DE19704995A1

DE19704995A1 - Integrierte Hochspannungs-Leistungsschaltung

Info

Publication number: DE19704995A1
Application number: DE19704995A
Authority: DE
Inventors: Niraj Ranjan
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2017-02-11
Also published as: GB2310081A; GB2310081B; KR100315128B1; SG52915A1; JP3214818B2; FR2744835A1; KR970063662A; JPH1027853A; US5801418A; GB9702762D0; DE19704995B4; ITMI970276A1; IT1290295B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Hochspannungs- Leistungsschaltung der im Oberbegriff des Anspruch 1 genannten Art.

Integrierte Hochspannungs-Leistungsschaltungen mit Einrichtungen zur Erzeugung von pegelverschobenen Signalausgängen sind gut bekannt. Bei derartigen Schaltungen ist es in vielen Fällen er forderlich, ein auf einer hohen Spannung liegendes Verbindungs element über andere Verbindungselemente oder Halbleiterbereiche zu führen, die eine relativ niedrigere Spannung aufweisen. Dies erfordert ein dickes Isoliermaterial oder Dielektrikum zwischen den Bereichen mit hohem Potential, was Verarbeitungsprobleme hervorruft.

Ein typisches bekanntes Bauteil, bei dem dieses Überkreuzungs problem von Verbindungselementen in der Aufwärts-Pegelschieber schaltung besteht, ist die integrierte Leistungsschaltung vom Typ IR2110, die von der Fa. International Rectifier Corporation vertrieben wird. Bei der integrierten Leistungsschaltung vom Typ IR2120 tritt ein ähnliches Überkreuzungsproblem bei der Abwärts- Pegelschieberschaltung auf.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Aufwärts-Pegel schieberschaltung in einem Halbleiterplättchen oder Chip, das das bekannte Bauteil vom Typ IR2110 bildet. In dieser Figur sind schematisch eine auf Masse bezogene Steuerschaltung 1, eine schwimmende Bezugsschaltung 2, die in einer schwimmenden Senke eines gemeinsamen Halbleiterplättchens oder Chips enthalten ist, zwei Hochspannungs-Aufwärts-Pegelschieber-MOSFETs 3, zwei aus Metall bestehende Hochspannungs-"Überkreuzungs"-Verbindungsele mente 4, die sich von den Ausgängen der MOSFETs 3 aus erstrecken und mit der schwimmenden Bezugsschaltung 2 verbunden sind, und ein Abschlußbereich 5 gezeigt, der die schwimmende Bezugsschal tung 2 umgibt, um diese Schaltung 2 gegenüber der auf Masse bezogenen Steuerschaltung zu isolieren. Alle diese Schaltungen sind in ein gemeinsames Silizium-Halbleiterplättchen oder einen Chip integriert. Der Abschluß 5 enthält selbstverständlich eine (nicht gezeigte) Sperrgrenzschicht. Daher müssen die Verbin dungselemente 4 die Sperr-Grenzschicht im Bereich 5 überqueren und von dieser isoliert sein. Beispielsweise könnte ein Dielektrikum mit einer Dicke bis zu 1,5 Mikrometern für Produkte erforderlich sein, die für eine Nennspannung von ungefähr 500 bis 600 Volt bestimmt sind. Dieses dicke Dielektrikum ruft schwerwiegende Herstellungsprobleme hervor.

Ein ähnliches Problem ergibt sich bei einer Abwärts-Pegelschie berschaltung, wie z. B. der in der Fig. 2 gezeigten bekannten Schaltung. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Pegelschieber- MOSFETs 3 in dem Silizium innerhalb der schwimmenden Bezugs schaltung 2 anstatt außerhalb der Schaltung 2 ausgebildet sind, wie in Fig. 1. Wie in Fig. 1 müssen jedoch die Verbindungsele mente 4 den Abschluß 5 überqueren, und sie müssen von der hohen Spannung längs des Abschlußbereiches 5 isoliert sein.

Bei näherer Betrachtung und unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu erkennen, daß das Eingangssignal des Chips auf der Seite der auf Masse bezogenen Steuerschaltung 1 des Chips empfangen wird. Das Eingangssignal wird verarbeitet und über die Aufwärts-Pegel schieber-MOSFETs 3 zur Seite der schwimmenden Bezugsschaltung 2 weitergeleitet. Die auf einer hohen Spannung liegenden Über kreuzungs-Verbindungselemente 4 sind erforderlich, um das Hoch spannungssignal von den Drain-Elektroden der Pegelschieber- MOSFETs 3 zu der isolierten schwimmenden Senke 2 zu übertragen. Weil die Verbindungselemente 4 über auf einer niedrigen Span nung liegendes Silizium hinweglaufen, sollte das Isoliermaterial zwischen den Verbindungselementen 4 und dem Silizium dick genug sein, um der vollen Nenn-"Versetzungsspannung" zwischen den auf Masse bezogenen und den schwimmenden Bezugsschaltungen 1 und 2 zu widerstehen. Entsprechend ist bei Produkten, wie z. B. den Bauteilen IR2110 und IR2120 das Dielektrikum ungefähr 1,5 Mikro meter dick, um eine gute Ausbeute für eine Nennspannung von 500 Volt zu erzielen. Für eine Nennspannung von 1200 Volt ist eine bis zu 3 Mikrometer dicke dielektrische oder Isolierschicht erforderlich. Dies ruft vielfältige Verarbeitungsprobleme her vor und ist nur schwierig zu steuern.

Das gleiche Problem ergibt sich bei der Struktur nach Fig. 2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige inte grierte Hochspannungs-Leistungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Anzahl der Überkreuzungs-Verbin dungselemente für entweder eine Aufwärts- oder Abwärts-Pegel schieberstruktur beseitigt ist und sich eine einfachere Her stellung ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung sind zur Beseitigung des Hochspannungs- Überkreuzungs-Verbindungselementes das beim Stand der Technik erforderlich ist, die Pegelschieber-MOSFETs in den Hochspan nungs-Abschlußbereich eingebaut. Damit entfällt die Notwendig keit eines Überkreuzungs-Verbindungselementes und einer dicken Isolierschicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung koppelt ein Pegelschieberbau teil elektrisch eine auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung mit einer auf einer relativ niedrigeren Spannung lie genden Schaltung, die jeweils auf einem gemeinsamen Substrat aus Halbleitermaterial ausgebildet sind. Eine leicht dotierte Schicht aus Halbleitermaterial ist oberhalb des Substrates an geordnet und weist einen ersten Leitungstyp auf. Ein Basisbe reich von einem zweiten Leitungstyp, der zu dem ersten Leitungs typ entgegengesetzt ist, erstreckt sich in die obere Oberfläche der Schicht bis zu einer vorgegebenen Tiefe. Ein Sourcebereich vom ersten Leitungstyp ist in dem Basisbereich ausgebildet und definiert einen Oberflächenkanalbereich zwischen dem Sourcebe reich und der Schicht aus Halbleitermaterial. Eine Source- Elektrode ist mit dem Sourcebereich verbunden und elektrisch mit der auf der niedrigeren Spannung liegenden Schaltung gekoppelt. Eine Gate-Isolierschicht ist über dem Kanalbereich angeordnet, und eine leitende Schicht ist über der Gate-Isolationsschicht angeordnet. Ein Drainkontakt-Diffusionsbereich vom ersten Leitungstyp ist in der oberen Oberfläche ausgebildet und mit seitlichem Abstand von dem Basisbereich angeordnet. Eine Drain- Elektrode ist mit dem Drainkontakt-Diffusionsbereich verbunden. Ein weiterer Diffusionsbereich des ersteren Leitungstyps ist in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und mit seitlichem Abstand von dem Drainbereich und weiter von dem Basisbereich fort angeordnet. Der Teil der Schicht aus Halbleitermaterial, der zwischen dem Basisbereich und dem weiteren Diffusionsbereich liegt, definiert einen Leitungsbereich. Eine Isolierschicht ist oberhalb der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial zwischen dem Drainbereich und dem weiteren Diffusionsbereich ausgebildet. Eine Kontaktelektrode ist oberhalb des weiteren Diffusionsbe reichs ausgebildet und elektrisch mit der eine schwimmende Spannung aufweisenden Schaltung gekoppelt. Eine leitende Widerstandsschicht liegt über der Isolierschicht zwischen der Drain-Elektrode und der Kontakt-Elektrode und bildet einen Widerstand, der elektrisch parallel zu dem Leitungsbereich der Schicht aus Halbleitermaterial angeordnet ist. Der Widerstand des Leitungsbereichs ist größer als der Widerstand der leitenden Widerstandsschicht.

Ein Diffusionsbereich des zweiten Leitungstyps kann in der obe ren Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial bis zu einer vorgegebenen Tiefe gebildet werden und befindet sich unterhalb der Isolierschicht, derart, daß der Leitungsbereich verringert wird. Ein weiterer Hauptbereich von einem zweiten Leitungstyp kann in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und zwischen dem Hauptbereich und dem Drainkontakt- Diffusionsbereich angeordnet sein. Ein weiterer Metallkontakt kann oberhalb von zumindest einem Teil dieses zusätzlichen Hauptbereichs angeordnet und elektrisch mit der Source-Elektrode verbunden sein. Ein Resurf-Bereich des zweiten Leitungstyps kann in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und zwischen dem zweiten Hauptbereich und dem Drain bereich in Kontakt mit dem zusätzlichen Hauptbereich angeordnet sein.

Der Source-Kontaktbereich kann weiterhin mit einem Teil des Hauptbereichs in Kontakt stehen. Ein stark dotierter Basisbe reich des zweiten Leitungstyps kann in einer Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet sein und sich in das Substrat erstrecken, wodurch das Bauteil elektrisch isoliert wird.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung schließt eine integrierte Schaltung eine auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung, eine auf einer relativ niedrigeren Spannung liegende Schaltung und ein Pegelschieberbauteil ein, das in einem gemeinsamen Substrat mit der auf einer schwimmenden Span nung liegenden Schaltung und der auf der niedrigeren Spannung liegenden Schaltung ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung koppelt ein Hochspannungs-MOSFET elektrisch eine auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung und eine auf einer relativ niedrigen Spannung liegende Schaltung, die jeweils in einem gemeinsamen Substrat mit dem MOSFET-Bauteil ausgebildet sind. Eine Schicht aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps ist oberhalb des Substrates angeordnet, ist leicht dotiert und weist eine obere Oberfläche auf. Ein Source-Diffusionsbereich des zweiten Lei tungstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitungstyp ist in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebil det. Eine Source-Elektrode ist mit dem Sourcebereich verbunden. Eine Gate-Isolierschicht ist über einem Teil der oberen Ober fläche der Schicht aus Halbleitermaterial benachbart zu dem Source-Diffusionsbereich angeordnet, und eine leitende Gate- Schicht ist über der Gate-Isolierschicht angeordnet. Ein Drain bereich des zweiten Leitungstyps ist in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und mit seit lichem Abstand von dem Source-Diffusionsbereich angeordnet. Eine Drain-Elektrode ist oberhalb der Drain-Diffusion angeordnet. Ein Senkerbereich des zweiten Leitungstyps erstreckt sich von der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial und er streckt sich in das Substrat, und er ist mit seitlichem Abstand von dem Drainbereich und weiter in Abstand von der Source- Diffusion angeordnet. Eine Masse-Elektrode ist mit dem Senker bereich verbunden. Eine Isolierschicht ist über der oberen Ober fläche der Schicht aus Halbleitermaterial zwischen der Drain- Elektrode und der Masse- oder Erd-Elektrode angeordnet. Eine leitende Widerstandsschicht ist über der Isolierschicht angeord net und zwischen der Masse-Elektrode und der Drain-Elektrode angeschlossen. Die Source-Elektrode ist elektrisch mit der auf der schwimmenden Spannung liegenden Schaltung gekoppelt, und die Drain-Elektrode ist elektrisch mit der auf der niedrigeren Spannung liegenden Schaltung verbunden.

Ein Isolationsdiffusionsbereich des zweiten Leitungstyps kann in der oberen Oberfläche ausgebildet sein und mit dem Senkerbe reich in Kontakt stehen und unterhalb der Isolierschicht gele gen und mit seitlichem Abstand von dem Drainbereich angeordnet sein, um parasitäre Widerstände zu verringern. Ein leicht do tierter Resurf-Bereich kann in der oberen Oberfläche in Kontakt mit dem Drainbereich ausgebildet und zwischen den Drain-Bereich und dem Source-Diffusionsbereich angeordnet sein. Ein weiterer Diffusionsbereich des ersten Leitungstyps kann in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet sein und mit dem Source-Diffusionsbereich und der Source-Elektrode in Kontakt stehen. Zumindestens ein Spalt kann in dem Senken- Diffusionsbereich ausgebildet sein.

Entsprechend einem weiteren Grundgedanken der Erfindung schließt eine integrierte Schaltung eine auf einer schwimmenden Spannung liegende und in einem Substrat ausgebildete Schaltung, einen Resurf-Diffusionsbereich, der im wesentlichen die auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung umgibt, eine auf einer relativ niedrigeren Spannung liegende Schaltung, die in dem Substrat ausgebildet ist, und zumindest ein Pegelschieber- MOSFET-Bauteil ein, das in dem Substrat ausgebildet und elek trisch zwischen der auf der hohen Spannung liegenden Schaltung und der auf der niedrigen Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist. Das MOSFET-Bauteil ist in einem Spalt oder einer Lücke ausgebildet, die in dem Resurf-Bereich angeordnet ist.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung schließt eine integrierte Schaltung eine auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung, die in einem Substrat ausgebildet ist, einen Resurf-Diffusionsbereich, der die auf einer hohen Spannung liegende Schaltung umgibt, eine auf einer relativ niedrigeren Spannung liegende Schaltung, die in dem Substrat ausgebildet ist, und zumindest ein Pegelschieber-MOSFET-Bauteil ein, das in dem Substrat ausgebildet ist und elektrisch zwischen der auf einer hohen Spannung liegenden Schaltung und der auf der nied rigeren Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist. Der Resurf- Bereich umschließt zumindestens teilweise das Pegelschieber- MOSFET-Bauteil und ist zwischen dem Pegelschieber-MOSFET-Bauteil und dem auf der schwimmenden Spannung liegenden Bauteil angeord net.

Eine weitere leitende Widerstandsschicht kann zwischen der Drain-Elektrode und der Masse-Elektrode und parallel zu einer leitenden Widerstandsschicht angeschaltet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Aufwärts- Pegelschieberschaltung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bekannten Abwärts-Pegelschieberschaltung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Pegelschieber schaltung nach Fig. 1, wenn sie modifiziert ist, um die vorliegende Erfindung zu verwirklichen,

Fig. 4 einen Querschnitt nach Fig. 3 entlang der Schnittlinie 4-4 in einem Chip, das für die Struktur nach Fig. 3 verwendet wird,

Fig. 5 einen Querschnitt nach Fig. 3 entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 3,

Fig. 6 ein Schaltbild der Struktur nach den Fig. 3 und 4,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Abwärts- Pegelschieberschaltung, die modifiziert wurde, um die vorliegende Erfindung zu verwirklichen,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht nach Fig. 7 entlang der Schnittlinie 8-8 nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Schaltbild des Abwärts-Pegelschieber-MOSFETs nach den Fig. 7 und 8,

Fig. 10 eine Modifikation der Fig. 7 mit einer anders geformten Abschlußtopologie,

Fig. 11 einen Querschnitt nach Fig. 10 entlang der Schnittlinie 11-11 nach Fig. 10,

Fig. 12 ein Schaltbild der Schaltung der Struktur nach den Fig. 10 und 11,

Fig. 13 eine Ausführungsform der Erfindung unter Ver wendung eines einzelnen Hochspannungs-PMOS- Bauteils,

Fig. 14 ein Schaltbild, das den parasitären Widerstand zwischen den Drainbereichen von zwei Pegel schieber-MOSFETs zeigt, die in einem gemeinsamen Epitaxialbereich ausgebildet sind,

Fig. 15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Pegelschieberschaltungen in jeweils ge trennten Epitaxialbereichen ausgebildet sind.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit von über kreuzenden Verbindungselementen 4 nach Fig. 1 für die Aufwärts- Pegelschieberschaltung nach Fig. 1, wie dies in den Fig. 3, 4 und 6 gezeigt ist. Im wesentlichen kombiniert die neuartige Konstruktion die Pegelschieber-MOSFETs 3 mit dem Hochspannungs abschluß 5. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit irgendwelcher Hochspannungs-Überkreuzungs-Verbindungselemente beseitigt.

Fig. 4, die einen Querschnitt nach Fig. 3 entlang der Schnitt linie 4-4 nach Fig. 3 darstellt, zeigt einen kleinen Teil des integrierten Schaltungs-Chips und zeigt das Siliziumsubstrat 11 vom P-Leitungstyp (das einen spezifischen Widerstand von 10 bis 200 Ohm Zentimeter haben kann), über dem eine epitaxial abge schiedene N⁻-Schicht 10 konzentrisch abgeschieden ist. Ring förmige Hauptbereiche 12 und 16 vom P-Leitungstyp sind in die Schicht 10 eindiffundiert, und ein Source-Ring 13 ist in den Hauptbereich 12 eindiffundiert. Ein Polysilizium-Gate 14 ist oberhalb eines üblichen Gateoxyds abgeschieden und durch eine Oxyd-"Kappe" 15 (üblicherweise ein Niedrigtemperatur-Oxyd) abge deckt, die sich über den durch die Source 13 in dem Hauptbe reich gebildeten Kanal erstreckt, um den N-Kanal-MOSFET 3 zu bilden (Fig. 1 und 6). Die ringförmige Diffusion 16 vergrößert die Robustheit des Bauteils.

Die N⁻-Epitaxialschicht 10 nach Fig. 4 nimmt weiterhin einen P⁻-Resurf-Bereich 30 auf. Niedrigtemperatur-Oxyd 31, das (nicht gezeigte) bekannte, mit Abstand angeordnete Spannungs teiler-Polysiliziumplatten enthalten kann, kann in dem Oxyd 31 enthalten sein, wie dies in dem US-Patent 5 270 568 gezeigt ist.

Ein P⁺-Senker 40 wird dazu verwendet, getrennte Bauteile oder integrierte Schaltungs-Senken in dem gemeinsamen Silizium-Chip 11 voneinander zu trennen. Ein Aluminium-Source-Metall 41 ist zur Bildung der Source-Elektrode des MOSFET 3 angeschlossen, während die Drain-Elektrode dieses MOSFET durch eine Metalli sierung 42 gebildet ist, die einen Drain-Ausgangsanschluß 43 bildet. Der P-Hauptbereich 16 nimmt ebenfalls einen Metall kontakt 41a auf, der in geeigneter Weise mit der Source-Metalli sierung 41 verbunden ist. Eine N⁺-Diffusion 44 ist vorgesehen, um einen guten Kontakt zwischen dem Metall 42 und der N^-- Epitaxialschicht 10 zu ermöglichen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Polysilizium-Widerstand 50 (der in manchen Fällen als R_POLY bezeichnet wird) oberhalb einer Feldoxydschicht 51 ab geschieden (die durch eine geeignete Niedrigtemperatur-Oxyd schicht abgedeckt ist), und dieser Widerstand ist an einem Ende mit dem Metall 42 und an seinem anderen Ende mit dem Hochspan nungsmetall 53 verbunden. Das Metall 53 ist mit dem Silizium 10 über die N⁺-Diffusion 54 verbunden. Es sei bemerkt, daß die Funktion des Poly-Widerstandes 50 auf andere Weise ausgeführt werden könnte und beispielsweise aus einem diffundierten P- Bereich in der N⁻-Epitaxialschicht 10 gebildet sein könnte.

Ein P⁺-Bereich 60 ist unter dem Oxyd 51 ausgebildet, um die Länge des Majoritätsträgerpfades zwischen den Diffusionen 44 und 54 zu vergrößern. D.h., daß der Widerstand des Pfades unterhalb des P⁺-Bereiches 60 in der N⁻-Epitaxialschicht 10 einen Widerstand R_EPI aufweist. Die Diffusion 60 vergrößert den Wert R_EPI durch Einschnüren des verfügbaren Leitungsbereiches in der N⁻-Epitaxialschicht 10 zwischen dem P⁻-Substrat 11 und dem P⁺-Bereich 60. Der zusätzliche, durch R_POLY gebildete Widerstand 50 führt dazu, daß die Schaltung in besser vorhersag barer Weise arbeitet, weil er die Auswirkung von Veränderungen von R_EPI verringert, der sich als Funktion des Wertes der Spannung HV aufgrund von Verarmungseffekten in der Epitaxial schicht ändert.

Die Schaltungsbeziehung zwischen R_POLY 50 und R_EPI ist in Fig. 6 gezeigt. Bei einer höheren Spannung erstreckt sich der Verarmungsbereich weiter in die Epitaxialschicht, was dazu führt, daß sich der effektive Widerstandswert von R_EPI drama tisch vergrößert. Der höhere Widerstandswert des Pegelschieber widerstandes macht die Schaltung stärker gegenüber dv/dt-bezoge nen Fehlfunktionen empfindlich. Typischerweise ist der Wider standswert von R_POLY 59 ungefähr 1000 Ohm, während sich R_EPI von 3000 Ohm bei einer Vorspannung von Null bis zu einem höheren effektiven Widerstand bei einer hohen Spannung ändert.

Fig. 5 zeigt den Abschluß 5 nach Fig. 3, der aus zwei P⁺- Senkern 70 und 71 in der Epitaxialschicht 10 besteht. Geerdete Metallschichten 72 bzw. 73 befinden sich oberhalb der Senken 70 bzw. 71 und eine N⁺-Diffusion 77 nimmt einen Metallstreifen 76 auf. Es sei bemerkt, daß sich das Hochspannungsmetall nicht über den Abschluß hinweg erstreckt. Resurf-Bereiche 74 und 75 können ebenfalls vorgesehen sein.

Die ringförmigen Hauptbereiche vom P-Leitungstyp der Pegel schieber-MOSFETs nach den Fig. 3 bis 6 machen das Übersprechen zu einem Minimum, das auftritt, wenn mehr als eine Pegelschie berschaltung mit der gleichen schwimmenden Schaltung verbunden ist. Dieses Übersprechen wird durch das Vorhandensein der Drain- Anschlüsse in der gleichen Epitaxialinsel hervorgerufen, was dazu führt, daß die Drainbereiche miteinander über den parasi tären Widerstand der Epitaxialschicht miteinander verbunden sind. Diese Art von Übersprechen tritt bei den bekannten Pegel schieberschaltungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, nicht auf, weil hier die Drainbereiche der jeweiligen Pegelschieber-MOSFETs in getrennten Epitaxialschicht-Inseln angeordnet und voneinander isoliert sind.

Der parasitäre Widerstand zwischen den Pegelschieber-MOSFETs nach den Fig. 3 bis 6 ist in Fig. 14 gezeigt, in der ein parasi tärer Widerstand 94 zwischen den jeweiligen Drainbereichen von MOSFETs 90 und 92 gebildet ist. Der parasitäre Widerstand ruft einen Stromfluß durch den Widerstand 96 immer dann hervor, wenn der MOSFET 90 aktiviert ist, und dies kann eine fehlerhafte Triggerung in der schwimmenden Schaltung hervorrufen, die mit dem Ausgang 2 verbunden ist, selbst wenn der MOSFET 92 nicht aktiviert ist. In gleicher Weise kann ein Strom durch den Wider stand 98 fließen, wenn der MOSFET 92 aktiviert ist.

Das Ausmaß des Übersprechens hängt von den relativen Werten der Widerstände 96 und 94 ab, wenn der MOSFET 90 aktiviert ist, und es hängt von den relativen Werten der Widerstände 98 und 94 ab, wenn der MOSFET 92 aktiviert ist. Daher sollte der Widerstands wert des Widerstandes 94 so hoch wie möglich sein, um das Über sprechen zu einem Minimum zu machen. Bei den Pegelschieber schaltungen nach den Fig. 3 bis 6 wird das Problem des Über sprechens dadurch zu einem Minimum gemacht, daß Hauptbereiche 12 und 16 vom P-Leitungstyp gebildet werden, die den Wider standswert des Widerstandes 94 zu einem Maximum machen.

Alternativ kann das Übersprechproblem dadurch zu einem Minimum gemacht werden, daß die beiden Pegelschieber-MOSFETs körperlich voneinander getrennt werden, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die nützlichen Merkmale der Verbesserungen nach den Fig. 3 bis 6 wie folgt sind:

1. Kein Hochspannungs-Metall-Übersprechen aufgrund der Aus legung.
2. Ein zusätzlicher Pegelschieberwiderstand 50 (diffundiert oder poly) parallel zu dem Widerstand R_EPI ergibt einen stabileren Betrieb der Schaltung über einen größeren Bereich der angelegten Hochspannung.
3. Weil R_EPI im wesentlichen ein parasitäres Element ist, wird seine Wirkung dadurch zu einem Minimum gemacht, daß der Abstand zwischen den N⁺-Diffusionen 44 und 54 zu einem Maximum gemacht wird.
4. Die zusätzliche Diffusion 60 vom P-Leitungstyp zwischen den Diffusionen 44 und 54 macht die Wirkung von R_EPI zu einem Minimum.
5. Das Übersprechen zwischen den Pegelschieber-MOSFETs in der gleichen schwimmenden Bezugsschaltung wird dadurch zu einem Minimum gemacht, daß ein ringförmiger Hauptbereich vom P-Leitungstyp vorgesehen wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt wird, oder daß die Pegelschieberschaltungen voneinander getrennt werden.

In Fig. 7 ist eine schematische Darstellung ähnlich der nach Fig. 2 gezeigt, bei der jedoch der P-Resurf-Diffusionsteil des Bereiches 5 an Lücken oder Spalten 201, 202 und 203 unterbrochen ist, die klein sein können, beispielsweise jeweils 5 Mikrometer. Der Siliziumchip wird dann in der in Fig. 8 gezeigten Weise diffundiert, um die Source-, Gate- und Drain-Bereiche für late rale Hochspannungs-PMOS-Feldeffekttransistoren 3 nach Fig. 7 zu bilden. Entsprechend bezeichnen in Fig. 8 Bezugsziffern ähnlich denen nach Fig. 5 gleiche Bauteile.

Es ist in Fig. 8 zu erkennen, daß sich ein P⁺-Bereich 209 von dem Senkkörper 40 aus erstreckt und unter der Niedrigtemperatur- (LTO-) Schicht 210 liegt. Eine P⁺-Drain-Diffusion 211 nimmt einen Drain-Kontakt 212 auf, und eine P⁻-Resurf-Diffusion 213 erstreckt sich von dem Bereich 211 aus. Ein Sourcekontakt 214 steht mit einer P⁺-Diffusion 220 und einer N⁺-Kontaktdiffu sion 221 in Kontakt. Ein Polysilizium-Gate 222 liegt über der Oberfläche des N⁻-Epitaxialmaterials, das zwischen dem P - Resurf-Bereich 213 und dem P⁺-Bereich 220 freiliegt. LTO- Bereiche 223 und 224 erstrecken sich über die obere Bauteilober fläche und schließen diese dicht ab, wie dies gezeigt ist. Ein Polysilizium-Widerstand 225 verbindet den Erdkontakt 226 mit dem Drainkontakt 212.

Das resultierende Bauteil ist eine Hochspannungs-PMOSFET-Ab wärts-Pegelschieberschaltung, die das in Fig. 9 gezeigte Schalt bild aufweist. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, daß die Hochspannungs-Überkreuzungsverbindung 4 nach Fig. 2 entfallen ist.

Weiterhin wird dadurch, daß der P⁺-Drainbereich 211 mit Ab stand von der Isolationsdiffusion 209 angeordnet ist, der para sitäre Widerstand (R_RSF in Fig. 12) beseitigt. Es sei bemerkt, daß dieser kleine Raum bei einer hohen Spannung sehr leicht verarmt wird.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Abschlußberei ches, der wie in Fig. 3 "schleifenförmig" ist, um seine Länge im Bereich der Pegelschieber-MOSFETs zu vergrößern. Diese schleifenförmige Topologie verringert weiterhin in wesentlichem Ausmaß das "Übersprechen" zwischen den Drainbereichen der bei den MOSFET-Drains 240a und 241c in Fig. 10 dadurch, daß der in Fig. 14 gezeigte parasitäre Widerstand R_CP zu einem Maximum gemacht wird.

So sind entsprechend zwei "Schleifen" 240 und 241 in Fig. 10 vorgesehen. Die PMOSFETs in diesen Bereichen sind in Fig. 11 für einen Bereich 240 gezeigt, der den Source-Bereich 220 ein schließt. Gleiche Bezugsziffern in Fig. 11 beschreiben gleiche Bauteile nach Fig. 8. Es sei bemerkt, daß der P⁻-Bereich 250 erweitert ist und mit dem Drainbereich 211 gemäß Fig. 11 in Kontakt steht. Die Schleifen 240 und 241 machen den effektiven Wert des parasitären Widerstandes des Bereiches 250 so hoch wie möglich, wodurch der Widerstandswert des POLY-Widerstandes 225 zu dem dominierenden Widerstand wird, wie dies in Fig. 12 ge zeigt ist.

Fig. 13 zeigt die Erfindung für einen einzelnen Abwärts-Pegel schieber-PMOSFET für das Bauteil nach den Fig. 7 und 8. So bilden lediglich zwei Spalte 300 und 301 den Hochspannungs- PMOSFET 302. Die Spalte 300 und 301 weisen vorzugsweise eine typische Breite von 5 Mikrometern auf und sie sind klein genug, um selbstisolierend zu sein. Die Hochspannungsdiode ist ähnlich zu der in Fig. 5 gezeigten, während der PMOSFET an den Schnitt linien 8-8 in Fig. 8 gezeigt ist. Weitere Bezugsziffern in Fig. 13 bezeichnen gleiche Bauteile wie in den Fig. 7 und 8.

Claims

1. Integrierte Hochspannungs-Leistungsschaltung mit einer Pegelschieberschaltung zur elektrischen Kopplung einer auf einer schwimmenden Spannung liegenden Schaltung mit einer auf einer relativ niedrigeren Spannung liegenden Schaltung, wobei die Schaltungen jeweils auf einem gemeinsamen Substrat aus Halblei termaterial mit der Pegelschieberschaltung ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelschieberschaltung folgende Teile aufweist:
eine Schicht (10) aus Halbleitermaterial, die über dem Substrat (11) angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial von einem ersten Leitungstyp ist, leicht dotiert ist und eine obere Oberfläche aufweist,
einen Basisbereich (12) von einem zweiten Leitungstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitungstyp, wobei sich der Basis bereich (12) in die obere Oberfläche der Schicht (10) aus Halb leitermaterial bis zu einer vorgegebenen Tiefe erstreckt und eine im wesentlichen halbkreisförmige Form aufweist,
einen Source-Bereich (13) des ersten Leitungstyps, der in dem Basisbereich (12) ausgebildet ist und einen Oberflächen- Kanalbereich zwischen dem Source-Bereich (13) und der Schicht (10) aus Halbleitermaterial bildet,
eine Source-Elektrode (41), die mit dem Source-Bereich (13) verbunden und elektrisch mit der auf der niedrigeren Span nung liegenden Schaltung gekoppelt ist,
eine Gate-Isolierschicht (15), die über dem Kanalbereich angeordnet ist,
eine leitende Gate-Schicht (14), die über der Gate- Isolierschicht (15) angeordnet ist,
eine Drain-Elektrode (42), die mit einem Teil der Schicht (10) aus Halbleitermaterial verbunden ist, wodurch ein Drain-Bereich gebildet ist und wobei die Drain-Elektrode (42) mit seitlichem Abstand von dem Basisbereich (12) angeordnet ist,
eine Kontakt-Elektrode, die mit einem anderen Teil der Schicht (10) aus Halbleitermaterial verbunden und elektrisch mit der auf einer schwimmenden Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist, wobei der Teil der Schicht (10) aus Halbleiter material, der zwischen der Drain-Elektrode (42) und der Kontakt- Elektrode (53) liegt, einen Leitungsbereich bildet, und
ein Widerstand (50), der zwischen der Drain-Elektrode (42) und der Kontakt-Elektrode (53) angeordnet ist und elek trisch parallel zu dem Leitungsbereich (60) der Schicht (10) aus Halbleitermaterial angeordnet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand einen Diffusions bereich des zweiten Leitungstyps umfaßt, der in der oberen Ober fläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial bis zu einer vorgegebenen Tiefe ausgebildet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, im wesentlichen halb kreisförmiger Hauptbereich (16) des zweiten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial kon zentrisch zu dem Hauptbereich (12) ausgebildet und zwischen dem Hauptbereich (12) und der Drain-Elektrode (42) angeordnet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Metallkontakt (41a) über zumindestens einem Teil des weiteren Hauptbereichs (16) angeordnet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Metallkontakt (41a) elektrisch mit der Source-Elektrode (41) verbunden ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resurf-Bereich (30) des zweiten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht (11) aus Halb leitermaterial ausgebildet und zwischen dem weiteren Hauptbe reich (16) und dem Drain-Diffusionsbereich (44) angeordnet ist und in Kontakt mit dem weiteren Hauptbereich (16) steht.

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (50) eine leitende Schicht ist, die über einer Isolierschicht (51) angeordnet ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark dotierter Abstandsbereich (40) des zweiten Leitungstyps in der Schicht (10) aus Halblei termaterial ausgebildet ist und sich in das Substrat (11) er streckt, um die Pegelschieberschaltung elektrisch zu isolieren.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine auf einer schwimmenden Spannung liegende Schaltung, eine auf einer relativ niedrigeren Spannung liegende Schaltung und zumindest ein Pegelschieberbau teil umfaßt.

10. Bauteil zum elektrischen Koppeln einer auf einer schwim menden Schaltung liegenden Schaltung mit einer auf einer relativ niedrigen Spannung liegenden Schaltung, die jeweils in einem gemeinsamen Substrat mit einem MOSFET-Bauteil ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das MOSFET-Bauteil folgende Teile umfaßt:
eine Schicht (10) aus Halbleitermaterial von einem ersten Leitungstyp, die über dem Substrat (11) angeordnet ist, leicht dotiert ist und eine obere Oberfläche aufweist,
einen Source-Diffusionsbereich des zweiten Leitungstyps entgegengesetzt zu dem ersten Leitungstyp, wobei der Source- Diffusionsbereich in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial ausgebildet ist,
eine Source-Elektrode (41), die mit dem Source-Bereich (13) verbunden und elektrisch mit der auf der schwimmenden Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist,
eine Gate-Isolierschicht (15), die über einen Teil der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial benachbart zu dem Source-Diffusionsbereich angeordnet ist,
eine leitende Gate-Schicht (15), die über der Gate- Isolationsschicht (15) angeordnet ist,
einen Drain-Bereich (44) des zweiten Leitungstyps, der in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial ausgebildet und mit seitlichem Abstand von dem Source-Diffu sionsbereich (13) angeordnet ist,
eine Drain-Elektrode (42), die über der Drain-Diffusion (44) angeordnet und elektrisch mit der auf der niedrigeren Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist, und
einen Widerstand (50), der zwischen der Erd-Elektrode und der Drain-Elektrode angeschaltet ist.

11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Senkerbereich (40) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist, der sich von der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial aus in das Substrat (11) erstreckt und mit seitlichem Abstand von dem Drain-Bereich (44) und weiterhin mit Abstand von der Source-Diffusion angeordnet ist, und daß eine Erd-Elektrode (41) mit dem Senkerbereich verbunden ist.

12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolations-Diffusionsbereich des zweiten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet ist und mit dem Senkerbereich in Kontakt steht und mit seitlichem Abstand von dem Drain- Bereich angeordnet ist, um parasitäre Widerstände zu verringern.

13. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß ein leicht dotierter Resurf-Bereich (213) in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleiter material in Kontakt mit dem Drain-Bereich (211) ausgebildet und zwischen dem Drain-Bereich (211) und dem Source-Diffusionsbe reich angeordnet ist.

14. Bauteil nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Diffusionsbereich des ersten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial ausgebildet ist und mit dem Source- Diffusionsbereich und der Source-Elektrode in Kontakt steht.

15. Integrierte Schaltung mit einer auf einer schwimmenden Spannung liegenden Schaltung, die in einem Substrat ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resurf-Diffusionsbereich im wesentlichen die auf einer schwimmenden Spannung liegende Schal tung umgibt, daß eine auf einer relativ niedrigeren Spannung liegende Schaltung in dem Substrat ausgebildet ist, und daß zumindestens ein Pegelschieber-MOSFET-Bauteil vorgesehen ist, das das Bauteil nach den Ansprüchen 10, 11, 12, 13 oder 14 umfaßt.

16. Bauteil zum elektrischen Koppeln einer auf einer schwimmenden Spannung liegenden Schaltung mit einer auf einer relativ niedrigeren Spannung liegenden Schaltung, die jeweils in einem gemeinsamen Substrat mit dem MOSFET-Bauteil ausgebildet sind, wobei das MOSFET-Bauteil folgende Teile umfaßt:
eine Schicht (10) aus Halbleitermaterial mit einem ersten Leitungstyp, die über dem Substrat (11) angeordnet ist, leicht dotiert ist und eine obere Oberfläche aufweist,
einen Source-Diffusionsbereich des zweiten Leitungstyps entgegengesetzt zu dem ersten Leitungstyp, wobei der Source- Diffusionsbereich in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial ausgebildet ist und eine im wesentlichen halbkreisförmige Form aufweist,
eine Source-Elektrode, die mit dem Source-Bereich ver bunden ist und elektrisch mit der auf einer schwimmenden Span nung liegenden Schaltung gekoppelt ist,
eine Gate-Isolierschicht, die über einen Teil der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial benachbart zu dem Source-Diffusionsbereich angeordnet ist,
eine leitende Gate-Schicht, die über der Gate-Isola tionsschicht angeordnet ist,
einen Drain-Bereich des zweiten Leitungstyps, der in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebil det und mit seitlichem Abstand von dem Source-Diffusionsbereich angeordnet ist,
eine Drain-Elektrode, die über der Drain-Diffusion an geordnet und elektrisch mit der auf einer niedrigeren Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist, und
einen Widerstand, der zwischen der Erd-Elektrode und der Drain-Elektrode eingeschaltet ist.

17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Senkerbereich (40) des zweiten Leitungstyps sich von der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial in das Substrat (11) erstreckt und mit seitlichem Abstand von dem Drain-Bereich angeordnet ist und weiterhin in Abstand von der Source-Diffusion angeordnet ist, wobei eine Erd-Elektrode (226) mit dem Senkerbereich (40) verbunden ist.

18. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolationsdiffusionsbereich des zweiten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht (10) aus Halbleitermaterial ausgebildet und mit dem Senkerbereich und dem Drain-Bereich in Kontakt steht.

19. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein leicht dotierter Resurf-Bereich in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial in Kontakt mit dem Drain-Bereich ausgebildet und zwischen dem Drain-Bereich und dem Source-Diffusionsbereich angeordnet ist.

20. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Diffusionsbereich des ersten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und mit dem Source-Diffusions bereich und der Source-Elektrode in Kontakt steht.

21. Integrierte Schaltung mit einer auf einer schwimmenden Spannung liegenden Schaltung, die in einem Substrat ausgebildet ist, mit einem Resurf-Diffusionsbereich, der die Hochspannungs schaltung umschließt, mit einer auf einer relativ niedrigeren Spannung liegenden Schaltung, die in dem Substrat ausgebildet ist, und mit zumindest einem Pegelschieber-MOSFET-Bauteil, das in dem Substrat ausgebildet ist und elektrisch zwischen der auf der hohen Spannung liegenden Schaltung und der auf der nied rigeren Spannung liegenden Schaltung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resurf-Bereich zumindest teilweise das Pegelschieber-MOSFET-Bauteil umschließt und zwi schen dem Pegelschieber-MOSFET-Bauteil und dem auf der schwim menden Spannung liegenden Bauteil angeordnet ist, wobei das MOSFET-Bauteil das Bauteil nach den Ansprüchen 16, 17, 18, 19 oder 20 umfaßt.

22. Integrierte Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Diffusionsbereich des zweiten Leitungstyps in der oberen Oberfläche der Schicht aus Halbleitermaterial ausgebildet und zwischen dem Resurf-Bereich und dem Drain-Bereich angeordnet ist und mit diesem in Kontakt steht.

23. Integrierte Schaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Diffusionsbereich einen weiteren leitenden Widerstand umfaßt, der zwischen der Drain- Elektrode und der Erd-Elektrode parallel zu der leitenden Wi derstandsschicht angeschaltet ist.