DE3200807C2 - Abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung - Google Patents

Abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung

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Abstract

Eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbereich (307) hoher Dotierstoffkonzentration, der an einer Hauptoberfläche eines Halbleiterplättchens (300) freiliegt und eine Mehrzahl von aufgeteilten Bereichen (307a) aufweist, und einer Haupt elektrode (302) auf der Hauptoberfläche, die niederohmigen Kontakt mit dem Halbleiterbereich (307) macht und einen Verbindungsstreifenbereich (302b) zur Anschlußleiterverbindung hat, weist den Bereich (307) hoher Dotierstoffkonzentration unter der Gesamtheit der Hauptelektrode (302) einschließlich des Verbindungsstreifenbereichs (302b) liegend und eine Isolierschicht (308) auf, die zwischen dem Verbindungsstreifenbereich (302b) und dem Halbleiterbereich (307) eingefügt ist. Bei einem Torausschaltthyristor mit einem Kurzschluß-P-Emitterbereich (304) stellt der Halbleiterbereich (307) einen N-Emitterbereich dar, und ein Teilbereich (307b) davon, der unter der Isolierschicht (308) liegt, verhindert den Kathoden/Tor-Kurzschluß und die Stromkonzentration durch seinen Seitenwiderstand (340) beim Ausschalten der Anordnung durch die Torvorspannung. Bei einem Bipolartransistor stellt der Halbleiterbereich (407) einen Emitter dar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung, z. B. eine abschaltbare Thyristortriode (im folgenden einfach als GTO-Thyristor bezeichnet) oder einen Leistungstransistor.
Der GTO-Thyristor oder der Leistungstransistor, der das Ein-Aus-Scha!ten eines starken Stroms durch ein an seinen Steueranschluß angelegtes Signal steuert, trägt dazu bei. die Abmessung und das Gewicht einer zur Motorsteuerung geeigneten Umriehteranordnung /u verringern und deren Leistung im Sinne der Encrgiceinsparung /u fördern, und man erwartet, daß deren Produktion in der Zukunft erheblich wauist. Insbesondere vermag der GTO-Thyristor relativ große I lauptströnie zu steuern.
Um eine wirksame Steuerung eines starken Stroms zu sichern, ist es wirkungsvoll, den Emitter aufzuteilen. Es wurden bereits Vorschläge gemacht, die einen Doppeikamm- oder zusammenhängenden Emitteraufbau umfassen, bei dem interdigital aufgeteilte Emitter in einem gemeinsamen Verbindungsbereich innerhalb eine-i Halbleiters aufgehen, und die weiter einen Überoxid-Emitteraufbau umfassen, bei dem aufgeteilte fingerförmige Emitter elektrisch miteinander mittels einer Elektrode verbunden sind, die über einer Oxidschicht liegt Der erstere neigt jedoch dazu, an einer Stromkonzentration zu leiden, wenn die Anordnung durch eine Torvorspannung ausgeschaltet wird, und der letztere hat eine Neigung, einen Kurzschluß zwischen der Kathode und dem Tor zu verursachen.
Bezüglich der Einzelheiten des GTO-Thyristors sei auf die US-PS 32 39 72δ, die DE-OS 29 06 721 und die EP-A1-0009367 verwiesen.
Aus dem ]P-Abstract 51-1 34 077 ist eine abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
Fig. IA zeigt in Draufsicht einen dieser Leistungshalbleiteranordnung entsprechenden bekannten PNPN-GTO-Thyristor, und
Fig. IB zeigt denselben in Schnittdarstellung längs derLinie/ß-/ß'inFig. IA.
Der gesamte Plättehenblock 100 kann allgemein in eine Hduptstromschaltzone 100Λ, eine Kathodenverbindungsstreifenzone 1005 und eine Torverbindungs-Streifenzone lOOC eingeteilt werden. Die Hauptstromschaltzone 100Λ enthält einen P-Emitterbereich 104, der aus fingerartig aufgeteilten Emitterteilen besteht, und einen N-Emitterbereich 107, der fingerartig aufgeteilte Emitierteile 107a aufweist. Jeder der aufgeteilten Teile des P-Emitters 104 ist mit einem N'-Basisbereich 105 durch einen umgebenden N+ -Kurzschlußbereich 115 und eine Anodenelektrode 101 kurzgeschlossen, um einen kurzgeschlossenen P-Emitterbereich zu bilden. Der innerhalb eines P-Basisbereichs 106 gebildete N-Emitterbereich 107 enthält eine Mehrzahl von fingerartig aufgeteilten Emittertcilen 107a und einen Verbindungsbereich 107b zur elektrischen Verbindung der aufgeteilten Emitterteile 107a. Der P-Emitterbereich 104 liegt den aufgeteilten N-Emitterteilen 107a des N-Emitterbereichs 107 durch den N-Basisbereich 105 und den P-Basisbereich 106 gegenüber. Für Veranschaulichungszwecke zeigt F i g. 1B eine Schnittdarstellung nach einer Linie IB-IB', die stufenweise im unteren Teil des Halbleiterkörpers gekrümmt ist, wie F i g. 1A zeigt. Eine zu der in F i g. 1B gezeigten vertikale Schnittdarstellung ist beispielsweise in der EP-A1-0 009 367 dargestellt. Und zwar ist jeder der N-Emitterteile 107a gegenüber jedem der Teile des P-Emitterbereichs 104 versetzt. In den übrigen Figuren ist die Lage jedes aufgeteilten Teils des P-Emitterbereichs ebenfalls gegenüber der jedes aufgeteilten Teils des N-Emitterbereichs versetzt.
Eine Kathodenelektrode 102 hat im wesentlichen das gleiche Profil wie das des N-Emitterbereichs 107 und macht niederohmigen Kontakt mit fast der gesamten Oberfläche des N-Emitterbereichs 107. Die Kathodenelektrode 102 enthält einen Verbindungsstreifenbereich 102ft, der über dem Verbindungsbereich 1075 des N-Emitterbereichs 107 liegt. Diesti Aufbau wird im folgenden als zusammenhängender N-ü—littertyp bc/.cich-
b"> net. Der Verbindungsstreifenbereich 1026 der Kathodenelektrode 102 hat eine zur Anschlußverbindung ausreichende Fläche. Die fast gesamte Fläche der Torelektrode 103 macht niederohmigen Kontakt mit dem P-Ba-
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sisbereich 106 und hat Doppeikamm(lnterdigital-)Teile 103a, die in der Schaltzone 100Λ auf dem P-Basisbereich 106 gebildet sind und Doppelkammkathodenteilen 102a gegenüberliegen, und einen Verbindungsstreifenbereich 103c
Beim bekannten GTO-Thyristor der obigen Aufbaus werden Ströme in dem unter dem Verbindungsstreifenbereich 1026 liegenden Verbindungsbereich i07b konzentriert, wenn ein starker Strom abgeschaltet wird, i-nd in extremen Fällen bricht der GTO-Thyristor zusammen. Während der Stromleitung herrschen Oberschußladungsträger im N-Basisbereich 105 auch in den Verbindungsstreifenzonen 100ß und lOOC außerhalb der Schaltzone 100Λ vor und liefern auch unmittelbar nach der Torausschaltung Strom zum P-Basisbereich 106. Infolgedessen wird der Verbindungsbereich 107Z>, der im N-Emitterbereich 107 enthalten ist und in der von der Torelektrode 103 entfernten Verbindungsstreifenzone lOUB liegt, leitend gehalten, bis die Überschußladungsträger im N-Basisbereich 105 gelöscht sind, so daß sich ein starker Strom im Verbindungsbereich 1076 konzentriert und der Thyristor zusammenbrechen kann. Demgemäß ist eier in F i g. 1 dargestellte GTO-Thyristor des zusammenhängenden N-Emittertyps schwerlich geeignet, einen ziemlich starken Hauptstrom mit hoher Geschwindigkeit abzuschalten, und hat daher einen geringen maximal steuerbaren Durchlaßstrom.
Fig.2A zeigt in Draufsicht ein anderes bekanntes GTO-Thyristorplättchen 200, und F i g. 2B zeigt dasselbe in Schnittdarstellung längs der Linie UB-UB' in F i g. 2A. In diesem Beispiel hat ein N-Emitterbereich 207 nur aufgeteilte Emitterteile und liegt nur innerhalb einer Schaltzone 200A erstreckt sich dagegen nicht zu einer Verbindungsstreifenzone 200S. Dieser Aufbau wird im folgenden aufgeteilter N-Emittertyp bezeichnet. Die aufgeteilten Emitterteile des N-Emitterbereichs
207 machen niederohmigen Kontakt mit Doppelkamm(lnterdigital-)Bereichen 202a einer Kathodenelektrode 202, die miteinander elektrisch mittels eines Verbindungsstreifenbereichs 2026 verbunden sind. Die Kathodenelektrode 202 endet im Verbindungsstreifenbereich 202b, der über einem P-Basisbereich 206 bei Zwischenfügung eines Isolators aus einer Siliziumoxidschicht 208 liegt. Dieser Aufbau wird im folgenden als ein Überoxidaufbau bezeichnet. Eine Torelektrode 203 hat, wie die in den Fig. IA und 1B gezeigte Torelektrode 103, Doppelkamm-(lnterdigilal-)Bereiche 203a und einen Verbindungsstreifenbereich 203c. Es :ind außerdem eine Anodenelektrode 201, ein P-Emitterbereich 204 und ein N-Basisbereich 205 ähnlich denen nach den F i g. 1A und 1B vorgesehen. Wie in dem in F i g. 1A und IB gezeigten Beispiel kann auch noch ein N+-Kurzschlußbereich vorgesehen sein.
Beim GTO-Thyristor des vorstehend erläuterten Aufbaus läßt sich die Stromkonzentration in der Verbindungsstreifenzone 2005 bei Torausschaltung der Anordnung verringern, und man kann eine ausgezeichnete Ausschaltcharakteristik erhalten.
Jedoch kommt in dem Fall, wo eine Pore 230, wie in den F i g. 2A und 2B gezeigt, in der Siliziumoxidschicht
208 innerhalb der Verbindungsstreifenzone 2005 während des Herstellungsverfahrens entstanden ist, der Verbindungsstreifenbereich 202£>der Kathodenelektrode 202 zufällig in Kontakt mit dem darunterliegenden P-Basisbereich 206. Darauf folgt ein Kurzschluß der Torelektrode 203 mil der Kaihodenelektrode 202 durch den P-Basisbereich 206. Als Ergebnis wird die Torvorsnannune nicht wirksam an den P-Basisbereich 206 angelegt, und sowohl die Toreinschaltung als auch die Torausschaltung werden kaum wirksam durchführbar. Die Erfinder stellten fest, daß die Mehrzahl fehlerhafter Eigenschaften des GTO-Thyristors mit dem obigen Aufbau auf den Tor/Kathoden-Kurzschluß zurückzuführen sind, der durch die Bildung der Pore 230 in der Oxidschicht 208 innerhalb der Verbindungsstreifenzone 200S verursacht wird.
Ein ähnliches Problem trifft man bei Starkstrom-Schalttransistoren an. Der Transistor ist den Anordnungen nach F i g. 1A, 1B, 2A und 2B mit lediglich der Ausnahme äquivalent, daß der P-Emitterbereich 104 oder 204 entfällt und der N-Basisbereich 105 oder 205 als ein N-Kollektorbereich wirkt Um ein rasches Ausschalten eines Starkstroms zu sichern, kann die Basis eines Transistors vorzugsweise in Sperrichtung vorgespannt werden. Wenn eine Basiselektrode 103 oder 203 in Sperrichtung vorgespannt wird, wird ein Teil eines Basisbereichs 106 oder 206 in enger Nähe der Basiselektrode anfäng-Hch ausgeschaltet, um einen nichtleitenden Zustand anzunehmen. Im Fall des zusammenhängenden Emitteraufbaus behält ein von der Basiselektrode entfernter Teil des Basisbereichs während des Übergangsstadiums einen leitenden Zustand bei. Die Stromkonzentration wird dann durch einen Anstieg in der Emitter/Kollektor-Spannung verursacht was Anlaß zur Neigung zum Durchbruch des Transistors gibt Im Fall des aufgeteilten Emitteraufbaus wird die Neigung zur Stromkonzentration verringert doch ergibt sich eine Neigung zum Auftretendes Emitter/Basis-Kurzschlusses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art zu entwickeln, die geeignet ist, starke Ströme mit hoher Geschwindigkeit abzuschalten und schädliche Kurzschlüsse zwischen der mit der äußersten Halbleiterschicht verbundenen Elektrode und der zweiten Halbleiterschicht zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode einen Bereich, der direkt niederohmigen Kontakt mit den unterteilten Bereichen macht, und einen Bereich aufweist, der sich über den mit einer Isolierschicht überzogenen Verbindungsbereich hin erstreckt.
Der Emitterbereich ist also zu r einen Hauptelektrode ausgerichtet und so ausgebildet, daß er die Projektion der einen Hauptelektrode bei Projektion längs der zur Substratoberfläche vertikalen Richtung enthält, so daß ein Kurzschluß der einen Hauptelektrode zur Steuerelektrode auch dann verhindert wird, wenn eine Pore in der Isolierschicht entstanden ist.
Zweckmäßig weist der sich über den Verbindungsbereich der äußersten Schicht hin erstreckende Bereich der Elektrode einen Verbindungsstreifen zur Anschlußverbindung auf.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Plättchen außerdem eine vierte Halbleiterschicht aufweist, die an die dritte Schicht der drei Halbleiterschichten angrenzt und einen dem der dritten Schicht entgegengesetzten Leitungstyp hat, und daß die Anordnung außerdem zwei weitere Elektroden aufweist, die niederohmigen Kontakt mit der vierten Halbleiterschicht bzw. mit der Zwischenschicht machen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Halbleiteranordnung außerdem zwei weitere Elektroden aufweist, die niederohmigen Kontakt mit der dritten Halbleiterschicht bzw. mit der Zwischenschicht machen.
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Die Isolierschicht ist vorzugsweise aus einem aus der aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Glas, Kunstharz und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gewählten Stoff hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
F i g. 3A eine von der Kathode aus gesehene Aufsicht eines Ausführungsbeispiels eines GTO-Thyristors gemäß der Erfindung;
F i g. 3B einen Längsschnitt des in F i g. 3A gezeigten GTO-Thyristors längs der Linie Illß-IIIß';
Fig.3C eine Aufsicht zur Darstellung eines Musters einer beim GTO-Thyristor nach F i g. 3A verwendeten Oxidschicht; !5
Fig.4A eine Perspektivdarstellung, teilweise unter einem Winkel zur Oberfläche geschnitten, eines anderen Ausführungsbeispiels eines GTO-Thyristors gemäß der Erfindung;
F i g. 4B eine Teildraufsicht zur Darstellung eines Musters einer beim GTO-Thyristor nach F i g. 4A verwendeten Oxidschicht;
Fig.5A eine ähnliche Perspektivdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines GTO-Thyristors gemäß der Erfindung;
F i g. 5B eine Teildraufsicht zur Darstellung eines Musters einer beim GTO-Thyristor nach F i g. 5A verwendeten Oxidschicht; und
Fig.6 einen Längsschnitt eines NPN-Transistors gemäß der Erfindung.
F i g. 3A und 3B zeigen ein Siliziumplättchen 300 eines GTO-Thyristors. Das Plättchen 300 weist eine Hauptstromschaltzone 300,4 und Verbindungsstreifenzonen 300S und 300Cauf.
Aufgeteilte Emitterteile eines P-Emitterbereichs 304 sind jeweils von einem N+-Niedrigwiderstandsbereich 315 umgeben, und der P-Emitterbereich 304 ist mit einem N-Basisbereich 305 durch eine Anodenelektrode 301 und den N-Niedrigwiderstands- oder -Kurzschlußbereich 315 zur Vervollständigung eines PNPN-Thyristors des kurzgeschlossenen Emittertyps kurzgeschlossen. Dieser N-Kurzschlußbereich 315 ist zur Verbesserung der Ausschalteigenschaften (stehe EPAl-O 009 367) geeignet und kann sonst auch entfallen. Der P-Emitterbereich 304 ist im wesentlichen zu den Doppelkamm(Interdigital-)Bereichen 307a eines N-Emitterbereichs 307 durch den N-Basisbereich 305 und einen P-Basisbereich 306 ausgerichtet. Genau genommen ist jedoch jeder aufgeteilte Emitterteil des P-Emitterbereichs 304 gegenüber einem entsprechenden interdigitalbereich 307a in der Vertikalrichtung des Blattes der F i g. 3B etwas versetzt, wie im Zusammenhang mit den Fig. IA und IB beschrieben wurde. Der N-Emitterbereich 307 hat im wesentlichen das gleiche Profil wie das einer Kathodenelektrode 302. Genau genommen, ist der N-Emitterbereich 307 wenigstens etwas größer als die Kathodenelektrode 302, um einen Kurzschluß der Kathodenelektrode 302 mit dem Basisbereich zu verhindern. In der Verbindungsstreifenzone 300ß liegt eine Oxidschicht 308 unter einem Verbindungsstreifenbereich 3026 der Kathodenelektrode 302, und ein Ansatzbereich 3076 des N-Emitterbereichs 307 liegt unter der Oxidschicht 308. Eine Torelektrode 303 hat auf dem P-Basisbereich 306 innerhalb der Schaltzone 300Λ DoppeIkamm-(lnterdigitaI-)Bereiche 303a, die Doppelkamm-(lnterdigital-)Bereichen 302a der Kathodenelektrode 302 gegenüberliegen, und einen Verbindungsstreifenbereich 303c. Der Aufbau jeder Elektrode und der Isolierschicht kann als dem in den Fig. 2A und 2B gezeigten gleichartig betrachtet werden, und der Aufbau des restlichen Teils innerhalb des Siliziumsubstrats kann als dem in den Fig. IA und IB gezeigten gleichartig betrachtet werden. Die Oxidschicht 308 hat ein Muster, wie es in F i g. 3C gezeigt ist. Durch gestrichelte Linien ist das Profil des N-Emitterbereichs 307 veranschaulicht.
In einem Beispiel ist das Substrat 300 ein N-Siliziumsubstrat einer Dicke von etwa 310 um, der N-Basisbereich 305 (in der Schaltzone 300.4^ ist etwa 200 μπι dick und hat einen Widerstand von 100 Ω ■ cm, der P-Basisbereich 306 ist etwa 40 μιτι dick und hat einen Flächenwiderstand von etwa 70 Ω/D (etwa 0,3 Ω · cm Widerstand), der N-Emitterbereich 307 ist etwa 15 μιη dick und hat einen Flächenwiderstand von etwa 3 Ω/D (etwa 4,5 · 10-3Ω · cm Widerstand), und der P-Emitterbereich 304 ist etwa 55 μπι dick. Der N-Emitterbereich 307 ist eine Schicht, die normalerweise eine Dicke von etwa ΙΟμΓη bis etwa 20 μιη hat. Der N-Kurzschlußbereich 315 ist dicker als der P-Emitterbereich 304. Die Isolierschicht 308 ist eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 μπι. Die aufgeteilten Bereiche 307a des N-Emitterbereichs 307 haben jeweils eine Flächenausdehnung von etwa 250 μπι · etwa 1000 μπι. Der Verbindungsbereich 3026 der Kathodenelektrode 302 und der Verbindungsbereich 303c der Torelektrode 303 haben jeweils eine Fläche von etwa 700 μπι · etwa 3000 μπι. In diesem Beispiel könnte man einen Strom von etwa 5 A Spitzenwert durch jeden aufgeteilten Emitterbereich Hießen lassen. Die Bemessungsparameter wurden vorstehend nur zur Erläuterung gegeben und können je nach Anwendungszwecken erheblich geändert werden. Beispielsweise kann die Dicke des N-Emitterbereichs 307 etwa 5 μπι bis etwa 30 μηι sein. Typisch ist die Zahl von aufgeteilten Emittern, die untereinander mittels eines Verbindungsbereichs zu verbinden sind, 2 bis etwa 20. Die Isolierschicht 308 kann auch aus anderen Isolierstoffen als Siliziumoxid gebildet werden und eine in einem weiten Bereich gewählte Dicke haben.
Gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel kann der Ansatzbereich 3076 des N-Emitterbereichs 307 unter dem Kathodenverbindungsbereich 3026 wirksam als ein elektrischer Widerstand für einen starken Strom dienen, wenn die Anordnung durch eine Torvorspannung ausgeschaltet wird. Im einzelnen muß der starke Strom, der der Torausschaltwirkung innerhalb der Schaltzone 300Λ ausgesetzt wird und zum Einfließen in den N-Emitteransatzbereich 3076 innerhalb der Verbindungsstreifenzone 3005 bereit ist, in eine seitliche Richtung innerhalb des N-Emitteransatzbereichs 3076 vor Erreichen der Kathodenelektrode 302 unter Berücksichtigung der Zwischenfügung der Siliziumoxidschicht 308 gerichtet werden. Bei diesem Prozeß wirkt der N-Emitteransatzbereich 3076, der abmessungsmäßig dünn ist als ein seitlicher elektrischer Widerstand 340. Da der seitliche Widerstand 340 des N-Emitteransatzbereichs 3076 ausreichend größer als ein Längswiderstand 341 des N-Emitterfingerbereichs 307a ist, der direkt die Kathodenelektrode 302 berührt, kann der Strom nur schwierig in der seitlichen Richtung innerhalb des N-Emitteransatzbereichs 3076 fließen. In dieser Weise läßt sich die Stromkonzentration bei der Torausschaltung unterdrücken. Dieser Unterdrückungseffekt wird hervorragend, wenn die Stromkonzentration intensiver wird oder der Abstand der Stromkonzentrationslage von der Torelektrode 303 wächst, weil offenbar der Spannungsabfall über den seitlichen Widerstand mit ei-
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nem Anstieg des Stromes oder einem Anstieg der wirksamen Widerstandslänge aufgrund der Verschiebung der Stromkonzentrationslage wächst.
Daher kann der GTO-Thyristor gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel, obwohl er den N-Emitteransatzbereich 3076 von der Torelektrode 303 entfernt hat, einen maximal steuerbaren Durchlaßstrom haben, der so groß wie der des bekannten aufgeteilten N-Emitlertyps ist. Man stellte fest, daß der GTO-Thyristor im wesentlichen die gleichen Ausschalteigenschaften wie die des in Fig.2A und 2B gezeigten aufgeteilten Emit-•ertyps hat.
Weiter ermöglicht gemäß dem in den F i g. 3A und 3B gezeigten Aufbau der N-Emitteransatzbereich 307b unter dem Verbindungsbereich 3026 der Kathodenelektrode 302 auch beim Vorliegen einer durchgehenden Pore 330 in der Siliziumoxidschicht 308 nur einen Kontakt der Kathodenelektrode 302 mit dem N-Emitteransatzbereich 307b, verhindert jedoch einen elektrischen Kurzschluß der Kaihodenelektrode 302 mit dem P-Basisbereich 306. Allgemein hat die Pore 330 einen Durchmesser von einigen μπι oder weniger, und der N-Emitteransatzbereich 307 fc macht elektrischen Kontakt mit dem Verbindungsbereich 3026 der Kathodenelektrode 302 mit einem hohen elektrischen Kontaktwiderstand durch die Pore 330. Demgemäß ermöglicht die Anwesenheit der Pore 330 keine Konzentration eines starken Stroms beim Ausschalten der Anordnung. Nur ein geringer Prozentsatz des Hauptstroms kann also durch den hohen elektrischen Kontaktwiderstand unter dem leitenden Zustand fließen. Als Ergebnis beeinflußt die Anwesenheit der Pore 330 einer normal geringen Abmessung den Betrieb der Anordnung nicht nachteilig. Wie oben beschrieben, führt die Pore 330, die in der Siliziumoxidschicht 308 während des Herstellungsverfahrens entstehen kann, nicht zum Tor/Kathoden-Kurzschluß, wie er beim bekannten GTO-Thyristor des aufgeteilten N-Emittertyps angetroffen wird, und zu einer entsprechenden Fehlfunktion. Eine durchgehende Pore großen Durchmessers von einigen 10 μιη bis zu einigen 100 μηι kann manchmal entstehen, und die Anwesenheit einer so großen Pore würde die Stromkonzentration bei der Torausschaltung verursachen. Jedoch läßt sich eine so große Pore ohne weiteres mittels eines Mikroskops während der Sichtüberprüfung der GTO-Thyristoren erkennen, und ein GTO-Thyristor mit einer solchen Pore kann ausgesondert werden. Somit läßt sich der GTO-Th-'ristor nach dem vorstehenden Ausführungsbeispiel mit hoher Verläßlichkeit bei einem Ausbeutewert herstellen, der so hoch wie beim zusammenhängenden N-Emittertyp ist.
Bei dem Ausführungsbeispie! nach den F i g. 3A und 3B wird ein Teil des Doppelkamm-(Interdigital-)Bereichs 307a des N-Emitterbereichs 307, der dem Ansatzbereich 302b nahe ist, weniger durch das Potential der Torelektrode 303 gesteuert und neigt dazu, der Stromkonzentration in gewissem Ausmaß ausgesetzt zu werden. Um diese Stromkonzentration zu vermeiden, kann der direkte Kontaktbereich 307a des N-Emitterbereichs 307 vorzugsweise durch die Torelektrode 303 in vollständigerer Weise umgeben werden, um dadurch den Aufbau an den des aufgeteilten Emittertyps nach den F i g. 2 A und 2B anzunähern.
Die Fi g. 4A und 4B zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die Stromkonzentration wirksamer vermeiden kann. Insbesondere zeigt F i g. 4B ein Muster einer Oxidschicht 308 und ein Profil eines unter der Oxidschicht 308 liegenden N-Emitterbereichs
307. Ein Kontaktbereich 312, durch den der N-Emitterbereich 307 Kontakt mit einer Kathodenelektrode 302 macht, ist derart ausgebildet, daß er innerhalb von Zwischenräumen zwischen interdigital aufgeteilten Elektroden 303a einer Torelektrode 303 begrenzt ist. Der so gebildete Kontaktbereich 312 kann durch die Torelektrode 303 wirkungsvoll gesteuert werden. Dieser Aufbau kann durch einen solchen zusätzlichen Effekt begleitet werden, daß der Widerstand zwischen einem Ansatzbereich des N-Emitterbereichs 307 und der Kathodenelektrode 302 erhöht werden kann.
Die Entfernung, um die sich die Torelektrode 303 jenseits des Kathodenkontaktbereichs 312 zum Kathodenverbindungsstreifenbereich erstreckt, kann vorzugsweise unter Berücksichtigung der Ausdehnung der Ladungsträger innerhalb des Halbleiters bestimmt werden und kann beispielsweise vergleichbar mit oder über der Diffusionslänge innerhalb eines Hochwiderstands-N-Basisbereiches 305 sein. Im vorstehenden Ausführungsbeispiel kann diese Entfernung beispielsweise etwa 200 μιη bis 300 μηι sein. In der Darstellung hat ein P-Emitterbereich 304 eine größere Länge als die des Kontaktbereichs 312, doch ist dieses Verhältnis keineswegs einschränkend. Ein Verbindungsbereich 3026 der Kathodenelektrode 302 hat eine zur Anschlußverbindung erforderliche Ausdehnung und beispielsweise eine Breite von etwa 700 μπι oder mehr. Der Basis- oder Wurzelteil jedes interdigitalen Bereichs 302a der Kathodenelektrode 302 ist gegenüber dem darunterliegenden N-Emitterbereich 307 durch die Isolierschicht 308 isoliert und entspricht einem Teil des Ansatzbereichs 3026 im Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3A bis 3C.
Beim Überoxidaufbau gibt es, wenn im Längsschnitt betrachtet, eine Schulter zwischen einem Bereich der Kathodenelektrode 302 über der Siliziumoxidschicht 308 und dem anderen Bereich über dem N-Emitterbereich 307. Im Fall der Leistungshalbleiteranordnungen werden deren Eigenschaften manchmal durch eine Elektrodenwanderung aufgrund einer hohen Stromdichte an der Schulter beeinträchtigt, und die verringerte Elektrodendicke verschlechtert den Stromstoßdurchlaßstrom.
Die F i g. 5A und 5B zeigen noch ein anderes Ausführungsbeispiel, womit das obige Problem bewältigt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Grenzlinie 313 zwischen jedem Kontaktbereich der Kathodenelektrode 302 und dem über einer Siliziumoxid-
ö schicht 308 liegenden Verbindungsbereich der Kathodenelektrode 302 durch Ersatz einer fast geraden Linie durch eine tief gekrümmte Kurve verlängert, um die Stromdichte an der Grenze zu verringern. Beispielsweise ist, wenn die Breite des aufgeteilten Emitterbereichs 250 μη?, ist, die Länge jeder Grenzlinie 313 etwa 250 μιη. wenn die Oxidschicht 308 fast linear an den inneren Enden der aufgeteilten Emitterbereiche begrenzt ist (siehe F i g. 3A). Wenn die Oxidschicht 250 μιη von den inneren Enden der aufgeteilten Emitterbereiche zum Verbindungsbereich zurückgezogen wird, wie in Fig.5A dargestellt ist, erhöht sich die Länge jeder Grenzlinie 313 auf etwa das Dreifache. Die Erhöhung
bo der Länge der Grenzlinie 313 kann unter Berücksichtigung der Dicke der Elektrodenschicht und des Nennstroms geeignet bestimmt werden. Die Anschlußleiterverbindung kann vorzugsweise an der rechten Seite des Kontaktbereichs erfolgen. In den F i g. 4A, 4B, 5A und 5B bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile wie in F i g. 3A und 3B.
F i g. 6 zeigt einen Transistor als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Transistor ist von oben gesehen, wie
32 OO
ίο
in Fig.3A dargestellt ist. In Fig.6 werden Bezugsziffern mit den gleichen niedrigeren beiden Stellen wie denen der Bezugsziffern in den vorstehenden Figuren verwendet, um gleichartige Teile zu bezeichnen. Eine Kollektorelektrode 401 ist auf fast der gesamten Fläche einer Hauptoberfläche eines Siliziumplättchens 400 gebildet und macht Ohm'schen Kontakt mit einem N+-Niedrigwiderstandskollektorbereich 409. Ein N~- Hochwiderstandskollektorbereich 405 ist ein Hauptmassenbereich, der fast das gesamte Volumen des Plattchens 400 einnehmen kann. Ein von der anderen Hauptoberfläche des Plättchens 400 diffundierter P-Basisbereich 406 macht Ohm'schen Kontakt mit einer Basiselektrode 403. Im P-Basisbereich 406 ist ein N+-Emitterbereich 407 gebildet, der im wesentlichen die gleiche Dicke wie die des N +-Emitterbereichs 409 hai und Ohm'schen Kontakt mit einer Emitterelektrode 402 macht. Auf einem Ansatzbereich 407£> des N + -Emitterbereichs 407 ist eine Oxidschicht 408 gebildet, die die Emitterelektrode 402 vom Ansatzbereich 4076 des Emitterbereichs 407 trennt. Auch bei Anwesenheit einer Pore 430 in der Oxidschicht 408 kommt die Emitterelektrode 402 in Kontakt mit dem Ansatzbereich 407 i> allein, und jeder Emitter/Basis-Kurzschluß läßt sich vermeiden.
Wenn die Basiselektrode 403 in Sperrichtung durch ein negatives Potential zur Ausschaltung des Transistors vorgespannt wird, werden positive Löcher innerhalb des Basisbereichs durch die Basiselektrode 403 gezogen, und eine Potentialsperre wird innerhalb des Basisbereichs 406 gebildet. Ein Spannungsabfall aufgrund des Stromflusses innerhalb des Basisbereichs 406 entwickelt sich, so daß eine von der Basiselektrode 403 entfernte Lage durch die Sperrichtungsvorspannung weniger beeinflußt wird und schwierig auszuschalten ist. Wenn die Emitter/Kollektor-Spannung steigt, neigt ein übermäßiger Strom zum Fließen in einen Teil, der eingeschaltet gehalten wird. Jedoch muß der Strom in einer seitlichen Richtung innerhalb des Emitterbereichs 407 fließen, und der Emitterseitenwiderstand verhindert eine übermäßige Stromkonzer.tration.
Außer dem GTO-Thyristor des P-Emitter-Kurzschlußaufbaus und dem NPN-Leistungstransistor, die hauptsächlich vorstehend beschrieben wurden, wird die Stromkonzentration auch am Emitterverbindungsstreifen in einem GTO-Thyristor eines Nichtkurzschluß-P-Emitteraufbaus und einem PNP-Leistungstransistor beobachtet Ein solches Stromkonzentrationsproblem läßt sich durch Anwendung des anhand vorstehender Ausführungsbeispiele erläuterten Überoxidaufbaus auf die Anordnungen der letzteren Typen beseitigen. Die zwischen der Elektrode und dem Emitter eingefügte und in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beispielsweise als Siliziumoxidschicht verwirklichte Isolierschicht kann aus einer einzelnen Schicht, die aus einer Siliziumnitridschicht oder einer dünnen Glas- oder Kunstharzschicht besteht, oder aus einer Mehrschichtanordnung dieser Schichten bestehen. Da die Potentialdifferenz zwischen der Emitterelektrode und dem Emitterbereich gering ist, ist die Dicke der Isolierschicht von geringer Bedeutung. Jedoch ist es vom Herstellungsverfahrensstandpunkt allgemein und vorteilhaft, die Isolierschicht zusammen mit der Bildung anderer Passivierschichten auf der Halbleiteroberfläche herzustellen, und die Dicke der Isolierschicht kann durch Bedingungen für die anderen Schichten bestimmt werden. Weiter neigt eine Isolierschicht, die dicker als beispielsweise die Emitterelektrode ist, zur Bildung eines Stufenschnitts. Abschließend ist festzustellen, daß die Dicke der Isolierschicht auf einen Wert bemessen wird, der frei von Störungen für die anderen Erfordernisse ist.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

32 OO 807 Patentansprüche:
1. Abschaltbare Leistungshalbleiteranordnung mit einem Plättchen (300), das ein Paar von Hauptoberflächen und wenigstens drei aufeinanderfolgende Halbleiterschichten (307, 306, 305) aufweist, wovon jedes benachbarte Paar untereinander verschiedene Leitungstypen hat, wobei eine erste äußerste Schicht (307) und eine zweite, daran angrenzende Zwischenschicht (306) dieser wenigstens drei Schichten (307, 306, 305) an einer Hauptoberfläche des Plättchens (300) freiliegen und die äußerste Schicht (307) wenigstens zwei fingerförmige unterteilte Bereiche (307a) und einen Verbindungsbereich (307b) zur gegenseitigen Verbindung der unterteilten Bereiche (307a,) enthält, uni einer mit der äußersten Schicht (307) verbundenen Elektrode (302), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (302) einen Bereich (302a/ der direkt niederohmigen Kontakt mit den unterteilten Bereichen (307a,) macht, und einen Bereich (302b; aufweist, der sich über den mit einer Isolierschicht (308) überzogenen Verbindungsbereich (307b; hin erstreckt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich über den Verbindungsbereich (307ty der äußersten Schicht (307) hin erstreckende Bereich (302b) der Elektrode (302) einen Verbindungsstreifen zur Anschlußverbindung aufweist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (300) außerdem eine vierte Halbleiterschichi (304) aufweist, die an die dritte Schicht (305) der drei Halbleiterschichten (307, 306, 305) angrenzt und einen dem der dritten Schicht (305) entgegengesetzten Leitungstyp hat, und daß die Anordnung außerdem zwei weitere Elektroden (301, 303) aufweiu, die niederohmigen Kontakt mit der vierten Halbleiterschicht (304) bzw. mit der Zwischenschicht (306) machen.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem zwei weitere Elektroden (401, 403) aufweist, die niederohmigen Kontakt mit der dritten Halbleiterschichi (405) bzw. mit der Zwischenschicht (406) machen.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (308) aus einem aus der aus Siliziumoxid. Siliziumnitrid. Glas, Kunstharz und Kombinationen davon bestehenden Gruppe gewählten Stoff hergestellt ist.
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