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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET, der als Leistungsschalter verwendet
wird.
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Der
Markt für
Leistungsschalter verlangt weiterhin Eigenschaften, die durch hohe
Geschwindigkeit, hohe Durchbruchspannung und hohe Leistung gekennzeichnet
sind. Als Ergebnis haben MOSFETs für hohe Leistungen (isolierte
MOSFETs für
hohe Leistungen) Anwendung als Leistungsschalter gefunden und ersetzen zügig ältere Komponenten.
Ein Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET
(Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT)) ist ein Schalter,
der einem herkömmlichen
Transistor in der Durchbruchspannung, Leistung und Betriebsgeschwindigkeit überlegen
ist. Der IGBT wird besonders im Bereich der Invertersteuerung verwendet,
aber seine Anwendung erstreckt sich auch auf andere Bereiche.
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Eine
Grundstruktur eines n-Kanal IGBT ist in 2 gezeigt.
Der n-Kanal IGBT
kann als ein MOSFET für
hohe Leistungen betrachtet werden, ein sogenannter vertikaler DMOS,
in dem ein n+-Bereich, der als Drain-Bereich dient, durch
eine p+-Kollektorbereich 1 ersetzt
ist. Mehrfache Basisbereiche 3 werden selektiv im Oberflächenbereich
eines n–-Bereichs 2 in
Kontakt mit dem p+-Bereich 1 gebildet.
Zwei n+-Sourcebereiche 4 wer den
in der Oberfläche
jedes p-Bereichs 3 gebildet. Zusätzlich wird ein p+-Wannenbereich 5,
der sich tiefer als der p-Bereich 3 erstreckt, im zentralen
Bereich des p-Basisbereichs 3 gebildet. Um einen n-Kanal
in einem p-Basisbereich 30 zwischen den exponierten Teilen
des n+-Sourcebereichs 4 und dem
n–-Driftbereich 2 zu
bilden, wird eine Gateelektrode 7 gebildet, die durch einen
Isolierfilm 6 mit einem Gateanschluß G verbunden ist. Eine Emitterelektrode 8,
die mit einem Emitteranschluß E
durch ein Kontaktloch in dem Isolierfilm 6 verbunden ist,
ist in Kontakt mit der p+-Wanne 5 und
dem n+-Sourcebereich 4. Eine Kollektorelektrode 9,
die mit einem Kollektoranschluß C
verbunden ist, ist mit der p+-Bereich 1 verbunden.
Wenn der Emitteranschluß E
des IGBT auf Masse liegt und eine positive Spannung an den Gateanschluß G und
den Kollektoranschluß C
angelegt wird, wird die Oberfläche
der p-Basisschicht 3, die sich gerade unter der Gateelektrode 7 befindet,
invertiert, um einen Elektronenkanal nach dem gleichen Prinzip zu
bilden wie in MOSFETs hoher Leistung. Unter dieser Bedingung liegt
der n–-Bereich 2 ebenfalls
auf Masse und ein Löcherstrom
wird vom p+-Kollektorbereich 1 in den
n–-Bereich
injiziert. Es werden mit anderen Worten Minoritätsladungsträger (Löcher) in die n–-Schicht
mit hohem Widerstand injiziert. Die Injektion von Minoritätsladungsträgern erhöht die Konzentration
der Elektronen, so daß die
Ladungsneutralitätsbedingung
erfüllt
wird. Daher dient der IGBT als Leistungsschalter mit zufriedenstellend
niedrigem AN-Widerstand wegen des Leitfähigkeitsmodulationseffekts.
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Verschiedene
Probleme sind bei der gegenwärtigen
Verwendung des IGBT als Leistungsschalter erkennbar.
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Wie
in 3 gezeigt, wird ein Emitterstrom IE ausgedrückt durch IE =
Ih + IMOS (1)
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Angenommen,
daß die
Stromverstärkung
eines Streu-pnp-Bipolartransistors 21 bestehend aus dem p-Basisbereich 3,
dem n–-Bereich 2 und
dem p+-Kollektorbereich 1 apnp beträgt,
ist der Löcherstrom
Ih Ih = {apnp/(1 – apnp)} IMOS (2)wobei IMOS ein Elektronenstrom ist. Wenn man Gleichung
(2) in Gleichung (1) einsetzt und umordnet, erhält man IE = {1/(1 – apnp)} IMOS (3)
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Wie
in Gleichung (2) zu sehen, ändert
sich der Löcherstrom
Ih, also der Strom des IGBT, in Abhängigkeit
des Wertes von apnp.
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4 ist
eine Kurve, die eine typische Schaltwellenform des bipolaren Transistors
zum Zeitpunkt seines Ausschaltens zeigt. Wie gezeigt, geht der Schaltvorgang
in zwei Phasen vonstatten. Während
der ersten Phase 41 verschwindet der Kanal und der Elektronenstrom
wird Null. Entsprechend verringert sich der Strom um diesen Betrag.
Während
der zweiten Phase 42 verringert sich der durch den pn–p-Transistor
erzeugte Strom wegen der Rekombination der in der n–-Schicht
verbliebenen Ladungsträger
aufgrund der Ladungsträgerlebensdauer τ in einem
offenen Basiszustand. Demzufolge wird die zweite Phase von dem Injektionsniveau des
Löcherstroms
oder der Ladungstägerlebensdauer τ bestimmt.
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Um
den bipolaren Transistor so zu entwerfen, daß er bei hohen Frequenzen arbeitet,
verwendet der Designer irgendeines der folgenden Verfahren: 1) Das
Injektionsniveau des Löcherstroms
wird gesteuert. Zu diesem Zweck wird eine n+-Pufferschicht
zwischen dem p+-Substrat und der n–-Pufferschicht
mit hohem Widerstand gebildet (siehe zum Beispiel IEEE, IEDM Technical
Digest, 4.3 (1983), Seiten 79 bis 82). 2) Die Konzentration des
p+-Substrats wird gesteuert. 3) Die Ladungsträgerlebensdauer τ wird durch
Verwendung eines Lebensdauersteuerungsprozesses, wie etwa einer
Elektronenbestrahlung oder der Diffusion von Schwermetallen (siehe
zum Beispiel IEEE Trans. Electron. Devices, ED-31 (1984), Selten
1790 bis 1795), reduziert. Jedes dieser herkömmlichen Verfahren erfordert
einen Abstrich bei der AN-Spannung des bipolaren Transistors. Dieser
Abstrich kann beträchtlich
verringert werden, wenn es ein Verfahren gäbe, die Ladungsträger herauszuziehen
in den p+-Substratbereich oder zu einer
anderen Elektrode.
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Der
IGBT besitzt ein weiteres Problem zusätzlich zu dem Streu-pnp-Bipolartransistor 21.
Wie in 3 gezeigt, existiert
ein weiterer Streu-npn-Bipolartransistor 22.
Dieser npn-Bipolartransistor besteht aus einem n+-Sourcebereich 4,
einem p-Basisbereich 3 und n–-Driftbereich 2.
Diese Streutransistoren 21 und 22 besitzen jeweils
die Stromverstärkungen
apnp und anpn und
wirken zusammen bei der Bildung im wesentlichen einer npnp-Thyristorstruktur.
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Demzufolge
kann das sogenannte Latch-up-Phänomen
auftreten, bei dem der Thyristor anschaltet, wenn die Summe der
Stromverstärkungen
größer oder
gleich 1 ist, also apnp + anpn ≥ 1. Sobald
Latch-up auftritt, verliert der IGBT die Gatesteuerung über den
Strom und wird im schlimmsten Fall zerstört. Diese Extremfälle des
Latch-up, wobei der IGBT abrupt zerstört wird, müssen eliminiert werden, insbesondere
bei der Anwendung in der Invertersteuerung.
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Typische
Maßnahmen,
die bislang gegen das Latch-up-Phänomen ergriffen wurden sind:
1) Verringern des Basiswiderstandes in der p+-Wanne 5,
um das Aktivieren der Streutransistoren zu kontrollieren (siehe zum
Beispiel IEEE Trans. Electron Devices, ED-32 (1985), Seite 2554).
2) Reduktion der Majoritätsladungsträger in der
p-Basisschicht 3 und 3) Reduktion des in dem Bereich des
Emitter/Basisübergangs
konzentrierten Stroms des Elements (siehe zum Beispiel US-Patent
Nr. 4.809.045). Nichtsdestoweniger hat der Zerstörungswert (Lastkurzschlußmodus)
eines IGBT unter Verwendung irgendeiner der obigen Maßnahmen
noch nicht den eines herkömmlichen
Bipolartransistors erreicht. Jedoch könnte die Gefahr des Auftretens
des Latch-up-Phänomens
verringert werden, wenn die Stromverstärkung eines der Streubipolartransistoren 21 oder 22 deutlich
verringert würde.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung einen Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET
gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Leitfähigkeitsmodulations-MOSFETs.
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Ein
Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus der DE-PS
36 28 857 bekannt. Die darin beschriebene Struktur weist an der
Drain-Seite einen P-N-Übergang auf.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten IGBT
zur Verfügung
zu stellen mit einer verbesserten Schaltgeschwindigkeit und einem
verbesserten Ausgleich der AN-Spannung und der Stromfallzeit bei
dem die Stromverstärkung
jedes des in dem Substrat gebildeten Streutransistors reduziert
ist, wodurch das Latch-up verhindert wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET
mit den Merkmalen des Anspruch 1, sowie durch das Verfahren sowie
durch das Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 9.
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die der Beschreibung zugefügt sind und ein Bestandteil
dieser darstellen, stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erklärung der
Prinzipien der Erfindung.
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1 ist
ein Querschnitt eines Teils eines IGBT entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 Ist
ein Querschnitt eines Teils eines herkömmlichen IGBT.
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3 ist
ein Querschnitt des IGBT aus 2, in dem
die Stromflüsse
und äquivalenten
Schaltkreise gezeigt sind.
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4 ist
eine Kurve, die eine typische Schaltwellenform eines IGBT zu dem
Zeitpunkt zeigt, wenn er ausgeschaltet wird.
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5 ist
ein Querschnitt eines Teils eines IGBT entsprechend einem weiteren
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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6 ist
ein Querschnitt eines Teils eines IGBT entsprechend einem weiteren
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Die 7(a)–7(c) zeigen Teile eines Verfahrens zum Herstellen
eines IGBT nach der vorliegenden Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel
eines Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET
als ein Metallkollektor-IGBT nach der vorliegenden Erfindung. Teile
der Zeichnung sind äquivalent
zu Teilen von 2 und sind mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel,
wie in 1 gezeigt, sind in der Oberfläche eines n–-Bereichs 2 mit hohem
Widerstand ein p-Basisbereich 3, ein n+-Sourcebereich 4 und
ein p+-Wannenbereich 5 gebildet,
wie in 2. Ein Gateoxydfilm 6 und ein polykristallines
Gate 7 sind auf einer größeren Oberfläche der
Struktur gebildet. Auf der anderen größeren Oberfläche auf
der anderen Seite der Struktur kontaktiert eine Metallelektrode 10 direkt
den Bereich hohen Widerstands 2, um eine Schottkybarriere
zu bilden. Eine Ni-Au-Schicht oder eine Ni-Ag-Schicht (nicht gezeigt),
die lötbar
ist, ist außerdem
auf der Metallelektrode 10 aufgebracht.
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Entsprechend
der Erfindung bilden die Elektrode, die in Kontakt mit der Oberfläche des
IGBT ist, die gegenüber
der Oberfläche
liegt, die die isolierte Gatestruktur enthält, und das Halbleitersubstrat
eine Schottkydiode (SD). In einer n-Typ SD sind die Majoritätsladungsträger, wenn
die SD vorwärts
gespannt ist, thermisch emittierte Elektronen. Der Strom der SD
enthält
eine Stromkomponente mit Minoritätsladungsträgers, die
aus der Injektion von Löchern
von der Metallseite in die Halbleiterseite herrühren.
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Der
Artikel mit dem Titel "Metall-Halbleiterkontakte" von Rhode beschreibt,
daß ein
Löcherstrom
ausgedrückt
wird durch Jh = (qDhPO/L)·{exp(qV/kT) – 1} (4)
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In
Gleichung (4) ist PO = ni 2/Nd, wobei ni die Elektronendichte und Nd die
Donatorenkonzentration in einem intrinsischen Bereich sind. Der
Ausdruck "q" bezeichnet einen
Absolutwert der Elektronenladung. Dh ist ein
Löcherdiffusionskoeffizient
im Volumenhalbleiter. L ist die Dicke einer pseudo-neutralen Region
des Volumenhalbleiters.
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Eine
Löcherinjektionsrate γ
h als
Verhältnis
des Minoritätsladungsträger- (Löcher-) Stroms
J
h zum Gesamtstrom J der SD, J = J
h + J
e, ist gegeben
durch
wobei
A* der effektive Richardsonkoeffizient ist.
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Im
einer allgemeinen SD ist Φb eine Barrierenhöhe und ist fast 0,8 eV, nd ist fast gleich 1016 cm–3 und L
ist fast gleich 5·10–4 und
die Löcherinjektion
ist im allgemeinen vernachlässigbar.
Aus diesem Grund wird die SD eine Majoritätsladungsträgervorrichtung genannt. Entsprechend
dem oben stehenden kann γh auf 10–2 oder höher eingestellt
werden, wenn die Barrierenhöhe Φb hoch und die Nd-Konzentration
niedrig ist. Es kann mit anderen Worten die Injektion von Minoritätsladungsträgern durch
Verwendung einer Schottkybarriere realisiert werden. Wenn Minoritätsladungsträgerinjektion
möglich
ist, entsteht eine Leitfähigkeitsmodulation
im n–-Bereich
hohen Widerstands, und daher kann die AN-Spannung verringert werden. Der Injektionswert
der Minoritätsladungsträger kann
gesteuert werden durch die Barrierenhöhe Φb und
die Nd-Konzentration.
Wenn der gesamte, durch die Schottkybarriere fließende Strom
J zunimmt, nahm der Wert γh ebenfalls zu. Daher kann erwartet werden,
daß sowohl
die Injizierten Minoritätsladungsträger als
auch der Strom vergrößert werden
können.
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Im
Falle eines herkömmliche
IGBT, wie oben beschrieben, sind im ausgeschalteten Zustand die
in dem n–-Bereich
hohen Widerstands gespeicherten Löcher und Elektronen gleich
denen im ausgeschalteten Zustand zur Zeit der Basisöffnung,
bei dem der Kanal nicht in dem Kanalbereich unter der Gateelektrode
gebildet ist, da keine Spannung an der Gateelektrode anliegt. Die
meisten dieser Ladungsträger
werden durch Verschwinden aufgrund der Ladungsträgerlebensdauer τ beschränkt. Im
Gegensatz dazu werden bei dem Metallkollektor-IGBT nach der vorliegenden
Erfindung im ausgeschalteten Zustand die Elektronen im n–-Bereich
hohen Widerstands gleich zur Drainelektrode gezogen. Ein schnellerer
Schaltbetrieb wird aus folgenden zwei Gründen verwirklicht: Erstens
ist die Re duzierung der Ladungsträgerlebensdauer τ im n–-Bereich
hohen Widerstands geringer als in einem herkömmlichen IGBT. Zweitens ist
der Spannungsabfall an der Schottkybarriere kleiner als das pn-Übergangsdiffusionspotential
eines herkömmlichen
IGBT.
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Das
oben beschriebene Latch-up-Phänomen,
das in herkömmlichen
IBGTs auftritt wird im Metallkollektor-IGBT nach der vorliegenden
Erfindung mininiert, indem einer der bipolaren Streutransistoren
als pn–p-Bipolartransistor
mit dem Emitter als Schottkybarriere konstruiert wird. Die Stromverstärkung a
des pn–p-Bipolartransistors
mit Schottkybarriere ist kleiner als die des pn–p-Bipolartransistors
mit dem pn-Übergang,
wie man ihn im herkömmlichen
IGBT findet. Daher unterliegt der Metallkollektor-IGBT nach der vorliegenden
Erfindung weniger dem Latch-up-Phänomen.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Metallkollektor-IGBT nach der vorliegenden Erfindung. Um eine
Durchbruchsspannung in dem schmalen n–-Bereich 2 hohen
Widerstands zu erreichen, wird ein Bereich 11 eines n-Typ
Materials mit einer hohen Dotierstoffkonzentration im Bereich von
1014 bis 5·1015 cm–3 unter
dem n–-Bereich 2 hohen
Widerstands angeordnet. Der n-Bereich 11 ist mit einem
Schottkybarrieren-Metallfilm 10 als Kollektorelektrode
bedeckt. Das Barrierenmetall kann irgendeines von Pd, Al, Pt, Pt-Silizid,
Au, Mo, Mo-Silizid, Cr, Cr-Silizid, Ni, Ni-Silizid, Ti, Ti-Silizid
und dergleichen sein. Wenn eine Injektionsmenge notwendiger Minoritätsladungsträger geeignet
ausgewählt
ist, ist es möglich,
ein Barrierenmetall mit einer geeigneten Barrierenhöhe Φb auszuwählen.
Es wird zum Beispiel ein Injektionsverhältnis von 10–3 oder mehr
für 100
A/cm2 eines gesamten Schottkybarrierenstroms
eingestellt. Die Gateelektrode 7 ist mit einem Gateanschluß G durch
einen Leiter 71 in einer Öffnung in einer Emitterelektrode 8 verbunden.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise
verwendet, wenn eine Zunahme der Injektionsmenge von Löchern erwünscht wird.
Entsprechend diesem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
umfaßt
ein Kollektorteil eine Schottkybarriere 20 und einen p+-Kollektorbereich 1. Durch Verändern des
Flächenverhältnisses
dieser Teile kann das Minoritätsträgerinjektionsverhältnis variiert
werden. Außerdem
kann auch das Abziehen der in dem n–-Bereich 2 gespeicherten
Ladungsträger
kontrolliert werden.
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Als
nächstes
wird ein Herstellungsverfahren eines Metallkollektor- IGBT beschrieben.
Um die Leistung des IGBT zu verbessern, ist es vorzuziehen, eine
minimale Dicke für
die n–-Schicht 2 hohen
Widerstands zu verwenden, um die notwendige Durchbruchsspannung
zu erhalten. Eine Dicke der n–-Schicht 2 im
Bereich von etwa 10 bis 15 μm
genügt
bei einer Dotierstoffkonzentration im n–-Bereich
von 1014 cm–3.
Es ist jedoch unpraktisch einen Wafer solcher Dicke im Herstellungsprozeß zu verwenden,
da ein solch dünner,
zerbrechlicher Wafer in den anfänglichen
Prozeßschritten
Probleme verursacht.
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Um
solche Probleme zu vermeiden, wird das folgende Herstellungsverfahren
verwendet (siehe 7(a)–7(c)).
Ein mit Neutronen bestrahlter FZ-Wafer 50, der aus einem
Einkristall gewonnen wurde, der nach dem Float-Zone-Verahren hergestellt
wurde und durch Neutronenbestrahlung dotiert wurde, mit n–-Leitfähigkeit
und einer Dotierstoffkonzentration von 8·1013 cm–3 und
mit einer <100>-Kristallachse, wird
zunächst
vorbereitet. Zur Vorbereitung des FZ-Wafers wird zunächst ein
n-Typ Diffusionsbereich mit einer Oberflächendotierstoffkonzentration
von ungefähr
1015 cm–3 und
einer Tiefe von 50 μm
in einem Wafer von 200 bis 250 μm
Dicke durch Ionenimplantation gebildet. Der resultierende Wafer
wird auf einen CZ-Wafer 60 mit 300 μm Dicke, der aus einem nach
dem Czockralskl-Verfahren hergestellten Einkristall gewonnen wurde,
mit einem SiO2-Film dazwischen gebondet.
Als Ergebnis erhält
man einen Wafer von 500 μm
Dicke.
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Als
nächstes
wird ein Feldoxydfilm 70 auf der FZ-Waferoberfläche des
resultierenden Wafers gebildet (siehe 7(a)),
der Oxydfilm wird durch einen Photolithographieprozeß gestaltet
(siehe 7(b)) und eine p+-Wanne 5 von
etwa 8 μm
Tiefe wird gebildet (siehe 7(c)),
die Teil der Basisdiffusionsschicht sein wird. Danach wird ein Gateoxydfilm 6 von
800 Å gebildet.
Eine Gateelekrode 7 als polykristalliner Film von 10000 Å wird dann über dem
Gateoxydfilm 6 geformt. Mit dem Gateoxydfilm als Maske
wird ein p-Basisdiffusionsbereich 3 von 5 μm Tiefe gebildet.
Dann wird ein n+-Sourcediffusionsbereich 4 von
0,25 μm
Tiefe durch dieselbe Maske geformt. Aus diese Weise wird ein Kanalbereich 30 unter
der Gateelektrode 7 geformt. Im Falle des IGBT von 5 wird
nach dem Bilden des Kanalbereichs ein CVD-Oxydfilm aufgewachsen
und ein Kontaktloch wird darin geöffnet, dann wird eine Al-Si-Legierung
aufgebracht, so daß eine
Emitterelektrode 8 und ein Gateverbindungsleiter 71 gebildet
werden. Als nächstes
wird die Rückseite
der Struktur abgetragen bis die n-Diffusionsschicht 11 (deren
Oberflächendotierstoffkonzentration
etwa 1015 cm–3 beträgt) des
FZ-Wafers erscheint. Die resultierende Rückseite wird poliert und ein
Film 10 aus Pt oder Pt-Silizid wird darauf geformt. Hiermit
ist das Herstellungsverfahren abgeschlossen.
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Wie
in der vorstehenden Beschreibung zu sehen, ist eine Elektrode zum
Bilden einer Schottkybarriere in Kontakt mit der Oberfläche eines
n-Typ Halbleitersubstrats,
die gegenüber
der Oberfläche
des Substrats liegt, die ein Isoliergate der vertikalen DMOS-Struktur
enthält.
Die Barrierenhöhe
der Schottkybarriere wird geeignet ausgewählt, so daß der Ausgleich zwischen der
AN-Spannung und der Schaltzeit des IGBT deut lich verbessert werden
kann. Weiterhin wird einer der Streu-pnp-Transistoren von einem
pn-Übergang-Bipolartransistor
in einen Schottkybarrieren-Emitter-Bipolartransistor umgewandelt.
Als Ergebnis wird die Stromverstärkung des
Streutransistors deutlich verringert und das Risiko des Auftretens
des Latch-up-Phänomens,
das in herkömmlichen
IGBTs auftritt, wird stark verringert.
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Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann sofort klar sein.
Die Erfindung in ihrem weitesten Sinne ist daher nicht auf bestimmte
Details, repräsentative
Vorrichtungen und darstellende Beispiele, wie sie gezeigt und beschrieben
wurden, beschränkt.
Demzufolge kann von derartigen Details abgewichen werden, ohne vom
Geist und Umfang des allgemeinen Erfindungsgedankens des Anmelders
abzuweichen.
