in­ nere Spannungsquellenschaltung zum Zuführen von Strom zu den Steuerschaltungen, die die Oberarmseite der Inver­ terschaltung steuern; und eine Logikschaltung zum Über­ tragen eines Steuersignals zu den Steuerschaltungen, die die Oberarmseite der Inverterschaltung steuern.
10. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente Seitenisolationsgate-Bipolar­ transistoren sind.
11. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden jeweils einen Gleichrichtungsübergang haben, der durch einen pn-Übergang und einen Schottky- Übergang aufgebaut ist.
12. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl auf die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats eingestrahlt wurde.
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