DE19981445B4 - Leistungshalbleiter mit reduziertem Sperrstrom - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleiter,
der eine erste Schicht (3) eines ersten Leitungstyps, eine erste
Schicht (2) eines zweiten Leitungstyps, eine zweite Schicht (1)
des ersten Leitungstyps und eine zweite Schicht (5) des zweiten
Leitungstyps umfasst sowie einen Rekombinationsbereich (6) mit Rekombinationszentren
unmittelbar auf der zweiten Schicht (5) des ersten Leitungstyps,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationszentren Sauerstoffausscheidungen
umfassen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Leistungshalbleiter, der einen reduzierten Sperrstrom aufweist und der eine erste Schicht von einem ersten Leitungstyp, eine erste Schicht von einem zweiten Leitungstyp, eine zweite Schicht von dem ersten Leitungstyp und eine zweite Schicht von dem zweiten Leitungstyp umfaßt. Insbesondere betrifft die Erfindung einen insulatedgate-Bipolartransistor (IGBT), bei dem die zweite Schicht vom zweiten Leitungstyp ein (anodenseitiger) p-Emitter, die erste Schicht vom zweiten Leitungstyp eine p+-Basis, die zweite Schicht vom ersten Leitungstyp eine n–-Basis und die erste Schicht vom ersten Leitungstyp ein (kathodenseitiger) n+-Emitter ist.
- Man ist allgemein bestrebt, bei Leistungshalbleitern die über das Bauelement im Durchlaßzustand abfallende Spannung zu minimieren, um so die Verlustleistung des Bauelements zu senken. Ein Leistungshalbleiter der oben genannten Art ist z.B. ein mit IGBT realisierter Schnellschalter, der sich die meiste Zeit im Durchlaßzustand befindet und nur relativ selten sperrt, um einen Kurzschlußstrom abzuschalten. Beispielsweise wird bei einem IGBT zur Minimierung der Durchlaßspannung im Stand der Technik der anodenseitige (kollektorseitige) Emitter mit einer relativ hohen Dotierungskonzentration und einer erhöhten Eindringtiefe versehen, so daß der Emitterwirkungsgrad dicht unterhalb von Eins liegt. Außerdem wird die Trägerlebensdauer in den Basiszonen des IGBT so hoch wie möglich gemacht, um damit den Transportfaktor zu erhöhen. Durch die Summe dieser Maßnahmen nimmt der Teiltransistorverstärkungsfaktor αpnp einen Wert an, der relativ nahe bei Eins liegt. Durch die Transistorverstärkung ergibt sich aber bei einer hohen angelegten Spannung ein großer Sperrstrom, der zum Aufheizen des Bauelements führt. Dieser im Sperrzustand unvermeidbar fließende Sperrstrom darf jedoch nicht zu hoch wer den, damit die Aufheizeffekte nicht zur Zerstörung des Bauelements führen.
-
EP 0 327 316 A2 beschreibt einen Transistor, bei dem über dem P+-Halbleitersubstrat Rekombinationszentren gebildet werden. Die Rekombinationszentren werden gebildet durch Implantation von beispielsweise Sauerstoffionen, mittels der Kristall-Gitterdefekte gebildet werden, welche als Rekombinationszentren dienen. - Das Bilden von Kristall-Gitterdefekten durch Einstrahlung von Protonen ist ebenfalls aus WO 98/15010 A1 bekannt.
-
DE 42 23 914 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines vertikalen Leistungsbauelements, bei dem eine niedrig dotierte Halbleiterschicht epitaktisch aufgewachsen wird, wobei das epitaktische Aufwachsen unterbrochen wird, um nicht dotierende Ionen in die epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschicht zu implantieren. Nach erfolgter Implantation der nicht dotierenden Ionen wird das epitaktische Aufwachsen der niedrig dotierten Halbleiterschicht fortgeführt und beendet. -
DE 40 36 222 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bilden von aufeinander gestapelten Hochspannungsdioden. Gemäß diesem Verfahren wird die Ladungsträgerlebensdauer am pn-Übergang gesteuert durch gezielte Fehlorientierung der kristallographischen Orientierung der beiden Halbleiterkörper oder durch Verwendung von Halbleiterkörpern unterschiedlicher Gitterkonstanten. -
DE 31 24 988 C2 beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Thyristoten, bei welchem die Rückwärtsregenerierungsladung verringert wird. Gemäß diesem Verfahren werden ebenfalls Störstellen als Rekombinationszentren in dem Kristallgitter gebildet mittels Bestrahlung von Ionen. - Gemäß dieser Vorgehensweise wird eine Strahlung aus Protonen, Alphateilchen oder Stickstoffionen verwendet. Ferner ist in
DE 31 24 988 C2 angegeben, zur Bestrahlung gerade keine Sauerstoffionen zu verwenden, da diese sowohl elektrisch als auch chemisch im Halbleiterkörper aktiv sind, was gemäß diesem Verfahren nicht gewünscht ist. -
DE 38 42 468 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einer Gitterdefektzone zur Verkürzung der Abschaltzeit der Vorrichtung auch bei relativ hohen Temperaturen. - Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen Leistungshalbleiter zu schaffen, der sowohl eine niedrige Durchlaßspannung als auch einen geringen Sperrstrom hat.
- Die Aufgabe wird durch einen Leistungshalbleiter nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Um bei einem Bauelement mit niedriger Durchlaßspannung den Sperrstrom zu begrenzen, werden erfindungsgemäß Rekombinationszentren eingebaut, die im Durchlaßzustand des Halbleiters, also bei hoher Ladungsträgerinjektion praktisch wirkungslos sind, jedoch im Sperrzustand, also bei niedrigen Ladungsträgerdichten eine hohe Effizienz haben. Diese Rekombinationszentren werden in einem Bereich der Siliziumscheibe eingebaut, der von der anodenseitigen (kollektorseitigen) Scheibenoberfläche aus gesehen dicht unterhalb des durch den p-Emitter und die angrenzende n-dotierte Schicht gebildeten pn-Übergangs liegt.
- Der erfindungsgemäße Leistungshalbleiter, der eine erste Schicht eines ersten Leitungstyps, eine erste Schicht eines zweiten Leitungstyps, eine zweite Schicht des ersten Leitungstyps und eine zweite Schicht des zweiten Leitungstyps umfaßt, ist gekennzeichnet durch einen Rekombinationsbereich mit Rekombinationszentren unmittelbar auf der Schicht des ersten Leitungstyps, wobei die Rekombinationszentren Sauerstoffausscheidungen umfassen.
- Der Rekombinationsbereich hat vorzugsweise eine vertikale Ausdehnung zwischen 20 und 50 μm.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, bei der bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
-
1 stellt schematisch einen ersten Leistungshalbleiter mit dem erfindungsgemäßen Rekombinationsbereich im Querschnitt dar. -
2 stellt schematisch einen weiteren Leistungshalbleiter mit dem erfindungsgemäßen Rekombinationsbereichim Querschnitt dar. - Der in
1 dargestellte Leistungshalbleiter ist ein non punch through- (NPT-) IGBT, anhand dessen die Erfindung im folgenden zunächst erläutert wird. Der NPT-IGBT umfaßt einen Halbleiter1 , der in der gezeigten Ausführungsform schwach n-dotiert ist und als n–-Basis wirkt. An die n–-Basis1 , die eine erste Basis ist, schließt sich als eine zweite Basis eine p+-Basis2 an, auf deren Oberfläche eine erste n+- Emitterstruktur3 angeordnet ist. Von dem Emitter3 injizierte Ladungsträger gelangen durch einen Kanal in der p+-Basis2 in die n–-Basis1 und von dort zu einem anodenseitigen p-Emitter5 auf der der p-Basis2 gegenüberliegenden Seite der n–-Basis1 . Der Strom der Ladungsträger durch den Kanal wird durch ein Gate4 auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements gesteuert, das durch eine Isolatorschicht8 vom Halbleiter getrennt ist. - Die beiden Emitter
3 und5 werden über Metallisierungen7 elektrisch jeweils mit einem externen Emitteranschluß verbunden. - Bei den NPT-IGBT-Bauelementen bildet die n–-Basis
1 eine homogene Schicht. Die Raumladungszone, die im Sperrfall in der n–-Basis1 und der p+-Basis2 aufgespannt wird, erreicht den anodenseitigen (kollektorseitigen) Emitter nicht. Um den Sperrstrom klein zu halten, muß die Lebensdauer der Ladungsträger im Sperrfall zwischen dem Rand der Raumladungszone und dem anodenseitigen (kollektorseitigen) Emitter möglichst gering sein. - Für gute Durchlaßeigenschaften des Leistungshalbleiters soll- te die Lebensdauer der Ladungsträger dagegen möglichst groß sein.
- Dazu wird ein Rekombinationsbereich
6 unmittelbar vor dem anodenseitigen (kollektorseitigen) Emitter5 erzeugt. Dazu wird bei der Herstellung des Halbleiterbauelements ein. nichtdotierender Stoff zugesetzt, durch den in dem Rekombinatiosbereich6 Rekombinationszentren geschaffen werden und die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzt wird. Der Rekombinationsbereich6 schließt sich unmittelbar an den anodensei- tigen (kollektorseitigen) p-Emitter5 an. Der Bereich6 liegt also bei einem NPT-IGBT von der Anode bzw. dem Kollektor unten in1 aus gesehen dicht unterhalb des durch den p-Emitter5 und die n–-Basis1 gebildeten pn-übergangs. Er befindet sich damit bei Anlegen der vollen Sperrspannung an den kathodenseitigen pn-übergang auf der Seite des Emitters3 zwischen der p-Basis2 und der n-Basis1 in der neutralen, d.h.raumladungsfreien Zone innerhalb der n–-Basis1 und unterdrückt zuverlässig den Sperrstrom. - Der Rekombinationsbereich
6 hat vorzugsweise eine Dicke in der Größenordnung von 20 bis 50 μm. Im Durchlaßbetrieb des Halbleiters wird der Rekombinationsbereich6 mit Ladungsträgern überschwemmt. Die in diesem Bereich6 eingebauten Rekombinationszentren sollen im Durchlaßzustand bei der hohen Ladungsträgerinjektion eine möglichst geringe Wirkung aufweisen. Im Sperrzustand, d.h. bei niedrigen Ladungsträgerdichten sollen sie jedoch eine sehr hohe Effizienz haben. - Als hierfür geeigneter, nichtdotierender Zusatzstoff in dem Bereich
6 kommen sauerstoffausscheidungen in Frage. Aus T. Falter, D. Hellmann, P. Eichinger; Tagungsband der SPIE-Konferenz, Austin (1994), S. 109 ist bekannt, daß die durch Sauerstoffausscheidungen eingestellte Ladungsträgerlebensdauer im Fall hoher Ladungsträgerinjektionen typischerweise um mehr als zwei Größenordnungen höher liegt als im Fall niedriger Ladungsträgerinjektion. Das bedeutet, daß im Sperrfall bei einer sehr niedrigen Ladungsträgerinjektion die Ladungsträgerkonzentration in dem Bereich6 durch Rekombinationen reduziert wird, insbesondere da sich durch die Rekombinationen die Stromverstärkung durch den anodenseitigen p-Emitter verringert. Nimmt die Ladungsträgerinjektion durch den Emitter5 zu, d.h. geht der Leistungshalbleiter von dem sperrenden Zustand in den leitenden Zustand über, so steigt die Ladungsträgerkonzentration in dem Bereich6 stark an, d.h. der Halbleiter wird mit Ladungsträgern überschwemmt und die Ladungsträger nehmen den Bereich6 kaum noch wahr; da bei hoher Injektion die durch die Sauerstoffausscheidungen bedingte Rekombinationsrate relativ gering ist. - Die gewünschte vertikale Verteilung der Sauerstoffausscheidungen in dem Bereich
6 läßt sich z.B. dadurch herstellen, daß in die Anodenseite (Kollektorseite) des Bauelements Sauerstoffatome implantiert werden, die durch einen nachfolgenden Hochtemperaturprozeß in die gewünschte Tiefe verteilt werden und sich dort während des Abkühlvorgangs am Ende des Hochtemperaturprozesses zu Sauerstoffausscheidungen zusammenlagern. - Ebenso können die Sauerstoffatome durch eine anodenseitige bzw. kollektorseitige Oxidation der Siliziumoberfläche in den Kristall eingebracht werden, wobei die Kathodenseite (Emitterseite) vorher mit einer Schutzschicht z.B. aus einem SiO2/Si3N4-Schichtpaket bedeckt werden kann, um eine kathodenseitige Eindiffusion von Sauerstoffatomen zu vermeiden.
- Die Erfindung wurde anhand eines NPT-IGBT als Leistungshalbleiter beschrieben. Es ist für den Fachmann jedoch selbstverständlich, daß die offenbarte technische Lehre auch auf ande re Leistungsbauelemente wie punch through- (PT-) IGBTs, Thyristoren und abschaltbare (GTO-) Thyristoren angewendet werden kann. So ist beispielsweise bei einem in
2 dargestellten PT-IGBT dem kollektorseitigen Emitter eine hoch dotierte Stoppzone9 vorgelagert, die von einem Leitungstyp ist, der dem Leitungstyp des Emitters5 entgegengesetzt ist. Erst an die Stoppzone9 schließt sich eine schwächer dotierte (n–-) Schicht1 an. Der Rekombinationsbereich6 befindet sich bei einem solchen PT-IGBT vorzugsweise in dem Übergangsbereich zwischen dem anodenseitigen (kollektorseitigen) Emitter5 und der stark dotierten Stoppzone6 bzw. ist ein Teil der Stoppzone9 oder des Emitters5 . Die übrigen, bereits oben erläuterten Bezugszeichen bezeichnen identische Bereiche wie in1 .
Claims (2)
- Leistungshalbleiter, der eine erste Schicht (
3 ) eines ersten Leitungstyps, eine erste Schicht (2 ) eines zweiten Leitungstyps, eine zweite Schicht (1 ) des ersten Leitungstyps und eine zweite Schicht (5 ) des zweiten Leitungstyps umfasst sowie einen Rekombinationsbereich (6 ) mit Rekombinationszentren unmittelbar auf der zweiten Schicht (5 ) des ersten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationszentren Sauerstoffausscheidungen umfassen. - Leistungshalbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Ausdehnung des Rekombinationsbereiches (
6 ) zwischen 20 und 50 μm liegt.
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