DE3842468C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Halbleiterbauelemente dieser Art sind z. B. geeignet als Thyristoren mit statischer Induktion, bipolare Transistoren mit isoliertem Gate und dergleichen. Sie sind beispielsweise in der US-PS 40 56 408 und in der JP-OS 60-2 07 376 beschrie­ ben. In letzterer Druckschrift ist eine Halbleitervorrichtung beschrieben, bei welcher auf der einen Seite eines Halblei­ tersubstrates die Anodenzone und auf der anderen Seite die Kathodenzone liegt. Die Zone mit hohem spezifischen Wider­ stand ist zwischen Anodenzone und Kathodenzone gebildet, wäh­ rend die Gitterdefekt-Zone an gleicher Stelle wie die Zone mit hohem spezifischen Widerstand liegt und durch Protonenbe­ strahlung hergestellt ist. Die Gitterdefekt-Zone wird also bei dieser Halbleitervorrichtung in solcher Weise gebildet, daß der Höchstwert der Verteilung der Gitterdefekte in einem Gebiet der Zone mit hohem spezifischen Widerstand nahe bei der Anodenzone liegt.
Bei dieser Halbleitervorrichtung bewirkt die Gitterdefektzone, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, ein schnelles Verschwinden der aus der Anode injizierten Löcher, wodurch eine kurze Ein- und Ausschaltzeit erreicht werden.
Bei hohen Temperaturen wird jedoch die Auswirkung der Gitter­ defekte in der Zone hohen spezifischen Widerstandes geringer, was zu einer verlängerten Lebensdauer der Ladungsträger führt, mit der Folge einer verlängerten Abschaltzeit. Wenn eine solche Vorrichtung in einer Schaltung verwendet wird, in der Schaltvorgänge in kurzen Zeitabständen wiederholt werden, beispielsweise ein Hochfrequenz-Stromwandler, so nehmen die durch Stromfluß während der Abschaltzeit verursachten Lei­ stungsverluste zu, wobei auch die freigesetzte Wärme zunimmt. Die freigesetzte Wärme erzeugt einen Temperaturanstieg der Vorrichtung, wodurch wiederum die Ausschaltzeit verlängert wird; durch diese Rückwirkung verschlechtern sich insgesamt die Kenndaten der Vorrichtung. Bezüglich der in der Zone ho­ hen spezifischen Widerstandes gelegenen Gitterdefekte tritt weiterhin die Schwierigkeit auf, daß die oben erwähnten gün­ stigen Eigenschaften nicht erhalten bleiben, wenn die Tempe­ ratur der Vorrichtung zunimmt, obwohl die Abschaltzeit bei normalen Temperaturen kürzer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervor­ richtung zur Verfügung zu stellen, deren Ausschaltzeit auch bei zunehmender Temperatur der Vorrichtung kurz bleibt und die insgesamt eine ausgezeichnete Abschaltcharakteristik und hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Halbleiterbau­ element erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gitterdefektzone innerhalb der Anodenzone gelegen ist. Es ist zwar be­ reits aus der US-PS 43 11 534 ein Halbleiterbauelement be­ kannt, bei welchem eine Gitterdefekt-Zone so nahe der Zone hohen spezifischen Widerstandes gelegen ist, daß sie ein schnelles Verschwinden der von der Anodenzone in Richtung der Zone hohen spezifischen Widerstandes injizierten Löcher bei normalen Temperaturen bewirkt, jedoch handelt es sich bei diesem bekannten Halbleiterbauelement um einen herkömmlichen Thyristor. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist hin­ gegen ein Thyristor mit statischer Induktion (SI-Thyristor) oder ein bipolarer Transistor mit isoliertem Gate (IGBT). Bei beiden Arten von Halbleiterbauelementen wird durch die Erfin­ dung eine Verkürzung der Abschaltzeit besonders bei hohen Temperaturen im Bereich von 100° C und darüber erreicht.
Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeich­ nung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Halbleiterbauele­ ments nach einer ersten Ausführungsform, bei der es sich um einen Thyristor mit statischer Induktion handelt;
Fig. 2A ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung und die Verunreinigungs-Verteilung bei dem Halbleiter­ bauelement nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 2B ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung und die Verunreinigungs-Verteilung bei einem als Vergleich herangezogenen Halbleiterbauelement zeigt, bei welcher die Gitterdefekt-Zone außerhalb der Anodenzone liegt;
Fig. 3A ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperataur des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterbauelements und den Leistungsverlusten während des Abschaltens des Bauelements zeigt;
Fig. 3B ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperatur des Bauelements und den Abschalt-Leistungsverlusten bei einem als Vergleich herangezogenen Halbleiterbauelement zeigt, bei welcher sich die Gitterdefekt-Zone außerhalb der Anodenzone befindet;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterbauelements, die einen Thyristor mit statischer Induktion bildet;
Fig. 5 ein Diagramm, welches die Gitterdefekt-Verteilung und die Verunreinigungs-Verteilung in der Anodenzone und in der Kathodenzone sowie in der Pufferzone des Halbleiterbauelements nach Fig. 4 zeigt; und
Fig. 6 und 7 schematisch Schnittansichten weiterer Ausführungsformen des Halbleiterbauelements, jeweils in Form eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Das dort gezeigte Halbleiterbauelement 10 bildet einen Thyristor mit statischer Induktion. Er besteht aus einem Halbleitersubstrat 11 einer Anodenzone 12 auf der einen Seite dieses Substrats 11, nämlich auf der Bodenseite in der gezeig­ ten Darstellung, in Form einer P+-Zone mit hoher Verunreini­ gungs- oder Störstoffkonzentration, wobei eine Kathodenzone 13 auf der anderen Seite des Substrates 11, nämlich an der Ober­ seite, als N+-Zone von hoher Störstoffkonzentration gebildet ist; zwei Gatezonen 14, 14a sind ebenfalls an der Oberseite des Substrates 11 gebildet, beispielsweise in Form einer P⁺- Zone von hoher Störstoffkonzentration. Zwischen Anodenzone 12 und Kathodenzone 13 ist ferner in dem Substrat 11 eine Zone 15 von hohem spezifischen Widerstand gebildet, beispielsweise ei­ ne N--Zone von niedriger Störstoffkonzentration, welche einen Strompfad bildet. In der Anodenzone 12 ist nahe der Zone 15 von hohem spezifischen Widerstand eine Gitterdefekt-Zone 16 gebildet, insbesondere durch Protonenbestrahlung geeigneter Dosierung. Wenn die Störstoffverteilung des Halbleiterbauelementes 10 der Darstellung in Fig. 2A entspricht, ist die Git­ terdefekt-Zone 16 so gelegen, daß der Höchstwert Q der Gitter­ defekt-Verteilung innerhalb der Kurve AN für die Störstoffver­ teilung der Anodenzone 12 liegt. Die Gitter­ defekt-Zone 16 bewirkt eine Verkürzung der Lebensdauer der La­ dungsträger, um ein schnelles Verschwinden der aus der Anoden­ zone 12 injizierten Löcher zu erreichen.
Auf der Anodenzone 12 ist eine Anodenelektrode 17 gebildet, und auf der Kathodenzone 13 ist eine Kathodenelektrode 18 ge­ bildet. Entsprechend befinden sich auf den Gatezonen 14 und 14a zwei Gateelektroden 19, 19a, die insbesondere durch Ver­ dampfungstechnik aufgewachsen sind.
Das Halbleiterbauelement 10 wird leitend und nicht leitend gesteuert, indem sowohl die Breite der Verarmungsschicht, die sich bis in die Zone 15 hohen spezifischen Widerstands er­ streckt, als auch die Höhe der Potentialbarriere zwischen Anode und Kathode gesteuert werden. Bei einem solchen Bauelement 10 kann die Stromdichte bei geringem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung sehr hoch sein, was bedeutet, daß der Durch­ gangswiderstand sehr klein ist, wobei zusätzlich eine kurze Abschaltzeit erreicht wird. Überdies verschwinden bei einem solchen Bauelement 10 die während des Abschaltvorganges inji­ zierten positiven Löcher durch die Wirkung der Gitterdefektzone 16, bevor sie die Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes erreichen, so daß die Abschaltzeit verkürzt wird. Die Gitter­ defekt-Zone 16 liegt aber nicht innerhalb der Zone 15 hohen Widerstandes, die eine relativ schwache Störstoffkonzentration aufweist, sondern innerhalb der Anodenzone 12, die eine relativ hohe Störstoffkonzentration und einen relativ niedrigen Widerstand aufweist. Dies führt dazu, daß das Bauelement 10 weniger empfindlich gegen eine Temperaturerhöhung ist, denn die Gitterdefekt-Zone 16 liegt in einem Bereich von relativ hoher Störstoffkonzentra­ tion. Wegen des niedrigeren Widerstandswertes ist die Zunahme an Leistungsverlusten der Vorrichtung geringer, so daß die Ab­ schaltzeit auch bei hohen Temperaturen kurz bleibt.
Es wird nun die Herstellung des Halbleiterbauelements 10 be­ schrieben.
Das Substrat 11 aus einem N⁻-Halbleiter von hohem spezifischen Widerstand besteht aus monokristallinem Silicium, das einer Ionenimplantation mit Störstoffen und anschließend einer Diffusionsbehandlung unterzogen wird, um die Anodenzone 12, die Kathodenzone 13 und die Gatezonen 14, 14a an ihren vorbestimmten Stellen zu bilden. Anschließend werden die Ano­ denzone 12, die Kathodenzone 13 und die Gatezonen 14, 14a mit den Elektroden 17, 18, 19, 19a versehen, die aus Alu­ minium bestehen. Anschließend wird die Stirnseite bzw. Ober­ seite des Halbleitersubstrats 11 senkrecht mit Protonen be­ strahlt, beispielsweise aus einem Zyclotron-Beschleuniger, um Kristalldefekte zu verursachen und die Gitterdefekt-Zone 16 herzustellen. Die Protonendosierung ist so gewählt, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, welcher auf den Gitterde­ fekten beruht, nicht ungünstig beeinflußt wird; ferner wird die Protonenenergie so gewählt, daß die Gitterdefekte so loka­ lisiert sind, wie in Fig. 2A gezeigt ist, also nicht so, daß das Maximum der Verteilung wie in Fig. 2B gezeigt gelegen ist. Auf diese Weise wird ein Thyristor mit statischer Induktion hergestellt.
Wenn das Halbleitersubstrat 11 aus monokristallinem Silicium eine Dicke von etwa 300 µm aufweist, so beträgt die Dicke der Zone 15 130 µm und die der Anodenzone 12 etwa 150 µm. Der Höchstwert Q der Gitterdefekt-Verteilung liegt etwa 20 oder 30 µm von dem Übergang zwischen der Anodenzone 12 und der Zone 15 hohen Widerstandes entfernt. Für diese Werte beträgt die optimale Protonendosierung etwa 1×10¹² cm-2 bis 3×10¹² cm-2.
Die Protonenbestrahlung erzeugt Gitterdefekte nicht nur in der Anodenzone 12, sondern auch in der Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes; die Konzentration der Gitterdefekte, die in der Zone 15 erzeugt werden, ist jedoch im Vergleich zu der in der Anodenzone 12 vernachlässigbar. Die optimale Dichte der Gitterdefekte ist etwa 1,5 bis 2,0 mal so groß wie die Gitterdefekt-Dichte, bei welcher die Summe aus Leitungsver­ lusten und Abfallverlusten bei Raumtemperatur minimal ist.
Ein Thyristor mit statischer Induktion, bei welchem die Zone 15 hohen Widerstandes eine Dicke von 130 µm aufweist, die Anodenzone 12 eine Dicke von 150 µm aufweist und das Maximum Q der Gitterdefekt-Verteilung in einer Tiefe von 30 µm ab dem Übergang zwischen den Zonen 12 und 15 gelegen ist, eignet sich besonders als Schaltelement in einer Einfach-Stromwandler­ schaltung. Ein solches Schaltelement wurde mit einer Schalt­ frequenz von 50 kHz betrieben, wobei sich die in Fig. 3A ge­ zeigte Beziehung zwischen der Temperatur des Bauelements und den Abschalt-Leistungsverlusten ergab. Zum Vergleich wurde ein Thyristor mit statischer Induktion, bei dem die Dicke der Zone 15 130 µm beträgt und die Dicke der Anodenzone 12 150 µm be­ trägt, während das Maximum der Gitterdefekt-Verteilung im Ober­ gangsbereich zwischen Anodenzone und Zone hohen spezifischen Widerstandes liegt, als Schaltelement einer Einfach-Stromwand­ lerschaltung verwendet und mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz betrieben. Fig. 3B zeigt die Beziehung zwischen der Tempera­ tur der Vorrichtung und den Abschalt-Leistungsverlusten.
Der Vergleich der Fig. 3A und 3B zeigt, daß der erfindungs­ gemäße Thyristor mit statischer Induktion eine ausgezeichnete Charakteristik bei hohen Temperaturen aufweist und selbst bei einem Temperaturanstieg von 50°C auf 125°C keine Zunahme der Abschalt-Leistungsverluste auftritt. Hingegen tritt bei dem gemäß Fig. 2B ausgebildeten Thyristor, der zum Vergleich her­ angezogen wird, eine Zunahme der Abschalt-Leistungsverluste bei einer Temperaturerhöhung von 50°C auf 125°C auf. Von be­ sonderer Bedeutung ist auch, daß die Vorrichtung nach Fig. 2B aufgrund der erhöhten Leistungsverluste bei höheren Temperatu­ ren nicht zuverlässig betrieben werden kann. Hingegen kann das gemäß Fig. 2A ausgebildete Bauelement auch bei Temperaturen von mehr als 100°C normal betrieben werden. Die Abschaltzeit ist vergleichbar mit Bauelement vom MOSFET-Typ.
Fig. 4 zeigt eine Halbleiterbauelement 20, das einen Thyri­ stor mit statischer Induktion nach einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung bildet. In dieser Vorrichtung liegt eine Pufferzone 30 in der Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes nahe der Anodenzone 12. Diese Pufferzone 30 ist eine dünne Störstoffschicht gleichen Leitungstyps wie die Zone 15, hohen spezifischen Widerstandes, jedoch von einer relativ höheren Konzentration. Ansonsten stimmt diese Ausführungsform mit der nach Fig. 1 überein.
Dieses Bauelement wird in nahezu völlig gleicher Weise wie die nach Fig. 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß bei den Verfahrensschritten zur Diffusion und Ionenimplanta­ tion weitere Schritte zur Herstellung der Pufferschicht hinzu­ gefügt werden.
Fig. 5 zeigt die Störstoffverteilung und Gitterdefekt-Vertei­ lung des Halbleiterbauelements nach Fig. 4. Es ist zu beach­ ten, daß das Maximum Q der Gitterdefekt-Verteilung innerhalb der Kurve AN für die Anodenstörstoffkonzentration und nahe der Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes liegt; ferner liegt die Kurve BA für die Störstoffkonzentration der Pufferzone nahe der Kurve AN für die Störstoffkonzentration der Anode.
Bei dieser Ausführungsform sind der Einfluß der Temperatur auf die Leistungsverluste vermindert und die Durchbruchsspannung verbessert. Beim Abschalten des Bauelements erstreckt sich ei­ ne Verarmungsschicht von den Gatezonen 14, 14a zur Anodenzone in Abhängigkeit von der anliegenden Anodenspannung. Die Puf­ ferzone 30 von hoher Störstellenkonzentration bewirkt bei die­ ser Ausführungsform eine Begrenzung der Ausdehnung der Verar­ mungsschicht beim Auftreffen auf diese Pufferzone 30. Das elektrische Feld im Übergangsbereich zwischen Anodenzone und Zone hohen spezifischen Widerstandes wird infolgedessen ver­ kleinert, wodurch eine höhere Durchbruchsspannung erzielt wird. Die Pufferzone ermöglicht also eine höhere Spannung in Durch­ laßrichtung und verbessert so die Durchbruchsspannungs-Charak­ teristik. Zur Herstellung der Halbleiterbauelemente 10, 20 nach den in den Fig. 1 und 4 gezeigten Ausführungsformen sind verschiedene Verfahren geeignet. Die Anodenzone 12 bzw. besteht aus einer monokristallinen P⁺-Halbleiterscheibe, auf der entweder eine N⁻-Schicht als Zone 15 hohen spezifi­ schen Widerstandes (Fig. 1) oder aber zunächst eine N⁺-Schicht als Pufferzone 30 aufgewachsen wird, gefolgt von einer N-- Schicht als Zone 15 hohen spezifischen Widerstandes (Fig. 4). Die Verunreinigungen bzw. Störstoffe werden dann in die N--Zone implantiert oder eindiffundiert, um die Kathodenzone 13 und die Gatezonen 14, 14a herzustellen. Dann werden die Elektroden 17, 18, 19 und 19a auf der Anodenzone 12 die Kathodenzone 13 sowie die Gatezonen 14, 14a durch Aufdampfen oder eine ähnliche Technik aufgewachsen. Schließlich wird die Git­ terdefekt-Zone 16 durch Protonenbestrah­ lung hergestellt.
Das erfindungsgemäße Bauelement ist nicht auf die Verwendung als Thyristor mit statischer Induktion beschränkt, sondern ist auch auf bei einem bipolaren Tran­ sistors mit isoliertem Gate anwendbar.
In Fig. 6 ist ein Halbleiterbauelement 50 nach einer sol­ chen Ausführungsform gezeigt; es bildet also einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate, der zwei Kathodenzonen 53, 53a auf der oberen Fläche einer Zone 55 hohen spezifischen Wider­ standes aufweist, welche sich oberhalb einer Anodenzone 52 be­ findet, in welcher eine Gitterdefekt-Zone 56 in vorbestimmter Lage gebildet ist. Zwischen der Zone 55 hohen spezifischen Wi­ derstandes und den Kathodenzonen 53, 53a ist eine Zone 61 ent­ gegengesetzten Leitungstyps gebildet, die aus einer P⁺-Stör­ stoffzone gebildet ist. Gateelektroden 59, 59a sind mit Isolierfilmen 62, 62a auf der Zone 61 entgegengesetzten Lei­ tungstyps gebildet. Eine Anodenelektrode 57 ist auf der Anoden­ zone 52 gebildet, und eine Kathodenelektrode 58 ist über den zwei Kathodenzonen 53, 53a gebildet. Die Herstellung und die Funktion der Gitterdefekt-Zone 56 stimmen mit den zuvor be­ schriebenen Ausführungsformen überein, ebenso wie die hier­ durch erreichten Effekte.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Bauelement 50 bewirkt eine an den Gateelektroden 59, 59a angelegte Spannung die Veränderung eines Kanals, der an der Oberfläche der Zone 61 entgegenge­ setzten Leitungstyps gebildet ist, um einen elektrischen Strom zu steuern, welcher durch die Zone 55 hohen spezifischen Wi­ derstandes fließt. Jeglicher Einfluß bzw. Leistungsverlust, der temperaturbedingt ist, wird durch die Gitterdefekt-Zone 56 in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungs­ formen vermindert, so daß eine kurze Abschaltzeit auch bei ho­ hen Temperaturen erhalten bleibt.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann eine Pufferzone 80 in dem Bauelement 70 an vorbestimmter Stelle in der Zone 55 hohen spezifischen Widerstandes in gleicher Weise wie die entspre­ chende Zone 30 bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ausgebil­ det werden. Diese Pufferzone schränkt die Ausdehnung der Ver­ armungsschicht beim Abschalten dor Vorrichtung ein und verbes­ sert die Durchbruchsspannungs-Charakteristik. Bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 7 stimmen ansonsten alle Merkmale mit Fig. 6 überein.
Bei den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen ei­ nes bipolaren Transistors mit isoliertem Gate wird die "Katho­ denzone" üblicherweise als "Source" bezeichnet, während die "Anodenzone" üblicherweise als "Drain" bezeichnet wird.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen können die Protonenbe­ strahlung von der Oberseite bzw. Rathodenseite her erfolgen. Die Bestrahlung kann aber auch von der Unterseite bzw. Anoden­ seite her erfolgen, um die Gitterdefekt-Zone herzustellen.

Claims (4)

1. Halbleiterbauelement mit auf einer Seite des Bauelementes gelegener, eine hohe Störstoffkonzentration aufweisender Anodenzone, mit einer Kathodenzone von entgegengesetzter, gleichfalls hoher Störstoffkonzentration auf der anderen Sei­ te des Bauelements, mit einer Zone hohen spezifischen Wider­ standes, die zwischen der Anodenzone und der Kathodenzone gebildet ist, eine geringe Störstoffkonzentration aufweist und einen Strompfad für einen elektrischen Strom bildet, und mit einer Gitterdefekt-Zone, welche die Lebensdauer der La­ dungsträger verkürzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter­ defekt-Zone (16; 56) innerhalb der Anodenzone gelegen ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Pufferzone (30; 80) innerhalb der Zone (15; 55) hohen Spezifischen Widerstandes nahe der Anodenzone (12; 52) gebildet ist und den gleichen Leitungstyp wie die Zone hohen spezifischen Widerstandes sowie eine rela­ tiv höhere Konzentration als die Zone hohen spezifischen Wi­ derstandes aufweist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Gitterdefekt-Zone (16; 56) in der Anodenzone (12; 52) durch Protonenbestrahlung gebil­ det ist, wobei das Maximum der Gitterdefekt-Verteilung inner­ halb der Anodenzone etwa 20 oder 30 µm vom Übergang zwischen der Anodenzone und der Zone hohen spezifischen Widerstandes entfernt gelegen ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die bei Raumtemperatur gemessene Dichte der Gitter­ defekt-Zone (16; 56) 1,5 bis 2,0mal so groß wie die­ jenige Gitterdefekt-Dichte ist, bei welcher die Summe aus Leitungs- und Abschalt-Leistungsverlusten bei Raumtemperatur minimal ist.
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