DE10334797B3 - Semiconductor component with field stop layer with p or n channel transistor has transistor gate arranged so potential exists between gate, bounding part of spatial charging zone area to cause a current to flow through field stop layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleiterbauelement ausbildbaren Raumladungszone enthält.The The invention relates to a semiconductor device comprising a field stop layer to the spatial Limiting a space charge zone that can be formed in the semiconductor component contains.
Halbleiterbauelemente
mit Feldstoppschicht sind bekannt und werden auf vielfältige Art
und Weise eingesetzt. Eine detaillierte Beschreibung der technischen
Grundlagen von Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht findet
sich beispielsweise in der Patentschrift
Feldstoppschichten werden beispielsweise in Halbleiterbauelementen eingesetzt, die in einer vertikalen pnp-Struktur mit einem an der Vorderseite befindlichen sperrenden pn-Übergang im n-Gebiet eine so geringe Dotierung aufweisen, dass sich das elektrische Feld beziehungsweise die Raumladungszone im Sperrfall bis zu einem rückseitigen p-Gebiet ausdehnen würde. Ein derartiges "Durchgreifen" des elektrischen Feldes bzw. der Raumladungszone wird als "Punch-Through" bezeichnet und bewirkt, dass eine Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements verringert wird. Durch das Verwenden einer Feldstoppschicht (Feldstoppbauelemente) wird zwischen dem niedrig dotierten n-Gebiet und dem rückseitigen p-Gebiet ein zusätzliches, etwas höher dotiertes n-Gebiet eingebaut, durch die das elektrische Feld komplett abgebaut wird. Damit kann der Punch-Through-Effekt sicher vermieden werden. Halbleiterbauelemente mit Feldstoppschicht werden als Feldstoppbauelemente bezeichnet und können beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (Gate Turn-off Thyristor), ESTs (Emitter Switched Thyristor), Thyristoren oder Bipolartransistoren sein. Auch Dioden können in dieser Art ausgelegt werden, wobei in diesem Fall in der Regel ein rückseitiges p-Gebiet durch ein hochdotiertes n-Gebiet ersetzt wird. Der vorgelagerte Feldstopp verhindert hierbei ein Eindringen der Raumladungszone in das hochdotierte n-Gebiet.Field stop layers are used for example in semiconductor devices, the in a vertical pnp structure with one at the front blocking pn junction In the n-area have such a low doping that the electric Field or the space charge zone in the case of blocking up to one rear would extend p area. Such a "penetration" of the electrical Feldes or the space charge zone is referred to as "punch-through" and causes a breakdown voltage of the semiconductor device is reduced. By using a field stop layer (Field stop devices) is between the low-doped n-type region and the back p area an additional, a little bit higher doped n-type field, through which the electric field complete is reduced. Thus, the punch-through effect can be safely avoided become. Semiconductor devices with field stop layer are used as field stop devices and can, for example IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (gate turn-off thyristor), ESTs (emitter switched thyristor), Be thyristors or bipolar transistors. Even diodes can be in be designed in this way, in which case usually a back p area through a highly doped n-area is replaced. The upstream field stop prevents this Penetration of the space charge zone into the highly doped n-region.
Wenn keine Feldstoppschicht verwendet werden soll, kann alternativ das niedrig dotierte n-Gebiet so dick gemacht werden, dass das elektrische Feld bzw. die Raumladungszone auch bei Anliegen einer hohen Spannung noch "rechtzeitig" vor dem p-Emitter innerhalb des niedrig dotierten n-Gebiets endet. Hierbei ist nachteilig, dass im Vergleich zu Halbleiterbauelementen mit Feldstoppschicht bei gleicher "Spannungsfestigkeit" eine deutlich höhere Bauelement-Dicke erforderlich ist, womit hohe Durchlass- bzw. Schaltverluste auftreten. Derartige Bauelemente werden als "NPT"-(Non-Punch-Trough)- Bauelemente bezeichnet.If Alternatively, no field stop layer should be used low-doped n-area can be made so thick that the electric field or the space charge zone even when a high voltage is applied still "in time" in front of the p-emitter ends within the low-doped n-region. This is disadvantageous that compared to semiconductor devices with field stop layer at the same "dielectric strength" a significantly higher component thickness is required, which high transmission or switching losses occur. Such devices are called "NPT" - (non-punch-through) - Designated components.
Feldstoppbauelemente weisen jedoch folgende Nachteile auf: Beim Abschalten von beispielsweise IGBTs oder beim Kommutieren von Dioden tritt am entsprechenden Halbleiterbauelement eine Überspannung auf, die durch den Stromrückgang an immer vorhandenen parasitären Induktivitäten verursacht wird. Diese Überspannung kann das Halbleiterbauelement zerstören, wenn eine zulässige Betriebsspannung des Bauelements überschritten wird. Weiterhin können Probleme bei der Messung der Durchbruchspannung von Halbleiterbauelementen auftreten. Während eines derartigen Messvorgangs wird dem Halbleiterbauelement ein definierter Strom eingeprägt und die sich dabei ergebende Spannung gemessen. Der Messpunkt liegt hierbei üblicherweise in einem Steilanstiegbereich einer Durchbruchskennlinie. Bei Feldstoppbauelementen kann die Durchbruchskennlinie bereits bei sehr kleinen elektrischen Strömen einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen. Ist dies der Fall, so wird sich der Strom bei abnehmender Spannung auf ein Filament zusammenziehen, wodurch das Halbleiterbauelement aufgrund der hohen lokalen Strom- bzw. Verlustleistungsdichte im Allgemeinen zerstört wird.Field stop devices However, they have the following disadvantages: When switching off, for example IGBTs or when commutating diodes occurs at the corresponding semiconductor device an overvoltage on that by the current decline always present parasitic inductors is caused. This overvoltage can destroy the semiconductor device when an allowable operating voltage of the component exceeded becomes. Furthermore you can Problems in measuring the breakdown voltage of semiconductor devices occur. While such a measurement process is the semiconductor device defined current impressed and the resulting voltage is measured. The measuring point is located usually in a steep slope area of a breakdown characteristic. For field stop components the breakthrough characteristic can already have a very low electrical currents have negative differential resistance. Is that the case, so the current becomes a filament as the voltage decreases contract, whereby the semiconductor device due to the high local power dissipation density is generally destroyed.
In
der Druckschrift
Weiterhin
sei in diesem Zusammenhang auf die Druckschrift
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauelement mit Feldstoppschicht anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können.The The object underlying the invention is a semiconductor device To specify with field stop layer, with the disadvantages described above can be avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 und 2 bereit. Vorteilhafte Ausführungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.to solution This object is achieved by the invention as a semiconductor component according to claim 1 and 2 ready. Advantageous designs or developments of the inventive concept can be found in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist ein Raumladungszonengebiet und eine Feldstoppschicht zur räumlichen Begrenzung einer in dem Raumladungszonengebiet ausbildbaren Raumladungszone auf. In der Feldstoppschicht ist wenigestens ein Teil eines p- oder n-Kanal-Transistors vorgesehen. Das Gate des p- oder n-Kanal-Transistors steht mit dem Raumladungszonengebiet in unmittelbarem Kontakt und ist so angeordnet, dass in Abhängigkeit der Ausdehnung der Raumladungszone oder in Abhängigkeit der Stärke eines dazu korrespondierenden elektrischen Felds eine Potentialdifferenz zwischen dem Gate und dem an das Gate angrenzenden Teil des Raumladungszonengebiets entsteht, die ausreichend hoch ist, um einen p-/n-Kanal des p- oder n-Kanal-Transistors ohne separate Ansteuerung zu induzieren/durchlässig zu schalten, so dass ein Strom über den p-/n-Kanal durch die Feldstoppschicht hindurchfließen kann.The semiconductor device according to the invention has a space charge zone region and a field stop layer for the spatial limitation of a on the space charge zone area can be formed space charge zone. At least part of a p-channel or n-channel transistor is provided in the field stop layer. The gate of the p- or n-channel transistor is in direct contact with the space charge zone region and is arranged so that depending on the expansion of the space charge region or depending on the strength of a corresponding electric field, a potential difference between the gate and the gate adjacent portion of the space charge zone region, which is sufficiently high to induce / pervode a p / n channel of the p- or n-channel transistor without separate drive, so that a current through the p- / n-channel can flow through the field stop layer.
Damit ist es einerseits möglich, die an dem Halbleiterbauelement anliegenden Spannungen ohne zusätzliche Beschaltung auf einen Höchstwert zu begrenzen, andererseits wird eine Durchbruchskennlinie erhalten, die auch bei relativ großen elektrischen Strömen einen positiven differentiellen Widerstand aufweist.In order to is it possible, on the one hand, the voltage applied to the semiconductor device voltages without additional Wiring to a maximum value too limit, on the other hand, a breakdown characteristic is obtained, even with relatively large ones electric currents has a positive differential resistance.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist vorzugsweise so ausgelegt, dass wenigstens ein Teil der Feldstoppschicht an eine Emitterschicht beziehungsweise Emitterbereich (im Folgenden als Emitterschicht bezeichnet) des Halbleiterbauelements/des p-/n-Kanal-Transistors angrenzt. Das Gate des p-/n-Kanal-Transistors ist gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet so angeordnet bzw. steht mit diesem derart in Verbindung, dass eine Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors entsteht, wobei die Höhe der Potenzialdifferenz von dem Grad der Ausdehnung der Raumladungszone bzw. der lokalen elektrischen Feldstärke in der Raumladungszone abhängt. Der p-/n-Kanal-Transistor ist hierbei so ausgelegt, dass ab Vorliegen einer bestimmten Potenzialdifferenz das Gate einen p-/n-Kanal induziert/durchlässig schaltet.The inventive semiconductor device is preferably designed so that at least a part of the field stop layer to an emitter layer or emitter region (hereinafter referred to as emitter layer) of the semiconductor device / the p- / n-channel transistor borders. The gate of the p- / n-channel transistor is opposite to that Space charge zone area so arranged or stands with this in connection that a potential difference between the gate and the emitter layer of the semiconductor component or of the p / n-channel transistor arises, being the height the potential difference of the degree of expansion of the space charge zone or the local electric field strength in the space charge zone depends. The p- / n-channel transistor is in this case designed to be present a certain potential difference, the gate induces / perverts a p- / n-channel.
Dazu steht das Gate in unmittelbarem Kontakt mit dem Raumladungszonen-Gebiet beziehungsweise ist Teil des Raumladungszonen-Gebiets. Alternativ hierzu ist es möglich, das Gate gegenüber dem Raumladungszonen-Gebiet elektrisch zu isolieren und mit dem Raumladungszonen-Gebiet lediglich über eine eigens dafür vorgesehene elektrische Verbindung zu kontaktieren. Durch entsprechende Platzierung des in dem Raumladungszonen-Gebiet endenden Teils der elektrischen Verbindung kann hierbei die bei Ausdehnung der Raumladungszone auftretende Potenzialdifferenz zwischen dem Gate und der Emitterschicht des Halbleiterbauelements bzw. des p-/n-Kanal-Transistors gezielt eingestellt werden.To the gate is in direct contact with the space charge zone region or is part of the space charge zone area. alternative for this it is possible the gate opposite the Electrically isolate space charge zone region and with the space charge zone region only about a special one for that to contact provided electrical connection. By appropriate Placement of the ending in the space charge zone area part of electrical connection can in this case the expansion of the space charge zone occurring potential difference between the gate and the emitter layer the semiconductor device or the p / n-channel transistor targeted be set.
Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur kann prinzipiell in allen Halbleiterbauelementen Verwendung finden, die eine Feldstoppschicht aufweisen, beispielsweise in einem IGBT-, EST-, GTO- oder MCT-Bauteil, sowie in einem Thyristor, einem Bipolartransistor oder einer Diode.The inventive semiconductor structure can in principle find use in all semiconductor devices, the have a field stop layer, for example in an IGBT, EST, GTO or MCT device, as well as in a thyristor, a bipolar transistor or a diode.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.The Invention will be described below with reference to the figures exemplary embodiment explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures are identical or corresponding components or component groups with the same reference numerals.
Im
Sperrfall wird eine vom ersten und zweiten p-Körpergebiet
In
Durch
die Isolatorstruktur
In
Der
in
Der
in
In
Das
in
In
Wenn
sich die Raumladungszone von dem p-Körpergebiet
Das
in
Die Erfindung lässt sich auch wie folgt darstellen: Das grundlegende Prinzip der Erfindung besteht darin, bei Feldstoppbauelementen die Feldstoppschicht durch einen p-Kanal-Transistor zu überbrücken, der sich bei Anliegen einer vorbestimmten Kollektor-Emitter-Spannung oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von selbst einschaltet und damit einen Stromfluss erzeugt.The Invention leaves may also be represented as follows: The basic principle of the invention consists of, in field stop devices, the field stop layer a p-channel transistor to bridge that when applying a predetermined collector-emitter voltage or a particular applied to the field stop layer field strength by itself turns on and thus generates a current flow.
Auf diese Weise wird die Abschaltüberspannung auf einen wert begrenzt, bei dem der p-Kanal-Transistor den von den Streuinduktivitäten erzwungenen Strom generiert. Da der Strom beim Einschalten des p-Kanal-Transistors nicht plötzlich, sondern erst allmählich mit zunehmender Spannung ansteigt, ergibt sich auch eine Durchbruchskennlinie mit positivem differentiellem Widerstand, so dass die Durchbruchspannung problemlos gemessen werden kann. Der p-Kanal-Transistor hat als Source einen rückseitigen p-Emitter, als Drain ein vorderseitiges p-Gebiet (Kanalgebiet, Bodygebiet), wobei eine die Sperrspannung aufnehmende Raumladungszone sich ausgehend vom vorderseitigen p-Gebiet bis zum Feldstoppgebiet bzw. noch ein Stück weit in dieses hinein erstreckt. Der p-Kanal bildet sich in der Feldstoppschicht zwischen dem p-Emitter und der Raumladungszone aus. Das Gate des p-Kanal-Transistors hat keinen externen Anschluss, sondern steht mit dem Ende der Raumladungszone in Verbindung und wird über die durch die Raumladungszone erzeugte Potenzialdifferenz zum p-Emitter eingeschaltet, sobald diese die Einsatzspannung des p-Kanal-Transistors überschreitet.On this is the shutdown overvoltage limited to a value at which the p-channel transistor from the the leakage inductances generated forced electricity. As the current when turning on the p-channel transistor not suddenly, but only gradually increases with increasing voltage, there is also a breakdown characteristic with positive differential resistance, so that the breakdown voltage can be measured easily. The p-channel transistor has as Source a back p-emitter, as drain a front p-region (channel region, body region), wherein a blocking voltage receiving space charge zone starting from the front p-area to the field stop area or another Piece far extends into this. The p-channel forms in the field stop layer between the p-emitter and the space charge zone. The gate of the p-channel transistor has no external connection, but is communicates with the end of the space charge zone and is over the generated by the space charge zone potential difference to the p-emitter when it exceeds the threshold voltage of the p-channel transistor.
Die
Erfindung stellt somit Feldstoppbauelemente (IGBTs, ESTs, GTOs,
MCTs, Dioden und dergleichen) bereit, die einen n- oder p-Kanal-Transistor aufweisen,
wobei die Transistoren bei Anliegen einer bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung
oder einer bestimmten an der Feldstoppschicht anliegenden Feldstärke von
selbst einschalten und damit einen Stromfluss erzeugen (
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in [2] Bauelemente beschrieben werden, die sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite schaltbare MOS-Kanäle aufweisen. In [3] ist eine ähnliche Struktur gezeigt, bei der die Gates jeweils in Trenchs (Gräben) angeordnet sind. Weitere Strukturen mit Rückseitengates sind in [4, 5] gezeigt. Bei all diesen Strukturen geht es darum, das Rückseitengate gezielt über einen separaten zugehörigen Anschluss zu schalten, um das Ein- oder Ausschalten oder auch die Art des Durchlasszustandes zu beeinflussen.Of the completeness it should be mentioned, that in [2] components are described, both on the front as well as on the back Switchable MOS channels exhibit. In [3] is a similar structure shown, in which the gates are each arranged in trenches (trenches) are. Other structures with backside gates are shown in [4, 5]. All these structures are about the back gate deliberately over a separate associated Connection to turn on or off or even the Type of Durchlasszustandes influence.
Alle beschriebenen Ausführungsformen können natürlich invers dotiert sein, d. h. n- und p-Gebiete können miteinander vertauscht sein.All described embodiments can Naturally be inversely doped, d. H. n and p regions can be interchanged be.
Referenzenreferences
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[1] Bauer:
US 5,668,385 A US 5,668,385 A -
[2] Temple:
US 4,816,892 A US 4,816,892 A. - [3] JP2001 320049-A[3] JP2001 320049-A
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[4] Sittig:
DE 198 48 596 C2 DE 198 48 596 C2 -
[5] Terashima:
US 5,293,056 A US 5,293,056 A
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- IGBT-HalbleiterbauelementIGBT semiconductor device
- 22
- RückseitenmetallschichtBack metal layer
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- p-Emitterschichtp-emitter layer
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- n-FeldstoppschichtN-type field stop layer
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- VorderseitenmetallschichtFront metal layer
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- Feldverteilungfield distribution
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- p-Schichtp-layer
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- Rahmenframe
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- Gategate
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- Pfeilarrow
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- p-Schichtp-layer
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- p-Emitterschichtp-emitter layer
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- n+-Emitterschichtn + emitter layer
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- Oxid- bzw. SiliziumschichtOxide- or silicon layer
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- Emitterschichtemitter layer
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- Kollektorschichtcollector layer
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- zusätzliches Gateadditional gate
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- n-Gebietn-region
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- elektrische Verbindungelectrical connection
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- Potentialverlauf innerhalb des Gatespotential curve inside the gate
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- Potentialverlauf außerhalb des Gatespotential curve outside of the gate
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- Potentialdifferenzpotential difference
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- Potentialverlauf-SchnittpunktPotential curve intersection
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2003
- 2003-07-30 DE DE2003134797 patent/DE10334797B3/en not_active Expired - Fee Related
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