DE4003389C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Horizontal-Leitfähigkeits­ änderungs-MOSFET, der in Form eines MOSFET Kanalstroms einen horizontalen Basisstrom für einen Bipolartransistor liefert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines solchen MOSFET.

Leitfähigkeitsänderungs-MOSFETs werden auch Bipolartransis­ toren mit isoliertem Gate genannt und mit der Abkürzung IGBT bezeichnet, die nachfolgend verwendet werden soll. IGBTs sind spannungsgesteuerte bipolare Elemente, die als Vertikalelemente und in der letzten Zeit auch als Horizon­ talelemente entwickelt wurden. Bei Vertikal-IGBTs fließt der Strom zwischen den beiden Seiten des Halbleitersub­ strats. Bei Horizontal-IGBTs wird nur eine Fläche des Halb­ leitersubstrats verwendet, was den Einbau des Substrats und die Herstellung von Kontakten zwischen integrierten Schal­ tungen auf demselben Substrat vereinfacht.

Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen N-Kanal Horizontal-IGBT, bei dem eine P⁺⁺ Zone 3 und eine angrenzende N⁺ Zone 4 an der Oberfläche einer P Wanne 2 auf einer Seite eines N⁻ Substrats 1 ausgebildet sind. Eine Sourceelektrode 5, die mit einem Sourceanschluß S verbunden ist, steht mit beiden Zonen in Kontakt, und eine Gateelektrode 7 aus polykristal­ linem Silicium erstreckt sich über die Fläche zwischen der Sourcezone 4 und einem Teil des N⁻Substrats 1. Die Gate­ elektrode 7 befindet sich auf einem Gateoxidfilm 6 und ist mit einem Gateanschluß G verbunden. In einem Abstand von der P Wanne 2 ist eine N⁺ Pufferzone 9 ausgebildet, die eine P⁺ Drainzone 8 umgibt. Die P⁺ Zone 8 wird von einer Drainelektrode 10 kontaktiert, die mit einem Drainanschluß D verbunden ist. Bei dieser Art von IGBT bildet sich bei Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode 7 durch Inver­ sion der Oberflächenladung der P Wanne 2 unter der Gate­ elektrode 7 ein N Kanal aus, aufgrund dessen Elektronen von der N⁺ Sourcezone 4 zum N⁻ Substrat 1 gelangen. Als Reak­ tion darauf wandern zur Neutralisierung auf der Drainseite Löcher von der P⁺ Zone 8 durch die N⁺ Pufferzone 9 zum N⁻ Substrat 1. Als Ergebnis tritt eine Ansammlung von Löchern in dem N⁻ Substrat 1 auf, was die Leitfähigkeitsänderung bewirkt.

Fig. 3 zeigt das Bändermodell und gibt wieder, auf welchem Weg ein positiver Ladungsträger 31 von der P⁺ Zone 8 durch die N⁺ Pufferzone 9 zum N⁻ Substrat 1 gelangt. Herkömmli­ cherweise wird, wenn sich positive Ladungsträger von der P⁺ Drainzone 8 zur N⁺ Pufferzone 9 bewegen, die Potentialsper­ re durch Änderung des spezifischen Widerstandes der N⁺ Puf­ ferzone 9, das heißt durch Änderung des Fermi-Niveaus ge­ steuert. In der Praxis wird die Potentialsperre durch Er­ höhen des spezifischen Widerstandes der N⁺ Pufferzone ge­ senkt und durch Verringerung des spezifischen Widerstandes erhöht.

IGBTs werden gewöhnlich als Schaltelemente eingesetzt, bei denen im Einschaltzustand eine möglichst weitgehende Leit­ fähigkeitsänderung erforderlich ist. Der Einschaltwider­ stand soll so niedrig wie möglich sein. Auf der anderen Seite soll der Übergang vom Einschaltzustand zum Sperrzu­ stand möglichst schnell erfolgen, das heißt eine kurze Schaltzeit ist erwünscht. Man hat versucht, diese Anfor­ derungen unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstan­ des und der Dicke der N⁺ Pufferzone 9 und durch Einführen eines Lebensdauerkillers zu erfüllen. In der Praxis erhält man optimale Werte durch Einstellen sowohl des Grads der erzeugten Leitfähigkeitsänderung als auch durch Verrin­ gerung der Ladungsträger durch Lebensdauerkiller.

Wie oben erläutert, verhindert die N⁺ Pufferzone 9 nicht nur einfach eine Erhöhung des Einschaltwiderstands durch Verhinderung einer weiteren Ausdehnung der Verarmungs­ schicht verbunden mit einer Erhöhung der Stehspannung, sondern spielt auch eine wichtige Rolle beim Schalten des IGBT. Die Störstellenkonzentrationen und die Dicke der N⁺ Pufferzone sind jedoch unabhängig von der Rolle der Puffer­ zone vorgegeben. Wenn ein Lebensdauerkiller im großen Aus­ maß eingesetzt wird, verkürzt dies die Schaltzeit, erhöht aber den Einschaltwiderstand. Wird mit einem Lebensdauer­ killer sparsam umgegangen, wird die Schaltzeit länger, der Einschaltwiderstand aber geringer. Die Verringerung der Schaltzeit einerseits und des Spannungsabfalls im Ein­ schaltzustand andererseits stellen daher sich widerspre­ chende Anforderungen dar.

Aus der Druckschrift "IEEE Electron Device Letters", Band EDL-7, Nr. 2, Februar 1986, ist ein N-Kanal Horizontal-IGBT bekannt, der sich von dem in Fig. 2 dargestellten und oben erläuterten nur dadurch unterscheidet, daß er die P⁺⁺ Zone 3 nicht aufweist. Die genannte Druckschrift befaßt sich mit einer Lösung des bei einem solchen IGBT auftretenden, sogenannten "Latch-Up" Problems, das von einem parasitären Thyristor herrührt, der unter Zugrundelegung der Bezugszahlen von Fig. 2 von der P-N-P-N-Folge 8, 9/1, 2, 4 gebildet wird. Dieser parasitäre Thyristor kann in einen Zustand gelangen, wo der IGBT über das Gate nicht mehr steuerbar ist, möglicherweise sogar zerstört wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen IGBT sowie ein Steuerverfahren für diesen zu schaffen, mit denen der obige Widerspruch aufgelöst wird, so daß durch weitestge­ hende Leitfähigkeitsänderung im Einschaltzustand ein ge­ ringer Einschaltwiderstand und durch schnelle Aufhebung der Leitfähigkeitsänderung beim Abschalten der Spannung eine kurze Schaltzeit erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Horizontal- Leitfähigkeitsänderungs-MOSFET gemäß Patentanspruch bzw. ein Steuerverfahren gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 ge­ löst.

Bei diesem IGBT wird im Einschaltzustand über die Drain­ elektrode und die andere Elektrode einer Spannung in Durch­ laßrichtung an den PN-Übergang zwischen der zweiten Zone und der fünften Zone angelegt. Während des Schaltvorgangs vom Leitungszustand in den Sperrzustand wird eine Spannung in Sperrichtung an diesen PN-Übergang angelegt.

Mit der in der zweiten Zone vorgesehenen zusätzlichen Elek­ trode kann eine Gleichspannung gewünschter Polarität zwi­ schen der fünften Zone, der Drainzone, und der zweiten Zo­ ne, der Pufferzone, angelegt werden. Dies hilft, die Po­ tentialsperre des PN-Übergangs zwischen den beiden Zonen zu steuern. Die Injektion von Löchern entsprechend dem Ein­ schaltzustand, erlaubt auf einfache Weise eine ausgeprägte Leitfähigkeitsänderung. Die Injektion von Löchern und die Ableitung von Elektronen kann gesteuert werden, um den Schaltvorgang vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand und damit die Leitfähigkeitsänderung schnell zu machen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Ho­ rizontal-IGBT gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Horizontal- IGBT,

Fig. 3 das Bändermodell für den herkömmlichen IGBT und

Fig. 4(a) und (b) Bändermodelle für den erfindungsge­ mäßen IGBT.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines N-Kanal Horizontal- IGBT. Der Aufbau der Schichten oder Zonen im Substrat 1 ist der gleiche wie bei dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen IGBT. Die P Wanne 2 (erste Zone), die eine Oberflächenstör­ stellenkonzentration von 5×10¹⁶ cm^-3 aufweist und von deren Oberfläche in einer Breite von 40 bis 50 µm diffun­ diert ist, sowie die N⁺ Pufferzone 9 (zweite Zone) mit ei­ ner Oberflächenstörstellenkonzentration von 10¹⁸ cm^-3, die von der Oberfläche in einer Breite von 50 bis 100 µm dif­ fundiert ist, sind in dem N⁻ Substrat 1 im Abstand d von­ einander ausgebildet. Das Substrat hat einen spezifischen Widerstand von 50 bis 100 Ωcm. In der P Wanne 2 sind die P⁺⁺ Kontaktzone 3 (dritte Zone) mit einer Oberflächenstör­ stellenkonzentration von 10¹⁷ cm^-3 oder mehr und einer Oberflächenstörstellendiffusionstiefe von 4 bis 5 µm sowie die N⁺ Sourcezone 4 (vierte Zone) mit einer Oberflächen­ störstellenkonzentration von etwa 10¹⁸ cm^-3 mit einer Tiefe von 1 µm oder weniger ausgebildet. In der N⁺ Pufferzone 9 ist eine P⁺ Drainzone 8 (fünfte Zone) mit einer Oberflä­ chenstörstellenkonzentration von etwa 10¹⁹ cm^-3, einer Tiefe von 4 bis 5 µm und einer Breite von der Oberfläche von 20 bis 30 µm ausgebildet. Auf der Fläche zwischen der N⁺ Sourcezone 4 und dem N⁻Substrat 1, die zur Oberfläche freiliegt, befindet sich auf einem 0,1 µm dicken Gateoxid­ film 6 die Gateelektrode 7 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von 1 µm und einer Störstellenkonzentration von 10¹⁷ cm^-3.

Die Sourceelektrode 5 kontaktiert die P⁺⁺ Zone 3 und die N⁺ Zone 4 und schließt beide Zonen kurz. Die Drainelektrode 10 kontaktiert die P⁺ Drainzone 8. Erfindungsgemäß ist eine weitere Elektrode 11 vorgesehen, die die N⁺ Pufferzone 9 kontaktiert. Alle Elektroden bestehen aus Al oder Mo, und die Sourceelektrode 4 ist mit dem Sourceanschluß S verbunden. Die Gateelektrode 7 ist mit dem Gateanschluß G verbunden, und die Drainelektrode 10 mit dem Drainanschluß D. Eine Gleich­ stromquelle 21 (oder 22) ist zwischen den Drainanschluß D und die Elektrode 11 geschaltet.

Nachfolgend soll das Verfahren zur Steuerung dieses IGBT geschrieben werden.

Es ist hilfreich, in dem IGBT eine Potentialsperre zu re­ alisieren, wie sie aus Fig. 4(a) hervorgeht, wobei eine Spannung von 600 Volt zwischen Drain und Source angelegt wird, so daß im Einschaltzustand eine maximale Leitfähig­ keitsänderung hervorgerufen wird. Dies erreicht man durch Anlegen von einigen Volt oder einigen 10 Volt in Durch­ laßrichtung an den PN-Übergang zwischen der N⁺ Pufferzone 9 und der P⁺ Drainzone 8 unter Verwendung der Gleichstrom­ quelle 21. Dies erleichtert die Injektion positiver La­ dungsträger 31 von der P⁺ Drainzone 8 zum N⁻ Substrat 1 so­ wie die Ableitung von Elektronen 32 von dem N⁻ Substrat 1 zur P⁺ Drainzone 8, so daß eine große Leitfähigkeitsände­ rung auftritt. Als Folge davon wird die Einschaltspannung sinken. Zum Abschalten vom Einschaltzustand in den Aus­ schaltzustand ist es dagegen hilfreich, eine Potential­ sperre, wie sie in Fig. 4(b) gezeigt ist, zu realisieren. Dies ist möglich durch Anlegen von einigen Volt oder eini­ gen 10 Volt in Sperrichtung an den PN-Übergang zwischen der N⁺ Pufferzone 9 und der P⁺ Drainzone 8 unter Verwendung der Gleichstromquelle 22. Dies beschränkt nicht nur in starkem Ausmaß die Injektion der positiven Ladungsträger 31 von der P⁺ Drainzone 8 zum N⁻ Substrat 1, sondern auch die Ablei­ tung von Elektronen 32 von dem Substrat 1 zur Drainzone 8. Dies wiederum verkürzt die Schaltzeit merklich. Werden bei­ spielsweise die Gleichstromquellen 21 und 22 synchron mit dem Schalten des IGBT so angeschlossen, daß die Gleich­ stromquelle 21 verbunden ist, wenn der IGBT eingeschaltet ist und Gleichstromquelle 22, wenn er ausgeschaltet wird, können die Schaltverluste beim Schalten des IGBT bei unver­ änderter Einschaltspannung auf die Hälfte reduziert werden. Es ist aber auch möglich, nur eine Stromquelle (21 oder 22) anzuschließen, und so die Wirkung von einer Stromquelle zu erzielen.

Voranstehend wurde eine beispielhafte Ausführungsform des N-Kanal Horizontal-IGBT beschrieben. Eine ähnliche Ausfüh­ rungsform kann auch für P Kanal IGBTs realisiert werden, bei denen der Leitungstyp der einzelnen Zonen umgekehrt ist. In diesem Fall muß auch die Polarität der Gleichspan­ nung, die zwischen die Drainelektrode 10 und die Elektrode 11 angelegt wird, sowohl im Einschaltzustand als auch wäh­ rend des Ausschaltens umgekehrt werden.

Bei dem beschriebenen Horizontal-IGBT gemäß der Erfindung wird die Potentialsperre durch Anordnen einer Elektrode an der Pufferzone gesteuert, die bei bekannten Vertikal-IGBTs als so dünne Schicht ausgebildet war, daß das Abziehen der Elektrode unmöglich war, und zwar durch Anlegen einer Span­ nung in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung an den PN- Übergang von Drainzone und Pufferzone. Die Erfindung er­ leichtert die Ladungsträgerinjektion im Einschaltzustand und hilft, die Einschaltspannung zu verringern. Sie ver­ kürzt die Schaltzeit durch Steuerung der Injektion von Ladungsträgern der einen Art und Ableitung der Ladungsträ­ ger der anderen Art während des Schaltens vom Einschalt- in den Ausschaltzustand. Diese Wirkungen können im gewünschten Maß durch Änderung der angelegten Spannung beeinflußt wer­ den. Mit der Erfindung lassen sich erforderliche Kennwerte eines IGBT sehr viel leichter erzielen als durch besondere Justierungen des Widerstands der Pufferzone oder des Aus­ maßes, in dem Lebensdauerkiller eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Horizontal-Leitfähigkeitsänderungs-MOSFET, umfas­ send in einem Substrat (1) eines ersten Leitungstyps mit niedriger Störstellenkonzentration selektiv ausgebildet eine erste Zone (2) des zweiten Leitungstyps und von die­ ser beabstandet eine zweite Zone (9) des ersten Leitungs­ typs, eine dritte Zone (3) des zweiten Leitungstyps mit ho­ her Störstellenkonzentration und eine vierte Zone (4) des ersten Leitungstyps mit hoher Störstellenkonzentration, die selektiv an der Oberfläche der ersten Zone (2) ausgebildet sind und durch eine Sourceelektrode (5) kurzgeschlossen sind, eine Gateelektrode (7), die unter Zwischenlage eines Gateoxidfilms (6) auf der Oberfläche der ersten Zone (2) zwischen der vierten Zone (4) und einer Substratzone ausge­ bildet ist, und eine fünfte Zone (8) des zweiten Leitungs­ typs mit hoher Störstellenkonzentration, die selektiv in der zweiten Zone (9) ausgebildet und mit einer Drainelek­ trode (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Elektrode (11) mit der zweiten Zone (9) kontaktiert ist.

2. Verfahren zur Steuerung eines Horizontal-Leit­ fähigkeitsänderungs-MOSFETs nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Einschaltzustand über die Drainelektrode (10) und die weitere Elektrode (11) eine Spannung in Durchlaßrichtung an den PN-Übergang zwischen der zweiten Zone (9) und der fünften Zone (8) angelegt wird.

3. Verfahren zur Steuerung eines Horizontal-Leit­ fähigkeitsänderungs-MOSFETs nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Schalten vom Einschalt­ zustand in den Ausschaltzustand über die Drainelektrode (10) und die weitere Elektroden (11) eine Spannung in Sperrichtung an den PN-Übergang zwischen der zweiten Zone (9) und der fünften Zone (8) angelegt wird.