DE4405815A1 - Halbleitervorrichtung mit einer Anodenschicht, die durch selektive Diffusion ausgebildete Bereiche geringerer Konzentration aufweist - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halb­ leitervorrichtung mit einer Anodenschicht, die Bereiche ge­ ringer Dichte bzw. Konzentration aufweist, die durch selek­ tive Diffusion gebildet werden. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Halbleitervorrichtung, die in der La­ ge ist, akkumulierte Ladungsträger über einen Anodenan­ schluß unter Verwendung von Bereichen geringer Konzentra­ tion abzuziehen, wobei die Bereiche durch Diffusion von Verunreinigungen gebildet werden, indem teilweise während der Ausbildung einer Anode ein Kontakt gebildet wird. Diese Halbleitervorrichtung zeichnet sich durch geringen Verlust und die Fähigkeit schneller Umkehr-Erholung aus.

Die Fig. 4(A), 4(B), 4(C) und 4(D) sind Quer­ schnittsansichten jeweiliger Diffusionsbereiche herkömmli­ cher Halbleitervorrichtungen. In Fig. 4(A) ist dabei die vertikale Struktur einer allgemeinen PN-Diode gezeigt. Die Fig. 4(B), 4(C) und 4(D) sind Querschnittsansichten, die eine bekannte PN-Diodenstruktur zeigen, die zur Verkürzung der Umkehr-Erholungszeit ("recovery time") verwendet wird.

In einer Vorwärtsvorspannungs-Diode werden Ladungen ge­ wöhnlich durch Überschuß-Minoritätsträger angesammelt bzw. akkumuliert und die akkumulierten Ladungen werden propor­ tional zu einem Vorwärtsrichtungs-Strom mit fester An­ stiegszeit (-di/dt) in Übereinstimmung mit einer externen Schaltung von der Vorwärtsrichtung zur Umkehr- bzw. Rück­ wärtsrichtung umgeschaltet. Eine eine hohe Durchbruchspan­ nung aufweisende Diode benötigt zu diesem Zeitpunkt einen hohen Vorrichtungswiderstand bzw. inneren Widerstand, wo­ durch die Umkehr-Erholungszeit (Rekombinationszeit) lang wird. Der jeweilige Verlust nimmt daher rasch zu, wenn die Schaltfrequenz der Diode hoch wird.

Je höher die Betriebsfrequenz ist, desto mehr nimmt der Verlust solcher Vorrichtungen zu und es wird zusätzlich ei­ ne Schaltung zur Verringerung des Verlustes benötigt. Zu diesem Zweck wurde bereits eine Diode mit einer Schottky- Barriere verwendet, die die Fähigkeit schneller Erholung aufweist, jedoch an den Nachteilen eines hohen Leckstroms und einer geringen Durchbruchspannung leidet. Um diesen Nachteil auszuschalten, wird auf der in Fig. 4(A) gezeigten allgemeinen Diodenstruktur eine Struktur vorgesehen, die einen Lebensdauer-Vernichter dotiert, um die Umkehr-Erho­ lungszeit zu verkürzen.

Gemäß Fig. 4(A) weist eine diesbezüglich verbesserte Halbleitervorrichtung gewöhnlich eine Anodenelektrode 1 und eine Kathodenelektrode 2 auf, die auf der oberen bzw. unte­ ren Seite der Vorrichtung ausgebildet sind. Ein eine hohe Konzentration aufweisendes Substrat 3 des N⁺-Typs ist auf der Kathodenelektrode 2 ausgebildet, wobei auf dem N⁺-Typ- Substrat 3 hoher Konzentration ein N⁻-Typ-Substrat 4 gerin­ ger Konzentration aufgebracht ist. Auf beiden Seiten der Anodenelektrode 1 sind isolierende Maskierungsschichten 5 ausgebildet, die teilweise zueinander geschichtet sind. Ei­ ne P⁺-Typ-Anodenschicht 6 hoher Konzentration ist auf einem unteren Diffusionsbereich der Anodenelektrode ausgebildet und die Maskierungsschichten 5 sind darauf ausgebildet.

Jedoch wird auch in diesem Fall der Systemwirkungsgrad aufgrund eines hohen Spannungsabfalls und eines hohen Leck­ stroms bei hoher Temperatur herabgesetzt.

Bei der in Fig. 4(B) gezeigten, die Fähigkeit einer schnellen Umkehr-Erholung aufweisenden Struktur werden durch selektive Bor-Diffusion tiefe P⁺-Übergänge ausgebil­ det und durch Bor-Ionenimplantation flache P⁻-Schichten ge­ formt. Auf diese Weise werden eine schnelle Umkehr-Erho­ lungszeit und ein geringer Spannungsabfall erreicht. Bei der in Fig. 4(C) gezeigten Halbleitervorrichtung wird demge­ genüber in einem Diffusionsbereich ein universeller Kontakt mit P⁺- und N⁺-Bereichen verschachtelt ausgebildet. Schließlich stellt auch die in Fig. 4(D) gezeigte Struktur, bei der im voraus P⁺-Bereiche selektiv diffundiert werden und anschließend ein Schottkybarrieren-Kontakt ausgebildet wird, eine bekannte Technik zum Erzielen einer schnellen Umkehr-Erholungsfähigkeit dar.

Die vorstehend erläuterten Figuren zeigen demgemäß die Anodenelektrode 1, die Kathodenelektrode 2, das N⁺-Typ- Substrat 3 hoher Konzentration, das N⁻-Typ-Substrat 4 nied­ riger Konzentration, die isolierende Maskierungsschicht 5, die P⁺-Typ-Anodenschicht 6 hoher Konzentration, die P⁻-Typ- Anodenschicht 7 niedriger Konzentration, die N⁺-Typ-Anoden­ schicht 8 hoher Konzentration und den Schottkybarrieren- Kontakt 9.

Bei den in den Fig. 4(B), 4(C) und 4(D) gezeigten Strukturen wird zunächst der P⁺-Übergang ausgebildet, wor­ auf der Diffusionsbereich, wie beispielsweise P⁺P, P⁺N⁺, und der P⁺-Schottkykontakt ausgebildet werden, wobei eine weitere Schicht darübergeschichtet wird. Diese bekannten Strukturen haben daher den Nachteil, daß ihre Herstellung komplex und schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halblei­ tervorrichtung zu schaffen, die leicht herzustellen ist, so daß der Herstellungspreis entsprechend verringert wird, und deren System-Wirkungsgrad erhöht ist. Darüberhinaus soll ermöglicht werden, Diffusionsbereiche in einen Vielfachkon­ takt zu diffundieren, der aus verschachtelten Teilen hoher und geringer Konzentration besteht, und daraufhin eine An­ ode in einer einzigen Schicht auszubilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung zeichnet sich demgemäß durch folgende Merkmale aus: ein Silizium­ substrat hoher Konzentration und ein Siliziumsubstrat nied­ riger Konzentration eines ersten Leitungstyps, die in der genannten Reihenfolge ausgebildet sind; eine Mulde geringer Konzentration, die durch Diffusion einer den entgegenge­ setzten Leitungstyp des ersten Leitungstyps aufweisenden Verunreinigung in den oberen Teil des die geringe Konzen­ tration aufweisenden Siliziumsubstrats ausgebildet ist; ei­ ne eine hohe Konzentration aufweisende Mulde, die aus dem gleichen Leitungstyp und an der gleichen Stelle wie die die niedrige Konzentration aufweisende Mulde durch selektive Diffusion auf einem oberen Teil der die niedrige Konzentra­ tion aufweisenden Mulde ausgebildet ist; eine auf den obe­ ren Teilen der die niedrige Konzentration aufweisenden Mulde und der die hohe Konzentration aufweisenden Mulde ausgebildeten Anodenelektrode; und eine Kathodenelektrode, die auf einem unteren Teil des die hohe Konzentration auf­ weisenden Substrats ausgebildet ist.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine bipolare Halbleitervorrichtung mit einem isolierten Gate geschaffen, die mindestens einen Transistor und eine lateral bzw. seitlich in einem Körper ausgebildete Diode aufweist, wobei der Transistor aus einem Emitter-, einem Basis- und einem Kollektorbereich in vertikaler Struktur gebildet ist und wobei die Diode eine aus einer Kollektore­ lektrode des Transistors gebildete Kathodenelektrode um­ faßt; ein eine hohe Konzentration aufweisendes Substrat und ein eine niedrige Konzentration aufweisendes Substrat sind aus dem Kollektor des Transistors auf dem oberen Teil der Kathodenelektrode aufeinanderfolgend ausgebildet; eine niedrige Konzentration und eine hohe Konzentration aufwei­ sende Mulden sind aus Verunreinigungen des entgegengesetz­ ten Leitungstyps mit niedriger Konzentration und hoher Kon­ zentration am Kollektorbereich in einer einzigen Schicht ausgebildet; und die Anodenelektrode ist aus einer gemein­ samen, mit der Basis des Transistors und der Kathode der Diode in Verbindung stehenden Elektrode auf der Mulde aus­ gebildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert.

Die Fig. 1(A), 1(B), und 1(C) zeigen anhand von Querschnittsansichten eine Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Halbleitervorrichtung, wobei

Fig. 1(A) eine Ansicht der Vertikalstruktur zur Er­ läuterung der Diffusion durch einen Mehrfachkontakt ist,

Fig. 1(B) eine Ansicht der Vertikalstruktur zeigt, bei der Maskierungsschichten entfernt sind und Elektro­ den mittels eines Diffusionsverfahrens ausgebildet wur­ den, und wobei

Fig. 1(C) anhand einer Querschnittsansicht die se­ lektive Diffusion von Bereichen hoher Konzentration auf einer Kathodenschicht und die anschließende selektive Diffusion einer Anode darstellt;

Die Fig. 2(A) und 2(C) sind Ersatzschaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung, wobei

Fig. 2(A) ein Ersatzschaltbild eines Transistors und einer Klemmdiode ist,

Fig. 2(B) die vertikale Struktur einer Halbleiter­ vorrichtung mit einer Diode und einem gewöhnlichen Transistor zeigt, und wobei

Fig. 2(C) ein Ersatzschaltbild einer Halbleitervor­ richtung zeigt, die zum Herbeiführen eines Freilaufs mit einem ein isoliertes Gate aufweisenden Bipolartran­ sistor parallelgeschaltet ist;

Fig. 3 zeigt einen Signalverlauf zum Vergleichen und zum Messen der Umkehr-Erholungszeit von herkömmlichen und erfindungsgemäßen Dioden; und

Fig. 4(A), 4(B), 4(C) und 4(D) zeigen anhand von Querschnittsansichten herkömmliche Halbleitervorrich­ tungen, wobei

Fig. 4(A) die Vertikalstruktur einer gewöhnlichen PN-Diode zeigt, und wobei

Fig. 4(B), 4(C) und 4(D) anhand von Querschnitt­ sansichten herkömmliche PN-Diodenstrukturen zeigen, die zur Verkürzung der Umkehr-Erholungszeit verwendet wer­ den.

Die in Fig. 1(B) gezeigte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Halbleitervorrichtung weist eine Anodenelek­ trode 1 und eine Kathodenelektrode 2 auf, die auf einem oberen bzw. unteren Teil eines Siliziumsubstrats 4 mit ge­ ringer Dichte bzw. Konzentration ausgebildet sind. Auf ei­ nem Teil bzw. Ende des Siliziumsubstrats 4 ist ein eine ho­ he Konzentration aufweisendes Substrat 3 ausgebildet, wäh­ rend auf dem anderen Teil bzw. Ende des Siliziumsubstrats ein eine hohe Konzentration aufweisender Muldenbereich 6 (Potentialtopf, "well") und ein eine niedrige Konzentration aufweisender Muldenbereich 10 ausgebildet sind, und zwar durch selektive Diffusion von Verunreinigungen des entge­ gengesetzten Leitungstyps. Als Ganzes liegt eine Schicht vor, die aus Bereichen hoher Konzentration und niedriger Konzentration komplex zusammengesetzt ist.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Bipolar-Halbleitervorrichtung geschaffen, von der in Fig. 2(B) eine Ausführungsform gezeigt ist und die minde­ stens einen Transistor und eine lateral bzw. seitlich in einem Körper ausgebildete Diode aufweist. Der Transistor ist aus einem Emitter 14, einer Basis 13 und einem Kollek­ torbereich in vertikaler Struktur bzw. Anordnung gebildet, während die Diode eine Kathodenelektrode 20 umfaßt, die aus einer Kollektorelektrode des Transistors gebildet ist; ein eine hohe Konzentration aufweisendes Substrat 18 und ein eine niedrige Konzentration aufweisendes Substrat 19 sind aus dem Kollektor des Transistors auf einem oberen Teil der Kathodenelektrode 20 aufeinanderfolgend bzw. übereinander ausgebildet; eine Mulde 10 niedriger Konzentration und eine Mulde 6 hoher Konzentration sind im Kollektorbereich in ei­ ner einzigen Schicht aus Verunreinigungen des entgegenge­ setzten Leitungstyps, die eine niedrige bzw. hohe Konzen­ tration aufweisen, ausgebildet; und eine Anodenelektrode 17 ist aus einer gemeinsamen Elektrode auf der Mulde ausgebil­ det und steht in Verbindung mit der Basis des Transistors und der Kathode der Diode.

Die die niedrige Konzentration aufweisende Mulde 10 und die die hohe Konzentration aufweisende Mulde 6 bestehen aus mindestens zwei Mehrfach-Mulden und Diffusions-Verunreini­ gungen. Gemäß Fig. 1(C) wird das die hohe Konzentration auf­ weisende Substrat 11 auf bzw. in dem die niedrige Konzen­ tration aufweisenden Siliziumsubstrat 12 durch selektive Diffusion einer eine hohe Konzentration aufweisenden Verun­ reinigung des gleichen Typs separat ausgebildet und besteht aus einer großen Anzahl von gegenseitig getrennten Struk­ turelementen.

Zu diesem Zeitpunkt bestehen die die niedrige Konzen­ tration aufweisende Mulde 10 und die die hohe Konzentration aufweisende Mulde 6 aus Halbleitermaterial des P⁻-Typs bzw. des P⁺-Typs. Das die hohe Konzentration aufweisende Silizi­ umsubstrat 3 und das die niedrige Konzentration aufweisende Siliziumsubstrat 4, die den ersten Leitungstyp aufweisen, bestehen aus Halbleitermaterial des N⁺-Typs bzw. des N⁻- Typs.

In einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode wird die Ladung allgemein durch Überschuß-Minoritätsträger (Elektronen) akkumuliert und die akkumulierte Ladung wird in Übereinstimmung mit einer externen Schaltung auf eine feste Steigung bzw. Anstiegszeit (-di/dt) geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt muß die akkumulierte Ladung schnell abge­ führt werden, damit die die hohe Konzentration aufweisende Schicht 6 und die die niedrige Konzentration aufweisende Schicht 10 jeweilige Pfade für die Löcher-Beweglichkeit bzw. die Elektronen-Beweglichkeit sein können, wenn die An­ ode durch Bor diffundiert wird.

Das heißt, wenn eine Anodenschicht wie im Stand der Technik eine einzelne Schicht ist, ist die Bewegung der Elektronen nicht glatt bzw. gleichförmig, wodurch die Um­ kehr-Erholungszeit lang wird. Wenn die Anode hingegen ge­ bildet wird, nachdem die Mulde durch Zusammensetzung aus den die hohe Konzentration und den die niedrige Konzentra­ tion aufweisenden Bereichen, die durch Mehrfachkontakt in der einzigen Schicht diffundiert werden, gebildet worden ist, wird die Umkehr-Erholungszeit kurz und das Schaltver­ mögen kann verbessert werden.

Falls der erfindungsgemäße Halbleiter für eine diskrete Vorrichtung verwendet wird, wie dies in den Fig. 2(A) und 2(B) gezeigt ist, wird der Einzelchip aus dem Transi­ stor und der Klemmdiode zusammengesetzt. Der Spannungsab­ fall der Diode ist geringer als der des Basis/Kollektor- Übergangs des Transistors und die Umkehr-Erholungszeit wird verringert. Dadurch können die Sättigung und die Schaltzeit ebenfalls verringert werden.

Gemäß der Darstellung im Ersatzschaltbild der Fig. 2(C) ist die erfindungsgemäße Diode zwischen den Emitter und den Kollektor des Bipolartransistors mit isoliertem Gate ge­ schaltet und kann zum Freilauf verwendet werden.

In dem vorstehend erwähnten Ersatzschaltbild ist die erfindungsgemäße Ersatzschaltbild-Diode mit 21 bezeichnet, ein Kollektoranschluß des Ersatzschaltbild-Transistors mit 22, ein Emitteranschluß mit 23, ein Basisanschluß mit 24, ein Gateanschluß des Bipolartransistors mit isoliertem Gate mit 25, ein Kollektoranschluß der IGBT-Ersatzschaltung ("Bipolartransistor mit isoliertem Gate") mit 26, ein Emit­ teranschluß der IGBT-Ersatzschaltung mit 27 und ein in Reihe zwischen den Emitter und den Kollektor der IGBT-Er­ satzschaltung geschalteter Anschluß mit 28. In Fig. 3 sind mit den Bezugszeichen 29 und 30 jeweilige Kurvenformen beim Messen der Umkehr-Erholungszeit von herkömmlichen Dioden bzw. von erfindungsgemäßen Dioden bezeichnet.

Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden durch Diffusion mindestens zwei Mehr­ fachkontakte ausgebildet und es wird durch Diffusion eine zusammengesetzte Einzelschicht gebildet, die aus dem Be­ reich hoher Konzentration und dem Bereich niedriger Konzen­ tration besteht, um die Probleme der Herstellungsschwierig­ keit zu lösen, wenn tiefe P⁺-Übergänge und flache P⁻-Über­ gänge zusammengesetzt werden, und um die bei Verwendung ei­ nes Schottkykontakts auftretenden Probleme eines hohen Rückwärtsstroms und geringer Spannungsfestigkeit zu lösen. Falls ein einzelner Chip aus einem Transistor und einer Di­ ode zusammengesetzt wird, wird der Transistor im Stand der Technik beeinflußt, wenn ein Lebensdauer-Vernichter dotiert wird, um eine schnelle Umkehr-Erholungsfähigkeit der Diode zu erreichen. Demgegenüber kann die erfindungsgemäße Diode eine schnelle Umkehr-Erholungsfähigkeit ohne Verschlechte­ rung des Transistors aufweisen, und zwar aufgrund der gleichzeitigen Ausbildung der Basis des Transistors und der Diode.

Vorstehend wurde eine Halbleitervorrichtung offenbart, mittels der ein PN-Übergang ausgebildet werden kann, indem Verunreinigungen unterschiedlichen Typs selektiv durch eine eine geringe Konzentration aufweisende Schicht hindurch, die teilweise aus einem Kontakt auf einem aus Schichten ho­ her und niedriger Konzentration des gleichen Typs zusammen­ gesetzten Substrat ausgebildet ist, selektiv diffundiert werden. Die Halbleitervorrichtung kann eine Mulde in einer Einzelschicht bilden, die aufgrund selektiver Diffusion ei­ ner Verunreinigung des gleichen Typs unter Ausnutzung der Eigenschaft, daß Verunreinigungen seitlich genauso weit diffundiert werden wie in vertikaler Tiefe, im Ganzen aus Verunreinigungen niedriger und hoher Konzentration zusam­ mengesetzt ist. Diese Halbleitervorrichtung zeichnet sich durch einen geringen Verlust und eine schnelle Umkehr-Erho­ lungsfähigkeit aus, da akkumulierte Träger über einen An­ odenanschluß unter Verwendung der die geringe Konzentration aufweisenden Schicht entfernt werden können. Falls der Halbleiter für eine diskrete Vorrichtung verwendet wird, wird in einer Einzelschicht durch Diffusion eine Anode aus­ gebildet. Der Herstellungsvorgang ist daher einfach. Falls ein einzelner Chip aus einem Transistor und einer Diode be­ steht, ist mit der erfindungsgemäßen Diode eine schnelle Umkehr-Erholungsfähigkeit erzielbar, ohne den Transistor zu verschlechtern, was auf die gleichzeitige Ausbildung der Basis und der Diode zurückzuführen ist.

Claims (4)

1. Halbleitervorrichtung, mit:
einem eine hohe Konzentration aufweisenden Silizium­ substrat (3) und einem eine niedrige Konzentration aufwei­ senden Siliziumsubstrat (4) mit einem ersten Leitungstyp, die in der genannten Reihenfolge ausgebildet sind;
einer eine niedrige Konzentration aufweisenden Mulde (10), die durch Diffusion von Verunreinigungen des zum er­ sten Leitungstyp umgekehrten Leitungstyps auf dem oberen Teil des die niedrige Konzentration aufweisenden Silizium­ substrats (4) ausgebildet ist;
einer eine hohe Konzentration aufweisenden Mulde (6), die aus dem gleichen Leitungstyp und an der gleichen Stelle wie die die niedrige Konzentration aufweisenden Mulde (10) durch selektive Diffusion auf dem oberen Teil der die nied­ rige Konzentration aufweisenden Mulde (10) ausgebildet ist;
einer Anodenelektrode (5), die auf oberen Teilen der die niedrige Konzentration aufweisenden Mulde (10) und der die hohe Konzentration aufweisenden Mulde (6) ausgebildet ist; und
einer Kathodenelektrode (2), die auf einem unteren Teil des die hohe Konzentration aufweisenden Substrats (3) ausge­ bildet ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die niedrige Konzentration und die hohe Konzentration aufweisenden Mulden eine Vielzahl von Mehr­ fach-Muldenstrukturen aufweisen.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem die niedrige Konzentration aufweisenden Substrat (4) befindliche Substrat (3) mit hoher Konzentration durch selektive Diffusion einer eine hohe Konzentration aufweisenden Verunreinigung des gleichen Typs separat ausgebildet ist.

4. Bipolar-Halbleitervorrichtung mit mindestens einem Tran­ sistor und einer lateral in einem Körper ausgebildeten Di­ ode, wobei der Transistor aus einem Emitter (14), einer Ba­ sis (13) und einem Kollektorbereich in vertikaler Struktur gebildet ist und wobei die Diode eine aus einer Kollektore­ lektrode des Transistors gebildete Kathodenelektrode auf­ weist; wobei auf einem oberen Teil der Kathodenelektrode aus dem Kollektor des Transistors ein eine hohe Konzentra­ tion und ein eine niedrige Konzentration aufweisendes Substrat aufeinanderfolgend ausgebildet sind; wobei am Kol­ lektorbereich in einer einzigen Schicht durch eine niedrige Konzentration und eine hohe Konzentration aufweisende Ver­ unreinigungen des entgegengesetzten Leitungstyps Mulden mit einer geringen Konzentration und einer hohen Konzentration ausgebildet sind; und wobei eine Anodenelektrode aus einer gemeinsamen Elektrode gebildet ist, die mit der Basis des Transistors und der Kathode der Diode auf der Mulde in Ver­ bindung steht.