DE4114349A1 - Bipolartransistor mit isoliertem gate (igbt) - Google Patents
Bipolartransistor mit isoliertem gate (igbt)Info
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bipolartransistor mit isolier
tem Gate (IGBT), der an seiner Oberfläche eine MOS-Struktur
aufweist und als spannungsgesteuertes Schaltelement verwen
det wird.
In der jüngsten Zeit ist der Bipolartransistor mit isolier
tem Gate (IGBT) mehr und mehr als Leistungsschaltelement
eingesetzt worden. Wenn man als Beispiel für einen solchen
Transistor einen n-Kanal-IGBT betrachtet, so ist bei dessen
Struktur zu einer Drainelektrode des n-Kanal-Vertikal-MOS-
FETs eine p⁺-Schicht hinzugefügt.
Wie Fig. 2 zeigt, ist benachbart zu einer p⁺-Drainschicht 1
(erste Zone) eine n⁺-Pufferschicht 2 (zweite Zone) geringen
Widerstands ausgebildet, und der zweiten Zone benachbart
ist eine n⁻-Schicht 3 (dritte Zone) hohen Widerstands.
Außerdem ist selektiv auf der Oberfläche der n⁻-Schicht 3
eine p⁺-Schicht 4 (vierte Zone) gebildet, während auf der
Oberfläche der p⁺-Schicht 4 eine n⁺-Sourceschicht 5 (fünfte
Zone) gebildet ist. Eine mit einem Gateanschluß G versehene
Gateelektrode 8 ist über einer Gateisolierschicht 7 ausge
bildet, wobei eine Oberflächenzone 41 zwischen der n⁻-
Schicht 3 auf der p⁺-Schicht 4 und der n⁺-Schicht 5 als Ka
nalzone verwendet wird. Weiterhin steht eine Sourceelek
trode 9 gemeinsam in Kontakt mit der p⁺-Schicht 4 und der
n⁺-Schicht und ist an einen Sourceanschluß angeschlossen,
während eine Drainelektrode 10 in Kontakt mit der Oberflä
che eines p⁺-Substrats 1 steht und mit einem Drainanschluß
D verbunden ist.
Wenn bei diesem Bauelement die Sourceelektrode 9 auf Masse
gelegt und ein positives Potential an das Gate 8 und an die
Drainelektrode 10 gelegt wird, so schaltet der MOSFET ein,
indem Elektronen von der n⁺-Schicht 5 über die Kanalzone 41
in die n⁻-Schicht 3 fließen können. Entsprechend diesem
Strom erfolgt eine Löcherinjektion von dem p⁺-Substrat 1
her über die n⁺-Schicht 2 in die n⁻-Schicht 3, was zu einer
Leitfähigkeitsmodulation in der n⁻-Schicht 3 und einer Ab
nahme des Widerstands in dieser Zone führt.
Allerdings hat dieses Schaltelement den Nachteil, daß der
Verlust während des Schaltvorgangs zunimmt, obwohl die Ein
schaltspannung herabgesetzt ist. Diese Unzulänglichkeit
existiert in ähnlicher Weise bei einem p-Kanal-IGBT, bei
dem der Leitungstyp gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten n-Ka
nal-IGBT umgekehrt ist. Um dieses Problem zu lösen, wird so
verfahren, daß ein Elektronenstrahl auf das Element gerich
tet wird, oder daß Gold eindiffundiert wird, um die Rekom
binationsgeschwindigkeit der Elektronen und Löcher herauf
zusetzen. Allerdings hat diese Vorgehensweise leider eine
erhöhte Einschaltspannung (Spannung im Einschaltzustand)
zur Folge. In anderen Worten: Die Einschaltspannung ist um
gekehrt proportional zu der Schaltzeit. Mithin ist es sehr
schwierig, beide Kennwerte gleichzeitig zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen IGBT an
zugeben, der die oben aufgezeigten Mängel nicht aufweist,
und sich durch ein verbessertes Schaltverhalten bei verrin
gerter Einschaltspannung auszeichnet.
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung einen Bipolartran
sistor mit isoliertem Gate (IGBT), der folgende Merkmale
aufweist: Eine erste Zone vom ersten Leitungstyp mit hoher
Dotierstoffkonzentration, eine zweite Zone vom zweiten Lei
tungstyp mit hoher Dotierstoffkonzentration und eine dritte
Zone vom zweiten Leitungstyp mit geringer Dotierstoffkon
zentration sind in dieser Reihenfolge miteinander verbun
den, eine vierte Zone vom ersten Leitungstyp ist auf der
Oberfläche der dritten Zone gebildet, eine fünfte Zone des
zweiten Leitungstyps ist selektiv auf der Oberfläche der
vierten Zone mit hoher Dotierstoffkonzentration gebildet,
auf der Oberfläche der vierten Zone ist über einer Isolier
schicht unter Verwendung der zwischen der dritten und der
fünften Zone eingeschlossenen Fläche eine Gateelektrode an
geordnet, eine Sourceelektrode kontaktiert die Oberfläche
der vierten und der fünften Zone gemeinsam, und eine Drain
elektrode steht in Kontakt mit der Oberfläche der ersten
Zone, wobei die Dotierstoffkonzentration der dritten Zone
weniger als 3,0×1013 cm-3 beträgt und eine sechste Zone
des zweiten Leitungstyps mit hoher Dotierstoffkonzentration
auf der Oberfläche der ersten Zone mit einer Tiefe ausge
bildet ist, welche die zweite Zone nicht erreicht.
Eine Erläuterung kann anhand eines n-Kanal-IGBT als Bei
spiel erfolgen. Elektronen aus der Kanalzone werden in ei
nem Einschalt-Strom in die n-leitende dritte Zone in Rich
tung auf den Drain umgekehrt, und die meisten Elektronen
fließen aus der Drainelektrode durch die n-leitende sechste
Zone hoher Dotierstoffkonzentration. Jedoch erfolgt eine
Löcherinjektion von der ersten Zone (Drainschicht) aus, die
zwischen der sechsten Zone und der zweiten Zone, das heißt
zwischen den Pufferschichten, verbleibt, wobei der gleiche
Vorgang auch von der ersten Zone aus erfolgt, auf der die
sechste Zone nicht ausgebildet ist. Damit wird die Leitfä
higkeitsmodulation in der dritten Zone geringer Dotier
stoffkonzentration beschleunigt und die Einschaltspannung
herabgesetzt. Beim Abschalten fließen die in der dritten
Zone angesammelten Elektronen rasch durch die sechste Zone,
und da die Dotierstoffkonzentration in der dritten Zone nur
3,0×1013 cm-3 oder weniger beträgt, breitet sich die Ver
armungsschicht rasch aus, um auch bei einer relativ gerin
gen Drainspannung durch die zweite Zone hindurchzureichen.
Im Ergebnis verringert sich der Strom, wenn das Bauelement
ausgeschaltet wird, und es verringert sich der Verlust wäh
rend des Ausschaltens. Es ist ersichtlich, daß diese Vor
gänge auch in einem p-Kanal-IGBT stattfinden, wenn man
Elektronen und Löcher vertauscht.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an
hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines IGBT gemäß einer Aus
führungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines herkömmlichen IGBT,
Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines IGBT gemäß ei
ner Ausführungsform der Erfindung einerseits und
einer herkömmlichen Struktur andererseits, und zwar
während eines Ausschaltvorgangs, und
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung der Aus
schaltverluste und der Einschaltspannung bezüglich
einer Dotierstoffkonzentration der dritten Zone ei
ner Ausführungsform eines erfindungsgemäßen IGBTs.
Für gleiche und ähnliche Teile sind in den Fig. 1 und 2
gleiche Bezugszeichen verwendet. Der IGBT nach Fig. 1 wird
wie folgt hergestellt: Zunächst wird über einer Gateoxid
schicht 7 auf der Oberfläche eines n⁻-Substrats 3 mit einer
Dicke von 250 µm und einer Dotierstoffkonzentration von
5,0×1012 cm-3 eine Gateelektrode 8 aus Polysilicium gebildet,
und unter Verwendung der gleichen Maske wie bei der Muster
bildung der Gateelektrode und der Gateoxidschicht werden
Ionen injiziert, um in der vierten Zone die p⁺-Schicht 4
auszubilden. Gleichzeitig werden andere Ionen injiziert, um
die n⁺-Schicht 2 und die p⁺-Schicht 1 in der zweiten Zone
auf der Rückseite des n⁻-Substrats 3 in der dritten Zone
auszubilden. Die Ionen werden dann durch Wärmebehandlung
diffundiert. Durch diesen Prozeß werden eine p⁺-Schicht 1
mit einer Oberflächen-Dotierstoffkonzentration von
8×1018 cm-3 und einer Dicke von 5 µm und eine n⁺-Schicht 2 mit
einer maximalen Dotierstoffkonzentration von 8×1017 cm-3
und einer Dicke von 15 µm zusammen mit der p⁺-Schicht 4 ge
bildet. Dann wird durch eine Ioneninjektion und thermische
Diffusion unter Verwendung der Gateelektrode 8 als Maske
die n⁺-Schicht 5 gebildet, und die n⁺-Schicht 6 in der
sechsten Zone wird durch eine Ioneninjektion und eine ther
mische Diffusion unter Verwendung der auf der Rückseite be
findlichen Maske ausgebildet. Die Oberflächen-Dotierstoff
konzentration der n⁺-Schicht 6 beträgt 7×1018 cm-3 bei ei
ner Dicke von 4 µm, während das Flächenverhältnis zu der
Substratfläche etwa 30% beträgt. Anschließend werden nach
einander die Isolierschicht 7, die Sourceelektrode 9 und
die Drainelektrode 10 ausgebildet und mit einem Muster ver
sehen. Derweil gibt es keinerlei Elektronenstrahl-Bestrah
lung oder Gold-Diffusion des Bauelements, um dadurch etwa
die Rekombinationsgeschwindigkeit heraufzusetzen.
Die Meßwerte der Ausschalt-Wellenform des so hergestellten
IGBT sind in Fig. 3 zusammen mit der Ausschaltwellenform
des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Bauelements, welches
keine n⁺-Schicht 6 aufweist, dargestellt. Die Zeichnung
veranschaulicht, daß der Drainstrom ID1 des erfindungsge
mäßen Bauelements während eines Ausschaltvorgangs, durch
ausgezogene Linien dargestellt, wesentlich stärker unter
drückt wird als der Drainstrom ID2 bei dem herkömmlichen
Bauelement. Die Bezeichnungen VD1 und VD2 bezeichnen die
Drainspannung der Elemente gemäß der Erfindung beziehungs
weise dem Stand der Technik. Eine Messung des Ausschaltver
lusts bei beiden Bauelementen zu dieser Zeit ergab, daß das
erfindungsgemäße Bauelement einen spürbar geringeren Ver
lust aufwies, der etwa 1/10 bis 1/50 des Verlusts des her
kömmlichen Bauelements betrug. Die Einschaltspannung für
das Bauelement nach diesem Ausführungsbeispiel beträgt 3,6 V,
liegt also etwas höher als die 3,1 V des herkömmlichen
Bauelements, und zwar aufgrund des Vorhandenseins der n⁺-
Schicht 6, die zur Verringerung der Löcherinjektions-Wirk
samkeit dient. Allerdings bedeutet dies eine spürbare Ver
besserung im Vergleich zu dem Bauelement, welches mit einem
Elektronenstrahl bestrahlt wird oder bei dem Gold diffun
diert wird, was zu einer verringerten Lebensdauer führt
und, wobei die Einschaltspannung einen so hohen Wert wie
4,5 V erreicht.
Fig. 4 zeigt die Einschaltspannung und den Ausschaltverlust
für das Bauelement mit dem Aufbau nach Fig. 1 bei veränder
ter Dotierstoffkonzentration in dem n⁻-Substrat. Der Rest
ist unverändert. Fig. 4 zeigt, daß der Ausschaltverlust ra
pide zunimmt, wenn die Dotierstoffkonzentration in der n⁻-
Schicht 3 den Wert von 3,0×1013 cm-3 übersteigt. Aller
dings ändert sich die Einschaltspannung nur geringfügig.
Es wurde die Einschaltspannung bei einem Bauelement mit
"kurzem Drain" gemessen, bei dem die Tiefe der n⁺-Schicht 6
bei niedriger Dotierstoffkonzentration der n⁻-Schicht 3 so
vergrößert wurde, daß sie mit der n⁺-Schicht 2 vollständi
gen Kontakt hatte. Dabei flossen bei VD = 15,0 V lediglich
ID = 0,2 A, und es gab keinen bipolaren Betrieb.
Die Erfindung schafft einen IGBT mit relativ niedriger Ein
schaltspannung und geringen Schaltverlusten dadurch, daß
eine Zone eines Leitungstyps, welcher demjenigen der Drain
schicht entgegengesetzt ist, in einem Teil der IGBT-Drain
schicht mit einer Tiefe ausgebildet wird, welche keinen
Kontakt mit der Pufferschicht gestattet. Auf diese Weise
kann eine Anzahl von Ladungsträgern während eines Aus
schaltvorgangs von der einen hohen Widerstand aufweisenden
Schicht durch die Zone fließen, ohne übermäßig das Ausmaß
der Leitfähigkeitsmodulation abzuschwächen, während gleich
zeitig dadurch, daß die Dotierstoffkonzentration der einen
hohen Widerstand aufweisenden Schicht geringer als
3,0×1013 cm-3 gemacht wird, die Verarmungsschicht sich rasch
ausbreiten kann und der Strom während des Ausschaltvorgangs
unterdrückt wird.
Claims (3)
1. Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), bei
dem eine erste Zone (1) vom ersten Leitungstyp (p⁺) mit ho
her Dotierstoffkonzentration,
eine zweite Zone (2) vom zweiten Leitungstyp (n⁺) mit hoher Dotierstoffkonzentration, und
eine dritte Zone (3) vom zweiten Leitungstyp (n⁻) mit geringer Dotierstoffkonzentration in dieser Reihenfolge an einandergrenzen,
eine vierte Zone (4) vom ersten Leitungstyp (p⁺) auf der Oberfläche der dritten Zone (3) gebildet ist,
eine fünfte Zone (5) des zweiten Leitungstyps (n⁺) selektiv auf der Oberfläche der vierten Zone (4) mit hoher Dotierstoffkonzentration gebildet ist,
auf der Oberfläche der vierten Zone (4) über einer Isolierschicht (7) unter Verwendung der zwischen der drit ten und der fünften Zone (3, 5) eingeschlossenen Fläche (41) eine Gateelektrode (8) angeordnet ist,
eine Sourceelektrode (9) die Oberfläche der vierten und der fünften Zone (4, 5) gemeinsam kontaktiert, und
eine Drainelektrode (10) in Kontakt mit der Oberflä che der ersten Zone (1) steht, dadurch gekenn zeichnet,
daß die Dotierstoffkonzentration der dritten Zone (3) weniger als 3,0×1013 cm-3 beträgt, und
eine sechste Zone (6) des zweiten Leitungstyps (n⁺) hoher Dotierstoffkonzentration an der Oberfläche der ersten Zone (1) mit einer Tiefe ausgebildet ist, welche die zweite Zone (2) nicht erreicht.
eine zweite Zone (2) vom zweiten Leitungstyp (n⁺) mit hoher Dotierstoffkonzentration, und
eine dritte Zone (3) vom zweiten Leitungstyp (n⁻) mit geringer Dotierstoffkonzentration in dieser Reihenfolge an einandergrenzen,
eine vierte Zone (4) vom ersten Leitungstyp (p⁺) auf der Oberfläche der dritten Zone (3) gebildet ist,
eine fünfte Zone (5) des zweiten Leitungstyps (n⁺) selektiv auf der Oberfläche der vierten Zone (4) mit hoher Dotierstoffkonzentration gebildet ist,
auf der Oberfläche der vierten Zone (4) über einer Isolierschicht (7) unter Verwendung der zwischen der drit ten und der fünften Zone (3, 5) eingeschlossenen Fläche (41) eine Gateelektrode (8) angeordnet ist,
eine Sourceelektrode (9) die Oberfläche der vierten und der fünften Zone (4, 5) gemeinsam kontaktiert, und
eine Drainelektrode (10) in Kontakt mit der Oberflä che der ersten Zone (1) steht, dadurch gekenn zeichnet,
daß die Dotierstoffkonzentration der dritten Zone (3) weniger als 3,0×1013 cm-3 beträgt, und
eine sechste Zone (6) des zweiten Leitungstyps (n⁺) hoher Dotierstoffkonzentration an der Oberfläche der ersten Zone (1) mit einer Tiefe ausgebildet ist, welche die zweite Zone (2) nicht erreicht.
2. Bipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche
der sechsten Zone zu der Fläche der ersten Zone etwa 30%
beträgt.
3. Bipolartransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Diffusionstiefe der
sechsten Zone (6) etwa vier Fünftel der Tiefe der ersten
Zone (1) beträgt.
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