DE19964481B4

DE19964481B4 - MOS-Halbleiteranordnung mit Schutzeinrichtung unter Verwendung von Zenerdioden

Info

Publication number: DE19964481B4
Application number: DE19964481.0A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Yoshida; Tatsuhiko Fujihira; Motoi Kudoh; Shoichi Furuhata
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2019-01-27
Also published as: DE19903028A1; JP3911566B2; US6462382B2; US6229180B1; DE19903028B4; US20010010379A1; JPH11284175A

Abstract

MOS-Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat, einem Halbleiterelement (4) in MOS-Ausführung, das einen Steuerabschnitt mit MOS-Struktur umfaßt, einem ersten Ausgangsanschluß (S) und einem zweiten Ausgangsanschluß (D), mit denen zwei Ausgänge des Halbleiterelements (4) verbunden sind, einem Steuereingangsanschluß (G), mit dem ein Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) verbunden ist, einer internen Steuerschaltung (9), die zwischen den Steuereingangsanschluß (G) und den Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) geschaltet ist, und einer Schutzeinrichtung, die zwischen den Steuereingangsanschluß (G) und den ersten Ausgangsanschluß (S) geschaltet ist, zum Schutz gegen Überspannungen dient und einen ersten Zweig, der eine erste Zenerdiode (Z1p) enthält, und einen zweiten Zweig umfaßt, in dem ein erster Widerstand (R1; R2) und eine zweite Zenerdiode (Z5p; Z6p) in Reihe geschaltet sind, derart, daß ein zwischen dem ersten Widerstand (R1; R2) und der zweiten Zenerdiode (Z5p; Z6p) vorhandener Verbindungspunkt an den Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) angeschlossen ist, wobei der erste Zweig und der zweite Zweig parallel zueinander geschaltet sind und der erste Widerstand (R1; R2) auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung des MOS-Typs wie etwa auf einen MOS-Feldeffekttransistor (im folgenden auch kurz als ”MOSFET” bezeichnet) oder auf einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (im folgenden auch als ”IGBT” oder ”IGBT-Transistor” bezeichnet), wobei eine Mehrzahl von Sourcezonen, die Gates mit einem Metall-Oxidfilm-Halbleiter-Aufbau (MOS-Aufbau) aufweisen, separat in einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist.
Zur Herstellung eines MOSFETs, der als ein Beispiel eines MOS-Halbleiterbauelements dient, wird eine p Basiszone (Basiszone des Leitungstyps p) ausgebildet, indem Dotiermaterial in einen ausgewählten Bereich einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats des Leitungstyps n derart eindiffundiert wird, daß an der Oberfläche des Substrats ein pn Übergang auftritt, und es wird ferner eine n Sourcezone (Sourcezone des Leitungstyps n) in einer Oberflächenschicht der p Basiszone in gleichartiger Weise gebildet. Anschließend wird eine Gateelektrode auf einem isolierenden Film oberhalb der Oberfläche bzw. des Bereichs einer Kanalzone ausgebildet, die durch eine Oberflächenschicht der p Basiszone bereitgestellt wird, die zwischen der n Sourcezone und dem Halbleitersubstrat des Leitungstyps n eingefügt ist. Ferner wird eine Sourceelektrode so ausgebildet, daß sie sich sowohl mit der p Basiszone als auch mit der n Sourcezone in Kontakt befindet. Eine Drainelektrode wird an der anderen Oberfläche des n Halbleitersubstrats ausgebildet. Wenn eine geeignete Spannung an die Gateelektrode angelegt wird, tritt in der Kanalzone eine Inversionsschicht auf, wodurch der Widerstandswert zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode verringert wird, so daß ein Strom zwischen der Drainelektrode und der Sourceelektrode durch die Inversionsschicht hindurch fließen kann.
Zur Herstellung eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate (IGBT), der eine weitere Ausführungsform eines MOS-Halbleiterbauelements darstellt, wird eine zusätzliche Zone des Leitungstyps p auf der Seite der Drainelektrode des MOSFETs ausgebildet. Aufgrund dieser zusätzlichen Zone des Leitungstyps p ist der bipolare Transistor imstande, die Leitfähigkeit unter Ausnutzung der Injektion von Minoritätsträgern zu modulieren.
Die beschriebenen MOS-Halbleiterbauelemente befinden sich im großen Umfang in Schaltschaltungen im Einsatz, da diese Bauelemente sich durch niedrigen Einschaltwiderstand (Widerstand im eingeschalteten Zustand) und hohe Schaltgeschwindigkeit auszeichnen und ferner leicht durch Änderung der an sie angelegten Spannung gesteuert werden können.
In den letzten Jahren hat sich die Möglichkeit erhöht, daß MOS-Halbleiterbauelemente, die als Schaltelemente zum Schalten von Strömen eingesetzt werden, Stoßspannungen, d. h. Spannungsstößen ausgesetzt werden, die in den mit ihnen verbundenen Schaltkreisen erzeugt werden. Dies liegt an der Vereinfachung der Schaltkreise, in denen keine Snubberelemente mehr vorgesehen sind, und an der Verringerung der Größe der Halbleiterbauelemente. Wenn beispielsweise ein derartiges MOS-Halbleiterbauelement die Unterbrechung eines von einer induktiven Last herrührenden Stromflusses bewirkt, erhöht sich die an das Halbleiterbauelement angelegte Spannung aufgrund der in einer Induktivität gespeicherten Energie und kann in manchen Fällen sogar höher werden als die Versorgungsspannung. Die resultierende Überspannungsbelastung kann zu einem Durchbruch des MOS-Halbleiterbauelements führen. Daher besteht bei Halbleiterbauelementen, die als Schaltelemente benutzt werden, das Bedürfnis, daß sie eine erhöhte Durchbruchspannung oder eine verbesserte Fähigkeit, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können, aufweisen.
Zwischenzeitlich befindet sich auch eine neuartige Form von MOS-Halbleitereinrichtungen im Einsatz, bei denen es sich um sogenannte intelligente Einrichtungen handelt, nämlich, anders ausgedrückt, um MOS-Halbleiteranordnungen, die Halbleitereinrichtungen des MOS-Typs enthalten. Bei dieser Art von Halbleiteranordnungen ist die Halbleitereinrichtung in integrierter Bauform mit einem Schaltkreis versehen, der einen Überstrom, die Temperatur oder ähnliches erfaßt und die Erfassungssignale zu dem Gate rückkoppelt. Bei einer solchen MOS-Halbleiteranordnung ist es besonders wichtig, ihr Gate und ihren Steuereingangsanschluß gegenüber Stoßspannungen zu schützen.
In 11 ist ein Schaltbild dargestellt, das eine Äquivalenzschaltung einer solchen Halbleiteranordnung des MOS-Typs zeigt, die mit einer Vorrichtung zum Schützen des Gates versehen ist.
Bei dieser Halbleiteranordnung ist eine Zenerdiode 5 zwischen die Source S und das Gate G einer in MOS-Ausführung vorliegenden Haupt-Halbleitereinrichtung 2 geschaltet. Die Zenerdiode 5 bewirkt den Schutz der Halbleitereinrichtung 2 durch Ableiten des Stroms, wenn eine Überspannung oder eine exzessiv hohe Spannung an das Gate G angelegt wird. Ein Widerstand 6 dient zum Verhindern des Auftretens von hohe Spannung aufweisenden Störungen an dem Gate G, die beispielsweise durch die Abtrennung einer Gateleitung hervorgerufen sind. Zwischen dem Drain D und dem Gate G ist eine als Reihenschaltung geschaltete Zenerdiodenanordnung 3 geschaltet, bei der eine große Anzahl von Zenerdiodenpaaren derart in Reihe geschaltet ist, daß jedes Zenerdiodenpaar jeweils Rücken an Rücken, d. h. mit entgegengesetzter Diodenausrichtung, ausgebildet ist. Falls die an das Drain D angelegte Spannung höher wird als die Klemmspannung der als Reihenschaltung vorliegenden Zenerdiodenanordnung 3, wird der Unterschied zwischen der Drainspannung und der Klemmspannung an das Gate G angelegt, wodurch die Haupt-Halbleitereinrichtung 2 eingeschaltet wird. Hierdurch wird die Haupt-Halbleitereinrichtung 2 gegenüber Überspannungen geschützt.
Die zwischen dem Drain D und dem Gate G eingefügte Zenerdiodenanordnung 3 ist, wie dies in der US 5 365 099 A offenbart ist, unter Verwendung von polykristallinem Silicium oder Polysilicium hergestellt, das auf einem isolierenden Film auf einem Halbleitersubstrat der in MOS-Ausführung vorliegenden Halbleiteranordnung aufgebracht ist.
Von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstands ist ein intelligenter bipolarer Transistor mit isoliertem Gate hergestellt worden, der eine zwischen dem Gate G und der Source S vorgesehene Zenerdiode zum Schützen des Bauelements gegenüber Stoßspannungen, eine Vorrichtung zum Erfassen eines Überstroms oder dergleichen, und einen die Ausgangsstufe bildenden und als Halbleitereinrichtung des MOS-Typs ausgebildeten bipolaren Transistor IGBT mit isoliertem Gate umfaßt. In 12 ist eine Äquivalenzschaltung dieses intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate dargestellt. Das Gate G der Halbleiteranordnung ist mit einem Gate (g) eines als die Ausgangsstufe dienenden bipolaren Haupt-Transistors 4 mit isoliertem Gate über eine interne Steuerschaltung 9 verbunden, die zur Erfassung und zur Berechnung dient. Zwischen das Gate G und die Source S ist die Zenerdiode 5 geschaltet, die zum Schutz der Vorrichtung gegenüber Stoßspannungen dient. Wenn eine übermäßig große Spannung an das Gate G angelegt wird, übt die Zenerdiode 5 eine Ableitungsfunktion aus, so daß das Element gegenüber solchen übermäßig großen Spannungen geschützt ist. Die als Reihenschaltung ausgebildete Zenerdiodenanordnung 3, die aus einer großen Anzahl von Zenerdiodenpaaren besteht, ist zwischen das Drain D und das Gate g des Haupttransistors 4 geschaltet. Jedes Zenerdiodenpaar ist Rücken an Rücken ausgebildet, d. h. die Anoden der Dioden jedes Paars sind miteinander verbunden, und es sind benachbarte Diodenpaare so verschaltet, daß ihre jeweiligen Kathoden einander zugewandt sind. Wenn die an das Drain D angelegte Spannung hoher wird als die Klemmspannung dieser Zenerdiodenanordnung 3, wird der Unterschied zwischen der an dem Drain auftretenden Spannung und der Klemmspannung an das Gate g des Haupttransistors 4 angelegt, wodurch dieser eingeschaltet wird. Hierdurch wird die Anordnung gegen Überspannungen geschützt. Die Spannungsversorgung für die interne Steuerschaltung 9 wird von dem Steuereingangsanschluß G abgegriffen. Bei der Schaltung gemäß 12 ist der Spannungsversorgungsanschluß V_DD direkt an den Steuereingangsanschluß G angeschlossen. Die Zenerdiode 5 und die Zenerdiodenanordnung 3 sind dadurch hergestellt, daß Polysilicium auf einem isolierenden Film auf der Halbleitereinrichtung aufgebracht worden ist.
Mit dem in dieser Weise hergestellten Bauelement wurde ein Stoßspannungstest ausgeführt. In 13(a) ist die Testschaltung dargestellt, während in 13(b) Signalverläufe gezeigt sind, die während des Tests erhalten wurden.
Zunächst wurde ein Schalter s1 geschlossen und damit eine Kapazität C durch eine Spannungsversorgungsquelle Vcc aufgeladen. Anschließend wurde der Schalter s1 wieder geöffnet, wonach dann ein Schalter s2 geschlossen wurde, so daß eine Testspannung an ein im Test befindliches Bauelement (DUT) angelegt wurde. Der Kapazitätswert der Kapazität C betrug 33 μF, während die Widerstandswerte von Widerständen Ra und Rb 100 Ω bzw. 75 Ω betrugen. Die Spannung der Versorgungsspannungsquelle wurde im Bereich von 30 bis 500 V variiert.
Wie in 13(b) gezeigt ist, besaß die Wellenform der an das zu testende Bauelement angelegten Spannung die Form eines Impulses, der eine Breite von ungefähr 9 ms aufwies und rasch während der anfänglichen Periode anstieg, wonach er dann allmählich abfiel.
Wenn die Testspannung bei diesem Stoßspannungstest auf Werte von mehr als 100 V erhöht wurde, trat bei manchen getesteten Bauelementen ein Durchbruch auf. In vielen Fällen zeigte sich dieser Durchbruch im Bereich um die Zenerdiode 5 herum.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleiteranordnung ist noch ein weiteres Problem vorhanden. Damit die interne Steuerschaltung integriert mit dem bipolaren Transistor IGBT ausgebildet wird, wird bei der bekannten Anordnung ein isolierender Aufbau, bei dem eine eingebettete Schicht Verwendung findet, wie dies von Wrathall, R. S. et al. in ”Proceedings of the Symposium on High Voltage and Smart Power Devices (1989), Seite 384, beschrieben ist, oder eine isolierende SOI-Struktur (Silicium auf Isolator) benutzt, bei der die Steuerschaltung beispielsweise mittels des Substrats des bipolaren Transistors und eines Oxidfilms isoliert wird. Bei diesen Methoden sind jedoch komplizierte und zahlreiche Prozeßschritte erforderlich, was zu erhöhten Kosten führt. Bei der Herstellung des vorstehend beschriebenen bipolaren Transistors wurden demgegenüber von den Erfindern nicht diese Methoden eingesetzt, sondern statt dessen bei der integrierten Ausbildung der internen Steuerschaltung und des bipolaren Transistors eine selbstisolierende Struktur benutzt, die der einfachste Aufbau ist, bei dem der Herstellungsprozeß verkürzt ist.
In 14 ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt der internen Steuerschaltung gezeigt, die integral mit der MOS-Halbleiteranordnung ausgebildet ist. Dieser Abschnitt umfaßt eine p⁺ Drainschicht 21, eine n⁺ Pufferschicht 22, eine n Driftschicht 23 und eine Drainelektrode 30, die auch gemeinsam von dem bipolaren Transistorabschnitt mit isoliertem Gate (IGBT) der Ausgangsstufe benutzt werden. Eine p^– Senke oder Wanne 34 ist in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich der n Driftschicht 23 ausgebildet. Ein MOSFET 51 des Anreicherungstyps und ein Kanal des Leitungstyps p sowie ein MOSFET 61 des Verarmungstyps mit einem Kanal des Leitungstyps n sind in und oberhalb einer Oberflächenschicht bzw. -region der p^– Wanne 34 ausgebildet. Genauer gesagt, sind n⁺ Drainzonen 53 und 63 in der Oberflächenschicht der p^– Wanne 34 ausgebildet, wobei Drainelektroden 60 und 70 derart vorgesehen sind, daß sie sich jeweils mit den Oberflächen der n⁺ Drainzonen 53 bzw. 63 in Kontakt befinden. Ferner sind n⁺ Sourcezonen 56 und 66 in der Oberflächenschicht bzw. -region der p^– Wanne 34 ausgebildet, und es sind Sourceelektroden 59 und 69 derart vorgesehen, daß sie sich mit den Oberflächen der n⁺ Sourcezonen 56 und 66 in Kontakt befinden. Mit dem Bezugszeichen 64 ist eine dotierte Kanalzone des Leitungstyps n bezeichnet, die zum Steuern der Schwellenspannung dient. Die Bezugszeichen 58 und 68 bezeichnen Gateelektrodenschichten. Die Drainelektrode 70 des MOSFETs 61 des Verarmungstyps mit Kanal n ist an den Spannungsversorgungsanschluß (V_DD in 12) der internen Steuerschaltung angeschlossen.
Bei dem vorstehend beschriebenen selbstisolierenden Aufbau bilden die p⁺ Drainschicht 21, die n⁺ Pufferschicht 22, die n Driftschicht 23, die p^– Wanne 34 und die n⁺ Drainzone 63 einen vier Schichten umfassenden pnpn Aufbau. Dies bedeutet, daß dieser Aufbau einen parasitären Thyristor enthält, der aus diesen vier Schichten besteht. Der parasitäre Thyristor des internen Steuerschaltungsabschnitts ist während des Betriebs des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, oder auch dann, wenn eine Stoßspannung auftritt, durch die der Steuereingangsanschluß (G) mit Bezug zu dem Ausgangsanschluß (S) negativ wird, in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Wenn der parasitäre Thyristor in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, rastet er ein bzw. schaltet durch (Latch-up), wie dies in 14 durch den Pfeil 71 dargestellt ist, was zu einem Durchbruch des Bauelements führen kann.
Eine MOS-Halbleiteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US 5 357 393 A bekannt, wobei allerdings die ”Steuerschaltung” lediglich eine Verbindungsleitung ist.
Aus der DE 43 00 100 A1 ist eine Überspannungsschutzschaltung für eine MOS-Halbleitervorrichtung bekannt, bei zwischen Drain und Gate eines MOS-Transistors die Reihenschaltung aus einer ersten Zenerdiode und einer widerstandsbehafteten Strombegrenzungsdiode geschaltet ist und zwischen Gate und Source eine zweite Zenerdiode geschaltet ist. Über einen zweiten Widerstand ist das Gate mit dem Schaltungseingang verbunden. Die Strombegrenzungsdiode und die zweite Zenerdiode sind auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung des MOS-Typs zu schaffen, die eine oder mehrere Zenerdioden als Schutz gegen Stoßspannungen umfaßt und leicht hergestellt sowie mit hoher Zuverlässigkeit betrieben werden kann, so daß eine verbesserte Fähigkeit, Stoßspannungen widerstehen zu können, gewährleistet ist, und bei der es unwahrscheinlich ist, daß ein parasitärer Thyristor einen Latch-Up-Effekt zeigt.
Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Halbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung des MOS-Typs umfaßt somit vorzugsweise ein Halbleitersubstrat; ein Haupt-Halbleiterelement des MOS-Typs, das einen Steuerabschnitt mit Metall-Oxidfilm-Halbleiter-Aufbau (MOS-Aufbau) umfaßt; einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluß, mit denen zwei Ausgänge des Haupt-Halbleiterelements verbunden sind; einen Steuereingangsanschluß, an den ein Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements angeschlossen ist; eine interne Steuerschaltung, die zwischen den Steuereingangsanschluß und den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements geschaltet ist; und eine Schutzeinrichtung, die zwischen den Steuereingangsanschluß und den ersten Ausgangsanschluß geschaltet ist und zum Schutz gegenüber Überspannungen dient. Die Schutzeinrichtung weist einen ersten Zweig auf, der eine erste Zenerdiode enthält, und einen zweiten Zweig, in dem ein Widerstand und eine zweite Zenerdiode in Reihe geschaltet sind, derart, daß ein zwischen dem Widerstand und der zweiten Zenerdiode vorhandener Verbindungspunkt an den Steuereingang des Halbleiterelements angeschlossen ist. Der erste Zweig und der zweite Zweig sind parallel zueinander geschaltet, und die erste Zenerdiode, der Widerstand und die zweite Zenerdiode sind auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Mehrzahl von Widerständen in Reihe zwischen den Steuereingangsanschluß G und den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs geschaltet, und es ist eine Zenerdiode zwischen denjenigen Anschluß jedes der Widerstände, der dem Steuereingang des Halbleiterelements zugewandt ist, und den ersten Ausgangsanschluß (S) eingefügt.
Bei dieser Ausgestaltung wird die Durchbruchspannung der in der vorhergehenden Stufe vorhandenen Zenerdiode an die Zenerdiode und den Widerstand, die in der nachfolgenden Stufe vorhanden sind, angelegt. Die Spannung, die an den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs angelegt wird, wird daher um eine Größe verringert, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand entspricht. Falls eine große Anzahl von derartigen Stufen vorgesehen ist, wird die Spannung, die an den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs angelegt wird, zunehmend geringer, wenn sich die Anzahl der Stufen erhöht.
Ferner wird die Durchlaß- oder Vorwärtsspannung der in der vorhergehenden Stufe vorhandenen Zenerdiode an den Widerstand und die Zenerdiode angelegt, die in der nachfolgenden Stufe vorgesehen sind, so daß die Vorwärtsspannung der in der nachfolgenden Stufe vorhandenen Zenerdiode an den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs angelegt wird. Hierdurch wird das Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors in dem internen Steuerschaltungsabschnitt verhindert. Falls eine große Anzahl von derartigen Stufen vorgesehen ist, wird die Spannung, die an den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs angelegt wird, verringert, wenn sich die Anzahl von Stufen erhöht.
Die Widerstände (R₁, R₂ ...) und die Zenerdioden (Z_5p, Z_6p, ...) sind vorzugsweise aus Polysilicium hergestellt. In diesem Fall leidet die Halbleiteranordnung nicht an einer Einschaltung (Latch-up) eines parasitären Thyristors, die andernfalls in dem Zenerdiodenabschnitt oder in dem internen Steuerschaltungsabschnitt auftreten würde.
Es ist auch wirksam, eine Diode (Z_4pr) vorzusehen, die aus einer auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachten Schicht aus Polysilicium hergestellt ist und die in der entgegengesetzten Richtung bzw. mit entgegengesetzter Polung, verglichen mit der Zenerdiode (Z_1P) orientiert ist, wobei diese Diode (Z_4pr) auf der Seite des Spannungsversorgungsanschlusses der internen Steuerschaltung ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Einschaltung eines parasitären Thyristors in dem internen Steuerschaltungsabschnitt vorteilhaft verhindert werden.
Falls die Zenerdiode oder Zenerdioden gemäß der vorstehenden Beschreibung kammförmige Elektroden umfassen, bieten die Zenerdiode oder Zenerdioden eine erhöhte Länge des pn Übergangs, wobei zugleich ein verringerter Flächenbedarf erforderlich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Halbleiteranordnung des MOS-Typs geschaffen, die ein Halbleitersubstrat; ein Haupt-Halbleiterelement des MOS-Typs, das einen Steuerabschnitt mit einem Metall-Oxidfilm-Halbleiter-Aufbau (MOS-Aufbau) enthält; einen ersten Ausgangsanschluß und einen zweiten Ausgangsanschluß, mit denen zwei Ausgänge des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs verbunden sind; einen Steuereingangsanschluß, an den ein Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs angeschlossen ist; und eine interne Steuerschaltung umfaßt, die zwischen den Steuereingangsanschluß und den Steuereingang des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs geschaltet ist und die ein Halbleiterelement (Halbleitereinrichtung) des MOS-Typs enthält, das einen Steuerabschnitt eines Metall-Oxidfilm-Halbleiter-Aufbaus (MOS-Aufbau) enthält und das in einer selbstisolierenden Zone oder einer Übergangs- oder Sperrschichtisolationszone (Junction-Isolationsregion) integriert ist, die in einer Oberflächenschicht bzw. -region des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Hierbei ist eine Kanalzone des Haupt-Halbleiterelements des MOS-Typs mit einem Abstand von mindestens 200 μm von einer Kanalzone des Halbleiterelements der internen Steuerschaltung entfernt ausgebildet.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleiteranordnung des MOS-Typs werden Träger in dem Haupt Halbleiterelement des MOS-Typs daran gehindert, in die MOS-Typ-Halbleitereinrichtung der internen Steuerschaltung zu fließen. Daher kann ein Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors vorteilhaft verhindert werden.
Insbesondere wird die Menge von Dotiermaterial in einer selbstisolierenden Zone oder in einer übergangsisolierenden Zone, die in einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, in bevorzugter Ausgestaltung so gesteuert, daß sie in dem Bereich von 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁴ cm^–2 liegt.
Falls die Menge an Dotiermaterial kleiner ist als 1 × 10¹³ cm^–2, ist der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors, der zu einem parasitären Thyristor beiträgt, erhöht, und es besteht daher die hohe Wahrscheinlichkeit, daß der parasitäre Thyristor eingeschaltet wird. Dies erschließt sich aus den Ergebnissen von im weiteren Text näher beschriebenen Experimenten. Falls die Menge an Dotiermaterial größer ist als 1 × 10¹⁴ cm^–2, ist die Schwellenspannung des MOS-Typs-Halbleiterelements der internen Steuerschaltung erhöht, so daß es unmöglich wird, das Element mit einer niedrigen Spannung zu betreiben. Die Halbleiteranordnung des MOS-Typs kann ferner eine Leitungselektrode enthalten, die in Kontakt mit einer Oberfläche der selbstisolierenden Zone oder der übergangsisolierenden Zone ausgebildet ist und mit dem ersten Ausgangsanschluß (S) verbunden ist, und zwar derart, daß die Leitungselektrode mit einem Abstand zu der Kanalzone des MOS-Typ-Halbleiterelements der internen Steuerschaltung angeordnet ist, der nicht größer ist als 100 μm. Bei dieser Ausgestaltung werden die Träger, die in die selbstisolierende Zone oder in die übergangsisolierende Zone eintreten, von der Leitungselektrode ausgestoßen oder herausbefördert, so daß ein Einschalten (Latch-up) des parasitären Thyristors verhindert werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie nicht erfindungsgemäßen weiteren Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen naher beschrieben.
1(a) zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate (IGBT) zeigt, der eine Halbleitervorrichtung darstellt, die nicht Gegenstand dieser Erfindung ist;
1(b) zeigt eine Draufsicht auf den in 1(a) dargestellten bipolaren Transistor;
2(a) zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Zenerdiodenabschnitts, der bei der Halbleiteranordnung, d. h. bei dem intelligenten bipolaren Transistor, vorhanden ist;
2(b) zeigt eine Ansicht, die die Anordnung der Elektroden des Zenerdiodenabschnitts veranschaulicht;
3 zeigt eine Draufsicht auf die Halbleiteranordnung in Form eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate;
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des in 3 gezeigten intelligenten bipolaren Transistors;
5(a) zeigt eine vergrößerte Darstellung, die einen Zenerdiodenabschnitt bei dem intelligenten bipolaren Transistor veranschaulicht;
5(b) zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer in 5(a) dargestellten Linie B-B geschnitten ist;
6 zeigt eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Stoßspannung, die von der Halbleiteranordnung verkraftet werden kann, von der Übergangslänge der Diode;
7(a) zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Zenerdiodenabschnitts eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der eine andere Halbleitervorrichtung, die ebenfalls nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, darstellt;
7(b) zeigt eine Querschnittsansicht, die entlang einer in 7(a) gezeigten Linie C-C geschnitten ist;
8 zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate veranschaulicht, der ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate veranschaulicht;
10 zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Form eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate veranschaulicht;
11 zeigt ein Schaltbild, das einen bekannten MOSFET veranschaulicht, der mit Zenerdioden zum Schutz des Bauelements versehen ist;
12 zeigt ein Schaltbild eines intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, der als ein Testbauelement hergestellt ist;
13(a) zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Schaltung, die für einen Stoßspannungstest benutzt wird;
13(b) zeigt eine graphische Darstellung von Spannungswellenformen, die bei dem Stoßspannungstest erhalten wurden;
14 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen internen Steuerschaltungsabschnitt des intelligenten, als ein Testbauelement bereitgestellten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate veranschaulicht;
15 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Diffusionsstroms von dem Abstand x und
16 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Verriegelungs- bzw. Einschaltstroms und der Schwellenspannung des MOSFETs der internen Steuerschaltung von der Menge von Dotiermaterial in einer p^– Wanne.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einige Experimente, die bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, und auch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in größeren Einzelheiten beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet der Buchstabe n oder p, wenn er vor Zonen, Schichten oder ähnlichem angegeben ist, daß die Majoritätsträger in diesen Zonen und Schichten Elektronen bzw. Löcher sind. Der Leitungstyp n wird als der erste Leitungstyp betrachtet, wohingegen der Leitungstyp p als der zweite Leitungstyp bezeichnet wird. Diese Leitungstypen können selbstverständlich auch umgekehrt sein.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen intelligenten Transistorchip eines bipolarem Transistors mit isoliertem Gate, der für eine induktive Last vorgesehen ist und als ein Testbauelement für den Einsatz bei einer Zündung eines Kraftfahrzeugs gefertigt wurde. Der Transistorchip (IGBT-Chip) umfaßt eine Sourceelektrode 7, eine Gateelektrode 8, eine interne Steuerschaltung 9, eine Zenerdiode 5 und eine als Reihenschaltung vorliegende Zenerdiodenanordnung 3, die zum Verbessern der Fähigkeit, einem Lawinendurchbruch widerstehen zu können, vorgesehen ist. Die Zenerdiode 5 und die Zenerdiodenanordnung 3 sind unter Verwendung von Polysilicium ausgebildet, das auf einem isolierenden Film auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht worden ist.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines in dieser Weise hergestellten intelligenten Transistors mit isoliertem Gate, die entlang der in 3 gezeigten Linie A-A geschnitten ist. Hierbei werden der Kollektor und der Emitter des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate jeweils als Drain bzw. als Source bezeichnet, d. h. mit denjenigen Bezeichnungen versehen, die üblicherweise bei der Beschreibung eines MOSFETs benutzt werden. In dem linksseitigen Abschnitt gemäß 4 ist ein Haupt-IGBT-Abschnitt 20 gezeigt, der das Schalten des Hauptstroms ausführt. Der Aufbau des Haupt-IGBT-Abschnitts 20 ist im wesentlichen identisch wie derjenige eines bekannten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate. Genauer gesagt, sind gegenseitig beabstandete p Basiszonen 24 in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich an einer der Hauptflächen einer n Driftschicht 2 ausgebildet, die hohen spezifischen Widerstand aufweist, und es sind p⁺ Senken- oder Wannenzonen 25, die eine höhere Dotierungskonzentration und eine größere Diffusionstiefe als die p Basiszonen 24 besitzen, als ein Teil der p Basiszonen 24 ausgebildet und dienen dem Zweck, das Verriegeln bzw. Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors zu verhindern. Eine n⁺ Pufferschicht 22, die einen geringeren spezifischen Widerstandswert als die n Driftschicht 23 besitzt, ist an der anderen Oberfläche der n Driftschicht ausgebildet, und es ist eine p⁺ Drainschicht 21 auf der Oberfläche der n⁺ Pufferschicht 22 entfernt von der n Driftschicht 23 vorhanden. Weiterhin sind n⁺ Sourcezonen 26 in ausgewählten Abschnitten von Oberflächenschichten bzw. -bereichen der p Basiszonen 24 ausgebildet. Eine Gateelektrodenschicht 28 ist aus Polysilicium hergestellt und auf einem Gateoxidfilm 27 ausgebildet, der auf der oder den Oberflächen der p Basiszonen 24 vorhanden ist, die zwischen den n⁺ Sourcezonen 26 und der n Driftschicht 23 eingefügt sind. Auf diese Weise ist ein bipolarer Transistor IGBT mit isoliertem Gate n Kanal hergestellt. Die Oberfläche der Gateelektrodenschicht 28 ist mit einem isolierenden Film 31 bedeckt, der beispielsweise aus Borphosphorquarzglas (BPSG = boron phosphorous silica glass) hergestellt ist und auf dem eine Sourceelektrode 29 vorgesehen ist. Kontaktlöcher sind durch den isolierenden Film 31 hindurchgehend derart ausgebildet, daß die Sourceelektrode 29 mit Oberflächen sowohl der p Basiszonen als auch der n⁺ Sourcezonen 26 in Kontakt steht, und daß weiterhin eine Gateelektrode 32, die aus einem Metall hergestellt ist, mit der Gateelektrodenschicht 28 oder ihrer Verlängerung in Kontakt steht. Eine Drainelektrode 30 ist auf der Oberfläche der p⁺ Drainschicht 21 entfernt von der n⁺ Pufferschicht 22 ausgebildet. In vielen Fällen erstreckt sich die Sourceelektrode 29 über die Gateelektrodenschicht 28 hinweg, wobei der isolierende Film 31 sich dabei zwischen der Sourceelektrode 29 und der Gateelektrodenschicht 28 befindet, wie dies aus 4 ersichtlich ist. Ein Anschluß S und ein Anschluß D sind mit der Sourceelektrode 29 bzw. mit der Drainelektrode 30 verbunden.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Haupt-Transistorabschnitts (IGBT-Abschnitt) 20 erläutert. Wenn eine positive Spannung an die Gateelektrodenschicht 28 angelegt wird, während eine Spannung zwischen die Drainelektrode 30 und die Sourceelektrode 29 angelegt ist, wird ein Inversionskanal in einer Kanalzone 37 in einem Oberflächenbereich jeder p Basiszone 24 direkt unterhalb der Gateelektrodenschicht 28 induziert, und es werden Elektronen von der n⁺ Sourcezone 26 durch den Inversionskanal in die Driftschicht 23 injiziert. Zusätzlich werden Löcher von der p⁺ Drainschicht 21 injiziert, so daß die Drainelektrode 30 und die Sourceelektrode 29 elektrisch miteinander verbunden sind.
Der zentrale Abschnitt gemäß der Darstellung in 4 stellt eine Anordnung zum Schutz des Gates dar. Genauer gesagt, ist eine p^– Senke oder Wanne 34 in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich der n Driftschicht 23 ausgebildet, und es ist die Oberfläche der p^– Wanne 34 mit einem dicken Feldoxidfilm 33 bedeckt. Weiterhin 1st eine Zenerdiode 40 auf dem Feldoxidfilm 33 vorgesehen. Eine Elektrode, die von einem Ende der Zenerdiode 40 herausgeführt ist, ist mit der Sourceelektrode 29 verbunden, wohingegen eine Elektrode, die von dem anderen Ende bzw. Anschluß der Zenerdiode 40 herausgeführt ist, mit der Gateelektrode 32 verbunden ist, an die ein Anschluß G angeschlossen ist. Eine p⁺ Isolationssenke oder -wanne 35 ist in einem peripheren Abschnitt des Haupt-Transistorabschnitts 20 vorgesehen. Auf der Seite rechts von der Zenerdiode 40 ist eine Leitungselektrode 49, die mit der Sourceelektrode 29 zu verbinden ist, so ausgebildet, daß sie mit der Oberfläche der p^– Wanne 34 in Kontakt steht. Weiterhin ist eine p⁺ Leitungs- bzw. Zuleitungssenke oder -wanne 45 unterhalb der Leitungselektrode 49 ausgebildet. Die p⁺ Leitungswanne 45 dient dazu, den Widerstand aufgrund ihres Kontakts mit der Leitungselektrode 49 zu verringern und auf den Widerstand in der seitlichen Richtung der p^– Wanne 34 zu reduzieren. Die p⁺ Leitungswanne 45 kann zur gleichen Zeit wie die Ausbildung der p⁺ Wannenzonen 25 des Haupt-Transistorabschnitts 20 und der p⁺ Isolationswanne 35 ausgebildet werden.
Als ein weiteres Testbauelement wurde eine Halbleiteranordnung des MOS-Typs hergestellt, bei der eine Zenerdiode in einer Oberflächenschicht bzw. einem Oberflächenbereich der n Driftschicht 23 ausgebildet war, die anstelle der aus einer Polysiliciumschicht bestehenden Zenerdiode vorgesehen war.
Der in 4 auf der rechten Seite dargestellte Abschnitt zeigt die interne Steuerschaltung 9, die in den intelligenten bipolaren Transistor mit isoliertem Gate integriert ist. Die interne Steuerschaltung 9 ist gleichartig wie die Gatesteuereinrichtung 50, die in der US 5 621 601 A offenbart ist. Auch wenn dies bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht näher geschildert ist, arbeitet diese Schaltung mit einem Stromerfassungstransistor und einem Stromerfassungswiderstand R_d, wie dies in der US 5 621 601 A offenbart ist.
Ein MOSFET 51 des Anreicherungstyps mit Kanal n sowie ein MOSFET 61 des Verarmungstyps mit Kanal n sind an einer Oberflächenschicht bzw. in einem Oberflächenbereich der p^– Wanne 34 ausgebildet, die in dem Oberflächenbereich der n Driftschicht 23 gebildet ist. Mit den Bezugszeichen 53 und 63 sind n⁺ Drainzonen bezeichnet, die in der Oberflächenschicht bzw. dem Oberflächenbereich der p^– Wanne 34 ausgebildet sind. Ferner sind Drainelektroden 60 und 70 derart vorgesehen, daß sie mit den Oberflächen der n⁺ Drainzonen 53 und 63 in Kontakt stehen. Sourceelektroden 59 und 69 sind derart ausgebildet, daß sie mit Oberflächen der n⁺ Sourcezonen 56 und 66 in Kontakt stehen. Das Bezugszeichen 64 bezeichnet eine n dotierte Kanalzone zum Steuern der Schwellenspannung. Mit den Bezugszeichen 58 und 68 sind Gateelektrodenschichten bezeichnet, die aus Polysilicium bestehen. Die Drainelektrode 70 des MOSFETs 81 des Verarmungstyps mit n Kanal ist mit einem Spannungsversorgungsanschluß (V_DD und Steuereingangsanschluß G gemäß 12) verbunden. In dem MOSFET 51 des Anreicherungstyps wird dann, wenn eine positive Spannung an die Gateelektrode 58 angelegt ist, ein Inversionskanal in einer Kanalzone 57 induziert, d. h. gebildet, die direkt unterhalb der Gateelektrode 58 zwischen der n⁺ Sourcezone 56 und der n⁺ Drainzone 53 angeordnet ist, so daß die Sourceelektrode 59 und die Drainelektrode 60 miteinander in elektrische Verbindung gebracht werden. In dem MOSFET 61 des Verarmungstyps wird dann, wenn eine negative Spannung an die Gateelektrode 68 angelegt wird, eine n^– Verarmungszone 64 oder eine Kanalzone 67, die direkt unterhalb der Gateelektrode 68 zwischen der n⁺ Sourcezone 66 und der n⁺ Drainzone 63 angeordnet ist, verarmt, so daß die Sourceelektrode 69 und die Drainelektrode 70 elektrisch voneinander abgetrennt werden.
Zur Herstellung eines Wafers für den Einsatz bei nachstehend näher beschriebenen Experimenten wird eine Schicht des Typs n (diese bildet die n⁺ Pufferschicht 22) mit einem spezifischen Widerstand von 0,4 Ωcm und einer Dicke von 30 μm epitaktisch auf einer p⁺ Kollektorschicht 21 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm und einer Dicke von 500 μm aufgewachsen, und es wird eine Schicht des Typs n (diese stellt die n^– Driftschicht 23 bereit) mit einem spezifischen Widerstand von 25 Ωm und einer Dicke von 40 μm auf der n⁺ Pufferschicht 22 auflaminiert bzw. als Schicht aufgebracht. Der restliche Teil der Struktur kann in nahezu der gleichen Weise wie die zur Herstellung von bekannten bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate benutzten Prozesse hergestellt werden, mit Ausnahme hinsichtlich kleinerer Änderungen wie etwa unterschiedlicher Maskenmuster. Die p Basiszone 24, die p^– Wanne 34, die p⁺ Wanne 25, die p⁺ Isolationswanne 35, die p⁺ Leitungswanne 45 und eine p Zone der Zenerdiode werden durch Implantieren von Borionen und thermische Diffusion gebildet, und es werden die n⁺ Sourcezonen 26, 56 und 66, die n⁺ Drainzonen 53 und 63, und eine n Zone der Zenerdiode durch Implantieren von Arsenionen oder Phosphorionen und durch thermische Diffusion gebildet. Die p Basiszonen 24 und die n⁺ Sourcezonen 26 werden unter Verwendung der Gateelektrodenschicht 38 als Teil von Masken ausgebildet, so daß die Ränder dieser Zonen 24 und 26 in der gewünschten Weise positioniert werden, und es werden die Breiten dieser Zonen 24 und 26 durch laterale (seitliche) Diffusion der jeweiligen Ionen bestimmt. Die Sourceelektroden 29, 59 und 69, die Drainelektroden 60 und 70, die Leitungselektrode 49 und die Gateelektrode 32 werden durch Sputtern bzw. Aufspratzen einer Aluminiumlegierung und durch nachfolgende Fotolithografie ausgebildet, und es wird die Drainelektrode 30 durch Aufbringen von drei Lagen aus Ti, Ni und Au durch Sputtern ausgebildet, um damit an ein metallisches Substrat angelötet zu werden.
Die Abmessungen der jeweiligen Zonen und Schichten des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate können in folgender Weise festgelegt werden: Die Diffusionstiefe der p⁺ Wanne 25, der p⁺ Isolationswanne 35 und der p⁺ Leitungswanne 45 beträgt jeweils 6 μm, wohingegen die Diffusionstiefe der p Basiszone 24 und der p^– Wanne 34 bei ungefähr 2 μm liegt. Die Diffusionstiefe der n⁺ Sourcezonen 26, 56 und 66 sowie der n⁺ Drainzonen 53 und 63 beträgt jeweils 0,4 μm. Die Dicke des Gateisolationsfilms 27 beträgt 25 nm, während die Dicke der aus Polysilicium hergestellten Gateelektrodenschicht 28 bei 1 μm liegt und die Dicke der Sourceelektrode 29 ungefähr 3 μm beträgt. Die Zenerdiode 40 weist eine Zenerspannung von ungefähr 7 V auf.
Experiment 1
Bei dem bei diesem Experiment benutzten intelligenten bipolaren Transistor mit isoliertem Gate wird für die Zenerdiode 40 (Zp) eine Polysiliciumschicht benutzt, die durch die gleiche, druckreduzierte CVD-Methode (chemische Dampfabscheidung) wie diejenige hergestellt wurde, die zum Ausbilden der Gateelektrodenschicht 29 benutzt wurde. Bei dem Experiment wurde die Übergangslänge der Zenerdiode 40 variiert. Bei dem Prozeß bzw. Ablauf des Experiments wurde gefunden, daß die Zenerdiode 40 nicht notwendigerweise aus einer einzigen Zenerdiode besteht oder bestehen muß, sondern auch dadurch gebildet werden kann, daß eine Mehrzahl von Zenerdioden jeweils parallel zueinander geschaltet werden, vorausgesetzt, daß der Gesamtwert der Sperrschicht- oder Übergangslänge (Junction Length, Länge des pn-Übergangs) geeignet gesteuert wird. Als Ergebnis von unterschiedlichen Analysen wurde der Aufbau gemäß den Darstellungen in den 5(a) und 5(c) eingesetzt. 5(a) zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Zenerdiodenabschnitts, während in 5(b) eine Querschnittsansicht gezeigt ist, die entlang der in 5(a) gezeigten Linie B-B geschnitten ist. In 5(a) sind mit dünnen Linien die Polysiliciumschicht und ihre pn Übergänge angegeben, während die punktierten Linien die Position von Fenstern bezeichnen, die durch den isolierenden Film hindurchgehend ausgebildet sind. Die dicken Linien bezeichnen die Kathodenelektrode 44 und die Anodenelektrode 43 der Zenerdiode. In der Polysiliciumschicht ändert sich ihr Leitungstyp abwechselnd von p zu n oder von n zu p. Die Polysiliciumschicht ist mit dem isolierenden Film bedeckt, wobei nach der Ausbildung von durch den isolierenden Film hindurchgehenden Kontaktlöchern kammförmige Elektroden auf der Polysiliciumschicht ausgebildet werden. Die Polysiliciumschicht besitzt eine Dicke von 1 μm und eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm. Die Breite sowohl der p Anodenzone 41 als auch der n Kathodenzone 42 beträgt jeweils ungefähr 15 μm.
In 6 ist in Form einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit der Stoßspannung, die von dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate verkraftet werden kann, von der Übergangslänge dargestellt, wobei auf der horizontalen Achse die Übergangslänge w der Zenerdiode dargestellt ist, während auf der vertikalen Achse die Stoßtestspannung, d. h. die Testspannung des Spannungsstoßes V_cc dargestellt ist. In der graphischen Darstellung gemäß 6 ist mit ”O” die maximale Spannung angegeben, bei der die Zenerdiode bei Raumtemperatur (25°C) nicht durchbrach, während mit ”•” die maximale Spannung bezeichnet ist, bei der die Zenerdiode bei einer hohen Temperatur (150°C) nicht durchbrach.
Die Ergebnisse des Tests zeigen an, daß sich die Fähigkeit, Stoßspannungen widerstehen zu können, erhöht, wenn sich die Übergangslänge vergrößert. Damit eine ausreichend hohe Fähigkeit erreicht wird, Spannungsstößen widerstehen oder diese aushalten zu können, muß die Übergangslänge daher größer sein als jede gerade Linie, die durch die jeweiligen Sätze von Markierungen ”O” oder ”•” hindurchgehen. Damit die Zenerdiode einer Stoßspannung von 150 V oder mehr widerstehen kann, die normalerweise bei dem praktischen Einsatz auftritt, hat es sich als wünschenswert gezeigt, die Übergangslänge so zu steuern bzw. festzulegen, daß sie gleich 10 mm oder größer ist. Es ist jedoch nutzlos und unerwünscht, die Übergangslänge übermäßig zu erhöhen, so daß die Übergangslänge in der Praxis so gesteuert wird, daß sie 100 mm oder weniger, und vorzugsweise 70 mm oder weniger, beträgt.
Experiment 2
Bei dem Ablauf des vorstehend erläuterten Experiments 1 wurde gefunden, daß ein Einschalten (Latch-up) des parasitären Thyristors, das in 14 dargestellt ist und das ein weiteres Problem von bekannten bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate darstellt, in starker Maße durch den Abstand zwischen dem Haupt-Transistorabschnitt und den MOSFETs der internen Steuerschaltung beeinflußt wird. Dies kann daran liegen, daß Träger (Löcher), die sich während des eingeschalteten Zustands des Haupt-Transistorabschnitts bewegen, in die p^– Wanne 34 eindringen und in der lateralen Richtung diffundieren, wodurch eine Potentialdifferenz hervorgerufen wird, die zu einem Einschalten des parasitären Thyristors führt.
Damit der von dem Haupt-Transistorabschnitt 20 herrührende Diffusionsstrom bewertet werden kann, wurde eine Halbleiteranordnung hergestellt, die eine IGBT-Zelle (Zelle mit bipolarem Transistor mit isoliertem Gate) enthält, wobei die IGBT-Zelle mit einem Abstand x (4) von der Kanalzone 37 des Haupt-Transistorabschnitts 20 beabstandet war, und es wurde der durch die Zelle fließende Strom gemessen.
15 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Diffusionsstroms von dem Abstand x, wobei auf der horizontalen Achse der Abstand x, gemessen von der Kanalzone 37 des Haupt-Transistorabschnitts 20, aufgetragen ist und auf der vertikalen Achse der Diffusionsstrom dargestellt ist. Da der Diffusionsstrom nicht nur von dem Strom des Haupt-Transistorabschnitts 20, sondern auch von der Größe der Zelle abhängt, ist der Maßstab bzw. die Größe dieses Stroms in der graphischen Darstellung beliebig gewählt.
Wie aus 15 ersichtlich ist, nimmt der Diffusionsstrom mit zunehmender Größe des Abstands x ab. Das Einschalten (Latch-up) des parasitären Thyristors kann hierbei wirksam dadurch verhindert werden, daß der Abstand zwischen dem Haupt-Transistorabschnitt 20 und den MOSFETs 51 und 61 der internen Steuerschaltung, genauer gesagt, der Abstand zwischen der Kanalzone 37 des Haupt-Transistorabschnitts 20 und den Kanalzonen 57 und 67 der MOSFETs 51 und 61, vergrößert wird. Es ist allerdings festzustellen, daß das Ausmaß der Verringerung des Diffusionsstroms nicht gleichförmig ist. Genauer gesagt, nimmt der Diffusionsstrom rasch ab, bis der Abstand x den Wert 200 μm erreicht, und verringert sich dann nur noch langsam. Demgemäß wird der Abstand, mit dem die MOSFETs der internen Steuerschaltung von dem Haupt-Transistorabschnitt beabstandet sind, vorzugsweise so gesteuert, daß er gleich 200 μm oder größer ist. Da die Effizienz hinsichtlich der Ausnutzung des Halbleitersubstrats verringert ist, wenn der Abstand x übermäßig vergrößert ist, kann die obere Grenze bei dem praktischen Einsatz bei ungefähr 3 mm liegen.
In den nachfolgend beschriebenen Experimenten wurde ein Wert von 500 μm als der auslegungsgemäße Wert für den Abstand x zwischen dem Haupt-Transistorabschnitt 20 und den MOSFETs 51 und 61 der internen Steuerschaltung gewählt.
Experiment 3
Das Einschalten des parasitären Thyristors hängt auch von der Menge an Dotiermaterial in der p^– Wanne 34 ab. Einige Probenstücke der MOS-Halbleiteranordnung wurden gemäß den nachfolgenden Angaben vorbereitet, um hierdurch den Einschaltstrom bzw. Latch-up-Strom zu bewerten, wobei der Abstand x zwischen dem Haupt-Transistorabschnitt und dem oder den MOSFETs der internen Steuerschaltung auf der Grundlage der vorstehend angegebenen Ergebnisse auf den Wert von 500 μm gesteuert wurde. Die Menge des Dotiermaterials in der p^– Wanne 34 wurde bei diesen Proben variiert. In jeder Probe wurde eine Elektrode auf der n⁺ Sourcezone 56 des MOSFETs vorgesehen, wobei ein Widerstand mit der Elektrode in Reihe geschaltet wurde. Es wurde der durch den Widerstand fließende Strom gemessen, wenn der Stromfluß von einer induktiven Last abgeschaltet wurde. Aufgrund des Einsatzes des in Reihe geschalteten Widerstands konnte der Latch-up-Strom (Einschaltstrom) auf diese Weise bewertet werden, obwohl tatsächlich kein Einschalten (Latch-up) stattfand. In 16 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die die Abhängigkeit des Latch-up-Stroms (Einschaltstroms) von der Menge des Dotiermaterials in der p^– Wanne 34 zeigt, wobei auf der horizontalen Achse die Menge von Borionen aufgetragen ist, die zur Ausbildung der p^– Wanne 34 implantiert wurden. Auf der vertikalen Achse ist auf der rechten Seite der Latch-up-Strom angegeben, wobei auch in diesem Fall der Maßstab bzw. die Größe des Latch-up-Stroms willkürlich gewählt ist.
Wie aus 16 ersichtlich ist, besitzt der Latch-up-Strom große Größe, wenn die Menge an Dotiermaterial in der p^– Wanne 34 klein ist, und nimmt ab, wenn sich die Dotiermaterialmenge erhöht. Ein Latch-up-Effekt (Einschalten) kann folglich um so effektiver verhindert werden, je größer die Menge von Dotiermaterial in der p^– Wanne 34 ist. Es ist jedoch anzumerken, daß das Ausmaß der Verringerung des Latch-up-Stroms nicht gleichförmig ist. Der Latch-up-Strom verringert sich hierbei rasch, bis die Dotiermaterialmenge den Wert 1 × 10¹³ cm^–2 erreicht, und nimmt dann nur noch langsam ab. Demgemäß wird die Menge des Dotiermaterials in der p^– Wanne 34 vorzugsweise so gesteuert, daß sie gleich oder größer als 1 × 10¹³ cm^–2 ist. Der Latch-up-Strom ist reduziert, da dann, wenn die Menge an Dotiermaterial in der p⁺ Wanne 34 erhöht ist, der Basiswiderstand des npn Transistors, der aus der n^– Driftschicht 23, der p^– Wanne 34 und der n⁺ Sourcezone 56 besteht, verringert ist, so daß demzufolge der Transistor nur geringere Tendenz zum Einschalten zeigt.
In 16 ist weiterhin die Abhängigkeit der Schwellenspannung des MOSFETs der internen Steuerschaltung von der Menge des Dotiermaterials in der p⁺ Wanne 34 dargestellt. In 16 ist auf der auf der linken Seite befindlichen vertikalen Achse die Schwellenspannung des MOSFETs der internen Steuerschaltung dargestellt, wobei die Dicke des Gateoxidfilms als Parameter benutzt wird, was mit ”x”, ”Δ” und ”•” dargestellt ist.
Wenn die Dicke des Gateoxidfilms auf 30 nm gesteuert wird, beträgt die Schwellenspannung 1,5 V, wenn die Menge des Dotiermaterials in der p^– Wanne 34 gleich 1 × 10¹³ cm^–2 ist, wobei sich die Schwellenspannung aber auf 4 V oder mehr erhöht, falls die Menge des Dotiermaterials bei 1 × 10¹⁴ cm^–2 liegt. Da es erwünscht ist, daß der MOSFET der internen Steuerschaltung mit dem Ausgangspegel eines Mikrocomputers mit einer Spannungsversorgung von 5 V betrieben werden kann, ist es tatsächlich schwierig, den MOSFET anzusteuern, wenn die Schwellenspannung bei 4 V oder mehr liegt. Falls die Dicke des Gateoxidfilms gleich 25 nm ist, ist die Schwellenspannung etwas geringer als diejenige bei einem Gateoxidfilm mit einer Dicke von 30 nm, wobei sich jedoch auch in diesem Fall die gleiche Tendenz wie in dem Fall der Dicke von 30 nm zeigt. Folglich wird die Menge an Dotiermaterial in der p^– Wanne 34 vorzugsweise so gesteuert, daß sie nicht größer ist als 1,3 × 10¹⁴ cm^–2 ^, so daß die Schwellenspannung gleich 4 V oder weniger wird.
Im Hinblick auf die beiden vorstehend beschriebenen Faktoren wird die Menge an Dotiermaterial in der p^– Wanne 34 vorzugsweise so gesteuert, daß sie in dem Bereich von 1 × 10¹³ bis 1,3 × 10¹⁴ cm^–2 liegt.
in den nachfolgend angegebenen Experimenten wurde ein Wert von 2 × 10¹³ cm^–2 als der entwurfsmäßige Wert für die Menge an Dotiermaterial der p^– Wanne 34 gewählt.
Experiment 4
Weiterhin wurde gefunden, daß das Einschalten (Latch-up) des parasitären Thyristors, das in 14 dargestellt ist, bei der Abschaltung von dem Abstand x (dieser ist in 4 dargestellt) zwischen der Leitungselektrode 49 und den MOSFETs 51 und 61 der internen Steuerschaltung in starker Maße beeinflußt wird. Auch in diesem Fall ergibt sich, daß der Basiswiderstand eines npn Transistors, der aus der n^– Driftschicht 23, der p^– Wanne 34 und der n⁺ Sourcezone 56 besteht, geringer wird, wenn der Abstand y verkleinert wird, so daß sich das Ergebnis einstellt, daß die Potentialdifferenz in der p^– Wanne 34 direkt unterhalb des MOSFETs 51 und 61 verringert ist. Der npn Transistor zeigt daher nur noch geringere Tendenz, eingeschaltet zu werden.
Einige Proben von Halbleiteranordnungen einschließlich der MOSFETs 51 und 61 wurden hergestellt, bei denen der Abstand y zu der Leitungselektrode 49 (genauer gesagt, der Abstand von der Leitungselektrode 49 zu den n⁺ Sourcezonen 56 und 66 oder den n⁺ Drainzonen 53 und 63) variiert wurde. Bei einigen dieser Proben, bei denen der Abstand y den Wert von 100 μm überschritt, ergab sich ein Latch-up-Durchbruch, wohingegen bei den Proben, bei denen der Abstand y 80 μm oder weniger betrug, kein Durchbruch auftrat. Als unterer Grenzwert kann der Abstand y gleich 0 μm sein, da kein Problem auftrat, wenn die Sourceelektrode 59 des MOSFETs 51 in Kontakt mit der p^– Wanne 34 gebracht wurde.
Demgemäß wird der Abstand y zu der Leitungselektrode 49 vorzugsweise so gesteuert, daß er nicht größer ist als 100 μm. Im folgenden wurde ein Wert von 30 μm als der auslegungsgemäße Wert für den Abstand y zwischen der Leitungselektrode 49 und den MOSFETs 51 und 61 der internen Steuerschaltung gewählt.
Auf der Basis der bei den vorstehend beschriebenen Experimenten erhaltenen Ergebnisse wurde ein intelligenter bipolarer Transistor mit isoliertem Gate hergestellt, bei dem die Ergebnisse gemäß den Experimenten 2 bis 4 verwirklicht waren, und bei dem die Übergangslänge der aus Polysilicium hergestellten Zenerdiode einen großen Wert von 40 nm aufwies.
Dieser intelligente bipolare Transistor mit isoliertem Gate war imstande, einer Stoßspannung (Spannungsstoß) zu widerstehen, bei der die Versorgungsspannung gleich ±300 V betrug, wobei gefunden wurde, daß dieser bipolare Transistor bei tatsächlichen Anwendungen in zufriedenstellender Weise betreibbar war.
Speziell war die Zenerdiode 5 zwischen einer Sourceanschlußfläche 7a und einer Gateanschlußfläche 8 des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeordnet, wie dies aus 1(b) ersichtlich ist, und zwar derart, daß die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode der Zenerdiode integriert bzw. gemeinsam mit der Sourceanschlußfläche 7a und der Gateanschlußfläche 8 ausgebildet waren. Hierdurch konnte die andernfalls vorhandene Notwendigkeit entfallen, eine Verdrahtung hierfür vorzusehen. Demzufolge litt die interne Steuerschaltung nicht unter in ihr induzierten Störungen, und war imstande, stabile Operationen auszuführen, d. h. stabil zu arbeiten.
Experiment 5
Als nächstes wurde ein intelligenter bipolarer Transistor (Z₁) mit isoliertem Gate hergestellt, bei dem eine Zenerdiode in einer Oberflächenschicht bzw. -region der n Driftschicht ausgebildet wurde, und zwar für den Einsatz bei einer Untersuchung, bei der die Übergangslänge der Zenerdiode 40a variiert wurde. 7(a) zeigt eine Draufsicht, die einen Teil eines Zenerdiodenabschnitts des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate zeigt, während in 7(b) ein Querschnitt dargestellt ist, der entlang der in 7(a) gezeigten Linie C-C geschnitten ist. In 7(a) bezeichnen dünne Linien Diffusionszonen der Zenerdiode, wohingegen punktierte Linien die Position von Fenstern angeben, die durch den isolierenden Film hindurchgehend ausgebildet sind. Mit dicken Linien sind die Kathodenelektrode 44 und die Anodenelektrode 43 der Zenerdiode veranschaulicht. Eine p Anodenzone 41 wurde durch Implantieren von Borionen in den Oberflächenbereich der n Driftschicht und durch Ausführen einer Wärmebehandlung ausgebildet. Streifenförmige n Kathodenzonen 42 wurden durch Implantieren von Arsenionen in ausgewählte Bereiche der p Anodenzone 41 und durch Ausführen einer Wärmebehandlung gebildet. Die Dosierungsmengen der p Anodenzone 41 und der n⁺ Kathodenzone 42 betrugen jeweils 2 × 10¹⁵ cm^–2 bzw. 5 × 10¹⁵ cm^–2, und es hatten die Diffusionstiefen dieser Zonen 41 und 42 einen Wert von 6 μm bzw. 0,5 μm. Zusätzlich wurden eine kammförmige Anodenelektrode 43 und eine kammförmige Kathodenelektrode 44 vorgesehen, um hierdurch eine Zenerdiode zu schaffen, die eine Zenerspannung von ungefähr 4 V aufwies.
Auch in diesem Fall muß die Zenerdiode 40a nicht notwendigerweise aus einer einzigen Zenerdiode bestehen, sondern kann auch dadurch gebildet werden, daß eine Mehrzahl von Zenerdioden jeweils parallel zueinander geschaltet werden, vorausgesetzt, daß der Gesamtwert der Übergangslänge geeignet gesteuert wird.
6 zeigt eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Stoßspannung (Spannungsstöße), der der intelligente bipolare Transistor mit isoliertem Gate widerstehen kann, von der Übergangslänge veranschaulicht, wobei die Ergebnisse durch punktierte Linien dargestellt sind. In dieser zeichnerischen Darstellung bezeichnen ”Δ” und ”
” die maximalen Spannungen, bei denen die Zenerdiode bei Raumtemperatur (25°C) bzw. bei hoher Temperatur (150°C) keinen Durchbruch zeigte.
Die Ergebnisse des Tests zeigen an, daß sich die Fähigkeit, einer Stoßspannung widerstehen zu können, erhöht, wenn sich die Übergangslänge vergrößert. Damit eine ausreichend hohe Fähigkeit erzielt wird, einer Stoßspannung widerstehen oder diese verkraften zu können, muß daher die Übergangslänge größer sein als jede gerade Linie, die durch jeden Satz der Punkte Δ und
hindurchgeht. Damit die Zenerdiode imstande ist, einem Spannungsstoß von 150 V oder mehr widerstehen zu können, der normalerweise während des praktischen Einsatzes auftritt, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Übergangslänge so zu steuern, daß sie gleich 1,0 mm oder größer ist. Bei tatsächlichen Anwendungen ist es wünschenswert, die Übergangslänge so zu steuern, daß sie gleich 10 mm oder weniger und vorzugsweise gleich 5 mm oder weniger ist.
Falls die Zenerdiode in dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, kann die Übergangslänge lediglich ein Zehntel der Übergangslänge der Zenerdiode bei dem Ausführungsbeispiel sein, bei dem die Polysiliciumschicht zum Einsatz kommt. Dies liegt daran, daß das aus einem Einkristall hergestellte Halbleitersubstrat einen hohen Grad an Kristallinität zeigt und eine gute Fähigkeit zur Verteilung bzw. Ableitung von Wärme besitzt.
Auf der Grundlage der vorstehend erläuterten Ergebnisse der Experimente wurde ein intelligenter bipolarer Transistor mit isoliertem Gate hergestellt, in dem die Ergebnisse der Experimente 2 bis 4 verkörpert waren und bei dem die Übergangslänge der Zenerdiode, die hier in dem Halbleitersubstrat ausgebildet wurde, einen großen Wert von 3 mm aufwies. Auch wenn die Fläche der Zenerdiode so verringert war, daß sie nur ungefähr ein Achtel der Fläche der Zenerdiode des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels betrug, war der intelligente bipolare Transistor mit isoliertem Gate gemäß diesem vorliegenden Ausführungsbeispiel imstande, einer Stoßspannung widerstehen zu können, bei der die Versorgungsspannung gleich ±300 V betrug, wobei sich auch ergab, daß der Transistor bei einem tatsächlichen Einsatz in zufriedenstellender Weise arbeitete. Ferner konnte die Fläche seines Zellbereichs in demjenigen Ausmaß vergrößert werden, um das die Fläche der Zenerdiode verringert war.
Speziell war hierbei die Zenerdiode zwischen einer Sourceanschlußfläche und einer Gateanschlußfläche des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeordnet, wie dies in 1(b) gezeigt ist, und zwar derart, daß die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode der Zenerdiode integriert mit der Sourceanschlußfläche und der Gateanschlußfläche ausgebildet waren. Hierdurch ist die Notwendigkeit entfallen, eine Verbindungsverdrahtung in diesem Bereich vorzusehen. Demzufolge leidet die interne Steuerschaltung nicht unter in ihr induzierten Störungen, die durch eine solche Verdrahtung hervorgerufen werden könnten, und ist imstande, stabile Arbeitsvorgänge auszuführen.
Wenn die Zenerdiode in dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, kann die Fläche der Zenerdiode in erheblichem Maß verringert werden. Beispielsweise arbeiten in dem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate, in dem die p⁺ Drainschicht unterhalb der n Driftschicht angeordnet ist, diese n Driftschicht und die p⁺ Drainschicht mit der p Anodenzone und der n⁺ Kathodenzone der Zenerdiode zusammen, wodurch ein Aufbau mit vier Schichten geschaffen wird. Hierdurch ergibt sich ein parasitärer Thyristor, wodurch das Problem des Einrastens (Latch-up) bzw. Einschaltens des parasitären Thyristors begründet wird.
Es wird eine Lösung für dieses Problem erläutert. In 1(a) ist ein Schaltbild dargestellt, das eine Äquivalenzschaltung eines Halbleiterelements des MOS-Typs zeigt. In dieser Schaltung ist eine Zenerdiode Z_1p, die aus einer Polysiliciumschicht besteht, zwischen dem Gate G und der Source S eingefügt, und es sind eine Zenerdiode Z₂₁, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und eine Zenerdiode Z_3pr, die aus einer Polysiliciumschicht besteht und in der entgegengesetzten Richtung orientiert ist, parallel zu der Zenerdiode Z_1p geschaltet. Eine als Reihenschaltung ausgebildete Zenerdiodenanordnung zwischen dem Gate g des die Ausgangsstufe bildenden bipolaren Transistors 4 mit isoliertem Gate und dem Drain D ist in 1(a) nicht gezeigt.
Hierbei ist es wesentlich, daß die Summe aus der Durchbruchspannung der Zenerdiode Z₂₁, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und der Durchlaß- oder Vorwärtsspannung der in entgegengesetzter Richtung gepolten Zenerdiode Z_3pr, die in Form einer Schicht aus Polysilicium ausgebildet ist, gleich groß wie oder kleiner als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p ist, die in der Form einer Schicht aus Polysilicium vorliegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p 7 V, und es liegt die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z₂₁ bei ungefähr 4 V. In diesem Fall fließt dann, wenn eine Stoßspannung (Spannungsstoß) an das Gate G angelegt wird, ein Stromstoß in Richtung zu den Dioden Z₂₁ und t_3r. Demgemäß ist bei diesem Ausführungsbeispiel für die zu Schutzzwecken vorgesehene Zenerdiode nur eine kleinere Fläche als bei der bei dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehenen, aus Polysilicium bestehenden Zenerdiode erforderlich, wobei diese Zenerdiode dennoch imstande ist, einer großen Stoßspannung zu widerstehen.
Da ferner die in Gegenrichtung gepolte und aus einer Polysiliciumschicht bestehende Zenerdiode Z_3pr in Reihe mit der Zenerdiode Z₂₁ geschaltet ist, die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, tritt kein parasitärer Thyristor in dem Zenerdiodenabschnitt auf, so daß sich demzufolge in diesem Zenerdiodenabschnitt kein Problem hinsichtlich eines ”Latch-up” stellt.
1(b) zeigt eine Draufsicht, die die als MOS-Typ ausgeführte Halbleiteranordnung gemäß 1(a) veranschaulicht. Die Halbleiteranordnung enthält eine Sourceelektrode 7 des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate, die interne Steuerschaltung 9 und die Zenerdiode 5. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Fläche der Zenerdiode 5 eine Größe von ungefähr einem Drittel der Fläche der Zenerdiode bei der in 3 gezeigten Halbleiteranordnung.
2(a) zeigt eine vergrößerte Ansicht, in der der Zenerdiodenabschnitt 5 dieses dritten, in 1(b) gezeigten Ausführungsbeispiels der in MOS-Ausführungsform vorlegenden Halbleiteranordnung dargestellt ist. Wie in 2(a) gezeigt ist, nimmt die Zenerdiode Z_1p, die aus Polysilicium hergestellt ist, ungefähr eine Hälfte des Zenerdiodenabschnitts 5 ein, und es ist die Zenerdiode Z₂₁ in ungefähr einem Viertel der gesamten Fläche des Halbleitersubstrats in diesem Abschnitt 5 ausgebildet. Demgegenüber nimmt die in Rückwärtsrichtung gepolte Zenerdiode Z_3pr, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht, ungefähr ein Viertel des Zenerdiodenabschnitts 5 ein. Die Übergangslängen der Zenerdioden Z_1p, Z₂₁ und Z_3pr betragen jeweils 4 mm, 3 mm bzw. 3 mm. 2(b) zeigt die Ausgestaltung und Anordnung der Verbindung zwischen den Elektroden der jeweiligen Zenerdioden Z_1p, Z₂₁ und Z_3pr gemäß 2(a).
Jede Zenerdiode weist eine kammförmige Anodenelektrode und eine kammförmige Kathodenelektrode auf. Die Kathodenelektrode K₁ der Zenerdiode Z_1p ist mit der Anodenelektrode A₃ der Zenerdiode Z_3pr verbunden und es ist die Anodenelektrode A₁ der Zenerdiode Z_1p an die Anodenelektrode A₂ der Zenerdiode Z₂₁ angeschlossen. Die Kathodenelektrode K₂ der Zenerdiode Z₂₁ ist mit der Kathodenelektrode K₃ der Zenerdiode Z_3pr verbunden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zenerdiode zwischen der Sourceanschlußfläche und der Gateanschlußfläche des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeordnet, so daß demzufolge die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode der Zenerdiode mit der Sourceanschlußfläche bzw. mit der Gateanschlußfläche integriert bzw. zusammengefaßt ausgebildet sein können, wodurch die Notwendigkeit, eine Verbindungsverdrahtung in diesem Bereich vorzusehen, beseitigt ist. Demzufolge leidet der intelligente bipolare Transistor mit isoliertem Gate nicht unter in der internen Steuerschaltung induzierten Störungen und ist imstande, stabile Arbeitsvorgänge auszuführen. Hierdurch werden zufriedenstellende dynamische Eigenschaften sichergestellt.
Erstes Ausführungsbeispiel:
8 zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines als Schutz vorgesehenen Zenerdiodenabschnitts einer in MOS-Ausführungsform ausgebildeten Halbleiteranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zenerdiode Z_1p, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht, zwischen das Gate G und die Source S geschaltet, um hierdurch das Bauelement gegenüber Spannungsstößen zu schützen. Die Verbindungslänge der Zenerdiode Z_1p betragt vorzugsweise 10 mm oder mehr. Weiterhin sind ein Widerstand R₁ und eine Zenerdiode Z_5p zwischen das Gate G und die Source S geschaltet, und es ist ein zwischen dem Widerstand R₁ und der Zenerdiode Z vorhandener Verbindungspunkt an einen Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung 9 des bipolaren Transistors 4 mit isoliertem Gate angeschlossen. Eine in Reihenschaltung ausgebildete Zenerdiodenanordnung ist zwischen dem Gate g des bipolaren Transistors 4 der Ausgangsstufe und dem Drain D vorgesehen, jedoch in 8 nicht dargestellt.
Die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p ist so festgelegt, daß sie gleich groß wie oder kleiner als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p ist. In dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel liegt die Durchbruchspannung von beiden Zenerdioden Z_1p und Z_5p jeweils bei 7 V, und es weist der Widerstand R₁ einen Widerstandswert von 150 Ω auf.
Bei dieser Ausgestaltung wird dann, wenn eine Stoßspannung zwischen dem Gate G und der Source S auftritt und diese Stoßspannung auf der Seite des Gates G positiven Pegel besitzt, diese Spannung auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p geklemmt. Die Klemmspannung wird dann an den Widerstand R₁ und die Zenerdiode Z_5p angelegt. Als Ergebnis dessen wird die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung 9 des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angelegt. Folglich ist die Spannung, die an dem Spannungsversorgungsanschluß V_DD angelegt wird, niedriger als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p und zwar um eine Größe niedriger, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand R₁ entspricht.
Selbst wenn die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p gleich groß ist wie diejenige der Zenerdiode Z_1p, ist die Spannung, die durch die Zenerdiode Z_1p geklemmt wird, erheblich größer als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p, was an dem Betriebswiderstand bzw. Arbeitswiderstand liegt. Die Spannung, die an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung angelegt wird und die dadurch erhalten wird, daß die Größe des Spannungsabfalls an dem Widerstand R₁ von der Klemmspannung subtrahiert wird, ist nämlich ungefähr gleich groß wie die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_Sp. Folglich ist die Spannung, die an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD angelegt wird, erheblich verringert, und zwar im Vergleich mit der Spannung, die zwischen dem Gate G und der Source S angelegt ist. Bei dieser Ausgestaltung zeigt der intelligente bipolare Transistor mit isoliertem Gate eine verbesserte Fähigkeit, Stoßspannungen widerstehen zu können, und es kann der Einfluß der Stoßspannung auf die interne Steuerschaltung verringert werden.
Wenn eine Stoßspannung zwischen dem Gate G und der Source S angelegt wird, die auf der Seite der Source S positiv ist, wird diese Spannung auf die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_1p geklemmt. Die Klemmspannung wird dann an den Widerstand R₁ und die Zenerdiode Z_5p angelegt. Folglich wird die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_5p, die kleiner ist als die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_1p, und zwar um eine Größe kleiner ist, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand R₁ entspricht, an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angelegt.
Wenn eine Stoßspannung, die auf der Seite der Source S positiv ist, zwischen dem Gate G und der Source S angelegt wird, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, daß ein Durchbruch auftritt, was an dem Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors liegt, der in der internen Steuerschaltung auftritt, wie dies bereits vorstehend erläutert ist. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate wird jedoch an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD eine Spannung angelegt, die um die Größe des Spannungsabfalls an dem Widerstand R₁ verringert ist, und es kann daher ein auf einen solchen Latch-up-Effekt zurückzuführender Durchbruch verhindert werden.
Insbesondere ist es dann, wenn die Zenerdiode Z_5p und der Widerstand R₁ aus Polysiliciumschichten hergestellt sind, möglich, das Problem zu vermeiden, daß ein parasitärer Thyristor auftritt, der andernfalls in dem Zenerdiodenabschnitt dann auftreten könnte, wenn die Zenerdiode in dem Halbleitersubstrat ausgebildet wäre. Hierdurch ist es möglich, den intelligenten bipolaren Transistor mit isoliertem Gate mit verbesserter Zuverlässigkeit zu betreiben.
Zweites Ausführungsbeispiel:
9 zeigt ein Schaltbild, in dem eine Äquivalenzschaltung eines zum Schutz vorgesehenen Zenerdiodenabschnitts einer in MOS-Ausführungsform ausgelegten Halbleiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht ist. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Verbesserung gegenüber dem ersten, in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel dar.
Zusätzlich zu der Ausgestaltung des ersten, in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels sind ein Widerstand R₂ und eine Zenerdiode Z_6p auf der Seite des Steuereingangs (g) des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeschlossen. Die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_6p ist so festgelegt, daß sie gleich groß wie oder kleiner als die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p ist.
Wenn bei dieser Ausgestaltung ein Spannungsstoß, der auf der Seite des Gates G positiven Pegel besitzt, zwischen dem Gate G und der Source S angelegt wird, wird der Spannungsstoß auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_1p geklemmt, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht, und es wird die Klemmspannung an den Widerstand R₁ und die Zenerdiode Z_5p angelegt. Weiterhin wird die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_5p an den Widerstand R₂ und die Zenerdiode Z_6p angelegt. Als Ergebnis indessen wird die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_6p an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung des intelligenten bipolarem Transistors mit isoliertem Gate angelegt. Folglich ist die Spannung, die an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD angelegt ist, noch weiter um die Größe des Spannungsabfalls an dem Widerstand R₂ verringert, und zwar im Vergleich mit der Spannung, die an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD bei dem ersten Ausführungsbeispiel angelegt wird.
Wenn ein Spannungsstoß, der auf der Seite S positiven Pegel besitzt, zwischen dem Gate G und der Source S angelegt wird, wird die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_5p um eine Größe, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand R₁ entspricht, kleiner als die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_1p, und es wird die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_6p um eine Größe, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand R₂ entspricht, kleiner als die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_5p. Als Ergebnis dessen wird die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_6p an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD der internen Steuerschaltung des intelligenten bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angelegt. Wenn beispielsweise die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_1p gleich 2 V ist, ist die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_5p gleich 1 V, und es ist die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_6p gleich 0,6 V. Bei dem intelligenten bipolaren Transistor mit isoliertem Gate gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist daher die Spannung, die an den Spannungsversorgungsanschluß V_DD angelegt wird, im Vergleich mit der bei dem ersten Ausführungsbeispiel auftretenden Spannung noch weiter um die Größe des Spannungsabfalls an dem Widerstand R₂ verringert, und es kann somit ein Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors in der internen Steuerschaltung verhindert werden. Auf diese Weise kann der Einfluß einer Stoßspannung auf die interne Steuerschaltung noch weiter verringert werden, und zwar auch im Vergleich mit dem vorhergehenden ersten Ausführungsbeispiel.
Wenn die Zenerdioden Z_5p und Z_6p sowie die Widerstände R₁ und R₂ aus Schichten aus Polysilicium hergestellt werden, ist es möglich, die durch einen parasitären Thyristor in dem Zenerdiodenabschnitt hervorgerufenen Probleme zu vermeiden, wie dies auch bei den vorhergehend erläuterten Ausführungsbeispielen der Fall ist. Es ist leicht ersichtlich, daß die vorstehend erläuterte Technik auch zur Erweiterung des Zenerdiodenabschnitts auf eine mehrstufige Ausgestaltung eingesetzt werden kann, die zusätzliche Zenerdioden Z_7p, Z_8p, ... und zusätzliche Widerstände R₃, R₄, ... enthält.
Drittes Ausführungsbeispiel:
10 zeigt ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines zu Schutzzwecken vorgesehenen Zenerdiodenabschnitt einer in MOS-Ausführungsform vorliegenden Halbleiteranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zenerdiode Z_1p, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht, zwischen das Gate G und die Source S geschaltet, um hierdurch das Bauelement gegenüber Spannungsstößen zu schützen. Die Übergangslänge der Zenerdiode Z_1p ist vorzugsweise so gesteuert, daß sie gleich 10 mm oder größer ist. Weiterhin ist eine Zenerdiode Z_4p, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht und eine umgekehrte Polarität, im Vergleich zu derjenigen der Zenerdiode Z_1p, aufweist, auf der Seite des Spannungsversorgungsanschlusses V_DD der internen Steuerschaltung des bipolaren Transistors mit isoliertem Gate angeschlossen. Eine als Reihenschaltung vorlegende Zenerdiodenanordnung zwischen dem Gate g des in der Ausgangsstufe vorhandenen bipolaren Transistors 4 mit isoliertem Gate und dem Drain D ist in 10 nicht gezeigt.
Wenn bei dieser Ausgestaltung ein Spannungsstoß, der auf der Seite der Source S positiv ist, zwischen dem Gate G und der Source S angelegt wird, wird diese Spannung auf die Vorwärtsspannung der Zenerdiode Z_1p geklemmt bzw. begrenzt. Während die in dieser Weise begrenzte Spannung an die interne Steuerschaltung angelegt wird, wird diese Spannung auch an die Zenerdiode Z_4pr angelegt, wenn die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z_4pr ausreichend groß ist, und es kann das Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors in der internen Steuerschaltung, der beispielsweise in 14 gezeigt ist, verhindert werden.
Insbesondere dann, wenn die Zenerdiode Z_4pr aus einer Schicht aus Polysilicium hergestellt ist, ist der Zenerdiodenabschnitt frei von Problemen, die durch einen parasitären Thyristor hervorgerufen werden und die andernfalls auftreten könnten, wenn die Zenerdiode in dem Halbleitersubstrat ausgebildet wäre. Damit ist der Zenerdiodenabschnitt imstande, einen Betrieb mit hoher Zuverlässigkeit auszuführen.
Auch wenn die dargestellten Ausführungsbeispiele sich mit intelligenten bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate befassen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf intelligente Halbleiteranordnungen beschränkt, die Sensorabschnitte bzw. Detektorabschnitte umfassen, sondern kann in gleicher Weise auch bei üblichen MOSFETs, bipolaren Transistoren IGBT mit isoliertem Gate und anderen Bauelementen eingesetzt werden.
Gemäß den vorstehenden Erläuterungen der vorliegenden Erfindung ist es als wichtig erkannt worden, den Abstand zwischen dem Haupt-MOS-Halbleiterelement und dem oder den MOS-Halbleiterelementen der internen Steuerschaltung, die Menge an Dotiermaterial in einer Isolationswanne und den Abstand zwischen der Leitungselektrode und dem oder den MOS-Halbleiterelementen der internen Steuerschaltung in geeigneter Weise zu steuern, um hierdurch das Auftreten eines Einschaltens (Latch-up) eines parasitären Thyristors zu verhindern.
Insbesondere ist die MOS-Halbleiteranordnung mit einer Schutzeinrichtung versehen, die einen ersten Zweig, der eine erste Zenerdiode Z_1p umfaßt, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht und auf einem isolierendem Film auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und einen zweiten Zweig enthält, der eine zweite Zenerdiode Z₂₁, die in einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und eine dritte Diode Z_3pr umfaßt, die aus einer Schicht aus Polysilicium besteht, die auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei die dritte Diode in Reihe mit der zweiten Zenerdiode, jedoch mit umgekehrter Polarität geschaltet ist, und wobei der erste und der zweite Zweig jeweils parallel zueinander geschaltet sind. Bei der in dieser Weise aufgebauten, in MOS-Ausführung vorliegenden Halbleiteranordnung treten keine Probleme hinsichtlich eines Einschaltens (Latch-up) eines parasitären Thyristors auf, und es ist nur eine verringerte Fläche für die Schutzeinrichtung erforderlich.
Falls der erste Zweig, der eine Zenerdiode enthält, und der zweite Zweig, in dem ein Widerstand und eine Zenerdiode in Reihe geschaltet sind, zwischen den Steuereingangsanschluß G und einen der Ausgangsanschlüsse S der Anordnung geschaltet sind, kann die Spannung, die auf die Durchbruchspannung oder die Vorwärtsspannung der Zenerdiode des ersten Zweigs begrenzt ist, um eine Größe verringert werden, die dem Spannungsabfall an dem Widerstand entspricht, und es kann folglich die Last bzw. Belastung verringert werden, die auf die interne Steuerschaltung der Halbleiteranordnung des MOS-Typs ausgeübt wird. Dies führt zu einer Verringerung des Einflusses von Spannungsstößen auf das Bauelement und verhindert das Einschalten (Latch-up) eines parasitären Thyristors. Ferner kann eine große Anzahl von Stufen, die jeweils eine Kombination aus Widerstand und Zenerdiode enthalten, vorgesehen werden, um hierdurch den Einfluß von Spannungsstößen noch weiter zu verringern und einen zuverlässigen Betrieb des Bauelements sicherzustellen.
In den letzten Jahren werden MOS-Typ-Halbleiteranordnungen, die als Schaltelemente in Schaltachaltungen für eine induktive Last dienen, wie etwa beispielsweise solche für den Einsatz in Zündungen, zunehmend schweren Belastungen unterzogen, was durch die Vereinfachung der Schaltungen, in denen keine Snubberelemente mehr vorgesehen sind, und durch die Verringerung der Größe der Bauelemente bedingt ist. Die vorstehend erläuterte Erfindung stellt hierbei einen großen Beitrag zur Verbesserung der Fähigkeit bereit, einem Durchbruch widerstehen zu können, und verbessert damit die dynamischen Eigenschaften der Bauelemente.

Claims

MOS-Halbleiteranordnung mit einem Halbleitersubstrat, einem Halbleiterelement (4) in MOS-Ausführung, das einen Steuerabschnitt mit MOS-Struktur umfaßt, einem ersten Ausgangsanschluß (S) und einem zweiten Ausgangsanschluß (D), mit denen zwei Ausgänge des Halbleiterelements (4) verbunden sind, einem Steuereingangsanschluß (G), mit dem ein Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) verbunden ist, einer internen Steuerschaltung (9), die zwischen den Steuereingangsanschluß (G) und den Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) geschaltet ist, und einer Schutzeinrichtung, die zwischen den Steuereingangsanschluß (G) und den ersten Ausgangsanschluß (S) geschaltet ist, zum Schutz gegen Überspannungen dient und einen ersten Zweig, der eine erste Zenerdiode (Z_1p) enthält, und einen zweiten Zweig umfaßt, in dem ein erster Widerstand (R₁; R₂) und eine zweite Zenerdiode (Z_5p; Z_6p) in Reihe geschaltet sind, derart, daß ein zwischen dem ersten Widerstand (R₁; R₂) und der zweiten Zenerdiode (Z_5p; Z_6p) vorhandener Verbindungspunkt an den Steuereingang (g) des Halbleiterelements (4) angeschlossen ist, wobei der erste Zweig und der zweite Zweig parallel zueinander geschaltet sind und der erste Widerstand (R1; R2) auf einem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zenerdiode (Z_1p) und die zweite Zenerdiode (Z5p; Z6p) auf dem isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, die interne Steuerschaltung (9) ein Halbleiterelement in MOS-Ausführung aufweist, das einen Steuerabschnitt mit MOS-Aufbau umfaßt und in einer selbstisolierenden Zone oder einer übergangsisolierten Zone integriert ausgebildet ist, die in einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats gebildet ist, wobei eine Kanalzone des Halbleiterelements (4) einen Abstand von mindestens 200 μm von einer Kanalzone des Halbleiterelements der internen Steuerschaltung (9) aufweist.
MOS-Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (R1; R2) und die Zenerdioden (Z_1p, Z_5p) aus Polysilicium bestehen.
MOS-Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig der Schutzeinrichtung eine erste Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand (R₂) und der zweiten Zenerdiode (Z_6p), sowie eine zweite Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand (R₁) und einer dritten Zenerdiode (Z_5p) aufweist, von denen die erste Reihenschaltung parallel zur dritten Zenerdiode (Z_5p) und die zweite Reihenschaltung parallel zur ersten Zenerdiode (Z_1p) geschaltet sind.
MOS-Halbleiteranordnung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Dotiermaterial in der selbstisolierenden Zone oder der übergangsisolierten Zone, die in der Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, in dem Bereich von 1 × 10¹³ bis 1 × 10¹⁴ cm^–2 liegt.
MOS-Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Leitungselektrode, die in Kontakt mit einer Oberfläche der selbstisolierenden Zone oder der übergangsisolierten Zone ausgebildet ist und die mit dem ersten Ausgangsanschluß (S) verbunden ist, wobei die Leitungselektrode einen Abstand von der Kanalzone des Halbleiterelements der internen Steuerschaltung (9) von nicht mehr als 100 μm aufweist.