DE69414311T2

DE69414311T2 - Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate

Info

Publication number: DE69414311T2
Application number: DE69414311T
Authority: DE
Inventors: Gehan Anil C/O Univ. Of Cambridge Cambridge Cb2 1Pz Amaratunga; Florin C/O University Of Cambridge Cambridge Cb2 1Pz Udrea
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: JPH0758332A; US5489787A; EP0633611B1; DE69414311D1; EP0633611A1; GB9313843D0

Description

Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate.
Die Halbleiteranordnung kann somit eine Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate aufweisen, welche einen Halbleiterkörper vorsieht, der eine erste Zone des einen Leitfähigkeitstyps, eine, einen ersten pn-Übergang mit der ersten Zone bildende, zweite Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, eine dritte Zone des einen Leitfähigkeitstyps, welche einen zweiten pn-Übergang mit der zweiten Zone bildet und durch die zweite Zone von der ersten Zone getrennt ist, zumindest eine Injektorzone, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone zu injizieren, ein isoliertes Gate, ein in der zweiten Zone vorgesehenes und an das isolierte Gate angrenzendes Kanalgebiet, welches durch das isolierte Gate zwischen einem ersten Zustand, in welchem ein Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps eine Leiterbahn für den Fluß von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der erste und dritten Zone vorsieht, und einem zweiten Zustand, in welchem der Leitungskanal aufgehoben wird, gatesteuerbar ist, aufweist, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß das Einsetzen der Thyristorfunktion durch die Transistoren, welche durch die erste, zweite und dritte Zone sowie den Injektor, die erste und zweite Zone gebildet werden, unterbunden wird.
Eine solche Feldeffektanordnung mit isoliertem Gate ist jetzt im allgemeinen als Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) bzw. bisweilen als Transistor mit isoliertem Gate (IGT) bekannt. Dieser und weitere Typen kombinierter MOS- und Bipolaranordnungen sind in einem Aufsatz mit dem Titel "Evolution of MOS-Bipolar Power Semiconductor Technology" von B. Jayant Baliga, veröffentlicht in Proceedings of the IEEE, Band Nr. 76, April 1988, auf den Seiten 409 bis 418 beschrieben.
Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) unterscheidet sich von einem konventionellen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate darin, daß bei einer selbstsperrenden Anordnung im geöffneten Zustand neben dem Strom des einen Leitfähigkeitstyps, welcher durch Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps vorgesehen wird, die entlang dem durch die, an die Struktur mit isoliertem Gate angelegte, erste Spannung induzierten Inversionskanal fließen, ein Strom des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch die Injektorzone in die erste Zone vorgesehen wird. Diese Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone reduziert im Vergleich zu einem, einen ähnlichen Aufbau aufweisenden, konventionellen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate bzw. MOSFET den Einschaltwiderstand der Anordnung. Wie von Baliga zum Ausdruck gebracht, weist der IGBT die erwünschten Merkmale eines MOSFETs auf, d. h. einen spannungsgesteuerten Betrieb und eine hohe Ausgangsimpedanz sowie, wenn auch, im Vergleich zu konventionellen MOSFETs, auf Kosten einer verminderten Schaltungsgeschwindigkeit, die erwünschten Merkmale von Bipolaranordnungen, d. h. eine hohe Leitungsdichte in Flußrichtung.
Der IGBT besitzt gegenüber dem früheren Thyristor mit MOS-Steuerelektrode insofern Vorteile, als dieser, im Gegensatz zu dem MOS-Thyristor, nach Einschalten der Anordnung immer noch auf einfache Weise durch eine an die isolierte Gatestruktur angelegte Spannung gesteuert werden kann. Bei einem Versuch, den MOS- Thyristor steuerbarer zu machen, wurde der MOS-gesteuerte Thyristor (MCT) erfunden, bei welchem, wie von Baliga beschrieben, zum Abschalten des Thyristors eine zweite Feldeffektanordnung bzw. ein MOS mit isoliertem Gate verwendet wird.
Im Vergleich zu dem MCT wurde bei dem IGBT eine besser steuerbare Strombelastbarkeit sowie ein sicherer Arbeitsbereich (SOA) festgestellt. Der Einschaltwiderstand des IGBTs ist jedoch aufgrund des Potentialabfalles entlang dem Leitungskanal und infolge der weniger effektiven Leitfähigkeitsmodulation der ersten bzw. Driftzone vergleichsweise höher. Darüber hinaus begrenzt die Notwendigkeit, einen Durchbruch durch Durchgreifen zu vermeiden, wenn der IGBT im Sperrbetrieb mit Sperrspannung arbeitet, die Höhe, auf welche die Leitungskanallänge und die Dotierungskonzentration der zweiten Zone reduziert werden kann. Folglich erwies sich das Durchlaß- bzw. das Leitungsvermögen des IGBTs gegenüber dem des MCTs im allgemeinen als geringer.
Wie oben angegeben, ist für den MCT eine erste Einschalt- und eine zweite, getrennte Abschaltfeldeffektanordnung bzw. MOS-Struktur mit isoliertem Gate erforderlich. Um ein Ausschalten des Thyristors zu erreichen, wird die zweite MOS- Struktur durch Anlegen der geeigneten Spannung an deren isoliertes Gate leitend gemacht, so daß Ladungsträgern ein alternativer Weg zu der Kathodenelektrode unter Umgehung des Kathodenübergangs zur Verfügung steht. Der so abgeleitete Strom spannt den Kathodenübergang jedoch gewöhnlich in Durchlaßrichtung vor, um auf diese Weise die Thyristorfunktion aufrechtzuerhalten. Infolgedessen besteht bei dem MCT die Notwendigkeit, den Widerstand des abschaltbaren MOS-Leitungskanales so gering vorzusehen, daß die Spannung an diesem niedriger als die Potentialschwelle (0,7 V) des Kathodenübergangs und damit nicht ausreichend ist, um die Thyristorfunktion aufrechterhalten zu können. Obgleich dieser Zustand theoretisch erreicht werden könnte, erwies sich der Abschaltvorgang des MCTs als zu schwierig, um hohe Stromdichten einzuhalten.
Die Amerikanische Patentschrift US-A-5 151 762 und die veröffentlichte Europäische Patentanmeldung EP-A-0 480 356 offenbaren eine Halbleiteranordnung, welche eine Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate aufweist, die einen Halbleiterkörper mit einer ersten Zone des einen Leitfähigkeitstyps, einer, einen ersten pn-Übergang mit der ersten Zone bildenden, zweiten Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, einer, einen zweiten pn-Übergang mit der zweiten Zone bildenden und von der ersten Zone durch die zweite Zone getrennten, dritten Zone des einen Leitfähigkeitstyps, zumindest eine Injektorzone, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone zu injizieren, ein isoliertes Gate, ein in der zweiten Zone vorgesehenes und an das isolierte Gate angrenzendes Kanalgebiet, welches durch das isolierte Gate zwischen einem ersten Zustand, in welchem ein Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps eine Leiterbahn für den Fluß von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps zwischen einer weiteren Zone und der dritten Zone vorsieht, und einem zweiten Zustand, in welchem der Leitungskanal aufgehoben wird, gatesteuerbar ist, vorsieht. Die weitere Zone ist durch eine stark dotierte Zone des einen Leitfähigkeitstyps dargestellt, welche in der zweiten Zone vorgesehen ist und eine Drainzone eines Feldeffekttransistors (IGFET) mit isoliertem Gate in einer Thyristorstruktur der Anordnung bildet.
Somit sieht die Anordnung von US-A-5 151 762 eine Kaskadenschaltung eines Thyristors (n&spplus;p&supmin;&supmin;n&supmin;n&spplus;p&spplus;) mit dem IGFET vor, dessen zweite Zone (Basis) eine sehr schwache Dotierung (p&supmin;&supmin;) aufweist, welche durch das Anlegen einer Arbeitsspanung durchschlagbar ist. Der Thyristor kann in Reaktion auf das Einschalten und Ausschalten des IGFETs, wie durch das einzelne Gate gesteuert, gesperrt und entsperrt werden.
Bei der Anordnung von EP-A-0 480 356 ist die stark dotierte Drainzone des IGFETs durch eine Schwebezone auf dem Boden eines Grabens (ebenfalls als "Vertiefung" bezeichnet) in der oberen Hauptoberfläche des Körpers dargestellt. Das isolierte Gate ist in der Vertiefung vorgesehen. Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps durchlaufen den Leitungskanal des IGFETs bis zu der Schwebezone und werden durch die Schwebezone in die zweite Zone injiziert, welche einen Thyristor (n&spplus;p&supmin;n&supmin; n&spplus;p&spplus;) mit der Schwebezone, der ersten Zone und der Injektionszone, welche Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone injiziert, bildet.
Die veröffentlichte Europäische Patentanmeldung EP-A-0 098 497 (sowie das entsprechende Amerikanische Patent US-A-4 584 593) offenbart eine andere IGFET-Anordnung, bei welcher der Einschaltwiderstand in der Drain-(ersten)-Zone der Anordnung durch Einsetzen der Bipolartransistorfunktion mit einer Injektorzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps herabgesetzt wird, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die Drainzone zu injizieren. Die Injektorzone ist unter dem isolierten Gate und seitlich der zweiten Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, in welcher der Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der Source- und der Drainzone im EIN-Zustand dieses IGFETs ausgebildet ist, angeordnet. Der Leitungskanal wird durch eine Inversionsschicht in der zweiten Zone unter dem isolierten Gate auf übliche Weise gebildet. Eine Inversionsschicht wird ebenfalls in der Injektorzone unter dem isolierten Gate gebildet. Die Injektorzone sieht eine Kontaktzone vor, welche sich auch unter dem isolierten Gate erstrecken kann, jedoch eine wesentlich stärkere Dotierung aufweist, um zu verhindern, daß sich in der Kontaktzone eine Inversionsschicht bildet. Die Kontaktzone ist mit einer externen Vorspannung verbunden, um die Injektorzone von der die Source- und zweite Zone kontaktierenden Sourceelektrode getrennt vorzuspannen. Der Inversionskanal in der Injektorzone dient als Emitter des Bipolartransistors, die Injektorzone bildet die Basis, und die Drainzone fungiert als Kollektor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate vorzusehen, welche einen Einschaltwiderstand aufweist, der im Vergleich zu dem eines IGBTs verringert ist, jedoch immer noch ein steuerbares Abschalten durch die isolierte Gatestruktur erlaubt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate vorgesehen, welche einen Halbleiterkörper vorsieht, der eine erste Zone des einen Leitfähigkeitstyps, eine, einen ersten pn-Übergang mit der ersten Zone bildende, zweite Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, eine dritte Zone des einen Leitfähigkeitstyps, welche einen zweiten pn-Übergang mit der zweiten Zone bildet und durch die zweite Zone von der ersten Zone getrennt ist, ein isoliertes Gate, ein in der zweiten Zone vorgesehenes und an das isolierte Gate angrenzendes Kanalgebiet, welches durch das isolierte Gate zwischen einem ersten Zustand, in welchem ein Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps eine Leiterbahn für den Fluß von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten und dritten Zone vorsieht, und einem zweiten Zustand, in welchem der Leitungskanal aufgehoben wird, gatesteuerbar ist, aufweist, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß das Einsetzen der Bipolartransistorfunktion durch die erste, zweite und dritte Zone unterbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgebiet ein erstes und zweites Zusatzkanalgebiet aufweist, um den jeweiligen ersten und zweiten Zusatzleitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps in dem ersten Zustand des Kanalgebietes vorzusehen, wobei das zweite Zusatzkanalgebiet durch das erste Zusatzkanalgebiet von der dritten Zone beabstandet ist und schwächer als das erste Zusatzkanalgebiet dotiert ist, wobei der zweite Zusatzleitungskanal einen Bipolartransistor mit der zweiten und ersten Zone bildet und wobei ein pn-Übergang zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal und der zweiten Zone in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn ein Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Zone bei Betrieb der Anordnung einen vorgegebenen Wert erreicht, wodurch in dem durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone gebildeten Bipolartransistor die Bipolartransistorfunktion ausgelöst wird, welche bei Aufhebung des Leitungskanales endet.
Eine erste Form der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung weist zumindest eine Injektorzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf, durch welche die Thyristorfunktion ausgelöst wird. Bei dieser Form der Anordnung wird der Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch zumindest eine Injektorzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen, welche in dem Halbleiterkörper angeordnet ist und einen dritten pn-Übergang mit der ersten Zone bildet, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone zu injizieren, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß eine Auslösung der Thyristorfunktion durch die erste, zweite, dritte und Injektorzone verhindert wird, und wobei der Stom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Zone aus der Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch die mindestens eine Injektorzone, resultiert und die Thyristorfunktion, welche bei Aufhebung des Leitungskanales endet, mit der mindestens einen Injektorzone durch den durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone bei Einsetzen der Bipolartransistorfunktion gebildeten Bipolartransistor ausgelöst wird.
Somit arbeitet die Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate bei der ersten Form der Anordnung gemäß der Erfindung anfänglich wie ein IGBT. Jedoch steigt mit Zunahme des Stromes von, durch die mindestens eine Injektorzone injizierten Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch die relativ schwach dotierte, zweite Zusatzzone der zweiten Zone die Spannung an dem pn-Übergang zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal und der zweiten Zone bis auf 0,7 V, wodurch dieser pn-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, was in der Injektion von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps in die zweite Zone resultiert, was ein Einschalten des durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone gebildeten Bipolartransistors und damit ein Einsetzen der Thyristorfunktion mit der mindestens einen Injektorzone zur Folge hat.
Es versteht sich von selbst, daß der zweite Zusatzleitungskanal ebenfalls den Emitter des Thyristors bildet und lediglich in dem ersten Zustand, das heißt bei Vorhandensein des Leitungskanales, vorhanden ist und die Thyristorfunktion bei Aufhebung des Leitungskanales demzufolge nicht aufrechterhalten werden kann. Folglich wird das Abschalten der Anordnung auf einfache Weise durch das isolierte Gate gesteuert.
Die zweite Zone kann die erste und zweite Zusatzzone, welche an das isolierte Gate angrenzen und in welchen jeweils das erste und zweite Kanalgebiet angeordnet sind, aufweisen.
Im allgemeinen ist die zweite Zusatzzone von der ersten Zone durch eine dritte Zusatzzone, welche in der zweiten Zone vorgesehen ist und stärker als die zweite Zusatzzone dotiert ist, getrennt. Die Anordnung einer solchen dritten Zusatzzone bedeutet, daß die Dotierung der ersten und zweiten Zusatzzone auf einen so niedrig wie erwünschten Wert reduziert werden kann, ohne dabei um einen möglichen Durchgriff auf die erste Zone besorgt sein zu müssen.
Die dritte Zone kann gegen die erste Zusatzzone der zweiten Zone elektrisch kurzgeschlossen werden, um eine Durchlaßvorspannung des zweiten pn- Übergangs zwischen der dritten und zweiten Zone zu verhindern, welche sonst in einer Thyristorfunktion zwischen der dritten, zweiten, ersten und Injektorzone resultieren könnte, und um ebenfalls eine gute Leiterbahn zur Extraktion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bei Abschalten der Anordnung vorzusehen.
Die Ansprüche 5 bis 8, 10 und 11 zeigen verschiedene Konfigurationen der Anordnung gemäß der Erfindung im Hinblick darauf, welche Zonen der Anordnung an welche der ersten und zweiten gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers angrenzen. Die Zonenkonfiguration von Anspruch 10 sieht eine sogenannte Lateralanordnung vor, bei welcher der Hauptstromfluß parallel bzw. annähernd parallel zu den Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers verläuft. Die Zonenkonfiguration von Anspruch 11 sieht eine sogenannte Vertikalanordnung vor, bei welcher sich der Hauptstromfluß zwischen den Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers erstreckt. Die Zonenkonfiguration von Anspruch 5 sieht eine sogenannte Planaranordnung vor. Bei dem in Anspruch 6 dargelegten Beispiel trifft die dritte Zone auf eine erste von zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers, und die isolierte Gatestruktur ist in einer Vertiefung ausgebildet, welche sich von der ersten Hauptoberfläche durch die dritte und zweite Zone in die erste Zone erstreckt. Dieses ist bei sogenannten Vertikalanordnungen von Vorteil, da, im Vergleich zu einer Planarstruktur, der gesamte Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vor Einsetzen des Thyristors zwischen der ersten und zweiten Hauptoberfläche im allgemeinen parallel zu dem Inversionskanal fließt, wodurch eine Zunahme des Potentials in dem Bereich des Inversionskanales und, im besonderen, in der zweiten Zusatzzone der zweiten Zone erfolgt und die Thyristorauslösung ermöglicht wird. Eine ähnliche geometrische Stromverteilung und dieser Vorteil sind bei einer sogenannten Planargeometrie zu verzeichnen, bei welcher die Anordnung eher durch eine laterale als eine vertikale Anordnung dargestellt ist. In beiden Fällen wird bei Auslösen der Thyristorfunktion die effektive Leitungskanallänge reduziert und die erste Zone durch die Thyristorfunktion stark moduliert, was in einer Zunahme der Stromdichte bei einer vorgegebenen, zweiten Spannung resultiert.
Soll es sich bei der Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate um eine Leistungsanordnung handeln, wird diese im allgemeinen aus vielen (typischerweise hunderten oder tausenden) dritten Zonen gebildet, welche mit einer gemeinsamen, isolierten Gatestruktur in einer gemeinsamen, ersten Zone ausgebildet sind. In einem solchen Falle kann eine Vertikalkonfiguration insofern Vorteile aufweisen, als sie eine höhere Strombelastbarkeit erlaubt.
Bei der beschriebenen, ersten Form der Anordnung wird die Thyristorfunktion durch Ladungsträgerinjektion von zumindest einer Injektorzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgelöst. Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls eine weitere Form der Halbleiteranordnung vor, bei welcher die Injektorzone nicht vorgesehen wird und die Bipolartransistorfunktion durch einen Abfluß von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps an dem ersten pn-Übergang ausgelöst wird. Erreicht dieser Abfluß einen vorgegebenen Wert bei Betrieb der Anordnung, wird der pn-Übergang zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal und der zweiten Zone in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch der durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone gebildete Bipolartransistor als Leiter wirkt, um die bei Aufhebung des Leitungskanales endende Bipolartransistorfunktion auszulösen.
Im allgemeinen bilden in diesem Falle die erste und dritte Zone die Source und den Drain eines MOS-Transistors. Eine Anordnung dieser Art fungiert anfänglich als MOS-Transistor, jedoch schaltet sich mit zunehmender Drainspannung der durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone gebildete Bipolartransistor ein. Der Bipolartransistor kann jedoch durch das isolierte Gate auf einfache Weise abgeschaltet werden, da bei Nichtvorhandensein des Leitungskanales kein Emitter für den Bipolartransistor vorhanden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - einen schematischen Querriß durch einen Teil eines ersten Ausführungsbeispieles einer Halbleiteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate;
Fig. 2 - die simulierte Stromverteilung in einer Anordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, während eines Teiles des Betriebes;
Fig. 3 - die simulierte Stromverteilung in einer Anordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, während eines anderen Teiles des Betriebes;
Fig. 4 - Anodenstrom- (IA) gegenüber Anodenspannungs-(VA)- Kennlinien für Anordnungen, wie in Fig. 1 dargestellt, sowie für konventionelle Grabengate-IGBTs;
Fig. 5 - einen schematischen Querriß durch einen Teil eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Halbleiteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate;
Fig. 6 - einen schematischen Querriß durch einen Teil eines dritten Ausführungsbeispieles einer Halbleiteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate;
Fig. 7 - einen schematischen Querriß durch einen Teil eines vierten Ausführungsbeispieles einer Halbleiteranordnung mit einer erfindungsgemäßen Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Fig. 1 und 5 bis 7 nicht maßstabsgetreu dargestellt sind, und daß relative Abmessungen, wie zum Beispiel die Stärken der Schichten bzw. Zonen zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung übertrieben wiedergegeben sein können. Gleiche Elemente wurden durchgängig mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Wenden wir uns nun der Zeichnung zu, im besonderen den Fig. 1, 5, 6 und 7, welche eine Halbleiteranordnung mit einer Bipolarfeldeffektanordnung 1a, 1b, 1c, 1d mit isoliertem Gate zeigen, welche einen Halbleiterkörper 2 vorsieht, der eine erste Zone 3 des einen Leitfähigkeitstyps, eine, einen ersten pn-Übergang 5 mit der ersten Zone 3 bildende, zweite Zone 4 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, eine dritte Zone 6 des einen Leitfähigkeitstyps, welche einen zweiten pn-Übergang 7 mit der zweiten Zone 4 bildet und durch die zweite Zone 4 von der ersten Zone 3 getrennt ist, zumindest eine Injektorzone 8, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone 3 zu injizieren, ein isoliertes Gate 9, 10, ein in der zweiten Zone 4 vorgesehenes und an das isolierte Gate 9, 10 angrenzendes Kanalgebiet 40, welches durch das isolierte Gate 9, 10 zwischen einem ersten Zustand, in welchem ein Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps eine Leiterbahn für den Fluß von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der erste und dritten Zone vorsieht, und einem zweiten Zustand, in welchem der Leitungskanal aufgehoben wird, gatesteuerbar ist, aufweist, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß das Einsetzen der Thyristorfunktion durch die Bipolartransistoren, welche durch die erste, zweite und dritte Zone 3, 4 und 6 sowie den Injektor, die erste und zweite Zone 8, 3 und 4 gebildet werden, unterbunden wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Kanalgebiet 40 ein erstes und zweites Zusatzkanalgebiet 40a und 40b auf, um den jeweiligen ersten und zweiten Zusatzleitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps in dem ersten Zustand des Kanalgebietes 40 vorzusehen, wobei das zweite Zusatzkanalgebiet 40b durch das erste Zusatzkanalgebiet 40a von der dritten Zone 6 beabstandet ist und schwächer als das erste Zusatzkanalgebiet 40a dotiert ist, um zu bewirken, daß, wenn der aus der Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch die mindestens eine Injektorzone 8 resultierende Strom bei Betrieb der Anordnung einen vorgegebenen Wert erreicht, der pn-Übergang 40b' zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal (in Gebiet 40b) und der zweiten Zone 4 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wodurch der durch den zweiten Zusatzleitungskanal (in Gebiet 40b), die zweite Zone 4 und die erste Zone 3 gebildete Bipolartransistor als Leiter wirkt, um die bei Aufhebung des Leitungskanales endende Thyristorfunktion mit der mindestens einen Injektorzone 8 auszulösen.
Somit schaltet sich bei einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung die Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate bei Betrieb in einer IGBT-ähnlichen Weise ein. Da jedoch der durch die Injektorzone 8 über die zweite Zone 4 vorgesehene Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zunimmt, die Potentialdifferenz an dem pn-Übergang 40b' zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal und der zweiten Zone 4 der zweiten Zone 4 auf 0,7 V steigt, ist es ausreichend, den pn- Übergang 40b' in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wodurch bewirkt wird, daß der zweite Zusatzleitungskanal in dem zweiten Zusatzkanalgebiet 40b als Bipolaremitter arbeitet, indem er Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps in die zweite Zone 4 injiziert und den durch den zweiten Leitungskanal, die zweite Zone 4 und die erste Zone 3 gebildeten Bipolartransistor auf diese Weise einschaltet. Hierdurch setzt die Tyhristorfunktion mit der Injektorzone 8 ein. Nach Beginn der Injektion von dem zweiten Zusatzinversionskanal und Einsetzen der Thyristorfunktion fließen die Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps durch den Thyristor, wodurch sie einen Teil des Leitungskanales umgehen und damit die Gesamtlänge des Leitungskanales auf annähernd die Länge des ersten Zusatzkanalgebietes 40a effektiv herabgesetzt und der Kanalserienwiderstand somit reduziert wird.
Im Gegensatz zu einem MCT ist die Thyristorfunktion bei einer erfindungsgemäßen Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate jedoch ohne weiteres steuerbar und kann durch Aufhebung des Leitungskanales auf einfache Weise beendet werden, da ohne Leitungskanal kein Emitter für den Thyristor vorhanden ist. Somit gleichen der Einschalt- und Abschaltmechanismus sowie die Leistungen der Anordnungen denen eines IGBTs, während der Mechanismus und die Leistung im geöffneten Zustand mehr denen eines MCTs gleichen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel weist der Halbleiterkörper ein monokristallines Siliciumsubstrat auf, welches die Injektorzone 8 bildet und mit Fremdatomen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, in diesem Beispiel des p- Leitfähigkeitstyps, relativ stark dotiert ist, um typischerweise einen spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm-cm vorzusehen, auf welcher die erste bzw. Driftzone 3 als relativ schwach dotierte, epitaktische Schicht des einen Leitfähigkeitstyps (in diesem Beispiel des n-Leitfähigkeitstyps) ausgebildet wird. Die Dotierung und Stärke dieser Schicht 3 hängt von der gewünschten Sperrspannungs-Sperrfähigkeit der Anordnung ab, jedoch kann die erste Zone 3 typischerweise eine Dotierungskonzentration von 10¹&sup4; Ionen cm&supmin;³ und eine Stärke von 60 bis 100 um (Mikrometer) aufweisen.
Wenn gewünscht, kann eine stärker dotierte Schicht (durch die gestrichelte Linie 3a in Fig. 1 dargestellt) des einen Leitfähigkeitstyps als Pufferschicht zwischen der Injektorzone 8 und der ersten bzw. Driftzone 3 vorgesehen werden, um die Injektion von der Injektorzone 8 in die Driftzone 3 zu moderieren. Typischerweise kann die Pufferschicht 3a eine Dotierungskonzentration von 10¹&sup7; Ionen cm&supmin;³ und eine Stärke von 2 um aufweisen.
In dem Falle, in dem eine Anordnung für sehr hohe Spannungen erforderlich ist, kann als Alternative die erste bzw. Driftzone 3 als schwach dotiertes, monokristallines Substrat dargestellt sein, wobei die Injektorzone 8 (und, falls vorgesehen, die Pufferschicht 3a) durch Implantation und/oder Diffusion oder, in seltenen Fällen, durch epitaxiales Aufwachsen gebildet wird. Obgleich nicht dargestellt, kann, wie in US-A-4 969 028 beschrieben, eine anodenkurzgeschlossene Anordnung eingesetzt werden, bei welcher eine Anzahl beabstandeter Injektorzonen in einer relativ stark dotierten Schicht des einen Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sieht die Driftzone 3 eine Hauptoberfläche 2a und das Substrat bzw. die Injektorzone 8 die andere Hauptoberfläche 2b des Halbleiterkörpers 2 vor.
Die zweite Zone 4 wird in diesem Falle durch umfassende Diffusion und/ oder Implantation von Fremdatomen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, im allgemeinen Borionen, in die erste Zone 3 gebildet, obgleich es selbstverständlich möglich wäre, die zweite Zone 4 epitaktisch auszubilden.
Die zweite Zone 4 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine erste, zweite und dritte Zusatzzone 4a, 4b und 4c auf. Eine relativ stark dotierte Schicht 4c des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, in diesem Falle des p-Leitfähigkeitstyps, bildet die dritte Zusatzzone der zweiten Zone 4. Typischerweise weist die dritte Zusatzzone 4c eine Dotierungskonzentration im Bereich von 10¹&sup6; Ionen cm&supmin;³ bis 10¹&sup7; Ionen cm&supmin;³ und eine Stärke im Bereich von 2 um bis 3 um auf, wenn die gewünschte Sperrspannungs- Sperrfähigkeit bzw. Kenndaten im Bereich von 600 bis 1500 Volt liegen.
Die zweite Zusatzzone 4b ist auf der dritten Zusatzzone 4c als relativ schwach dotierte Schicht des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet und kann eine Dotierungskonzentration im Bereich von 10¹&sup4; Ionen cm&supmin;³ bis 10¹&sup5; Ionen cm&supmin;³ aufweisen. Die Stärke dieser Schicht 4b sollte ausreichend sein, um, wie weiter unten noch näher erläutert, während des Thyristorbetriebs eine ausreichende Injektion von der zugeordneten Inversionsschicht 40b vorzusehen und kann typischerweise 2 um betragen.
Die erste Zusatzzone 4a ist als eine Schicht (des p-Leitfähigkeitstyps) ausgebildet, welche stärker als die zweite Zusatzzone 4b dotiert ist. Die erste Zusatzzone 4a kann ein Gaußsches Dotierungsprofil mit einer Dotierungskonzentration von 10¹&sup9; Ionen cm&supmin;³ auf der Oberfläche 2a und einer Stärke im Bereich von 1 bis 1,5 um aufweisen. Als Alternative kann die erste Zusatzzone 4a ein gleichmäßiges Dotierungsprofil im Bereich von typischerweise 10¹&sup6; Ionen cm&supmin;³ bis 10¹&sup7; Ionen cm&supmin;³ aufweisen. In einem solche Falle sollte jedoch eine zusätzliche, relativ stark dotierte, p-leitende Oberflächenschicht 400a (durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt) mit einer Dotierungskonzentration im Bereich von 10¹&sup9; Ionen cm&supmin;³ vorgesehen werden, um einen ohmschen Kontakt durch die zweite Hauptelektrode 12 zu ermöglichen und eine Durchlaßvorspannung des pn-Übergangs 7 zu verhindern. Diese Durchlaßvorspannung könnte ebenfalls durch Ätzung eines Grabens durch die Oberflächenschicht 400 verhindert werden, so daß die zweite Hauptelektrode 12 mit der zweiten Zone 4 unter der dritten Zone 6 in Kontakt kommt, so daß kein Defektelektronenstrom unterhalb der dritten Zone 6 fließt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die dritte Zone 6 unter Anwendung konventioneller Maskierungs- und Implantationstechniken als Planarzone ausgebildet. Die dritte Zone 6 ist mit Fremdatomen des einen Leitfähigkeitstyps, in diesem Falle des n-Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel Arsen- oder Phosphorionen, relativ stark dotiert und weist typischerweise eine Oberflächendotierungskonzentration von 10²&sup0; Ionen cm&supmin;³ und eine Übergangstiefe im Bereich von 0,5 bis 1 um auf. Wie unten ersichtlich, definiert der Unterschied in der Stärke bzw. Tiefe der dritten Zone 6 und der ersten Zusatzzone 4a die effektive Kanallänge, welche im Bereich von weniger als einem Mikrometer, typischerweise 0,5 um, liegen sollte.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die isolierte Gatestruktur 9, 10 durch Ausbildung einer Vertiefung 13 vorgesehen, welche sich durch die dritte und zweite Zone 6 und 4 in die erste Zone 3 erstreckt. Typischerweise weist die Vertiefung 13 eine Tiefe im Bereich von 5 bis 8 um auf. Eine Gateoxidschicht 9 in einer typischen Stärke von 0,08 um wird auf der Oberfläche der Vertiefung 13 ausgebildet, welche sodann mit gateleitendem Material, im allgemeinen dotiertem, polykristallinem Silicium, gefüllt wird, um die gateleitende Zone 10 zu definieren.
Die isolierte Gatestruktur 9, 10 grenzt an das, durch die zweite Zone 4 vorgesehene Kanalgebiet 40. Bei diesem Ausführungsbeispiel setzt sich das Kanalgebiet 40 aus einer Reihe von ersten, zweiten und dritten Zusatzkanalgebieten 40a, 40b und 40c zusammen, welche jeweils durch die ersten, zweiten und dritten Zusatzzonen 4a, 4b und 4c vorgesehen sind.
Über der einen Hauptoberfläche 2a wird eine Isolierschicht vorgesehen und unter Anwendung konventioneller Techniken strukturiert, um über der isolierten Gatestruktur eine Isolationszone 14 zu definieren, damit die isolierte Gatestruktur 9, 10 von der zweiten Hauptelektrode 12 elektrisch getrennt vorgesehen sein kann. Es wird eine Metallisierung, im allgemeinen Aluminium, aufgebracht, um auf der Hauptoberfläche 2b eine erste Hauptelektrode 11 (in diesem Falle die Anodenelektrode A) vorzusehen. Eine Metallisierung wird ebenfalls aufgebracht und strukturiert, um eine zweite Hauptelektrode 12 zu definieren, welche eine Kathodenelektrode K in ohmschem Kontakt mit der dritten Zone 6 bildet, und um eine, die isolierte Gatestruktur 9, 10 kontaktierende Gateelektrode G zu definieren (über ein Kontaktfenster, welches nicht dargestellt ist). Die Kathodenelektrode K schließt die erste Zusatzzone 4a gegen die dritte Zone 6 elektrisch kurz, um eine parasitäre Bipolareinwirkung zwischen diesen zu verhindern.
Geometrie, Dotierung und Stärke der ersten, zweiten, dritten und Injektorzone 3, 4, 6 und 8 sind so gewählt, daß eine Thyristorfunktion durch diese vier Zonen verhindert wird. Somit ergeben die Verstärkungen der beiden parasitären Bipolartransistoren, welche durch die Injektorzone 8, die erste Zone 3 und die zweite Zone 4 sowie durch die dritte Zone 6, die zweite Zone 4 und die erste Zone 3 gebildet werden, zusammengefaßt weniger als Eins (Einheit).
Soll es sich bei der Feldeffektanordnung mit isoliertem Gate um eine Leistungsanordnung handeln, wird im allgemeinen eine Anzahl (typischerweise Hunderte oder Tausende) parallelgeschaltete Zellen vorgesehen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jede Zelle lediglich eine dritte Zone 6 aufweist und die dritten Zonen 6 in einer gemeinsamen zweiten Zone 4 gleichmäßig angeordnet vorgesehen sind. In einem solchen Falle werden die jeweiligen isolierten Gatestrukturen 9, 10 miteinander verbunden, indem die Vertiefung als normaler, gitterähnlicher Graben ausgebildet wird. Der gitterähnliche Graben kann zum Beispiel eine rechteckige oder hexagonale Form (wie in US-A-5 072 266 dargestellt) aufweisen. Es könnte alternativ eine streifenartige, geometrische Anordnung gewählt werden, wobei jedoch eine zellenförmige oder gitterartige Struktur eine größere Packungsdichte vorsehen und eine hexagonale, zellenförmige Struktur in erster Linie eine größere Dichte des Kanalgebietes 40 erlauben soll.
Bei Betrieb der in Fig. 1 dargestellten n-Kanal-Anordnung 1a des Anreicherungstyps wird eine erste Positivspannung durch die Gateelektrode G an die isolierte Gatestruktur 9, 10 zur Ausbildung eines Inversionskanales in dem Kanalgebiet 40 der zweiten Zone 4 und eine zweite Spannung zwischen der Kathoden- und Anodenelektrode A und K angelegt.
Durch den Inversionskanal können Elektronen von der dritten bzw. Kathodenzone 6 in die erste bzw. Driftzone 3 injiziert werden, während die Injektor- bzw. Anodenzone 8 bewirkt, daß Defektelektronen in die Driftzone injiziert werden. Die Anordnung 1a bleibt, wie im Falle eines IGBTs, in dem Durchlaßzustand (d. h. bleibt leitend), bis die erste Spannung von der Gateelektrode G weggenommen wird. Im Gegensatz zu dem IGBT sind bei einer Anordnung gemäß der Erfindung in dem Durchlaßzustand jedoch zwei einzelne Betriebsmoden vorhanden.
Der Elektronenstrom fließt somit anfänglich durch den, in den ersten, zweiten und dritten Zusatzkanalgebieten 40a, 40b und 40c gebildeten Inversionskanal in die Driftzone 3, während der Defektelektronenstrom von der Injektor- bzw. Anodenzone 8 durch die Driftzone 3 und zweite Zone 4 zu der Kathodenelektrode K fließt. Fig. 2 zeigt eine Computersimulation der Stromverteilung in dieser Betriebsart für eine Anordnung der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Art, welche eine Sperrspannung von 600 V aufweist, wenn die zweite Spannung an der Anoden- und Kathodenelektrode A und K 0,9V beträgt.
Mit Zunahme des Anodenstromes bewirkt die sehr geringe Leitfähigkeit der zweiten Zusatzzone 4b, daß die Differenz zwischen dem Löcher-Quasi-Fermi- Potential in der zweiten Zusatzzone 4b und dem Elektronen-Quasi-Fermi-Potential in dem Inversionskanal in dem zweiten Zusatzkanalgebiet 40b größer als die Spannungsbarriere 0,7V zwischen dem Inversionskanal (in Gebiet 40b) und der zweiten Zusatzzone 4b ist, wodurch der zugeordnete pn-Übergang 40b' in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, was zur Folge hat, daß Elektronen in die zweite Zusatzzone 4b injiziert werden und auf diese Weise den, durch den als Emitter dienenden Inversionskanal (in Gebiet 40b), die als Basis dienende, zweite Zusatzzone 4b und die als Kollektor dienende Driftzone 3 definierten, verteilten NPN-Bipolartransistor einschalten und mit der Injektion von der Anodenzone 8 eine Thyristorfunktion ausgelöst wird.
Obgleich die Emitter/Basis- und Basis/Kollektor-pn-Übergänge dieses verteilten NPN-Transistors durch den in dem Gebiet 40c der dritten Zusatzzone 4c ausgebildeten Zusatzinversionskanal verbunden sind, ist der Anteil des durch den Zusatzinversionskanal in Gebiet 40c fließenden Elektronenstromes aufgrund des, durch den Weg durch den Zusatzinversionskanal in Gebiet 40c vorgesehenen, relativ hohen Widerstands unbedeutend. Folglich sind die zweite Zusatzzone 4b und die Driftzone 3 durch bewegliche Ladungsträger hochmoduliert, und die Anordnung 1a arbeitet, wie durch die für die Anordnung von Fig. 1 abgeleitete Computersimulation dargestellt, in einem kombinierten IGBT-Thyristor-Modus mit einer Anodenspannung von 1,6 Volt. Somit fließt, wie bei einem IGBT, der Hauptanteil des Defektelektronenstromes durch die zweite Zone 4 zu der Kathodenelektrode K, während, wie bei einer Thyristorstruktur, der zwischen dem Inversionskanal in Gebiet 40b und der zweiten Zusatzzone 4b ausgebildete pn-Übergang 40b' und der pn-Übergang 5 zwischen der dritten Zusatzzone 4c und der Driftzone 3 in Durchlaßrichtung vorgespannt sind (da der npn (Zonen 40b, 4b, 3) Transistor unter hoher Injektion gesättigt ist, wodurch der Thyristorstrom durch die gesamte Thyristorstruktur unter Umgehung der Inversionskanäle 40b und 40c fließen kann. Die effektive Länge des Inversionskanales wird somit auf die des Zusatzinversionskanales in Gebiet 40a reduziert.
Die relativ stark dotierte, dritte Zusatzzone 4c dient dazu, ein Durchgreifen zwischen der dritten und ersten Zone 6 und 3 zu verhindern, wenn sich die Anordnung in einem Sperrzustand mit Sperrspannung befindet (das heißt, wenn keine Gatespannung angelegt ist, wodurch die Dotierungskonzentration innerhalb der zweiten Zusatzzone 4b und die Kanallänge so gering wie gewünscht sein können, ohne sich unnötig um Durchgreifprobleme Gedanken machen zu müssen. Dadurch können, wenn man davon ausgehen kann, daß die erste Zusatzzone 4a gut leitend ist, um eine Injektion an dem pn-Übergang 7 zu verhindern, die Länge und der Störstellenkonzentrationspegel des ersten und zweiten Zusatzkanalgebietes 40a und 40b wesentlich reduziert werden, vorausgesetzt, daß die zweite Zusatzzone 40b immer noch eine ausreichende Elektroneninjektion zur Thyristorfunktion vorsehen kann.
Mit Ansteigen der zweiten bzw. Anodenspannung führt die Stromdichte zur Sättigung, zum Beispiel aufgrund der Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Inversionskanal, von Pinch-off-Effekten infolge der Übersteuerung des MOS- Transistors (dessen Kanalzone durch den Inversionskanal (in Gebiet 40 und zum Teil 40b) vorgesehen ist), da die effektive MOS-Drainspannung mit der Anodenspannung zunimmt. Die Anordnung verbleibt jedoch in dem Durchlaßzustand, solange eine geeignete erste Spannung an die Gateelektrode G angelegt ist.
Ein Abschalten der Anordnung 1a wird durch Wegnahme der positiven, ersten Spannung von der Gateelektrode G erreicht. Dieses führt zu einem Zusammenbruch des Inversionskanales und somit zur Trennung des Thyristoremitters. Bei Abschalten werden die Defektelektronen durch die zweite Zone 4 zu der Kathodenelektrode K abgezogen, wobei eine verbleibende Überschußladung injizierter Ladungsträger mit der Zeit durch Rekombination abnimmt.
Fig. 4 zeigt eine Computersimulation der Anodenstrom- (IA) gegenüber Anodenspannungs-(VA)-Kennlinien für zwei Anordnungen 1a, welche die oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Struktur, jedoch unterschiedliche Kanallängen (wobei die effektive Kanallänge den Tiefenunterschied unter der Oberfläche 2a der Zonen 6 und 4a darstellt) und eine Dotierungskonzentration in der zweiten Zusatzzone 4b von 10¹&sup4; Ionen cm&supmin;³ sowie zwei konventionelle Grabengate-IGBTs mit einer, eine konstante Dotierung (10¹&sup7; Ionen cm&supmin;³) aufweisenden zweiten Zone 4 vorsehen. In beiden Fällen beträgt die Gate- bzw. erste Spannung Vg 15 Volt.
Linie a zeigt die Kennlinie für einen Langkanal-Graben-IGBT, welcher eine Sperrspannung von 600 Volt in ausgeschaltetem Zustand aufweisen kann, Linie b zeigt die Kennlinie für einen Kurzkanal-(0,5 um)-Graben-IGBT mit einer wesentlich niedrigeren Sperrspannung in ausgeschaltetem Zustand als der durch Linie a dargestellte Graben-IGBT, Linie c zeigt die Kennlinie für eine Kurzkanal-(0,5 um)-Anordnung 1 gemäß Fig. 1 mit einer Sperrspannung von 600 Volt in ausgeschaltetem Zustand, und Linie d zeigt die Kernlinie für eine Anordnung 1a gemäß Fig. 1, welche einen sehr kurzen Kanal (0,2 um) und eine Sperrspannung in ausgeschaltetem Zustand aufweist, welche mit dieser der durch Linie c dargestellten Anordnung äquivalent ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können, im Vergleich zu einem IGBT, mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 ein sehr signifikanter Anstieg der Stromdichte und eine der Thyristorkennlinie sehr ähnliche Kennlinie erreicht werden.
Die Simulationen haben gezeigt, daß eine Anordnung, wie oben beschrieben und in Fig. 1 dargestellt, Abschaltcharakteristiken aufweist, welche mit denen eines entsprechenden, vergleichbaren, konventionellen Graben-IGBTs, bei welchem, wie oben erörtert, die zweite Zone 4 eine konstante Dotierung aufweist, praktisch identisch sind. Für die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wurde eine Abschaltzeit von etwa 1,8 Mikrosekunden berechnet.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung 1a könnte durch Herstellung unter Anwendung der Planartechnologie analogisch nach konventionellen IGBT-Strukturen, wie zum Beispiel in US-A-4 364 073 dargestellt, modifiziert werden. Fig. 5 zeigt einen Querriß durch eine solche Planaranordnung 1b.
Wie der Fachmann erkennen wird, unterscheidet sich die Anordnung 1b von der Anordnung 1a dadurch, daß die erste, zweite und erste Zusatzzone 4a, 4b und 4a der zweiten Zone 4 sowie die dritte Zone 6 sämtlich als Planarzonen ausgebildet sind, wobei jede auf die Hauptoberfläche 2a auftrifft und die isolierte Gatestruktur 9, 10 über dem Leitungskanalgebiet 40 auf der Hauptoberfläche 2a vorgesehen ist. Diese Struktur kann analogisch nach normaler DMOSFET-Bearbeitung durch Einbau der Störatome von der dritten, zweiten und ersten Zusatzzone 4c, 4b und 4c der zweiten Zone 4 sowie der dritten Zone 6 unter Verwendung der isolierten Gatestruktur als Maske gebildet werden. Um ein Kurzschließen zwischen den dritten Zonen 6 und den zweiten Zonen 4 zur Vermeidung der oben erörterten, unerwünschten Thyristoreinwirkung zu ermöglichen, kann der mittlere Bereich jeder Zelle von dem Einbau der Fremdatome maskiert werden, um, wie in Fig. 5 dargestellt, die dritten Zonen auszubilden, oder es kann alternativ durch den Mittelpunkt jeder dritten Zone in bekannter Weise ein Graben geätzt werden, um einen darunterliegenden Bereich der zweiten Zone 4 freizulegen, bevor die Metallisierung zur Ausbildung der Kathodenelektrode K aufgebracht wird. Es kann, wie Fachkundigen auf dem Gebiet der Herstellung von Leistungs-DMOSFETs bekannt, vor Ausbildung der isolierten Gatestruktur 9, 10 eine relativ stark dotierte, mittlere, vierte Zusatzzone 4d (durch gestrichelte Linien dargestellt) der zweiten Zone 4 vorgesehen werden, um einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Zone 4 zu ermöglichen und eine parasitäre Bipolareinwirkung zu verhindern. Dotierung, Tiefen und Breiten der verschiedenen Zonen können wie gewünscht ausgewählt werden, wobei daran zu denken ist, daß, wie oben angegeben, die Verstärkungen der beiden, durch den Injektor, die erste und zweite Zone 8, 3 und 4 sowie durch die dritte, zweite und erste Zone 6, 4 und 3 gebildeten, parasitären Bipolartransistoren weniger als Eins (Einheit) ergeben sollen. Im allgemeinen gleicht die Dotierungskonzentration den unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung oben angegebenen. Wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Anordnung 1b hunderte oder tausende parallelgeschaltete Zellen aufweisen, wobei sich in diesem Falle jede aus einer zweiten Zone 4 und einer zugeordneten dritten Zone 6 zusammensetzt.
Fig. 6 zeigt einen Querriß durch ein drittes Beispiel einer Anordnung 1c gemäß der Erfindung.
Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung 1c ist, wie aus den Fig. 1 und 5 ersichtlich, eher durch eine laterale als eine vertikale Anordnung dargestellt. Somit verläuft bei den in den Fig. 1 und 5 gezeigten Bauelementstrukturen 1a und 1b die Hauptstrombahn zwischen den Hauptoberflächen 2a und 2b (d. h. in 'vertikaler' Richtung), während sich in Fig. 6 die Hauptstrombahn in einer Richtung entlang oder im allgemeinen parallel zu den Hauptoberflächen 2a und 2b (d. h. in 'lateraler' Richtung) erstreckt, da sowohl die Anoden- als auch Kathodenelektrode A und K auf der einen Hauptoberfläche 2a vorgesehen ist. Auf der anderen Hauptoberfläche 2b kann eine Isolations- bzw. Passivierungsschicht 15 vorgesehen werden.
Die Anordnung 1c unterscheidet sich von der in Fig. 5 dargestellten in erster Linie durch die Anordnung der Injektorzone nicht auf der Hauptoberfläche 2b, sondern vielmehr auf der Hauptoberfläche 2a. Da es sich um eine laterale Anordnung handelt, ist es darüber hinaus nicht erforderlich, daß eine relativ schwach dotierte, zweite Zusatzzone 4b in der relativ stark dotierten, dritten Zusatzzone 4c ausgebildet wird. Folglich können diese verschiedenen Zonen unter Anwendung einer geeigneten Maskierung und den Einbau von Fremdatomen betreffenden Techniken vorgesehen werden, ohne sich um die Ausbildung einer relativ schwach dotierten Zone (d. h. die zweite Zusatzzone 4b) in einer relativ stark dotierten Zone (zum Beispiel die dritte Zusatzzone) Gedanken machen zu müssen. So kann zum Beispiel bei einer solchen lateralen Anordnung zuerst die relativ schwach dotierte, zweite Zusatzzone 4b und danach die durch Implantation über eine geeignete Maske ausgebildeten, relativ stark dotierten Zusatzzonen 4a und 4c (und 4d, wenn vorhanden) implantiert werden.
Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung 1c ist von anderen, ähnlichen, parallelgeschalteten Strukturen, welche auf dem gleichen Substrat zur Ausbildung einer Leistungsanordnung vorgesehen werden können, zu isolieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses durch Anordnung eines pn-Übergangs als Trennung erreicht, indem die erste bzw. Driftzone 3 auf einem Substrat 20 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (in diesem Falle des p-Leitfähigkeitstyps) als Epitaxialschicht vorgesehen wird und unter Anwendung konventioneller Maskierungs-, Implantations- und Diffusionstechniken ausgebildete, stark dotierte, p-leitende Zonen 21 verwendet werden, welche sich von der Hauptoberfläche 2a durch den Halbleiterkörper 2 zu dem Substrat 20 hin erstrecken, um die Driftzone 3 als diskrete Wanne zu definieren. Alternativ könnten Isolationstechniken, wie zum Beispiel die Verwendung von Isolationsschichten oder Silicium-auf-Isolator-Techniken, in Erwägung gezogen werden.
Die verschiedenen, in Fig. 6 dargestellten Zonen können annähernd gleiche Dotierungsprofile wie die entsprechenden Zonen in Fig. 1 aufweisen. Sie können sich, in den in Fig. 1 dargestellten, entsprechenden Zonen gleichenden Stärken, mit der Ausnahme, daß es bei der in Fig. 6 gezeigten Lateralanordnung 1c erforderlich sein kann, die 'Länge' 1 (äquivalent mit der Stärke von 1b in Fig. 1) der Driftzone 3 zu reduzieren, um eine angemessene Integrationsdichte vorsehen zu können, entlang der Hauptoberfläche 2a erstrecken. Typischerweise kann die Driftzone 3 bei diesem Ausführungsbeispiel eine 'Länge' von z. B. 40 um bei einer relativ stark dotierten Pufferzone 3a (durch gestrichelte Linien in Fig. 6 dargestellt), welche sich bei einer Anordnung 1c mit einer Sperrspannungs-Sperrfähigkeit von 500 V über eine Distanz von 2 um um die Injektorzone 8a erstreckt, aufweisen. Zur Erhöhung der Sperrspannungs- Sperrfähigkeit unter Anwendung des von J. A. Appels et al in Philips Journal of Research, Bd. 35, Nr. 1980 auf den Seiten 1-13 beschriebenen RESURF-(REduced SURface Field)-Prinzipes kann die relativ schwach dotierte, dritte Zusatzzone 4c erweitert werden (wie in Fig. 6 durch gestrichelte Linien dargestellt), um auf das Substrat 20 aufzutreffen. Auch nach konventioneller DMOS-Technologie kann das elektrische Kurzschließen durch die zweite Hauptelektrode 12 der dritten Zone 6 und zweiten Zone 4 alternativ durch Ätzung eines Grabens durch die dritte Zone zur Freilegung eines darunterliegenden Abschnittes der zweiten Zone 4 vorgenommen werden.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation 1d der Anordnung 1c, bei welcher die Planartechnologie durch Grabentechnologie ersetzt wurde, um eine Anordnung 1d vorzusehen, bei welcher es sich um eine laterale Version der Anordnung 1a handelt.
Wie aus einem Vergleich der Fig. 1 und 7 ersichtlich, unterscheidet sich Fig. 7 von Fig. 1 darin, daß die erste, zweite und dritte Zusatzzone 4a, 4b und 4a als planare, diskrete Zonen (wie in dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel dargestellt) ausgebildet sind, durch welche sich die Vertiefung 14 erstreckt. Wie in Fig. 1, sind es nicht die lateralen Ausmaße, sondern die Stärken bzw. Tiefen dieser Zonen, welche das Leitungskanalgebiet definieren. Eine solche laterale Grabenanordnung soll eine höhere Integrationsdichte als die in Fig. 6 dargestellte, laterale DMOS-Anordnung ermöglichen.
Es ist zu erwähnen, daß die vertikale Grabenanordnung 1a gegenüber der vertikalen DMOS-Anordnung 1b Vorteile aufweist, während die laterale DMOS- Anordnung 1c gegenüber der lateralen Grabenanordnung 1d vorteilhaft ist.
Sowohl die die vertikale Grabenstruktur aufweisende Anordnung 1a als auch die Anordnung 1c mit der lateralen DMOS-Struktur sieht einen Leitungskanal vor, welcher im allgemeinen parallel zu dem Leitungsweg des Thyristors verläuft, wodurch eine größere Menge des Defektelektronenstromes durch die zweite Zusatzzone 4b; im allgemeinen parallel zu dem Inversionskanal (in Gebiet 40b), fließen kann als bei den verschiedenen, in den Fig. 5 und 7 dargestellten, geometrischen Strukturen. In der Tat kann bei den Beispielen von Fig. 5 und 7 eine Erhöhung der Dicke der zweiten Zusatzzone 4b wünschenswert sein, um den Anstieg des Löcher-Quasi-Fermi-Potentials in dieser Zone auf 0,7 V über dem Elektronen-Quasi-Fermi-Potential in dem Inversionskanal 40b zur Auslösung der Bipolarfunktion zu ermöglichen.
Ebenso die in den Fig. 1 und 6 dargestellten Beispiele sind technologisch verhältnismäßig einfach herzustellen. Dagegen erfordern die in den Fig. 5 und 7 gezeigten Beispiele die Ausbildung einer relativ stark dotierten, dritten Zusatzzone 4c und einer relativ schwach dotierten, zweiten Zusatzone 4b in der stark dotierten Zone. So kann es notwendig sein, komplizierte Implantationstechniken oder sogar solche der selektiven Ätzung, Implantation und des selektiven, epitaxialen Aufwachsens anzuwenden, um ein relativ hohes Dotierungsniveau in einer gewünschten Tiefe unterhalb der Oberfläche 2a des Halbleiterkörpers (wie zum Beispiel in GB-A-1 587 773 beschrieben) zu erreichen.
Obgleich in den oben beschriebenen Beispielen die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Anordnung des Anreicherungstyps, das heißt, einer Anordnung, bei welcher der Leitungskanal in den Kanalgebieten 40a, 40b, 40c durch Anlegen einer, eine geeignete Polarität aufweisenden, ersten Spannung an das isolierte Gate 9, 10 als Inversionskanal ausgebildet ist, angewandt wird, versteht es sich von selbst, daß die vorliegende Erfindung ebenfalls auf eine Anordnung mit Verarmungswirkung, das heißt, auf eine Anordnung, bei welcher das Kanalgebiet 40a, 40b, 40c den einen Leitfähigkeitstyp (d. h. den n-Leitfähigkeitstyp, während die zweite Zone p-leitend ist) aufweist, um den Leitungskanal vorzusehen, wenn die Gatespannung Null beträgt, und bei welcher der Leitungskanal durch Anlegen einer, eine geeignete Polarität aufweisenden, ersten Spannung an das isolierte Gate 9, 10 aufgehoben wird, angewandt werden könnte. Das Leitungskanalgebiet einer solchen Anordnung mit Verarmungswirkung könnte durch Ionenimplantation durch die Oberfläche, auf welcher das isolierte Gate 9, 10 auszubilden ist, vorgesehen werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine IGBT- artige Struktur beschrieben wurde und primär für diese bestimmt ist, besteht die Möglichkeit, die vorliegende Erfindung ebenfalls auf eine konventionelle, MOS-artige Anordnung, das heißt, eine Anordnung, bei welcher die dritte Zone 3 die Sourcezone bildet, die erste Zone 7 die Drain-Driftzonen vorsieht und die mindestens eine Injektorzone 8 nicht vorgesehen, sondern durch eine, den einen Leitfähigkeitstyp aufweisende, stark dotierte Zusatzzone der Drainzone ersetzt wird, anzuwenden. Struktur und Dotierungskonzentration der Anordnung sollten so vorgesehen sein, daß der Abfluß von Ladungsträgern (bei welchen es sich im Falle eines n-Kanal-MOS um Defektelektronen handelt) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps an dem pn-Übergang 5 ausreicht, um den pn-Übergang 40b' mit Ansteigen der Drainspannung in Durchlaßrichtung vorspannen und damit ein Einschalten des durch den zweiten Zusatzkanal, die zweite Zusatzzone 4b und die Drainzone gebildeten Bipolartransistors bewirken zu können. Eine Anordnung dieser Art würde anfänglich als MOS-Transistor wirken, bei ausreichend hoher Drainspannung jedoch dann als Bipolartransistor arbeiten, welcher durch Aufhebung des Leitungskanales auf einfache Weise abgeschaltet werden könnte.
Es versteht sich von selbst, daß anstelle der hier beschriebenen, sogenannten Grabentechnologie weitere Technologien mit in einer Vertiefung vorgesehenem Gate (zum Beispiel der sogenannte VMOS oder UMOS) angewandt werden können. Ebenso könnten natürlich die oben beschriebenen Leitfähigkeitstypen umgekehrt werden, um die Ausbildung von p-Kanal-Anordnungen zu ermöglichen. Hierzu wären selbstverständlich entsprechende Änderungen der Polarität angelegter Spannungen bei Betrieb der Anordnung erforderlich.
Die vorliegende Erfindung könnte ebenfalls auf andere Halbleitermaterialien als Silicium, wie zum Beispiel III-V-Materialien oder Kombinationen verschiedener Halbleitermaterialien, angewandt werden.
Bei Lesen der vorliegenden Offenbarung sind für Fachkundige weitere Modifikationen und Variationen im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche naheliegend. Solche Modifikationen und Variationen können weitere Merkmale umfassen, welche in der Halbleitertechnik bereits bekannt sind und welche anstelle der hier bereits beschriebenen Merkmale oder zusätzlich zu diesen verwendet werden können.
Es wurde oben erwähnt, daß die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt. Um Mißverständnisse zu vermeiden, wird weiterhin erklärt, daß die in den nachfolgenden Patentansprüchen technischen Merkmalen zugeordneten Bezugsziffern, welche sich auf Merkmale in der Zeichnung beziehen und zwischen Klammern gesetzt sind, gemäß Regel 29(7) EPÜ zum alleinigen Zwecke der Vereinfachung des Patentanspruches unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel eingefügt worden sind.

Claims

1. Halbleiteranordnung (1a; 1b; 1c; 1d) mit einer Bipolarfeldeffektanordnung mit isoliertem Gate, welche einen Halbleiterkörper (2) vorsieht, der eine erste Zone (3) des einen Leitfähigkeitstyps, eine, einen ersten pn-Übergang (5) mit der ersten Zone (3) bildende, zweite Zone (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, eine dritte Zone (5) des einen Leitfähigkeitstyps, welche einen zweiten pn-Übergang (7) mit der zweiten Zone (4) bildet und durch die zweite Zone (4) von der ersten Zone (3) getrennt ist, ein isoliertes Gate (9, 10), ein in der zweiten Zone (4) vorgesehenes und an das isolierte Gate (9, 10) angrenzendes Kanalgebiet (40), welches durch das isolierte Gate (9, 10) zwischen einem ersten Zustand, in welchem ein Leitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps eine Leiterbahn für den Fluß von Ladungsträgern des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten und dritten Zone (3 und 6) vorsieht, und einem zweiten Zustand, in welchem der Leitungskanal aufgehoben wird, gatesteuerbar ist, aufweist, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß das Einsetzen der Bipolartransistorfunktion durch die erste, zweite und dritte Zone (3, 4 und 6) unterbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgebiet (40) ein erstes und zweites Zusatzkanalgebiet (40a und 40b) aufweist, um den jeweiligen ersten und zweiten Zusatzleitungskanal des einen Leitfähigkeitstyps in dem ersten Zustand des Kanalgebietes (40) vorzusehen, wobei das zweite Zusatzkanalgebiet (40b) durch das erste Zusatzkanalgebiet (40a) von der dritten Zone (6) beabstandet ist und schwächer als das erste Zusatzkanalgebiet (40a) dotiert ist, wobei der zweite Zusatzleitungskanal einen Bipolartransistor mit der zweiten und ersten Zone (4 und 3) bildet und wobei ein pn-Übergang (40b) zwischen dem zweiten Zusatzleitungskanal und der zweiten Zone (4) in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn ein Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Zone (4) bei Betrieb der Anordnung einen vorgegebenen Wert erreicht, wodurch in dem durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone gebildeten Bipolartransistor die Bipolartransistorfunktion ausgelöst wird, welche bei Aufhebung des Leitungskanales endet.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei welcher die zweite Zone (4) eine, an das isolierte Gate (9, 10) angrenzende, erste und zweite Zusatzzone (4a und 4b) aufweist, wobei das erste und zweite Kanalgebiet (40a und 40b) jeweils in der ersten und zweiten Zusatzzone (4a und 4b) angeordnet sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Zusatzzone (4b) von der ersten Zone (3) durch eine, in der zweiten Zone (4) enthaltene, dritte Zusatzzone (4c), welche stärker als die zweite Zusatzzone (4b) dotiert ist, getrennt ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei welcher die dritte Zone (6) gegen die zweite Zone (4) elektrisch kurzgeschlossen ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist und der erste und zweite pn-Übergang (5 und 7) auf die erste Hauptoberfläche (2a) auftreffen, so daß das Kanalgebiet (40) an die erste Hauptoberfläche (2a) angrenzt und sich die isolierte Gatestruktur (9, 10) auf der ersten Hauptoberfläche (2a) über dem Kanalgebiet (40) erstreckt.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist, die dritte Zone (6) auf die erste Hauptoberfläche (2a) auftrifft und die isolierte Gatestruktur (9, 10) in einer Vertiefung, welche sich von der ersten Hauptoberfläche (2a) durch die dritte und zweite Zone (4 und 6) in die erste Zone (3) erstreckt, ausgebildet ist.

7. Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist und die dritte und erste Zone (6 und 3) auf die erste Hauptoberfläche (2a) des Halbleiterkörpers (2) auftreffen.

8. Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist und die dritte und erste Zone (6 und 3) jeweils auf die erste und zweite Hauptoberfläche (2a und 2b) des Halbleiterkörpers (2) auftreffen.

9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Strom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch zumindest eine Injektorzone (8) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, welche in dem Halbleiterkörper (2) angeordnet ist und einen dritten pn-Übergang mit der ersten Zone (3) bildet, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die erste Zone (3) zu injizieren, wobei die Anordnung so konzipiert ist, daß eine Auslösung der Thyristorfunktion durch die erste, zweite, dritte und Injektorzone (3, 4, 6 und 8) verhindert wird, und wobei der Stom von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Zone (4) aus der Injektion von Ladungsträgern des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch die mindestens eine Injektorzone resultiert und die Thyristorfunktion, welche bei Aufhebung des Leitungskanales endet, mit der mindestens einen Injektorzone (8) durch den, durch den zweiten Zusatzleitungskanal, die zweite Zone und die erste Zone bei Einsetzen der Bipolartransistorfunktion gebildeten Bipolartransistor ausgelöst wird.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist und die dritte und die Injektorzone (6 und 8) auf die erste Hauptoberfläche (2a) des Halbleiterkörpers (2) auftreffen.

11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, bei welcher der Halbleiterkörper (2) eine erste und zweite, sich gegenüberliegende Hauptoberfläche (2a und 2b) aufweist und die dritte und die Injektorzone (6 und 8) jeweils auf die erste und zweite Hauptoberfläche (2a und 2b) des Halbleiterkörpers (2) auftreffen.