DE4242669C2 - Halbleiteranordnung mit einem vertikalen Halbleiterleistungsschalter und einer integrierten Schaltung - Google Patents

Halbleiteranordnung mit einem vertikalen Halbleiterleistungsschalter und einer integrierten Schaltung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem vertikalen Leistungshalbleiterschalter (1) und einer integrierten CMOS- oder Bipolarschaltung (3), wobei die integrierte CMOS- oder Bipolarschaltung (3) auf einer gegenüber einem ersten Halbleitermaterialbereich (4) durch eine vergrabene Isolationsschicht (2) isolierten Halbleiterinsel angeordnet ist, und der Leistungshalbleiterschalter (1) den ersten Halbleitermaterialbereich (4) als Teil seiner Struktur umfaßt. Eine solche Halbleiteranordnung soll es ermöglichen, auf dem gleichen Substrat eines vertikalen Leistungshalbleiters die zu isolierende Schaltung auch bei inversem Betrieb des Bauelementes, bei dem normalerweise der Shield mit Ladungsträgern überschwemmt wird, vor Einstreuungen sicher zu schützen, indem die vergrabene Isolationsschicht (2) von einem zwischen ihr und dem ersten Halbleitermaterialbereich (4) angeordneten zweiten Halbleitermaterialbereich (5) umschlossen ist, dessen Dotierung entgegengesetzt zu der des ersten Halbleitermaterialbereichs (4) ist, der zweite Halbleitermaterialbereich (5) über eine Schaltung (8) mit dem ersten Halbleitermaterialbereich (4) gekoppelt ist, diese Schaltung (8) das Potential des zweiten Halbleitermaterialbereichs (5) nicht unmittelbar mit dem Potential des ersten Halbleitermaterialbereichs (4) verbindet, und diese Schaltung (8) das Potential des zweiten Halbleitermaterialbereichs (5) auf Werte kleiner als solche, um die integrierte Schaltung (3) beeinflussen zu ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement, beispielsweise ein D-MOS- Transistor, ein IGBT oder ein Thyristor zusam­ men mit einer Schaltung, die beispielsweise der Ansteue­ rung oder dem Schutz des Bauelementes dient, in einem Schaltkreis monolithisch integriert Sind. Derartige Bau­ elemente nennt man Smart-Power-Elemente, die eine zuneh­ mend wichtige Rolle in vielen Geräten der Leistungselek­ tronik spielen. In dem hier beschriebenen Smart-Power- Element ist der Schaltkreis durch eine dielektrische Iso­ lation, beispielsweise mittels SIMOX erzeugt, elektrisch von dem Leistungshalbleiter getrennt. Die realisierbaren Dicken der Isolation sind mit ca. 400 nm typisch so ge­ ring, daß die Potentiale des Leistungshalbleiters die Schaltung empfindlich stören. Die Störungen sind so gra­ vierend, daß ein sinnvoller Einsatz von solchen Halblei­ terbauelementen bisher insbesondere in Hochvoltanwendun­ gen (Netzanwendungen) nicht möglich war.
Als eine naheliegende Lösung des vorhandenen Problems kann ein Shield unter dem zu schützenden Bereich ange­ sehen werden. Derartige Shields werden in Halbleiteran­ ordnungen häufig eingesetzt, um entweder selbst in Sperr­ richtung vorgespannt als isolierendes Element (Junction Isolation) eingesetzt zu werden oder wie in der EP 0 364 393 A2 den Einfluß des Back-Gate-Effektes zu verhin­ dern. Dieser Vorschlag hat jedoch in Smart-Power-Anwen­ dungen einen entscheidenden Nachteil, der die Funktions­ fähigkeit des Schutzes verhindert. Die Diodenstrecke des Shields, wobei der Shield direkt mit dem Source- oder Emittergebiet des Leistungshalbleiterschalters verbünden ist, kann leitend und dadurch insofern mit Ladungsträgern überschwemmt sein. Schaltet danach das Bauelement ab, so müssen die Ladungsträger rekombinieren. Für die Rekombi­ nationszeit ist der Shield also eine niederohmige Verbin­ dung zu dem vertikalen Leistungsbauelement. Die Leitfä­ higkeit des Shields ist nicht groß genug, um einen wirk­ samen Schutz der elektronischen Schaltung zu gewährlei­ sten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halb­ leiteranordnung zu schaffen, die es ermöglicht, auf dem gleichen Substrat eines vertikalen Leistungshalbleiters die zu isolierende Schaltung auch bei inversem Betrieb des Bauelementes, bei dem normalerweise der Shield mit Ladungsträgern überschwemmt wird, vor Einstreuungen si­ cher zu schützen.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patent­ anspruch 1. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Aus­ führungsformen der Erfindung.
Der Erfindung gelingt es, die Aufgabe mit wenig Mehrauf­ wand zu lösen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Das Halbleiterelement besteht dazu gemäß Fig. 1 aus einem vertikalen Halbleiterleistungsschalter 1, der ein Vertreter aller bekannten Typen sein kann. So sind hier besonders D-MOS-Transistoren, IGBTs, Bipolartransistoren, MCTs, Thyristoren und GTOs zu nennen. Am K1-Anschluß 9 ist das Massepotential (Referenzpotential für die Ansteue­ rung des Bauelementes) angeschlossen. Die integrierte elektronische Schaltung 3 ist durch eine Isolationsschicht 2 von dem Teil des Halbleiterschalters, der den vertika­ len Leistungstransistor darstellt, isoliert. Diese Isola­ tionsschicht 2 kann durch SIMOX oder dielektrische Isola­ tion nach anderen Verfahren hergestellt sein und isoliert die Schaltung von den restlichen Elementen. Um die so entstandene Isolationsinsel herum wird dann mit einem zweiten Halbleitermaterialbereich 5 ein Shield erzeugt, der über ein Kontaktfenster 10 angeschlossen werden kann. Der vertikale Halbleiterleistungsschalter 1 hat seinen K2-Anschluß 7 auf der Rückseite des Halbleiters. Das Po­ tential kann mit sehr großer Geschwindigkeit (bei MOS- Transistoren sind Werte von 40 KV/µs zu erreichen) ge­ schaltet werden. Hierdurch treten hohe dielektrische Ver­ schiebungsströme auf, welche die Ansteuerschaltung 3 be­ einflussen. Durch einen Shield, der mit dem Massepoten­ tial der Schaltung verbunden ist, kann dieses Problem be­ seitigt werden. Der Nachteil der direkten Kopplung liegt darin, daß bei Inversbetrieb durch Ladungsträgerüber­ schwemmung die Diodenstrecke 6 zwischen den Bereichen 5 und 4 leitend werden kann. Nach der Aufgabenstellung der Erfindung, zu verhindern, daß die Diodenstrecke jemals leitfähig gesteuert wird, ist zwischen beiden Bereichen 4 und 5 eine Schaltung 8 vorgesehen, die vorzugsweise selbst Teil der Schaltung 3 ist, die das Potential in einem be­ stimmten Bereich floaten läßt. Die Schaltung 8 begrenzt hierbei den Spannungshub auf Spannungswerte, die kleiner als solche Spannungen sind, welche die Schaltung beeinflussen können. Typisch liegen diese Spannungen in einem Bereich, der wenige Volt beträgt. Eine in Anspruch 2 dargelegte Form sind zwei antiparallele, die Potentialdifferenz auf ca. +/-0,6 V begrenzende Dioden. Durch die Schaltung 8 wird verhindert, daß der Halbleitermaterialbereich 5 in einen Leitendzustand versetzt wird und damit mit Ladungs­ trägern überschwemmt wird, was die erwähnten Probleme verursacht.
Eine weitere Lösung der bestehenden Aufgabe könnte gemäß Fig. 2 die Einführung eines zweiten Shields durch einen weiteren Halbleitermaterialbereich 12 sein, der nicht direkt mit dem ersten Halbleitermaterialbereich 5 verbunden ist. Obwohl auf diese Weise ein zusätzlicher Prozeßschritt erforderlich wird, stellt er eine Alternative zu den an­ deren Realisierungen dar. Die Sperrschichten der beiden Shields 12, 5 stellen zwei in Reihe aber gegeneinander geschaltete Dioden 13 dar. Auch so läßt sich verhindern, daß der Bereich 5 jemals leitend werden kann.

Claims (3)

1. Halbleiteranordnung mit einem vertikalen Halbleiter­ leistungsschalter (1) und mit einer integrierten CMOS- oder Bipolar-Schaltung (3), wobei
  • - die integrierte CMOS- oder Bipolarschaltung (3) auf einer gegenüber einem ersten Halbleitermaterialbe­ reich (4) durch eine vergrabene Isolationsschicht (2) isolierten Halbleiterinsel angeordnet ist,
  • - der Halbleiterleistungsschalter (1) den ersten Halb­ leitermaterialbereich (4) als Teil seiner Struktur umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die vergrabene Isolationsschicht (2) von einem zwi­ schen dieser und dem ersten Halbleitermaterialbereich (4) angeordneten zweiten Halbleitermaterial­ bereich (5) umschlossen ist, dessen Dotierung ent­ gegengesetzt zu der des ersten Halbleitermaterial­ bereichs (4) ist,
  • - der zweite Halbleitermaterialbereich (5) über eine Schaltung (8) mit dem ersten Halbleitermaterialbe­ reich (4) gekoppelt ist,
  • - diese Schaltung (8) das Potential des zweiten Halb­ leitermaterialbereichs (5) nicht direkt mit dem des ersten Halbleitermaterialbereichs (4) verbindet und
  • - diese Schaltung (8) das Potential des zweiten Halb­ leitermaterialbereichs (5) auf Werte kleiner als solche, die die integrierte Schaltung (3) beeinflus­ sen können, begrenzt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zweiten Halbleitermaterialbereich (5) mit dem ersten Halbleitermaterialbereich (4) verbindende Schaltung (8) aus zwei antiparallelen Dioden, welche vorzugsweise Bestandteil der integrierten Schaltung (3) sind, besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den zweiten Halbleitermaterialbereich (5) mit dem ersten Halbleitermaterialbereich (4) verbindende Schaltung (8) mit einer Zehnerdiode niedriger Durchbruchspannung ausgestattet ist.
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