DE19608906C1 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents
Durch Feldeffekt steuerbares HalbleiterbauelementInfo
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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 RDSOn
bzw. die Durchlaßspannung VCEsat 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 (9)
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.
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CN105932055A (zh) * | 2016-06-13 | 2016-09-07 | 电子科技大学 | 一种平面栅igbt及其制作方法 |
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1996
- 1996-03-07 DE DE1996108906 patent/DE19608906C1/de not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
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Elektronik 9, 1987, S. 120-124 * |
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CN105932055A (zh) * | 2016-06-13 | 2016-09-07 | 电子科技大学 | 一种平面栅igbt及其制作方法 |
CN105932055B (zh) * | 2016-06-13 | 2018-08-31 | 电子科技大学 | 一种平面栅igbt及其制作方法 |
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