ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
INSULATED GATE SEMICONDUCTOR DEVICE

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам высокого напряжения. Оно относится к мощному полупроводниковому прибору с изолированным затвором согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения.
Предпосылки изобретения
Область устойчивой работы (ОУР) силового полупроводникового прибора является наглядным представлением различного рода ограничений в отношении предельных максимальных значений рабочего напряжения и тока прибора. Область устойчивой работы при прямом смещении (ОУРПС) и область устойчивой работы при обратном смещении (ОУРОС) представляют область устойчивой работы (ОУР) прибора с прямым смещением перехода затвор-эмиттер или с обратным смещением соответственно.
Для приборов высокого напряжения область устойчивой работы при обратном смещении является особенно критическим фактором вследствие низких уровней легирования n-базы и связанного с этим активного лавинного пробоя, который может произойти при низкой плотности тока. Более того, область устойчивой работы (ОУР) таких приборов подвергается намного более жестким режимам при высоких напряжениях постоянного тока во время испытаний и эксплуатации.
Конструктивные решения катодной ячейки стандартного планарного биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) обычно направлены на увеличение области устойчивой работы (ОУР) за счет повышения устойчивости областей истока n+-типа при защелкивании. Для биполярных транзисторов с изолированным затвором высокого напряжения это обычно выполняется путем добавления в область активной ячейки сильно легированных карманов р+-типа. Однако хорошо известно, что упомянутый выше стандартный подход не будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к ОУР, особенно при разработке транзисторов БТИЗ, работающих при напряжениях в пределах от 2000 В до 8000 В. Кроме того, существует конструкторский компромисс между улучшением области устойчивой работы при использовании дополнительных карманов р+-типа и сокращением потерь в открытом состоянии для транзисторов БТИЗ высокого напряжения.
Патент US 6025622 представляет МОП-транзистор с таким карманом р+-типа в области активной ячейки. Более того, область вокруг слоев базы, слои истока и высокоомная область под электродом затвора окружены охранными кольцами р+-типа. Эти охранные кольца р+-типа свободно перемещаются, не входя в контакт с электродом истока. Они используются как контакт перехода, чтобы обеспечить стойкость при высоком напряжении.
Как описано в ЕР 0837508 А2, в планарном БТИЗ с низкими потерями в открытом состоянии карман канала р-типа окружен слоем n-типа, который действует как область дырочного барьера. Это увеличивает ток при защелкивании во время запирания прибора. Однако при высоких напряжениях, превышающих 2000В, подобные БТИЗ неэффективны в отношении существенного улучшения характеристик ОУР. Такая компоновка и поперечное сечение конструкции ячейки БТИЗ показаны на фиг.1.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание силового полупроводникового прибора с изолированным затвором вышеуказанного типа с увеличенной областью устойчивой работы (ОУР) и низкими потерями в открытом состоянии.
Эта цель выполняется благодаря использованию полупроводникового прибора с изолированным затвором согласно независимому пункту формулы изобретения.
В соответствии с изобретением полупроводниковый прибор с изолированным затвором содержит первый слой, имеющий первый тип проводимости, причем первый слой имеет верхнюю сторону; электроды изолированного затвора, сформированные на указанной верхней стороне; и активную полупроводниковую ячейку, содержащую часть указанного первого слоя, карман канала со вторым типом проводимости, области истока первого типа проводимости, имеющие концентрацию легирующей примеси выше, чем указанный первый слой, третий слой первого типа проводимости, имеющий концентрацию легирующей примеси выше, чем указанный первый слой, электрод эмиттера, сформированный на указанной верхней стороне и контактирующий с областями истока и карманом канала, второй слой, расположенный на первом слое на стороне, противоположной верхней стороне, и электрод коллектора, сформированный на указанном втором слое и контактирующий с указанным вторым слоем, причем карман канала, области истока и третий слой сформированы внутри указанного первого слоя, примыкающими к указанной верхней стороне, а третий слой, по меньшей мере, частично отделяет карман канала от указанного первого слоя.
Полупроводниковый прибор также содержит по меньшей мере один дополнительный карман второго типа проводимости, который сформирован примыкающим к карману канала, снаружи активной полупроводниковой ячейки в пределах указанного первого слоя, при этом указанный но меньшей мере один дополнительный карман электрически соединен через указанный карман канала с электродом эмиттера, а в случае, когда электрод затвора или область истока сформированы над дополнительным карманом, то над указанным дополнительным карманом сформирован только указанный электрод затвора или только указанная область истока, но не вместе с тем, чтобы избежать образования токопроводящего канала, причем указанный по меньшей мере один дополнительный карман (11) имеет по меньшей мере одно из следующих свойств: указанный по меньшей мере один дополнительный карман имеет более высокую концентрацию легирующей примеси, чем карман канала, или в полупроводниковом приборе переход между первым слоем и указанным по меньшей мере одним дополнительным карманом глубже, чем переход между первым слоем и карманом канала.
Предпочтительно отношение общей площади всех дополнительных карманов полупроводникового прибора к общей площади полупроводникового прибора находится в пределах от 0,01 до 0,10.
В одном из вариантов полупроводниковый прибор содержит несколько карманов канала и несколько дополнительных карманов, причем карманы канала имеют форму полос с соотношением размеров, определяемых как длина полос, деленная на ширину полос, в диапазоне от 5 до 200, при этом все карманы каналов в полупроводниковом приборе расположены параллельно друг другу, а дополнительные карманы ориентированы перпендикулярно длинной стороне карманов канала.
Предпочтительно ширина дополнительных карманов находится в пределах от 2 до 200 мкм и они разнесены на расстояние от 50 до 2000 мкм.
В одном из вариантов полупроводниковый прибор содержит две или более активные полупроводниковые ячейки, причем две примыкающие активные полупроводниковые ячейки имеют один общий дополнительный карман.
В другом варианте полупроводниковый прибор содержит одну или более активную полупроводниковую ячейку, причем каждая из них содержит единственный дополнительный карман, который сформирован в средней части указанной активной полупроводниковой ячейки.
В еще одном варианте полупроводниковый прибор содержит несколько карманов канала и несколько дополнительных карманов, причем дополнительные карманы имеют форму полос и расположены параллельно друг другу, при этом дополнительные карманы электрически соединены с электродом эмиттера через токопроводящие контакты, помещенные в карманах канала.
Полупроводниковый прибор может быть МОП-транзистором, при этом второй слой (3) имеет первый тип проводимости.
В другом варианте полупроводниковый прибор по любому из пп.1-7 является БТИЗ, при этом второй слой имеет второй тип проводимости.
В предпочтительном варианте реализации изобретения в активной ячейке не присутствует ни одной области второго типа проводимости с концентрацией легирующей примеси выше, чем в кармане канала, следовательно, потери в открытом состоянии сокращаются.
Третий слой в полупроводниковом приборе с изолированным затвором согласно изобретению сокращает потери в открытом состоянии благодаря эффекту незначительного оттока дырок за счет наличия области дырочного барьера. Эффект дырочного барьера в третьем слое также повышает устойчивость областей активной ячейки при эффекте защелкивания. Дополнительные карманы обеспечивают удаление точки лавинообразования от периферийных областей активной ячейки, а также альтернативный путь для дырок из критических областей истока. Дополнительные карманы не влияют на конструкцию активной ячейки с точки зрения шага ячейки, то есть на конструкторские нормативы в отношении расстояния между активными ячейками, и на переход дырок между ячейками, что приводит к оптимальному распределению носителей на стороне эмиттера, обеспечивая малые потери в открытом состоянии.
Дальнейшие преимущества данного изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Более подробно сущность изобретения будет объяснена в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет полупроводниковый прибор с изолированным затвором в соответствии с прототипом;
фиг.2 представляет первый вариант реализации полупроводникового прибора с изолированным затвором в соответствии с изобретением;
фиг.3-7 представляют различные варианты реализации конструкции ячейки БТИЗ с новыми дополнительными карманами;
фиг.8 и 9 представляют принцип работы БТИЗ в соответствии с прототипом;
фиг.10 представляет принцип работы предлагаемого БТИЗ, изображенного на фиг.3.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На верхней части фиг.1 представлен упрощенный вид сверху БТИЗ, а на нижней части представлено его поперечное сечение по пунктирной линии. Полупроводниковый прибор 1 с изолированным затвором содержит первый слой 2
(n-)-типа и второй слой 3 p-типа. Первый слой 2 имеет верхнюю сторону 21 и соединен со вторым слоем 3 со стороны, противоположной верхней стороне 21, второй слой 3 имеет нижнюю сторону 31 и соединен с указанным первым слоем 2 на стороне, противоположной нижней стороне 31. На верхней стороне 21 монтируется электрод 4 затвора в изолирующем слое 41. В полупроводниковом приборе 1 сформирована активная полупроводниковая ячейка 5, которая содержит:
- часть указанных первого и второго слоя 2 и 3,
- карман 6 канала p-типа,
- области 7 истока (n+)-типа, имеющие концентрацию легирующей примеси выше, чем указанный первый слой 2,
- третий слой 8 n-типа, имеющий концентрацию легирующей примеси выше, чем первый слой 2, но ниже, чем концентрация легирующей примеси областей истока,
- электроды 9 эмиттера, которые формируются на указанной верхней стороне 21 и контактируют с областями 7 истока и карманом 6 канала;
- электроды 10 коллектора, которые сформированы на указанной нижней стороне 31 и контактируют с указанным вторым слоем 3.
Карман 6 канала, области 7 истока и третий слой 8 сформированы внутри первого слоя 2 и примыкают к верхней стороне 21, причем третий слой 8 разделяет карман 6 канала и остальную часть первого слоя 2.
Два основных электрода, электрод 9 эмиттера и электрод 10 коллектора, выполнены из электропроводного материала, например AlSi, и контактируют с первым слоем 2 на верхней стороне 21 и со вторым слоем 3 на нижней стороне 31 соответственно. Электроды 4 затвора состоят из электропроводного материала, например поликристаллического кремния, и они отделены от первого слоя 2, кармана 6 канала и третьего слоя 8 изолирующим слоем 41, например низкотемпературным оксидом. Благодаря тому, что электрод 4 затвора и область 7 истока, по меньшей мере, частично сформированы над карманом 6 канала, то образуется проводящий канал между первым слоем 2, третьим слоем 8, областью 7 истока к электроду 9 эмиттера. Возможно, но необязательно, чтобы электрод 4 затвора и область 7 истока перекрывались.
Фиг.2-7 представляют предлагаемый n-канальный БТИЗ с первым слоем 2 n-типа. Возможно применение изобретения к другим полупроводниковым приборам с изолированным затвором, таким как полевые транзисторы с изолированным затвором (например, МОП-транзисторы со вторым слоем 3 n-типа вместо второго слоя 3 p-типа, как в случае БТИЗ). Кроме того, возможно применять изобретение к полупроводниковым приборам с изолированным затвором с первым слоем p-типа и каналом p-типа, но в этом случае тип проводимости всех слоев следует менять на противоположный. Более того, при использовании БТИЗ изобретение может быть применимо к БТИЗ без эффекта смыкания, как показано на фиг.2-7, а также к БТИЗ с эффектом смыкания, имеющим промежуточный слой (n+)-типа между первым слоем 2 и вторым слоем 3, причем промежуточный слой имеет более высокую концентрацию легирующей примеси, чем первый слой 2.
На фиг.2 представлен первый вариант осуществления полупроводникового прибора с изолированным затвором согласно данному изобретению и поперечное сечение полупроводникового прибора по пунктирной линии. Очевидно, что предлагаемый БТИЗ в поперечном сечении, показанный в левой половине нижней части фиг.2, остается таким же, как стандартный БТИЗ, показанный на фиг.1. Поперечное сечение в правой половине фиг.2 показывает вновь введенные дополнительные карманы 11 (p+)-типа, которые сформированы с карманами 6 канала вне активной полупроводниковой ячейки 5 в первом слое 2. Дополнительные карманы 11 имеют более высокую концентрацию легирующей примеси, чем карманы 6 канала, и электрически соединены через указанные карманы 6 канала с электродами 9 эмиттера. В том случае, если электрод 4 затвора или область 7 истока сформирована над дополнительным карманом 11, то только электрод 4 затвора, или только область 7 истока могут находиться над дополнительным карманом 11, но не вместе - электрод 4 затвора и область 7 истока, чтобы не образовался проводящий канал. Это означает, что над дополнительным карманом 11 может быть сформирован электрод 4 затвора, или область 7 истока, но не они оба. На фиг.2 показан пример, в котором над дополнительным карманом 11 сформирован электрод 4 затвора, а не область 7 истока. На фиг.2 область 7 истока расположена сбоку по отношению к дополнительному карману 11. Возможен также вариант, что над дополнительным карманом 11 формируется только область 7 истока, но в этом случае над дополнительным карманом 11 не может находиться электрод 4 затвора. Также в качестве другого варианта возможен случай, когда ни электрод 4 затвора, ни область 7 истока не формируют над дополнительным карманом 11. Во всех этих случаях не образуется проводящий канал через дополнительный карман 11, и дополнительный карман 11 в таких вариантах реализации соединен только через карман 6 канала p-типа на концах активной ячейки 5 с электродом 9 эмиттера. Это приведет к установлению оптимального контакта между дополнительным карманом 11 и карманом 6 канала, что обеспечит низкий уровень потерь в открытом состоянии в отличие от конструкции и электрических характеристик стандартного БТИЗ. В том случае, когда карман 6 канала имеет форму полос, дополнительные карманы 11 располагаются на концах более коротких сторон кармана 6 канала. Эти дополнительные карманы 11 повышают как эффект поля лавинного процесса путем образования составляющих его точек лавинообразования, так и эффект дырочного стока, обеспечивая добавочный путь для дырок, при этом не увеличивая потерь в открытом состоянии. Поскольку дополнительные карманы 11 расположены на концах активной ячейки 5, то они не влияют на конструкцию активной ячейки с точки зрения: а) шага ячейки (расстояния между двумя активными ячейками) и b) отвода дырок между ячейками. Это приводит к оптимальному профилю распределения носителей на стороне эмиттера для обеспечения низких потерь в открытом состоянии.
Этот принцип действия объясняется следующим образом: значительное возрастание запирающей способности БТИЗ достигается за счет сокращения лавинного тока во время переключения в закрытое состояние в основной активной ячейке, в результате достигается критическое состояние при защелкивании при намного более высоких уровнях тока и мощности.
В следующем варианте реализации предлагаемого полупроводникового прибора в активной ячейке не устанавливается область второго типа проводимости с концентрацией легирующей примеси выше, чем в канале, что позволяет избежать увеличения потерь в открытом состоянии.
14
3
12
3
14
17
3
18
3
16
18
3
16
3
В следующем варианте реализации предлагаемого БТИЗ первый слой 2 обычно имеет толщину около 30 мкм при напряжении 600 В и концентрацию легирующей примеси около 2*10 атомов/см, толщина возрастает до 700 мкм при напряжении 8000 В, а концентрация легирующей примеси падает ниже 1*10 атомов/см, Третий слой 8 имеет толщину от 1 до 5 мкм и концентрацию легирующей примеси в диапазоне от 1*10 до 1*10 атомов/см. Область 7 истока имеет толщину от 0,1 до 5 мкм и концентрацию легирующей примеси выше 1*10 атомов/см. Карман 6 канала имеет толщину от 0,5 до 5 мкм и концентрацию легирующей примеси в диапазоне от 1*10 до 1*10 атомов/см. Дополнительный карман 11 имеет толщину от 1 до 10 мкм и концентрацию легирующей примеси выше 1*10 атомов/см.
На фиг.3-7 представлены несколько наиболее характерных вариантов конструкции предлагаемого БТИЗ. Также допускаются некоторые отклонения или комбинации представленных конструкций. Для большей ясности вариантов на фиг.3-7 области 7 стока не показаны.
Фиг.3 представляет вариант реализации изобретения, в котором дополнительные карманы 11 формируются на концах активной ячейки 5. Ширина дополнительных карманов 11 больше, чем активная ячейка 5. Если две или более активные ячейки 5 в полупроводниковом приборе 1 расположены в ряд, то один общий дополнительный карман 11 может быть сформирован на каждом конце активных ячеек 5. Такое конструктивное исполнение подходит при компоновке конструкций полоскового типа. Это означает, что карманы 6 канала имеют на стороне, направленной к указанной верхней стороне 21, форму полос с соотношением геометрических размеров, определяемых как длина полос, деленная на ширину полос, и находятся в диапазоне от 5 до 200.
На фиг.4 представлены дополнительные карманы 11, которые сформированы на концах активной ячейки 5. Их ширина меньше, чем ширина области 6 канала. Третий слой 8 должен полностью или, по меньшей мере, частично окружать карман 6 канала. Такое конструктивное решение подходит для конструкций ячейкового типа. Это означает, что карманы 6 канала имеют на стороне, обращенной к указанной верхней стороне 21, соотношение геометрических размеров, которое определяется как длина карманов 6 канала, деленная на их ширину, меньше 5.
Как показано на фиг.5, полупроводниковый прибор 1 может содержать две или более активные ячейки 5, которые расположены столбиками. Две соседние активные ячейки 5 имеют один общий дополнительный карман 11. Третий слой 8 должен полностью или, по меньшей мере, частично окружать карман 6 канала. Такое конструктивное исполнение подходит для конструкций ячеистого типа.
Фиг.6 представляет другой вариант реализации изобретения, в котором дополнительный карман 11 формируется в средней части активной ячейки 5. Такое конструктивное исполнение отличается очень низкими потерями в открытом состоянии, поскольку для каждой активной ячейки требуется только один дополнительный карман 11 и поэтому площадь дополнительных карманов 11 мала. Такое конструктивное исполнение подходит для конструкций полоскового типа.
Фиг.7 представляет кольцеобразную ячейку 5, в которой электрод 9 эмиттера находится в контакте с карманом 6 канала на поверхности в форме перекрестия в средней части активной ячейки 5. Карман 6 канала граничит с контактной поверхностью электрода 9 эмиттера, покрытого третьим слоем 8. Дополнительные карманы 11 формируются в виде кольца вокруг активной ячейки 5.
В объясненных выше вариантах реализации изобретения изолирующий слой расположен планарно, то есть параллельно верхней стороне 21. Также возможно применять изобретение БТИЗ канального типа, в которых изолирующие слои 41 и электроды 4 затвора ориентированы перпендикулярно верхней стороне 21 и примыкают к областям 7 стока; при этом карман 6 канала и третий слой 8 располагаются как планарные слои между областями 7 стока и первым слоем 2.
В другом варианте реализации изобретения учитываются следующие конструктивные соображения в зависимости от энергии, которая нужна для поглощения прибором с точки зрения паразитной индуктивности, площади активной поверхности, тока и прикладываемого напряжения:
- отношение площади дополнительных карманов 11 к общей площади полупроводникового прибора выбирается в соответствии с тем, чтобы максимально использовать площадь активной ячейки и отток дырок в открытом состоянии и во время запирания. Это отношение может изменяться в диапазоне от 0.01 (1 процент) до 0,1 (10 процентов). Здесь учитывается ширина дополнительных карманов 11, которая может быть выбрана между 1 и 1000 мкм (микрон) в зависимости от конструктивной компоновки. Если отношение площадей ниже значения 0,1, то эффект дырочного стока не будет заметным в открытом состоянии БТИЗ. Следовательно, малая площадь дополнительных карманов 11 не будет заметно влиять на профиль распределения носителей, что приводит к низким потерям в открытом состоянии;
- когда полупроводниковый прибор находится в запертом состоянии, большая часть запирающего тока течет, главным образом, через дополнительные карманы 11, а не через активную ячейку 5. Это зависит от площади поверхности или количества точек повышенного лавинообразования (внешние границы дополнительного кармана 11) и конструктивного исполнения дополнительного кармана 11, охарактеризованного выше, принимая во внимание требуемую мощность рассеивания для данного прибора. Обычные величины соотношения двух путей тока (то есть соотношение между током через дополнительный карман 11 и током активной ячейки) находятся в пределах 1-3.
В другом варианте реализации изобретения карманы 6 канала имеют на стороне, обращенной к указанной верхней стороне 21, форму полос с соотношением геометрических размеров, определяемых как длина полос, деленная на ширину полос, находящихся в диапазоне от 5 до 200. Все карманы 6 каналов в полупроводниковом приборе 1 располагаются параллельно друг другу, а дополнительные карманы 11 устанавливаются в одну линию перпендикулярно длинной стороне карманов 6 канала. Для того чтобы не оказывать заметное влияние на профиль распределения носителей, приводящее к чрезмерным потерям в открытом состоянии, должна учитываться диффузионная длина при биполярной диффузии, как объясняется ниже. Следовательно, дополнительные области 11 могут иметь ширину в пределах от 2 до 2009 мкм, и они разнесены на расстояние от 50 до 2000 мк.
В другом варианте реализации изобретения дополнительные карманы 11 имеют на стороне, обращенной к верхней стороне 21, форму полос и расположены параллельно друг другу. Дополнительные карманы 11 электрически соединены с электродами 9 эмиттера через токопроводящие контакты, размещенные в карманах 6 канала, с тем, чтобы обеспечить путь прохождения дырок во время переключения в закрытое состояние для увеличения ОУР. Эти контакты проникают в дополнительные карманы 11 не более чем на 10 мкм.
a
a
Дополнительные карманы 11 могут располагаться по поверхности полупроводникового прибора равномерно или вразброс. Однако дополнительные карманы 11 и активные ячейки 5 должны иметь минимальное взаимодействие друг с другом в открытом состоянии. Поэтому расстояние d между дополнительными карманами 11 в активной ячейке 5, изображенной на фиг.2, должно быть больше, чем диффузионная длина при биполярной диффузии  которая зависит от времени жизни С и коэффициента диффузии D для избыточных не основных носителей заряда. Обычно значения L находятся в пределах от 10 мкм до 200 мкм (микрон). Хотя в оптимальном случае расстояние d будет находиться в пределах от 50 мкм до 2000 мкм (микрон).
c
c
c
c
p
p
c
c
p
c
На фиг.8-10 схематически показаны три ячейки БТИЗ с различными характеристиками ОУРОС во время переключения в закрытое состояние. Для большей ясности чертежей области 7 истока не показаны. На фиг.8 изображена стандартная p-канальная ячейка БТИЗ, имеющая довольно плохие ОУРОС характеристики с низким уровнем критического тока при защелкивании (например, 100 А). Прибор БТИЗ такого типа отказывает, как только общий запирающий ток, который равен общему току активной ячейки I, достигает критического уровня тока при защелкивании (прибор отказывает при I=I=100 А). На фиг.9 изображена стандартная ячейка БТИЗ с дополнительным глубоко расположенным n-типа слоем 8, окружающим p-типа карман 6 канала, имеющая улучшенные ОУРОС характеристики с более высоким уровнем критического тока при защелкивании (например, 200 А). Тем не менее, такого типа БТИЗ все же отказывает, когда общий запирающий ток достигает критического уровня тока при защелкивании (прибор отказывает при I=I=200 А). Согласно изобретению ячейка БТИЗ, показанная на фиг.10, имеет дополнительный глубокорасположенный n слой 8, такой же, как изображенный на фиг.9, но, кроме того, снабжена дополнительными карманами 11 с целью улучшения ОУРОС характеристик. Общий запирающий ток разделяется на ток I активной ячейки и ток I, протекающий через дополнительные карманы. Следовательно, имея тот же самый критический уровень тока при защелкивании, как прибор b) (например, 200 А), прибор БТИЗ согласно изобретению отказывает, когда ток активной ячейки достигает уровня критического тока при защелкивании. Критический общий запирающий ток намного больше, чем критический запирающий ток приборов А и В (например, I=2*I, прибор отказывает при I=I+I=3*I=600 A).
Список обозначений
1 полупроводниковый прибор
2 первый слой
21 верхняя сторона
3 второй слой
31 нижняя сторона
4 электрод затвора
41 изолирующий слой
5 активная полупроводниковая ячейка
6 карман канала
7 область истока
8 третий слой
9 электрод эмиттера
10 электрод коллектора
11 дополнительный карман