SE513284C3 - Halvledarkomponent med linjär ström-till-spänningskarakteristik - Google Patents

Description

513 284 2 Det är möjligt att konstruera en hybrid IGBT och DMOS anordning med både nf och p* diffusioner vid anodkontaktregionen som illu- strerat i figur 4. Denna konfiguration benämns normalt SA-LIGBT (Short-Anode LIGBT). Med en positiv spänning större än tröskel- spänningen påförd gate-elektroden och en låg spänning på anoden leder denna anordning elektronström.likt en LDMOS-anordning. Vid en viss strömnivä utvecklas ett spänningsfall längs p*-regionen som är tillräckligt för att framförspänna anod/driftregionöver- gången och anoden börjar injicera minoritetsbärare (hål) in i driftregionen. Dessa minioritetsbärare modulerar driftregionens konduktivitet och anordningen arbetar på samma sätt som en normal LIGBT. Alltså kommer en sådan anordning att ha DMOS-linjärt uppträdande vid låga strömmar tills serieresistansen.i n-driftre- gionen kommer att framförspänna anodens p- och n-övergång vid högre strömmar och anordningen antar ström-till-spännings- karakteristiken för IGBT. Alltså kan den totala ström-till- spänningskarakteristikkurvan uppvisa två tämligen linjära delar, men med helt olika derivator (lutningar). Följaktligen kommer det att finnas en övergång i karakteristiken mellan kurvan två lut- ningarna där olinjäritet kommer att föreligga och vilket natur- ligtvis fortfarande kommer att alstra distorsion. (Vidare infor- mation om detta kan till exempel återfinnas i Technical Report No. ICL 93-020 av Donald R. Disney med titeln "Physics and Technology of Lateral Power Devices in Silicon-On-Insulator Substrates", Department of Electrical Engineering, Stanford University, California, USA, 1993.) Dessutom om substratförspänningen under isolatorn i SOI-mate- rialet varierar, kommer serieresistansen i n-driftregionen att variera väsentligt beroende på ackumulationen eller utarmningen av elektriska laddningsbärare vid isolator och.kiselgränssnittet, ochföljaktligenkommeranordningensström-till-spänningskarakte- ristik att variera. Transistorn kommer inte heller att stöda funktionen under växelsströmsförhållanden eftersom den högsta spänningen antas vara vid p*-anoden.

I vissa tillämpningar, såsom reläfunktioner i telefonsystem, 513 284 3 finns det krav på både linjäritet genom origo och dubbelriktat spänningsstöd.

Till exempel U.S. Patent No. 5,382,525 från 1995, av Satwinder och Wai, som visar "Method of fabricating performance Lateral Double-diffused MOS Transistor", vilket visar en slags symmetri och använder en teknik allmänt hänvisad till som RESURF, vilket står för REduced SURface Field, (reducerat ytfält). Denna lösning har emellertid en centralt utsträckt drain-elektrod mellan två source-elektrodkontakter, dvs. source-elektroden på en sida används inte som drain-elektrod och vice versa. Detta betyder att den kan inte betraktas som en bilateral lösning, utan en sådan komponent måste kopplas i serie med en motsvarande LDMOS för att erhålla bilateral verkan.

KORT BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning förbättrar de nämnda nackdelarna med LIGBT, och gör den därmed linjär genom origo med avseende på ström-till-spänningskarakteristiken, men kommer även att tillåta en växelsströmsfunktion då den också representerar en dubbel- riktad struktur.

Denföreliggandeuppfinningentillhandahålleren1DMOS-transistor- struktur i stället för anoden på en IGBT på en SOI-skiva. I sin mest elementära form. kommer anoden att vara symmetrisk mot katoden.

I läget till är båda gate-elektroderna förspända på ett sådant sätt att DMOS-transistorerna är i tillståndet till. Vid anodsidan kommer strömmen först att gå genom en andra transistor tills spänningsfallet i transistorn kommer att framförspänna p-källe- dioden.och börja.konduktivitetsmodulera driftregionen, vilket ger en.ström-till-spänningskarakteristik (I-V) för LIGBT2 De inheren- ta transistorernas symmetri gör anordningen möjlig att opereras under växelströmsförhållanden.

Den förbättrade konstruktionen kan inkludera p*-elektroder inne- 513 284 4 fattade i transistorns laterala konstruktion för att förbättra driftregionens konduktivitetsmodulation. Även en icke likformig driftregionsdopning kan konstrueras för att optimera spännings- genombrott gentemot till-resistans.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med dess ytterligare syften och.fördelar kommer att bäst inses genom att hänvisa till följande beskriv- ning tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: Fig. l demonstrerar en genomskärning av en LIGBT-anordning, Fig. 2 visar ett ekvivalentkretsschema för en LIGBT-anordning, Fig. 3 visar en genomskärning av en LDMOS-transistor, Fig. 4 visar en genomskärning av en LIGBT-anordning med kort- sluten anod, Fig. 5 visar en genomskärning av en dubbelriktad IGBT-anord- ning i enlighet med den föreliggande uppfinningen, och Fig. 6 visar en genomskärning av en sektionerad dubbelriktad IGBT-anordning i enlighet med uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN BELYSANDE UTFÖRINGSFORM I figurerna 5 och 6 demonstreras en struktur i enlighet med den föreliggande uppfinningen vilken.tillhandahállerea1DMOS istället för anoden på IGBT-anordningen på SOI-skiva. I sin mest elementä- ra utföringsform kommer anoden att vara fullständigt symmetrisk mot katoden vilket klart demonstreras i figur 5.

Halvledaranordningen enligt figur 5 för att erhålla en linjär ström-till-spänningskarakteristik genom origo kombinerad med en dubbelriktad struktur innehåller i den belysande utföringsformen ett oxidskikt ovanpå ett p'-dopat substrat. Ovanpå detta oxid- skikt skapas en driftregion av n-typ, vilken bildar en longitudi- 513 284 nell n-driftregion. n-driftregionen innefattar vid varje ände en källa av p-typ med p*-dopat halvledarmaterial och varje källa av p-typ innehåller vidare en 1?-area vilken kommer att utgöra antingen en source- eller drain-elektrod. Dessutom, ovanpå källorna av p-typ skapas gate-elektroder för att erhålla en fälteffektstruktur för att kontrollera strömmen.i kanalregionen.

Alltså skapas en dubbelriktad dubbel DMOS-struktur med en gemensam driftregion.

Som ett utgängsmaterial kan användas ett SOI-material som består av ett substrat 10, ett isolatorskikt 20 och ett halvledartopp- skikt 30. Substratet 10 kan vara ett svagt eller kraftigt dopat kiselsubstrat med en tjocklek 10 till 1000 pm. Substratet kan även vara en isolator bestående av kiseldioxid, safir, diamant eller likande. Isolatorn 20 i den belysande utföringsformen kan vara ett kiseldioxidskikt med en tjocklek 0,1 till 10 pm.

Alternativt kan isolatorn bara vara samma typ av material som substratet 10 själv, dvs., kiseldioxid, safir, diamant eller liknande. Toppskiktet 30 kan lämpligen vara ett svagt dopat kiselskikt med en tjocklek 0,1-30 pm.

En belysande komponent kan tillverkas genom att först odla eller deponera en tunn skyddande oxid över toppskiktet 30. Därefter sker en implantering av enxf-dopningssubstans så att den korrek- ta grundläggande dopningsnivån erhålls i toppskiktet. Den implan- terade dosen kan vara av storleksordningen 10” till 10” cm”.

Efter en påföljande glödgning kan p*-regionerna 31 skapas genom en implantering genom ett fotolitografiskt mönster. En lämplig dos kommer att vara 10” till 10” cm”. pfliegionerna är bland annat nödvändiga för att erhålla en bra kontaktering till p- källeomrädena 32, vilka i detta exempel definieras i ett senare steg. Efter att materialet, som definierade litografimönstret, har avlägsnats kommer en påföljande glödgning att driva p*- regionen ner till den begravda isolatorn som indikerats i fig.

. Detta är emellertid inte helt nödvändigt och kan vara svårt att sätta i praktiken i fallet när toppskiktet 30 är tjockt. 513 284 6 Efter att de grundläggande dopningsnivàerna för toppskiktet liksom för p*-regionerna 31 har definierats kan den skyddande oxiden avlägsnas. En gate-oxid respektive ett gate-material kan sedan odlas eller deponeras över toppskiktet 30. Gate-oxidens tjocklek i den belysande utföringsformen kan vara av storlek- sordningen 50 - 1000 Å. Gate-materialet kunde bestå av kraftigt dopat polykristallint kisel med en tjocklek 0,1 - l um. Med hjälp av ett påföljande litografiskt mönster kan gate-strukturen både för drain- och source-sidan definieras genom etsning. En lämplig längd för gate-elektroden kan vara 0,2 - 5 pm.

Med hjälp av ett ytterligare litografiskt mönster kommer p-källan 32 att adderas genom implantation av en dos av storleksordningen ” till 10” cm”. Mönstret definieras på sådant sätt att p- källearean 32 linjeras mot en kant 36 på gate-strukturen. (en sådan kant indikeras med en prickad linje 36 i fig. 6). Vid en påföljande glödgning kommer genonxen lateral diffusion kanalläng- den att fastställas (hur långt p-källan når under gate-struktu- ren). På samma sätt kommer n*-regionerna 33 vid drain- respektive source-sidan att definieras och värmebehandlas. Notera att en p- källa 32 begränsad av en streckad linje då innehåller en högdopad p*-region 31 och åtminstone en n*-region som indikerats i figu- rerna 5 och 6.

Driftregionens längd (avståndet mellan source-område och drain- område) fastställs av spänningsnivån som skall accepteras och tolereras av komponenten. För att ytterligare förbättra spän- ningsacceptansförmägan för en given längd av driftregionen kan en lateralt varierande dopningsprofil användas för ett erhålla en elektrisk fältfördelning så jämn som möjligt från source- område till drain-område. En lateralt varierande dopningsprofil kan definieras på samma sätt som för alla andra dopade områden.

I en ytterligare utföringsform är driftregionen inte likformigt dopad utan koncentrationen ökar från source-området mot mitten av anordningen och minskar sedan igen.mot drain-området. En sådan olikformig driftregion för en enklare tillverkning kommer att 513 284 7 vara stegvis dopad och stegvis ökande mot mitten. när sett lateralt från source-området respektive drain-området.

Pàföljande steg för att fullständigt definiera komponenten.kommer att vara standardiserade steg för kontakthàl, metallisering och passivisering.

En ytterligare fördel med den visade komponenten.förutom förmågan att uppvisa en ström-till-spänningskarakteristik som kommer att vara linjär genom origo, kan anordningen även pà grund av sin dubbelriktade struktur styras att arbeta som antingen en DMOS- anordning xned source-omrâde och. drain-område eller en IBGT- anordning med katod och anod genom att använda en första gate- elektrod för att styra driftregionen och en andra gate-elektrod för att med hjälp av en förspänning definiera arbetsmoden.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras på anordningen i enlighet med konceptet enligt den föreliggande uppfinningen utan avsteg 'fràn dess andemening och. omfattning, vilket definieras av' de bifogade patentkraven.

Claims (7)

513 284 8 PATENTKRAV

1. Halvledaranordning för att erhálla en linjär ström-till- spänningskarakteristik genom origo kombinerat med en dubbelriktad struktur innefattande ett isolerande skikt ovanpà ett substrat och ovanpå det isolerande skiktet en driftregion av n-typ, varvid n-driftregionen vid varje ände bildar en lägdopad region av p-typ som utgör en p-källa, vilken i sin tur har en kraftigt dopad n*- region son1bildar ett source- eller drain-område, varjämte källan av p-typ vidare innehåller åtminstone en del med p*-dopat halv- ledarmaterial och dessutom ovanpå källan av p-typ en gate-e1ek- trod, samt är placerat i p-källan mellan en gate och en drain- elektrod respektive en gate och en source-elektrod delen eller delarna av n*-dopat halvledarmaterial, därmed bildande en dubbelriktad dubbel DMOS-struktur med en gemensam driftregion.

2. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken substratet är ett n-dopat eller p-dopat kiselsubstrat.

3. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken substratet är en isolator.

4. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken substratet är en oxidisolator.

5. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken det p*-dopade halvledarmaterialet vid nägra områden i källan av p-typ vid source- respektive drain-sidan når hela vägen till driftregionen för att förbättra injektionen av minoritetsbärare.

6. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken driftregionen inte är likformigt dopad utan dopningskoncentrationen ökar mot mitten av anordningen sett från source- respektive drain-området, när sett från mitten av denna driftregion.

7. Halvledaranordning enligt krav 1, i vilken driftregionsdop- ningen ökar på ett stegvis sätt mot mitten sett från source- respektive drain-omrâdet.