DE4002653C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen P-Kanal-Bipolartransistor mit isoliertem Gate, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein solcher P-Kanal-Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist bekannt aus "IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-5, 1984, S. 437-439.

Der N-Kanal-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) wird mehr und mehr als Leistungsschalterelement eingesetzt. Man kann dieses Bauelement beschreiben als Bauelement, in welchem der Seite der Drainelektrode der Drainzone eines N-Kanal-Vertikal-MOSFETS eine P⁺-Schicht hinzugefügt ist. In den letzten Jahren wird mehr und mehr ein IGBT vom P-Kanal-Typ entwickelt, und zwar deshalb, weil mit dem P- Kanal-IGBT eine Vereinfachung der Steuerschaltung möglich und eine intelligente Ausgestaltung einfach ist. Bei dem P- Kanal-IGBT handelt es sich um ein Bauelement, in welchem sämtliche Leitungstypen gegenüber dem N-Kanal-IGBT umge­ kehrt sind.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem N⁺-leitenden Substrat 1 (erste Schicht) eine P⁺-leitende Schicht 2 (zweite Schicht) als Pufferschicht ausgebildet. Auf der Oberfläche der letztgenannten Schicht ist eine P^--leitende Schicht 3 (dritte Schicht) mit hohem Widerstand ausgebildet. In der P^--leitenden Schicht 3 ist eine N⁺-Schicht 4 (erste Zone) selektiv ausgebildet, und selektiv in der N⁺-Schicht 4 ist eine P⁺-Schicht 5 (zweite Zone) gebildet. Die Oberflächenzone dieser N⁺-Schicht 4 zwischen der P⁻-Schicht 3 und der P⁺-Schicht 5 ist als Kanalzone ausgebildet. Auf ihr ist unter Zwischenschaltung einer Gateisolierschicht 6 eine Gateelektrode 7 angeordnet. Eine Sourceelektrode 8 steht in Kontakt mit der N⁺-Schicht 4 und der P⁺-Schicht 5, und eine Drainelektrode 9 steht in Berührung mit der Oberfläche des N⁺-Substrats 1. Eine Zwischenisolierschicht 10 liegt zwischen der Sourceelektrode 8 und der Gate­ elektrode 7.

Wenn bei diesem Bauelement die Sourceelektrode 8 auf Masse gelegt und eine negative Spannung an die Gateelektrode 7 und die Drainelektrode 9 gegeben wird, wird der MOSFET eingeschaltet, und es fließen positive Löcher in die P⁻-Schicht 3. Dementsprechend erfolgt die Injektion von Elektronen von dem N⁺-Substrat 1 in die P⁻-Schicht 3. Aufgrund dieser Leitfähigkeitsmodulation in der P⁻-Schicht 3 wird der Widerstand dieser Zone niedrig.

Wenn ein P-Kanal-IGBT unter einer Last L ausgeschaltet wird, wird eine hohe negative Spannung an die Drainelektrode 9 gelegt, hervorgerufen durch die Gegen-EMK der Last L. Die Spannung gelangt in Form einer Sperr-Vorspannung an den Übergang zwischen der P⁻-Schicht 3 und der N⁺-Zone 4, und demzufolge wird in dem Übergang ein starkes elektrisches Feld erzeugt. Weiterhin hat ein NPN-Transistor mit dem N⁺-Substrat 1, der P⁺-Schicht 2, der P⁻-Schicht 3 und der N⁺-Schicht 4 die Neigung, andauernd einen konstanten Strom abzugeben, und der Hauptstrom ist dem Elektronenstrom zuzuschreiben. Da das Stoßionisationsverhältnis von Elektronen bei Anlegen eines starken elektrischen Feldes von etwa 10⁺⁵ V/cm etwa 100- bis 1000mal größer ist als das von positiven Löchern, findet beim Abschalten eines P-Kanal-IGBT eher ein Lawinendurchbruch statt als bei einem N-Kanal-IGBT.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben angegebenen Nachteile zu vermeiden und einen P-Kanal-IGBT anzugeben, der beim Abschalten weniger zum Lawinendurchbruch neigt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch angegeben.

Dadurch, daß man den spezifischen Widerstand der dritten Schicht größer als 250 Ohm · cm macht, wird die Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht stark herabgesetzt. Wenn folglich eine Sperr-Vorspannung an die dritte Schicht und die erste Zone gelegt wird, so wird dies durch Vergrößerung der Verarmungsschicht kompensiert. Mit dem so vorgegebenen Aufbau wird die Stärke des elektrischen Feldes an dem Übergang geschwächt, und dadurch wiederum werden beim Anlegen einer identisch großen Sperr-Vorspannung, verglichen mit dem Fall, bei dem die dritte Schicht eine Schicht mit geringem spezifischen Widerstand ist, wobei der spezifische Widerstand weniger als 250 Ohm · cm beträgt, weniger Lawinen-Ladungsträger hervorgerufen.

Wenn die Dicke der zweiten Schicht herabgesetzt wird, wird der Stromverstärkungsfaktor h_fe des die erste N-leitende Schicht, die zweite P-leitende Schicht und die dritte Schicht und die N-leitende erste Zone enthaltenden NPN-Transistors erhöht, und das Verhältnis des Elektronenstroms in bezug auf den Gesamtstrom vergrößert sich, so daß die Tendenz zum Lawinendurchbruch begründet wird. Folglich ist es notwendig, die Dicke der zweiten Schicht zu mehr als 15 µm zu wählen.

Der Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors hängt außer von der Dicke der zweiten Schicht und dem spezifischen Widerstand der dritten Schicht auch ab vom spezifischen Widerstand der zweiten Schicht und der Dicke der dritten Schicht. Es sei folgende Abhängigkeit für den Wert A gegeben:

A = W₂²/ρ₂ × ln (ρ₃ × W₃) × 10⁻³

wobei W₂ die Dicke der zweiten Schicht, ρ₂ der spezifische Widerstand der zweiten Schicht, W₃ die Dicke der dritten Schicht und ρ₃ der spezifische Widerstand der dritten Schicht ist. Wenn diese Abhängigkeit bei einer beim Abschalten auftretenden Spannung von 450 V größer als 2,4, bei 900 V größer als 4,0 und bei 1250 V größer als 7,1 gemacht wird, verringert sich der Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors, der aus der ersten Schicht, der zweiten Schicht, der dritten Schicht und der ersten Zone gebildet ist, wodurch das Verhältnis des Elektronenstroms zu dem Gesamtstrom herabgesetzt wird. Dies macht einen Lawinendurchbruch unwahrscheinlicher. Da aber bei übermäßig hohem Wert A die Einschaltspannung (=Spannungsabfall am eingeschalteten Transistor) größer ist, wird A bei einem Bauelement für 450 V unter 19,8 gehalten, bei einem Bauelement für 900 V unter einem Wert von 30,0 gehalten und bei einem Bauelement für 1250 V von V_CEX auf einem Wert unter 36,6 gehalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines P-Kanal-IGBT, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und dem spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht in einem Bauelement der 600-V-Klasse,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und dem spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht in einem Bauelement der 1200-V-Klasse,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und dem spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht in einem Bauelement der 1500-V-Klasse,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und der Einschaltspannung und dem spezifischen Widerstand der P⁺-Schicht in einem Bauelement der 600-V-Klasse,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und der Einschaltspannung sowie der Dicke der P⁺-Schicht in einem Bauelement der 600-V-Klasse,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung beim Abschalten und der Einschaltspannung sowie dem Wert A gemäß der Erfindung in jeweils einem Bauelement jeder Klasse, und

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Obergrenze und der Untergrenze für den Wert A und der zulässigen Abschaltspannung.

Der IGBT mit dem Aufbau nach Fig. 1 wurde nach dem im folgenden erläuterten Verfahren hergestellt. Zunächst wurden mit Hilfe eines Epitaxieverfahrens auf der Oberfläche eines N⁺-Substrats 1 eine P⁺-Schicht 2 und eine P⁻-Schicht 3 gebildet. Nach dem Ausbilden einer Gateoxidschicht 6 auf der Oberfläche der P⁻-Schicht 3 wurde darüber eine Gateelektrode 7 auf polykristallinem Silicium gebildet, und dann wurde mittels Ioneninjektion eine N⁺-Schicht 4 gebildet, wobei die Gateelektrode 7 als Maske diente. Nach der thermischen Diffusion der N⁺-Schicht 4 wurde durch Ioneninjektion und durch thermische Diffusion eine P⁺-Schicht 5 gebildet, wobei ebenfalls die Gateelektrode 7 als Maske diente. Anschließend wurden die Schichten durch eine Isolierschicht 10 abgedeckt, mit einem Muster versehen, und zur Vervollständigung des Bauelements einer Sourceelektrode 8 und eine Drainelektrode 9 gebildet.

In dem so hergestellten P-Kanal-IGBT hat die Abhängigkeit der Sekundär-Durchbruchsspannung (=Durchbruchspannung beim Abschalten) V_CEX vom spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht 3 mit der Dicke der P⁺-Schicht 2 als Parameter den in Fig. 2 dargestellten Verlauf. In diesem Fall entspricht V_CEX der Bauelement-Durchbruchsspannung beim Abschalten einer Last L. In diesem Fall wurde der spezifische Widerstand der P⁺-Schicht 2 auf 0,2 Ohm · cm eingestellt, während die Dicke der P⁻-Schicht 3 auf 5,5 µm eingestellt wurde. Die numerischen Parameterwerte in der Figur bedeuten die Dicke der P⁺-Schicht 2, und man kann in jedem der Fälle sehen, daß mit höherem spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht 3 V_CEX zunimmt, und damit die Gefahr eines Lawinendurchbruchs abnimmt. Zum Vermeiden des Auftretens eines Lawinendurchbruchs beim Ausschalten der Last L ergibt sich aus Fig. 2 unter folgenden Bedingungen: V_CE = -500 V und I_CE = -100 A, definiert als Obergrenze für den stabilen Betriebsbereich bei einem Stromfluß in einem Bauelement der 600-V-Klasse, eingesetzt bei einer 200-V-Spannungsquelle, daß die Dicke der P⁺-Schicht 2 größer als 15 µm und der spezifische Widerstand der P⁻-Schicht 3 größer als 250 Ohm · cm sein müssen.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit von V_CEX von dem spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht 3 mit der Dicke der P⁺-Schicht 2 als Parameter in einem IGBT der 1200-V-Klasse, wobei die Dicke der P⁻-Schicht 3 auf 7,8 µm erhöht wurde. In diesem Fall ergibt sich Fig. 3 als Bedingungen für ein Vermeiden eines Lawinendurchbruchs unter den Randbedingungen V_CE = -1000 V und I_CE = -50 A als Obergrenze für den sicheren Betriebsbereich eines Bauelements der 1200-V-Klasse die Voraussetzung, daß die Dicke der P⁺-Schicht 2 mehr als 15 µm und der spezifische Widerstand der P⁻-Schicht 3 mehr als 250 Ohm · cm beträgt.

Fig. 4 zeigt ebenfalls die Abhängigkeit von V_CEX vom spezifischen Widerstand der P⁻-Schicht 3 in einem IGBT der 1500-V-Klasse, bei dem die Dicke der P⁻-Schicht 3 weiter auf 8,7 µm erhöht wurde, während ebenfalls die Dicke der P⁺-Schicht 2 als Parameter fungiert. In diesem Fall läßt sich aus Fig. 4 ersehen, daß zur Vermeidung eines Lawinendurchbruchs bei V_CE = -1250 V und I_CE = -67 A als Obergrenzenwert für den sicheren Betriebsbereich eines Bauelements der 1500-V-Klasse die Bedingungen gelten, daß die Dicke der P⁺-Schicht 2 größer als 15 µm und der spezifische Widerstand der P⁻-Schicht 3 größer als 250 Ohm · cm sein müssen.

Fig. 5 zeigt die Sekundär-Durchbruchsspannung V_CEX in Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand der P⁺-Schicht 2 in einem Bauelement der 600-V-Klasse in welchem der spezifische Widerstand der P⁻-Schicht 3 300 Ohm · cm und die Dicke der P⁺-Schicht 2 15 µm betrugen. Wie aus der Figur ersichtlich, hängt V_CEX in starkem Maß ab von dem spezifischen Widerstand der P⁺-Schicht 2, und wird größer, wenn der spezifische Widerstand niedriger wird. Man kann erkennen, daß die Bedingung dafür, daß kein Lawinendurchbruch bei V_CE = -500 V verursacht wird, darin besteht, daß der spezifische Widerstand der P⁺-Schicht 2 weniger als 0,3 Ohm · cm beträgt. Weiterhin zeigt Fig. 5 auch die Abhängigkeit der Einschaltspannung V_ON von dem spezifischen Widerstand der P⁺-Schicht 2. Die Einschaltspannung ist der Spannungsabfall beim Fließen des Nenn-Stroms in einem Bauelement, das heißt bei I_CE = 50 A in einem Bauelement der 500-V-Klasse. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, zeigt die Einschaltspannung V_ON ein Verhalten, welches demjenigen von V_CEX entgegengesetzt ist. V_ON nimmt ab, wenn der spezifische Widerstand zunimmt. Daran sieht man, daß die Bedingung zur Erfüllung des vorgeschriebenen Einschaltspannungswerts von V_ON unterhalb von 3,0 V in einem allgemeinen Leistungsbauelement darin besteht, daß der spezifische Widerstand der P⁺-Schicht 2 nicht weniger als 0,1 Ohm · cm beträgt.

Fig. 6 zeigt V_CEX in Abhängigkeit von der Dicke der P⁺-Schicht 2 in einem Bauelement der 600-V-Klasse, bei welchem der spezifische Widerstand der P⁻-Schicht 3 330 Ohm · cm und der spezifische Widerstand der P⁺-Schicht 2 0,3 Ohm · cm beträgt. Auch hier ist V_ON mit aufgetragen. In gleicher Weise, wie bei der Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand der P⁺-Schicht 2 zeigen V_CEX und V_ON entgegengesetzte Kennlinien im Hinblick auf die Dicke der P⁺-Schicht 2, wobei V_CEX mit einer Zunahme der Dicke der P⁺-Schicht 2 verbessert wird, während V_ON verschlechtert wird. Man sieht, daß die Bedingung dafür, daß kein Lawinendurchbruch verursacht wird, bei V_CE = -500 V folgende ist: Die Dicke der P⁺-Schicht 2 darf nicht weniger als 15 µm betragen; und die Bedingung dafür, daß V_ON unterhalb von 3,0 V liegt, besteht darin, daß die Dicke weniger als 25 µm ist.

Die gleichen Untersuchungen wie bei den vorstehend erläuterten Beispielen wurden bei Bauelementen der 1200-V-Klasse und der 1500-V-Klasse gemacht. Es zeigt sich, daß V_ON und V_CEX in sämtlichen Bauelementen eine entgegengesetzte Beziehung aufweisen. Wie aus dem vorstehenden Beispiel ersichtlich ist, lassen sich der spezifische Widerstand und die Dicke der P⁺-Schicht 2 und der spezifische Widerstand und die Dicke der P⁻-Schicht 3 als Bauelementparameter angeben, die Einfluß haben auf die Werte von V_ON und V_CEX. Unter Verwendung der genannten vier Parameter läßt sich die folgende Gleichung ableiten:

A = W₂²/ρ₂ × ln (ρ₃ × W₃) × 10⁻³

wobei
W₂: Dicke der P⁺-Schicht 2 (µm)
ρ₂: spezifischer Widerstand der P⁺-Schicht 2 (Ohm · cm)
W₃: Dicke der P⁻-Schicht 3 (µm)
ρ₃: spezifischer Widerstand der P⁻-Schicht 3 (Ohm · cm)
ist.

Fig. 7 zeigt V_CEX und V_ON, wenn der oben angegebene Wert A auf der Abszisse aufgetragen ist, und zwar gelten die Werte für einen P-Kanal-IGBT der 600-V-Klasse, der 1200-V-Klasse und der 1500-V-Klasse. Man kann erkennen, daß bei dem Bauelement der 600-V-Klasse die Bedingungen, unter denen kein Lawinendurchbruch bei V_CE = -500 V veranlaßt wird und dafür, daß V_ON niedriger als 3,0 V ist, für folgenden Fall erfüllt werden können: 2,4 A 19,8. Beim Bauelement der 1200-V-Klasse ergeben sich die Bedingungen dafür, daß bei V_CE = -1000 V kein Lawinendurchbruch entsteht und V_ON niedriger als 3,0 V ist: 4,0 A 30,0. Bei einem Bauelement der 1500-V-Klasse sind die Bedingungen dafür, daß bei V_CE = -1250 V kein Lawinendurchbruch verursacht wird und V_ON niedriger als 3,0 V ist: 7,1 A 36,6.

Fig. 8 zeigt den Bereich für einen solchen Wert A mit auf der Abszisse aufgetragenem V_CE. Das heißt: der Wert für A kann zwischen der Linie 81 als unterer Grenze und der Linie 82 als oberer Grenze liegen.

Claims (2)

1. P-Kanal-Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfassend

   • - eine erste N-leitende Schicht (1) mit hoher Dotierstoffkon­ zentration,
   • - eine zweite, P-leitende Schicht (2) mit hoher Dotierstoffkon­ zentration,
   • - eine dritte P-leitende Schicht (3) geringer Dotierstoffkon­ zentration, die in der genannten Reihenfolge aneinander anliegend ausgebildet sind,
   • - eine erste, N-leitende Zone (4), die selektiv in einem Ober­ flächenteil der dritten Schicht ausgebildet ist,
   • - eine zweite, P-leitende Zone (5), die selektiv in einem Ober­ flächenteil der ersten Zone ausgebildet ist und als Source- Zone wirkt, und
   • - eine Gateelektrode (7), die auf der ersten Zone (4) zwischen der dritten Schicht (3) und der zweiten Zone (5) über einer Isolierschicht angeordnet ist,
2. dadurch gekennzeichnet,

   • - daß die Dicke W₂ der zweiten Schicht (2) mehr als 15 µm beträgt,
   • - daß der spezifische Widerstand ρ₃ der dritten Schicht (3) mehr als 250 Ohm · cm beträgt und
   • - daß in einem Diagramm, in dem auf der Abszisse die zulässige Spannung V_CE (gemessen in Volt) beim Abschalten einer Last und auf der Ordinate eine Größe A = W₂²/ρ₂ · ln (ρ₃ · W₃) · 10^-3aufgetragen ist, wobei W₂ und W₃ die Dicke (gemessen in µm) der zweiten bzw. dritten Schicht und ρ₂ und ρ₃ der spezifische Widerstand (gemessen in Ohm · cm) der zweiten bzw. dritten Schicht sind, der Wert von A in einem Bereich liegt, der begrenzt ist durch eine erste Kurve, die durch die Punkte V_CE A 450 2,4 900 4,0 1250 7,1 geht, und eine zweite Kurve, die durch die Punkte V_CE A 450 19,8 900 30,0 1250 36,6 geht.