DE19743265A1

DE19743265A1 - Semiconductor power component with increased latch-up strength

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; EP1019967A1; WO1999017373A1

Abstract

The invention relates to a semi-conductor power component with enhanced latch-up resistance as a result of suppression of a parasitic thyristor, comprising a first conduction type semi-conductor body (2) forming a base area, wherein a second conduction-type base area (3) is also provided. A charge carrier-recombination area (8) made of metal or polycrystalline silicon is embedded in the second base area (3), whereby a first conduction type highly doped area (9) is provided between the charge-carrier-recombination area (8) and the base area (2). Another insulation layer can be arranged below the second base area (3).

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.The invention relates to a semiconductor power component increased latch-up strength by suppressing a parasi tary thyristor, with a semi-lead forming a base zone body of one line type, in which another Ba siszone of the other line type is provided.

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.Latch-up is the ignition of a parasitic thyristor with, for example, an IGBT (IGBT = bipolar transistor with insulated gate) understood. With such an IGBT the parasitic thyristor from an n-source zone, a p-well, an n-base zone and a p-collector zone.

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.In IGBTs, the latch-up strength has so far been determined by p⁺ zones increases, which are arranged below the n⁺ emitter zone. In follow this p⁺ zone, the sinks through the below the Hole current flowing in the n-source zone caused lateral span waste. This eliminates the risk that this voltage drop the value of the diffusion voltage between the n-source zone and the p-tub are almost reached and to snap the parasitic thyristors could be significantly reduced.

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. Nevertheless, it has been shown that by the usual measure above took, i.e. placing a p⁺ zone below the n⁺ zone especially with IGBTs, the latch-up strength is not sufficient desired degree can be achieved.

Im übrigen gibt es auch allgemein bei planaren und trenchar tigen MOS-Zellen die verschiedensten Ausgestaltungsformen zur Reduzierung der Durchlaßspannung.Otherwise there are also generally planar and trenchar term MOS cells for a wide variety of designs Reduction of the forward voltage.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halblei ter-Leistungsbauelement zu schaffen, das sich durch eine be sonders hohe Latch-up-Festigkeit auszeichnet.It is therefore an object of the present invention, a half lead ter power component to create, which is characterized by a be particularly high latch-up strength.

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.A semiconductor Lei is used to solve this task Stungsbauelement of the type mentioned in the invention by a charge carrier arranged in the further base zone recombination zone. This carrier recombina tion zone can be made of metal or highly doped polycrystalline Silicon exist. For example, titanium is a metal alloy suitable. The carrier recombination zone can enforce the further base zone or only in egg embedded surface area of the further base zone be. It when the charge carrier Re combination zone in one in the other base zone assigned highly doped zone of one line type is. This one line type is preferably the n line Type.

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. The one, for example, stored in the further p-base zone Carrier recombination zone causes much of it the hole current in the charge carrier recombination zone right combined, and this stream is then continued up to the emitter zone as an electron current in the MOS channel. Of the hole current flowing below the N source becomes thereby significantly reduced, resulting in a substantial increase in Latch-up strength leads.

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.By between the charge carrier recombination zone and the highly doped n⁺ zone provided for the n base zone becomes the Lö recombination controlled. This affects the high recom bination speed on the metal of the charge carrier recombi nation zone not so strongly on the n base zone. Thereby can the hole concentration in the adjacent area of the n-Ba siszone are affected, this hole concentration again the conductivity modulation in the n-base zone influences.

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.Furthermore, it is preferably below the charge carrier ger recombination zone provided an insulator layer. By this insulator layer becomes the MOS part of the semiconductor Lei Power component, such as an IGBT, completely kept clear of holes. As a result, a Latch-up risk can practically be excluded. It also works Insulator layer also as a hole congestion zone, which makes the Conductivity modulation increased further in the n-base zone becomes.

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. The conductivity types specified above can also be reversed be returned: in this case the charge carrier recombination works nation zone as electron recombination zone when in an n-well, such as an MCT (MCT = MOS-ge controlled thyristor) is embedded. The highly doped zone one of the conduction types is then a p⁺ semiconductor zone. A another possible application is an EST (EST = emitter-switched thyristor), in which the present Invention the latch-up strength can be increased by Latch-up problems of the parasitic MOSFET can be avoided.

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.Preferred applications of the present invention consist of a MOSFET / diode cascode, a MOSFET / Thyri stor cascode, a transistor / diode cascode and a Tran sistor / thyristor cascode.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to the drawings explained. Show it:

Fig. 1 einen IGBT nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 1 is an IGBT according to a first embodiment of the present invention,

Fig. 2 eine MOSFET/Dioden-Kaskode nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 shows a MOSFET / diode according to a second cascode exporting approximately example of the invention,

Fig. 3 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode nach einem dritten Aus führungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 is a MOSFET / thyristor-cascode operation example according to a third From the invention,

Fig. 4 eine Transistor/Dioden-Kaskode nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 4 is a transistor / diode cascode according to a fourth embodiment of the present invention,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und Fig. 5 is a side view of a fifth embodiment of the present invention and

Fig. 6 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 6 shows a MOSFET / thyristor cascode according to a sixth embodiment of the invention.

In den Figuren werden sich einander jeweils entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding to each other in the figures Parts have the same reference numerals.

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. Fig. 1 shows as a first embodiment of the invention, egg
NEN IGBT with a p⁺-type collector zone 1 , an n⁻-semiconductor layer 2 , a p-semiconductor trough 3 , an n⁺-emitter zone 4 , a silicon dioxide layer 5 , a gate electrode 6 embedded in the silicon dioxide layer 5 and also in egg ner the silicon dioxide layer 5 embedded potential electrode 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.According to the invention in the p-type semiconductor well 3 in addition, a carrier recombination zone 8, Example as incorporated a titanium alloy of, wherein between the n-type semiconductor layer 2 and the charge-carrier recombination zone 8 is disposed still an n⁺-type semiconductor region. 9

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.The charge carrier recombination zone 8 , which is embedded in the p-semiconductor trough 3 serving as p-base, acts as a hole recombination zone. A large part of the hole current re combines in this charge carrier recombination zone 8 , and the current thus obtained is passed on to the n⁺-emitter zone 4 in the MOS channel in the p-type semiconductor trough 3 . The hole current flowing underneath the n-source is thereby significantly reduced, which considerably reduces the risk of latch-up.

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.The hole recombination can be controlled by the n-semiconductor zone 9 provided between the charge carrier recombination zone 8 and the n-semiconductor layer 2 . As a result, the high recombination speed on the metal, in the case of a titanium alloy, for example, or polycrystalline silicon of the charge carrier recombination zone 8 , the high recombination speed caused not so much on the base zone of the n⁻ semiconductor layer 2 . It can thus affect the hole concentration in the n⁻ semiconductor layer 2 , which means that the conductivity modulation in the n⁻ semiconductor layer can be controlled.

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. Fig. 2 shows a second embodiment of the present invention using a MOSFET / diode cascode. In addition to the embodiment of FIG. 1, there is also an insulator layer 10 made of, for example, silicon dioxide or silicon nitride below the p-semiconductor trough 3 or the charge carrier recombination zone 8 and a p 11 -semiconductor zone 11 . The charge carrier recombination zone 8 extends here through the p-type semiconductor trough 3 to the insulator layer 10 and is surrounded by the n⁺-semiconductor zone 9 . On the insulator layer 10 , a metallization 14 made of aluminum is provided, which contacts the emitter zone 4 and the semiconductor tub 3 .

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).Due to the arranged below the charge carrier recombination zone 8 insulator layer 10 , the MOS part is kept completely free of holes, whereby the latch-up risk can practically be completely excluded. The metallization 14 made of aluminum drawn down to the zone 4 also serves this purpose (another metal may also be possible).

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.Through a conductive connection 12 between the potential electrode 7 made of polycrystalline silicon and the charge carrier re-combination zone 8 made of metal, the "floating" zones in the chip have the same 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.By means of the size of the slot formed by the semiconductor trough 3 and the insulator layer 10 , the suction effect on the charge carriers with opposite charge to the semiconductor layer 2 can be controlled. A highly doped n⁺ zone 13 also serves to control this suction effect.

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.The n⁺ emitter zone 4 need not be designed in a ring shape, but can fill a full circle. The same also applies to the insulator layer 10 and to the p⁺ semiconductor zone 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. 3 shows a further exemplary embodiment of the present invention using a MOSFET / thyristor cascode, the metallization 14 here forming an emitter electrode 15 . Part of the n⁺-emitter zone 4 does not need to extend to the insulator layer 10 , as is indicated by a broken line 16 .

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. FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention on the basis of a transistor / diode cascode, while FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the invention in which the n-semiconductor layer 2 is guided in a “channel-like” manner to the n⁺-semiconductor zone 9 . In the embodiment of Fig. 4, which also shows an emitter electrode 15 and a base electrode 17, the conductive connection 12 can be provided. This conductive connection 12 can also be provided in the embodiment of FIG. 5.

Schließlich zeigt Fig. 6 eine MOSFET/Thyristor-Kaskode, die ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 aufgebaut ist. Finally, FIG. 6 shows a MOSFET / thyristor cascode, which is constructed similarly to the exemplary embodiment from FIG. 2.

Reference list

11

p⁺-Kollektorzone
p⁺ collector zone

22nd

n⁻-Halbleiterschicht
n⁻ semiconductor layer

33rd

p⁺-Halbleiterwanne
p⁺ semiconductor tub

44th

n⁺-Emitterzone
n⁺ emitter zone

55

Siliziumdioxidschicht
Silicon dioxide layer

66

Gateelektrode
Gate electrode

77

Potentialelektrode
Potential electrode

88th

Ladungsträger-Rekombinationszone
Carrier recombination zone

99

n⁺-Halbleiterzone
n⁺ semiconductor zone

1010th

Isolatorschicht
Insulator layer

1111

p⁺-Halbleiterzone
p⁺ semiconductor zone

1212th

leitende Verbindung
conductive connection

1313

n⁺-Zone
n⁺ zone

1414

Metallisierung
Metallization

1515

Emitterelektrode
Emitter electrode

1616

Strichlinie
Dash line

1717th

Basiselektrode
Base electrode

Claims

1. Semiconductor power component with increased latch-up strength by suppressing a parasitic thyristor, with a base region ( 2 ) forming the semiconductor body of one conduction type, in which a further base zone ( 3 ) of the other conduction type is provided, characterized by a in the further base zone ( 3 ) arranged charge carrier re-combination zone ( 8 ).

2. Semiconductor power component according to claim 1, characterized in that the charge carrier recombination zone ( 8 ) consists of metal or highly doped polycrystalline silicon.

3. The semiconductor power component according to claim 2, characterized, that the metal is a titanium alloy.

4. Semiconductor power component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the charge carrier recombination zone ( 8 ) passes through the further base zone ( 3 ).

5. Semiconductor power component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the charge carrier recombination zone ( 8 ) is provided in an upper surface area of the further base zone ( 3 ).

6. The semiconductor power component according to one of claims 1 to 5, characterized by an insulator layer ( 10 ) provided under the further base zone ( 3 ).

7. A semiconductor power component according to claim 6, characterized in that the insulator layer ( 10 ) consists of silicon dioxide.

8. Semiconductor power component according to one of claims 1 to 7, characterized in that between the charge carrier recombination zone ( 8 ) and the base zone ( 2 ) a highly doped zone ( 9 ) of a line type is provided.

9. The semiconductor power component according to one of claims 1 till 8, characterized, that the one line type is the n line type.

10. Semiconductor power component according to one of claims 1 to 9, characterized by an in the region above the charge carrier recombination zone ( 8 ) in an insulator layer ( 5 ) embedded potential electrode ( 7 ).

11. A semiconductor power component according to claim 10, characterized in that a conductive connection ( 12 ) between the potential electrode ( 7 ) and the charge carrier recombination zone ( 8 ) is easily seen.