DE3737790C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Halbleiter-Lei
stungsschaltelement, und insbesondere einen Thyristor
und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Mikroelektronik-Halbleiterbauelemente werden gegenwärtig
bei Steueranwendungen, wie Leistungsschaltern, häufig
verwendet. Zum größten Teil haben Halbleiter-Leistungs
elemente mechanische Relais bei Leistungsschaltanwen
dungen ersetzt. Unter den Halbleiterbauelementen, die für Leistungs
schaltanwendungen Verwendung finden, befinden sich bipolare
Flächen-Transistoren, Sperrschicht-Feldeffekt-Tran
sistoren (JFET), Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
(IGFET) und insbesondere gesteuerte Halbleitergleich
richter, die auch als "Thyristoren" bezeichnet werden.
Die Brauchbarkeit eines Halbleiter-Leistungsschaltele
mentes hängt in erster Linie von den elektrischen
Eigenschaften des Elementes und von den Schaltungs
anforderungen ab. Es kann für das Element nötig sein,
eine bezeichnete minimale Schaltgeschwindigkeit oder
eine Mindest-Sperrspannung aufzuweisen, um in der Schal
tung richtig zu funktionieren. Eine wichtige Überlegung
bei manchen Anwendungen besteht darin, ob das Element
gut mit anderen Elementen zu einer integrierten Schal
tung vereinigt werden kann. Eine integrierte Schaltung
oder ein "IC" ist eine Ansammlung von miteinander
verbundenen passiven und aktiven Schaltelementen, die
auf einem "Chip" aus kristallinem Halbleitermaterial
gebildet wird. Gruppenherstellung und -verarbeitung
erlaubt es, eine große Anzahl identischer Chips mit
geringen Kosten herzustellen, wobei eine Folge von
Dotierungs-, Maskierungs- und Ätztechniken benutzt
wird. Sowohl die Auslegung eines Elementes als auch
seiner Herstellfolge sind wichtig bei der Bestimmung, ob
es zur Integration mit anderen Schaltelementen geeignet
ist.
Leistungsschaltung im Umkreis des Kraftfahrzeuges befaßt
sich allgemein mit niedrigen Spannungen von normaler
weise 10 bis 100 V= bei Strömen von etwa 10 bis 100 A.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen ist es wünschenswert und
erforderlich, einen Schalter zu schaffen, der durch
kleine positive Spannungen und niedrige Ströme gesteuert
werden kann und eine geerdete Kathode besitzt, um mit
der typischen Kraftfahrzeugschaltung verträglich zu
sein. Es ist auch wünschenswert und erforderlich, einen
Leistungsschalter zu schaffen, der einen niedrigen
"Ein-"Widerstand und hohe Stromdichte besitzt, um die
Kosten zu verringern. Thyristoren besitzen viele dieser
Eigenschaften und sind deshalb bei Kraftfahrzeugschal
tungsauslegung interessant.
Allgemein besitzen Thyristoren bestimmte Bereiche, die
zur Schaffung einer Vielschicht-pnpn-Struktur dotiert
sind. Im Einschaltzustand werden Thyristoren durch die
Rückkoppel-Transistorwirkung gekennzeichnet: Im
Betrieb ist die pnpn-Struktur eines Thyristors elek
trisch analog zu einer Kombination aus einem pnp-Tran
sistorteil mit einem npn-Transistorteil. Wenn der Emitter/Basis
übergang der pnp-Struktur in Vorwärtsrichtung
entsprechend vorgespannt ist, wird der
pnp-Transistorteil angeschaltet. Die Transistorteile sind so
angeordnet, daß der pnp-Transistorteil Löcher zur
Injektion in die Basis des npn-Transistorteils schafft über
dessen Emitter/Basisübergang, der ebenfalls in Vorwärts
richtung vorgespannt ist. Der durch die Wirkung des
pnp-Transistorteils geschaffene Löcherstrom ergibt eine
Basisansteuerung für den npn-Transistorteil, so daß der
npn-Transistorteil angeschaltet wird. Wenn die Summe der
Stromverstärkungsfaktoren alpha der beiden Transistorteile
die Größe 1 übersteigt, tritt Rückkopplungs-Durchschal
ten auf, und der Thyristor ist im Einschaltzustand
"verriegelt". Bei einem gategesteuerten
Thyristor wird das Einschalten durch die Wirkung von
einer isolierten Gatestruktur oder mehreren solchen
Strukturen eingeleitet.
In der EP-A-1 64 867 und den US-A-46 30 092 und 46 36 830
der gleichen Anmelderin werden neuartige Vertikal
thyristoren mit mehreren isolierten Gate-Elektroden
beschrieben, welche die Thyristoren an- und abschalten.
Nur nebenbei angedeutet sind auch solche Thyristoren mit
Queraufbau. Diese vertikalen Doppel
gate-Thyristoren sind besonders für elektrisches
Schalten bei Kraftfahrzeuganwendungen geeignet. Dabei
wird das Abschalten leichter dadurch erzielt, daß
ein Sperrschicht-Feldeffekt-"Abschnürwiderstand" den Strom
fluß beschränkt und dadurch das Abschalten beschleunigt.
Jedoch kann bei manchen Anwendungen ein Vertikal-Doppel
gate-Thyristoraufbau weniger wünschenswert als ein
Queraufbau zur Integration mit anderen Schaltelementen
sein. Allgemein erfordert die Integration von Steuer-
und Logikelementen mit einem Vertikal-Doppelgate-
Thyristoraufbau, daß diese Schaltelemente in Abschnitten
des Thyristorkörpers ausgebildet werden. Im Betrieb hat
jedoch der Thyristorkörper immer irgendein elektrisches
Potential, d. h. sowohl im Vorwärts-Sperrzustand als auch
im Vorwärts-Leitzustand sind Abschnitte des Thyristor
körpers elektrisch geladen. Wenn deshalb andere
Schaltelemente wie Logik- und Steuerstrukturen in dem
Thyristorkörper ausgebildet werden, müssen diese
vorhandenen Ladungen in Betracht gezogen werden. Demzu
folge ist es wünschenswert, einen Doppelgate-Thyristor
zu schaffen, der elektrisch in einer Halbleiterschicht
so isoliert ist, daß er mit Logik- und Steuerstrukturen
integriert werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Halbleiter-
Leistungsschalt-Bauelement zu schaffen, das zur Bildung
integrierter Schaltungen mit Logik- und Steuerkreisen geeig
net und durch ein isoliertes Gate ein- und ein weiteres
isoliertes Gate ausschaltbar ist, sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Bauelementes zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Halbleiter-Leistungs
schaltelement nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Her
stellung eines solchen Schaltelementes nach Anspruch 15.
Durch diese Erfindung wird ein Doppelgate-Thyristor mit
niedrigen spezifischen Einschalt-Widerstandscharakte
ristiken aus bipolaren rückkoppelnd schaltenden Elementen
geschaffen, der elektrisch isoliert in einem Halbleiter
körper vorhanden ist, und die Erfindung schafft auch ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Thyristors.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Thyristor zur
Integrierung mit Steuer- und Logikkreisen, der
eine isolierte Gatestruktur zum Einschalten des
Thyristors und eine andere isolierte Gatestruktur zum
Abschalten des Thyristors aufweist, wobei das Abschalten
teilweise durch Erhöhen des elektrischen Widerstandes
zugeordneter Bereiche zum Begrenzen des Stromflusses
erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Thyristor geschaffen, der durch
eine eingebettete Dielektrikumschicht von der Halbleiter
schicht isoliert ist, in der er sich befindet. Die
vorliegende Erfindung ergibt eine in Querrichtung, d. h.
nicht in der Tiefe, sondern in der Fläche eines
Halbleiterkörpers angeordnete Thyristorstruktur mit
aneinander angrenzenden Materialbereichen, die ein Gate
zum Einschalten bilden, das ein Teil einer ersten
isolierten Gate-Feldeffekt-Transistorstruktur ist, und
ein anderes Gate zum Abschalten, das ein Teil einer
zweiten isolierten Gate-Feldeffekt-Transistorstruktur
ist. Der Thyristor enthält weiter strombegrenzende
Abschnitte, durch die der Stromfluß zwischen einander
gegenüberliegenden Verarmungsbereichen begrenzt wird, um
vertikale und seitliche Einschnürwiderstände zu erzeu
gen, die das Abschalten des Thyristors beschleunigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellver
fahren für einen Quer-Doppelgate-Thyristor
wird ein Bereich elektrisch
isolierten Halbleitermateriales aus einem Halbleiter
substrat dadurch gebildet, daß Nuten in eine Oberfläche
des Substrates eingeätzt und eine Schicht aus n+-Halblei
termaterial gebildet wird, die die Substratoberfläche
und die Nutseitenwände überdeckt. Diese n+-Schicht wird
daraufhin eingebettet. Eine Polysilizium
schicht wird auf der n+-Schicht ausgebildet und
oxidiert, um eine Dielektrikum-Schicht zu bilden. Nach
Abscheiden einer dicken Schicht aus Polysilizium über
der mit Nuten versehenen Fläche, welche die Nuten vollständig
ausfüllt, wird die Oberfläche des Substrates, die der
genuteten Oberfläche gegenüberliegt, so lange poliert,
bis die Gipfel der Nuten unter der einge
betteten n+-Schicht entfernt sind. Dadurch wird eine
Anordnung aus dielektrisch isolierten Halbleitermate
rialbereichen gebildet. In mindestens einem dieser
Bereiche oder Inseln wird ein zentral angeordneter p-Be
reich ausgebildet. Ein in Querrichtung umschließender
Ring aus n+-Material wird um diesen p-Bereich herge
stellt, gleichzeitig mit mindestens einem n+-Streifen,
der elektrisch den n+-Ring mit der eingebetteten
n+-Schicht verbindet. Eine Kathode aus n+-Halbleiter
material die zentral in dem p-Bereich angeordnet ist,
wird während des Ausbildens des n+-Ringes geschaffen,
oder kann wahlweise auch in einem später folgenden
Schritt hergestellt werden. Zwei konzentrische p-Berei
che werden dann gebildet, von denen einer als Anode und
der andere als Kanal für den IGFET dient, der zum
Abschalten des Thyristors benutzt wird. Ein Kontaktbe
reich mit niedrigem elektrischen Widerstand wird in der
Anode ausgebildet, und dann wird ein n+-Bereich, der als
Drain des Abschalt-IGFET dient, vollständig
in dem anderen konzentrischen p-Bereich ausgebildet. Als
nächstes wird eine Dielektrikum-Schicht an der Ober
fläche des nun dotierten elektrisch isolierten Bereiches
ausgebildet, und eine Polysiliziumschicht über dem
Dielektrikum gebildet. Das Polysilizium ist stark durch
eine Deckdiffusions von Donatorzusätzen dotiert. Der
Thyristor wird dann strukturiert und metalli
siert, um eine erste Reihe von isolierten Gates zu bil
den, die kapazitiv die Kathode und den Ring zum Einschal
ten des Thyristors verbinden, und eine zweite Reihe von
Gates, die zum Abschalten des Thyristors durch kapazi
tives Verbinden des Ringes mit dem Drain des Abschalt-
IGFET benutzt werden. Der vollständige Transistor wird
dann mit einer Schicht aus Phosphorsilikatglas bedeckt,
in der Kontaktfenster entsprechend geöffnet und
metallisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der
Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Aus
führung eines Halbleiter-Leistungsschalt
elementes in Form eines Quer-Doppelgate-
Thyristors in einer
Zwischenstufe der Herstellung, geschnitten
nach Linie 1-1 der Fig. 2,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Transistor aus
Fig. 1, gesehen nach Linie 2-2 der Fig. 1
in Pfeilrichtung,
Fig. 3 eine Draufsicht einer Abwandlung des Tran
sistors aus Fig. 1 und 2 in einem Zwischen-
Herstellzustand, und
Fig. 4 ein elektrisches Schaltschema des erfindungs
gemäßen Thyristors.
Ein Thyristor nach Fig. 1 und 2
besteht aus einem Polysiliziumsubstrat 20, durch das
sich teilweise eine eingebettete dielektrische Schicht
22 erstreckt. Die eingebettete dielektrische Schicht 22
bestimmt einen elektrisch isolierten Bereich, durch den
eine elektrisch isolierte Thyristorzelle 24 definiert
wird. Durch elektrisches Isolieren des erfindungsgemäßen
Thyristors gegenüber dem umgebenden Material wird die
Integration desselben mit anderen Bauelementen, wie
Steuer- und Logikelementen, in einem einzigen Chip
ermöglicht. Wie später eingehend erklärt wird, können
viele elektrisch isolierte Thyristorzellen 24 gleich
zeitig hergestellt werden, so daß Steuer- und Logik
elemente zusammen mit Thyristoren in
einer einzigen Schicht aufgebaut werden können.
Über der eingebetteten dielektrischen Schicht 22
befindet sich eine Schicht hochdotierten Halbleiter
materials, das eine eingebettete Schicht 26 mit
niedrigem Widerstand bildet. die elektrisch isolierte
Thyristorzelle 24 enthält weiter einen Thyristorkörper
28, der aus Halbleitermaterial des gleichen Leitungstyps
wie die eingebettete Schicht 26 mit niedrigem Widerstand
gebildet ist, jedoch einen höheren elektrischen
Widerstand aufweist, z. B. n--Material bei einem
Bauelement mit einer eingebetteten n+-Schicht 26 von
niedrigem Widerstand. Der Thyristorkörper 28 besitzt
einen eingeschlossenen Bereich 29 mit dem gleichen
Leitungstyp und gleicher Dotierungsdichte wie der
Thyristorkörper 28. Wie bei allen für diese Verwendung
geeigneten Materialien müssen die Halbleiterschichten
einen Reinheitsgrad aufweisen, der für Mikroelektro
nik-Bauelemente geeignet ist.
In der Mitte in der Oberfläche des Thyristorkörpers 28
befindet sich eine Insel 30 aus Halbleitermaterial mit
einem Kanalabschnitt 31. Die Insel 30 und der Kanal
abschnitt 31 sind aus Halbleitermaterial gebildet mit
einem Leitungstyp, der dem des Thyristorkörpers 28
entgegengesetzt ist, z. B. p-Material bei einem Bauele
ment mit einem n-Thyristorkörper 28. Die Insel 30 liegt
vollständig im Umfang des Thyristorkörpers 28 und
erstreckt sich nach unten zu der eingebetteten Schicht
26 mit niedrigem Widerstand hin, hält jedoch Abstand von
dieser. Die Insel 30 wird durch einen Ring 32 aus stark
dotiertem Halbleitermaterial umgeben, der sich in
Querrichtung nach außen, teilweise in den Thyristor
körper 28 und in Querrichtung nach innen, teilweise bis
in die Insel 30 hinein erstreckt, wie am besten aus Fig.
1 zu ersehen ist. Die Tiefe des Ringes 32 bestimmt den
Anteil der Insel 30, bei dem ein Quer-Einschnürungs
widerstand (lateral pinch resistance) auftritt, und
dieser wird als der Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 34
bezeichnet. Der Ring 32 ist aus Halbleitermaterial vom
gleichen Leitungstyp wie die eingebettete Schicht 26
mit niedrigem Widerstand gebildet, und seine Tiefe
bestimmt zusammen mit anderen Faktoren die Sperrspannung
und die Abschalteigenschaften des Thyristors.
Wie Fig. 2 zeigt, ist der Ring 32 mit der eingebetteten
Schicht 26 niedrigen Widerstandes durch Streifen 36 aus
Material mit niedrigem Widerstand mit dem gleichen
Leitungstyp wie der Ring 32 und die eingebettete Schicht
26 niedrigen Widerstandes verbunden, in diesem Fall vom
n+-Typ. Die Streifen 36 erstrecken sich seitlich längs
der Oberfläche des Thyristorkörpers 28 und verbinden den
Ring 32 elektrisch mit der eingebetteten Schicht 26
niedrigen Widerstandes. Die Verbindung zwischen diesen
drei Strukturen, d. h. der eingebetteten Schicht 26
niedrigen Widerstandes, des Ringes 32 und der Streifen
36 bildet eine einheitliche Struktur 37 niedrigen Wider
standes, die bei der vorliegenden Erfindung elektrisch
"schwimmt", d. h. sie besitzt keinen direkten Klemmenan
schluß und "schwimmt" entsprechend den an benachbarten
Bereichen anliegenden elektrischen Potentialen. Dieses
Verhalten wird in dieser Anmeldung sonst als "elektrisch erdfrei"
bezeichnet.
Innerhalb der Insel 30 ist zentral ein kleinerer
flacherer Bereich aus Halbleitermaterial mit einem dem
der Insel 30 entgegengestzten Leitungstyp angeordnet,
die eine Thyristorkathode 38 bestimmt. In Fig. 1 ist die
Thyristorkathode 38 als einzelner, vollständig innerhalb
der Insel 30 angeordneter Bereich gezeigt. Der metallur
gische, an der Verbindungsfläche der Thyristorkathode 38
und der Insel 30 ausgebildete Übergang ist ein
pn-Übergang, der mit J1 bezeichnet ist.
Bei einer in Fig. 3 dargestellten anderen Ausführung ist
die Thyristorkathode 38 als eine Reihe von rechteckigen
Streifen 38a ausgelegt. Das Unterteilen der Thyristor
kathode 38 in verschiedene getrennte Abschnitte erhöht
ihre Injektionswirksamkeit, da die Länge der Emittergrenze sehr
vergrößert ist. So kann durch Ausbilden einer Anordnung
aus Thyristorkathoden und paralleles Verbinden derselben
durch Metallisierung eine lange Emittergrenze unter
Benutzung von sehr wenig Silizium erzielt werden.
Dadurch wird, wie gezeigt wird, gegebenenfalls ein
größerer Parallelwiderstand zugelassen und es wird auch
das die Injektionswirksamkeit störende Verzerren der
Feldlinien reduziert. Die Verbindungsfläche der Insel 30
mit dem Thyristorkörper 28 und dem Ring 32 bildet einen
einzigen kontinuierlichen pn-Übergang J2, wie in Fig. 1
dargestellt.
Wie vorher festgestellt, umgibt der Ring 32 den
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 34 der Insel 30. Ein
seitlicher Verarmungsbereich, der an der Verbindung des
Ringes 32 mit der Insel 30 erzeugt wird, begrenzt die
Strömung des Löcherstromes durch den Stromfluß-Begren
zungsabschnitt 34, und dieser Quer-Einschnürwiderstand
bildet einen Teil des Abschaltmechanismus des
Thyristors. Der strombegrenzende Verarmungs
bereich erstreckt sich vom Innenumfang des Ringes 32 in
Querrichtung in den Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 34
hinein. Wenn der Thyristor sich im Vorwärts-Leitzustand
befindet, muß der Löcherstrom durch den Stromfluß-Begren
zungsabschnitt 34 fließen, um die Thyristorkathode 38 zu
erreichen. Damit kann der Strom in dem Stromfluß-Begren
zungsabschnitt 34 dadurch abgeschnürt werden, daß seine
Löcherkonzentration durch den Ring 32 verarmt wird.
Zusätzlich zu diesem Quer-Einschnürwiderstand wird ein
Abschalten des Thyristors weiter durch Begrenzen des
Stromflusses durch einen zweiten Stromfluß-Begrenzungs
abschnitt 40 erzielt, der im Thyristorkörper 28 zwischen
der Insel 30 und der eingebetteten Schicht 26 niedrigen
Widerstandes gelegen ist. Wie eingehender noch erklärt
wird, wird der Stromfluß durch den zweiten stromfluß
begrenzenden Abschnitt 40 durch einen vertikalen Ein
schnürwiderstand begrenzt, der zwischen entgegengesetz
ten Feldern während des Abschaltens erzeugt wird. Das
erste dieser vertikalen Felder entsteht an dem Übergang
J2. Das zweite Feld wird am Übergang zwischen der
eingebetteten Schicht 26 niedrigen Widerstandes und dem
Thyristorkörper 28 erzeugt. Wenn der Thyristor im
Vorwärtsleitzustand betrieben wird, ist der Thyristor
körper 28 hoch mit Löchern und Elektroden moduliert.
Während des Abschaltens wird ein strombegrenzender
Feldeffekt an der Verbindungsfläche dieses hochausgesteuer
ten Bereiches (Thyristorkörper 28) mit der eingebetteten
Schicht 26 niedrigen Widerstandes wiederum durch Verar
mung der Löcherkonzentration erzeugt.
In der Nähe des Umfangs des Thyristorkörpers 28 befindet
sich eine Anode 42, die, wie in Fig. 2 gezeigt, aus zwei
allgemein U-förmigen Bereichen besteht, die jeweils
bezüglich der Insel 30 einander gegenüberliegen.
Grundsätzlich kann die Anode 42 ein Ring aus
dem Material sein, das den Bereich 30 umgibt, jedoch ist in
der vorliegenden Ausführung
die Anode 42 durch die Streifen 36 in zwei Hälften
geteilt, deren Enden durch die Streifen 36
getrennt sind. Wie in Fig. 1 zu sehen, ist die Anode 42 in
der Oberfläche des Thyristorkörpers 28 angeordnet und
besitzt einen Leitungstyp, der dem des Thyristorkörpers
28 entgegengesetzt ist, in diesem Fall p-Typ. Ein
kleiner, flacher eingeschlossener Bereich 44 von
Material niedrigen Widerstandes ist in der Anode 42
angeordnet, um einen Kontakt mit niedrigem Übergangs
widerstand zwischen der Anode 42 und der aufzubringenden
Kontakt-Metallisierung besser zu gewährleisten. In
diesem Beispiel sind die Anode 42 und der eingeschlos
sene Bereich 44 aus p-Material. Der metallurgische
Übergang an der Verbindungsfläche der Anode 42 mit dem
Thyristorkörper 28 wird als J3 bezeichnet.
Eine ähnliche Form wie die Anode 42 besitzt der
Anoden-IGFET-Kanal 45 mit einem integralen Abschnitt 46
an der Oberfläche des Thyristorkörpers 28. Wie Fig. 2
zeigt, besteht der Anoden-IGFET-Kanal 45 aus zwei
U-förmigen Abschnitten aus Halbleitermaterial, die in
der Oberfläche des Thyristorkörpers 28 zwischen Anode 42
und Ring 32, jeweils mit Abstand von jedem dieser
beiden, angeordnet sind. Der Anoden-IGFET-Kanal 45
bildet einen pn-Übergang 47 mit dem Thyristorkörper 28.
Die Enden jedes Abschnittes des Anoden-IGFET-Kanals 45
besitzen, ähnlich der Anordnung der Anode 42, einen
bestimmten Abstand von den Streifen 36. Der Anoden-
IGFET-Kanal 45 ist aus Halbleitermaterial mit einem
Leitungstyp gebildet, der dem des Thyristorkörpers 28
entgegengesetzt ist. Wie in Fig. 1 dargestellt,
erstreckt sich der Anoden-IGFET-Kanal 45 teilweise bis
in den Thyristorkörper 28 hinein nach unten. Ganz in dem
Anoden-IGFET-Kanal 45 ist ein Anoden-IGFET-
Drain 48 angeordnet, der die gleiche Form wie der
Anoden-IGFET-Kanal 45 besitzt. Der Anoden-IGFET-Drain 48
ist aus Halbleitermaterial gebildet, das den gleichen
Leitfähigkeitstyp wie der Thyristorkörper 28 besitzt,
jedoch höher dotiert.
Eine Schicht aus Siliziumdioxid 50 (in Fig. 2 und 3
nicht gezeigt) ist über die gesamte elektrisch isolierte
Thyristorzelle 24 gelegt. Die unterschiedlichen
Strukturen sind durch in der Siliziumdioxidschicht 50
und in darauffolgenden Schichten geöffneten Kontakt
durchbrüchen zugänglich. Weiter dient die Silizium
dioxidschicht 50 als Isolierschicht für die Thyristor-
IGFET-Strukturen. Eine Elektrodenschicht 51 (in Fig. 2
und 3 nicht gezeigt), hier aus Polysilizium, liegt über
der Siliziumdioxidschicht 50. Der Anteil der Elektro
denschicht 51, der zwischen dem Innenumfang des Ringes
32 und dem Außenumfang der Thyristorkathode 38 liegt,
bildet ein Gate 52, das zum Zünden des
Thyristors benutzt wird.
Über der Siliziumdioxidschicht 50 sitzt
zwischen dem Anoden-IGFET-Drain 48 und dem Außenumfang
des Ringes 32 ein weiteres Gate 54,
das zum Abschalten des Thyristors
benutzt wird. Die Gate-Elektroden 52 und 54 sollten gut
mit den Bereichen ausgerichtet sein, mit denen sie
während des Betriebs kapazitiv Verbindung schaffen. Eine
Feldplatte 56 ist vorgesehen, die die Siliziumdioxid
schicht 50 zwischen der Anode 42 und der Anoden-IGFET-
Senke 48 überdeckt. Die Feldplatte 56 hilft dabei, einen durch
übermäßige Feldkonzentration verursachten Spannungs
zusammenbruch zu verhindern.
Die Oberfläche der elektrisch isolierten Thyristorzelle
24 mit den überdeckenden Siliziumdioxidschichten 50 und
der Elektrodenschicht 51 wird durch eine (nicht darge
stellte) Phosphorsilikat-Glasschicht überdeckt, in
welcher zum Zugriff zu den Bauelement-Strukturen Kontakt
fenster vorgesehen sind. Eine (nicht dargestellte)
Metallisierungsschicht ist so aufgebracht und ausgestal
tet, daß sich separate Metallkontakte für die
Thyristorkathode 38, die Anode 42, das Gate 52
und das Gate 54 ergeben. Damit erweist sich
diese Ausführung der vorliegenden Erfindung als ein
4-Klemmenbauelement, wobei die Anode 42 mit dem
Anoden-IGFET-Drain 48 verbunden ist. Bei typischen
Kraftfahrzeuganwendungen wird die Thyristorkathode 38
geerdet.
Anhand von Fig. 1 und 2, und insbesondere von Fig. 4,
die allgemein eine schematische Darstellung der
vorliegenden Erfindung ergibt, ist zu sehen, daß der
Thyristor (vom Quer-Doppellasttyp) einen pnp-Transistor
58 schafft, bei dem die Anode 42 als pnp-Emitter, die
Insel 30 als Kollektor und der einheitliche Aufbau 37
niedrigen Widerstandes zusammen mit dem Thyristorkörper
28 als pnp-Basis wirkt. Weiter ist ein pnp-Transistor 60
geschaffen, der so angesehen werden kann, daß die
Thyristorkathode 38 der Emitter, die Insel 30 die Basis
und der einheitliche Aufbau 37 niedrigen Widerstandes
zusammen mit dem Thyristorkörper 28 der virtuelle
Kollektor ist. Der Kollektor ist "virtuell", da er nicht
direkt mit einer Klemme verbunden ist. Deshalb ist zu
erkennen, daß die Übergänge J2 und J3 den pnp-Transistor
58, und die Übergänge J1 und J2 den npn-Transistor 60
bilden. Es ist auch ein Nebenschlußwiderstand RN
vorgesehen, der durch den Innenwiderstand der Insel 30
zwischen der Thyristorkathode 38 und dem Ring 32 gebildet
ist. RN besitzt einen Wert, der auf die Eigenschaften
des Zünd-IGFET bezogen ist, der durch Bezugszeichen 64
in Fig. 4 dargestellt ist. In gleicher Weise ist der
Thyristor-Abschalt-IGFET in Fig. 4 mit Bezugszeichen 66
bezeichnet. Die Wirkung des Ringes 32 bei der Begrenzung
des Stromflusses durch den Stromfluß-Begrenzungsab
schnitt 34 durch Erzeugung eines Übergangs-Feldeffektes
während der Bauelement-Abschaltung wird in Fig. 4
schematisch als JFET 68 bezeichnet, was den inneren
Vertikal-Einschnürungswiderstand des Thyristors
bezeichnet. Wie dargestellt, ist die Thyristorkathode 38
geerdet bzw. an Masse gelegt und jeder IGFET 64 (Zünd-)
und 66 (Abschalt-) sind an einer positiven Spannungs
quelle angeschlossen, wie es bei Kraftfahrzeuganwen
dungen der Fall ist. Der Zünd-IGFET 64 liegt elektrisch
parallel zum npn-Transistor 60. Der Abschalt-IGFET 66
liegt elektrisch parallel zum pnp-Transistor 58.
Der Zünd-IGFET 64 und der Abschalt-IGFET 66 sind die
Gates des erfindungsgemäßen Thyristors.
Obwohl Thyristoren bekannt sind, bei denen das Zünden
des Gerätes durch einen isolierten Gateaufbau gesteuert
wird, ist bei dem erfindungsgemäßen Thyristor nicht
erforderlich, die Stromdichte zu vermindern, um
ein Abschalten des Gerätes zu bewirken. Das Abschalten
wird durch den Abschalt-IGFET 66 teilweise durch Quer-
und Vertikal-Einschnürwiderstände erzielt, die in dem
Stromfluß-Begrenzungsabschnitten 34 bzw. 40 erzeugt
werden.
Im Betrieb wird die Anode 42 am eingeschlossenen Bereich
44 mit einer Quelle positiven elektrischen Potentials
gegenüber der Thyristorkathode 38 verbunden, die bei
Kraftfahrzeuganwendungen auf Masse liegt. Das Zünden des
Thyristors wird dann durch den Zünd-IGFET 64 erzielt.
Nach Fig. 1 enthält der Zünd-IGFET 64 die Thyristor
kathode 38 als Source-Bereich, den Ring 32 als
Drain- und den Kanalabschnitt 31 der Insel 30 als
IFGET-Kanal. So ist in dieser Ausführung der Erfindung
die Insel 30 aus p-Material gebildet, und sowohl die
Thyristorkathode 38 als auch der Ring 32 sind n-Material,
so daß der Zünd-IGFET 64 ein n-Kanal-Bauelement ist. In
gleicher Weise ist der Abschalt-IGFET 66 ein n-Kanal-
Bauelement, das den Anoden-IGFET-Drain 48, den
Anoden-IGFET-Kanal 45 und einen Sourcebereich besitzt,
der aus dem Thyristorkörper 28 und dem einheitlichen
Aufbau 37 niedrigen Widerstandes besteht. Die Elek
trode 52 bildet das Gate für den Zünd-
IGFET 64 und die Elektrode 54 bildet das Gate
für den Abschalt-IGFET 66. Deshalb enthält der
Thyristor in dieser Ausführung zwei n-Kanal-IGFETs, von
denen einer zum Zünden und der andere zum Abschalten des
Bauelementes dient.
Die vorliegende Erfindung ist im Vorwärts-Sperr
zustand, wenn beide Gate-Elektroden 52 und 54 an
Spannung Null liegen. Zum Zünden des Thyristors wird eine
positive Spannung an die Elektrode 52 angelegt, um den
Zünd-IGFET 64 zu aktivieren. Dadurch wird eine Inversionsschicht im
Kanalabschnitt 31 der Insel 30 erzeugt, die
elektrisch die Thyristorkathode 38 mit dem Ring 32
verbindet. Der einheitliche Aufbau 37 niedrigen Wider
standes läuft so auf Kathodenpotential. Da die Anode 42
sich bei einem höheren Potential als die Thyristorkathode
38 befindet, die bei diesem Ausführungsbeispiel an Masse
liegt, strömen Elektroden von der Thyristorkathode 38 zu
dem einheitlichen Aufbau 37 niedrigen Widerstandes und
dann durch den Thyristorkörper 28 zur Anode 42. Das
elektrische Potential des einheitlichen Aufbaus 37
niedrigen Widerstandes und des Thyristorkörpers 28
wird abgesenkt und der Emitter/Basis-Übergang J3 des
pnp-Transistors 58 in Vorwärtsrichtung vorgespannt,
so daß der pnp-Transistor 58 eingeschaltet wird. Dadurch
ergeben sich Löcher zur Injektion über den Emitter/
Basis-Übergang J1 in die Insel 30, die als die Basis des
npn-Transistors 60 dient. Der Übergang J1 ist bereits in
Vorwärtsspannung, und dieser Zustrom von Löcherstrom
ergibt eine Basisansteuerung für den npn-Transistor 60, die
ihn einzuschalten trachtet. Man bemerke, daß der
Spannungsabfall über dem Nebenschlußwiderstand RN es
zuläßt, daß npn-Transistor 60 und Übergang J1 vorwärts
gespannt sind. Wenn der Strom zunimmt, steigt der Strom
verstärkungsfaktor alpha des pnp-Transistors 58 und des
npn-Transistors 60. Das Rückkopplungs-Schalten in einem
Zustand niedriger Spannung bei hohem Strom tritt bekanntlich auf, wenn
die Summe der beiden alpha-Werte eins
übersteigt. Der pnp-Transistor 58 und der npn-Transistor
60 sind dann durchgeschaltet oder verriegelt. Die an der
Tor-Elektrode 52 anliegende Spannung kann unterbrochen
werden, jedoch bleibt die Wirkung
erhalten. Der Widerstand des Thyristorkörpers 28 fällt
während des Durchschaltens infolge der hohen
Konzentration von Elektronen und Löchern beträchtlich
ab, wodurch die hohe Strom-Übertragungsfähigkeit des
Thyristors entsteht. Eine Anzahl von Faktoren beeinflußt
die Thyristor-Zündzeit, wozu die Geometrie des
Zünd-IGFET 64, die Bauteiltemperatur ebenso wie die
Amplitude und Anstiegszeit der Gatespannung und des
-Stromes gehören.
Es ist so ersichtlich, daß der Thyristor nicht dadurch
abgeschaltet werden kann, daß einfach die Gatespannung
am Zünd-IGFET 64 weggenommen wird. Sobald er durchge
schaltet hat, bleibt der Schaltzustand
unabhängig von dem positiven Gatepotential am Zünd-IGFET
64 erhalten. Ohne weiteren elektrischen Eingriff wird der
Leitzustand anhalten, solange die Anoden/Kathoden-Span
nungsdifferenz groß genug ist, eine Injektion über den
Emitter/Basis-Übergang des pnp-Transistors 58 und/oder
des npn-Trasistors 60 zu erzeugen. Während einige
übliche Thyristoren das Anlegen eines negativen Poten
tials an einem Steuergate erfordern, um
den Thyristors abzuschalten kann eine Thyristorabschal
tung bei der vorliegenden Bauart ohne Vermindern der
Anoden/Kathoden-Potentialdifferenz und ohne Anlegen einer
negativen Vorspannung an ein Steuergate erzielt werden.
Bei dem vorliegenden Thyristor kann ein Abschalten
dadurch herbeigeführt werden, daß eine positive Spannung
an die Gate-Elektrode 54 angelegt wird.
Das Abschalten wird auf folgende Weise erzielt: Zunächst
wird die positive Spannung an der Gate-Elektrode 52
unterbrochen, so daß der Elektronenstrom durch den
Kanalabschnitt 31 der Insel 30 aufhört, wodurch der
Abschalt-IGFET 66 wirksam abgeschaltet wird. Dann wird
der Zünd-IGFET 64 eingeschaltet durch Anlegen einer
positiven Spannung an die Gate-Elektrode 54. Wie
festgestellt, ist der Abschalt-IGFET 66 das Abschalt-
Steuergate. Durch Anlegen einer positiven Spannung, die
höher als der Kanal-Schwellwert ist, an die Gate-Elektrode
54 wird eine Inversionsschicht in dem integralen
Abschnitt 46 des Anoden-IGFET-Kanals 45 erzeugt, und in
gleicher Weise wird der Kanalabschnitt 29 des Thyristor
körpers 28 stark leitend gemacht. Dieser n-leitende
Kanal verbindet elektrisch die Anoden-IGFET-Senke 48 mit
dem Ring 32.
Es ist darauf hinzuweisen, daß, während ein Thyristor
allgemein als ein Vier-Klemmen-Gerät bezeichnet wird,
d. h. getrennte elektrische Kontakte nur vorgesehen sind
für die Anode 42, die Thyristorkathode 38, die Gate-Elek
trode 52 und die Gate-Elektrode 54, der Anoden-IGFET-
Drain 48 einfach mit der Anode 42 kurzgeschlossen ist, um
eine bequeme positive Spannungsquelle zu schaffen. Es
ist jedoch vorteilhaft, einen getrennten elektrischen
Kontakt für den Anoden-IGFET-Drain 48 zu schaffen, die
dann als VDD bezeichnet werden kann, statt sie mit der Anode
42 kurzzuschließen. Das kann bei manchen Anwendungen
Vorteile bringen. Beispielsweise kann ein separater
Kontakt zum Anoden-IGFET-Drain 48 vorteilhaft sein, um
die Größe der Steuerspannung zu reduzieren, die für
schnelles Abschalten nötig ist. Falls die Anodenspannung
80 V beträgt, kann ein VDD-Potential von etwa 5 bis 15 V
benutzt werden, wobei eine Spannung von nur 5 bis 15 V
an der Gate-Elektrode 54 den Thyristor abschaltet. Das
ist weniger als die Spannung, die an der Gate-Elektrode
54 zum Abschalten nötig wäre, wenn der Anoden-
IGFET-Darin 48 mit der Anode 42 kurzgeschlossen ist. Die
Ausgestaltung mit kurzgeschlossener Anode ist in der
elektrischen Schemadarstellung Fig. 4 gezeigt.
Wenn so eine positive Spannung an die Gate-Elektrode 54
angelegt wird, wird ein stark leitender Weg erzeugt, der
eine parallele Überbrückung der Basis des pnp-Tran
sistors 58 direkt zur Anode 42 schafft. Dieser Weg
niedrigen Widerstandes liegt auch elektrisch parallel
zum Basis/Emitterübergang J3 des pnp-Transistors 58.
Damit nimmt die Vorwärtsspannung des Emitter/Basis-Über
gangs J3 des pnp-Transistors 58 ab, wodurch die
Löcherinjektion über J3 reduziert wird. Dementsprechend
wird der Löcher-Stromfluß durch den pnp-Transistor 58
verkleinert, wodurch der npn-Transistor 60 durch
Reduzierung seiner Basisansteuerung zum Abschalten
gebracht wird.
Da der Abschalt-IGFET 66 auch einen Weg geringen Wider
standes über den Thyristorkörper 28 an dem eingeschlos
senen Bereich 29 erzeugt, werden, wie festgestellt, die
Anoden-IGFET-Senke 48 und der einheitliche Aufbau 37
niedrigen Widerstandes elektrisch verbunden. Dieser Weg
geringen Widerstandes wird kapazitiv durch die Tor-Elek
trode 54 hervorgebracht, die, wenn sie positiv geladen
ist, bewegliche Elektronen von der Masse des Thyristor
körpers 28 zum eingeschlossenen Bereich 29 abzieht.
Damit ist ein n+-Kanal über den n--Thyristorkörper
erzeugt. Ruft man sich ins Gedächtnis, daß der Ring 32
wie auch der gesamte einheitliche Aufbau 37 niedrigen
Widerstandes elektrisch erdfrei ist, wenn der Abschalt-
IGFET 66 sich im Leitzustand befindet, wird der
einheitliche Aufbau niedrigen Widerstandes auf das
gleiche elektrische Potential wie die Anode 42 bzw. auf
VDD in der alternativen Fünf-Klemmen-Ausführung
gebracht. Dadurch werden zwei sehr wichtige elektrische
Feldeffekte erzeugt, die beim raschen Abschalten des
Thyristors helfen.
Wenn das elektrische Potential des Rings 32 sich dem
der Anode 42 annähert, wird der Übergang J2 in
Rückwärtsrichtung gespannt. Der so
gespannte Übergang J2 erzeugt einen Raumladungs
bereich, der sich bis in die Insel 30 beim stromflußbe
grenzenden Abschnitt 34 hinein erstreckt. Es ist
ersichtlich, daß dann, wenn der Thyristor sich im
Vorwärtsleitzustand befindet, Löcherstrom von der Anode
42 durch die Insel 30 zur Thyristorkathode 38 hindurch
tritt, indem er sich durch den Stromfluß-Begrenzungs
abschnitt 34 bewegt. Da der Stromfluß-Begrenzungsab
schnitt 34 von dem Ring 32 umgeben ist, steht der
Löcherfluß senkrecht auf dem elektrischen Feld, das
durch den in Rückwärtsrichtung gespannten Übergang J2
erzeugt wird. Da der Raumladungsbereich tiefer in den
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 34 hinein eindringt, wird
der Löcherfluß eingegrenzt oder "abgeschnürt", und zwar
durch einen Quer-Abschnürwiderstand, der den Quer
schnitts-Flächenbereich, durch den die Löcher fließen,
reduziert. Im Endeffekt wirkt der Ring 32 als Gate eines
Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors (JFET). In der schemati
schen Schaltbilddarstellung nach Fig. 4 ist der Quer-Ab
schnürwiderstand deshalb als ein JFET 68 dargestellt.
Dementsprechend würden dessen Source und Drain
im oberen bzw. unteren Bereich der Insel 30
liegen.
Zusätzlich zu dem Quer-Abschnürwiderstand, der durch den
JFET 68 geschaffen wird, wird auch noch ein zweiter
vertikaler Abschnürwiderstand geschaffen, der weiter das
rasche Abschalten des Thyristors vervollständigt. Es ist
zuzugeben, daß der Thyristorkörper 28 während des
Gegenwirkungs-Schaltens hoch ausgesteuert ist, d. h. eine hohe
Dichte von sowohl Löchern als auch freien Elektronen
besitzt. Es ist auch zu erkennen, daß der Raumladungs
bereich, der durch den in Rückwärtsrichtung vorgespann
ten pn-Übergang J2 erzeugt wird, sich in den Transistor
körper 28 an seiner Grenzfläche mit der Insel 30
hineinerstreckt. Das geschieht deshalb, weil das
elektrische Potential des Thyristorkörpers 28 sich auch
dem Potential der Anode 42 nähert, oder alternativ VDD
annähert, da der Thyristorkörper 28 sich in elektrischem
Kontakt mit der einheitlichen Struktur 37 niedrigen
Widerstandes befindet. Deswegen wächst ein
Raumladungsbereich aus dem in Rückwärtsrichtung
gespannten Übergang J2 heraus und erstreckt sich in
einen zweiten Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 40, welcher
der Bereich des Thyristorkörpers 28 ist, der zwischen
der Insel 30 und der eingebetteten Schicht 26 niedrigen
Widerstandes bei ihren am engsten benachbart gelegenen
Flächen liegt. Ein zusätzlicher Feldeffekt wird an der
Zwischenfläche zwischen eingebetteter Schicht 26 niedrigen
Widerstandes und hoch angesteuertem Thyristorkörper 28
erzeugt, und steht ebenfalls in den zweiten stromfluß
begrenzenden Abschnitt 40 vor, jedoch von der entgegenge
setzten Richtung zu dem an dem Übergang J2 erzeugten
Feld. Deshalb wird der durch den zweiten stromfluß
begrenzenden Abschnitt 40 hindurchtretende Löcherstrom
zwischen diesen beiden vertikal einander gegenüberlie
genden Feldern, die in den zweiten stromflußbegrenzenden
Abschnitt 40 eindringen, abgeschnürt oder begrenzt.
Damit erreicht der Thyristor ein Abschalten teilweise
durch zwei Abschnürwiderstände in zwei Bereichen, die
eine Abnahme der Leitfähigkeit des Thyristorkörpers 28
erzeugen und gegenwirkungsfreien Zustand wieder
herstellen.
Um die Abschaltwirksamkeit des Quer-Abschnürwiderstandes
zu fördern, sollte der Durchmesser des Stromfluß-
Begrenzungsabschnittes 34 klein genug sein, so daß der
durch den in Rückwärtsrichtung gespannten Übergang an
der Zwischenfläche des Ringes 32 mit der Insel 30
erzeugte Raumladungsbereich vollständig den Stromfluß-
Begrenzungsabschnitt 34 durchdringen kann. Das bedeutet,
der innere Durchmesser des Ringes 32 sollte klein genug
sein, um den Löcherstrom durch den Stromfluß-Begren
zungsabschnitt 34 entsprechend den Anforderungen an
Thyristorspannung und Strom wirksam abzuschnüren. Es
sollte erkannt werden, daß der Ring 32 irgendeine Form
besitzen kann, die einen Abschnüreffekt allgemein
senkrecht zur Stromflußrichtung im Thyristor schafft.
Analog kann der in dem zweiten Stromfluß-Begrenzungs
bereich 40 auftretende vertikale Abschnürwiderstand
durch Verringern des Abstandes zwischen der Insel 30 und
der eingebetteten Schicht 26 niedrigen Widerstandes
optimiert werden. Mit anderen Worten, dadurch, daß die
Dicke des Thyristorkörpers 28 am zweiten Stromfluß-
Begrenzungsabschnitt 40 möglichst gering gehalten wird,
kann eine größere Stromfluß-Begrenzung erzielt werden.
Jedoch müssen die relativen Abmessungen dieser Bereiche
mit den erwünschten elektrischen Parametern des
Thyristors verträglich sein. Für Kraftfahrzeuganwen
dungen wird bevorzugt der Innendurchmesser des Ringes 32
beim Stromfluß-Begrenzungsabschnitt 34 von etwa 10 bis
etwa 30 µm gehalten und der Abstand zwischen dem
inselartigen Bereich 30 und der eingebetteten Schicht 26
niedrigen Widerstandes durch den zweiten Stromfluß-Be
grenzungsabschnitt 40 bei etwa 5 bis etwa 10 µm. Diese
Abstände begründen sich durch das Erreichen einer
Sperrfähigkeit von etwa 80 V oder höher an der Anode.
Auch die Funktion des Abschalt-IGFET 66 besteht darin,
eine positive Spannung für die einheitliche Struktur 37
niedrigen Widerstandes zu schaffen. Andere IGFET-Struk
turen und andere Mittel zum Erreichen dieses positiven
Potentials können geeignet sein, das notwendige Abschalt
potential zu erzeugen.
Durch bloßes Erhöhen der an der Anode 42 und der
Thyristorkathode 38 anliegenden Spannungen kann
Durchschalten in dem Thyristor wie bei üblichen
Thyristoren erreicht werden, jedoch wird bei dem
erfindungsgemäßen Thyristor die Anode 42 gegen die
Thyristorkathode 38 durch den Quer-Abschnürwiderstand des
Rings 32 abgeschirmt, wenn der Ring 32 entsprechend
vorgespannt ist. Deswegen kann durch Aufrechterhalten
einer positiven Spannung an der Gate-Elektrode 54 des
Abschalt-IGFET 66 der Thyristor höheren
Anoden/Kathoden-Spannungen widerstehen, ohne Anschalten
des Thyristors einzuleiten. Dementsprechend kann es
vorteilhaft sein, eine positive Spannung an der
Gate-Elektrode 54 aufrechtzuerhalten, bis ein Einschal
ten des Thyristors erwünscht ist. Das hilft dabei,
unbeabsichtigtes Einschalten zu verhindern, das infolge
eines beträchtlichen Temperaturanstieges oder eines
raschen Spannungsanstieges an der Anode auftreten kann.
Es ist erkennbar, daß die Feldplatte 56 die
Durchbrucheigenschaften der darunterliegenden pn-Über
gänge steuert durch Modifizieren der elektrischen
Feldlinien. Während die Feldplatte 56 auf eine elektrische
Spannung gelegt sein kann, reicht die bestehende
Arbeitsfunktion des Materials aus, die Feldkonzentration
an den Übergangsbögen zu reduzieren. Vermutlich
könnten die pn-Übergänge J1 und J3 Schottky-Barrieren
sein, da J1 und J3 keinen hohen Spannungen
widersehen müssen. Schottky-Barrieren erzeugen einen
niedrigeren Vorwärtsspannungsabfall als diffundierte
pn-Übergänge, und können so bevorzugt hier eingesetzt
werden.
Weiter sollte die Anode 42 mit dem Thyristorkörper 28
kurzgeschlossen sein, um die Verstärkung des pnp-Transistors
58 zu steuern. Analog könnte die Thyristorkathode 38 mit
der Insel 30 kurzgeschlossen sein. Jedoch sollten diese
Bereiche vorzugsweise nicht unter den isolierten Gate-
Strukturen kurzgeschlossen sein. Es ist auch zu erken
nen, daß diese Ausführung der Erfindung als ein Anrei
cherungs-Bauelement beschrieben wurde,
und das deswegen, weil die IGFETs 64 und 66 als
Anreicherungstransistoren festgestellt wurden. Sie
könnten leicht dadurch als Verarmungs-IGFETs ausgeführt
werden, daß eine flache n-Schicht in ihren jeweiligen
Kanälen gebildet wird. Alternativ kann auch ein IGFET
ein Anreicherungs-Bauelement sein, während der andere
ein Verarmungs-Bauelement ist, und selbstverständlich
erfordern Verarmungs-IGFETs eine negative Spannungs
quelle, die bei einigen Anwendungen verfügbar sein kann.
Der Fabrikationsablauf bei der Herstellung der
vorliegenden Erfindung beginnt mit einem Wafer aus n-
oder p- (100) Siliziumeinkristall hohen Widerstandes. Es
kann möglich und wie bei einigen Anwendungen wünschens
wert sein, andere Halbleitermaterialien einzusetzen, und
deren Verwendung ist bei der Ausführung der vorliegenden
Erfindung freigestellt oder sogar beabsichtigt. Es kann
auch möglich sein, die vorliegende Erfindung als ein
Silizium-auf-Isolator-Bauelement herzustellen. Zwar
bestimmten die Spannungsanforderungen an das Bauelement
den spezifischen Widerstand des Wafers, jedoch ist ein
Siliziumwafer mit 5 bis 20 Ohm · cm für viele Anwendungen
geeignet. Da die Thyristorstruktur mit Steuer- und
Logikstrukturen in einem einzigen Chip integriert werden
soll, ist der Leitungstyp des Wafers entsprechend
auszusuchen. Ein p-Wafer würde bei der Herstellung von
NMOS-Schaltungen nützlich sein, die mit der vorliegenden
Erfindung integriert sind. Ein n-Wafer würde nützlich
sein zum Integrieren von CMOS mit dem Thyristor nach der
vorliegenden Erfindung, und ein n-Wafer wird in diesem
Ausführungsbeispiel benutzt.
Zunächst wird eine Oberfläche des Wafers geätzt, um
Siliziumzellen zu bilden, die durch allgemein V- oder
U-förmige Nuten getrennt sind. Die Form der Nuten ist
für die Erfindung nicht kritisch. Das Ätzen der Nuten
wird bevorzugt unter Benutzung einer üblichen Maskie
rungstechnik und eines anisotropen Ätzmittels durchge
führt, obwohl auch andere Techniken, beispielsweise
reaktives Ionenstrahlätzen oder dergleichen geeignet
sein können. Bei Benutzung eines anisotropen Ätzmittels
wird die Tiefe der Nut durch die Breite des Ätzfensters
bestimmt, wobei ein breiteres Fenster eine tiefere Nut
erzeugt. Die Nuten besitzen vorzugsweise Tiefen von etwa
20 bis 100 µm.
Als nächstes wird eine n+-Schicht auf der mit Nuten versehenen
Fläche des Wafers durch Eindiffusion eines Donator
zusatzes wie Phosphor gebildet. Die Tiefe dieser
n+-Schicht wird durch die erwünschten elektrischen
Eigenschaften des Thyristors, besonders seiner Spannungs
eigenschaften und seiner Abschaltspannungsverstärkung
bestimmt. Die n+-Schicht kann ev. für andere Bauelemente in
benachbarten Zellen gebraucht werden. Während
der Oberflächen-Diffusion werden die Seitenwände und
der Scheitel jeder Nut in n+-Material gewandelt. Das
bedeutet, daß sich die n+-Schicht ununterbrochen über
die Siliziumzellen und in jede Nut hinein erstreckt.
Diese n+-Schicht wird bei dem vollständigen Bauelement
die eingebettete Schicht 26 niedrigen Widerstandes.
Andere Dotierungsverfahren, beispielsweise Ionenim
plantation, können zur Ausbildung der n+-Schicht
verwendet werden. Die mit Nuten versehene und nun stark dotierte
Waferoberfläche wird oxidiert, um eine Schicht aus
Dielektrikum zu bilden, die schließlich die eingebettete
dielektrische Schicht 22 wird, welche die isolierten
Thyristorzellen 24 voneinander elektrisch isoliert. Für
die meisten Zwecke sollte eine dielektrische Schicht mit
ca. 1 bis 4 µm Stärke ausreichen. Die dielektrische
Schicht kann einfach dadurch gebildet werden, daß der
Wafer nach dem Nuten und Dotieren in einen Oxidations
ofen gesetzt wird. Da jedoch die Oxidation eine gewisse
Volumendehnung und eine Spannung verursacht, wird das
nachfolgend beschriebene andere Verfahren bevorzugt.
Zunächst wird eine Schicht aus undotiertem Polysilizium
auf der mit Nuten versehenen Waferoberfläche so gebildet, daß die
Polysiliziumschicht die n+-Schicht vollständig
überdeckt, einschließlich der Seitenwanddotierung. Die
Polysiliziumschicht sollte ungefähr die Hälfte der
Stärke der erforderlichen dielektrischen Schicht
besitzen, d. h. etwa 0,5 bis 2 µm. Der Wafer wird dann
oxidiert, um eine dielektrische Schicht der erforder
lichen Dicke zu bilden. Wenn Silizium oxidiert wird,
wird nur die Hälfte der Oxidstärke als
Silizium verbraucht. Wenn so der mit Polysilizium
beschichtete Wafer oxidiert wird, wird nur die Polysili
ziumschicht beim Ausbilden der dielektrischen Schicht
verbraucht. Sehr wenig, falls überhaupt, von der
n+-Schicht wird dabei verbraucht. Demnach wird die
Anzahl der spannungsinduzierten Versetzungen verringert,
wodurch auch der Stromverlust oder die Stromableitung
verringert wird.
Als nächstes wird eine starke Polysiliziumschicht auf
der mit Nuten versehenen Substratfläche so abgeschieden, daß die
Nuten vollständig mit Polysilizium angefüllt werden.
Dadurch entsteht das Polysiliziumsubstrat 20, das dem
Wafer mechanische Festigkeit verleiht. Das
Polysiliziumsubstrat 20 sollte etwa 250 bis 500 µm stark
sein. Die Oberfläche des Polysiliziumsubstrates 20 wird
dann eben geschliffen, wobei immer noch eine Stärke von
250 bis 500 µm erhalten bleibt.
Um das Netzwerk aus elektrisch isolierten Thyristor
zellen 24 zu bilden, wird der Wafer umgedreht und das
Einkristallmaterial bis über die Scheitel der Nuten
hinaus poliert. Das bedeutet, daß der Wafer so umgekehrt
wird, daß das Polysiliziumsubstrat 20 sich an der
Unterseite befindet uns die Scheitel der Nuten im Wafer
nach oben vorstehen. Der Wafer wird dann poliert, um
Einkristallsilizium bis zu einer solchen Tiefe zu
entfernen, daß die Scheitel oder "Spitzen" der Nuten
abgeschliffen werden. Um zu bestimmen, wenn eine
ausreichende Menge von Halbleitermaterial entfernt
wurde, kann eine Übergangs-Anfärbetechnik benutzt
werden. Es ist zu bemerken, daß falls ein p-Wafer bei
dem Herstellprozeß benutzt wird, die n+-Schicht, welche
die Nut-Seitenwände bedeckt, einen pn-Übergang am
Nutscheitel bildet. Durch Benutzen einer der verschie
denen handelsüblichen Übergangsfärbungen bei dem
Polierverfahren kann der Endpunkt des Poliervorgangs
genau bestimmt werden. Es ist selbstverständlich das
Ziel des Polierens, die elektrische Verbindung der
elektrisch isolierten Thyristorzellen 24 aufzutrennen,
die durch den Siliziumwafer und die eingebettete
n+-Schicht geschaffen wird. Durch Benutzung eines
p-Substratwafers als Vergleichswafer kann der Endpunkt
bei n-Wafern bestimmt werden, da beim elektrochemischen
Polieren Material von beiden Wafern mit annähernd
gleicher Rate abgetragen wird.
Nachdem eine Vielzahl von elektrisch isolierten
Thyristorzellen hergestellt wurde, wird die Insel 30 in
einer oder in mehreren elektrisch isolierten
Thyristorzellen 24 dadurch ausgebildet, daß eine
Siliziumdioxidschicht über der Oberfläche der elektrisch
isolierten Thyristorzelle 24 gebildet wird, ein
Diffusionsfenster in die Oxidschicht eingeschnitten und
ein p-Dotierungsmittel wie Bor durch das Fenster
diffundiert oder implantiert wird. Die Form der Insel 30
ist nicht kritisch, jedoch bestimmt ihre Tiefe die
Sperrspannung des Thyristors. Bei den meisten
Kraftfahrzeuganwendungen sollte die Insel 30 eine Länge
von etwa 10 bis 30 µm, eine Breite von etwa 10 bis
30 µm, eine Dotierungsdichte von etwa 1 × 1015 bis
5 × 1016 Dotierungsatomen pro cm3 und eine Tiefe von
etwa 5 bis 15 µm besitzen.
Sobald die Insel 30 gebildet wurde, wird das Diffusions
fenster durch weiteres Oxidwachstum geschlossen. Die
Oxidschicht wird dann unter Benutzung von üblichen
Photolithographie- und Ätzverfahren strukturiert und
geätzt, um eine Diffusionsmaske in Form des Ringes 32 zu
bilden. Wahlweise kann die Thyristorkathode 38, die auch
eine n+-Diffusionsschicht ist, während dieses Fertigungs
schrittes dadurch gebildet werden, daß einfach ein enges
Fenster in der Oxidschicht in der Mitte des Oxides
geöffnet wird, das durch das Diffusionsfenster für den
Ring 32 umgeben ist. Für eine bessere Sperrfähigkeit in
der Rückrichtung, wie sie dann auftritt, wenn die
Thyristorkathode 38 negativ wird, sollte die Thyristor
kathode 38 tief sein. Durch Ausbilden der Thyristorkathode
38 zu einem frühen Zeitpunkt des Fertigungsvorganges
kann eine tiefe Diffusion sichergestellt werden. Wie
festgestellt, kann der Ring 32 jede beliebige Konfigu
ration aufweisen, beispielsweise eine Rechteck-,
Quadrat-, Kreis- oder irreguläre Ringform besitzen. Das
Diffusionsprofil des n+-Ringes 32 bestimmt die
Sperrspannung und die Abschalteigenschaften des
Thyristors. Obwohl die Abmessungen nicht kritisch sind,
sollte der Ring 32, falls er in Form eines Rechtecks
ausgebildet ist, eine Länge von etwa 15 bis 40 µm und
eine Breite von 15 bis 40 µm, gemessen von seinem
Außenumfang besitzen. Der Ring 32 sollte eine Tiefe von
etwa 2 bis 10 µm haben. Wie bei allen während dieses
Herstellverfahrens ausgeführten
Dotierungsvorgängen ist es möglich, andere Dotierungs
verfahren, wie Ionenimplantaten etc. zu benutzen, um
die erforderlichen Dotierungsdichten zu erreichen, und
die Ausführung von Diffusions- oder Implantations-Fenstern
ist willkürlich. Jedes n-Dotiermittel, wie Phosphor,
ist zur Verwendung geeignet. Dotierungsdichten von etwa
1 × 1017 bis 1 × 1019 Atomen pro cm3 beim Ring 32 und
von etwa 1 × 1018 bis 1 × 1019 Atomen pro cm3 bei der
Thyristorkathode 38 werden bevorzugt. n+-Streifen 36
werden zur gleichen Zeit dadurch ausgebildet, daß
Fenster in das Oxid eingeschnitten werden, die von den
Kanten des Ringes 32 bis zur eingebetteten n+-Schicht 26
niedrigen Widerstandes reichen unter Benutzung des strukturierten
Oxides als Diffusions- oder
Implantationsmaske. Die n+-Streifen 36 dienen zur
elektrischen Verbindung des Ringes 32 mit der
eingebetteten Schicht 26 niedrigen Widerstandes. Sie
besitzen eine Tiefe von ca. 2 bis 10 µm, eine Breite von
3 bis 10 µm und eine Dotierungsdichte von ca. 1 × 1017
bis 1 × 1019 Atomen pro cm3.
Nachdem der Ring 32, die Streifen 36 und wahlweise die
Thyristorkathode 38 ausgebildet wurden, werden zwei
konzentrische p-Diffusionen oder -Implantationen
durchgeführt, um die Anode 42 und den Anoden-IGFET-Kanal
45 herzustellen. Die Anodendiffusion sollte eine Breite
von ca. 5 bis 15 µm und eine Tiefe von etwa 5 bis 15 µm
haben. Der Anoden-IGFET-Kanal 45 ist von ca. 5 bis 15 µm
breit und von ca. 5 bis 15 µm tief. Die Diffusions
fenster für diese beiden Strukturen werden unter Be
nutzung üblicher Photolithographie- und Ätzverfahren
gebildet. Nach dieser Diffusion läßt man eine Oxid
schicht über die Diffusionsfenster wachsen und engere
Fenster werden über der Anode 42 geöffnet, um den stark
dotierten Anodenkontakt- oder -Einschlußbereich 44 zu
bilden. Dadurch wird die Anodendiffusion abgeschlossen.
Man läßt dann die Siliziumdioxidschicht 50 über den
Wafer unter Benutzung üblicher Verfahren bis zu einer
Stärke von etwa 0,2 bis 0,5 µm aufwachsen. Eine
Polysiliziumschicht mit annähernd 0,3 bis 0,5 µm Dicke
wird über der Siliziumdioxidschicht 15 abgeschieden, um
die Elektrodenschicht 51 zu definieren. Die Silizium
dioxidschicht 50 und die darüberliegende Elektroden
schicht 51 werden dann mit Muster versehen, um Fenster
über dem Anoden-IGFET-Kanal 45 zu öffnen zur Ausbildung
des Anoden-IGFET-Drains 48. Falls die Thyristor
kathode 38 bisher noch nicht ausgebildet wurde, wird sie
nun zusammen mit dem Anoden-IGFET-Drain 48 gebildet.
Eine Deck-Implantierung aus Phosphor kann benutzt
werden, um die Elektrodenschicht 51, das
Anoden-IGFET-Drain 48 und wahlweise, wie gesagt, die
Thyristorkathode 38 zu dotieren. Obwohl die Thyristor
kathode 38 in Fig. 1 und 2 als Einzelstruktur gezeigt
ist, wird sie bevorzugt nach Fig. 3 also eine Anordnung
aus rechteckigen Streifen 38A ausgebildet, um die
Injektionwirksamkeit des npn-Transistors zu erhöhen.
Die einzelnen Thyristorkathodenstreifen 38A können durch
entsprechende Metallisierung elektrisch miteinander
verbunden werden. Kontaktfenster werden dann in der
Elektrodenschicht 51 und der Siliziumdioxidschicht 50
über dem Ring 32 und dem eingeschlossenen Bereich 44
geöffnet. Dadurch werden Gate-Elektroden 52 und 54 für
den Zünd-IGFET 64, den Abschalt-IGFET 66
bzw. die Feldplatte 56 gebildet.
Schließlich wird der Thyristor mit (nicht dargestelltem)
Phosphor-Silikatglas beschichtet, Kontaktfenster werden
geöffnet und die entsprechende Metallisierung aufge
bracht und geätzt.
Claims (23)
1. Halbleiter-Leistungs-Schaltelement mit: einem
Substrat (20), das einen elektrisch isolierten Bereich
(24) eines darin angeordneten Halbleitermaterials
besitzt und integrierte bipolare pnp- und npn-Transisto
ren (58, 60), die in dem elektrisch isolierten Bereich
definiert sind und einen Thyristor bilden, gekenn
zeichnet durch erste und zweite Stromfluß-Begrenzungsab
schnitte (34, 40), die in dem elektrisch isolierten
Bereich angeordnet sind, einen elektrisch erdfreien
Bereich (26, 32, 36), der in dem elektrisch isolierten
Bereich ausgebildet und dem ersten und dem zweiten
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt benachbart ist, min
destens ein Transistorelement, das in dem elektrisch
isolierten Bereich angeordnet ist und einen durch den
elektrisch erdfreien Bereich definierten
Source-Anschluß (32), einen Drain-Anschluß
(48) und einen Kanal (45) besitzt, wodurch Anschalten
des Transistorelementes den Thyristor abschaltet durch
Anlegen einer umgekehrten elektrischen Vorspannung an
den elektrisch erdfreien Bereich zum Erzeugen erster
und zweiter Abschnürwiderstände in dem ersten bzw. dem
zweiten Stromfluß-Begrenzungsabschnitt, die Stromfluß
durch den ersten bzw. zweiten Stromfluß-Begrenzungs
abschnitt begrenzen und abschnüren.
2. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Transistorelement einen
isolierten Gate-Feldeffekttransistor (IGFET) enthält.
3. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20)
aus Polysilizium gebildet ist.
4. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
bipolaren pnp- und npn-Transistoren (58, 60) in
Querrichtung innerhalb des elektrisch isolierten
Bereiches (24) angeordnet sind.
5. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
elektrisch isolierte Bereich (24) durch eine Dielektri
kum-Schicht (22) definiert ist, welche zwischen dem
Substrat (20) und dem elektrisch isolierten Bereich
eingesetzt ist.
6. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
elektrisch isolierte Bereich (24) aus Silizium gebildet
ist.
7. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Abschnürwiderstand sich in Querrichtung in den ersten
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt (34) hinein und der
zweite Abschnürwiderstand sich vertikal in den zweiten
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt (40) hinein erstreckt.
8. Halbleiter-Leistungsschaltelement nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
elektrisch erdfreie Bereich (26, 32, 36) einen
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu dem ersten
Stromfluß-Begrenzungsabschnitt (34) besitzt, daß der
elektrisch erdfreie Bereich einen ersten Abschnitt
(32) angrenzend an den ersten Stromfluß-Begrenzungs
abschnitt besitzt zur Erzeugung eines elektrischen
Feldeffektes in dem ersten Stromfluß-Begrenzungsab
schnitt, der in Querrichtung den Stromfluß durch den
ersten Stromfluß-Begrenzungsabschnitt abschnürt, und daß
der elektrisch erdfreie Bereich einen zweiten
Abschnitt (26) angrenzend an den zweiten Stromfluß-
Begrenzungsabschnitt (40) besitzt zur Erzeugung eines
elektrischen Feldeffektes in dem zweiten Stromfluß-
Begrenzungsabschnitt, der vertikale Stromfluß durch den
zweiten Stromfluß-Begrenzungsabschnitt abschnürt, und
einen isolierten Gate-Anschluß (52) an dem elektrisch
isolierten Bereich (24) besitzt.
9. Quer-Doppelgate-Thyristor mit: einem Substrat (20),
das einen Bereich (24) aus elektrisch von dem Substrat
durch eine eingebettete Schicht (22) aus elektrisch
isolierendem Material isoliertem Halbleitermaterial
besitzt, einer Schicht (26) aus hochleitendem eingebette
tem Halbleitermaterial, das die eingebettete Schicht aus
elektrisch isolierendem Material überdeckt und in dem
elektrisch isolierten Bereich angeordnet ist, einer Insel
(30) aus Halbleitermaterial, die zentral in der Ober
fläche des elektrisch isolierten Bereiches angeordnet
ist und mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu
dem des elektrisch isolierten Bereiches, einem Ring (32)
aus Halbleitermaterial, in der Oberfläche des elektrisch
isolierten Bereiches angeordnet und die Insel ein
schließend, wobei der Ring eine an die Insel angrenzende
Fläche und eine andere an den elektrisch isolierten
Bereich angrenzende Fläche aufweist und der Ring aus
Halbleitermaterial mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp
wie der elektrisch isolierte Bereich, jedoch stärker
dotiert als der elektrisch isolierte Bereich, gebildet
ist, mindestens einem Streifen (36) aus Halbleitermate
rial, in der Fläche des elektrisch isolierten Bereiches
angeordnet, wobei ein Ende des Streifens in elektrischem
Kontakt mit dem Ring ist und das andere Ende des Strei
fens in Kontakt mit der hochleitenden eingebetteten
Schicht (26), einer zentral angeordneten Kathode (38), die
in der Oberfläche der Insel ausgebildet ist und den
gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Ring besitzt, einer in
der Oberfläche des elektrisch isolierten Bereiches mit
Abstand von dem Ring ausgebildeten Anode (42) mit einem
Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem des elektrisch
isolierten Bereiches, einem in der Oberfläche des
elektrisch isolierten Bereiches ausgebildeten Kanal (45)
mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem des
elektrisch isolierten Bereiches und mit Abstand von dem
Ring und der Anode, einem Drain-Anschluß
(48) aus Halbleitermaterial, vollständig innerhalb der
Fläche des Kanals ausgebildet und mit einem Leitfähig
keitstyp entgegengesetzt zu dem des Kanals, einer Schicht
(50) aus Dielektrikum, an der Oberfäche des elektrisch
isolierten Bereiches angeordnet, einer ersten Gate-Elek
trode (52), an der dielektrischen Schicht angeordnet und
ausgerichtet mit dem Abschnitt der Insel, der zwischen
der Kathode und dem Ring zwischengesetzt ist, um
kapazitiv eine elektrische Verbindung zwischen dem Ring
und der Kathode zu schaffen, um den Thyristor zu zünden und
einer zweiten Gate-Elektrode (54), die an der dielektri
schen Schicht angeordnet ist und in Ausrichtung mit den
Abschnitten des Kanales und des elektrisch isolierten
Bereiches, die zwischen dem Ring und der Senke zwischen
gesetzt sind, zur kapazitiven Verbindung des Ringes mit
der Senke zum Abschalten des Thyristors.
10. Thyristor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode (38) als eine Anordnung von Halbleiter
bereichen (38A) ausgebildet ist, welche durch eine
Metallisierungsschicht verbunden sind, um die Kathoden
injektionswirksamkeit zu erhöhen.
11. Thyristor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kathode selektiv mit der Insel kurzge
schlossen ist, um die Kathodeninjektionswirksamkeit zu
steuern.
12. Thyristor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anode (42) selektiv mit dem
elektrisch isolierten Bereich (24) kurzgeschlossen ist,
um die Anodeninjektionswirksamkeit zu steuern.
13. Thyristor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Senke (48) elektrisch mit der
Anode (42) verbunden ist.
14. Thyristor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß er eine Silikatglasschicht über den
Gate-Elektroden (52, 54) und der dielektrischen Schicht
(50) enthält, mit Kontaktfenstern darin über der Kathode
(38), der Anode (42), dem Drain-Anschluß (48) und den
Gate-Anschlüssen, und eine die Silikatglasschicht über
deckende Metallschicht, die sich durch die Kontaktfen
ster zur Herstellung ohm'scher Kontakte mit der Kathode,
der Anode, dem Drain-Anschluß und den Gate-Anschlüssen
erstreckt und geätzt ist, um separate Anschlüsse für die
Kathode, die Anode, den Drain und die Gates zu
bilden.
15. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Leistungs-
Schaltelementes, bei dem
- A. ein elektrisch isolierter Bereich (24) aus Halb leitermaterial in einem Substrat (20) ausgebildet wird, wobei der elektrisch isolierte Bereich einen ersten Leitfähigkeitstyp besitzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- B. eine eingebettete Schicht (26) aus hochleitfähigem Halbleitermaterial in dem elektrisch isolierten Bereich gebildet wird,
- C. ein hochleitfähiger Ring (32) in dem elektrisch isolierten Bereich gebildet wird,
- D. Dotierungszusätze in den Bereich innerhalb des Ringes eingeführt werden, um eine Insel (30) von zweitem Leitfähigkeitstyp zu bilden,
- E. Streifen (36) aus hochleitfähigem Halbleitermaterial an der Oberfläche des elektrisch isolierten Bereiches ausgebildet werden, welche den ersten Leitfähigkeitstyp besitzen und elektrisch den Ring und die hochleitfähige eingebettete Schicht verbinden,
- F. eine stark dotierte Kathode (38) innerhalb der Insel gebildet wird, die den ersten Leitfähigkeitstyp besitzt,
- G. eine Anode (40) innerhalb des elektrisch isolierten Bereiches gebildet wird,
- H. ein Abschnitt des elektrisch isolierten Bereiches zwischen dem Ring und der Anode zur Bildung eines Kanals (45) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert wird,
- I. eine ein Drain (48) innerhalb des Kanals an der Oberfläche des elektrisch isolierten Bereiches ausgebildet wird,
- J. eine Schicht (50) aus Dielektrikum über der Ober fläche des elektrisch isolierten Bereiches gebildet wird,
- K. eine Schicht (51) aus Elektrodenmaterial über der Schicht aus dielektrischem Material abgeschieden wird, und
- L. die Elektrodenschicht und das dielektrische Material geätzt werden, um jeweils Kontaktfenster über der Kathode, dem Ring, dem Drain bzw. der Anode zu bestimmen, um eine zweite isolierte Gate-Elektrode (52) in Ausrichtung mit einem Abschnitt der Insel zu bestimmen und eine zweite isolierte Gate-Elektrode (54) in Ausrichtung mit einem Abschnitt des isolierten Bereiches zu bestimmen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material an
der dielektrischen Schicht (50) und der ersten und der
zweiten isolierten Gate-Elektrode (52, 54) ausgebildet
wird, daß Kontaktfenster in dem elektrisch isolierenden
Material geöffnet werden und eine Metallisierungsschicht
auf der elektrisch isolierenden Schicht abgeschieden
wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallisierungsschicht zur Bildung von getrenn
ten Metallkontakten für die Kathode (38), die Anode (42),
die erste isolierte Gate-Elektrode (52) und die zweite
isolierte Gate-Elektrode (54) geätzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallisierung zur Bildung eines separaten
Metallkontaktes für den Drain (48) geätzt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (38) mit der
Insel (30) elektrisch kurzgeschlossen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (42) mit dem
elektrisch isolierten Bereich (24) kurzgeschlossen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß die in den Abschnitten (A)
und (B) bezeichneten Verfahrensschritte jeweils dadurch
ausgeführt werden, daß mindestens zwei Nuten in die
Oberfläche eines Halbleiterwafers zur Ausbildung einer
Zelle eingeätzt werden, daß eine hochleitende Schicht
aus Halbleitermaterial über der Oberfläche der Zelle und
über den Seitenwänden der Nuten ausgebildet wird, daß
eine Schicht aus eingebettetem isolierendem Material an
der hochleitenden Schicht ausgebildet wird, daß ein
Polysilizium-Film über der mit Nuten versehenen Waferfläche abge
schieden wird, wobei die Nuten mit Polysilizium aufge
füllt werden, daß Halbleitermaterial von der Seite des
Wafers, die der die mit Nuten versehene Oberfläche enthaltenden
Seite des Wafers entgegengesetzt liegt, bis zu einer solchen
Tiefe entfernt wird, daß die Scheitel der Nuten entfernt
werden und der elektrisch isolierte Halbleiterbereich
elektrisch gegen das Polysilizium durch das eingebettete
isolierende Material isoliert ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß das eingebettete isolierende Material eine Schicht
aus Siliziumdioxid ist, die durch Abscheiden einer
dünnen Schicht aus Polysilizium auf der leitenden
eingebetteten Schicht und durch Oxidieren der dünnen
Polysiliziumschicht zur Ausbildung der eingebetteten
isolierenden Schicht gebildet ist.
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