DE3447220C2

DE3447220C2 -

Info

Publication number: DE3447220C2
Application number: DE19843447220
Authority: DE
Inventors: Victor Albert Keith Jonesville N.Y. Us Temple
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1984-12-22
Publication date: 1989-12-14
Also published as: JPH0671077B2; DE3447220A1; JPS60180166A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit Abschaltvermögen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Da der Aufbau einer Steuerelektrode hoher Impedanz als Me tall-Oxid-Halbleiter(MOS)-Aufbau ausgeführt sein kann und da der interessierende Thyristor Abschaltvermögen durch Vor spannen der Steuerelektrode besitzt, ist ein passender Aus druck für den betreffenden Thyristor ein MOS-Abschaltthyristor (TOT) oder MOSTOT. Thyristoren der eingangs genannten Art sind aus der EP-OS 00 81 642 bekannt. Ein solcher Thyristor umfaßt eine Halbleiterwafer (Scheibe) mit einer Vielzahl wiederholter, identischer Zellen. Jede Zelle umfaßt aneinandergrenzend einen P⁺-Emitterbereich, einen N⁻-Basisbereich, einen P-Basisbe reich, einen N⁺-Emitterbereich und einen P⁺-Abschaltbereich (die Vorzeichen "+" und "-" nach "P" oder "N" bedeuten hohe bzw. niedrige Dotierungsmittelkonzentrationen, während das Fehlen eines Vorzeichens eine mäßige Dotierungsmittelkonzen tration bedeutet). Eine Anodenelektrode grenzt an den P⁺- Emitterbereich und eine Kathodenelektrode grenzt sowohl an den N⁺-Emitterbereich als auch den P⁺-Abschaltbereich an. Eine Steuerelektrode ist in isolierendem Abstand über einem Teil des N⁺-Emitterbereichs angeordnet, der den P-Basisbe reich und den P⁺-Abschaltbereich überbrückt und hier als Ab schaltkanal bezeichnet ist. Negatives Vorspannen der Steuer elektrode induziert eine Inversionsschicht im Abschaltkanal, der den P-Basisbereich und den P⁺-Abschaltbereich leitend ver bindet, wodurch Löcher (d. h. positiv geladene Stromträger) im P-Basisbereich zum Fließen zu dem P⁺-Abschaltbereich über den Abschaltkanal und damit zur Kathodenelektrode gebracht werden. So wird der Thyristor ausgeschaltet.

Der N⁺-Emitterbereich des obigen MOSTOT ist allgemein qua dratisch bei Betrachtung der Wafer von oben; er kann aber auch langgestreckt oder rund sein und umfaßt einen stark dotierten (N⁺)-Bereich in der Mitte zwecks gutem ohmschem Kontakt mit der darauf angeordneten Kathodenelektro de. Der N⁺-Emitterbereich umfaßt einen leichter dotierten (N)-Bereich darum herum, worin ein Abschaltkanal angeordnet ist, der im allgemeinen einen von oben der Wafer betrachtet quadratischen Weg beschreibt. Der P⁺-Abschaltbereich er scheint als allgemein quadratische Schlinge und grenzt an den N⁺-Emitterbereich. Der P⁺-Abschaltbereich umgibt den hochdotierten (N⁺)-Bereich des N⁺-Emitterbereichs, wie von oben betrachtet, und wird seinerseits wieder von dem schwä cher dotierten (N)-Bereich der Emitterregion umgeben, wie von oben betrachtet. Der Abschaltkanal, in dem schwächer do tierten Teil zwischen dem P⁺-Abschaltbereich und dem P-Basis bereich gelegen, wird leicht in dem schwächer dotierten (N)- Teil des Emitterbereichs gebildet, wodurch der Wert des Stromes erhöht wird, den der Abschaltkanal leiten kann, und damit der Wert des Stroms der Vorrichtung, der abgeschaltet werden kann.

Es wäre wünschenswert, den Wert des Stromes zu erhöhen, den der Abschaltkanal in einem MOSTOT leiten kann, indem die Abschaltkanal-Länge pro Einheit der Fläche der Vorrichtung erhöht wird. Dies kann, zumindest theoretisch, dadurch er folgen, daß die Größe des N- oder N⁺-Emitterbereichs ge schrumpft wird, mit oder ohne Änderung der Konfiguration des N⁺-Emitterbereichs. Beispielsweise ist in einer bevorzugten Form der N- oder N⁺-Emitterbereich schmal und langgestreckt konfiguriert. Es ist jedoch bekanntlich schwierig, einen langgestreckten N- oder N⁺-Emitterbereich mit allen Merkmalen des obigen N⁺-Emitterbereichs (d. h. N-leitendes Halbleiterma terial hoher und niedriger Dotierungsmittelkonzentration mit einem P⁺-Abschaltbereich dazwischen) durchzuführen, da jedes Merkmal für seine Ausbildung eine Mindestfläche der Vorrich tung erfordert. Es wäre somit wünschenswert, einen MOSTOT mit langgestreckten N- oder N⁺-Emitterbereichen zum Abschal ten eines hohen Wertes des Stroms der Vorrichtung zu schaf fen, wobei aber guter ohmscher Kontakt bzw. gute leitende Verbindung zwischen dem N- oder N⁺-Emitterbereich und der Ka thodenelektrode gewährleistet ist.

Als eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des Werts des Vor richtungsstroms, der in einem MOSTOT abgeschaltet werden kann, wäre es wünschenswert, langgestreckte N- oder N⁺-Emit terbereiche zu bilden, die sehr eng sind, um dadurch die Zahl der N- oder N⁺-Emitterbereiche in einer Vorrichtung ge gebener Größe zu erhöhen. Dies erhöht die Zahl der Abschalt kanäle, die auf beiden Seiten der N- oder N⁺-Emitterbereiche existieren, wodurch der Wert des Vorrichtungsstroms, der in dem MOSTOT abgeschaltet werden kann, erhöht wird.

Als eine zusätzliche Maßnahme zur Erhöhung des Werts des Vor richtungsstroms, der in einem MOSTOT abgeschaltet werden kann, wäre es wünschenswert, die P-Basisschicht so durchzu führen, daß darin Abschaltstrom (d. h. Löcher) mit einem hochleitfähigen Weg zu in dem darüber liegenden N- oder N⁺- Emitterbereich vorhandenen Abschaltkanälen geleitet wird. Es wäre ferner wünschenswert, dies ohne Herabsetzen der Leit fähigkeit der Abschaltkanäle zu bewirken, ein gegenläufiges Ergebnis, das einträte, wenn der ganze P-Basisbereich in seiner Dotierungsmittelkonzentration erhöht würde, da es schwieriger ist, stark dotiertes Halbleitermaterial zu in vertieren.

MOSTOTs, die in ihrer Struktur komplementär zu dem oben be schriebenen MOSTOT sind, können gebildet werden, in denen P-leitendes Halbleitermaterial anstelle von N-leitendem Halb leitermaterial verwendet wird und umgekehrt. Daher sollte die folgende Erörterung der Erfindung im Hinblick hierauf gelesen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art mit höherem abschaltbarem Strom zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 gehört.

Die N⁺-Hauptemitterteile liefern gute leitende Verbindung zu der Kathodenelektrode, während die schwächer dotierten N- Kanal-Emitterteile einen hohen Wert des Abschaltstroms in die darin enthaltenen Abschaltkanäle leiten.

In einer besonders bevorzugten Form des Thyristors umfaßt der P-Basisbereich eine Schicht erhöhter Leitfähigkeit relativ zur oberen Oberfläche des P-Basisbereichs. Diese Schicht ist hochleitfähig für Löcher und erhöht so den Wert des Lochab schaltstroms vom P-Basisbereich zu den in den N-Kanal-Emit terteilen angeordneten Abschaltkanälen. In diesem Zusammenhang ist aus der EP-OS 00 91 094 ein "Insulated Gate Rectifier" (IGR) bekannt, bei dem zur Erhöhung des Abschaltstroms der zweite Basisbereich unterhalb des Emitterbereichs stärker dotiert ist als der an die notierte Steuerelektrode angrenzende Bereich.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines MOSTOT wird eine P⁺-Halbleiter-Substratmasse vorgelegt, auf der eine erste Schicht aus N⁻-Halbleitermaterial epitaxial auf gewachsen wird. P-leitendes Dotierungsmittel wird in den oberen Teil der ersten N⁻-Epitaxialschicht eingeführt und dann durch epitaxiales Aufwachsen einer zweiten N⁻-Epitaxial schicht über der ersten N⁻-Epitaxialschicht bedeckt. Ein kleinerer Teil des P-leitenden Dotierungsmittels wird ther misch nach oben zur oberen Oberfläche der zweiten Epitaxial schicht getrieben, um einen P-Basisbereich mit einer Schicht erhöhter Leitfähigkeit zu bilden.

In der zweiten Epitaxialschicht wird eine Reihe von N⁺- Hauptemitterteilen, im allgemeinen parallel zueinander, durch Diffusion oder Ionenimplantieren gebildet. Eine isolie rende Schicht wird auf der zweiten Epitaxialschicht gebildet, und eine Anzahl von Steuerelektrodenfingern aus hochschmel zendem Material, im allgemeinen parallel zueinander, wird auf der isolierenden Schicht gebildet. Die Steuerelektroden finger werden als Implantierungsmaske während des Einführens eines jeweiligen N-Kanal-Emitterteils zwischen jedem Paar be nachbarter Steuerelektrodenfinger verwendet. P⁺-Abschaltbe reiche werden sodann in die Wafer eingeführt, jede innerhalb eines jeweiligen N-Kanal-Emitterteils gebildet, wobei die Steuerelektrodenfinger wieder als eine Implantierungsmaske verwendet werden. Die N-Kanal-Emitterteile und die P⁺-Ab schaltteile sind folglich in Deckung mit den Steuerelektroden fingern. Da die Steuerelektrodenfinger sehr nahe beieinander gebildet werden können, können die N-Kanal-Emitterteile sehr eng gemacht werden, was mehr N-Kanalteile für eine Vorrich tung gegebener Größe und damit einen größeren Wert des Stroms ermöglicht, der durch den MOSTOT ausgeschaltet werden kann.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht, teilweise im Schnitt, einen Thyristor gemäß der vorliegenden Erfindung ver anschaulichend;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines alterna tiven N⁺-Emitterbereichs, der in dem Thyristor der Fig. 1 verwendet werden kann, und

Fig. 3A bis 3K zeigen verschiedene Stadien in einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung des Thyristors der Fig. 1 und veranschaulichen besonders die Einzelheiten der Herstel lung zur Erzeugung der Vorrichtungsstruktur der rechten dar gestellten Fläche des Thyristors der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Teil des Thyristors (MOSTOT) 100 gemäß der Erfindung ge zeigt. Der Thyrisistor 100 umfaßt einen stromführenden Bereich 102, allgemein bekannt als der "aktive" Bereich der Vorrichtung, und einen Endbereich 104, nahe dem Rand der Vorrichtung lie gend, der, wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, keinen Strom führt, sondern dazu verwendet wird, das am Rand der Vorrichtung erzeugte elektrische Feld so zu formen, daß die Durchbruchspannung der Vorrichtung erhöht wird.

Der MOSTOT 100 umfaßt eine Wafer aus Halbleitermaterial 106, wie Silicium. Über der Wafer 106 sind Steuerelektroden 108 und 108′ aus hochschmelzendem Material, wie einem Metall silicid oder Polysilicium, das entweder mit P⁻- oder N-lei tendem Dotierungsmittel hoch dotiert ist, um leitfähig zu sein. Die Steuerelektrodenfinger 108 sind im allgemeinen parallel zueinander und untereinander an jeder passenden Stel le (nicht gezeigt) im MOSTOT 100 verbunden. Die Steuerelektro denfinger 108 liegen durch eine Isolierung 110 im Abstand über der Wafer 106. Durch eine Isolierschicht 112 im Abstand über den Steuerelektrodenfingern 108 liegt die Kathoden metallisierung 114, aus Gründen der Veranschaulichung teilwei se entfernt dargestellt. Über der Wafer 106 sowohl im akti ven Bereich 102 als auch im Endbereich 104 liegt die Steuer elektrode 108′, durch die Isolierung 110′ im Abstand über der Wafer 106, die vorzugsweise gleichlaufend mit der entspre chenden Isolierung 110 gebildet ist, vollständig innerhalb des aktiven Bereichs 102 liegend. Die Isolierung 112′ hält die Kathodenmetallisierung 114 im Abstand zum Steuerelektro denfinger 108′ und ist vorzugsweise gleichlaufend mit der entsprechenden Isolierung 112 gebildet, vollständig im akti ven Bereich 102 liegend. Direkt über einer großen Fläche des Steuerelektrodenfingers 108′ (von der nur ein Teil darge stellt ist) ist eine Metallatierung 116 vorgesehen, um elek trischen Kontakt zum externen (nicht dargestellten) Strom kreis herzustellen. Auf der Unterseite der Wafer 106 ist eine Anodenmetallisierung 118, die zusammen mit der Kathoden metallisierung 114 auf dem MOSTOT 100 die stromführenden Hauptelektroden des MOSTOT 100 darstellt.

Innerhalb der Wafer 106 nacheinander angrenzend sind ein P⁺- Emitterbereich 122, N⁻-Basisbereich 124, P-Basisbereich 126, N-Kanal-Emitterteile 128 und P⁺-Abschaltteile 130. Nur ein P- Basisbereich 126 ist in Fig. 1 veranschaulicht, wenngleich MOSTOT 100 mehr als einen P-Basisbereich zusammen mit entspre chenden N-Kanal-Emitterteilen und P⁺-Abschaltbereichen in nerhalb jedes weiteren P-Basisbereichs enthalten kann.

Der P-Basisbereich 126 schließt eine P-Schicht 132 ein, ange ordnet unter N-Kanal-Emitterteilen 128 und eine erhöhte Leit fähigkeit relativ zur oberen Oberfläche des P-Basisbereichs 126 unmittelbar unter der Isolierschicht 110 aufweisend. Das Einschließen der P-Schicht 132 im P-Basisbereich 126 erfüllt zwei erwünschte Ziele. Erstens wird ein verstärkter seitli cher Lochstrom im P-Basisbereich 126 durch die Anwesenheit der hochleitfähigen P-Schicht 132 gefördert, was wiederum zu einem höheren Wert des Abschalt(loch)-Stroms zur Kathode 114 vom P-Basisbereich 126 nach geeigneter Vorspannung der Steuerelektrodenfinger 108 und 108′ führt. Dies erhöht den Wert des Vorrichtungsstroms weiter, der im MOSTOT 100 ausge schaltet werden kann. Zweitens erlaubt es die Herabsetzung der Dotierungsmittelkonzentration der N-Kanal-Emitterteile 128 auf einen Wert vorzugsweise unter etwa (1 oder 2) x 10¹⁷- Dotierungsmittelatome pro cm³ und bevorzugter unter etwa (1 oder 2) x 10¹⁶-Dotierungsmittelatome pro cm³. Daher sind die Abschaltkanäle 134 der N-Kanal-Emitterteile 128 leichter zu invertieren, d. h., mehr mit Löchern als mit Elektronen besie delt zu werden, nach geeigneter Vorspannung der Steuerelek trodenfinger 108 und 108′, die über den Abschaltkanälen 134 in isolierendem Abstand liegen. Da dies den Abschaltlochstrom (nicht dargestellt) erhöht, der zur Kathode 114 von der P- Basis 126 über Abschaltkanäle 134 aufgenommen wird, ergibt sich eine Erhöhung des Werts des Vorrichtungsstroms, der im MOSTOT 100 ausgeschaltet werden kann.

In der gleichen Verarbeitungsstufe (nachfolgend beschrieben), in der der P-Basisbereich 126 gebildet wird, kann ein P- Feldring 136 im Vorrichtungsendbereich 104 gebildet werden. Der P-Feldring 136 schließt eine P-Schicht 138 erhöhter Leit fähigkeit relativ zur oberen Oberfläche des P-Feldrings 136 ein, unmittelbar unter der Isolierschicht 110, und ist so mit im Aufbau ähnlich dem P-Basisbereich 126.

Um den Wert des Stromes zu erhöhen, der im MOSTOT 100 ausge schaltet werden kann, ist es wünschenswert, daß die Steuer elektrodenfinger 108 einen sehr kleinen seitlichen Abstand 140 haben. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, daß die N-Kanal- Emitterteile 128 und P⁺-Abschaltteile 130 in Deckung zu den Steuerelektrodenfingern 108 sind. Eine bevorzugte Methode zur Erzielung der erwünschten Deckung ist nachfolgend be schrieben. Jedes jeweilige N-Kanal-Emitterteil 128 ist in der Wafer 106 zwischen einem jeweiligen Paar benachbarter Steuerelektrodenfinger 108 gelegen, wobei P⁺-Abschaltteile 130 jeweils in einem jeweiligen N-Kanal-Emitterteil 128 ge legen sind.

Außerdem sind in der Wafer 106 N⁺-Hauptemitterteile 142, die im allgemeinen parallel zueinander und quer zu den Steuer elektrodenfingern 108 ausgerichtet sind. N⁺-Hauptemitterbe reiche 142 verbinden P-Kanal-Emitterteile 128 elektrisch mit der Kathodenmetallisierung 114, wenngleich eine solche Me tallisierung 114 aus Gründen der Klarheit der Darstellung teilweise entfernt dargestellt ist. Jedes N⁺-Hauptemitter teil 142 reicht rechts in Fig. 1 weit genug, um das rechteste N-Kanal-Emitterteil 128 zu schneiden. Die seitliche Breite 144 der N⁺-Emitterteile 142 ist vorzugsweise etwa 1 oder 2 µm; eine viel geringere Breite 144 würde das Stromführungs vermögen des MOSTOT 100 beträchtlich herabsetzen, da der Hauptvorrichtungsstrom durch N⁺-Hauptemitterteile 142 fließt. Die Trennung 146 zwischen benachbarten N⁺-Hauptemittertei len 142 sollte wenigstens zehnmal so groß sein wie die Brei te 144. Dies gewährleistet ein hohes Stromausschaltvermögen im MOSTOT 100 durch Schaffen einer großen Länge 146 für Ab schaltkanäle 134 zwischen benachbarten N⁺-Hauptemitterteilen. N⁺-Hauptemitterteile 142 können vorteilhafterweise ohne die Anwendung einer kritischen Ausrichtstufe geschaffen werden, wie nachfolgend im einzelnen erörtert.

Eine alternative Version der N⁺-Hauptemitterteile 142 der Fig. 1 ist in der Detailansicht der Fig. 2 als N⁺-Hauptemit terteil 142′ dargestellt. In der Anordnung der Fig. 2 liegt ein modifiziertes P⁺-Abschaltteil 130′ vollständig über einem Teil des N⁺-Hauptemitterteils 142′. Dies macht es vor teilhafterweise dem P⁺-Abschaltteil 130′ möglich, eine hohe Dotierungsmittelkonzentration zu haben, was es erleichtert, eine leitende Verbindung zwischen dem Teil 130′ und der Ka thodenmetallisierung 114 auszubilden. N⁺-Hauptemitterteil 142′ ist mit der Kathode 114 vermittels eines integralen Be reichs von Teil 142′ (nicht dargestellt), der bis zur oberen Oberfläche der Wafer 106 reicht und an die Kathode 114 an grenzt, elektrisch kurzgeschlossen.

Nun werden in Verbindung mit Fig. 1 Arbeitsweisen zur Herstel lung des N-Hauptemitterteils 142 betrachtet. Diese Teile 142 können vor oder nach der Bildung der Steuerelektrodenfinger 108 gebildet werden; wenn davor, umfaßt jedes N⁺-Hauptemit terteil 142 einen langgestreckten Bereich, der unter einer Reihe von Steuerelektrodenfingern 108 liegt. In diesem Falle werden die Teile 142 vorzugsweise gebildet, indem eine (nicht dargestellte) Maske auf die Peripherie des P-Basisbereichs 126 ausgerichtet wird. Dieses Ausrichten ist nicht kritisch, da ein Toleranzrand zwischen der Peripherie und dem rechtesten N-Kanal-Emitterteil 128 groß, z. B. 10 µm, sein kann. N⁺-Hauptemitterteile 142 werden vorzugsweise durch Dif fusion eingeführt, so lange eine Isolierschicht 110 noch nicht die Wafer 106 bedeckt.

Wo N⁺-Hauptemitterteile 142 gebildet sind, nachdem die Steuerelektrodenfinger 108 gebildet worden sind, umfaßt jedes Teil 142 eine Anzahl von Segmenten, die miteinander entlang ihren Längsachsen (angezeigt durch Pfeil 147 für den rech testen Teil 142) ausgerichtet sind und daß sie zwischen, nicht unter Steuerelektrodenfingern 108 liegen. Dies deshalb, weil die Steuerelektrodenfinger 108 als Dotierungsmasken wäh rend der Einführung der Teile 142 dienen. Ionenimplantation zum Einführen des Teils 142 ist eine geeignete Dotierungs technik, wenn die Isolierschicht 110 zwischen den Steuer elektrodenfingern 108 vorhanden ist; wenn die Isolierschicht 110 vor dem Metallisieren der Vorrichtung entfernt worden ist, ist z. B. Diffusion eine vorzuziehende Technik. Wieder besteht keine Notwendigkeit für eine kritische Ausrichtung des N⁺-Hauptemitterteils 142 zum P-Basisbereich 126 auf grund des breiten Toleranzrandes, wie oben beschrieben. Außerdem besteht keine Notwendigkeit für eine kritische Ausrichtung zu den Steuerelektrodenfingern 108, da die N⁺- Hauptemitterteile 142 nur quer zu solchen Steuerelektro denfingern 108 ausgerichtet sein müssen.

Beim Betrieb vom MOSTOT 100 werden die Steuerelektrodenfin ger 108 und 108′, die an einer oder mehreren (nicht dar gestellten) Stellen untereinander verbunden sind, mit posi tiver Spannung (bezüglich der Kathode 114) vorgespannt, und zwar ausreichend stark, um einen Inversionskanal, für Elektronen leitfähig, im Teil 152 der P-Basis 126 unter den Steuerelektrodenfingern 108′ zu induzieren. So wird ein Stromweg für Elektronen von der Kathode 114 zum N^--Basisbe reich 124 über N⁺-Hauptemitterteile 142, N-Kanal-Emitter teile 128 und den Inversionskanal 152 im P-Basisteil ge schaffen. Die Versorgung des N⁻-Basisbereichs 124 mit Elek tronen auf diese Weise läßt den MOSTOT 100 in einer Weise einschalten, die dem Fachmann auf dem Gebiet klar ist. Um den MOSTOT 100 auszuschalten, werden die Steuerelektroden finger 108 auf eine negative Spannung ausreichender Größe vorgespannt, um Inversionskanäle, die für Löcher leitend sind, in Abschaltkanälen 134 innerhalb der N-Kanal-Emitter teile 128 zu induzieren. Ein Lochstromweg ist so von dem P-Basisbereich 126 zur Kathode 114 über die P-Schicht 132 (für seitliche Lochbewegung im P-Basisbereich 126), Ab schaltkanäle 134 und P⁺-Abschaltteile 130 aufgebaut. Die Aufnahme eines ausreichenden Lochstromwerts vom P-Basis bereich 126 läßt den MOSTOT 100 in einer Weise abschalten, die dem Fachmann auf dem Gebiet klar sein wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung des P-Basisbereichs 126 und P-Feldrings 136 mit P-Schichten 132 bzw. 138 darin wird nun in Verbindung mit den Fig. 3A bis 3K beschrieben. Mit diesen Figuren im Zusammenhang außerdem beschrieben wird ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung von N⁺-Emitterbereichs teilen 128 und P⁺-Abschaltbereichsteilen 130, das zu einem wünschenswert niedrigen Wert für den Abstand 140 (Fig. 1) zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern 108 führt. Die Fig. 3A bis 3K geben die rechte Schnittfläche des in Fig. 1 dargestellten Teils des MOSTOT 100 wieder.

In Fig. 3A ist die Bildung von P-Schichten 132 und 138 ver anschaulicht. Diese Schichten 132 und 138, in Durchsicht ge zeigt, werden in geeigneter Weise durch Diffusion oder Ionenimplantieren dotierender Atome unter Verwendung einer Oxidmaske 300 zur Festlegung der Stelle der Schichten 132 und 138 eingeführt. Zum Zeitpunkt der Einführung dieser Schichten 132 und 138 ist die Wafer 106 erst teilweise ge bildet und umfaßt eine Substratmasse, den P⁺-Emitterbereich 122 darstellend, und eine erste, auf der Substratmasse 122 epitaxial aufgewachsene Schicht 302.

Wie in Fig. 3B veranschaulicht, ist die Oxidmaske 300 ent fernt worden und eine zweite Epitaxialschicht 304 auf der ersten Schicht 302 so aufgewachsen worden, daß die P- Schichten 132 und 138 bedeckt sind.

Wie in Fig. 3C veranschaulicht, werden die P-Schichten 132 und 138 nach Erhitzen abwärts und seitwärts getrieben oder aufwärts diffundieren gelassen, um den P-Basisbereich 126 und P-Feldring 136, in Durchsicht gezeigt, jeweils mit P- Schichten 132 bzw. 138, zu bilden. In Fig. 3C sind der P- Basisbereich 126 und der P-Feldring 136 dargestellt, als ob sie aufwärts zum oberen Ende der Wafer 106 und auch abwärts und seitwärts getrieben worden wären. Diese endgültigen An ordnungen des P-Baisbereichs 126 und P-Feldrings 136 werden typischerweise durch einen oder mehrere aufeinanderfolgende Treibvorgänge erzielt. Der vereinfachten Darstellung wegen jedoch sind die Endkonfigurationen dieser Bereiche veran schaulicht.

Wie sodann in Fig. 3D gezeigt, wird ein dünnes Oxid, typi scherweise etwa 80 nm dick, vorzugsweise durch ther misches Aufwachsen von Siliciumdioxid 110 a auf der Wafer 106 geschaffen. Darauf folgt die Bildung einer Nitridschicht 110 b, vorzugsweise aus Siliciumnitrid, auf der Oxidschicht 110 a. Die Nitridschicht 110 b hat eine typische Dicke von 40 nm um thermischer Oxidation und dem Ätzen durch ein Oxid-Ätzmittel, das in einer späteren Fabrikationsstufe verwendet wird, wie nachfolgend erörtert, zu widerstehen. Die Nitridschicht 110 b könnte jedoch durch eine isolieren de Schicht aus einem anderen Material ersetzt werden, das gegenüber dem thermischen Aufwachsen von Oxid darauf be ständig ist. Eine Steuerelektrodenschicht 108″, vorzugsweise aus Polysilicium, wird auf der Nitridschicht 110 b abgeschie den und dann stark dotiert, vorzugsweise mit einem N-leiten den Dotierungsmittel, zu einer Konzentration von wenigstens etwa 10²⁰ dotierenden Atomen pro cm³ , um leifähig zu werden.

Fig. 3E veranschaulicht die Bemusterung des Polysiliciums 108″ zu langgestreckten Steuerelektrodenfingern 108 und 108′, allgemein parallel zueinander und jeweils mit einem lang gestreckten Teil. Die Steuerelektrodenfinger 108 werden mit einander an einer geeigneten Stelle (nicht dargestellt) im MOSTOT 100 verbunden.

Wie sodann in Fig. 3F gezeigt, werden N-Kanal-Emitterteile 128 in einer Arbeitsweise gebildet, bei der Steuerelektroden finger 108 und 108′ als Dotierungsmasken verwendet werden, während Teile 128 durch Implantation durch die Isolierschicht 110 hindurch in den oberen Teil der Wafer 106 erzeugt werden. N-Kanal-Emitterteile 128 sind der vereinfachten Darstellung halber in ihrer Endkonfiguration gezeigt, wenngleich sie zu nächst viel flacher liegen, bevor sie thermisch an ihre end gültige Stelle während einer nachfolgenden Erhitzungsstufe oder -stufen bei der Fabrikation des MOSTOT 100 getrieben wer den. Wie der Fig. 3F zu entnehmen ist, werden die N-Kanal- Emitterteile 128 zu den Steuerelektrodenfingern 108 in Deckung gebracht und erlauben dadurch einen geringen seitlichen Ab stand 140′ zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern 108.

Wie in Fig. 3G dargestellt, erfolgt nach der Implantation für N-Kanal-Emitterteile 128 eine Implantation für P⁺-Ab schaltteile 130, in Durchsicht dargestellt, wieder unter Verwendung der Steuerelektrodenfinger 108 als Dotierungsmas ke. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung sind die P⁺- Abschaltteile 130 in ihrer Endkonfiguration gezeigt, die nach dem thermischen Treiben des implantierten Dotierungsmittels während einer nachfolgenden Stufe oder Stufen bei der Her stellung des MOSTOT 100 erreicht wird. Mit der Ausrichtung sowohl der N-Kanal-Emitterteile 128 als auch der P⁺-Abschalt teile 130 zu den Steuerelektrodenfingern 108 können diese Bereiche sehr eng gemacht werden, da der Abstand 140 zwi schen benachbarten Steuerelektrodenfingern 108 leicht sehr klein gemacht werden kann. Der Abschaltlochstrom (nicht dar gestellt) im P-Basisbereich 126 hat somit nur einen kurzen Weg zurückzulegen, um die Abschaltkanäle 134 zu erreichen (in den N-Kanal-Emitterteilen 128 unter den Steuerelektroden fingern 108 gelegen), da die Dichte der Abschaltkanäle 134 groß ist.

Als Alternative zum Implantieren der N-Kanal-Emitterteile 128 (Fig. 3F) und P⁺-Abschaltteile 130 (Fig. 3G) könnten diese Teile an späterer Stelle im Herstellungsverfahren des MOSTOT 100 diffundiert werden, wenn die Teile der Isolier schicht 110 zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern 108 entfernt worden sind, z. B. unmittelbar vor der Metalli sierung der oberen Oberfläche des MOSTOT 100 (nachfolgend beschrieben).

Wie in Fig. 3H veranschaulicht, wird ein dickes Oxid 112 auf den Steuerelektrodenfingern 108 thermisch aufgewachsen, um die Steuerelektrodenfinger 108 dielektrisch von der Metalli sierung (nicht dargestellt) zu trennen, die anschließend auf die obere Oberfläche des MOSTOT 100 aufgebracht wird. Das dicke Oxid 112 umfaßt typischerweise eine Schicht thermisch aufgewachsenen Oxids von 300 nm. Sie muß mehrere Male dicker sein als die Oxidschicht 110 a, so daß nur der äußere Teil bei einem sich anschließenden Ätzen entfernt wird, wobei ausgewählte Teile der Oxidschicht 110 vollständig ent fernt werden, wie später erörtert.

Um die Metallisierung die P⁺-Abschaltteile 130 berühren zu lassen, werden zuerst die Teile der Nitridschicht 110 b zwi schen benachbarten Steuerelektrodenfingern entfernt, wie in Fig. 3I veranschaulicht. Jedes geeignete Ätzmittel kann ver wendet werden, das Siliciumnitrid 110 b mit viel größerer Ge schwindigkeit als Oxidschichten 110 a und 112 ätzt, wobei ein geeignetes Ätzmittel heiße Phosphorsäure ist. Zweitens wer den, wie in Fig. 3J veranschaulicht, die Teile der dünnen Oxidschicht 110 a zwischen benachbarten Steuerelektrodenfin gern 108 durch ein leichtes Oxid-Ätzmittel entfernt, dabei nur ein Bruchteil des Oxids 112 auf den Steuerelektrodenfin gern 108 aufgrund der größeren Dicke der Isolierung 112. Auf dem Steuerelektrodenfinger 108′ in Fig. 3J wird sodann der rechte Teil 304 der Isolierschicht 112′ in einer weiteren Bemusterungsstufe entfernt, um elektrischen Zugang zur Steuerelektrode 108′ zu schaffen.

Auf das Entfernen des Teils 304 der Oxidschicht 113 folgt die Stufe der Metallisierung der oberen Oberfläche des MOSTOT 100 wie in Fig. 3K veranschaulicht, wobei die Metallisierung wie dargestellt bemustert wird, um eine Kathodenmetallisie rung 114 zu schaffen, die an P⁺-Abschaltteile 130 angrenzt, und eine separate Steuerelektroden-Anschlußfläche 116, die an den Steuerelektrodenfinger 108′ angrenzt. Eine Metallisierung 118 wird auf die Unterseite der Wafer 106 aufgebracht, um eine Anodenelektrode zu bilden, wobei diese Metallisierung typischerweise nach der Stufe des Aufbringens der Metalli sierung auf die obere Oberfläche des M0ST0T 100 durchgeführt wird.

Die vorstehenden Darlegungen beschreiben einen MOSTOT mit einem nicht-kritisch ausgerichteten N⁺-Hauptemitterbereich. Der MOSTOT umfaßt vorteilhafterweise einen P-Basisbereich mit einer Schicht erhöhter Leitfähigkeit relativ zur oberen Ober fläche des P-Basisbereichs, was es ermöglicht, einen höheren Wert des Vorrichtungsstroms im MOSTOT auszuschalten. Der MOSTOT umfaßt ferner vorteilhafterweise N-Kanal-Emitterteile und P⁺-Abschaltteile, die jeweils vorzugsweise zu den Steuer elektrodenfingern des MOSTOT so ausgerichtet sind, daß sich ein höherer Wert des Vorrichtungsstroms ergibt, der durch den MOSTOT ausgeschaltet werden kann. Außerdem werden Verfah ren zur Herstellung nicht-kritisch ausgerichteter N⁺-Haupt emitterteile in einem MOSTOT, eines P-Basisbereichs mit einer Schicht verstärkter Leitfähigkeit und der Kombination von N- Kanal-Emitterteilen und P⁺-Abschaltteilen, von denen jeweils eines mit einem jeweiligen Steuerelektrodenfingerpaar in Deckung ist, beschrieben.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausfüh rungsformen zu Zwecken der Veranschaulichung beschrieben wor den ist, ergeben sich für den Fachmann viele Abwandlungen und Änderungen. Beispielsweise kann der obenbeschriebene P- Basisbereich mit verstärkter Leitfähigkeit vorteilhafterwei se in andere MOSTOTs eingearbeitet werden.

Dies führt zu einer Erhöhung des maximalen Stroms, der in den jeweiligen MOSTOTs ausgeschaltet werden kann. Außerdem könnten die hier beschriebenen MOSTOTs unter Weglassung der ⁺-Abschaltteile gemäß der Lehre der älteren EP-OS 01 07 773 hergestellt werden.

Claims

1. Thyristor mit Abschaltvermögen mit

a) einer Scheibe (106) aus Halbleitermaterial, die schichtweise übereinan der einen ersten Emitterbereich (122), einen ersten und einen zweiten Basisbereich (124, 126) und einen zweiten Emitterbereich einschließt,
b) einer Anzahl im wesentlichen paralleler Steuerelektrodenfinger (108, 108′) aus hochschmelzendem Material, die über einer Hauptober fläche der Scheibe (106) angeordnet sind, und
c) einer Isolierung (110, 110′), die auf der Scheibe (106) an geordnet ist und die Steuerelektrodenfinger (108, 108′) von der Scheibe im Abstand hält, wobei
d) der zweite Emitterbereich aus mit einer Hauptelektrode (114) verbundenen Hauptemitterteilen (142, 142′) und Abschaltkanäle (134) aufnehmenden Kanalemitterteilen (128) besteht, und
e) die Hauptemitterteile (142, 142′) vom gleichen Leitungstyp wie die Kanalemitterteile (128) sind und eine Dotierungskonzentration aufweisen, die höher ist als die Dotierungskonzentration der Kanalemitterteile (128),

dadurch gekennzeichnet

f) die Kanalemitterteile (128) jeweils im oberen Teil der Scheibe (106) sowohl zwischen einem Paar benachbarter Steuerelektrodenfin ger (108, 108′) angeordnet sind als auch sich seitwärts unter dieses Paar erstrecken, und
g) eine Anzahl im wesentlichen paralleler Hauptemitterteile (142, 142′) in ihren Längsrichtungen quer zu den Steuerelektrodenfingern (108, 108′) orientiert sind, wobei sich die Hauptemitterteile (142, 142′) in die Scheibe derart erstrecken, daß sie die Kanalemitterteile (128) schneiden, und wobei der Abstand (146) zwischen benachbarten Hauptemitterteilen (142, 142′) wenigstens zehnmal so groß ist wie deren Breite (144).

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalemitterteile (128) mit den Steuerelektrodenfin gern (108, 108′) ausgerichtet sind.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jedes Kanalemitterteils (128) ein Abschaltteil (130, 130′) angeordnet ist.

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Hauptemitterteile sich durchgehend unter die Steuerelektrodenfinger (108, 108′) erstreckt.

5. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Hauptemitterteile eine Anzahl separater, in Längsrichtung zueinander ausgerichteter Segmente umfaßt.

6. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Basisbereich (126) eine Schicht (132) einschließt, die unter den Hauptemitterteilen (142) gelegen und von erhöhter Leitfähigkeit relativ zur oberen Oberfläche des zweiten Basisbereichs ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors mit Abschaltvermögen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Vorlegen einer Scheibe aus Halbleitermaterial mit schichtweise übereinander angeordnetem ersten Emitterbereich, ersten und zweiten Basisbereich und Kanal-Emitterteilen,
b) Bilden einer isolierenden Schicht auf der Scheibe,
c) Bilden von Hauptemitterteilen im oberen Teil der Scheibe, die vom gleichen Leitungstyp sind wie die Kanalemitterteile und im wesentlichen parallel zueinander sind, und
d) Bilden einer Anzahl im wesentlichen paralleler Steuerelektrodenfinger aus hochschmelzendem Material auf der isolierenden Schicht, wobei die Steuerelektrodenfinger quer zu den Hauptemitterteilen orientiert sind,
e) wobei sich die Hauptemitterteile derart in die Scheibe erstrecken, daß sie die Kanalemitterteile schneiden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierende Schicht auf der Scheibe gebildet wird, wobei

a) eine erste Schicht aus Oxid auf der Scheibe und
b) eine weitere Isolierschicht über der ersten Oxidschicht, die gegenüber thermischem Oxidaufwachsen beständig ist, gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Isolierschicht über der ersten Oxidschicht durch Bilden einer Nitridschicht gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

a) durch die Oxid- und Nitridschicht Kanalemitterteile implantiert werden, wobei die Steuerelektrodenfinger als Implantationsmaske verwendet werden,
b) eine zweite Oxidschicht über den Steuerelektrodenfingern aufgewachsen wird,
c) die Teile der Nitridschicht zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern selektiv entfernt werden,
d) die Teile der ersten Oxidschicht zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern zur Freilegung der Scheibe zwischen den Steuerelektrodenfingern entfernt werden und
e) Elektrodenmaterial auf die freigelegten Teile der Scheibe zwischen benachbarten Steuerelektrodenfingern aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Halbleitersubstrat eines Leitungstyps, den ersten Emitterbereich darstellend, vorgelegt wird,
b) eine erste Schicht aus Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyps auf dem Substrat epitaxial aufgewachsen wird, wobei der untere Teil der ersten Schicht den ersten Basisbereich darstellt,
c) Dotierungsmittel des einen Leitungstyps in den oberen Teil der ersten Schicht in einem stromführenden Bereich des Thyristors eingeführt wird,
d) eine zweite Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps auf der ersten Schicht epitaxial aufgewachsen wird und
e) das Dotierungsmittel des einen Leitungstyps in den oberen Teil der ersten Schicht aufwärts durch die zweite Schicht zu deren oberer Oberfläche getrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Einführen von Dotierungsmittel des einen Leitungstyps in die erste Schicht in einem Strom führenden Bereich des Thyristors Dotierungsmittel des einen Leitungstyps in die erste Schicht in einen Strom nicht führenden Bereich des Thyristors eingeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen des Dotierungsmittels des einen Leitungstyps durch Diffusion erfolgt.