DE69207410T2

DE69207410T2 - Monolithisch integrierte Brückenschaltung mit Transistoren und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69207410T2
Application number: DE69207410T
Authority: DE
Inventors: Sergio Palara; Raffaele Zambrano
Original assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Current assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2012-09-19
Also published as: DE69207410D1; US5464993A; US5622876A; EP0587968A1; EP0587968B1

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Transistorbrückenschaltung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine Brückenschaltung, die aus Leistungstransistoren besteht, die bei hoher Spannung von mehr als 250 Volt betrieben werden, wenngleich die nachfolgende Beschreibung lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung auf einen Anwendungsfall dieser Art bezug nimmt.
Bekanntlich werden Brückenschaltungen im großen Umfang für eine große Anzahl von Anwendungen eingesetzt, weil sie die Fähigkeit besitzen, einer elektrischen Last zugeführte Ströme auszugleichen.
Für derart spezielle Anwendungsfälle wurden in der Vergangenheit integrierte Schaltungen vorgeschlagen, sowohl solche mit Bipolartransistoren als auch solche mit Feldeffekttransistoren, jeweils in Halbbrückenkonfiguration.
Eine Schaltung dieses Typs ist z.B. in dem italienischen Patent IT 1204522 des Anmelders beschrieben.
Eine weitere bekannte technische Lösung ist in der europäischen Patent anmeldung Nr.91830513.7 (EP-A-0 544 048) beschrieben, die sich auf eine Brückenschaltung des integrierten Typs bezieht, die zur Optimierung von Leistungsverlusten ausgelegt ist.
Die vorerwähnte Vorgehensweise hat sich aufgrund ihrer hohen Umwandlungseffizienz und ihrer Fähigkeit, bei hohen Strömen zu arbeiten, als vorteilhaft erwiesen, ermöglicht jedoch nicht die Integration sämtlicher Leistungsbauelemente auf einem einzigen Chip.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde im Stand der Technik eine Lösung vorgeschlagen, die in dem Artikel von Miyazaki et al. mit dem Titel "A Novel High Voltage Three-Phase Monolithic Inverter IC with Two Current Levels Sensing", 3. Internationales Symposium für Power Semiconductor Devices and ICs, veröffentlicht am 22. April 1991, offenbart ist.
Der Artikel von Miyazaki bezieht sich auf eine monolithisch integrierte Transistorbrückenschaltung mit Eignung flir Leistungs-Anwendung und umfaßt sechs laterale IGBTs, deren Emitter und Kollektoren zusammengeschaltet sind und sich auf der Oberfläche befinden. Eine weitere Lösung ist in der japanischen Patentanmeldung 30 70 477 offenbart, die sich auf eine Treiber-Stroinversorgungsschaltung fur Halbleiterbauelemente mit isoliertem Gate (IGBT) bezieht.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Transistorbrückenschaltung, die derartige strukturelle und funktionelle Merkmale aufweist, daß sie sich für die monolithische Integration von Hochspannungs elementen eignet, während die Strombegrenzungen der herkömmlichen Ausfuhrungsformen überwunden werden.
Die technische Aufgabe betrifft außerdem den Herstellungsprozeß der Brückenschaltung.
Die Lösungsidee, auf der die vorliegende Erfindung beruht, ist der Einbau von starken stromführenden IGBT-Bauelementen in die integrierte Schaltung.
Basierend auf dieser Lösungsidee wird das technische Problem gelöst durch eine Brückenschaltung der eingangs genannten Art, wie sie durch den Anspruch 1 definiert ist.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Herstellungsverfahren dieser Brückenschaltung gemäß Anspruch 8.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsforrn der Erfindung, die ohne Beschrähkung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brückenschaltung;
Figur 2 schematisch und in vergrößertem Maßstab eine Vertikalschnittansicht durch die Struktur eines monolithischen Halbleiterbauelements, mit der erfindungsgemäßen Brückenschaltung;
Figur 3 eine schematische Detailansicht einer modifizierten Ausführungsform des in Figur 2 gezeigten Bauelements, und
Figur 4 schematisch eine beispielhafte Anwendung der in Figur 3 gezeigten Variante.
Bezugnehmend auf die Zeichnungsfiguren, ist bei 1 allgemein und schematisch eine Brückenschaltung als Ausfuhrungsform der Erfindung in gemischt bipolarer/MOS-Technologie dargestellt, die monolithisch auf einem halbleitenden Silizium-Wafer integriert ist.
Die Schaltung 1 enthält zwei einander gegenüberliegende Eingangsknoten A und B sowie zwei einander gegenüberliegende Ausgangsknoten C und 5. Zwischen den ersten Ausgangsknoten C und jedem der Eingangsknoten A und B ist ein entsprechender Bipolartransistor T1 und T2 geschaltet.
In ähnlicher Weise ist zwischen den zweiten Ausgangsknoten S und jeden der Eingangsknoten A und B ein entsprechendes elektronisches Leistungsbauelement M1, M2 geschaltet. Genauer gesagt, handelt es sich bei jedem Bauelement M1, M2 um eine Bipolartransistor mit isoliertem Gate, überlicherweise mit der Abkürzung IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) bezeichnet, aufgebaut in MOS-Technologie.
Die jeweiligen Gateanschlüsse dieser IGBT-Transistoren M1 und M2 sind mit den Bezugszeichen G1 und G2 bezeichnet, während die Basisanschlüsse der Bipolartransistoren T1 und T2 mit den Bezugszeichen B1 bzw. B2 versehen sind.
Der obere Abschnitt der Brücke 1, bestehend aus den Bipolartransistoren T1 und T2, ist mit dem unteren Abschnitt, bestehend aus den IGBT- Bauelementen M1 und M2, über jeweilige Verbindungen der Emitter E1, E2 des ersten Transistorpaares mit den Drainanschlüssen D1, D2 des zweiten Paares verbunden.
Die Kollektoren C1, C2 des ersten Transistorpaares T1, T2 sind zu dem ersten Ausgangsknoten C verbunden.
Die Source-Anschlüsse S1, S2 des zweiten Transistorpaares M1, M2 sind zu dem zweiten Ausgangsknoten S zusammengeschaltet. Unter spezieller Bezugnahme auf das in Figur 2 gezeigte Beispiel sind dort die Einzelheiten der monolithischen Struktur dieser Schaltung 1 dargestellt, wie sie sich durch den erfindungsgemäßen Fertigungsprozeß ergeben.
Über dem Haibleiterwafer befindet sich ein monokristallines Siliziumsub strat 3, welches N+-dotiert ist, und darauf eine N--leitende epitaktische Schicht 4.
Innerhalb dieser epitaktischen Schicht 4 ist eine P-dotierte Trenn-Wanne 5 ausgebildet, die die IGBT-Transistoren M1 und M2 aufnimmt und hält.
Um diese Transistoren M1, M2 zu bilden, ist die Wanne 5 mit zwei diskreten epitaktischen Zonen 6 und 7 versehen, die N--dotiert sind. In jeder dieser Zonen 6 und 7 sind zwei diskrete P+-Bereiche eindifundiert. Diese Bereiche sind mit 8 und 9 für den Transistor M1 und mit 18 und 19 für den Transistor M2 bezeichnet.
Die Bereiche 8 und 18 bilden die sogenannten tiefen Körper der beiden Transistoren M1 und M2, während die Bereiche 9 und 19 die jeweiligen aktiven Drain-Bereiche jedes der Transistoren M1 und M2 sind. Zu den Bereichen 8 und 18 gehören auch die entsprechenden P--dotierten Körper.
Durch Difussion sind innerhalb jedes der zwei Körper 8 und 18 zusätzliche diskrete N-dotierte Zonen ausgebildet.
Diese Zonen repräsentieren die aktiven Source-Bereiche der IGBT-Bauelemente. Bei 10 sind zwei Sources des Transistors M1 und bei 20 zwei Sources des Transistors M2 angedeutet.
Zwischen jedem betreffenden Source-Bereich 10, 20 und Drain-Bereich 9, 19 ist der Gateanschluß G1, G2 des zugehörigen Transistors in einer an sich bekannten Weise ausgebildet. Durch Schaffung von zwei aktiven Sourcebereichen in jedem Körper 8, 18 läßt sich der Umfang der Kanalzone verdoppeln.
Tatsächlich sind die Anschlüsse G1a und G2a vorgesehen, die mit dem jeweiligen Gate G1, G2 parallel geschaltet sind.
Jeder der Gateanschlüsse G1, G1a, G2, G2a wird durch eine Schicht 13 aus polykristallinem Silizium gebildet, die über einer isolierenden Oxidschicht 12 liegt.
Außerdem ist eine Kurzschlußverbindung zwischen den Source-Zonen 10 und 20 und dem entsprechenden Körper 8, 18 des zugehörigen Tran sistors vorgesehen.
Wie in Figur 2 gezeigt ist, verbindet eine Metallisierungsschicht 27 die Körper-/Source-Verbindungen und die Wanne 5, um dann zu dem Ausgangsknoten 8 zu verlaufen. Es sollte gesehen werden, daß mit dem soeben beschriebenen und dargestellten Aufbau zwei lateral leitende IGBT-Bauelemente M1 und M2 mit der Besonderheit vorgesehen sind, daß ihre Drain-Anschlüsse 9 und 19 an der Haibleiteroberfläche liegen. Vervollständigt wird dieser Aufbau der Schaltung 1 durch die Schaffung der Bipolartransistoren T1, T2 an den Seiten der Wanne 5, die die IGBT-Bauelemente einschließt und abtrennt.
Die Transistoren T1 und T2 sind in einer an sich bekannten Weise mit Hilfe eines herkömmlichen Verfahrens ausgebildet.
Die Transistoren T1 und T2 werden jeweils aus einer P-dotierten Basis 225 gebildet, in der eine entsprechende, N+-dotierte Emitterzone E1 oder E2 eindifundiert ist.
In vorteilhafter Weise ist jeder Emitter E1, E2 über eine Metallisierung 26 an den entsprechenden Drainanschlüssen 9, 19 des IGBT-Transistors angeschlossen, wie ebenfalls in dem Diagramm der Figur 1 dargestellt ist. Im Interesse einer baulichen Vereinfachung wird hier eine modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung in etwas vergrößertem Maßstab in Figur 3 dargestellt, wobei eine einzige Körperzone 16 gemeinsam mit einer Trenn-Wanne 15 vorhanden ist.
Es sollte beachtet werden, daß bei der Ausfuhrungsform nach Figur 3 Elemente mit gleichem Aufbau und gleicher Betriebsweise wie bei dem zuvor beschriebenen Ausfrhrungsbeispiel mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
Ein einzige Trenn-Wanne 15 nimmt sowohl den ersten als auch den zweiten IGBT-Transistor auf.
Innerhalb der Wanne 15 sind zwei epitaktische Zonen 6 und 7 ausgebildet. Der Drain 19 des ersten Transistors M1 ist durch die erste Zone 6 hindurch eindifundiert, während die zweite Zone 7 den Drain 19 des zweiten Transistors M2 aufnimmt.
Die einzige difundierte Körperzone 16 wird andererseits von den zwei Transistoren gemeinsam benutzt und ist mit der Wanne 15 über eine Zone 30 (Figur 3) verbunden, die von den epitaktischen Zonen 6 und 7 begrenzt wird.
Innerhalb der zuvor erwähnten Körperzone 16 befinden sich die Sources 10 und 20, jeweils an der Seite des entsprechenden Transistors M1 bzw. M3.
Die Gateanschlüsse G1 und G2 sind konventionell zwischen den jeweiligen Drain- und Source-Anschlüssen 9-10 und 19-20 jedes Transistors M1, M2 ausgebildet. Diese zweite Ausfuhrungsform bietet integrierte IGBT-Transistoren mit räumlich kompakter Ausbildung und minimiert damit die Siliziumfläche, die von der integrierten Schaltung belegt wird.
Da die IGBT-Transistoren hohe Ströme leiten sollen, kann der unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebene Aufbau in vorteilhafter Weise verdoppelt werden, um mehrere Transistoren eines Typs parallel zu schalten.
In Figur 4 ist eine Ausfuhrungsform dargestellt, bei der jeder Transistor M1 oder M2 dadurch hergestellt ist, daß zwei der Halbleiterbauelemente gemäß Figur 3 zueinander parallel geschaltet sind.
Zusammengefaßt, die P+-dotierten Drainzonen 9 und 19 und die Sourcezonen 10 und 12 sind in passender Weise zusammengeschaltet.
Darüber hinaus ist der Grundaufbau derart verdoppelt, daß jeder der Transistoren M1 und M2 sich aus zwei zueinander parallel geschalteten IGBT-Transistoren zusammensetzt. Zu diesem Zweck kann eine doppelte Metallisierungsebene gemäß Figur 4 verwendet werden.
Um die Verfahrensschritte zusammenzufassen, die durch die Brückenschaltung gemäß der Erfindung realisiert werden, werden die wesentlichen Schritte des Fertigungsverfahrens im folgenden nacheinander aufgelistet.
Im Anschluß an das Wachsen der epitaktischen Schicht über dem Substrat 3 beinhaltet der Prozeßablauf die Ausbildung der vergrabenen, P- dotierten Schicht, die die Wanne 5 bilden soll, und der Basiszonen 25 für die Bipolartransistoren T1, T2.
Anschließend werden die N+-dotierten vergrabenen Schichten für die Emitter E1 und E2 ausgebildet, gefolgt von dem Wachstum einer zweiten epitaktischen Schicht 31 und der Ausbildung von Trennzonen 32 innerhalb dieser epitaktischen Schicht 31, wobei die Trennzonen die Abschnitte 6 und 7 der epitiktischen Schicht 31 begrenzen.
In diesem Stadium wird eine Reihe von Operationen zur Oxidaufbringung, phototechnischen Operationen und chemischen Ätzvorgängen durchgeführt, um die tiefen Körperbereiche 8 und 18 sowie die von dem Feldoxid umgrenzten aktiven Drainzonen 9, 19 zu definieren.
Dann wird der Halbleiter mit einer Schicht 12 aus polykristallinem Silizium abgedeckt, in denen Löcher gebildet werden, um die N+ -dotierten aktiven Sourcezonen 10 und 20 zu erhalten.
Anschließend werden die P--dotieren Körperzonen definiert.
Konventionelle Abschlußschritte der Kontaktöffnung, Metallisierung und Passivierung vervollständigen den Fertigungsablauf.
Die erfindungsgemäße Brückenschaltung löst bei sämtlichen Ausführungen die technische Aufgabe und erreicht eine Anzahl von Vorteilen, von denen derjenige hervorzuheben ist, daß ein starker Strom zu der Last fließen kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß weniger integrierte Schaltungsfläche belegt wird und folglich Einsparungen beim Layout möglich sind.
Ferner sei angemerkt, daß die durch die Erfindung geschaffene Lösung wirksam bei hohen Spannungen sogar oberhalb von 250 Volt und immer noch stabilem Betrieb arbeiten kann.

Claims

1. Monolithisch integrierte Transistorbrückenschaltung mit Eignung für Leistungs-Anwendungsfälle, umfassend ein erster Bipolartransistorpaar (T1, T2) mit gemeinsamen Kollektoren (C1, C2) in einer epitaktischen Haibleiterschicht (4) und einem darunterliegenden Halbleitersubstrat (3), und ein zweites Transistorpaar (M1, M2) vom IGBT-Typ, die seitlich leiten, wobei das zweite IGBT-Transistorpaar (M1, M2) mit den jeweiligen Source-Anschlüssen (51 52) zusammengeschaltet ist und die jeweihgen Drain-Anschlüsse (D1, D2) an die entsprechenden Emitter (E1, E2) des ersten, Bipolartransistorpaars (T1, T2) angeschlossen sind, wobei das zweite, IGBT-Transisterpaar (M1, M2) in einer einzigen Trenn- Wanne (5) innerhalb der epitaktischen Schicht (4) gebildet ist, wobei die Wanne epitaktische Zonen (6, 7) enthält, in denen die aktiven Drain(9,19) und Source-(10, 20) Zonen jedes Transistors (M1, M2) ausgebildet sind, wobei die Drainzonen (9, 19) des zweiten Transistorpaars auf der Halbleiteroberfläche der epitaktischen Zonen ausgebildet sind.

2. Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Zonen (10, 20) jedes Transistors (M1, M2) in einer entsprechenden einzelnen Körperzone (8, 18) enthalten sind.

3. Brückenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Zonen (10, 20) und entsprechende Körpey-Zonen (8, 18) miteinander kurzgeschlossen sind.

4. Brückenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzelne, diffundierte Körperzone (16) enthält, welche die Source- Zonen (10, 20) enthält, wobei die Körperzone an die Trenn-Wanne angeschlossen ist.

5. Brückenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Körperzone (16) an die Wanne über eine Zone (30) angeschlossen ist, die von den epitaktischen Zonen (6, 7) begrenzt wird.

6. Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolartransistoren (T1, T2) des ersten Paares in der epitaktischen Halbleiterschicht ausgebildet und seitlich von der Trenn-Wanne (5) beabstandet sind.

7. Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein weiteres Paar von IGBT-Transistoren aufweist, die innerhalb einer Trenn-Wanne (15) ausgebildet sind, wobei ein IGBT des weiteren Paares zu einem IGBT des zweiten Paares parallel geschaltet ist, und wobei der andere IGBT des weiteren Paares parallel zu dem anderen IGBT des zweiten Paares geschaltet ist.

8. Verfahren zum Fertigen einer monolithisch integrierten Transistorbrückenschaltung nach Anspruch 1, umfassend den Schritt des Wachsenlassens einer ersten epitaktischen Schicht (4) über einem Halbleitersub strat (3), des Ausbildens einer Trennwanne (5), die in der Lage ist, mindestens ein Paar von IGBT-Transistoren (M1, M2) aufzunehmen, wobei die Wanne (5) dadurch erhalten wird, daß eine vergrabene Schicht eines ersten Dotierstoffstyps gebildet und anschließend die jeweiligen epitaktischen Abschnitte (6, 7) mit einem entgegengesetzten Dotierstoff typ zum Wachsen gebracht werden, jeweils in der Lage, einen der Transistoren (M1, M2) des IGBT-Paares aufzunehmen, wobei Trennzonen (32) definiert werden, um die epitaktischen Abschnitte (6, 7) zu begrenzen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es einen anschließenden Schritt des Diffundierens einer einzelnen Körperzone (16) beinhaltet, die sich zu der Trennwanne (15) erstreckt.