DE19740906C1 - Bipolar semiconductor device, e.g. diode, thyristor or IGBT - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Halbleiterbauelement mit einstellbarer Emittereffizienz, mit einem Halbleiterkör per und einer im oder auf dem Halbleiterkörper vorgesehenen Emitterstruktur. Ein derartiges Halbleiterbauelement ist z. B. aus der DE 29 41 021 bekannt.The present invention relates to a vertical semiconductor component with adjustable emitter efficiency, with a semiconductor body per and one provided in or on the semiconductor body Emitter structure. Such a semiconductor component is e.g. B. from DE 29 41 021 known.
Unter der Emittereffizienz wird bekanntlich das Verhältnis des Löcherstromes aus der Emitterzone zum Gesamtstrom aus der Emitterzone verstanden. Diese Emittereffizienz soll zur Er zielung einer hohen Schaltgeschwindigkeit möglichst niedrig sein.As is well known, the ratio is known as emitter efficiency of the hole current from the emitter zone to the total current from the Understood emitter zone. This emitter efficiency should lead to the Er aiming for a high switching speed as low as possible be.
Bei bipolaren Halbleiter-Leistungsbauelementen findet im Durchlaßzustand des pn-Überganges zwischen dem Emitter und der Basis durch die Ladungsträgerinjektion aus dem Emitter eine Leitfähigkeitsmodulation statt. Diese Leitfähigkeitsmo dulation wird durch die Ladungsträgerinjektion, also durch die injizierten Löcher und damit durch die Emittereffizienz beeinflußt. Die Leitfähigkeitsmodulation bestimmt wesentlich das Durchlaß- und Schaltverhalten eines Bauelements. Durch entsprechende Einstellung der Emittereffizienz kann so die Leitfähigkeitsmodulation in bipolaren Halbleiter-Leistungs bauelementen hinsichtlich des elektrischen Verhaltens opti miert werden.With bipolar semiconductor power components, the On state of the pn junction between the emitter and the base through the charge carrier injection from the emitter a conductivity modulation takes place. This conductivity mo dulation is caused by the charge carrier injection, i.e. by the injected holes and therefore the emitter efficiency influenced. The conductivity modulation has a major impact the passage and switching behavior of a component. By the emitter efficiency can be adjusted accordingly Conductivity modulation in bipolar semiconductor power components with regard to the electrical behavior opti be lubricated.
Aus DE 29 41 021 ist bekannt, zur Einstellung der Emitter wirksamkeit eine intrinsische Schicht zwischen der Emitterzo ne und der Basiszone eines Halbleiterbauelements vorzusehen.From DE 29 41 021 is known for setting the emitter effectiveness an intrinsic layer between the emitterzo ne and the base zone of a semiconductor device.
Ansonsten werden die angestrebten niedrigen Werte der Emitte reffizienz durch Verringerung der Ladungsmenge im Emitter oder durch lokale Bestrahlung des Emitters mit Protonen oder Helium erreicht.Otherwise, the targeted low values of the center efficiency by reducing the amount of charge in the emitter or by local irradiation of the emitter with protons or Helium reached.
Ein Vorgehen nach dem bisherigen Stand der Technik ist aber relativ aufwendig und hat zudem den Nachteil, daß die ge wünschte Emittereffizienz nur schwierig einstellbar ist. Auch stellt bei den bekannten Emitterstrukturen die Durchbruchsla dung eine untere Grenze für die Einstellbarkeit der Emitte reffizienz dar.However, a procedure based on the current state of the art relatively complex and also has the disadvantage that the ge desired emitter efficiency is difficult to set. Also represents the breakthrough la in the known emitter structures a lower limit for the adjustability of the center efficiency.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halblei terbauelement mit einstellbarer Emittereffizienz zu schaffen, bei der ohne großen Aufwand die Emittereffizienz relativ ge nau eingestellt werden kann.It is therefore an object of the present invention, a half lead to create a component with adjustable emitter efficiency, in which the emitter efficiency is relatively low without great effort can be set precisely.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement mit ein stellbarer Emittereffizienz, mit einem Halbleiterkörper und einer im oder auf dem Halbleiterkörper vorgesehenen Emitter struktur erfindungsgemäß durch eine unterhalb der Emitter struktur vorgesehene, an diese angrenzende und mit Öffnungen versehene Isolator schicht gelöst.This task is included in a semiconductor component adjustable emitter efficiency, with a semiconductor body and an emitter provided in or on the semiconductor body structure according to the invention by a below the emitter Insulator provided adjacent to it and provided with openings layer loosened.
Durch die der Emitterstruktur vorgelagerte und mit Öffnung versehene bzw. strukturierte Isolatorschicht kann die Emit tereffizienz in einfacher Weise eingestellt bzw. kontrolliert werden.Through the opening upstream of the emitter structure provided or structured insulator layer, the Emit terefficiency set or controlled in a simple manner become.
So kann beispielsweise eine streifenförmige Gestaltung der Isolatorschicht vorgesehen werden, so daß die Ladungsträger zwischen den benachbarten Streifen der Isolatorschicht in den zwischen den Streifen vorgesehenen Öffnungen fließen. Durch entsprechende Verringerung der Breite der Öffnungen zwischen den einzelnen Teilen der Isolatorschicht kann so die Emitte reffizienz praktisch beliebig klein eingestellt werden, ohne die Ladungsmenge im Emitter reduzieren zu müssen. Es wird auf diese Weise also ohne weiteres eine Reduzierung des sogenann ten aktiven Flächenanteils des Emitters erreicht. Dabei ist zudem die Emittereffizienz von der Emitterladung entkoppelt.For example, a strip-like design of the Insulator layer are provided so that the charge carrier between the adjacent strips of the insulator layer in the flow between the openings provided for the strips. By corresponding reduction in the width of the openings between the middle of the individual parts of the insulator layer efficiency can be set practically arbitrarily small without to reduce the amount of charge in the emitter. It's going on this way, a reduction of the so-called th active area share of the emitter reached. It is also decouples the emitter efficiency from the emitter charge.
Auf einem anderen technischen Gebiet, nämlich der Erzielung hoher Durchbruchsspannungen bei Halbleiterbauelementen, sind isolatorschichten mit Öffnungen, die einem Emitter benachbart angeordnet sind, aus dem Stand der Technik bekannt, wie bei spielsweise aus US 5 343 067, jedoch nicht in ihrer erfin dungsgemäßen Anordnung zwischen Emitter und Basis.In another technical field, namely the achievement high breakdown voltages in semiconductor devices insulator layers with openings adjacent to an emitter are arranged, known from the prior art, as in for example from US 5 343 067, but not in their inventions arrangement according to the invention between emitter and base.
Die Isolatorschicht, die in bevorzugter Weise aus einer Sili ziumdioxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht gebildet ist, kann bis in den Randbereich der Halbleiteranordnung ge führt sein. Es hat sich gezeigt, daß dadurch die Sperrfähig keit nicht negativ beeinflußt wird.The insulator layer, which preferably consists of a sili Ziumdioxidschicht or a silicon nitride layer is formed is, can ge up to the edge region of the semiconductor arrangement leads. It has been shown that the lockable speed is not adversely affected.
Eine aus Siliziumdioxid bestehende Isolatorschicht hat be kanntlich einen um einen Faktor 3 kleineren Brechungsindex als das Silizium des Halbleiterkörpers. Dadurch werden die elektrischen Feldlinien in der Isolatorschicht von der Senk rechten zwischen den beiden Oberflächen der Isolatorschicht nach außen gebrochen, so daß sich die elektrischen Feldlinien lateral nach außen weiter ausdehnen.An insulator layer made of silicon dioxide has a refractive index that is smaller by a factor of 3 than the silicon of the semiconductor body. This will make the electric field lines in the insulator layer from the sink right between the two surfaces of the insulator layer broken outward so that the electric field lines expand laterally outwards.
Die Emitterstruktur kann durch übliche Schutzringe umgeben sein, die dann auf der Isolatorschicht angeordnet sind. Die Schichtdicke der Isolatorschicht liegt in bevorzugter Weise im Bereich zwischen 100 und 500 nm. Gegebenenfalls kann die Schichtdichte der Isolatorschicht aber auch größer als 500 nm sein. Der Abstand zwischen der Isolatorschicht und der Ober fläche der Emitterstruktur liegt in der Größenordnung von ei nigen 100 nm und kann beispielsweise 100 bis 900 nm betragen. The emitter structure can be surrounded by customary protective rings be, which are then arranged on the insulator layer. The Layer thickness of the insulator layer is preferably in the range between 100 and 500 nm Layer density of the insulator layer but also greater than 500 nm be. The distance between the insulator layer and the top area of the emitter structure is of the order of egg 100 nm and can be, for example, 100 to 900 nm.
Eine aus Siliziumdioxid bestehende Isolatorschicht kann bei spielsweise durch "Waferbonding" (Verbinden einer Isolator schicht mit einer Scheibe) oder Oxidimplantation hergestellt werden. Die Öffnungen in der Isolatorschicht können dann bei spielsweise durch Maskierung bei der Oxidimplantation oder durch ganzflächige Oxidimplantation mit nachfolgender Ätzung der Öffnungen und deren Auffüllen mit Silizium erzeugt wer den.An insulator layer consisting of silicon dioxide can for example by "wafer bonding" (connecting an isolator layer with a disc) or oxide implantation become. The openings in the insulator layer can then for example by masking during oxide implantation or through full-surface oxide implantation with subsequent etching of the openings and their filling with silicon the.
Die Erfindung ermöglicht so eine genaue Einstellung der Emit tereffizienz bei einer Halbleiteranordnung, da die Größe der Öffnungen praktisch beliebig einstellbar ist und die die Öff nungen bildende Isolatorschicht, wie oben erläutert ist, ohne großen Aufwand hergestellt werden kann.The invention thus enables a precise adjustment of the emit terefficiency in a semiconductor device because the size of the Openings can be adjusted practically as desired and the opening insulating insulator layer, as explained above, without great effort can be made.
Bei der Halbleiteranordnung kann es sich beispielsweise um eine Diode, einen Thyristor oder um ein MOS-gesteuertes Bau element handeln.The semiconductor arrangement can be, for example a diode, a thyristor or around a MOS controlled construction act element.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert, in deren einziger Figur die erfindungsgemäße Halb leiteranordnung am Beispiel einer Diode im Schnitt gezeigt ist.The invention is based on the drawing he he clarifies in the only figure the half according to the invention conductor arrangement shown on the example of a diode in section is.
In der Figur ist eine Kathodenelektrode K mit einer n⁺-lei tenden Schicht 1 verbunden, die zusammen mit einer darauf beispielsweise epitaktisch abgeschiedenen n⁻-leitenden Schicht 2 einen Halbleiterkörper bildet. In diesem Halblei terkörper sind außerdem eine p⁺-leitende Zone 3 mit einer An odenelektrode A und p⁺-leitende Zonen 4, die als Schutzringe zusammen mit den zwischen ihnen vorgesehenen Bereichen der Halbleiterschicht 2 die Zone 3 umgeben. Der "äußerste Schutz ring" besteht aus einer hochdotierten n⁺-leitenden Zone 5. In the figure, a cathode electrode K is connected to a n⁺-conductive layer 1 , which together with an n⁻-conductive layer 2 , for example epitaxially deposited thereon, forms a semiconductor body. In this semiconductor body are also a p⁺-conducting zone 3 with an anode electrode A and p⁺-conducting zones 4 , which surround the zone 3 as protective rings together with the regions of the semiconductor layer 2 provided between them. The "outermost protection ring" consists of a highly doped n-conducting zone 5 .
Im Halbleiterkörper aus den Schichten 1, 2 ist eine Isolator schicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumni trid eingebettet, die im Bereich unterhalb der p⁺-leitenden Zone 3 mit Öffnungen 7 versehen ist. Bei diesen Öffnungen 7 kann es sich um Schlitze, kreisförmige Löcher oder andere Strukturen handeln. Die Isolatorschicht 6, die eine Schicht dicke von beispielsweise 100 bis 500 nm hat, jedoch auch dic ker sein kann, wird in bevorzugter Weise durch "Waferbonding" oder Oxidimplantation hergestellt. Die Öffnungen 7 werden da bei durch Maskierung bei der Oxidimplantation oder durch ganzflächige Oxidimplantation mit nachfolgender Ätzung der Öffnungen und der Auffüllen mit Silizium erzeugt.In the semiconductor body from layers 1 , 2 , an insulator layer 6 made of, for example, silicon dioxide or silicon nitride is embedded, which is provided with openings 7 in the region below the p⁺-conducting zone 3 . These openings 7 can be slots, circular holes or other structures. The insulator layer 6 , which has a layer thickness of, for example, 100 to 500 nm, but can also be thicker, is preferably produced by “wafer bonding” or oxide implantation. The openings 7 are produced by masking during the oxide implantation or through full-surface oxide implantation with subsequent etching of the openings and filling with silicon.
Der Abstand zwischen der Isolatorschicht 6 und der Oberfläche der Diode auf der Seite der Elektrode A beträgt einige 100 nm, also beispielsweise 100 nm bis 3000 nm.The distance between the insulator layer 6 and the surface of the diode on the side of the electrode A is a few 100 nm, for example 100 nm to 3000 nm.
Durch laterale Variation der Abstände zwischen den Öffnungen 7 und durch Einstellung der Größe der Öffnungen 7 kann die Emittereffizienz wirksam gesteuert werden. Damit wird eine weitgehende Entkopplung des Zusammenhanges zwischen der Emit tereffizienz und der Emitterladung erreicht, so daß die Durchbruchsladung nicht mehr eine untere Grenze für die Ein stellbarkeit der Emittereffizienz darstellt. Durch Verringe rung der Größe der Öffnungen 7 kann die Emittereffizienz be liebig klein gemacht werden, ohne die Emitterladungsmenge entsprechend reduzieren zu müssen.The emitter efficiency can be effectively controlled by laterally varying the distances between the openings 7 and by adjusting the size of the openings 7 . This largely decouples the relationship between the emitter efficiency and the emitter charge, so that the breakthrough charge no longer represents a lower limit for the adjustability of the emitter efficiency. By reducing the size of the openings 7 , the emitter efficiency can be made arbitrarily small without having to reduce the amount of emitter charge accordingly.
Die Sperrfähigkeit der Diode wird durch die Anordnung der Isolatorschicht 6 nicht negativ beeinflußt. In dieser Isola torschicht 6 werden die Feldlinien, wenn die Isolatorschicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid besteht, entsprechend den um einen Faktor 3 kleineren Brechungsindex im Siliziumdioxid gegenüber dem Silizium von der Senkrechten zwischen Anoden elektrode und Kathodenelektrode nach außen gebrochen und deh nen sich in der Isolatorschicht 6 lateral weiter zum Rand aus.The blocking ability of the diode is not adversely affected by the arrangement of the insulator layer 6 . In this isolator layer 6 , the field lines, if the insulator layer 6 consists of, for example, silicon dioxide, are broken outwards in accordance with the refractive index in silicon dioxide, which is smaller by a factor of 3 compared to silicon, from the perpendicular between the anode electrode and the cathode electrode and expand in the insulator layer 6 laterally further to the edge.
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| US9627517B2 (en) | 2013-02-07 | 2017-04-18 | Infineon Technologies Ag | Bipolar semiconductor switch and a manufacturing method therefor |
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| DE2941021A1 (en) * | 1979-10-10 | 1981-04-23 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Thyristor base-emitted junction with sharply increasing current gain - has narrow low concentration region between base and emitter |
| US5343067A (en) * | 1987-02-26 | 1994-08-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | High breakdown voltage semiconductor device |
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