DE4423733C2

DE4423733C2 - Integriertes Leistungs-Halbleiterbauelement mit Schutzstruktur

Info

Publication number: DE4423733C2
Application number: DE4423733A
Authority: DE
Inventors: Josef-Matthias Gantioler; Rainald Sander; Jenoe Tihanyi; Ludwig Leipold; Jens-Peter Stengl
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2014-07-07
Also published as: KR960005994A; JPH0831945A; KR100346085B1; US5726478A; TW385535B; DE4423733A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein integriertes Leistungs- Halbleiterbauelement mit einem Substrat vom ersten Leitungs typ, mit mindestens einer in das Substrat eingebetteten ersten Zone vom zweiten Leitungstyp und mit mindestens einer in das Substrat eingebetteten zweiten Zone vom zweiten Lei tungstyp, mit einem Substratkontakt zum Zuführen einer Ver sorgungsspannung und mit in der ersten und der zweiten Zone eingebetteten kontaktierten Halbleiterbauelementen, wobei mindestens ein Teil der Halbleiterbauelemente der ersten Zone mindestens einen Teil der Halbleiterbauelemente der zweiten Zone steuert und mit einem Leistungs-MOSFET, der von den Halbleiterbauelementen der zweiten Zone gesteuert wird und mit einer sourceseitigen, induktiven oder kapazitiven Last.

Ein solches integriertes Halbleiterbauelement ist zum Bei spiel in der Zeitschrift "Design und Elektronik", Ausgabe 21 vom 14.10.1986, Seiten 126 bis 130 beschrieben worden. In Bild 3 dieser Veröffentlichung ist das Prinzipschaltbild eines integrierten Leistungs-Halbleiterbauelementes angege ben. Weiterhin ist in der angegebenen Fundstelle beschrieben, daß sämtliche Schaltungselemente in einem einzigen Substrat integriert sein können. Die Bauelemente werden dabei im all gemeinen in p-dotierten Zonen (Wannen) angeordnet, wenn das Substrat n-leitend ist.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird anhand der Fig. 2 erläutert, die ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines integrierten Leistungs-Halbleiterbauelementes nach dem genannten Stand der Technik zeigt.

In Fig. 2 ist ein sogenannter "High-Side"-Schalter darge stellt. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß der Leistungs- MOSFET 1 drainseitig an einer Versorgungsspannung V_bb liegt.

Sourceseitig ist dem MOSFET 1 eine Last 2 in Reihe geschal tet, deren nicht mit dem MOSFET 1 verbundener Anschluß an Lastmasse LG liegt. Die Betriebsspannungsquelle ist mit ihrem anderem Anschluß ebenfalls mit Lastmasse LG verbunden. Der MOSFET 1 wird von einem Funktionsblock 6 gesteuert, der alle Elemente zur Steuerung des High-Side-Schalters enthält. Dazu gehören zum Beispiel eine Ladungspumpe, mit der die Gatespan nung des MOSFET auf einen Wert eingestellt werden kann, der höher ist als die Versorgungsspannung V_bb. Weiter gehört dazu ein Transistor, der zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des MOSFET 1 geschaltet ist und mit dem der MOSFET 1 abge schaltet werden kann. Außerdem enthält der Funktionsblock 6 wenigstens einen Transistor in der Gatezuleitung, mit dem der Ladestrom für den Gate-Source-Kondensator gesteuert werden kann. Der Aufbau des Funktionsblocks ist an sich bekannt und daher nicht Gegenstand der Erfindung.

Der Funktionsblock 6 wird seinerseits von einem Ansteuer-IC 5 gesteuert. Dieser enthält im wesentlichen Logikschaltungen. Sowohl der Funktionsblock 6 als auch der Ansteuer-IC 5 werden von der Versorgungsspannung V_bb gespeist.

Zum Einschalten des High-Side-Schalters wird an die Eingangs klemmen 3 des Ansteuer-IC 5 eine Eingangsspannung Uin ange legt und der MOSFET 1 wird leitend gesteuert. Das Einschalten eines High-Side-Schalters z. B. über eine Ladungspumpe ist bekannt und wird nicht besonders erläutert (man vergleiche z. B. die EP 0 239 861 A1). Damit fließt ein Strom vom Drainanschluß des MOSFET 1 durch die Last 2 zur Lastmasse LG. Dabei ist das Potential am Knotenpunkt 7 zwischen Sourceanschluß S und Last 2 positiv gegenüber dem Potential an Lastmasse LG.

Beim Abschalten des High-Side-Schalters wird der Strom durch den MOSFET 1 unterbrochen und die Spannung an der induktiven Last 2 kehrt sich um. Somit wird das Potential am Knoten 7 (Sourceanschluß des MOSFET 1) negativ gegenüber Lastmasse LG. Da in allen Anwendungsfällen eine elektrische Verbindung zwi schen der Lastmasse LG und demjenigen Masseanschluß GND besteht, wird nun der Anschluß GND positiv vorgespannt.

Sind die in den Funktionsblöcken 5 und 6 enthaltenen Halblei terbauelemente in selbstisolierender Technik hergestellt (man vergleiche Bild 1 der genannten Literatur), so kann es durch die Potentialerhöhung an GND zu Fehlfunktionen kommen, die ein sicheres Schalten des Leistungs-MOSFET 1 verhindern. Diese Fehlfunktion wird anhand der Fig. 1 erläutert, die auch die Erfindung darstellt.

In Fig. 1 ist das Substrat, in das die Funktionsblöcke 5 und 6 integriert sind, mit 10 bezeichnet. Im vorliegenden Fall ist es n-dotiert. Der Funktionsblock 5 wird durch Halbleiter bauelemente gebildet, von denen einige symbolisch dargestellt und mit 17, 18 bezeichnet sind. Sie sind in einer p-dotierten ersten Zone 15 angeordnet. Die Bauelemente des Funktions blocks 6 sind ebenfalls symbolisch dargestellt und mit 19 und 20 bezeichnet. Sie sind in einer p-dotierten zweiten Zone 16 angeordnet. Die Zone 15 des Funktionsblock 5 ist mit einem Kontakt versehen, der mit dem Anschluß GND verbunden ist. Die Zone 16 des Funktionsblocks 6 hat einen Kontakt, der mit dem Knoten 7 verbunden ist und der damit auf dem Sourcepotential des MOSFET 1 liegt. Der MOSFET 1 ist in der Anordnung nach Fig. 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht darge stellt. Es ist auch nicht dargestellt, wie die Bauelemente 17, 18 die Bauelemente 19, 20 steuern, da dies für die Erläu terung der Erfindung ohne Bedeutung ist.

Wird beim Abschalten der induktiven Last 2 der Anschluß GND positiv gegenüber der Versorgungsspannung V_bb, so wird der p n-Übergang zwischen der Zone 15 und dem Substrat 10 in Durch laßrichtung vorgespannt und es fließt ein Strom i, der das Substrat mit positiven Ladungsträgern überschwemmt. Diese Ladungsträger fließen in Richtung des niedrigsten Potentials, d. h. zur Zone 16, deren Anschluß durch die erwähnte Span nungsumkehr beim Abschalten negativ gegenüber dem Potential GND und gegenüber dem Potential V_bb ist. Damit bildet sich ein parasitärer pnp-bipolartransistor 22 aus, der durch gestrichelte Linien veranschaulicht ist. Der Basisanschluß des Bipolartransistors 22 liegt dabei auf Substratpotential V_bb. Da dieses negativ gegenüber dem Potential am Anschluß GND ist, schaltet der parasitäre Bipolartransistor 22 ein und das Potential der Wanne 16 wird in Richtung des Potentials am Anschluß GND gezogen. Damit ist eine einwandfreie Funktion des Funktionsblocks 6 nicht mehr gewährleistet, so daß eine sichere Steuerung des MOSFET 1 unmöglich wird.

Aus dem Philips Journal of Research, Integrated approach to latch-up prevention in CMOS and its application to Philips 1-m SRAM, R. J. G. Goossens, J. H. A. van der Vielen, Volume 44, Nos. 2/3, 1998, Seite 241 bis 255 ist im Abschnitt 4.2. "Guard Ring Constructions" eine Schutzschaltung für das Gate eines MOSFET beschrieben. Die Schutzschaltung besteht aus einer n-dotierten Zone, in die eine stark p-dotierte Zone eingebettet ist sowie aus einer stark n-dotierten Zone, die in die epitaktische Schicht des integrierten Schaltkreises eingebettet ist. Die stark p-dotierte Zone und die stark n- dotierte Zone sind mit dem Gateanschluß des MOSFETs verbunden. Zwischen der Schutzschaltung und den Schaltkreisen ist ein Gatering angeordnet, der an das gleiche Potential wie die n-dotierte Zone angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung einer parasitären Struktur zwischen dem Funktionsblock 5 und dem Funktionsblock 6 zu verhindern, so daß eine sichere Ansteuerung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der ersten und der zweiten Zone eine dritte Zone vom zweiten Leitungstyp angeordnet ist und daß die dritte Zone auf dem gleichen Potential wie der sourceseitige (emitterseitige) Anschluß der Last liegt.

Ist das Substrat n-dotiert und die Zonen p- dotiert, so liegt die dritte Zone auf negativerem Potential als die erste Zone. Eine günstige Ausgestaltung erhält man, wenn die dritte Zone entweder die erste oder die zweite Zone vollständig umgibt.

In Fig. 1 ist die dritte Zone mit 21 bezeichnet. Sie ist ebenso wie die erste Zone 15 und die zweite Zone 16 p-dotiert und hat vorzugsweise die gleiche Teile wie diese. Sie hat einen Kontakt, der an einem vom Potential der ersten Zone 15 anweichenden Potential liegt. Im Fall der angegebenen Leitfähigkeitstypen ist dieses Potential niedriger als das Potential am Anschluß GND. Zweckmäßigerweise liegt der Kontakt auf dem beim Abschalten auftretenden niedrigsten Potential, ist also mit dem Knoten 7 verbunden.

Wird der MOSFET 1 von seinem leitenden Zustand in den gesperrten Zustand umgeschaltet, so bildet sich nunmehr der parasitäre Transistor zwischen der ersten Zone 15 und der dritten Zone 21 aus. Er ist mit 23 bezeichnet. Eine mit dem Einschalten des parasitären Transistors 23 einhergehende Potentialänderung der Zone 21 ist für die Funktion der inte grierten Halbleiteranordnung ohne Bedeutung, da das Potential der Zone 16 nicht geändert wird. Damit bleibt der Funktions block 6 voll funktionsfähig.

Es kann ausreichen, wenn die dritte Zone 21 gleich lang wie die Zonen 15 und 16 oder etwas länger ist. Sicher wird die Ausbildung des parasitären Bipolartransistors 22 dann verhin dert, wenn die dritte Zone 21 die zweite Zone 16 ringförmig umgibt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die dritte Zone 21 die erste Zone 15 ringförmig umgibt.

In der Fig. 1 wurde der Einfachheit halber angenommen, daß die Funktionsblöcke 5 und 6 aus jeweils nur einer einzigen Zone 15 bzw. 16 bestehen. In komplexen Strukturen enthalten diese Funktionsblöcke selbstverständlich mehrere solcher Zonen mit einer Vielzahl von darin integrierten Halbleiter bauelementen.

Claims

1. Integriertes Leistungs-Halbleiterbauelement mit einem Substrat vom ersten Leitungstyp, mit mindestens einer in das Substrat eingebetteten ersten Zone vom zweiten Leitungstyp und mit mindestens einer in das Substrat eingebetteten zweiten Zone vom zweiten Leitungstyp, mit einem Substratkontakt zur Zuführung einer Versorgungsspannung und mit in der ersten und der zweiten Zone eingebetteten kontaktierten Halbleiterbauelementen, wobei mindestens ein Teil der Halbleiterbauelemente der ersten Zone mindestens einen Teil der Halbleiterbauelemente der zweiten Zone steuert, und mit einem Leistungs-MOSFET, der von den Halbleiterbauelementen der zweiten Zone gesteuert wird, und mit einer sourceseitigen, induktiven oder kapazitiven Last, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten (15) und der zweiten Zone (16) eine dritte Zone (21) vom zweiten Leitungstyp angeordnet ist, und daß die dritte Zone auf dem gleichen Potential wie der sourceseitige (emitterseitige) Anschluß der Last liegt.

2. Integriertes Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) n-dotiert ist und die Zonen (15, 16, 21) p-dotiert sind und daß die dritte Zone (21) auf negativerem Potential liegt als die erste Zone (15).

3. Integriertes Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (21) die zweite Zone (16) vollständig umgibt.

4. Integriertes Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone (21) die erste Zone (15) vollständig umgibt.