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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem
Halbleiterkörper mit einem Substratgebiet eines ersten Leitungstyps, einer darauf
liegenden Halbleiterschicht vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp, die mit dem
Substratgebiet einen PN-Übergang bildet, und mit einem bipolaren Transistor mit einer
an die Oberfläche grenzenden Basiszone vom ersten Leitungstyp, einer in der Basiszone
angebrachten Emitterzone vom zweiten Leitungstyp, einer zwischen dem Substratgebiet
und der Halbleiterschicht vorgesehenen unterhalb der Basiszone liegenden hochdotierten
vergrabenen Schicht vom zweiten Leitungstyp, einer an die Oberfläche grenzenden
Kollektorkontaktzone vom zweiten Leitungstyp und einer zwischen der Basiszone und
der Kollektorkontaktzone liegenden Gate-Elektrode, die durch eine Sperrschicht von der
Halbleiterschicht getrennt ist.
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Eine derartige Halbleiteranordnung ist in der Europäischen Patentschrift
EP 45447 beschrieben.
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Für Transistoren, die in Schaltungsanordnungen verwendet werden, in
denen hohe Spannungen verwendet werden, wird oft eine Konstruktion gewählt, die aus
einem in einer Halbleiterschicht gebildeten vertikalen Bipolartransistor und einem
lateralen Übergangs-Feldeffekttransistor besteht, von dem nur eine Gate-Elektrode durch
das Substrat gebildet wird. Das Substrat ist dabei von dem der Halbleiterschicht
entgegengesetzten Leitungstyp.
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In der Europäischen Patentschrift EP 45447 werden von dieser Struktur
zwei Ausführungsformen beschrieben.
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In der ersten Ausführungsform erstreckt sich die Basiszone eines
vertikalen NPN-Transistors in Projektion bis außerhalb der vergrabenen Schicht und bildet
auf diese Weise eine weitere Gate-Elektrode des genannten Feldeffekttransistors, dessen
Kanal durch einen Teil des Kollektorgebietes (= der Halbleiterschicht) gebildet wird.
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Wenn der Transistor derart betrieben wird, daß der Kollektor gegenüber
dem Emitter, der Basis und dem Substrat eine hohe Spannung hat, wird der
Feldeffekttransistor von der Oberflächenseite sowie von der Substratseite her gesperrt. Sperrung
über die ganze Dicke der Halbleiterschicht zwischen der Basiszone und dem Substrat
tritt bei einer Spannung unterhalb der Durchbruchspannung (dem sog. RESURF-Prinzip)
auf, wodurch sehr hohe Spannungen verwendet werden können, während unter dem
Einfluß des relativ starken elektrischen Feldes parallel zu der Oberfläche dennoch
beträchtliche Emitter-Kollektorströme fließen können.
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Bei Anwendung als Emitterfolger liegen der Emitter, die Basis und der
Kollektor alle an einer gegenüber dem Substrat hohen Spannung. Die Halbleiterschicht
wird in dem Fall nur aus dem Substrat gesperrt., wobei ein Teil der Dicke der
Halbleiterschicht nicht gesperrt wird, so daß auch bei niedriger Emitter-kollektorspannung ein
ausreichend hoher Strom durch die Halbleiterschicht fließen kann. Ein großer Nachteil
bei Verwendung in der Emitterfolger-Konfiguration ist jedoch die Tatsache, daß der
äußere Teil der Basiselektrode mit der Halbleiterschicht und dem Substrat einen
parasitären Bipolartransistor bildet. Wenn bei Übersteuerung des NPN-Transistors der
Basis-Kollektorübergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wird über diesen PNP-
Transistor ein großer Löcherstrom in das Substrat injiziert, was äußerst unerwünscht ist
und zu einer unwiederherstellbaren Beschädigung der Anordnung führen kann. Zum
Gebrauch in Emitterfolger-Konfiguration ist diese Ausführungsform also weniger geeignet.
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Nach einer zweiten in der genannten Europäischen Patentschrift EP 45447
beschriebenen Ausführungsform erstreckt sich die vergrabene Schicht unterhalb der
ganzen Basiszone des NPN-Transistors und wird eine weitere Gate-Elektrode des
Feldeffekttransistors durch eine einzelne p-leitende Oberflächenzone gebildet, die mit
dem Substrat elektrisch verbunden ist. Auch diese Ausführungsform eignet sich nicht
zum gebrauch in einer Emitterfolger-Konfiguration. Bei der dann herrschenden hohen
Spannung des Emitters, der Basis und des Kollektors gegenüber dem Substrat wird die
Halbleiterschicht aus den beiden Gate-Elektroden (Substrat und p-leitende
Oberflächenzone) völlig gesperrt. Bei Geringer Emitter-Kollektorspannung kann dann, beim
Nichtvorhandensein eines ausreichend starken elektrischen Feldes parallele zu der
Oberfläche kein Strom durch den gesperrten Teil der Halbleiterschicht fließen und die
Einrichtung kann folglich nicht funktionieren.
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Die Erfindung hat nun u.a. zur Aufgabe, die den obenstehend
beschriebenen Anordnungen anhaftenden Nachteile auszuschalten oder wenigstens sie wesentlich
zu verringern und einen Transistor zu schaffen zum Gebrauch bei hoher Spannung., der
zum Gebrauch in einer Emitterfolger-Konfiguration geeignet ist.
PHN 12.322 EP 3
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Nach der Erfindung weist eine Halbleiteranordnung der eingangs
beschriebenen Art das Kennzeichen auf, daß die Gate-Elektrode mit der Emitterzone
elektrisch verbunden ist.
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Bei Gebrauch in einer Emitterfolger-Konfiguration tritt bei der
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung keine Verarmung von der Oberfläche auf.
Außerdem findet bei Übersteuerung der Basis, also mit dem Kollektor-Basisübergang in
der Durchlaßrichtung, keine oder kaum eine Injektion von Ladungsträgern in das
Substrat statt. Die durch den Kollektor-Basisübergang injektierten
Minoritätsladungsträger werden nämlich durch die mit dem Emitter kurzgeschlossene
Gate-Elektrode gesammelt und außerdem durch die vergrabene Schicht zum großen Teil
gesperrt.
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Die genannte Sperrschicht kann beispielsweise durch einen
gleichrichtenden Metall-Halbleiterübergang (Schottky-Übergang) gebildet werden. Auf vorteilhafte
Weise wird aber die Gate-Elektrode durch eine Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp
gebildet, die mit der Halbleiterschicht einen PN-Übergang bildet.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die
Gate-Elektrode durch eine leitende Schicht gebildet, die durch eine elektrisch isolierende (Sperr)-
Schicht von der Halbleiteroberfläche getrennt ist.
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Eine weitere wichtige bevorzugte Ausführungsform weist das
Kennzeichen auf, daß sich von der Oberfläche bis an die vergrabene Schicht vom
zweiten Leitungstyp eine hochdotierte Trennzone vom zweiten Leitungstyp erstreckt, die
zusammen mit der vergrabenen Schicht die Basiszone innerhalb des Halbleiterkörpers
völlig umgibt. Dadurch wird bei Übersteuerung der Basiszone Injektion zum Substrat
hin noch besser vermieden.
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Es kann sich weiterhin noch empfehlen, zwischen der Halbleiterschicht
und dem Substratgebiet eine hochdotierte vergrabene Schicht des ersten Leitungstyps
vorzusehen, die unterhalb der Gate-Elektrode liegt. Dadurch wird die Verarmung von
der Substratseite her verstärkt, was unter bestimmten Umständen erwünscht ist.
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Wie bereits erwähnt, werden die Vorteile der Erfindung völlig
verwirklicht in einer Schaltungsanordnung, bei der der bipolare Transistor in
Emitterfolgerkonfiguration geschaltet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform
einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
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Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, und
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Fig. 3 und 4 einen Schnitt durch zwei weitere Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
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Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßgerecht gezeichnet.
Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen angegeben. In den Schnitten sind
Halbleitergebiete desselben Leitungstyps in derselben Richtung schraffiert.
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Fig. 1 zeigt auf schematische Weise einen Schnitt durch eine
Halbleiteranordnung nach der Erfindung. Die Anordnung ist der Einfachheit halber (radial)
symmetrisch um die Linie MM' gedacht; dies ist aber keineswegs notwendig. Die
Anordnung weist einen Halbleiterkörper 1 auf, der in diesem Beispiel aus Silizium
besteht, obschon auch andere Halbleitermaterialien verwendbar sind. Der
Halbleiterkörper 1 weist ein Substratgebiet 2 eines ersten Leitungstyps auf, in diesem Fall eines p-
Leitungstyps, mit einer Dotierungskonzentration von 3.10¹&sup4; Atomen/cm³. Auf dem
Substrat 2 ist eine mit einer Siliziumoxidschicht 13 bedeckte Halbleiterschicht 3 vom
zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp vorgesehen. In diesem Beispiel ist die Schicht 3
eine etwa 20 um dicke n-leitende Epitaxialschicht mit einer Dotierung von 6. 10¹&sup4;
Atomen/cm³, die mit dem Substratgebiet 2 einen PN-Übergang 4 bildet. Ein
inselförmiger Teil der Schicht 3 wird durch p-leitende Isolierzonen 14 begrenzt.
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Die Anordnung weist weiterhin einen bipolaren Transistor auf, mit einer
an die Oberfläche 5 grenzenden Basiszone 6 vom ersten (p)Leitungstyp und mit einer
Dicke von beispielsweise 3 um, einer in der Basiszone vorgesehenen Emitterzone 7 vom
zweiten (n) Leitungstyp mit einer Tiefe von 2 um und einer zwischen dem
Substratgebiet 2 und der Halbleiterschicht 3 vorgesehenen, unterhalb der Basiszone 6 liegenden
hochdotierten vergrabenen Schicht 8 vom zweiten (n) Leitungstyp. Weiterhin sind
vorhanden eine an die Oberfläche 5 grenzende Kollektorkontaktzone 9 vom zweiten (n)
Leitungstyp und mit beispielsweise derselben Tiefe und derselben Dotierung wie die
Emitterzone 7, und eine zwischen der Basiszone 6 und der Kollektorkontaktzone 9
liegende Gate-Elektrode 10, die durch eine Sperrschicht 11 von der Halbleiterschicht 3
getrennt ist. In diesem Beispiel besteht die Gate-Elektrode aus einer p-leitenden Zone
mit einem höher dotierten Teil 10A und einem niedriger dotierten Teil 10B und die
Sperrschicht wird gebildet durch den PN-Übergang 11, den diese Zone 10A,B mit der
n-leitenden Schicht 3 bildet.
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Nach der Erfindung ist nun die Gate-Elektrode 10A,B mit der
Emitterzone 7 elektrisch leitend verbunden. Dies erfolgt in dem betreffenden Beispiel
durch eine Metallschicht 12, die mit dem hochdotierten Teil 10A der Gate-Elektrode
und mit der Emitterzone 7 Kontakt macht.
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Bei Verwendung der beschriebenen Transistorstruktur tritt in der
Emitterfolgerschaltung beim Anlegen einer relativ hohen Spannung in der Gegenrichtung an
den PN-Übergang 4 eine Verarmung der Schicht 3 von dem Übergang 4 auf. Von dem
PN-Übergang 11 zwischen der Gate-Elektrode 10 und der n-leitenden Schicht 3 tritt
keine große Verarmung auf, wenn der Emitter im Vergleich zu der Spannung an dem
PN-Übergang 4 nur eine geringe Spannung hat, da die Zone 10 mit dem Emitter 7
verbunden ist. Auf diese Weise wird bei Verwendung des Transistors (7, 6, 9) in
Emitterfolgerschaltung, wobei der Emitter etwa Kollektorpotential hat, die Schicht 3
nicht völlig abgeschnürt, wodurch auch bei niedriger Emitter-Kollektorspannung Strom
fließen kann.
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Wenn der Emitter etwa auf Substratpotential ist, wird von dem Übergang
11 eine wesentliche Verarmung in das Gebiet 3 erfolgen. Die Verarmungsgebiete von
den PN-Übergängen 11 und 4 sollen einander vor Durchbruch erreichen. Damit dies
geschieht soll das Produkt aus der Dotierungskonzentration der Schicht 3 und der Dicke
dieser Schicht unterhalb der Zone 10 zwischen 0,8 x 10¹² und 1,5 x 10¹² Atomen/cm²
liegen.
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Weiterhin erfolgt beim Übersteuern des Transistors, wobei der Kollektor-
Basisübergang in Durchlaßrichtung angeschlossen ist, wenig oder überhaupt keine
Injektion von Löchern in das Substrat 2. Diese Löcher werden nämlich von der Gate-
Elektrode 10 gesammelt, die mit dem Emitter 7 kurzgeschlossen ist. Außerdem werden
die Löcher, die nicht gesammelt werden würden, noch von der vergrabenen Schicht
gesperrt, die eine gegenüber der Schicht 3 hohe n-Dotierung aufweist.
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Die beschriebene Transistorstruktur kann mit Hilfe üblicher Techniken
hergestellt werden, wobei die Dotierung und die Dicke der jeweiligen
Halbleiterschichten vom Fachmann entsprechend den erwünschten Eigenschaften und/oder
Anwendungen gewählt werden können.
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Eine Abwandlung dieser Ausführungsformen ist in Fig. 2 dargestellt, in
der unterhalb der Gate-Elektrodenzone 10 zwischen der Halbleiterschicht3 und dem
Substratgebiet 2 noch eine hochdotierte p-leitende vergrabene Schicht 20 vorgesehen ist.
Dadurch kann die Verarmung der Schicht 3 von der Substratseite her noch verstärkt
werden.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform, die im Schnitt in Fig. 3 dargestellt
ist, wird die Injektion von Ladungsträgern aus der Basiszone 6 in das Substratgebiet 2
noch besser vermieden. Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere hochdotierte Zone
30 von demselben Leitungstyp wie die vergrabene Schicht 8 vorgesehen, die sich bis an
die Oberfläche 5 erstreckt und zusammen mit der vergrabenen Schicht 8 eine
hochdotierte Zone bildet, welche die Basiszone 6 völlig umgibt.
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In den bisher beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Halbleiteranordnung ist die Gate-Elektrode eine Halbleiterzone 10, die durch einen
gesperrten PN-Übergang 11 von der Halbleiterschicht 5 getrennt ist. Nach einer
wichtigen weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Gate-Elektrode durch eine
leitende Schicht 40 gebildet, die durch eine elektrisch isolierende Schicht 41 von der
Halbleiteroberfläche 5 getrennt ist (siehe Fig. 4). Obschon dies keinesfalls notwendig
ist, wird die leitende Schicht hier durch dieselbe Metallschicht gebildet, die auch die
Verbindungsschicht 12 bildet. Die Isolierschicht 41 kann eine Siliziumoxidschicht, eine
Siliziumnitridschicht oder eine andere einfache oder zusammengesetzte isolierende
Schicht sein. So wird eine Metall-Isolation-Halbleiterstruktur (40, 41, 3) gebildet, wobei
die Schicht 3 von der Oberfläche 5 her verarmt werden kann, wenn der Schicht 41 eine
gegenüber der Schicht 3 ausreichend hohe negative Spannung zugeführt wird. Die
Schicht 41 kann statt aus Metall auch aus polykristallinem Silizium, einem Metallsilicid
oder aus einem anderen leitenden Material bestehen. Die Isolierschicht 41 wird derart
dünn gewählt, daß bei Schaltungsanordnungen, bei denen Verarmung der Schicht 3 von
der Oberseite aus erfolgt, diese Verarmung bei der herrschenden Arbeitsspannung in
ausreichendem Maße auftritt.
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Die Erfindung ist insbesondere von Bedeutung bei
Schaltungsanordnungen, bei denen der Transistor (7, 6, 9) als Emitterfolger (Eingangsspannung I,
Ausgangsspannung U) geschaltet ist, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt.
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Damit günstige Bedingungen geschaffen werden für eine relativ hohe
Durchbruchspannung der zugeordneten PN-Übergänge sind zu den hochdotierten Zonen
10A und 14 noch untiefe niedriger dotierte Zonen (10B, 14A) ("extensions")
hinzugefügt
worden, die bereits bei relativ niedriger Spannung an den PN-Übergängen (11,
16) verarmt sind und die Feldstärke an der Oberfläche verringern. Auch die Basiszone 6
kann mit derartigen Erweiterungen versehen sein. Keine von ihnen ist aber für die
vorliegende Erfindung wesentlich.
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Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf die oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele. So können beispielsweise andere Halbleitermaterialien als
Silizium verwendet werden. Auch können (gleichzeitig) die Leitungstypen der jeweiligen
Halbleiterzonen durch den umgekehrten Leitungstyp ersetzt werden, die unter
gleichzeitiger Umkehrung der jeweiligen Spannungen. Weiterhin braucht die Anordnung nicht,
wie in den Beispielen, in einem inselförmigen Schichtteil vorgesehen zu sein, während
sie auch nicht radial-symmetrisch ausgebildet zu sein braucht.