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Die
vorliegende Erfindung betrifft Bauteile, welche in ein und demselben
Substrat vertikale MOS-Leistungstransistoren vom Diffusionstyp (VDMOS)
in Verbindung mit logischen Schaltungen enthalten.
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1 zeigt
in stark schematischer Weise einen Teil eines derartigen Bauteils.
Dieser umfasst ein Substrat vom N-Typ, das allgemein aus einer auf
einem Substrat 2 vom N+-Typ gebildeten
Epitaxialschicht 1 vom N-Typ besteht. Im rechten Teil ist
ein Leistungstransistor ausgebildet, im linken Teil ein Logik-Graben
bzw. -Kasten.
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Der
Leistungstransistor weist eine Gruppe oder ein Aggregat gleichartiger
miteinander verbundener Zellen nach Art der Zelle 3 auf.
Jede Zelle weist jeweils einen Graben bzw. Kasten 4 vom
P-Typ auf, dessen Mittelteil 5 stärker dotiert ist. Im oberen Teil
des Grabens bzw. Kastens ist ein Ring 6 vom N-Typ ausgebildet.
Der den Außenumfang
des N-Typ-Rings vom Außenumfang
des Grabens bzw. Kastens vom P-Typ trennende Teil ist mit einem
isolierten Gate 8 überzogen
und der N-Typ-Ring 6 sowie der Mittelteil 5 des
Grabens sind mit einer Metallisierung 9 überzogen.
Sämtliche
Gates 8 sind mit einem Gate-Anschluss G verbunden und sämtliche
Metallisierungen 9 mit einem Source-Anschluss S. Die Rückseite
des Strukturgebildes ist mit einer Drain-Metallisierung D überzogen.
Somit kann beim Anlegen eines Gate-Signals ein Strom vom Anschluss
D zum Anschluss S von den N-Bereichen 1 und 2 zu
den N-Bereichen 6 fließen,
wobei er einen unter den iso lierten Gates ausgebildeten Kanal durchsetzt.
Diese Struktur wird allgemein so verwendet, dass der Drain-Bereich
auf ein relativ bezüglich dem
Source-Anschluss
positives Potential vorgespannt wird.
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Zwar
wurden vorstehend gleichartige "Zellen" erwähnt, jedoch
kann der Leistungstransistor eine fingerartige Struktur besitzen.
Die Bereiche 6 sind dann nicht "Ringe". Einfachheitshalber wird jedoch im
folgenden die Ausdrucksweise Ringe beibehalten.
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Logische
Schaltungen sind in einem Graben oder mehreren Gräben bzw.
Kästen 10 ausgebildet. In
einem Graben bzw. Kasten 10 ist ein elementarer MOS-Transistor
dargestellt mit Drain-, Source- und Gate-Anschlüssen d, s und g. Dies bildet
jedoch nur ein Beispiel eines Bauteils, das in einem Logik-Graben bzw. -Kasten
ausgebildet sein kann.
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In
bestimmten Anwendungen, beispielsweise Stromversorgungen mit Unterbrecherumschaltung
(Stromversorgung mit Anschnittsteuerung), kann während einer Phase der Umschaltung
in den Öffnungszustand
zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOS-Leistungstransistors
ein hoher Spannungsgradient auftreten.
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2 zeigt
ein Beispiel einer Stromversorgungsschaltung mit Unterbrecherumschaltung.
Eine Eingangsspannung Vin wird an die Primärwicklung 20 eines
Transformators angelegt, dessen Sekundärwicklung 21 mit einem
Kondensator 22 über
eine Diode 23 verbunden ist. An den Anschlüssen des
Kondensators 22 ist eine Ausgangsspannung Vout verfügbar. Der
zweite Anschluss der Primärwicklung 20 ist mit
der Masse der Stromversorgung über
ein integriertes Bauteil verbunden, das einen vertikalen MOS-Leistungstransistor
TP und eine logische Schaltung 27 umfasst. Diese logische
Schaltung weist insbesondere einen mit dem Drain-Anschluss des Leistungstransistors
verbundenen Anschluss auf, der der Rückseite des Bauteils aus 1 entspricht,
sowie einen mit der Masse verbundenen Anschluss und wenigstens einen
Eingangsanschluss 28 zur Zufuhr von Steuersignalen. Die
Logikschaltung 27 ist insbesondere zur Steuerung des Gates
des Leistungstransistors bestimmt.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise einer Stromversorgung mit Unterbrechungsumschaltung (Stromversorgung
mit Anschnittssteuerung) ist dem Fachmann wohlbekannt. Sie besteht
in einer periodischen Umschaltung bzw. Kommutation des Leistungstransistors
TP. Bei jeder Kommutation in den Öffnungszustand des Leistungstransistors
TP wird ein rapider Spannungsanstieg erzeugt und es ist tatsächlich erwünscht, dass
er so rasch wie möglich
erfolgt. Selbst bei Außerachtlassung
irgendwelcher parasitärer
Bauteile und wenn die Spannung an den Anschlüssen des Transistors TP die
normale maximale Spannung der Schaltung nicht übersteigt, erkennt man, dass
integrierte Bauteile des Typs wie in 1 unter
bestimmten Umständen
beeinträchtigt
werden. Dieses Phänomen
ist a priori nicht aufgeklärt
und der Beitrag der vorliegenden Erfindung ist, dass sie dieses
Phänomen
analysiert, seine Ursache gefunden und eine Abhilfe hierfür beigebracht
hat.
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So
sieht die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung gegen Spannungsgradienten
gemäß dem Anspruch
1 vor. Ein monolithisches Bauteil, welches einen vertikalen Leistungs-MOS-Transistor (VDMOS)
und logische Schaltungen umfasst, wobei das Substrat eines ersten
Leitfähigkeitstyps
des Bauteils dem Drain-Bereich des MOS-Transistors entspricht und
die Bauteile der logischen Schaltungen in wenigstens einem in der
Oberseite des Substrats ausgebildeten Graben bzw. Kasten vom zweiten
Leitfähigkeitstyp
ausgebildet sind und wenigstens einen Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp
aufweisen, ist aus EP-A-0 359 680 bekannt. Des weiteren ist eine durch
einen Reihenwiderstand geschützte
Diode in dem der JP-A-57 183 064 entsprechenden Abrege beschrieben.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der nicht mit seinem entsprechenden
Bereich verbundene Anschluss jedes Widerstands mit einem mit der
Masse verbundenen Kontakt auf dem Graben bzw. Kasten verbunden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entspricht jeder Widerstand jeweils einem
auf einer Oxidschicht ausgebildeten Bereich aus polykristallinem
Silizium.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die genannte Oxidschicht eine dicke
Oxidschicht.
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Diese
sowie weitere Ziele, Gegenstände,
Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele
im einzelnen auseinandergesetzt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren;
in diesen zeigen:
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1 in
schematischer Teilschnittansicht ein Bauteil mit einem vertikalen
MOS-Transistor und logischen Schaltungen,
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2 ein
Anwendungsbeispiel des Bauteils aus 1,
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3 ein
Ersatzschaltbild von Elementen der Schaltung aus 1,
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4 in
Teilschnittansicht gemäß der vorliegenden
Erfindung modifizierte logische Bauteile, sowie
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5 ein
Ersatzschaltbild einer gemäß der vorliegenden
Erfindung modifizierte Bauteile enthaltenden Struktur.
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In
den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche Elemente mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet. Im übrigen
sind in den verschiedenen Schnittansichten von Halbleiterbauteilen
in üblicher Weise
die verschiedenen Abmessungen nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern
zur besseren Verständlichkeit
der Figuren auseinandergezogen bzw. vergrößert.
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Der
in 1 dargestellte logische Graben bzw. Kasten 10 weist
MOS-Transistoren auf, deren Source-Anschluss mit Masse verbunden
ist. Des weiteren ist der Graben 10 allgemein mit Masse
verbunden und man erkennt Metallisierungen 30, welche Source-Bereiche 31 vom
N-Typ mit zur Kontaktierung mit dem Graben 10 dienenden überdotierten Bereichen 32 vom
P-Typ verbinden, wobei das Gesamtaggregat mit Masse verbunden ist.
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Wie 3 veranschaulicht,
bestehen daher parallel zu dem Leistungstransistor TP parasitäre Transistoren
t1, deren Kollektor dem Drain-Anschluss des Leistungstransistors
TP entspricht, deren Emitter einem Bereich 31 vom N-Typ
entspricht und deren Basis einem Bereich 32 vom P-Typ entspricht.
Wie in jedem Transistor besteht ein Basiswiderstand RBE zwischen
der Basis und dem Emitter. Ebenso besteht wie in jedem Transistor
eine parasitäre
Kapazität
C zwischen dem Kollektor und der Basis. Somit kann bei einem raschen
Anstieg der Drain-Spannung VD die Kapazität C als Kurzschluss betrachtet
werden, der einen Strom in dem Widerstand RBE fließen lässt, der,
wenn er einen bestimmten Schwellwert übersteigt, den Transistor t1
in den Leitungszustand versetzt. Da der Transistor t1 eine kleine
Abmessung besitzt, besteht eine große Gefahr, dass dieser Transistor
zerstört
wird, wenn er leitend wird, während
die Spannung VD an seinem Kollektor sehr hoch ist (nahe seiner Durchbruchspannung).
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Zur
Lösung
dieses Problems und im Versuch, die Triggerung dieser Transistoren
t1 zu vermeiden, haben die Erfinder zunächst versucht, den Basis-Emitter-Widerstand
RBE so weit als möglich zu verringern durch Optimierung
des Dotierungspegels der verschiedenen Elemente und die Formgebungen der
Emitter-Basis-Finger der betreffenden Transistoren. Jedoch hat dieser
Lösungsweg
keine Lösung des
Problems ermöglicht
und man musste weiterhin Durchbrüche
monolithischer Strukturen, in denen vertikale MOS-Leistungstransistoren
mit in einem Logikkasten ausgebildeten logischen Schaltungen vereint
sind, im Falle eines brutalen Anstiegs der Spannung an dem Drain-Anschluss
(hoher Spannungsgradient dV/dt) feststellen.
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Zur
Lösung
dieses Problems schlägt
die Anmelderin vor, in der logischen Schaltung alle Elemente, von
denen ein Anschluss mit dem Potential des Grabens/Kastens und mit
Masse verbunden ist, zu modifizieren durch Hinzufügung eines
isolierten Widerstandselements zwischen dem Bereich, auf dem ein
Kontakt hergestellt werden soll, und dem eigentlichen Kontakt selbst.
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4 zeigt
ein Beispiel der Ausführung
der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur ist ein in dem Graben
bzw. Kasten 10 ausgebildeter MOS-Transistor dargestellt.
Dieser Transistor weist Drain- und Source-Bereiche vom N-Typ auf,
die voneinander durch eine Substratzone getrennt sind, über der
ein isoliertes Gate g liegt. Der Source-Bereich ist mit der Bezugsziffer 31 bezeichnet
und ein Bereich der Kontaktierung mit dem Graben bzw. Kasten ist
mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet. Die Verbindung zwischen
den Bereichen 31 und 32 erfolgt durch einen Teil
einer Widerstandsschicht 40, die beispielsweise über einem
dicken Oxidbereich 41 angeordnet ist, welcher die Bereiche 31 und 32 trennt.
Die Schicht 40 besteht beispielsweise aus polykristallinem
Silizium geeigneter Dotierung, dass sie zwischen ihren Kontaktzonen
mit den Bereichen 31 und 32 einen ausreichenden
Widerstand bildet, beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 100 Ohm.
Sodann wird der Kontakt mit dem Bereich 32 in herkömmlicher Weise
hergestellt, beispielsweise durch eine Kontaktmetallisierung 42.
Die Metallisierung 42 ist auf der Schicht 40 an
einer von der Kontaktzone mit dem Bereich 31 entfernten
Stelle angeordnet, zur Einführung eines
Widerstands bestimmter Größe zwischen
dem Kontakt 42 und dem Bereich 31.
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Das
Ersatzschaltbild der gemäß der vorliegenden
Erfindung modifizierten Struktur ist in 5 gezeigt.
Man sieht, dass die Schicht 40 einem Emitterwiderstand
RE entspricht.
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Selbstverständlich bieten
sich für
den Fachmann sehr zahlreiche Ausführungsvarianten für diesen
Emitterwiderstand RE. Beispielsweise könnte es sich
um eine Metallisierungsschicht hinreichender Länge handeln, dass sie als Widerstand
wirkt. Man kann auch eine Schicht aus einem Widerstandsmaterial
auf dem Oxid 41 ausbilden, wobei eine erste Metallisierung
die Oberfläche
des Bereichs 31 mit einer ersten Seite des Widerstandsmaterials
verbindet und eine zweite Metallisierung die Oberfläche des
Bereichs 32 mit einer zweiten Seite des Widerstandsmaterials.
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Des
weiteren kann als eine Abwandlungsmöglichkeit ins Auge gefasst
werden, dass der zweite Anschluss des Widerstands (d.h. der nicht
mit dem Source-Anschluss verbundene) nicht mit dem Bereich 32 und
mit Masse, sondern mit einem Schaltungsknotenpunkt niedriger Impedanz
relativ bezüglich
der Masse verbunden wird.
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Somit
fließt
bei einem rapiden Spannungsanstieg an dem Drain-Anschluss D wie
zuvor ein Strom in dem Widerstand RBE durch
den Kondensator C, der im wesentlichen einem Kurzschluss entspricht.
Jedoch erhöht
sich der Trigger-Schwellwert des Transistors t1 infolge der Gegenwart
des Widerstands RE und sodann, selbst wenn
dieser Transistor leitend wird, wird der ihn durchfließende Strom
durch die Gegenwart dieses Widerstands RE begrenzt.
Eine Zerstörung
des Transistors t1 durch einen zu hohen Stromdurchgang in ihm wird
so vermieden.
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Der
Betrag des Widerstands RE wird so gewählt, dass
im normalen Betriebszustand der Spannungsabfall an ihm vernachlässigbar
ist, beispielsweise kleiner als 100 mV, um das Leistungsverhalten der
logischen Schaltungen nicht zu beeinträchtigen.