DE4114349C2

DE4114349C2 - Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT)

Info

Publication number: DE4114349C2
Application number: DE4114349A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Iwamuro
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2011-05-03
Also published as: DE4114349A1

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 Sourceelektrode 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 Oberfläche eines p⁺- Substrats 1 steht und mit einem Drainanschluß D verbunden ist. Ein derartiger Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist beispielsweise aus der DE 36 28 857 A1 bekannt.

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 Leitfähig keitsmodulation in der n^--Schicht 3 und einer Abnahme des Widerstands in dieser Zone führt.

Allerdings hat dieses Schaltelement den Nachteil, daß der Verlust während des Schaltvorgangs zunimmt, obwohl die Einschaltspannung herabgesetzt ist. Diese Unzulänglichkeit existiert in ähnlicher Weise bei einem p-Kanal-IGBT, bei dem der Leitungstyp gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten n-Kanal-IGBT umgekehrt ist. Um dieses Problem zu lösen, wird so verfahren, daß ein Elektronenstrahl auf das Element gerichtet wird, oder daß Gold eindiffundiert wird, um die Rekombinationsgeschwin digkeit der Elektronen und Löcher heraufzusetzen. Allerdings hat diese Vorgehensweise leider eine erhöhte Einschaltspannung (Spannung im Einschaltzustand) zur Folge. In anderen Worten: Die Einschaltspannung ist umgekehrt proportional zu der Schaltzeit. Mithin ist es sehr schwierig, beide Kennwerte gleichzeitig zu verbessern.

Aus der genannten DE 36 28 857 A1 ist ferner eine Anordnung bekannt, bei der statt der durchgehenden p⁺ Drainschicht in der n⁺ Pufferschicht p⁺ Inseln ausgebildet sind, deren Tiefe, ausgehend von der der n^- Schicht abgewandten Oberfläche gerin ger als die der n⁺ Pufferschicht ist. Dies soll dazu beitra gen, die Gefahr eines Latch-up-Effekts zu vermeiden, erhöht aber die Durchlaß- bzw. Einschaltspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen IGBT anzuge ben, 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 I_D1 des erfindungsge mäßen Bauelements während eines Ausschaltvorgangs, durch ausgezogene Linien dargestellt, wesentlich stärker unter drückt wird als der Drainstrom I_D2 bei dem herkömmlichen Bauelement. Die Bezeichnungen V_D1 und V_D2 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 V_D = 15,0 V lediglich I_D = 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

1. Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), bei dem eine erste Zone (1) vom ersten Leitungstyp (p⁺) mit hoher 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 auf einanderliegen,
eine vierte Zone (4) vom ersten Leitungstyp (p⁺) an der Oberfläche der dritten Zone (3) gebildet ist,
eine fünfte Zone (5) des zweiten Leitungstyps (n⁺) mit hoher Dotierstoffkonzentration selektiv an der Oberfläche der vierten Zone (4) gebildet ist,
eine Gateelektrode (8) über einer Isolierschicht (7) auf dem Oberflächenteil (41) der zwischen der dritten und der fünften Zone (3, 5) eingeschlossenen vierten Zone (4) gebildet ist,
eine Sourceelektrode (9) die Oberfläche der vierten und der fünften Zone (4, 5) gemeinsam kontaktiert, und
eine Drainelektrode (10) in Kontakt mit der Oberfläche der ersten Zone (1) steht,
dadurch gekennzeichnet,
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 der zweiten Zone (2) abgewandten Oberfläche der ersten Zone (1) mit einer Tiefe derart ausgebildet ist, daß die zweite Zone (2) nicht erreicht wird.

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.