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Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile mit isolierter Steuerelektrode, wie sie für elektrische Umsetzer hoher Leistung und für derartige Halbleiterapparate verwendet werden.
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Bei der Untersuchung der Entwicklung von elektrischen Umsetzern höherer Durch gangsleistung mit niedrigem Eigenleistungsverbrauch wird von den Bauteilen, die eine wesentliche Rolle in den Umsetzern spielen, erwartet, daß sie geringe elektrische Verluste aufweisen. Als solche Leistungsbauteile sind Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode, im folgenden bezeichnet als ”IGBT”, eingeführt, da die IGBTs die Erzielung eines niedrigen EIN-Spannungsabfalls erleichtern, und zwar aufgrund eines Leitfähigkeits-Modulationseffekts dieser Bauteile, und da die IGBTs leicht über eine Steuerelektrode steuerbar sind, deren daran angelegte Spannung den Betrieb steuert. In jüngere Zeit haben Graben-IGBTs die Anwendungsgebiete dieser Bauteile erweitert. Diese Graben-IGBTs haben eine Grabenstruktur mit in der Halbleiterscheibenoberfläche gebildeten Gräben und mit Steuerelektroden, die in den jeweiligen Gräben vergraben sind, mit dazwischen liegenden Oxidschichten zwischen der Steuerelektrode und der Grabenwand. Da auf beiden Seiten jedes Grabens Stromkanäle gebildet werden, erleichtert der Aufbau des Graben-IGBTs eine Erhöhung der Kanaldichte und eine Erniedrigung des EIN-Spannungsabfalls im Vergleich sogenannten planaren IGBT, dessen Steuerelektroden sich auf der Scheibenoberfläche befinden. Der Aufbau eines Graben-IGBTs nach dem Stand der Technik wird später im einzelnen beschrieben (12).
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Es sind bereits zahlreiche Verbesserungen vorgeschlagen worden, durch die der Spannungsabfall im EIN-Zustand des Graben-IGBTs weiter reduziert wird. Aus der
JP 05-243 561 A , 101, ist ein injektionserhöhter Steuerelektroden-Bipolartransistor (im folgenden bezeichnet ”IEGT”, Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) bekannt, der das Erzielen der Charakteristiken erleichtert, die nahe dem Spannungsabfall im EIN-Zustand von Dioden sind.
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Der IEGT überdeckt einen Teil der Oberflächen der n+-leitenden Emitterregionen und der p-p-leitenden Basisregionen mit einem Isolierfilm, so daß die bedeckten Regionen und die Emitterelektrode einander nicht kontaktieren. Wenn auch der Betrieb des IEGT im Grund der gleiche ist wie der des Graben-IGBTs, werden doch die Löcher unterhalb der p-Basisregion dem Teil, in dem n+-Emitterregionen und die p-leitende Basisregion darin nicht in Kontakt der Emitterelektrode sind, kaum an die Emitterelektrode abgegeben. Die kaum an die Emitterelektrode abgegebenen Löcher häufen sich an und die Verteilungen der Trägerkonzentration in der n-leitenden Driftschicht kommen in die Nähe der Trägerkonzentrationsverteilung in Dioden. Für den IEGT ist es also leichter, einen niedrigeren Spannungsabfall im EIN-Zustand zu haben, als es der Spannungsabfall im EIN-Zustand der üblichen Graben-IGBTs ist. Für Leistungs-Bauteile ist es aber außerdem wichtig, zusätzlich zum niedrigen Spannungsabfall im EIN-Zustand sehr schnell zu schalten. Die Hochgeschwindigkeits-Schaltvorgänge der Leistungsbauteile müssen also noch verbessert werden. Sowohl im Graben-IGBT als auch im IEGT tritt eine hohe Kapazität zwischen den Steuerelektroden und der Emitterelektrode auf, da die Grabenstrukturen im Graben-IGBT und die Strukturen im IEGT sehr dicht gestaltet sind.
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Gemäß der Betriebsweise des IGBTs muß die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und Emitterelektrode bei den Übergängen vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand und umgekehrt geladen bzw. entladen werden. Ist diese Kapazität hoch, so werden diese Lade- und Entladeperioden lang, mit der Folge eines erhöhten Verlustes. Die in Leistungs-Halbleiterbauteilen auftretenden Verluste umfassen die vom Spannungsabfall im stetigen EIN-Zustand bestimmten Verluste und die von den Einschalt- und Ausschaltoperationen verursachten Verluste. Es ist also wichtig, die Kapazität zwischen den Steuerelektroden und der Emitterelektrode zu verringern, da diese Kapazität die Schaltverluste bewirkt. Ein gattungsgemäßer IGBT ist bekannt aus
JP 2001-308 327 A (
1). Er umfaßt eine das Substrat örtlich abdeckende Isolierschicht, die zwischen Gräben liegende Halbleiterbereiche abdeckt. In diesen abgedeckten und nicht in Kontakt mit der Emitterelektrode stehenden Bereichen werden Ladungsträger angehäuft. Die Kapazität zwischen den Steuerelektroden der Emitterelektrode ist reduziert, die Ladeperiode und die Entladeperiode sind verkürzt und die Schaltverluste sind verringert.
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Jedoch enthält die in
JP 2001-308 327 A beschriebene Struktur diese Bereiche als Mesabereiche mit nicht fixiertem Potential. Wie in dem Artikel von M. Yamaguchi u. a.
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Design Criterion for Reducing EMI Noise” in Proc. ISPSD' 2004, Seiten 115–119, (2004) die im genannten Patentdokument beschriebenen Strukturen angegeben ist, gibt es durchaus noch Raum zum Verbessern der Einschaltcharakteristiken der Aufbauten gemäß diesem Patentdokument. Es ist hierfür erforderlich, die Einschaltcharakteristiken der IGBTs zu verbessern.
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Weiterhin stellt es beim bekannten Aufbau eine wesentliche Schwierigkeit dar, eine hohe Durchbruchspannung zu erzielen. Da die Gräben in ungleichen Abständen angeordnet sind, ist die Verteilung des elektrischen Felds ungleichmäßig und dieses neigt dazu, sich an den Bodenteilen der Graben-Steuerelektroden zu konzentrieren.
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Aus der
DE 100 04 548 A1 ist ein Trench-IGBT bekannt, der eine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps sowie Wannenzonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Oberflächenbereich der Driftschicht umfasst.
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Ferner ist aus der
DE 102 03 164 A1 ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei das Leistungshalbleiterbauelement ein Trench-IGBT ist, wobei innerhalb der Gräben lateral angeordnete Gates vorgesehen sind, die durch eine Isolierschicht von den Gräbenwänden elektrisch isoliert sind.
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Angesichts der beschriebenen Situation ist es erwünscht, ein Halbleiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode zu schaffen, das es erleichtert, den Spannungsabfall des Graben-IGBTs im EIN-Zustand so herunterzudrücken, daß er der EIN-Spannung des IEGTs nahekommt, ferner die Schaltverluste zu erniedrigen, die Gesamtverluste zu erniedrigen, die Einschaltcharakteristiken zu verbessern und eine hohe Durchbruchspannung zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst, die Ansprüche 2 bis 5 betreffen besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands gemäß Anspruch 1.
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Ein Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauteils mit isolierter Steuerelektronik umfasst folgenden Verfahrensschritte: man bildet Gräben von der Oberfläche einer auf einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps; man bildet in den Gräben jeweils eine Isolierschicht und bildet weiterhin in den Gräben jeweils eine Steuerelektrode, wobei die Isolierschicht dazwischen angeordnet ist; und man bildet selektiv dritte Halbleiterregionen und vierte unter Verwendung von Verunreinigungsdiffusionen so, daß die Diffusionsschichten der Halbleiterregionen und der vierten Halbleiterregionen die Gräben nicht überkreuzen.
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Um die beschriebenen Probleme des Stands der Technik zu vermeiden, macht die Erfindung von drei spezifischen Merkmalen Gebrauch, nach denen die Oberflächenstruktur eines erfindungsgemäßer vertikalen IGBTs ausgebildet ist.
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Gemäß einem ersten spezifischen Merkmal der Erfindung wird zur Verbesserung der Einschaltcharakteristiken das Potential des Mesabereichs dadurch fixiert, daß man die zwischen den Gräben eingeschlossenen Mesabereiche mit der Emitterelektrode verbindet, so daß die Mesabereiche nicht schwebend sind. Bei den später beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung entspricht der Mesabereich einer p-leitenden Basisregion zwischen den Gräben oder dem vorstehenden Teil einer n-leitenden Driftschicht, der zwischen die Gräben vorsteht. Der schon genannte Artikel von M. Yamaguchi u. a., ”IEGT Design Criterion for Reducing EMI Noise” in Proc. ISPSD' 2004, Seiten 115–119, (2004), beschreibt, daß das schwebende Potential des Mesabereichs das Potential der Steuerelektrode während des Einschaltprozesses verändert, wodurch die Einschaltoperationen des IGBTs destabilisiert und die Steuerbarkeit des IGBTs verschlechtert werden. Die Einschaltcharakteristiken werden andererseits im wesentlichen dadurch verbessert, daß man die schwebenden Bereiche Werden aber die schwebenden Bereiche auf einfache Weise entfernt, so kehrt die Struktur zurück zum üblichen Graben-IGBT, wobei die IE-Effekte verlorengehen und der Spannungsabfall im EIN-Zustand höher wird. Die Beseitigung der schwebenden Bereiche ist deshalb als einzelne Maßnahme nicht anwendbar. Diese Beseitigung der schwebenden Bereiche muß von zusätzlichen Maßnahmen begleitet sein, damit die IE-Effekte nicht verlorengehen.
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Gemäß einem zweiten spezifischen Merkmal der Erfindung werden die Schaltverluste reduziert, während der Spannungsabfall des Graben-IGBTs im EIN-Zustand so niedrig gehalten wird wie der Spannungsabfall des IEGT im EIN-Zustand, und werden die gesamten Verluste dadurch verringert, daß man die p-leitenden Basisregionen im Mesabereich den Gräben verteilt und diese Basisregionen im Mesabereich, nämlich in einigen begrenzten Bereichen im Mesabereich, mit einer Emitterstruktur versieht, so daß die IE-Effekte nicht verlorengehen. Da die Bereiche, in denen die Steuerelektrode der Emitterstruktur gegenüberliegen, verkleinert sind, wird die Kapazität zwischen den Steuerelektroden und der Emitterelektrode reduziert.
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Sofern die Verteilung der p-leitenden Basisregionen im Mesabereich und das Vorsehen der Emitterstruktur für die verteilten Basisregionen einfach mit der Entfernung der schwebenden Bereiche kombiniert werden, wird jedoch die Verteilung des elektrischen Felds zwischen den p-leitenden Basisregionen und im Graben-Steuerelektroden-Grund ungleichmäßig, wodurch die Durchbruchspannung des Bauteils sowie die Zuverlässigkeit der Graben-Steuerelektroden verschlechtert werden. Es sollte also vorzugsweise auch die Verteilung des elektrischen Felds gleichförmig gemacht werden.
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Gemäß einem dritten spezifischen Merkmal der Erfindung wird die Lokalisierung des elektrischen Felds an den Böden der Grabensteuerelektroden entspannt durch passende Gestaltung der Grabensteuerelektroden-Strukturen in einem in gewissem Umfang engen Intervall. Anders ausgedrückt, wird die Breite der Mesabereiche zwischen den Gräben verringert, so daß die vorstehenden Teile der n-leitenden Driftschicht, die in die Mesabereiche zwischen den Gräben vorstehen, leicht durch Anlegen einer Spannung von nur einigen Volt verarmt werden können. Durch passende Anordnung der Grabensteuerelektroden-Strukturen in einem in gewissem Umfang engen Intervall können die Verteilungen des elektrischen Felds nahe der Oberfläche des Bauteils in dessen AUS-Zustand gleichförmig gemacht werden und speziell die Kapazität zwischen den Steuerelektroden und der Kollektorelektrode reduziert werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines n-Kanal-IGBTs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 einen Querschnitt durch den IGBT von 1 in einer Ebene A-A in 1;
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3 einen Querschnitt durch den IGBT in einer Ebene B-B in 1;
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4 einen Querschnitt durch den IGBT in einer Ebene C-C in 1;
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5(a)bis 5(h) anhand von in einer gleichen Schnittebene liegenden Querschnittsansichten aufeinanderfolgende wesentliche Schritten der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, nämlich
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5(a) den Schritt der Bildung von Gräben;
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5(b) den Schritt der Bildung von Steuerelektroden-Oxidschichten an den Grabenwänden;
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5(c) den Schritt der Bildung von Steuerelektroden in den jeweiligen Gräben;
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5(d) den Schritt der Injektion von Borionen;
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5(e) den Schritt der Bildung von p-leitenden Basisregionen;
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5(f) den Schritt der Bildung von n+-leitenden Emitterregionen;
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5(g) den Schritt der Bildung von filmartigen Zwischenschichtisolatoren;
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5(h) den Schritt der Bildung einer Emitterelektrode;
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6 eine perspektivische Ansicht eines n-Kanal-IGBTs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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7 einen Querschnitt durch den IGBT in einer Ebene D-D in 6;
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8 einen Querschnitt durch den IGBT in einer Ebene E-E in 6;
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9 eine Kurve zur Veranschaulichung der Charakteristik-Änderungen, die durch die Änderung der Breite eines Mesabereichs im Aufbau nach 1 bewirkt werden und durch Bauteilsimulationstechniken geschätzt werden;
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10 eine berechnete Kurve, die den spezifischen Widerstand des Mesabereichs unter der angelegten Spannung von 0,6 V in Abhängigkeit von der Breite der Verarmungsschicht zeigt;
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11 eine sich als Gerade darstellende Kurve, die das Maximum der Breite des Mesabreite in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der Durchbruchspannungsklasse zeigt;
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12 einen Querschnitt durch einen n-Kanal-Graben-IGBT nach dem Stand der Technik.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf 12 der Stand der Technik erläutert, von dem die Erfindung ausgeht.
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Im folgenden wird der Aufbau eines Graben-IGBTs üblichen Aufbaus unter Bezugnahme auf
12 beschrieben. Ein solcher IGBT ist beispielsweise aus der
JP 2001-308 327 A ,
1, bekannt.
12 zeigt einen Querschnitt durch einen n-Kanal-IGBT nach dem Stand der Technik in einer Schnittebene, die rechtwinklig zu streifenförmigen parallelen Gräben des Bauteils verläuft. Wie
12 zeigt, bilden in einer Siliziumscheibe (Wafer) ein hochdotiertes p-leitendes Siliziumsubstrat
1 und eine leicht dotierte n-leitende Driftschicht
2 p-leitende Basisregionen
3, die in der Oberfläche der Siliziumscheibe gebildet sind. Im Oberflächenteil der p-leitenden Basisregionen
3 sind selektiv n
+-leitende Emitterregionen
4 gebildet. Von der Oberfläche der einzelnen Emitterregion
4 aus sind nach unten durch die Basisregion
3 hindurch zur n-leitenden Driftschicht
2 Gräben gebildet. In jedem Graben ist unter Zwischenlage einer Steuerelektroden-Oxidschicht
5 eine Polysilizium-Steuerelektrode
6 gebildet, wobei die Steuerelektroden-Oxidschicht
5 zwischen der Steuerelektrode
6 und der Grabenwand eingesetzt ist. Ein schichtförmiger Zwischenschichtisolator
7 ist so ausgebildet, daß er die Oberseite der Steuerelektrode
6 überdeckt, und eine schichtförmige Emitterelektrode
8 ist auf den Zwischenschichtisolator
7 so angeordnet, daß sie gleichzeitig in Kontakt mit den n
+-leitenden Emitterregionen
4 und den p-leitenden Basisregionen
3 ist. Wenngleich gelegentlich ein Passivierungsfilm wie ein Nitridfilm und eine amorphe Siliziumschicht auf der Emitterelektrode
8 aufgebracht werden, ist der Passivierungsfilm in
12 nicht dargestellt. An der Unter- oder Rückfläche des p-leitenden Siliziumsubstrats
1 ist eine Kollektorelektrode
9 ausgebildet.
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Der Betrieb des IGBTs wird später beschrieben, wobei auch ein mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneter Bereich später beschrieben wird.
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Als erstes werden die Vorgänge beschrieben, durch die der Graben-IGBT in den durchgeschalteten Zustand, kurz EIN-Zustand, gebracht wird.
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Der IGBT ist dann im Sperrzustand, kurz AUS-Zustand, wenn die Spannung der Steuerelektrode 6 niedriger ist als die Schwellenspannung im Zustand, in dem die Emitterelektrode 8 üblicherweise geerdet ist und an die Kollektorelektrode 9 eine Spannung angelegt ist, die ist als die Spannung der Emitterelektrode 8. Wird dann von einer Steuerelektroden-Treiberschaltung an die Steuerelektrode 6 über einen Steuerelektrodenwiderstand eine Spannung angelegt, die höher ist als die Schwellenspannung, so beginnen die elektrischen Ladungen, sich in der Steuerelektrode 6 anzusammeln. Gleichzeitig mit der Ladungsansammlung in der Steuerelektrode 6 wird der Teil der p-leitenden Basisregion 3, der über die Steuerelektroden-Oxidschicht 5 der Steuerelektrode 6 gegenüberliegt, so zu einem n-Bereich invertiert, daß eine Kanalregion gebildet wird. Bei der Bildung der Kanalregionen werden Elektronen von der Emitterelektrode 8 über die n+-leitenden Emitterregionen 4 und p-leitenden Basisregionen 3 zur n-leitenden Driftschicht 2 injiziert und schaffen hierdurch Vorspannung des p-leitenden Siliziumsubstrats 1 und der n-leitenden Driftschicht 2 in Vorwärtsrichtung, wobei Löcher von der Kollektorelektrode 9 her injiziert werden mit dem Ergebnis, daß der IGBT in den EIN-Zustand gerät. Der zwischen der Emitterelektrode 8 und der Kollektorelektrode 9 bewirkte Spannungsabfall ist der EIN-Spannungsabfall.
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Um den IGBT vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand zu bringen, werden die in der Steuerelektrode 6 akkumulierten elektrischen Ladungen über den Steuerelektrodenwiderstand zur Steuerelektroden-Treiberschaltung entladen, indem die Spannung zwischen der Emitterelektrode 8 und der Steuerelektrode 6 so eingestellt wird, daß sie niedriger ist als der Schwellenwert. Bei der Entladung der in der Steuerelektrode 6 akkumulierten elektrischen Ladungen kehren die zum n-leitenden Zustand invertierten Kanalbereiche in den p-leitenden Zustand zurück. Da die Kanalbereiche verschwinden, endet die Elektronenlieferung. Da auch die Löcherlieferung endet, werden die Elektronen und die Löcher, die in der n-leitenden Driftschicht 2 angehäuft sind, zur Kollektorelektrode 9 bzw. zur Emitterelektrode 8 abgegeben, oder der Strom verschwindet aufgrund der Rekombination der Elektronen und der Löcher, wodurch der IGBT in den AUS-Zustand gerät.
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Dieser dem in
12 dargestellten Aufbau im wesentlichen gleicher Aufbau ist, wie gesagt, bekannt aus
JP 2001-308 327 A (
1). Durch Vorsehen eines von der Isolierschicht
7 bedeckten und nicht in Kontakt mit der Emitterelektrode
8 stehenden Mesabereichs
11, also tisch- oder riegelähnliche Halbleiterstruktur zwischen den Gräben, werden nun die Löcher, nur in minimalem Umfang zur Emitterelektrode
8 abgegeben werden, in diesem Bereich
11 angehäuft, so daß die Trägerkonzentrationsverteilungen in der n-leitenden Driftschicht wie die Trägerkonzentrationsverteilung in der Diode sind. Da außerdem im Bereich
11 keine mit der Isolierschicht
7 bedeckte und nicht als Steuerelektrode arbeitende ausgebildet ist, ist die Kapazität zwischen den Steuerelektroden und der Emitterelektrode reduziert, die Ladeperiode und die Entladeperiode sind verkürzt und die Schaltverluste sind verringert.
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Jedoch enthält die bekannte Struktur den Bereich 11 als schwebenden Mesabereich mit nicht fixiertem Potential, was die Charakteristiken verschlechtert. Speziell ist es erforderlich, die Einschaltcharakteristiken der IGBTs zu verbessern.
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Mit dem in 12 dargestellten Aufbau ist eine hohe Durchbruchspannung kaum zu erzielen. Das elektrische Feld ist nämlich ungleichmäßig verteilt und konzentriert sich an den Bodenteilen der Graben-Steuerelektroden.
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Im folgenden wird anhand zweier Ausführungsbeispiele die Erfindung veranschaulicht.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen n-Kanal-IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, einschließlich des Querschnitts der streifenförmigen Graben-Steuerelektroden dieser Ausführungsform rechtwinklig zum Grabenverlauf. 2 zeigt einen Querschnitt in einer Schnittebene A-A in 1, 3 einen Querschnitt in einer Schnittebene B-B in 1 und 4 einen Querschnitt in einer Schnittebene C-C in 1. Die Schnittebenen aller vier 1 bis 4 verlaufen durch den aktiven Bereich des n-Kanal-IGBTs nach der ersten Ausführungsform, und die Randbereiche sind in den Figuren, die sich auf den Kern der Erfindung beschränken, nicht dargestellt. Diese Randbereiche enthalten im Umfangsbereich des Halbleiterchips einen Schutzring, eine Feldplatte, eine RESURF-Struktur und derartige Elemente.
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In Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Stand der Technik sind bei dieser Ausführungsform aus dem hochdotierten p-leitenden Siliziumsubstrat 1 und der leicht dotierten n-leitenden Driftschicht 2 zwischen parallelen Gräben G die Mesaregionen 11 gebildet, die wiederum teilweise als die p-leitenden Basisregionen 3 ausgebildet sind, in Oberflächenteilen örtlich selektiv die n+-leitenden Emitterregionen 4 gebildet sind. Gemäß ersten Ausführungsform sind die p-Basisregionen 3 so verteilt, daß sie sich nach mit den vorstehenden Teilen der leicht dotierten n-Driftschichten 2 abwechseln, und zwar mit exponierter Mesaoberfläche, die in der Längsrichtung des jeweiligen Grabens G verläuft. Im rechten Winkel zu den Gräben G wechseln sich als Mesabereiche 11 die Basisregionen 3 und die vorstehenden Teile der Driftschicht 2 alternierend ab, wobei jeweils zwischen der Basisregion 3 und der Driftschicht 2 einer der Gräben G liegt. Die p-leitenden Basisregionen sind über den gesamten aktiven Bereich in der aus 1 ersichtlichen Weise in einem schachbrettartigen Muster und hierdurch gleichförmig angeordnet. Die gleichförmige Anordnung hat zur Folge, daß auch das elektrische Feld gleichförmig verteilt ist und die Durchbruchspannung des Bauteils vorzugsweise nicht niedriger wird. In den Gräben G befindet sich jeweils unter Zwischenlage der Steuerelektroden-Oxidschicht 5 die Polysilizium-Steuerelektrode 6, wobei die Oxidschicht 5 zwischen der Steuerelektrode und der Grabenwand angeordnet ist. Auf der Steuerelektrode 6 und auf den vorspringenden Teilen der Driftschicht 2, die sich zwischen den Basisregionen 3 zur Mesa-Oberfläche vorerstrecken, der Zwischenschichtisolator 7, über dem die Emitterelektrode 8 angeordnet ist, die zugleich mit den n+-Emitterregionen 4 und den p-Basisregionen 3 in Kontakt steht. Gelegentlich ist der Emitterelektrode 8 noch ein nicht dargestellter Passivierungsfilm wie ein Nitridfilm und Polyimidfilm gebildet. Die Kollektorelektrode 9 ist an der Rückseite des Siliziumsubstrats aufgebracht.
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Da die p-Basisregionen 3 zwischen den Gräben G verteilt angeordnet sind, diffundieren sie seitwärts in der Längsrichtung der Gräben, wie 3 zeigt. Da die n+-Emitterregionen 4 nur an den Seitenwänden der Gräben G gebildet sind, erscheinen sie nicht im in 3 dargestellten B-B-Querschnitt, jedoch im in 4 gezeigten C-C-Querschnitt. Die Emitterelektrode 8 ist gleichzeitig mit den n+-Emitterregionen 4 und den p-Basisregionen 3 in Kontakt, der als Emitterkontakt 10 dargestellt ist.
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Im folgenden werden die Schritte der Herstellung des IGBTs mit dem oben beschriebenen Aufbau anhand der 5(a) bis 5(h) für den Fall einer Durchbruchspannung der Klasse 1.200 V erläutert. Die 5(a) bis 5(h) sind Querschnittsansichten in der Schnittebene A-A von 1.
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Zunächst wird eine Siliziumscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 60 bis 80 Ωcm bereitgestellt. Durch Ätzen der Siliziumscheibe in einer Tiefe von rund 5 μm unter der anisotropen Ätztechnik werden in gleichmäßigen Abständen die Gräben G mit den dazwischenliegenden Mesabereichen 11 gebildet, 5(a). In den Gräben G wird durch thermische Oxidation die Steuerelektroden-Oxidschicht 5 mit einer Dicke von rund 100 nm gebildet, 5(b). Sodann werden durch die üblicherweise mit CVD bezeichnete Ablagerung aus der Dampfphase in den Gräben G die Steuerelektroden 6 abgelagert, 5(c). Damit sind die Graben-Steuerelektroden gebildet, und anschließend werden unter Verwendung von Fotoresistfilmen 12 örtlich Borionen 13 implantiert, um die verteilten p-leitenden Basis-Diffusionsschichten zu bilden, 5(d). Um die Sperrschichttiefe der p-Basisdiffusionsschichten 3 etwa auf eine Tiefe von 4 μm zu setzen, werden die implantierten Boratome durch Eintreiben bei einer hohen Temperatur von etwa 1.100°C einige Stunden diffundiert. Da die Graben-Steuerelektroden bereits hergestellt worden sind, verhindern die Steuerelektroden-Oxidschichten, daß eine Diffusion von Verunreinigungen über die Graben-Graben-Steuerelektroden hinweg verursacht wird. Die Basisdiffusionsschichten 3 in Seitenrichtung also nur parallel zu den Gräben G, nämlich in deren Längsrichtung. Diejenigen Bereiche 11 zwischen den Gräben, in die keine Borionen injiziert werden, bleiben n-leitend, 5(e). Sodann werden die Photoresistfilme 12 einmal entfernt und unter Verwendung von Photoresistfilmen 14 werden Arsenionen 15 implantiert. Anschließend werden durch eine Wärmebehandlung von ca. 1.000°C die n+-Emitterregionen 4 gebildet, 5(f), und werden dann die Photoresistfilme 14 entfernt und wird SiO2 durch das CVD-CVD-Verfahren abgelagert, um die filmförmigen Zwischenschichtisolatoren 7 etwa 1 μm zu bilden, 5(g). Sodann werden durch die Zwischenschichtisolatoren 7 hindurch unter Anwendung einer Photoresiststrukturierung Kontakte gebildet und wird durch Aufbringen Al oder eines vergleichbaren Elektrodenmaterials die Emitterelektrode 8 hergestellt, Fig.
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Zweite Ausführungsform
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6 zeigt in perspektivischer Ansicht einen n-Kanal-IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, einschließlich des Querschnitts der streifenförmigen Graben-Steuerelektroden dieser Ausfünhrungsform rechtwinklig zum Grabenverlauf. 7 zeigt einen Querschnitt in einer Schnittebene D-D in 6 und 8 einen Querschnitt in einer Schnittebene E-E in 6. Alle drei 6 bis 8 zeigen den aktiven Bereich des n-Kanal-n-Kanal-IGBTs.
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Wie diese Figuren zeigen, unterscheidet sich der n-Kanal-IGBT nach der zweiten Ausführungsform vom n-Kanal-IGBT nach der ersten Ausführungsform in der Form der n+-n+-Emitterregion 4 und im Kontakt der Emitterelektrode 8. Beim IGBT nach der ersten Ausführungsform sind die n+-Emitterregionen 4 örtlich entlang den Grabenseitenwänden positioniert. Beim IGBT nach der zweiten Ausführungsform erstreckt sich die einzelne – ebenfalls in der p-Basisregion 3 gebildete – n+-Emitterregion 4 zwischen den benachbarten Gräben G. Durch die n+-Emitterregion 4 hindurch ist ein Emittergraben gebildet und im Emittergraben ist ein Emitterkontakt 16 so hergestellt, daß die Emitterelektrode 8 gleichzeitig in Kontakt mit der n+-Emitterregion 4 und im Emittergraben mit der p-Basisregion 3 ist. auch die Bildung der Emittergräben für die Emitterkontakte 16 gemäß der zweiten Ausführungsform mehr Herstellungsschritte erforderlich macht als die Herstellungsschritte der ersten Ausführungsform, wird der elektrische Kontakt doch sicher und leicht hergestellt.
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Dritte Ausführungsform
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9 zeigt als Kurve die Veränderung der Charakteristiken, die durch eine Veränderung der Mesabreite, also des Abstands der Gräben im Aufbau gemäß 1 verursacht wird, anhand von durch Bauteilsimulationstechniken geschätzten Werten. In 9 ist auf der horizontalen Achse das Verhältnis der Emitterfläche zur Kollektorfläche aufgetragen und ist auf der vertikalen Achse der Spannungsabfall im EIN-Zustand bei Zimmertemperatur und bei einer Stromdichte von 120 A/cm2 aufgetragen. Gemäß 1 ist die Emitterfläche die gesamte Fläche der p-Basisregionen 3 einschließlich der Flächen der n+-Emitterregionen 4. Wie 9 klar zeigt, vermindert sich der Spannungsabfall im EIN-Zustand, wenn das Verhältnis der Emitterfläche abnimmt. Derzeit wird angenommen, daß sich der IGBT, dessen Spannungsabfall im EIN-Zustand über 2,5 V beträgt, nicht für ein Schalten mit niedrigem Verlust in allgemeinen Motortreiberschaltungen eignet, da der Spannungsabfall über 2,5 V hohe bewirkt. Aus den oben beschriebenen Gesichtspunkten wird indessen für das Emitterflächenverhältnis ein Wert von höchstens 80% bevorzugt. Ist das Emitterflächenverhältnis niedriger als 10%, so kann die Durchbruch-Standhaltefahigkeit des Bauteils beeinträchtigt sein. wie es für den IGBT nach der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, liegt die Nenn-Nenn-Stromdichte des IGBTs, der für eine allgemeine Motortreiberschaltung verwendet wird, bei 100 bis 150 A/cm2. Für die Schätzung nach der dritten Ausführungsform ist die Nenn-Nenn-Stromdichte auf 120 A/cm2 festgesetzt, dies ist die Stromdichte an der Kollektorelektrode. Wenn das Emitterflächenverhältnis bei 10% liegt, erreicht die Stromdichte an der Emitterelektrode 1.200 A/cm2. Üblicherweise wird verlangt, daß die IGBTs bei einer Stromdichte arbeiten können, die doppelt so hoch ist wie die Nenn-Stromdichte. Arbeitet der IGBT mit dem Zweifachen der Nenn-Stromdichte, so beträgt die Stromdichte an der Emitterelektrodenseite 2.400 A/cm2. Bei einer derart hohen Stromdichte an der Emitterelektrode besteht eine Wahrscheinlichkeit, daß ein als ”Latch-up” bezeichneter Durchbruch, für ein parasitärer Thyristor als Ursache verantwortlich ist, am Bauteil auftritt. Um eine gewisse Fähigkeit des Standhaltens gegen einen Latch-up-Durchbruch sicherzustellen, soll das Emitterflächenverhältnis mindestens 10% und vorzugsweise noch höher sein.
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Es werden die Beziehungen der Breite des Mesabereichs 11 zwischen den Gräben G zu den Charakteristiken untersucht. Beim erfindungsgemäßen IGBT-Aufbau wird eine hohe Durchbruchspannung aufgrund der gleichförmigen Verteilung des elektrischen Felds die durch die Verarmung der Mesabereiche 11 realisiert wird. Anders ausgedrückt, muß zum Erhalten einer hohen Durchbruchspannung verhindert werden, daß die Verarmungsschicht in die zwischen den Gräben eingeschlossenen Mesabereiche eindringt. Wiederum anders ausgedrückt, müssen die Mesabereiche mit einem niedrigen Potential verarmt werden. 10 zeigt eine kalkulierte Kurve, die den spezifischen Widerstand des Mesabereichs unter der angelegten Spannung von 0,6 V in Abhängigkeit von der Breite der Verarmungsschicht Die Bestimmung der Breite W der Verarmungsschicht in der einseitigen abrupten Übergangsschicht, wenn eine bestimmtes Potential φ an einen bestimmten Widerstand ρ angelegt wird, kann leicht durch die folgende Gleichung (1) theoretisch angenähert werden: W = ((2εs/qρ)·(φ – 2kT/q))1/2 (1)
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Nach der durch die Gleichung (1) ausgedrückten Beziehung beträgt beim von 0,6 V die Breite der Verarmungsschicht 3,2 bis 3,7 μm, wenn das in Verbindung mit dem IGBT der ersten Ausführungsform beschriebene Substrat mit dem spezifischen Widerstand von 60 bis 80 Ωcm verwendet wird. Da die beiden Steuerelektroden auf beiden Seiten des Mesabereichs den Mesabereich zwischen sich einschließen, expandieren die Verarmungsschichten von beiden Seitenflächen des Mesabereichs aus. Ist der Mesabereich also 6,4 bis μm breit, so kann er durch eine niedrige Spannung verarmt werden, die so niedrig ist wie das pn-Sperrschichtpotential. Im Fall der für die Durchbruchspannungsklassen von 600 V bis 3.300 V verwendeten IGBTs wird typischerweise sehr oft eine Siliziumscheibe verwendet, deren Widerstandswert r auf die Durchbruchspannungsklasse V bezogen ist durch die Gleichung r = V/20. Wenn die durch die Gleichung (1) bei Zimmertemperatur ausgedrückte Beziehung angewandt wird, wird die 11 erhalten, die das Maximum der Mesabreite in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der Durchbruchspannungsklasse zeigt. Die Beziehung nach 11 wird ausgedrückt durch den Ausdruck der Beziehung W < 0,186 V1/2. Zum Erhalten einer hohen Durchbruchspannung soll das Mesa so dimensioniert sein, daß sein Bereich die oben beschriebene Beziehung erfüllt.
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Die IGBTs nach den Ausführungsformen der Erfindung wurden beschrieben in Verbindung mit der Siliziumscheibe, die aus dem hochdotiertem p-leitendem Siliziumsubstrat 1 und der leicht dotierten n-dotierten Driftschicht 2 gebildet ist. Alternativ kann auch eine n-leitende FZ-Scheibe problemlos verwendet werden. Der Graben-IGBT, für den die n-leitende FZ-Scheibe verwendet wird, wird folgendermaßen hergestellt: Die Graben-MOS-Strukturen werden von einer der größeren Fläche der FZ-Scheibe aus gebildet. Dann wird die FZ-Scheibe mit den Graben-MOS-Strukturen, die darin gebildet sind, durch chemisches mechanisches Polieren (CMP) von ihrer anderen größeren Fläche her poliert. Schließlich wird von der polierten Fläche her die p-leitende Kollektorschicht durch Injizieren eines Dotierstoffs des p-Typs gebildet.