SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH A CONTROL ELECTRODE FOR MODULATING THE CONDUCTIVITY OF A CHANNEL AREA BY MEANS OF A MAGNETORESISTOR STRUCTURE
专利汇可以提供SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH A CONTROL ELECTRODE FOR MODULATING THE CONDUCTIVITY OF A CHANNEL AREA BY MEANS OF A MAGNETORESISTOR STRUCTURE专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且In known MOS-controlled power semiconductors the parasitic properties of the so-called short-circuit feedback capacitance have a considerably negative effect on the switching performance of the device. Although reducing the size of the gate-drain/gate-collector overlap surface and therefore the short-circuit feedback capacitance improves high frequency performance it also impairs the electric strength of the structure. The gate electrode (9) of the proposed component, which has a small surface, only covers the substrate (4, 5) on one length Lgd APPROX Ldep (Ldep: = the width of the space charge region in the substrate). Embedded in the gate oxide (10, 11), at a distance from the gate electrode (9) is another conductive electrode (13) which is connected to the source metallic coating (8) and stretches to the edge of the symmetrical unit (1). It provides a comparatively homogeneous field distribution in the edge area of the gate electrode (9) and thus prevents the electric field strengths in the semiconductor from reaching the critical value of approximately 10 V/cm which triggers the ionisation by impact. The invention allows the production of MOSFET's and IGBT's with good dynamic properties and higher reverse voltage.，下面是SEMICONDUCTOR COMPONENT WITH A CONTROL ELECTRODE FOR MODULATING THE CONDUCTIVITY OF A CHANNEL AREA BY MEANS OF A MAGNETORESISTOR STRUCTURE专利的具体信息内容。
Beschreibung
HALBLEITERBAUELEMENT MIT EINER STEUER ELEKTRODE ZUR MODULATION DER LEITFÄHIGKEIT EINES KANALBEREICHS UNTER VERWENDUNG EINER FELDPLATTENSTRUKTUR
1. Einleitung und Stand der Technik
Als spannungsgesteuerte Bauelemente benötigen Leistungs-MOS- FETs im stationären Betriebszustand keinen Steuerstrom. Auf- grund ihres Aufbaus enthalten Leistungs- OSFETs allerdings vergleichsweise große parasitäre Kapazitäten, die bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden müssen. Da diese das Schaltverhalten des MOSFETs beeinflussenden Kapazitäten sowohl aus Metallisierungen und Isolatorschichten als auch aus den sich im Bereich der pn-Obergange bildenden Raumladungszonen bestehen, hängt deren jeweilige Größe in nichtlinearer Weise von der angelegten Spannung ab.
In bekannten OS-gesteuerten Leistungshalbleitern (MOSFETs, IGBTs) wirkt sich die von der Gate-Elektrode und dem Isolator der Gate-Drain-/ bzw. der Gate-Kollektor-Überlappungsfläche hervorgerufene Rückwirkungskapazität überwiegend nachteilig auf das Schaltverhalten des jeweiligen Bauelements und dessen Schaltungsu gebung {Freilaufzweig) aus. So werden insbeson- dere die Schaltgeschwindigkeit, die Steuerleistung, die
Anstiegsgeschwindigkeit , die Schwingungsfestigkeit und die Verlustleistung des Bauelements durch die parasitären Eigenschaften der Rückwirkungskapazität negativ beeinflußt.
Durch eine Änderung der Gate-Struktur kann man die Gate- Drain- bzw. Gate-Kollektor-Überlappungsfläche und damit auch die Rückwirkungskapazität in MOS-gesteuerten Bauelementen deutlich verkleinern (s. [1], Seite 300 bis 305]). Diese Maßnahme verbessert zwar das Hochf equenzverhalten des jeweili- gen Bauelements, beeinträchtigt aber dessen Durchbruchsfestigkeit ganz erheblich (s. [1], Seiten 274 - 276, insbesondere Figur 6.10). Versuche, die Rückwirkungskapazität durch ein dickeres Gateoxid ohne wesentliche .Absenkung der Sperrspannung zu verringern, waren ebenfalls nicht erfolgreich.
2. Gegenstand, Ziele und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung hat insbesondere ein MOS-gesteuertes Halbleiterbauelement zum Gegenstand. Angestrebt wird ein Aufbau, der ein gutes Schaltverhalten des Bauelements ohne Beeinträchtigung seiner statischen Eigenschaften gewährleistet. So soll das Bauelement trotz einer vergleichsweise kleinen Rückwirkungskapazität und der damit einhergehenden Verbesserung der dynamischen Eigenschaften eine hohe Durchbruchsfestigkeit aufweisen und insbesondere im Bereich der Leistungselektronik einsetzbar sein. Ein Halbleiterbauelement mit den in Patent- anspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigenschaften. Die abhängigen .Ansprüche betreffen Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements .
Die Erfindung ermöglicht den Bau von Leistungshalbleitern
(MOSFETs, IGBTs) mit guten dynamischen und statischen Eigenschaften. Aufgrund der kleinen Rückwirkungskapazität verringern sich der Aufwand zur Ansteuerung und Beschaltung der Komponenten und damit auch deren Herstellungs- bzw. Ferti- gungskosten erheblich.
3. Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu- tert . Es zeigen:
Figur 1 und 3 Symmetrieeinheiten erfindungsgemäßer MOSFETs im
Querschnitt Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Symmetrieeinheit gemäß Figur 1. 4. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
4.1 Erstes Ausführungsbeispiel
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine bezüglich der Achse 2 spiegelsymmetrisch aufgebaute, in der senkrecht; zur Achse 2 orientierten Ebene beispielsweise zirkulär, quadratisch oder hexagonal gestaltete Zelle 1 eines vertikalen n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistors. Um die Stromtragfähigkeit des Systems zu erhöhen, sind die einzelnen Tranεistorzellen 1 parallelgeschaltet. Die Spannungsfestigkeit der Struktur hängt von der Dotierstoffkonzentration und Dicke der auf dem nieder- ohmigen, n + -dotierten und mit der Drain-Metallisierung 3 versehenen Substrat (n-buffer) 4 abgeschiedenen Si-Epitaxie- Schicht 5 ab. In dieser n ~ -dotierten Schicht 5 sind die p + - dotierten Wannen 7 der Transistorzellen 1 eingebracht, wobei jede der Wannen 7 eine ringförmige, n * -dotierte Source-Zone 6 enthält. Als Source-Elektrode dient eine AI-Metallisierung 8, die sowohl das ringförmige n + -Gebiet 6 als auch die jeweilige p + -Wanne 7 kontaktiert. Außerdem verbindet die Metallisierung 8 benachbarte Transistorzellen leitend miteinander und schließt diese parallel. Die aus polykristallinem Silizium bestehende Gate-Elektrode 9 ist zwischen dem dünnen Gateoxid (Si0 2 ) 10 und der die Source-Metallisierung 8 tragenden Oxid- Schicht 11 angeordnet. Sie überdeckt sowohl den sich unterhalb des Si0 2 -Isolators 10 zwischen dem n * -dotierten Bereich 6 und der n " -dotierten Epitaxieschicht 5 bildenden Kanal 12 als auch Teile der Epitaxieschicht 5 auf einer in Figur 2 mit gd bezeichneten Länge. Da die Länge L gd die Gate-Drain-Über- lappungsfl che und diese wiederum die Größe der Rückwirkungs- kapazität bestimmt, sollte L gd näherungsweise der Bedingung
gd = Ldep
genügen, wobei L dθ p die Breite der Raumladungszone des p * -n ~ - Übergangs in der Epitaxieschicht 5 bei ausgebildetem Kanal und maximalem Durchlaßstrom bezeichnet . Die isoliert vom Gate 9 angeordnete und ebenfalls aus polykristallinem Silizium gefertigte Elektrode 13 überdeckt die übrige Fläche der Epitaxieschicht 5 bis zum Rand der Tran- sistorzelle 1. Sie ist über einen in die Oxidschichten 10/11 eingebrachten Steg 14 polykristallinen Siliziums oder ein aluminiumgefülltes Kontaktloch sowohl mit der Source- Metallisierung 8 als auch mit dem im Randbereich der Zelle 1 liegenden, p * -dotierten Bereich 15 leitend verbunden. Die ring- oder rahmenförmig ausgebildete Elektrode 13 sorgt für eine vergleichsweise homogene Feldverteilung im Randbereich der Gate-Elektrode 9 und verhindert so, daß die elektrische Feldstärke im Halbleitermaterial den Stoßioniεation und damit Elektronenvervielfachung auslösenden kritischen Wert von etwa 10 5 Volt/cm erreicht.
Der vorzugsweise punktför ig ausgebildete p * -dotierte Bereich 15 leitet die in der Epitaxieschicht 5 immer entstehenden Löcher ab. An der Grenzfläche Gateoxid 10/Halbleiterschicht 5 unterhalb der auf Source-Potential liegenden, also negativ gegenüber der Drain-Metallisierung 3 vorgespannten Elektrode 13, kann sich deshalb nur eine vergleichsweise kleine positive Akkumulationsladung bilden. Das daraus resultierende elektrische Feld im Gateoxid 10 ist aber immer kleiner als die Si0 2 -Durchbruchsfeidstärke.
In Tabelle I sind die bevorzugten Strukurgrößen und Dotier- stoffkonzentrationen der Halbleiterbereiche eines Leistungs- MOSFETs (Sperrspannung 600 V, Nennstromdichte = 50 A/cm 2 ) angegeben (vergl. Fig. 2 ) . Soll der MOSFET andere Leistungsdaten aufweisen, muß man insbesondere den Parameter L gd entsprechend anpassen, um eine optimale Durchlaß- und Schaltcharakteristik des Bauelements zu gewährleisten. So verbessert eine kleine Länge L gd zwar prinzipiell die Schalteigen- Schäften, verschlechtert aber gleichzeitig die Durchlaßeigenschaften. Außerdem gilt es zu beachten, daß der Abstand L s zwischen Gate- 9 und Zusatzelektrode 13 die Feldverzerrung im Bereich der Elektrodenenden beeinflußt und L s deshalb möglichst klein sein sollte. Die Dotierstoffkonzentration N A des Randbereichs 15 wird durch die Ladung bestimmt, welche der als Kontakt dienende Bereich 15 bis zum Durchbruch der ge- sammten Halbleiterstruktur zur Aufnahme des elektrischen Feldes beiträgt. Seine Abmessungen L A /D A sind hierbei so zu wählen, daß die sich vom p + n-Übergang ausdehnende Raumladungszone die Durchlaßeigenschaften der Transistorzelle l nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
Tabelle 1; Bevorzugte Strukturgrößen und Dotierstoff- konzentrationen
Struktur gem. Figur 2 Struktur gem. Figur 3 oxd 16.5 • 10 "4 cm 16.5 • 10 "4 cm
Dox 0.12 • 10 "4 cm 0.12 • 10 "4 cm
L s 1.5 • 10 " " cm < 1.5 • 10 "4 cm
N D 2 • 10 14 cm "3 2 • 10 13 cm "3
L gd 7.5 • 10 "4 cm 6 • 10 "4 cm
% 1 • 10 17 cm "3
LA < 1 • 10 "4 cm
DA < 1 ■ 10 "4 cm
4.2 Zweites Ausführun-αsbeispiel
Gemäß Tabelle I ist die Epitaxieschicht 5 der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Transistorzelle mit N D = 2 • 10 14 cm "3 vergleichsweise hoch dotiert. Will man die Dotierstoffkonzentration um eine Größenordnung auf beispielsweise N D = 2 • 10 cm " verringern, würde sich bei unverändertem Aufbau der Zelle 1 die Raumladungszone von dem am Zellenrand liegenden pVn " -Übergang sehr weit in die hochohmige Schicht 5 ausdehnen und die Durchlaßeigenschaf en der Struktur demzufolge stark beeinträchtigen. Andererseits ist das elektrische Feld in einer hochohmigen Schicht 5 vergleichsweise schwach, sodaß man auf den p + -dotierten Randbereich 15 auch verzichten kann. Die Fig. 3 zeigt eine entsprechend aufgebaute Transistorzelle 1' im Querschnitt. Um die Sperreigenschaften der Zelle 1' zu maximieren, sollte die Länge L gd möglichst klein gewählt werden (siehe die in der rechten Spalte der Tabelle I angegebenen Werte) .
4.3 Ausgestaltungen und Weiterbildungen
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. So ist es beispielsweise möglich, die Erfindung auch bei IGBTs anzuwen- den. Dieses Bauelement unterscheidet sich im wesentlichen nur dadurch von einem MOSFET, daß das mit der Kollektormetallisierung versehene Substrat eine p-Dotierung aufweist, dadurch ein zusätzlicher, Minoritätsladungsträger in die Epitaxieschicht (n-Basis) injizierender pn-Übergang entsteht und die Source-Elektrode durch einen Emitteranschluß ersetzt ist (siehe beispielsweise [1] , Seiten 350 - 353) .
5. Literatur
[1] B. Jayant Baliga: Modern Power Devices; John Wiley & Sons (1987)
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