JP4116098B2 - 縦形パワーｍｏｓｆｅｔ - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、第１の伝導形で所定のドーピング濃度の内部領域を有し、前記内部領域と半導体の第１表面に接している第２の伝導形の少なくとも１つのベース領域を有し、該ベース領域内にはそれぞれ少なくとも１つのソース領域が埋め込まれており、前記半導体の第１表面と対向している半導体の第２表面に接するドレイン領域を有し、前記内部領域内で逆電圧のもとで拡張する空間電荷領域内部に配設された第２の伝導形の付加的領域を有し、前記第２の伝導形の付加的領域間に存在し、前記内部領域よりも高めにドーピングされる少なくとも１つの第１の伝導形の付加的領域を有し、前記第２の伝導形の付加的領域と前記第１の伝導形の付加的領域のドーピングレベルと、前記第２の伝導形の付加的領域の間隔は相互に、それらの電荷キャリヤが逆電圧の印加のもとで十分除去されるように選定されている、半導体を備えた縦形パワーＭＯＳＦＥＴに関する。
この種の縦形パワーＭＯＳＦＥＴは例えばドイツ連邦共和国特許出願DE 43 09 764 C2に記載されている。
この公知の縦形パワーＭＯＳＦＥＴ（これは図３に断面図が示されている）は、低濃度ｎ形ドーピングされた内部領域１を有している。半導体の上面２にはｐ伝導形のベース領域３が被着されている。そしてこのベース領域３内にはｎ⁺伝導形のソース領域４が埋め込まれている。絶縁されて上面２の上方にはゲート電極８が設けられている。別の表面６には高濃度ドーピングされた、内部領域１と同じ伝導形のドレイン領域７が配設されている。内部領域１内では、逆電圧のもとで拡張される空間電荷領域の範囲内に付加的な半導体領域１１，１２が設けられている。この場合内部領域１とは反対の伝導形の少なくとも２つの領域１１が含まれている。これらの領域１１の間には、前記内部領域１と同じｎ伝導形で前記内部領域よりも高濃度にドーピングされた付加的領域１２が設けられている。これらの付加的領域１１，１２は、柱状に形成されている。反対の伝導形の付加的領域１１は、ロッド状にも配設可能である。それによりそれらは各方向で固有の領域１２に取り囲まれる。この固有領域も領域１２と同じように内部領域１と同じ伝導形を有するが、高濃度にドーピングされている。
図３によるパワーＭＯＳＦＥＴに通流方向で電圧が印加されたならば、これはゲート電極８を介して導通的に制御され得る。この場合は、ソース領域４から生じた電子が付加的な領域１２内へ高濃度ドーピングされる。それと共にパワーＭＯＳＦＥＴのチャネル抵抗は低減する。
このパワーＭＯＳＦＥＴに逆電圧が印加されたならば、内部領域１とベース領域３の間のｐｎ接合部から空間電荷領域が形成される。それらの膨張は、逆電圧の上昇と共に成長する。この空間電荷領域がｐ形ドーピング領域１１に接すると、これは内部領域１の除去領域を介して導電的にベース領域３に接続する。この高抵抗な接続は、その動的な特性が故にそれ自体望まれるものではない。逆電圧のさらなる上昇は、この空間電荷領域のさらなる膨張につながる。そのため電荷キャリヤの一部も領域１１と１２から取り除かれる。このことは図中の破線で概略的に表されている。
逆電圧のさらなる上昇のもとでは、内部領域１の大部分と領域１１，１２から電荷キャリヤが取り除かれる。それと共にこの空間電荷領域は、内部領域１内で、破線１４によって仕切られている経過をとる。最大遮断印加電圧のもとでは付加的領域１１，１２が完全に空間電荷領域内に存在する。
電荷キャリヤの除去は、領域１１，１２が存在しないかのように作用する。空間電荷領域の最大膨張のもとでは一次近似において最終的に内部領域１のドーピングが基準とされる。補償の度合い、すなわち領域１１（ｐ形柱状部）の電荷の和と、領域１２（ｎ形柱状部）並びに周辺領域の電荷の和のトータルバランスの選択が不十分である場合には、この構成素子によって１０００Ｖ以上で直ちに遮断が生じる。それに対して通流の場合では、このパワーＭＯＳＦＥＴは遮断性の著しく低いＭＯＳＦＥＴに相応する抵抗を有する。この遮断特性は、領域１１，１２のレベルと補償の度合いによって定められる。
チャネル抵抗は、領域１１，１２と第１の表面２との間隔によって設定される。その他にも領域１２のドーピングによって影響される。
この公知のＭＯＳＦＥＴでは領域１１，１２のドーピングと厚さが次にように設定される。すなわちこれらの領域１１，１２からの電荷キャリヤが最大逆電圧の印加の際に完全に除去されるように設定される。
パワーエレクトロニクスで用いられる縦形ＭＯＳＦＥＴは、他のトランジスタ（例えば絶縁ゲートを備えたバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））のコンセプトとは異なって、ｎ⁺基板、ｎ^-エピタキシャル層、ｐウエル（図３の符号７，１，３）によって形成される反転ダイオードをフリーホイールダイオードとして用いる手段を提供する。そのようなフリーホイールダイオードは、特にパルスインバータでの利用、例えば切換パワーパックやエンジン制御のためのハーフブリッジ、フルブリッジ等において必要とされる。
今日では、反転ダイオードが所期のようにフリーホイールダイオードとして使用可能な構成素子がＦＲＥＤＦＥＴ（“Fast Recovery Epitaxial Diode-FET”）によってもたらされている。しかしながらこのリバースリカバリィ特性（“Rueckwaerts-Erholngsverhalten”）は、所期のトランジスタ特性に基づいてその電流さい断や逆電流ピークの高さとその時間経過に関しては最適とは言い難い。
通常のＭＯＳＦＥＴが適用されるならば、ＭＯＳＦＥＴを破壊から防ぐためにドレインとソースの間に固有のフリーホイールダイオードとさらなるツェナーダイオードの外部からの接続が常に必要とされる。図３に示されているそして先のドイツ連邦共和国特許出願DE 43 09 764 C2明細書からも公知のパワーＭＯＳＦＥＴは、その反転ダイオードの特性に関しては満足のゆくものではない。
それ故に本発明の課題は、その反転ダイオードの特性に関して、トランジスタ特性を低下させることなく（特にドレイン−ソース間の固有抵抗）、十分に改善の施された縦形パワーＭＯＳＦＥＴを提供することである。
この課題は本発明により、電荷キャリヤの寿命は前記第１の伝導形の付加的領域において０．５μｓよりも短く、前記第２の伝導形の付加的領域と前記第１の伝導形の付加的領域の厚さ寸法は、逆電圧のもとで拡張される空間電荷領域が半導体第１表面から離れた側の、前記第１の伝導形の付加的領域と前記内部領域との間の接合部を実際に越えないように選定された構成によって解決される。
この場合本発明は次のような知識に基づいている。すなわち内部領域と同じ伝導形の付加的領域のドーピング濃度が平均して、同じ逆電圧を受け入れる基板（例えばｎ-ドーピングされている）のドーピング濃度をほぼ越えるオーダーにあることに基づいている。それ故に通流領域のドーピングにおける寿命設定の補償作用の結果としてＭＯＳＦＥＴの固有抵抗への負の作用が現われる前に、電荷キャリヤ寿命が白金、金等の拡散によって、又は電子又はヘリウムの照射によって少なくとも同じ量だけ強く低減され得る。
つまり著しく短い電荷キャリヤの寿命が得られる。この場合の目標値としては０．５μｓよりも短い値が挙げられる。この少なくされた寿命によって、電流の迅速なコミュテーションが得られる。それによりＭＯＳＦＥＴは早期にその逆電圧を受け入れ可能となる。これによりスイッチオンされたＭＯＳＦＥＴの蓄積電荷と負荷がフルブリッジコンフィグレーションないしはハーフブリッジコンフィグレーション内で相応に低減される。
能動層を形成する付加的領域の厚さ寸法は、次のように最適に選定される。すなわちいぜれにせよ完全な逆電圧のもとで空間電荷層が、半導体の第１表面とは離れた側（後方）の、内部領域とドレイン領域の間のｎ^-/ｎ⁺接合部に達しないように選定される。例えばこの場合の一例として、４００Ｖの逆電圧に対して約１０μｍよりも薄い厚さが挙げられる。
それにより、実質的に電流は高濃度ドーピングされたチャネル領域内のみを流れるため、ドレイン/ソース固有抵抗におけるロスは非常に僅かとなる。またＭＯＳＦＥＴの“後方”の領域における蓄積電荷は維持されることが達成される。この蓄積電荷は、約０．５μｓ以内に再結合と拡散によって分解される。それにより逆電流ピークの“穏やかな”経過、いわゆる“ソフトリカバリー特性”が得られるものとなる。特にこの逆電流のさい断も（これは最小厚さ寸法による各ＭＯＳＦＥＴのもとで生じる）低減され得る。過電圧（これは転換スイッチのアバランシェ降伏まで転流及びスイッチオンされたＭＯＳＦＥＴ間の分岐における浮遊インダクタンスによって生じ得る）及びそれに伴う回路網負荷も確実に回避される。
本発明による縦形パワーＭＯＳＦＥＴはフリーホイールダイオードとしても使用可能である。このことは固有のフリーホイールダイオードによる相応の補充的回路接続も従来技術とは異なってもはや不必要になることを意味する。
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。この場合、
図１は、本発明による縦形パワーＭＯＳＦＥＴの断面図であり、図２のＡ〜ＣはこのパワーＭＯＳＦＥＴの製造過程の説明のための概略図であり、図３は従来の縦形パワーＭＯＳＦＥＴの断面図である。
実施例
図１では、図３と相互に相応する部材には同じ参照番号が付されている。そのためここでの説明の繰り返しは省く。
図３による従来技法の縦形ＭＯＳＦＥＴとは異なって、本発明による縦形パワーＭＯＳＦＥＴでは、ｎ伝導形領域１２が白金、金等の拡散によってドーピングされている。これはこの領域における電荷キャリヤの寿命を低減させるためである。この電荷キャリヤの寿命の低減は、電子又はヘリウムの照射によっても達成可能である。最初から高められたドーピングのために、ＭＯＳＦＥＴの固有抵抗に対する影響は、電荷キャリヤ寿命低減の補償作用の結果として回避される。
この低減された電荷キャリヤ寿命によって、電流の迅速な転換が達成され、それによってパワーＭＯＳＦＥＴが早期にその逆電圧を受け入れ可能となる。
付加的な領域１１，１２の厚さ寸法は、次のように選定される。すなわちフルの逆電圧のもとで空間電荷領域が、後方の内部領域１とドレイン領域７の間のｎ⁺/ｎ^-接合部に決して達しないように選定される。実際には、付加的領域１１，１２と内部領域１の間の移行部において終端している。
この空間電荷領域の最大膨張は図１中の破線１５によって表されている。
図１及び図２に示されている極性はもちろん入換えることも可能である。それにより例えば内部領域１をｐ形ドーピングし、対して付加的領域１１はｎ形ドーピングし、さらに付加的領域１２を内部領域１と同じｐ形ドーピングとしてもよい。その他にもｐ伝導形内部領域１内にｎ伝導形領域１１（“柱状部”）のみを設けるか又はｎ伝導形内部領域１内にｐ伝導形領域１１のみを設けてもよい。
前記領域１１，１２は、領域１２に対するｎ形エピタキシャル層内に領域１１に対する“ｐ形柱状部”として形成してもよく（図２Ｃ参照）、あるいは領域１２に対する“ｎ形柱状部”として領域１１に対するｐ形エピタキシャル層内に形成されてもよい（図２Ｂ参照）。また前記領域１１，１２を“ｎ形柱状部”及び“ｐ形柱状部”としてｎ^-ないしｐ^-エピタキシャル層内に設けてもよい（図２Ａ参照）。特に有利なのは図２Ｃの変化例である。

Claims (5)

1. 第１の伝導形で所定のドーピング濃度の内部領域（１）を有し、
   前記内部領域（１）と半導体の第１表面（２）に接している第２の伝導形の少なくとも１つのベース領域（３）を有し、該ベース領域（３）内にはそれぞれ少なくとも１つのソース領域（４）が埋め込まれており、
   前記第１表面（２）と対向している半導体の第２表面（６）に接するドレイン領域（７）を有し、
   前記内部領域（１）内で逆電圧のもとで拡張する空間電荷領域内部に配設された第２の伝導形の付加的領域（１１）を有し、
   前記第２の伝導形の付加的領域（１１）間に存在し、前記内部領域（１）よりも高めにドーピングされる少なくとも１つの第１の伝導形の付加的領域（１２）を有し、
   前記第２の伝導形の付加的領域（１１）と前記第１の伝導形の付加的領域（１２）のドーピングレベルと、前記第２の伝導形の付加的領域（１１）の間隔は相互に、それらの電荷キャリヤが最大電圧の印加のもとで十分除去されるように選定されている、半導体を備えた縦形パワーＭＯＳＦＥＴにおいて、
   電荷キャリヤの寿命は前記第１の伝導形の付加的領域（１２）において０．５μｓよりも短く、
   前記第２の伝導形の付加的領域（１１）と前記第１の伝導形の付加的領域（１２）の厚さ寸法は次のように選定されている、すなわち最大逆電圧のもとで拡張される空間電荷領域（１５）の膨張が最大で、半導体の前記第１表面（２）から離れた側の、前記付加的領域（１１、１２）と前記内部領域（１）との間の接合部において終端するように選定されている、ことを特徴とする、縦形パワーＭＯＳＦＥＴ。
2. 前記電荷キャリヤ寿命は、白金及び/又は金の拡散によって、又は電子及び/又はヘリウムの照射によって低減されている、請求項１記載の縦形パワーＭＯＳＦＥＴ。
3. 縦形ＭＯＳＦＥＴの厚さ方向における前記第２の伝導形の付加的領域（１１）と前記第１の伝導形の付加的領域（１２）の厚さは、４００Ｖの逆電圧に対し１０μｍよりも小さい値である、請求項１又は２記載の縦形パワーＭＯＳＦＥＴ。
4. 前記内部領域（１）はエピタキシャル層である、請求項１記載の縦形パワーＭＯＳＦＥＴ。
5. ｐ形柱状部である前記第２の伝導形の付加的領域（１１）と、ｎ形柱状部である前記第１の伝導形の付加的領域（１２）が、当該第１の伝導形の付加的領域（１２）より低い濃度でドーピングされている、前記内部領域（１）であるｎ形エピタキシャル層内に設けられているか、または、ｎ形柱状部である前記第２の伝導形の付加的領域（１１）と、ｐ形柱状部である前記第１の伝導形の付加的領域（１２）が、当該第１の伝導形の付加的領域（１２）より低い濃度でドーピングされている、前記内部領域（１）であるｐ形エピタキシャル層内に設けられている、請求項１〜４いずれか１項記載の縦形パワーＭＯＳＦＥＴ。

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