DE19608906C1

DE19608906C1 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE19608906C1
Application number: DE1996108906
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Ing Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2016-03-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein durch Feldeffekt steuerba res Halbleiterbauelement bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Innenzone vom ersten Leitungstyp, die an eine der Oberflächen des Halbleiterkörpers angrenzt, mit einer Anoden zone vom zweiten Leitungstyp, die an die Innenzone angrenzt, mit mehreren translationsperiodisch angeordneten Basiszonen vom zweiten Leitungstyp, die in die besagte Oberfläche des Halbleiterkörpers eingebettet sind und über Zwischenzellenzo nen getrennt sind, mit mehreren Sourcezonen vom ersten Lei tungstyp, von denen jeweils zwei in eine Basiszone eingebet tet sind, mit mehreren Sourcelektroden, die jeweils eine Ba siszone und die zwei darin eingebetteten Sourcezonen kontak tieren und mit einem Sourceanschluß versehen sind, und mit mehreren horizontal über der Oberfläche angeordneten Gate elektroden, die gegen den Halbleiterkörper isoliert sind und mindestens die an die Oberfläche tretenden Teile benachbarter Basiszonen und die Zwischenzellenzonen überdecken.

Ein Halbleiterbauelement der genannten Art ist als IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) bekannt geworden und bei spielsweise in der Zeitschrift "Elektronik" 9, 1987, Seiten 120 bis 124 beschrieben.

Ferner sind IGBTs mit aus der DRAM-Technologie abgeleiteten Trench-Strukturen bekannt. Der Unterschied zu den eingangs erwähnten IGBTs liegt darin, daß die Gate-Elektrode durch anisotrope Ätzung (Ätzung in Richtung des Kristallgitters) als V-förmiger oder U-förmiger Graben erzeugt wird, in dem die Gate-Elektrode aus dotiertem Polysilizium oder Metall auf Siliziumoxid isoliert angeordnet ist. Man erreicht dadurch sehr niedrige Flächenwiderstände und hohe Packungsdichten. Auch ist die nicht planare Anordnung der Struktur und die starke Abweichung von der in integrierten Schaltkreisen benutzten Herstellungstechnologie nachteilig. Andererseits lassen sich aber bekanntermaßen der Einschaltwiderstand R_DSOn bzw. die Durchlaßspannung V_CEsat eines IGBT in Trench- Technologie gegenüber den eingangs erwähnten IGBTs dadurch verringern, daß der parasitäre J-FET, welcher zwischen den Zellen einer planaren Transistorstruktur existiert, prinzipiell wegfällt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Halbleiter bauelemente der eingangs erwähnten Gattung in Planartechnolo gie so weiter zu bilden, daß die Parameter eines IGBTs mit Trench-Struktur erreicht werden, ohne daß die aufgezeigten Nachteile der Trench-Strukturen hingenommen werden müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Halbleiterbau element gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in den Zwischenzellenzonen translationsperiodisch angeordnete Gatelektrodenbereiche vorgesehen sind, die gegen die Zwi schenzellenzonen isoliert sind und mit den über der Oberflä che angeordneten Gateelektroden verbunden sind.

Bei einem IGBT wird die Leitfähigkeit im eingeschalteten Zu stand sehr hoch, da durch die Verwendung eines p-Substrats im Strompfad nun eine in Durchlaß betriebene Diode vorliegt, die Minoritätsträger in die n-Schicht injiziert. Dies hat den Vorteil, daß das nun entstandene Bauelement, ein vertikaler n⁺p⁺n⁻p⁺-Thyristor über einen MOS-Transistor eingeschaltet werden kann. Schaltet der MOS-Transistor ein, so fließt ein Elektronenstrom über den MOS-Kanal durch die n-Schicht und über den np-Übergang zum Kollektor. Dies hat zur Folge, daß die Basis-Emitter-Strecke des pnp-Transistors angesteuert wird und Löcher in die n-Basis injiziert werden. Ein Teil des Löcherstromes fließt direkt über das p-Gebiet und den p-Kon takt ab. Ein anderer Teil, der unter der Gatefläche, fließt seitlich in das p-Gebiet zum p-Kontakt. Strukturbedingt wird aber diese erhöhte Ladungsträgerkonzentration in der Nähe der Gate-Oberfläche etwas herabgesetzt, da sich die Wege der Lö cher und Elektronen dort trennen. Die Elektronen fließen aus dem Oberflächenkanal, die Löcher verschwinden in die Basiszo nen der Zellenstruktur. In den Zwischenzellenzonen herrscht daher eine deutliche Einschnürung der Ladungsträgerkonzentra tion, die durch die Gateelektrodenbereiche nach der vorlie genden Erfindung aufgehoben wird. Durch die Gateelektrodenbe reiche werden in den Zwischenzellenzonen die Ladungsträger dichten nicht nur nicht eingeschnürt, sondern noch erhöht, weil die Ladungsträgerkonzentration auf der Oberfläche der Gateelektrode erhöht wird. Der Spannungsabfall auf dem IGBT wird demnach kleiner.

Vorzugsweise weisen die Gateelektrodenbereiche die Gestalt von Zapfen auf, die vertikal in die Zwischenzellenzonen hin einragen. Diese Zapfenstrukturen können mit der aus der DRAM- Technologie gebräuchlichen Trench-Technik realisiert werden unter Beibehaltung der Vorteile der leicht umzusetzenden Planartechnologien (z .B. DMOS-Technologie, SIPMOS-Technologie etc).

Typischerweise weisen die Zapfen einen in etwa kreisförmigen Durchmesser auf, der im Mittel ungefähr 1-2 µm beträgt. Es sind jedoch auch irreguläre, elliptische oder rechteckige Querschnitte möglich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen zwei be nachbarten Basiszonen jeweils ein Zapfen bündig mit oder in geringem Abstand zu einem lateralen Basiszonenrand angeord net. Diese Anordnung gewährleistet, daß die Ladungsträger dichte in den Zwischenzellenzonen deutlich erhöht wird. Ins besondere kann dieses Ergebnis noch weiter optimiert werden, in dem zwischen die Zapfen ein floatendes Gebiet vom zweiten Leitungstyp (floatendes p-Gebiet) vorgesehen ist. Nach Anlie gen einer hohen Sperrspannung können durch das floatende p- Gebiet an den Zapfenkanten kritische Feldstärkespitzen ver mieden werden, ohne daß im eingeschalteten Zustand die sehr günstige Ladungsträgerverteilung verschlechtert wird.

In einer alternativen Ausführungsform sind die Gateelektro denbereiche als in der Zwischenzellenzone vergrabene Ringe ausgebildet, die sich bündig oder in geringem Abstand zu den lateralen Basiszonenrändern lateral erstrecken (Burried- Layer).

Sowohl bei der Ausführung mit Zapfen als auch bei der Ausfüh rung mit den vergrabenen Ringen bestehen die Gateelektroden bereiche typischerweise aus dotiertem Polysilizium oder Me tall und sind über eine Isolierschicht, vorzugsweise SiO₂, gegen den Halbleiterkörper isoliert.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau licht und im folgenden im einzelnen anhand der Zeichnung be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauele ments nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauele ments mit zapfenförmigen Gateelektrodenbereichen,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit zap fenförmigen Gateelektrodenbereichen und zusätzlichem floatenden p-Gebiet und

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit Ga teelektrodenbereichen, die als vergrabene Ringe aus gebildet sind.

In allen vier Figuren ist der Halbleiterkörper des Halblei terbauelements mit 1 bezeichnet. Er hat eine sourceseitige Oberfläche 3 und eine drainseitige Oberfläche 16. Er weist eine n-dotierte Innenzone 2 auf, die an die Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 angrenzt. In die Oberfläche 3 sind zwei Basiszonen 5 eingebettet. Der Ausschnitt dieser perspektivi schen Ansicht des Halbleiterkörpers zeigt, daß der ganze Halbleiterkörper eine zellenförmige Struktur aufweist, wobei hier die Form der Zellen streifenförmig ist. Es sind jedoch auch andere Zellstrukturen möglich, nämlich sechseckige, dreieckige, runde oder viereckige. Die Basiszonen 5 haben den der Innenzone 2 entgegengesetzten Leitungstyp. Sie können beispielsweise in einen flachen, schwach p-dotierten Bereich und in einen dickeren, stark p-dotierten Bereich unterteilt sein. In die Basiszonen 5 sind jeweils zwei stark p-dotierte Sourcezonen 6 eingebettet. Die Basiszonen 5 und die Source zonen 6 sind von Sourceelektroden 8 kontaktiert.

An die andere Seite der Innenzone 2 grenzt eine stark p-do tierte Zone an, die die Anodenzone 4 bildet. Diese ist mit einer Drainelektrode 9 kontaktiert.

Die sourceseitige Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 ist mit einer Isolierschicht 15 versehen. Auf dieser Isolier schicht, dem sogenannten Gateoxid, sitzen mehrere horizontal angeordnete Gateelektroden 10. Dabei überdecken diese Ga teelektroden 10 die an die sourceseitigen Oberflächen 3 tre tenden Teile der benachbarten Basiszonen 5 und die zwischen den Basiszonen 5 liegende Zwischenzellenzone 6.

Die gestrichelten Linien in Fig. 1 im Bereich der Innenzone 2 und der Zwischenzellenzone 6 gibt bei diesen den Stand der Technik bildenden IGBTs die Ladungsträgerkonzentration wie der. Deutlich ist zu erkennen, daß im Bereich der Zwischen zellenzone es zu einer Einschnürung der Ladungsträgerkonzen trationslinien kommt.

Die Fig. 2 gibt wieder, wie gemäß der vorliegenden Erfindung die Einschnürung der Ladungsträgerkonzentration im Bereich der Zwischenzellenzone 6 behoben werden kann. In der Zwi schenzellenzone 6 sind hier zwei weitere Gateelektrodenbe reiche, die als Zapfen 11 ausgebildet sind, angeordnet. Diese Zapfen 11 sind gegenüber der Zwischenzellenzone 6 über die Oxidschicht 17 isoliert und mit der über der Oberfläche 3 an geordneten Gateelektrode 10 verbunden. Die Zapfen 11 ragen dabei vertikal in die Zwischenzellenzone 6 hinein und weisen einen in etwa kreisförmigen Durchmesser von ungefähr 1,5 um auf. Die Zapfen 11 sind hier in einem geringen Abstand zu den Basiszonenrändern 14 angeordnet. Die gestrichelten Linien im Bereich der Innenzone und der Zwischenzellenzone geben hier dem gegenüber dem Stand der Technik aus Fig. 1 geschilderten Ladungsträgerkonzentrationsverlauf einen deutlich verbesser ten Ladungsträgerkonzentrationsverlauf wieder. Insbesondere ist die Einschnürung im Bereich der Zwischenzellenzone 6 verschwunden und es ist eine deutlich erhöhte Ladungsträger konzentration unter der Gateelektrode 10 ersichtlich.

Die Fig. 3 veranschaulicht eine Weiterbildung der erfin dungsgemäßen Ausgestaltung der Zwischenzellenzone mit zapfen förmigen Gatelektrodenbereichen aus Fig. 2 über ein zusätz liches floatendes p-dotiertes Gebiet 12. Dieses p-dotierte floatende Gebiet 12 ist zwischen den Zapfen 11 angeordnet und dient zur Beseitigung kritischer Feldstärkespitzen im Bereich der Zapfen 11.

Die Fig. 4 schließlich zeigt eine alternative Ausführungs form der im Bereich der Zwischenzellenzone 6 angeordneten weiteren Gatelektrodenbereiche. Hier liegt ein vergrabener Ring 13 unterhalb der Gateelektrode 10 zwischen den beiden Basiszonen 5 vor. Dieser vergrabene Ring 13 besteht aus do tiertem Polysilizium oder Metall und ist gegenüber der Zwi schenzellenzone 6 bzw. der Innenzone 2 über eine Oxidschicht 17 isoliert und über einen Kontakt 18 mit der Gateelektrode 10 auf deren Potential. Mit dieser Struktur werden die glei chen Vorteile erreicht, wie mit der zapfenförmigen Ausbildung der Gateelektrodenbereiche in der Innenzone 2 bzw. Zwi schenzellenzone 6 gemäß den Fig. 2 und 3. Zusätzlich er gibt sich aber hier der Vorteil, daß die elektrischen Parame ter zweidimensional simulierbar sind.

Die Anforderung an die Oxidschichten 17, die sowohl die Zap fen 11 als auch den vergrabenen Ring 13 umgeben, sind im Ver gleich zu den chemischen bzw. elektrodynamischen Anforderun gen an das Gateoxid 15 nicht so hoch. Es ist demnach auch denkbar spin-on-glas bzw. andere chemische Verfahren hier einzusetzen, die relativ lose gepackte Oxidschichten ergeben mit geringerer Dichte und demnach geringerer Dielektrizitäts konstante.

Claims

1. Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement beste hend aus einem Halbleiterkörper 1

a) mit einer Innenzone (2) vom ersten Leitungstyp, die an eine der Oberflächen (3) des Halbleiterkörpers angrenzt,
b) mit einer Anodenzone (4) vom zweiten Leitungstyp, die an die Innenzone (2) angrenzt,
c) mit mehreren translationsperiodisch angeordneten Basiszo nen (5) vom zweiten Leitungstyp, die in die besagte Ober fläche (3) des Halbleiterkörpers (1) eingebettet sind und über Zwischenzellenzonen (6) getrennt sind,
d) mit mehreren Sourcezonen (7) vom ersten Leitungstyp, von denen jeweils zwei in eine Basiszone (5) eingebettet sind,
e) mit mehreren Sourceelektroden (8), die jeweils eine Basis zone (5) und die zwei darin eingebetteten Sourcezonen (7) kontaktieren und mit einem Sourceanschluß (9) versehen sind,
f) und mit mehreren horizontal über der Oberfläche (3) ange ordneten Gateelektroden (10), die gegen den Halbleiterkör per (1) isoliert sind und mindestens die an die Oberfläche (3) tretenden Teile benachbarter Basiszonen (5) und die Zwischenzellenzonen (6) überdecken,

dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenzellenzonen (6) translationsperiodisch angeordnete Gateelektrodenbereiche vorgesehen sind, die gegen die Zwi schenzellenzonen (6) isoliert sind und mit den über der Ober fläche (3) angeordneten Gateelektroden (10) verbunden sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ga teelektrodenbereiche die Gestalt von Zapfen (11) aufweisen, die vertikal in die Zwischenzellenzone hineinragen.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zap fen (11) einen in etwa kreisförmigen Durchmesser aufweisen.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zap fen (11) einen mittleren Durchmesser von etwa 1-2 µm aufwei sen.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Basiszonen (5) jeweils ein Zapfen (11) bün dig mit oder in geringem Abstand zu einem lateralen Basiszo nenrand (14) angeordnet ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zapfen (11) ein floatendes Gebiet (12) vom zweiten Lei tungstyp vorgesehen ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ga teelektrodenbereiche als in der Zwischenzellenzone (6) ver grabene Ringe (13) ausgebildet sind und sich bündig oder in geringem Abstand zu den lateralen Basiszonenrändern (14) la teral erstrecken.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ga teelektrodenbereiche aus dotiertem Polysilizium oder Metall bestehen.