DE19743265A1

DE19743265A1 - Halbleiter-Leistungsbauelement mit erhöhter Latch-up-Festigkeit

Info

Publication number: DE19743265A1
Application number: DE19743265A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Brunner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-08
Also published as: JP2001518717A; WO1999017373A1; EP1019967A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Leistungsbauelement mit erhöhter Latch-up-Festigkeit durch Unterdrücken eines parasi tären Thyristors, mit einem eine Basiszone bildenden Halblei terkörper des einen Leitungstyps, in welchem eine weitere Ba siszone des anderen Leitungstyps vorgesehen ist.

Unter "Latch-up" wird das Zünden eines parasitären Thyristors bei beispielsweise einem IGBT (IGBT = Bipolartransistor mit isoliertem Gate) verstanden. Bei einem solchen IGBT wird der parasitäre Thyristor aus einer n-Sourcezone, einer p-Wanne, einer n-Basiszone und einer p-Kollektorzone gebildet.

Bei IGBTs wird bisher die Latch-up-Festigkeit durch p⁺-Zonen erhöht, die unterhalb der n⁺-Emitterzone angeordnet sind. In folge dieser p⁺-Zone sinkt der durch den unterhalb der n-Sourcezone fließende Löcherstrom verursachte laterale Span nungsabfall. Damit wird die Gefahr, daß dieser Spannungsab fall den Wert der Diffusionsspannung zwischen der n-Source zone und der p-Wanne annähernd erreicht und zum Einrasten des parasitären Thyristors führen könnte, erheblich reduziert.

Dennoch hat sich gezeigt, daß durch die obigen üblichen Maß nahmen, also das Anordnen einer p⁺-Zone unterhalb der n⁺-Zone speziell bei IGBTs die Latch-up-Festigkeit nicht in dem ge wünschten Maß erreicht werden kann.

Im übrigen gibt es auch allgemein bei planaren und trenchar tigen MOS-Zellen die verschiedensten Ausgestaltungsformen zur Reduzierung der Durchlaßspannung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halblei ter-Leistungsbauelement zu schaffen, das sich durch eine be sonders hohe Latch-up-Festigkeit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich ein Halbleiter-Lei stungsbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine in der weiteren Basiszone angeordnete Ladungsträ ger-Rekombinationszone aus. Diese Ladungsträger-Rekombina tionszone kann aus Metall oder hochdotiertem polykristallinem Silizium bestehen. Als Metall ist beispielsweise eine Titan legierung geeignet. Die Ladungsträger-Rekombinationszone kann dabei die weitere Basiszone durchsetzen oder aber nur in ei nen Oberflächenbereich der weiteren Basiszone eingebettet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ladungsträger-Re kombinationszone in einer in der weiteren Basiszone ange ordneten hochdotierten Zone des einen Leitungstyps vorgesehen ist. Dieser eine Leitungstyp ist vorzugsweise der n-Leitungs typ.

Die beispielsweise in die weitere p-Basiszone eingelagerte Ladungsträger-Rekombinationszone bewirkt, daß ein Großteil des Löcherstromes in der Ladungsträger-Rekombinationszone re kombiniert, und dieser Strom wird sodann weiter bis hin zu der Emitterzone als Elektronenstrom im MOS-Kanal geführt. Der unterhalb der N-Source fließende Löcherstrom wird dadurch er heblich reduziert, was zu einer wesentlichen Steigerung der Latch-up-Festigkeit führt.

Durch die zwischen der Ladungsträger-Rekombinationszone und der n-Basiszone vorgesehene hochdotierte n⁺-Zone wird die Lö cherrekombination gesteuert. Damit wirkt sich die hohe Rekom binationsgeschwindigkeit am Metall der Ladungsträger-Rekombi nationszone nicht so stark auf die n-Basiszone aus. Dadurch kann die Löcherkonzentration im angrenzenden Bereich der n-Ba siszone beeinflußt werden, wobei diese Löcherkonzentration wiederum die Leitfähigkeitsmodulation in der n-Basiszone be einflußt.

Weiterhin ist in bevorzugter Weise unterhalb der Ladungsträ ger-Rekombinationszone eine Isolatorschicht vorgesehen. Durch diese Isolatorschicht wird der MOS-Teil des Halbleiter-Lei stungsbauelements, beispielsweise eines IGBTs, vollständig frei von Löchern gehalten. Als Folge hiervon kann ein Latch-up-Risiko praktisch ausgeschlossen werden. Auch wirkt die Isolatorschicht zusätzlich als Löcherstauzone, wodurch die Leitfähigkeitsmodulation in der n-Basiszone weiter erhöht wird.

Die oben angegebenen Leitfähigkeitstypen können auch umge kehrt werden: in diesem Fall wirkt die Ladungsträger-Rekombi nationszone als Elektronen-Rekombinationszone, wenn sie in eine n-Wanne, wie beispielsweise bei einem MCT (MCT = MOS-ge steuerter Thyristor) eingebettet ist. Die hochdotierte Zone des einen Leitungstyps ist dann eine p⁺-Halbleiterzone. Eine andere Anwendungsmöglichkeit besteht in einem EST (EST = emittergeschalteter Thyristor), bei dem durch die vorliegende Erfindung die Latch-up-Festigkeit erhöht werden kann, indem Latch-up-Probleme des parasitären MOSFETs vermieden werden.

Bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung bestehen in einer MOSFET/Dioden-Kaskode, einer MOSFET/Thyri stor-Kaskode, einer Transistor/Dioden-Kaskode und einer Tran sistor/Thyristor-Kaskode.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen IGBT nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine MOSFET/Dioden-Kaskode nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode nach einem dritten Aus führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine Transistor/Dioden-Kaskode nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und

Fig. 6 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren werden sich einander jeweils entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ei-
nen IGBT mit einer p⁺-leitenden Kollektorzone 1, einer n⁻-Halb leiterschicht 2, einer p-Halbleiterwanne 3, einer n⁺-Emit terzone 4, einer Siliziumdioxidschicht 5, einer in die Siliziumdioxidschicht 5 eingelagerten Gateelektrode 6 und ei ner ebenfalls in die Siliziumdioxidschicht 5 eingelagerten Potentialelektrode 7.

Erfindungsgemäß ist in der p-Halbleiterwanne 3 zusätzlich noch eine Ladungsträger-Rekombinationszone 8, aus beispiels weise einer Titanlegierung eingelagert, wobei zwischen der n-Halbleiterschicht 2 und dieser Ladungsträger-Rekombinations zone 8 noch eine n⁺-Halbleiterzone 9 angeordnet ist.

Die Ladungsträger-Rekombinationszone 8, die in die als p-Ba sis dienende p-Halbleiterwanne 3 eingelagert ist, wirkt als Löcher-Rekombinationszone. Ein Großteil des Löcherstromes re kombiniert in dieser Ladungsträger-Rekombinationszone 8, und der so erhaltene Strom wird weiter zu der n⁺-Emitterzone 4 im MOS-Kanal in der p-Halbleiterwanne 3 geführt. Der unterhalb der n-Source fließende Löcherstrom wird dadurch bedeutend re duziert, was das Latch-up-Risiko erheblich vermindert.

Durch die zwischen der Ladungsträger-Rekombinationszone 8 und der n⁻-Halbleiterschicht 2 vorgesehene n⁺-Halbleiterzone 9 kann die Löcherrekombination gesteuert werden. Dadurch wirkt sich die hohe Rekombinationsgeschwindigkeit am Metall, bei spielsweise einer Titanlegierung, oder polykristallinem Sili zium der Ladungsträger-Rekombinationszone 8 bewirkte hohe Re kombinationsgeschwindigkeit nicht so stark auf die Basiszone der n⁻-Halbleiterschicht 2 aus. Es kann also so die Löcher konzentration in der n⁻-Halbleiterschicht 2 beeinflußt wer den, wodurch die Leitfähigkeitsmodulation in der n⁻-Halblei terschicht steuerbar ist.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer MOSFET/Dioden-Kaskode. Zusätzlich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind hier noch eine Isolator schicht 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumni trid unterhalb der p-Halbleiterwanne 3 bzw. der Ladungsträ ger-Rekombinationszone 8 und eine p⁺-Halbleiterzone 11 vorge sehen. Die Ladungsträger-Rekombinationszone 8 erstreckt sich hier durch die p-Halbleiterwanne 3 hindurch bis zu der Isola torschicht 10 und ist von der n⁺-Halbleiterzone 9 umgeben. Auf der Isolatorschicht 10 ist eine Metallisierung 14 aus Aluminium vorgesehen, die die Emitterzone 4 und die Halblei terwanne 3 kontaktiert.

Durch die unterhalb der Ladungsträger-Rekombinationszone 8 angeordnete Isolatorschicht 10 wird der MOS-Teil vollkommen frei von Löchern gehalten, wodurch das Latch-up-Risiko prak tisch vollkommen ausgeschlossen werden kann. Hierzu dient auch die bis unterhalb die Zone 4 gezogene Metallisierung 14 aus Aluminium (ggf. auch ein anderes Metall möglich).

Durch eine leitende Verbindung 12 zwischen der Potentialelek trode 7 aus polykristallinem Silizium und der Ladungsträger-Re kombinationszone 8 aus Metall haben die "floatenden" Zonen im Chip gleiches Potential.

Mittels der Größe des durch die Halbleiterwanne 3 und die Isolatorschicht 10 gebildeten Schlitzes kann die Absaugwir kung auf die Ladungsträger mit entgegengesetzter Ladung zur Halbleiterschicht 2 gesteuert werden. Eine hochdotierte n⁺-Zone 13 dient zusätzlich zur Steuerung dieser Absaugwirkung.

Die n⁺-Emitterzone 4 braucht nicht ringförmig gestaltet zu sein, sondern kann einen Vollkreis ausfüllen. Gleiches gilt auch für die Isolatorschicht 10 sowie für die p⁺-Halbleiterzone 11.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung anhand einer MOSFET/Thyristor-Kaskode, wobei hier die Metallisierung 14 eine Emitterelektrode 15 bildet. Ein Teil der n⁺-Emitterzone 4 braucht nicht bis zu der Isola torschicht 10 zu reichen, wie dies durch eine Strichlinie 16 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Transistor/Dioden-Kaskode, während in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist, bei dem die n-Halbleiterschicht 2 "kanalförmig" zu der n⁺-Halbleiterzone 9 geführt ist. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4, das auch eine Emitterelektrode 15 und eine Basiselektrode 17 zeigt, kann auch die leitende Verbindung 12 vorgesehen werden. Diese leitende Verbindung 12 kann auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 vorgesehen werden.

Schließlich zeigt Fig. 6 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode, die ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 aufgebaut ist.

Bezugszeichenliste

1

p⁺-Kollektorzone

2

n⁻-Halbleiterschicht

3

p⁺-Halbleiterwanne

4

n⁺-Emitterzone

5

Siliziumdioxidschicht

6

Gateelektrode

7

Potentialelektrode

8

Ladungsträger-Rekombinationszone

9

n⁺-Halbleiterzone

10

Isolatorschicht

11

p⁺-Halbleiterzone

12

leitende Verbindung

13

n⁺-Zone

14

Metallisierung

15

Emitterelektrode

16

Strichlinie

17

Basiselektrode

Claims

1. Halbleiter-Leistungsbauelement mit erhöhter Latch-up-Fes tigkeit durch Unterdrücken eines parasitären Thyristors, mit einem eine Basiszone (2) bildenden Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in welchem eine weitere Basiszone (3) des anderen Leitungstyps vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine in der weiteren Basiszone (3) angeordnete Ladungsträger-Re kombinationszone (8).

2. Halbleiter-Leistungsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger-Rekombinationszone (8) aus Metall oder hochdotiertem polykristallinem Silizium besteht.

3. Halbleiter-Leistungsbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Titanlegierung ist.

4. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger-Rekombinationszone (8) die weitere Ba siszone (3) durchsetzt.

5. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger-Rekombinationszone (8) in einem Ober flächenbereich der weiteren Basiszone (3) vorgesehen ist.

6. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine unter der weiteren Basiszone (3) vorgesehene Isolator schicht (10)

7. Halbleiter-Leistungsbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (10) aus Siliziumdioxid besteht.

8. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der Ladungsträger-Rekombinationszone (8) und der Basiszone (2) eine hochdotierte Zone (9) des einen Leitung styps vorgesehen ist.

9. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leitungstyp der n-Leitungstyp ist.

10. Halbleiter-Leistungsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine im Bereich oberhalb der Ladungsträger-Rekombinationszone (8) in eine Isolatorschicht (5) eingebettete Potentialelek trode (7).

11. Halbleiter-Leistungsbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitende Verbindung (12) zwischen der Potentialelek trode (7) und der Ladungsträger-Rekombinationszone (8) vorge sehen ist.