DE68907368T2 - Integrierte Schaltung mit komplementären MOS-Transistoren. - Google Patents
Integrierte Schaltung mit komplementären MOS-Transistoren.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem Paar in einer auf einem hochdotierten Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps angebrachten Epitaxieschicht gebildeter, komplementärer Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, wobei die Epitaxieschicht vom ersten Leitungstyp ist und weniger hoch dotiert ist als das Substrat und ein erstes Gebiet des zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps vollständig in der Epitaxieschicht gebildet ist und an deren freie Oberfläche grenzt, wobei Source- und Drain-Zonen des ersten Leitungstyps eines ersten Isolierschicht- Feldeffekttransistors innerhalb des ersten Gebietes vorgesehen sind und Source- und Drain-Zonen des zweiten Leitungstyps eines zweiten isolierschicht-Feldeffekttransistors neben dem ersten Gebiet vorgesehen sind, wobei dessen Source-Zone zwischen der Drain-Zone und dem ersten Gebiet liegt während ein zweites Gebiet des zweiten Leitungstyps unterhalb der Source-Zone des zweiten Isolierschicht-Feldeffekttransistors vorgesehen ist.
- Eine Halbleiteranordnung der oben beschriebenen Art ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 138 162 bekannt.
- Integrierte monolithische Schaltungen mit komplementären Isolierschicht- Feldeffekttransistoren, im allgemeinen als CMOS-Schaltungen bezeichnet, werden häufig und für zahlreiche Anwendungen eingesetzt.
- Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei Vorhandensein einer induktiven Last, können ein oder mehrere in der Halbleiterstruktur enthaltene und unter normalen Betriebsbedingungen in Spernchtung geschaltete pn-Übergänge in Durchlaßrichtung geschaltet werden und Strom führen. Dieses führt zu Dissipation und in manchen Fallen, insbesondere bei Schaltungen mit hoher Packungsdichte zu "Latch-Up", d.h. einer Zundung parasitarer pnpn-("Thyristor"-)Strukturen, die anschließend nicht mehr oder nur unter Schwiengkeiten ausgeschaltet werden konnen, was selbst zu nicht zu behebenden Schäden der Schaltungsanordnung führen kann.
- Man kann versuchen, diese Ettekte zu vermeiden, indem man die verschiedenen Halbleiterzonen weiter voneinander entfernt anordnet und auf diese Weise den Widerstand der verschiedenen Strompfade erhöht und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines parasitären Thyristoreffekts verkleinert. Der Vorteil einer hohen Pakkungsdichte geht dann jedoch verloren.
- In den "Patent Abstracts of Japan", Bd. 8, Nr. 155 (E-256) [1592] 19. Juli 1984, S. 7E256; und JP-A-5956757 wird eine integflerte Schaltung behandelt, bei der "Latch-Up" durch Anbringen einer Schutzzone vom p-Typ um einen in einem p-Well gebildeten n-Kanal-MOS-Transistor vermieden wird.
- Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 138 162 beschreibt eine Halbleiteranordnung mit komplementären Feldeffekttransistoren, bei der zur Verhinderung des "Latch-Up"-Effekts unter der gesamten CMOS-Struktur ein hochdotiertes schichtartiges vergrabenes Gitter vorgesehen ist, das mit dem "ersten" Gebiet in Kontakt steht und vom gleichen Leitungstyp wie dieses Gebiet ist.
- Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für das beschriebene Problem zu liefern, bei der keine zusätzlichen Masken- und Dotierschritte notwendig sind und wobei für eine wirksame Abfuhr der den "Latch-Up"-Effekt verursachenden Ladungsträger gesorgt wird.
- Erfindungsgemäß ist eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gebiet nahezu die gleiche Dotierung und Tiefe wie das erste Gebiet hat und mit der Source-Zone des zweiten Feldeffekttransistors elektrisch verbunden ist.
- Die Ladungsträger, die von der Drain-Zone des zweiten Transistors in die Epitaxieschicht und in Richtung der ersten Zone injiziert werden, wenn diese Drain- Zone, beispielsweise unter Einfluß einer induktiven Last, kurzzeitig in Durchlaßrichtung geschaltet wird, werden von dem zweiten Gebiet dissipationsfrei gesammelt, wobei das zweite Gebiet außerdem Injektion in eventuelle andere in der Schaltung vorhandene "erste" Gebiete abschirmt. Auch die "Latch-Up"-Gefahr wird somit beseitigt oder zumindest stark verringert.
- Die erfindungsgemäße Maßnahme kann im allgemeinen ohne zusätzliche Masken- und Dotierschritte realisiert werden.
- Die elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Gebiet und der Source- Zone des zweiten Transistors kann in unterschiedlicher Weise hergestellt werden. Entsprechend einer wichtigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzt die Source-Zone des zweiten Feldeffekttransistors an das zweite Gebiet und ist mit Öffnungen versehen, innerhalb derer sich die Epitaxieschicht bis zur Oberfläche erstreckt, wobei eine leitende Schicht an der Oberfläche sowohl an die (mit dem zweiten Gebiet verbundene) Source-Zone als auch die Epitaxieschicht grenzt.
- Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, daß unter dem zweiten Gebiet zwischen der Epitaxieschicht und dem Substrat eine hochdotierte vergrabene Schicht des zweiten Leitungstyps vorhanden ist, die das zweite Gebiet berührt. Dadurch wird eine noch wirksamere Sammlung der parasitären Ladungsträger erhalten, aber auf Kosten eines zusätzlichen Masken- und Dotierschritts.
- Besonders wichtig ist die Erfindung in Brückenschaltungen, beispielsweise zum Ansteuern kleiner Elektromotoren, die eine induktive Last der Brückenschaltung bilden und demzufolge häufig Spannungsspitzen hervorrufen, die die beschriebenen "Latch-Up"-Erscheinungen einleiten. Die Erfindung betrifft auch eine Halbleiteranordnung mit zwei Paaren komplementärer Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, die eine zwischen zwei Versorgungsleitungen geschaltete Brückenschaltung bilden, wobei der dritte und der vierte Feldeffekttransistor die gleiche Struktur haben wie der erste bzw. zweite Isolierschicht-Feldeffekttran sistor, während unter der Source-Zone des vierten Transistors außerdem ein mit dieser Source-Zone verbundenes zweites Gebiet liegt, wobei die Source-Zonen des ersten und des dritten Transistors mit der einen Versorgungsleitung und die Source-Zonen des zweiten und des vierten Transistors mit der anderen Versorgungsleitung verbunden sind und die miteinander verbundenen Drain- Elektroden des ersten und des vierten Transistors die eine Ausgangsklemme und die miteinander verbundenen Drain-Elektroden des zweiten und des dritten Transistors die andere Ausgangsklemme der Brückenschaltung bilden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1 das Schaltbild einer integrierten CMOS-Brückenschaltung zum Ansteuern einer induktiven Last,
- Figur 2 schematisch und im Querschnitt zwei komplementäre Feldeffekttransistoren T1 und T4 der in Figur 1 gezeigten Schaltung für eine bekannte integrierte CMOS-Brückenschaltung,
- Figur 3 schematisch und im Querschnitt die Struktur der komplementären Feldeffekttransistoren T1 und T4 in einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,
- Figur 4 schematisch und in Draufsicht eine Einzelheit der in Figur 3 gezeigten komplementären Feldeffekttransistoren,
- Figur 5 schematisch einen Querschnitt von Figur 4 entlang der Linie V-V,
- Figur 6 schematisch einen Querschnitt von Figur 4 entlang der Linie VI- VI und
- Figur 7 schematisch einen Querschnitt einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
- Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu, wobei insbesondere die Maße in Richtung der Dicke stark übertrieben sind. Entsprechende Teile haben im allgemeinen gleiche Bezugszeichen, und Halbleitergebiete des gleichen Leitungstyps sind im allgemeiner in gleicher Richtung schraffiert.
- Figur 1 zeigt das Schaltbild einer CMOS-Brückenschaltung mit zwei p- Kanal-MOS-Transistoren T1 und T3 und zwei n-Kanal-MOS-Transistoren T2 und T4.
- Eine solche Brückenschaltung wird beispielsweise zum Ansteuern kleiner Elektromotoren, hier schematisch als "induktive" Last M angedeutet, verwendet. Die Source-Zonen der p-Kanal-Transistoren T1 und T3 sind mit der einen, positiven Versorgungsleitung V+ und die Source-Zonen der n-Kanal-Transistoren T2 und T4 sind mit der anderen, negativen Versorgungsleitung V- verbunden. Uber Steuerspannungen an den Gate-Elektroden Gl bis G4 werden jedesmal zwei der Transistoren in den Leitungszustand gebracht. Beispielsweise können erst die Transistoren T1 und T4 und dann die Transistoren T2 und T3 in den Leitungszustand gebracht werden.
- Beim Umschalten, wenn die Transistoren T2 und T3 vom Leitungszustand in den Sperrzustand und die Transistoren T1 und T4 vom Sperrzustand in den Leitungszustand übergehen, kann es vorkommen, daß, je nach der Ausgangskapazität, wegen einer von der induktiven Last verursachten Spannungsspitze der Ausgang U&sub1; kurzzeitig auf einem höheren Potential liegt als die Versorgungsleitung V+ und der Ausgang U&sub2; auf einem niedrigeren Potential als die Versorgungsleitung V-.
- Bei einer herkömmlichen Integration, wie schematisch in Figur 2 dargestellt, können dann "Latch-Up" und Dissipation auftreten, da die Dioden D1 und D4 ieitend werden, was im weiteren noch ausführlicher erläutert werden soll.
- Der Querschnitt von Figur 2 zeigt komplementäre Isolierschicht-Feldeffekttransistoren T1 und T4 einer solchen herkömmlichen Brückenschaltung. Diese Transistoren sind in einem Halbleiterkörper 1 angebracht, der ein hochdotiertes Substrat 2 eines ersten Leitungstyps enthält, in diesem Falle beispielsweise ein n-Siliciumsubstrat. Auf dem Substrat 2 ist eine schwächer dotierte Epitaxieschicht 4 des gleichen n-Leitungstyps aufgebracht, die an eine Fläche 3 des Körpers grenzt. Außerdem gibt es ein erstes Gebiet 5 des zweiten entgegengesetzten Leitungstyps (in diesem Fall p), das ebenfalls an die Fläche 3 grenzt und in dem Halbleiterkörper vollständig von der Epitaxieschicht 4 umgeben wird.
- In dem ersten Gebiet 5 sind Source- und Drain-Zonen (6,7) des (n-)Leitungstyps eines ersten Feldeffekttransistors oder MOS-Transistors T4 mit isolierendem Gate 8 vorgesehen. Neben dem ersten Gebiet 5 sind Source- und Drain-Zonen (9,10) des zweiten (p-)Leitungstyps eines zweiten MOS-Feldeffekttransistors T1 mit isolierendem Gate 11 vorgesehen, dessen Source-Zone 9 zwischen der Drain-Zone 10 und dem ersten Gebiet 5 liegt. Die Transistoren T1 und T4 werden jeweils durch eine versenkte Oxidstruktur 12 begrenzt. Das Gebiet 5 grenzt über eine hochdotierte Kontaktzone 13 des p-Typs an die Source-Zone von T4, und die Schicht 4 ist über eine hochdotierte Kontaktzone 14 des n-Typs mit der Source-Elektrode von T1 verbunden.
- Wenn jetzt (siehe Figur 1) erst die Transistoren T2 und T3 leitend sind und dann Umschalten stattfindet, wobei T2 und T3 in den Sperrzustand übergehen und T1 und T4 ihrerseits leitend werden, kann, je nach der Ausgangskapazität, wegen der induktiven Last M der Ausgang U&sub1; kurzzeitig an eine höhere Spannung als die positive Versorgungsspannung V+ und der Ausgang U&sub2; kurzzeitig an eine niedrigere Spannung als die negative Versorgungsspannung V- angelegt sein. Die von der Drain-Zone 10 und der Schicht 4 gebildete Diode D1 und die von dem Gebiet 5 und der Drain-Zone 7 gebildete Diode D4 werden dann leitend, und es werden Injektionsströme erzeugt, unter anderem ein Löcherstrom aus der Zone 10 in das mit der negativen Versorgungsleitung V- verbundene Gebiet 5 und ein Elektronenstrom aus der Zone 7 über das Gebiet 5 zum Anschluß der positiven Versorgungsleitung V+ auf der Schicht 4 bei der Source-Zone 9 (siehe Figur 2). Wegen dieser parasitären Ströme findet Dissipation statt, während außerdem die von der Drain-Zone 10, der Schicht 4, dem Gebiet 5 und der Drain-Zone 7 gebildete pnpn-Struktur dadurch gezündet werden kann. Danach ist es außerordentlich schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, diese "Latch-Up"-Bedingung wieder zu beseitigen.
- In der vorstehend erwähnten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 138 162 wird als Maßnahme zur Verhinderung von "Latch-Up" vorgeschlagen, ein hochdotiertes vergrabenes Gitter in der Schicht 4 mit demselben Leitungstyp wie Gebiet 5 und grenzend an Gebiet 5 anzubringen.
- Eine befriedigendere Sammlung der parasitären Ladungsträger wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme erhalten, die außerdem im allgemeinen keinen zusätzlichen Masken- und Dotierschritt erfordert.
- Diese Maßnahme besteht darin (siehe Figur 3), daß ein zweites p-Gebiet unter der Source-Zone 9 vorhanden ist, das nahezu die gleiche Dotierung und Tiefe wie das erste Gebiet 5 hat und elektrisch mit der Source-Zone 9 des zweiten Feldeffekttransistors T1 verbunden ist.
- Diese elektrische Verbindung wird in dem vorliegenden Ausfühningsbeispiel dadurch hergestellt, daß die Source-Zone 9 des zweiten Transistors T1 an das zweite Gebiet 20 grenzt, während die Source-Zone 9 außerdem mit Öffnungen 15 versehen ist, innerhalb derer eine die Source-Zone 9 kontaktierende Source-Elektrode 16 elektrisch mit der Epitaxieschicht 4 verbunden ist. Dies wird außer in dem Querschnitt von Figur 3 detailliert in Figur 4 (Draufsicht), in Figur 5 (Querschnitt von Figur 4 entlang der Linie V-V) und in Figur 6 (Querschnitt von Figur 4 entlang der Linie VI-VI) wiedergegeben. Eine andere Möglichkeit ist, den Substratkontakt von TI mittels eines hochdotierten Substrats 2 zu realisieren; in diesem Fall können die Öffnungen 15 und die Zone 14 entfallen.
- Die vorstehend genannten Löcher, die bei einer kurzzeitigen Spannungsspitze (positiv (V++) bei U und negativ (V&supmin;&supmin;) bei U&sub2;) von der Drain-Zone in das Gebiet 5 injiziert werden, werden von dem Gebiet 20 nahezu dissipationsfrei in dem lateralen npn-Transistor (10, 4, 9/20) gesammeit. Außerdem schirmt das Gebiet 20 Löcherinjektion in Richtung anderer benachbarter p-Gebiete 5 ab.
- Infolgedessen wird die Dissipation erheblich verringert, und insbesondere die Gefahr eines Thyristor-Effektes oder "Latch-Up" nimmt stark ab.
- Die Erfindung kann natürlich nicht nur in Brückenschaltungen eingesetzt werden, obwohl sie in diesem Fall von besonderer Bedeutung ist. Die Erfindung kann ganz allgemein in allen monolithischen integrierten Schaltungen vorteilhaft eingesetzt werden, in denen komplementäre Feldeffekttransistoren verwendet werden.
- Die Erfindung kann auch in Strukturen verwendet werden, bei denen alle Leitungstypen gegenüber den vorstehenden Beispielen umgekehrt sind.In diesem Fall sollten auch die Vorzeichen aller Spannungen invertiert werden, während die Löcher durch Elektronen ersetzt werden (und umgekehrt). Im Prinzip können auch andere Halbleitermaterialien als Silicium verwendet werden. Eventuell (siehe Figur 7) kann eine weitere hochdotierte vergrabene Schicht 30 des zweiten (hier aIso p) Leitungstyps unter dem zweiten Gebiet 20 zwischen der Epitaxieschicht 4 und dem Substrat 2 vorgesehen sein, wobei die vergrabene Schicht das Gebiet 20 berührt. Hierdurch wird eine nahezu vollständige Sammlung des parasitären Löcherstroms erhalten. Dies erfordert allerdings einen zusätzlichen Masken- und Dotierschritt. Die Schicht 4 kann über das Substrat 2 kontaktiert werden. Die vergrabene Schicht 30 kann sich unter dem gesamten Transistor bis zum Rand der Siliciumscheibe erstrecken (siehe die gestrichelte Linie in Figur 7). In diesem Fall muß die Schicht 4 bei T1, so wie in Figur 5, an der Oberseite kontaktiert werden. Eine hochdotierte n-Kanalstoppschicht 31 unter dem Oxid 12 ist dann im allgemeinen notwendig.
Claims (4)
1. Halbleiteranordnung mit mindestens einem Paar in einer auf einem
hochdotierten Halbleitersubstrat (2) eines ersten Leitungstyps angebrachten Epitaxieschicht
(4) gebildeter, komplementärer Isolierschichi-Feldeffekttransistoren (T4, T1), wobei die
Epitaxieschicht (4) vom ersten Leitungstyp ist und weniger hoch dotiert ist als das
Substrat (2), und ein erstes Gebiet (5) des zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps
vollständig in der Epitaxieschicht (4) gebildet ist und an deren freie Oberfläche (3) grenzt,
wobei Source- (6) und Drain-Zonen (7) des ersten Leitungstyps eines ersten
Isolierschicht-Feldeffekttransistors (T4) innerhalb des ersten Gebietes (5) vorgesehen sind und
Source- (9) und Drain-Zonen (10) des zweiten Leitungstyps eines zweiten Isolierschicht-
Feldeffekttransistors (T1) neben dem ersten Gebiet (5) vorgesehen sind, wobei dessen
Source-Zone (9) zwischen der Drain-Zone (10) und dem ersten Gebiet (5) liegt,
während ein zweites Gebiet (20) des zweiten Leitungstyps unterhalb der Source-Zone (9)
des zweiten Isolierschicht-Feldeffekttransistors (T1) vorgesehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Gebiet (20) nahezu die gleiche Dotierung und Tiefe wie das
erste Gebiet (5) hat und mit der Source-Zone (9) des zweiten
Isolierschicht-Feldeffekttransistors (T1) elektrisch verbunden ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Source-Zone (9) des zweiten Isolierschicht-Feldeffekttransistors (T1) an das zweite
Gebiet (20) grenzt und mit Öffnungen (15) versehen ist, innerhalb derer eine die
Source-Zone (9) kontaktierende Source-Elektrode (16) elektrisch mit der Epitaxieschicht (4)
verbunden ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine hochdotierte vergrabene Schicht (30) des zweiten Leitungstyps unter dem
zweiten Gebiet (20) zwischen der Epitaxieschicht (4) und dem Substrat (2) vorhanden
ist, wobei die vergrabene Schicht (30) das zweite Gebiet (20) berührt.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit
zwei Paaren (T4, T1; T2 ,T3) komplementärer 1 solierschich t-Feldeffekttransistoren, die
eine zwischen zwei Versorgungsleitungen geschaltete Brückenschaltung bilden, wobei
der dritte (T2) und der vierte (T3) Feldeffekttransistor die gleiche Struktur haben wie
der erste (T4) bzw. zweite (T1) Isolierschicht-Feldeffekttransistor, während unter der
Source-Zone des vierten Transistors (T3) außerdem ein mit dieser Source-Zone
verbundenes Gebiet liegt, wobei die Source-Zonen des ersten (T4) und des dritten (T2)
Transistors mit der einen Versorgungsleitung und die Source-Zonen des zweiten (T1)
und des vierten (T3) Transistors mit der anderen Versorgungsleitung verbunden sind
und die miteinander verbundenen Drain-Elektroden des ersten (T4) und des vierten (T3)
Transistors die eine Ausgangsklemme und die miteinander verbundenen
Drain-Elektroden des zweiten (T1) und des dritten (T2) Transistors die andere Ausgangsklemme
der Brückenschaltung bilden.
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