DE4001368A1

DE4001368A1 - Leitungstyp-modulations-mosfet

Info

Publication number: DE4001368A1
Application number: DE4001368A
Authority: DE
Inventors: Yasukazu Seki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1990-08-02
Anticipated expiration: 2010-01-19
Also published as: DE4001368C2; JP2526653B2; JPH02196471A; US5025293A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitungstyp-Modulations-MOSFET (nachfolgend als IGBT bezeichnet), und insbesondere einen IGBT mit einem Aufbau, bei dem sich eine kurze Abschaltzeit ergibt.

Fig. 3 zeigt den herkömmlichen grundsätzlichen Aufbau eines solchen IGBT, bei dem es sich um einen vertikalen Aufbau mit einem P⁺ Substrat als Drainschicht (Kollektorschicht) 1, einer N⁺ Pufferschicht 2, einer N⁻ Leitungstyp-Modula tionsschicht (Basisschicht) 3, einer inselförmigen P Basis zone 4, einer inselförmigen Sourcezone (Emitterzone) 5, ei nem Gateoxidfilm 6, einem Polysiliciumgate 7 und einer Sourceelektrode (Emitterelektrode) 8. Wenn eine positive Gatespannung angelegt wird, wird ein n-Kanal ausgebildet, und Elektronen fließen von der N⁺ Sourcezone in die Lei tungstyp-Modulationsschicht 3 der N⁻ Basis. Da jedoch die eintretenden Elektronen die Spannung der Leitungstyp-Modu lationsschicht 3 senken, wird ein P⁺N⁻-Übergang auf der Drainseite in Durchlaßrichtung vorgespannt. Als Folge davon fließen positive Löcher aus der P⁺ Drainschicht 1 in die N⁻ Leitungstyp-Modulationsschicht 3, und der Widerstand der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 wird um ein beträchtliches Maß gesenkt. Dadurch wird der Einschaltwiderstand des IGBT verringert.

Während der Abschaltdauer, bei der die Gatespannung ent fernt ist, sind die P Basiszone 4 und die N⁻ Leitungstyp- Modulationsschicht 3 in Sperrichtung vorgespannt, und die Elektronen werden zur Seite der Drainschicht 1 hinausge schoben, während die positiven Löcher aufgrund der Ver größerung einer Verarmungszone zur Seite der Sourcezone 5 abwandern. Danach werden übermäßige Ladungen von Elektronen und positiven Löchern, die sich in dem Nicht-Verarmungsbe reich auf der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 angesammelt haben und dort verbleiben, durch Rekombination verringert, so daß ein thermischer Gleichgewichtszustand erreicht wird.

Es gibt zwei Methoden, die Abschaltzeit zu verkürzen, um zu ermöglichen, daß die verbliebenen Elektronen und positiven Löcher an Rekombinationszentren rasch rekombinieren. Die eine Methode beruht auf dem bewußten Hervorrufen von Kri stalldefekten innerhalb eines Halbleiters durch Einführen einer an dem Rekombinationszentrum zu verwendenden Strah lung. Die andere Methode macht von der Dotierung schwerer Metallatome wie Gold und Platin Gebrauch, damit die sich ergebenden Störstellenzentren als Rekombinationszentren dienen. Bei beiden Techniken wird ein lokales Niveau im verbotenen Band ausgebildet und als Feld für die Rekombina tion verwendet. Es dient daher als ein Lebensdauerkiller.

Bei einem IGBT mit einem vertikalen Aufbau wird jedoch die oben erwähnte Methode des Einführens des Lebensdauerkillers gleichmäßig auf alle Schichten in Vertikalrichtung angewen det. Obwohl deshalb die Abschaltzeit verkürzt wird, wird die Reduzierung des Einschaltwiderstandes, was eines der Merkmale eines IGBT ist, verglichen mit dem Obigen beein trächtigt.

Das heißt, obwohl die Bestrahlung eine Vielzahl von Kri stalldefekten auf den beiden Seiten des Halbleitersubstrats erzeugt, ist es schwierig, sie lokal in die Nähe des Nicht- Verarmungsbereichs in der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 zu bringen, selbst wenn die Beschleunigungsenergie oder die Dotierungsmenge variiert wird. Obwohl es ferner möglich ist, die Diffusionstiefe durch die Diffusionstemperatur und die Diffusionszeit zu steuern, bleibt es dennoch schwierig, die Kristalldefekte lokal in die Nähe des Nicht-Verarmungs bereichs zu bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Leitungstyp-Modu lations MOSFET zu schaffen, bei dem eine zweite Puffer schicht, die zu einer Getterzone im Substrataufbau werden soll, im vorhinein ausgebildet wird, ohne das gezielt Le bensdauerkiller eingeführt werden. Auf diese Weise schrei tet die Getterung von Schwermetallelementen natürlich voran. Danach wirkt die zweite Pufferzone als eine lokale Lebensdauerkillerzone mit der Folge, daß es möglich wird, die Abschaltzeit zu verringern, dabei aber den geringen Einschaltwiderstand zu behalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leitungstyp- Modulations-MOSFET gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Bei dieser Lösung erhält die zweite Pufferzone während des Verfahrens mehr Schwermetallatome als die anderen Schich ten, entweder durch bewußtes Einführen von Schwermetallato men oder natürliche Verunreinigung ect., und dient als der Lebensdauerkiller. Die zweite Pufferzone mit einer höheren Störstellenkonzentration als die der ersten Pufferzone wird zu einer Potentialsperre für Elektronen und positive Löcher während der Einschaltdauer und des stationären Betriebs. Da jedoch die Dicke der zweiten Pufferzone geringer als die der ersten Pufferschicht ist, hat die zweite Pufferzone na hezu keinen Einfluß auf den Anstieg des Einschaltwider stands. Während der Abschaltzeit wird die Injektion von Mi noritätsladungsträgern von der Halbleitersubstratseite des ersten Leitungstyps in die Leitungstypmodulationsschicht von der ersten Pufferzone unterdrückt, während andererseits Elektronen und positive Löcher, die zur Nicht-Verarmungs zone der Leitungstyp-Modulationsschicht herausgeschoben wurden, rasch von den Schwermetallatomen der zur Lebens dauerkillerzone gewandelten zweiten Pufferzone eingefangen und durch Rekombination ausgelöscht werden. Demzufolge wird die Abschaltzeit verkürzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Grundaufbaus einer Ausführungsform eines Leitungstyp-Modulations-MOS FET′s gemäß der Erfindung,

Fig. 2(A) das Bändermodell in der Einschaltphase der Ausführungsform,

Fig. 2(B) das Bändermodell in der Abschaltphase der Ausfüh rungsform und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Grundaufbaus eines Bei spiels eines herkömmlichen Leitungstyp-Modulations- MOSFET′s.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung des grundsätzlichen Auf baus einer Ausführungsform eines Leitungstyp-Modulations- MOSFET′s gemäß der Erfindung. Mit 1 ist eine Drainschicht (Kollektorschicht) aus einem P⁺ Halbleitersubstrat mit ei ner hohen Störstellenkonzentration bezeichnet, die als eine mit Minoritätsladungsträgern injizierte Schicht dient. Eine erste N⁺ Pufferschicht 2 a mit einer hohen Störstellenkon zentration ist auf diesem P⁺ Halbleitersubstrat 1 ausgebil det. Die erste Pufferschicht 2 a steuert die Injektion posi tiver Löcher während der Abschaltzeit. Auf dieser ersten Pufferschicht 2 a ist eine N⁺⁺ leitende zweite Pufferschicht 2 b ausgebildet, deren Störstellenkonzentration höher als die der ersten Pufferschicht 2 a ist. Die Dicke der zweiten Pufferschicht beträgt einige µm und ist geringer als die der ersten Pufferschicht 2 a. 3 ist eine Leitungstyp-Modula tionsschicht (N⁻ Basisschicht) aus einer N⁻ Epitaxial schicht, die auf der zweiten Pufferschicht 2 b ausgebildet ist. 4 ist eine P-Basiszone (P-Körper), die inselartig an der Oberseite der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 ausge bildet ist. Auf der P-Basiszone befindet sich eine N⁻ Sourcezone (eine Emitterzone) 5, die eine hohe Störstellen konzentration aufweist und vertikal inselförmig ausgebildet ist. 6 ist ein Oxidfilm, 7 ein Polysiliciumgate als Gate elektrode und 8 eine Sourceelektrode (eine Emitterelek trode), die die beiden N⁺ Sourcezonen 5 überbrückt.

Da die Störstellen in der zweiten Pufferzone 2 b hochkonzen triert sind, üben Schwermetallverunreinigungsatome während des Störstellendiffusionsprozesses in der P-Basiszone 4 ect. spontan eine Getterung aus. Bei der vorliegenden Aus führungsform werden jedoch Schwermetallatome von Gold oder Platin bewußt von der Rückseite in den Grundaufbau, in dem die Leitungstyp-Modulationsschicht 3 ausgebildet ist, ein geführt. Dieser Überschuß an Schwermetallatomen wird bei der Wärmebehandlung im nachfolgenden Prozeß überwiegend in der zweiten Pufferschicht 2 b eingefangen, so daß die Kon zentration von Schwermetallatomen in der zweiten Puffer schicht 2 b höher als die der anderen Schichten wird und die zweite Pufferschicht 2 b im Prinzip als Lebensdauerkiller oder Rekombinationszentrenschicht dient.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise dieses Leitungstyps-Modu lations-MOSFET′s erläutert werden. Wenn eine positive Gate spannung an das Polysiliciumgate 7 angelegt wird, wird ein n-Kanal in einem MOS-Abschnitt ausgebildet, und die Elek tronen als Majoritätsladungsträger fließen von der N⁺ Sourcezone 5 durch den n-Kanal in die N⁻ Leitungstyp-Modu lationsschicht 3. Als Folge davon steigt die Dichte der Elektronen, die in der N⁻ Leitungstyp-Modulationsschicht 3 Majoritätsladungsträger sind, an, wodurch deren Potential verringert wird. Wie in Fig. 2A gezeigt, wird deshalb der P⁺N⁻ Übergang auf der Seite der Drainschicht 1 einer Durch laßspannung ausgesetzt. Als Folge werden positive Löcher, die Minoritätsladungsträger sind, von der Drainschicht 1 in die Leitungstyp-Modulationsschicht 3 injiziert, und die Konzentration von Elektronen und positiven Löchern in der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 wird rasch verringert. Dies führt einen Leitungstyp-Modulationszustand herbei. Dies ist die Einschaltzeit oder der stationäre Zustand, aber die zweite Pufferschicht 2 b wirkt als Potentialsperre gegenüber den Elektronen und positiven Löchern, wie in Fig. 2 gezeigt. Anders ausgedrückt, die Potentialdifferenz zwi schen der zweiten Pufferschicht 2 b und der ersten Puffer schicht 2 a bewirkt eine Potentialsperre für beide Ladungs träger. Da jedoch die Dicke der zweiten Pufferschicht 2 b geringer als die der ersten Pufferschicht 2 a ist, wandern Elektronen leicht zur zweiten Pufferschicht 2 a, während po sitive Löcher aufgrund der kinetischen Energie ohne Behin derung zur Leitungstyp-Modulationsschicht 3 wandern.

Da bei der vorliegenden Ausführungsform die Störstellenkon zentration der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 geringer als die der zweiten Pufferschicht 2 b ist, treten beide Wanderungsbewegungen mit großer Wahrscheinlichkeit auf. Demzufolge weist der Einschaltwiderstand des Leitungstyp- Modulations-MOSFET′s der vorliegenden Ausführungsform einen geringen Wert auf, vergleichbar dem eines herkömmlichen Produkts ohne die zweite Pufferschicht 2 b.

Betrachtet man nun die Abschaltzeit, so ist festzustellen, daß das Ferminiveau E _F in den einzelnen Abschnitten N⁻, N⁺⁺, N⁺ und P⁺ übereinstimmt, wenn die Gatespannung null wird, und eine hohe Potentialsperre wird zwischen der er sten Pufferschicht 2 a und der Drainschicht 1 ausgebildet. Als Folge davon wird die Injektion positiver Löcher von der Drainschicht 1 in die erste Pufferschicht 2 a verhindert. Weiterhin trägt die zweite Pufferschicht 2 b zur Verhinde rung der Injektion positiver Löcher bei. Schließlich werden auch die Elektronen wegen der Aufhebung des n-Kanals davon zurückgehalten, in die Leitungstyp-Modulationsschicht 3 zu strömen. Wie Fig. 1 zeigt, dehnt sich zugleich ein Verar mungsende 3 a in der Leitungstyp-Modulationsschicht 3 aus, und Elektronen und positive Löcher werden zu einer Nicht- Verarmungszone 3 b, die kreuzschraffiert dargestellt ist, ausgeschwemmt, und der Drainstrom nimmt rasch ab. Über mäßige Ladungen von Elektronen und positiven Löchern, die in der zweiten Pufferschicht 2 b und in der ersten Puffer schicht 2 a sowie in der Nicht-Verarmungszone 3 b zurück geblieben sind, werden in gewissem Ausmaß durch direkte Re kombination vermindert. Die Rekombination wirkt jedoch vor herrschend durch ein lokales Niveau Et in einem verbotenen Band, das von Schwermetallelementen höherer Konzentration als üblich in der zweiten Pufferschicht 2 b herrührt. Als Folge davon wird die Lebensdauer der Ladungsträger deutlich verkürzt und die Abschaltzeit im Vergleich zum herkömmli chen Fall merklich verringert.

Da die Leitungstyp-Modulationsschicht 3 bei der obigen Aus führungsform N-leitend ist werden, wenn man annimmt, daß das lokale Niveau Et, bei dem es sich um ein tiefes Stör stellenniveau des Akzeptortyps handelt, die in das Poten tialloch der zweiten Pufferschicht 2 b hineingezogenen Elektronen leicht an dem Rekombiantionszentrum des lokalen Niveaus Et eingefangen, was weiter zur Verkürzung der Ab schaltzeit beiträgt. Wie oben beschrieben, zeichnet sich der Leitungstyp-Modulations-MOSFET gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß er ein Substrat aufweist, das zwischen der ersten Pufferschicht und der Leitungstyp-Modu lationsschicht die zweite Pufferschicht mit einer im Ver gleich zur ersten Pufferschicht höheren Störstellenkonzen tration und verringerten Dicke enthält, die denselben Lei tungstyp wie die erste Pufferschicht aufweist. Dadurch wer den folgende Effekte erzielt. Die zweite Pufferschicht un ter der Leitungstyp-Modulationsschicht wirkt als eine lo kale Lebensdauerkillerzone, und zwar aufgrund des bewußten Einführens von Schwermetallatomen oder natürlicher Verun reinigung während des Verfahrens. Dadurch kann der Ein schaltwiderstand während der Einschaltphase und des sta tionären Betriebs auf einem Wert gehalten werden, der dem herkömmlichen Fall entspricht. Außerdem rekombinieren wäh rend der Abschaltzeit Elektronen und positive Löcher in der Nicht-Verarmungszone in der Leitungstyp-Modulationsschicht. Dadurch wird die Abschaltzeit verglichen mit dem herkömmli chen Fall verringert.

Claims

Leitungstyp-Modulations-MOSFET, umfassend:
eine erste Pufferschicht (2 a), die auf einem Halblei tersubstrat eines ersten Leitungstyps ausgebildet ist und einen zweiten Leitungstyp aufweist,
eine zweite Pufferschicht (2 b) des zweiten Leitungs typs auf der ersten Pufferschicht, die mit höherer Konzen tration als die erste Pufferschicht dotiert ist und eine geringere Filmdicke als die erste Pufferschicht aufweist, und
eine auf dieser zweiten Pufferschicht (2 b) ausgebil dete Leitungstyp-Modulationsschicht (3) des zweiten Lei tungstyps.