DE69728937T2 - Monolithische Halbleiteranordnung zur Verbindung eines Hochspannungsbauteils und logischer Bauteile - Google Patents

Monolithische Halbleiteranordnung zur Verbindung eines Hochspannungsbauteils und logischer Bauteile Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Realisierung zumindest einer Hochspannungskomponente und von logischen Schaltkreisen in monolithischer Form.
  • Hochspannungskomponenten, so z. B. Thyristoren, die Spannungen über 600 V blockieren können, werden allgemein in Halbleiterscheiben realisiert, wobei eine der wirksamen Schichten der Komponente der Dicke der Scheibe entspricht. Im Folgenden wird insbesondere Interesse gelegt auf Technologien, in denen die rückwärtige Seite der Komponente insgesamt mit einer Metallisierung bedeckt ist, die in direktem Kontakt mit dem Halbleiter steht.
  • 1 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer monolithitischen Struktur mit einer Hochspannungskomponente und mit logischen Schaltkreisen.
  • Diese Struktur ist in einer Halbleiterscheibe 1 z. B. vom Leitungstyp N realisiert. In dem rechten Teil 3 der Scheibe ist ein vertikaler Thyristor dargestellt. Benachbart zu der Rückseite des Substrates 1 ist ein Bereich 2 vom Leitungstyp P und benachbart zu der Vorderseite ein Trog 4 vom Leitungstyp P ausgebildet, in dem ein Bereich 5 vom Typ N gelegen ist. Eine Anodenmetallisierung M1 ist fest mit der Rückseite verbunden. Eine Kathodenmetallisierung M2 bedeckt den Bereich 5. Eine Metallisierung M3 bedeckt einen Teil des Bereiches 4 vom Typ P und bildet das Kathodengate G des Thyristors. Dieser vertikale Transistor ist von der übrigen monolithischen Struktur durch einen Isolationswall 6 vom Typ P isoliert, der generell zu Beginn des Herstellungsprozesses durch tiefe Diffusionen gebil det wird, die von der Oberseite und der Unterseite der Scheibe ausgehen. Mit dem Bezugszeichen 7 sind Bereiche des Types N+ dargestellt, die in klassischer Art als Kanalende dienen. Nach der linken Seite des Substrates, die von dem Thyristor durch den Wall 6 isoliert ist, können verschiedene logische Komponenten in einem Trog 8 vom Typ P gebildet werden. Da die Rückseite des Substrates 1 von Typ N mit der Metallisierung M1 bedeckt ist, kann sie auf dem höchsten Potential gehalten werden, das an diese Metallisierung angelegt ist, z. B. auf einem Potential der Größenordnung 1000V. Dieses bedingt zahlreiche Anforderungen an die Isolierung zwischen den in dem Trog 8 ausgebildeten Komponenten und macht die Ausbildung von Komponenten direkt in der Oberfläche des Substrates 1 sehr schwierig.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen versucht worden, um diese Situation zu verbessern, und insbesondere den Trog 8 in zufrieden stellender Weise zu polarisieren, damit dieser ausreichend isoliert von der Hochspannung verbleibt.
  • Eine Lösung gemäß dem Stand der Technik, um dieses Isolationsproblem des logischen Schaltungsbereiches zu überwinden, liegt darin, den Boden der Scheibe in Bezug zu dem logischen Bereich mit einer Isolationsschicht zu bedecken, auf der die Metallisierung M1 anschließend aufgebracht wird. Diese Technik liefert exzellente Resultate, kann jedoch bei der Herstellung sehr komplex und mit gewissen Verdrahtungstechnologien inkompatibel werden.
  • Das Dokument JP-A-55154764 beschreibt eine monolithische Komponente in einer Halbleiterscheibe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine monolithische Struktur anzugeben, in der eine Hochspannungskomponente und logische Schaltkreise inkorporiert sind, wobei die Anforderungen an die Isolierung der logischen Schaltkreise reduziert sind.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche monolithische Struktur anzugeben, bei der der logische Schaltkreis eine vertikale Komponente aufweist, dessen Anschluss an der Rückseite dem Steueranschluss einer integrierten Hochspannungskomponente entspricht.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche monolithische Struktur anzugeben, die einfach mit herkömmlichen Techniken herstellbar ist.
  • Um diese Aufgaben zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine monolithische Komponente gemäß den Ansprüchen vor.
  • Diese und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen anhand der anliegenden Zeichnung näher beschrieben, ohne dass hierfür eine Beschränkung gilt. In der Zeichnung stellen dar:
  • 1 eine monolithische Struktur, in die eine Hochspannungskomponente und logische Schaltkreise gemäß dem Stand der Technik integriert sind;
  • 2 eine monolithische Struktur, teilweise in Blockdarstellung, in der eine Hochspannungskomponente und logische Schaltkreise gemäß der vorliegenden Erfindung inkorporiert sind;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 einen Schaltkreis, von dem ein Teil durch die Komponente gemäß der 3 in Funktion gesetzt wird; und
  • 5 und 6 Varianten von monolithischen Strukturen, teilweise in Blockdarstellung, in denen eine Hochspannungskomponente und logische Schaltkreise gemäß der vorliegenden Erfindung inkorporiert sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Hochspannungskomponente vom Lateraltyp verwendet. Dementsprechend befindet sich die Rückseite der Struktur auf einem niedrigen Potential, das dem Potential der Steuerelektrode dieser Komponente entspricht, und die Isolationsanforderungen für die logischen Schaltkreise nicht auftreten. Diese Lösung überwindet ein Vorurteil, nach dem dann, wenn man eine Hochspannungskomponente erhalten will, es notwendig ist, eine vertikale Struktur zu verwenden. Tatsächlich haben die Erfinder festgestellt, dass es lediglich notwendig ist, in der Struktur der Komponente zumindest eine dünne Schicht vorzusehen, die eine Hochspannung aushalten kann, d. h. eine Schicht, die die Dicke einer Halbleiterscheibe aufweist. Eine Lateralkomponente, die in einem massiven Substrat ausgebildet ist, genügt dieser Forderung.
  • Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, eine vertikale Komponente in dem logischen Teil der Struktur anzuordnen, wobei diese vertikale Komponente einen Schalter bildet, dessen einer Anschluss mit dem Steueranschluss der Hochspannungskomponente verbunden ist.
  • 2 zeigt, teilweise in Blockdarstellung, eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Hochspannungskomponente ein Thyristor ist.
  • Der rechte Teil der 2 stellt einen Lateral-Thyristor dar, der durch einen Isolationswall 6 vom Typ P von den logischen Komponenten getrennt ist, die in dem rechten Teil der Figur ausgebildet sind. Der laterale Thyristor ist in einem Trog 3 des Substrates 1 ausgebildet, der durch den Isolationswall 6 und eine Schicht 2 auf der Rückseite vom Typ P begrenzt ist. Ein erster Bereich 10 vom Typ P bildet die Anode des Thyristors. Ein zweiter Bereich 11 vom Typ P bildet in seinem Bereich das Kathodengate und weist einen Bereich 12 vom Typ N auf, der die Kathode bildet. Eine Metallisierung M10 ist auf dem Bereich 10 ausgebildet und entspricht der Anode des lateralen Transistors. Eine Metallisierung M1 steht in Kontakt mit dem Bereich 12 und bildet die Kathode des Lateral-Thyristors. Der Gatebereich der Kathode 11 ist in Kontakt mit dem Isolationswall 6, oder ist mit diesem über eine Metallisierung (nicht dargestellt) verbunden. Die Metallisierung der Rückseite M1 ist, wie ersichtlich, elektrisch mit dem Gatebereich über die Zwischenschaltung des Isolationswalles 6 verbunden und kann eine Gateverbindung bilden.
  • Die Schicht der Rückseite 2 vom Typ P hat nicht nur eine Isolationsfunktion, sondern dient auch zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors des Lateral-Thyristors.
  • Der Gatebereich des Thyristors liegt auf einem Potential benachbart zu dem seiner Kathode. Die Kathode ist üblicherweise mit Masse verbunden, wobei die Metallisierung M1 auf einem Potential zwischen 0 und einigen 10 Volt liegt, d. h. auf einem Wert, der deutlich unterhalb der maximalen Spannung an der Kathode liegt (die im Bereich von 1000 V liegt).
  • In Konsequenz kann man ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen logische Komponenten in dem linken Teil der Struktur ausbilden, die von der Hochspannungskomponente durch den Isolationswall 6 getrennt sind. Die logischen Komponenten können ebenso in einem Trog 8 vom Typ P ausgebildet werden oder auch, wie der MOS-Transitor 15 direkt in der Oberfläche des Substrates 1. Es können zahlreiche logische Komponenten, z. B. vom dipolaren Typ oder MOS-Typ verwendet werden.
  • Darüber hinaus sieht die vorliegende Erfindung vor, in dem logischen Bereich eine vertikale Komponente vorzusehen, die einen Schalter 20 bildet, dessen einer Anschluss einer Metallisierung M1 auf der Rückseite und dessen anderer Anschluss ggf. unter Zwischenschaltung von anderen Komponenten mit einer Metallisierung M20 verbunden ist, und dessen Steueranschluss, ggf. unter Zwischenschaltung von anderen Komponenten mit einer Metallisierung M21 verbunden ist.
  • Diese Struktur ist besonders attraktiv, da in einer monolithischen Struktur, die eine Hochspannungskomponente und einen logischen Schaltkreis aufweist, der logische Schaltkreis stets eine Verbindung mit dem Steueranschluss der Hochspannungskomponente hat. Im vorliegenden Falle ist diese Komponente verwirklicht, indem die Oberfläche des logischen Schaltkreises und die Anzahl der Metallisierungen reduziert wird, die auf der Oberfläche gebildet sind, da diese direkt der Oberfläche der Scheibe entspricht.
  • Ein spezielles Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung ist in 3 dargestellt. Die Hochspannungskomponente ist identisch mit der in 3 dargestellten. Auf Seiten des logischen Teiles ist auf der Rückseite der Struktur eine Schicht 30 vom Typ P realisiert, die identisch mit dem Bereich 2 ist und in herkömmlicher Form in einem Herstellungsschritt ausgebildet wird, d . h. dass eine Diffusion ohne Maskierung der Rückseite der Komponente ausgeführt werden kann, wodurch die Herstellung erleichtert wird. In der Oberfläche des Substrates ist ein Trog 31 vom Typ P vorgesehen, in dem ein Hauptbereich 32 und Hilfsbereich 33 vom Typ N vorgesehen ist. Ein Bereich 34 vom Typ N, der stark dotiert ist, ist direkt in der Oberfläche des Substrates außerhalb des Troges 31 ausgebildet. Der Bereich 32 und ein Bereich benachbart dem Trog 31 sind mit einer Metallisierung M30 bedeckt. Der Bereich 33 ist mit einer Metallisierung M31 bedeckt. Der Bereich 34 ist mit einer Metallisierung M32 bedeckt.
  • Der logische Schaltkreis der in dem linken Bereich der Figur ausgebildet ist, entspricht dem gepunkteten Bereich des Schaltkreises der in 4. Nur dieser Teil soll hier betrachtet werden, wobei der Rest der Schaltung anschließend beschrieben wird.
  • Die Anordnung der Schichten 30–1 – 31–32 bildet einen vertikalen Thyristor T2, dessen Anode der Metallisierung M1 und dessen Kathode der Metallisierung M30 entspricht. Die Metallisierung M1 entspricht einem Außenanschluss und einer Verbindung zwischen der Anode des Thyristors T2 und dem Kathodengate des Hochspannungsthyristors T1, der in dem rechten Bereich der Komponente ausgebildet ist. Dieser Thyristor T1 ist für die Netzspannung ausgelegt. Die Metallisierung M32 entspricht dem Anodengate des Thyristors T2. Die Metallisierung M30 entspricht der Kathode 32 des Thyristors T2 und einem Anschluss für einen Widerstand R, dessen anderer Anschluss mit dem Kathodengate dieses Thyristors verbunden ist. Die Metallalisierung M31 entspricht der Kathode einer Zener-Diode D2, deren Anode mit dem Gate des Thyristors T2 verbunden ist. Diese Metallisierung M31 ist mit der Kathodenmetallisierung K verbunden oder steht mit dieser in Verbindung.
  • Auf diese Weise hat man ein Hauptelement eines Steuerelementes für mehrere Neonröhren mit einem Hauptschalter ausgebildet, wie dieses in 4 dargestellt ist.
  • Die Schaltung gemäß der 4 ist eine Schaltung entsprechend einem Mikroschalter mit einem Thyristor für Leuchtröhren, z. B. Neonröhren 40–1, 40–2 etc., die parallel geschaltet sind und mit Kurzschlussschaltern BP1, BP2 etc. betätigt werden können. Ein Anschluss dieser Neonröhren ist an das Netz (220 V Wechselspannung) gelegt, während der andere Anschluss mit dem zweiten Netzanschluss, üblicherweise der Masse, über Zwischenschaltung eines Widerstandes R1, des Hauptthyristors T1 und der Parallelschaltung aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 verbunden ist. Eine Schutzkomponente (GMOVE) ist zwischen der Anode des Thyristors T1 und der Masse gelegen. Die anderen Komponenten dieser Schaltung wurden bereits in Bezug zu der 3 beschrieben.
  • Beim üblichen Betriebszustand ist die Spannung an einem Anschluss 41, der unter Zwischenschaltung eines Widerstandes R3 mit dem Gate des Thyristors T1 und mit der Anode des Thyristors T2 verbunden ist, auf einem positiven Potential, z. B. 5 V. Somit leitet der Thyristors T1 und die Neonröhren leuchten.
  • Wenn ein Hauptschalter gedrückt wird, werden eine oder mehrere Neonröhren kurz geschlossen, und der Strom in dem Thyristor T1 steigt an. Hieraus resultiert ein Anstieg der Spannung an dem Kondensator C2. Wenn diese Spannung die Lawinenspannung der Zener-Diode 2 erreicht, geht der Thyristors T2 in den leitenden Zustand über und das Gate des Thyristors T1 befindet sich auf einem gegenüber der Kathode negativen Potential. Dieser Potentialunterschied ist ausreichend, um den Thyristors T1 zu deaktivieren, der dadurch blockiert wird. Somit wird auch der Strom in den Neonröhren unterbrochen. Dieser Zustand verbleibt, solange das Potential an dem Anschluss 41 5 V beträgt.
  • Um das System wieder einzuschalten, muss die Spannung (RESET) an dem Anschluss 41 auf 0 Volt gesetzt werden, wodurch der Thyristor T2 deaktiviert und wieder auf 5 V gesetzt wird, wodurch der Thyristor T1 wieder eingeschaltet wird. Vorzugsweise weist die Schaltung darüber hinaus einen Anschluss 42 (entsprechend der Metallisierung M32) auf, d. h. entsprechend dem Anodengate des Thyristors T2. Die Spannung an diesem Anschluss gibt eine Anzeige, ob der Thyristor T2 leitend ist oder nicht. Eine Spannung in der Größenordnung von 5 V zeigt an, dass der Thyristors T2 gesperrt ist, eine Spannung in der Größenordnung von 0 V zeigt an, dass der Thyristor T2 leitend ist. Dies bedeutet eine Anzeige, ob die Neonröhren leitend sind oder nicht.
  • Die 5 und 6 stellen Varianten der vorliegenden Erfindung dar und zeigen zwei Strukturbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich unterscheiden hinsichtlich der Natur der lateralen Leistungskomponente. Die 5 und 6 entsprechen im Wesentlichen der Ausbildung gemäß 2, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen dargestellt sind.
  • In 5 ist der Leistungstransistor modifiziert, wobei ein isoliertes Gitter 51 hinzugefügt ist. Das Gitter 51 ist oberhalb eines Bereiches des Gatebereiches der Kathode 11 des Thyristors angeordnet, die den Bereich der Kathode 12 vom Substrat 11 trennt. Auf diese Weise erhält man einen Thyristor, der in den Schließzustand durch eine Aktion an dem Gitter und in den Öffnungszustand durch eine Aktion an dem Gate entspre chend der Metallisierung auf der Rückseite gesteuert werden kann.
  • Im Fall der 6 ist der Thyristor durch einen NPN-Lateral-Transistor ersetzt, d. h. dass der Bereich 10 vom Typ P durch einen Bereich 61 vom Typ N+ ersetzt ist. Die Metallisierung M10 entspricht somit einem Kollektoranschluss C und die Metallisierung M11 einem Emitteranschluss E. Die Metallisierung M1 auf der Rückseite entspricht somit einem Basisanschluss.

Claims (6)

  1. Monolithische Komponente, die in einer mit einem ersten Leitungstyp schwach dotierten Halbleiterscheibe (1) gebildet ist, mit mindestens zwei durch einen Isolationswall (6) eines zweiten und dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp getrennten Bereichen, wobei ein erster Bereich zumindest einen durch eine Hochspannung gesteuerten Schalter, dessen Schicht der Dicke der Scheibe entspricht, und ein zweiter Bereich Elemente eines logischen Schaltkreises enthält, wobei die Rückseite gleichmäßig mit einer in Kontakt mit Halbleiterzonen der Scheibe stehenden Metallisierung (M1) bedeckt ist, wobei der Logikbereich zumindest einen vertikalen Unterbrecher (20) aufweist, dessen einer Hauptanschluss der Metallisierung der Rückseite entspricht, und wobei der durch eine Hochspannung gesteuerte Schalter in lateraler Form realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationswall in direktem elektrischen Kontakt mit einer Steuerregion des gesteuerten Schalters ist, wobei diese Steuerregion von gleichem Leitungstyp wie der Isolationswall ist, und dass der Isolationswall vollständig die Halbleiterscheibe von der Oberseite bis zur Unterseite der Scheibe durchquert.
  2. Monolithische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Scheibe eine Schicht (2) mit einem Leitungstyp entgegengesetzt demjenigen der Scheibe aufweist.
  3. Monolithische Komponente nach Anspruch 1, wobei die Scheibe vom N-Typ der Isolationswall vom P-Typ und dass der mit Hochspannung gesteuerte Schalter ein lateraler Thyristor ist, dessen Gate-Region der Kathode direkt mit dem Isolationswall verbunden ist.
  4. Monolithische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Unterbrecher des Logikbereiches ein Thyristor ist.
  5. Monolithische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Hochspannung gesteuerte Schalter ein lateraler Transistor ist, dessen Basisregion direkt mit dem Isolationswall verbunden ist.
  6. Monolithische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Hochspannung gesteuerte Schalter ein lateraler Thyristor ist, der durch ein isoliertes Gitter geschlossen und durch das Gate geöffnet werden kann, dessen Gate-Region der Kathode (11) direkt mit dem Isolationswall verbunden ist.
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