DE19650599A1 - Power semiconductor device with trench-IGBT cells - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt einen IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistors) mit einer Graben- Gate-Struktur (auch Trench-Gate-Struktur genannt) nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.The invention describes an IGBT (insulated gate bipolar transistor) with a trench Gate structure (also called trench gate structure) according to the features of the generic term of claim 1.
Nach dem Stand der Technik sind IGBT mit Trench-Gate-Struktur in jüngster Zeit bekannt geworden. Trenchstrukturen an sich werden in großem Umfang für die Herstellung von Speicherzellen für hochintegrierte Speicherschaltkreise verwendet. Bekannt sind auch Leistungshalbleiterbauelemente mit Trenchstrukturen, insbesondere werden sie zur Realisierung des Gatekomplexes seit einiger Zeit eingesetzt. Hier seien beispielhaft vertikale DMOS-Transistoren (doppelt-diffundierte MOS-Transistoren) für den unteren Spannungsbereich (< 100 V) genannt.IGBTs with a trench gate structure have recently been known in the prior art become. Trench structures themselves are widely used for the manufacture of Memory cells used for highly integrated memory circuits. Are also known Power semiconductor components with trench structures, in particular they become Realization of the gate complex used for some time. Here are vertical examples DMOS transistors (double diffused MOS transistors) for the lower one Voltage range (<100 V).
Für diese Trench-MOS-Transistoren werden schmale Trenchgräben mit geringen vertikalen Tiefen verwendet, z. B. ca. 1,5 µm Tiefe und ca. 1,5 µm Breite für 50 V-MOSFET. Dabei wird eine hohe Dichte dieser Trenchstrukturen angestrebt, um eine hohe Kanalweite pro Flächeneinheit zur erreichen. Die Herstellung des Trench-Gate-Komplexes für diese Trench- MOS-Transistoren entspricht dem Stand der Technik nach EP 0698 919 A2. For these trench MOS transistors, narrow trench trenches with little vertical Depths used, e.g. B. about 1.5 microns deep and about 1.5 microns wide for 50 V MOSFET. Doing so a high density of these trench structures is aimed at a high channel width per Area unit to achieve. The production of the trench-gate complex for this trench MOS transistors correspond to the state of the art according to EP 0698 919 A2.
Der fachliche Hintergrund der Trenchtechnologie soll zunächst an einem Beispiel einer Anwendung näher erläutert werden, da Trench-Gate-Strukturen auch bereits für IGBT vorgeschlagen und verwendet wurden (IEDM, Techn. Digest., S. 674-677, 1987).The technical background of trench technology should first be based on an example of a Application are explained in more detail, since trench gate structures are also already for IGBT were proposed and used (IEDM, Techn. Digest., pp. 674-677, 1987).
Fig. 1 zeigt eine derartige Anordnung nach dem Stand der Technik in nicht maßstabsgerech tem Querschnitt einer Zelle als Skizze. Zunächst unterscheidet man prinzipiell erstens zwischen einem Nonpunchthrough-IGBT-Aufbau, gekennzeichnet durch ein dickes n⁻-Substrat (1) und einem dünnen, rückseitig implantierten p-Emitter (12) als Kollektor des Gesamtbauelementes, wie das in Fig. 1 dargestellt ist. Eine zweite nicht dargestellte Variante wird gebildet durch einen Punchthrough-IGBT-Aufbau, die durch ein p⁺-Substrat gekennzeichnet ist, auf dem eine erste n-dotierte Zwischenschicht und eine zweite niedrig dotierte epitaktisch abgeschiedene n⁻-Schicht aufgebracht wurden. Fig. 1 shows such an arrangement according to the prior art in a not-to-scale cross-section of a cell as a sketch. First of all, a distinction is made in principle between a non-punch-through IGBT structure, characterized by a thick n⁻ substrate ( 1 ) and a thin p-emitter ( 12 ) implanted on the rear as a collector of the overall component, as shown in FIG. 1. A second variant, not shown, is formed by a punch-through IGBT structure, which is characterized by a p⁺ substrate, on which a first n-doped intermediate layer and a second lightly doped epitaxially deposited n⁻ layer have been applied.
Die Zellstruktur an der Waferoberseite ist für beide Typen gleich. Sie besteht aus einem p-Bulkgebiet (2), den n⁺-Sourcegebieten (3) und den p⁺-Bulk-Anschlußgebieten (4), welche durch streifen- oder gitterförmig angeordnete vertikale Ätzgräben oder Trenches (5) unterbrochen werden. Diese Trenchstrukturen (5) sind allseitig zum Silizium hin mit einem Gateisolator (6) versehen, mit Polysilizium (7) verfüllt und nach oben zum Aluminium (9) hin mit einer Passivierungsschicht (8) abgedeckt.The cell structure on the top of the wafer is the same for both types. It consists of a p-bulk region ( 2 ), the n⁺-source regions ( 3 ) and the p⁺-bulk connection regions ( 4 ), which are interrupted by vertical etched trenches or trenches ( 5 ) arranged in strips or grids. These trench structures ( 5 ) are provided on all sides with silicon with a gate insulator ( 6 ), filled with polysilicon ( 7 ) and covered with a passivation layer ( 8 ) towards the aluminum ( 9 ).
Polysilizium (7), Gateisolator (6) und p-Gebiet (2) bilden einen MOS-Kondensator des internen MOSFET, dessen Kanal (11) zwischen dem n⁺-Sourcegebiet (3) und dem n⁻-Substrat (1) vertikal an der Seitenwand des Trenches entsteht. Die streifen- oder gitterförmig angeordneten Trench-Gate-Strukturen sind untereinander in z-Richtung zu einem gemeinsamen Gateanschluß (15) verbunden.Polysilicon ( 7 ), gate insulator ( 6 ) and p-region ( 2 ) form a MOS capacitor of the internal MOSFET, whose channel ( 11 ) between the n⁺-source region ( 3 ) and the n⁻-substrate ( 1 ) on vertically the side wall of the trench is created. The trench gate structures arranged in strips or in the form of a grid are connected to one another in the z direction to form a common gate connection ( 15 ).
Die n⁺-Sourcegebiete (3) sowie die p⁺-Anschlußgebiete (4) aller so gebildeten Zellen werden über eine Aluminiummetallisierung (9) miteinander verbunden. Die Metallisierung stellt den Emitteranschluß (14) des IGBT dar. Die gesamte Struktur ist mit Ausnahme der Bondflächen mit einer Passivierungsschicht (10) abgedeckt. Der Kollektor (16) des IGBT wird durch eine weitere Metallisierung (13) an der Waferrückseite gebildet. The n + source regions ( 3 ) and the p + connection regions ( 4 ) of all cells formed in this way are connected to one another via an aluminum metallization ( 9 ). The metallization represents the emitter connection ( 14 ) of the IGBT. With the exception of the bond areas, the entire structure is covered with a passivation layer ( 10 ). The collector ( 16 ) of the IGBT is formed by a further metallization ( 13 ) on the back of the wafer.
Von Mitsubishi (Proc. ISPSD'94, S. 411-416, Davos, 1994) wurden, abgeleitet von den Trench-MOSFET-Strukturen, Trenchgates mit einer Tiefe von ca. 3 µm und einer Breite voll ca. 1 µm für 600 V-IGBT vorgestellt. Der Abstand der streifenförmigen Trenches wurde zwischen 3,5 µm und 14 µm variiert. Für kleine Abstände erhält man für diesen Trench-IGBT (TIGBT) ebenfalls eine hohe Dichte der Trenchstrukturen.Mitsubishi (Proc. ISPSD'94, pp. 411-416, Davos, 1994), derived from the Trench MOSFET structures, trench gates with a depth of approx. 3 µm and a full width approx. 1 µm for 600 V IGBT presented. The spacing of the striped trenches was varies between 3.5 µm and 14 µm. For small distances you get for this trench IGBT (TIGBT) also a high density of the trench structures.
TIGBT dieser Art erreichen gegenüber IGBT mit planarem Gate eine deutlich reduzierte Flußspannung. Diese Verringerung wird insbesondere durch den geringen Kanalwiderstand aufgrund der hohen Kanalweite pro Flächeneinheit erreicht. Nachteilig ist jedoch, daß aufgrund der hohen Kanalweite das Sättigungsstromniveau gegenüber IGBT mit planarem Gate um ein Mehrfaches erhöht ist. Dadurch verkürzt sich die Zeitspanne erheblich, in der das Bauelement einen Kurzschluß ohne Zerstörung überstehen kann.TIGBT of this type achieve a significantly reduced rate compared to IGBT with a planar gate Forward voltage. This reduction is particularly due to the low channel resistance achieved due to the high channel width per unit area. The disadvantage, however, is that the high channel width the saturation current level compared to IGBT with a planar gate Is increased several times. This significantly shortens the time span in which the component survive a short circuit without destruction.
In jüngster Zeit wurden weitere Verbesserungen und Änderungen des Aufbau des Trench- Gate-Komplexes vorgeschlagen. So bewirkt eine Vertiefung der Trench-Gates, z. B. von 3 µm auf 5 µm oder 9 µm eine weitere Verringerung der Flußspannung. Die Ecken dieser schmalen und tiefen Strukturen werden jedoch bei angelegter Sperrspannung erheblich belastet, was zu einer Verringerung des statischen Sperrvermögens und der Avalanchefestigkeit bei dynamischer Belastung führt.More recent improvements and changes to the structure of the trench Gate complex proposed. A deepening of the trench gates, e.g. B. of 3 microns to 5 µm or 9 µm a further reduction in the forward voltage. The corners of this narrow and deep structures, however, are significantly stressed when reverse voltage is applied, resulting in a reduction in the static blocking capacity and the avalanche strength dynamic load leads.
Ein verbesserter Kompromiß für alle wichtigen Parameter wird jedoch erreicht, wenn der Trench-Gate-Komplex sehr breit ausgeführt wird. Breit ausgeführt bedeutet dabei, daß die Trenchbreite ein Mehrfaches der Trenchtiefe annimmt. Solche Strukturen wurden im Kolloquium "Halbleiterbauelemente und Materialgüte Silizium" Freiburg, 1995 und in ISPSD, von Yokohama 1995, S. 224-229 vorgestellt.However, an improved compromise for all important parameters is achieved if the Trench gate complex is very wide. Broadly stated here means that the Trench width assumes a multiple of the trench depth. Such structures were created in Colloquium "Semiconductor Components and Material Quality Silicon" Freiburg, 1995 and in ISPSD, by Yokohama 1995, pp. 224-229.
In Fig. 2 ist diese Designvariante dargestellt. Die breiten Trenchstrukturen (5) sind allseitig zum Silizium hin mit einem Gateisolator (6) versehen, vollständig mit Polysilizium (7) verfüllt und nach oben zum Aluminium (9) hin mit einer Passivierungsschicht (8) abgedeckt. Zwischen den streifen- oder gitterförmig angeordneten breiten Trench-Gate-Strukturen sind analog zur Fig. 1 die p-Bulkgebiete (2), die n⁺-Sourcegebiete (3) und die p⁺-Bulk-Anschlußgebiete (4) angeordnet. This design variant is shown in FIG . The wide trench structures ( 5 ) are provided with a gate insulator ( 6 ) on all sides towards the silicon, completely filled with polysilicon ( 7 ) and covered with a passivation layer ( 8 ) towards the aluminum ( 9 ). Between the strip-like or grid arrangement wide trench gate structures 1, the p-Bulkgebiete (2), the n + source regions (3) and the p + bulk terminal areas (4) are similar to FIG. Arranged.
Aufgrund der stark vergrößerten Trenchbreite ergeben sich große Zellen und damit eine erheblich verringerte Kanalweite pro Flächeneinheit gegenüber der Struktur in Fig. 1. Obwohl sich damit der Kanalwiderstand des internen MOSFET erhöht, wird bereits mit einer Trenchtiefe, die nur wenig größer als die Eindringtiefe des p-Bulkgebietes ist, eine geringere Flußspannung für das Gesamtbauelement, als mit schmalen und sehr tiefen Strukturen erreicht. Aufgrund der reduzierten Kanalweite verringert sich das Sättigungsstromniveau erheblich und liegt im Bereich der Werte für IGBT mit planarem Gate. Auch die Belastung der Trenchecken ist im Sperrfall im Vergleich zu schmalen und tiefen Trenches erheblich geringer.Due to the greatly enlarged trench width, there are large cells and thus a significantly reduced channel width per unit area compared to the structure in FIG. 1. Although this increases the channel resistance of the internal MOSFET, a trench depth that is only slightly greater than the penetration depth of the p -Bulk area is, a lower river voltage for the overall component than achieved with narrow and very deep structures. Due to the reduced channel width, the saturation current level drops considerably and is in the range of the values for IGBT with planar gate. The load on the trenches is also significantly lower in the event of a lock compared to narrow and deep trenches.
Praktische Anwendungen für einen TIGBT mit breitem Trench-Gate-Komplex sind nicht bekannt. Insbesondere die Verfüllung und Planarisierung der Trenches ist mit herkömmlichen reinen Abscheideverfahren nicht so leicht realisierbar, es sind Kombinationen zwischen Abscheideverfahren und mechanisch-chemischen Planarisierungsverfahren notwendig.Practical applications for a TIGBT with a wide trench-gate complex are not known. In particular, the filling and planarization of the trenches is conventional pure separation process not so easy to implement, there are combinations between Deposition processes and mechanical-chemical planarization processes necessary.
Außerdem steigt mit der vergrößerten Gatefläche die sog. Millerkapazität an. Die Kenntnisse über die Wirkungsweise und Eigenschaften von IGBT mit einem solchen Trench-Gate- Komplex werden zum Stand der Technik gerechnet.In addition, the so-called miller capacity increases with the increased gate area. The knowledge about the mode of action and properties of IGBT with such a trench gate Complex are considered to be state of the art.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Leistungshalbleiterbauelement in der Form eines Trench-Gate-IGBT darzustellen, das neben hohen Sperrspannungen und geringen Durchlaßverlusten auch geringe Schaltverluste und kleine Sättigungsströme aufweist.The present invention has set itself the task of a power semiconductor device in the shape of a trench gate IGBT, which in addition to high reverse voltages and low transmission losses also has low switching losses and small saturation currents.
Die Aufgabe wird bei Leistungshalbleiterbauelementen mit IGBT-Trench-Gate-Struktur der dargestellten Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen dargestellt.The task is performed in the case of power semiconductor components with an IGBT trench gate structure illustrated type solved by the measures of the characterizing part of claim 1, preferred further developments are presented in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung des Trench-Gate-Komplexes dargestellt. Der wesentliche erfinderische Idee besteht, in Verbindung mit weiteren noch zu beschreibenden Maßnahmen darin, die Wirkung des breiten Trench-Gates durch zwei schmale spezifische Trenchstrukturen nachzubilden, die technologisch einfacher zu realisieren sind.The invention will hereinafter be described by the description of the trench-gate complex shown. The essential inventive idea exists in connection with others yet descriptive measures in it, the effect of the wide trench gate by two narrow to reproduce specific trench structures that are technologically easier to implement.
Die erfinderischen Gedanken werden nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 9 erläutert.The inventive ideas are explained below with reference to FIGS. 3 to 9.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer Variante der erfinderischen Struktur in Skizze. Fig. 3 shows the cross section of a variant of the inventive structure in sketch.
Fig. 4 beschreibt eine weitere Variante in Weiterentwicklung analog zu Fig. 3. FIG. 4 describes a further variant in a further development analogous to FIG. 3.
Fig. 5 stellt in analoger Skizze die komplexe Anwendung der erfinderischen Gedanken vor. Fig. 5 presents the complex application of the inventive concept in a similar sketch.
Fig. 6 gibt ein Beispiel für eine mögliche äußere Beschaltung nach Fig. 5 an. FIG. 6 gives an example of a possible external circuitry according to FIG. 5.
Fig. 7 beschreibt die elektrisch Wirkung der Maßnahmen nach Fig. 5. FIG. 7 describes the electrical effect of the measures according to FIG. 5.
Fig. 8 erläutert eine weitere Variante einer beispielhaften Schaltungsanordnung nach Fig. 5. FIG. 8 explains a further variant of an exemplary circuit arrangement according to FIG. 5.
Fig. 9 stellt die Gesamtverluste verschiedener Trench-Gate-Strukturen in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz dar. Fig. 9 illustrates the total losses as a function of the switching frequency is different trench-gate structures.
Fig. 3 zeigt einen zu den Fig. 1 und 2 analogen Ausschnitt einer IGBT-Zellstruktur, die die grundlegende Wiederholstruktur des Gesamtbauelementes darstellt und auf dessen Basis der erfinderische Gehalt beschrieben wird. Der Abstand der beiden schmalen Trenchstrukturen entspricht dabei der günstigsten Breite des Trench-Gate-Komplexes aus Fig. 2. Im Unterschied zum Stand der Technik wird der vertikale MOS-Kanal (11) nur an den jeweiligen Außenseiten der beiden schmalen Trenchstrukturen erzeugt. Fig. 3 shows a to FIGS. 1 and 2 the analog section of an IGBT cell structure which is the basic repeat structure of the overall device and will be described on the basis of the inventive content. The distance between the two narrow trench structures corresponds to the most favorable width of the trench gate complex from FIG. 2. In contrast to the prior art, the vertical MOS channel ( 11 ) is only produced on the respective outer sides of the two narrow trench structures.
Zwischen den beiden Trenchstrukturen (5) befindet sich zunächst Substratmaterial (1). Die Trenchstrukturen (5) sind allseitig zum Silizium hin mit einem Gateisolator (6) versehen, vollständig mit Polysilizium (7) verfüllt und nach oben zum Aluminium (9) hin mit einer Passivierungsschicht (8) abgedeckt. Zwischen den streifen- oder gitterförmig angeordneten Trench-Gate-Strukturen sind im Wechsel auf der einen Seite die p-Bulkgebiete (2), die n⁺-Sourcegebiete (3) und die p⁺-Bulk-Anschlußgebiete (4) und auf der jeweils anderen Seite das Substratgebiet (1) angeordnet. There is first substrate material ( 1 ) between the two trench structures ( 5 ). The trench structures ( 5 ) are provided with a gate insulator ( 6 ) on all sides towards the silicon, completely filled with polysilicon ( 7 ) and covered with a passivation layer ( 8 ) towards the aluminum ( 9 ). Between the stripe or lattice-shaped trench gate structures are alternating on one side the p-bulk regions ( 2 ), the n⁺-source regions ( 3 ) and the p⁺-bulk connection regions ( 4 ) and on the one on the other side, the substrate region ( 1 ) is arranged.
Mit dieser Struktur werden gleiche Flußspannungen und Sättigungsströme wie mit der Struktur in Fig. 2 erreicht. Vorteilhaft im Vergleich zu der Struktur in Fig. 2 ist die einfachere technologische Realisierbarkeit, speziell das Ätzen und Verfüllen der schmalen Trenches. Allerdings ergibt sich eine inhomogene Ladungsträgerverteilung im n⁻-Gebiet (1) zwischen den Trenchzellen, die sich nachteilig auf die dynamischen Eigenschaften des Bauelementes auswirkt. Eine Verkleinerung der Millerkapazität und damit eine Verringerung der Schalt verluste sowie eine Verbesserung der Homogenität der Ladungsträgerverteilung wird durch die Realisierung der nachfolgend dargestellten weiteren erfinderischen Gedanken erreicht.The same forward voltages and saturation currents are achieved with this structure as with the structure in FIG. 2. An advantage compared to the structure in FIG. 2 is the simpler technological feasibility, especially the etching and filling of the narrow trenches. However, there is an inhomogeneous charge carrier distribution in the n⁻ region ( 1 ) between the trench cells, which has a disadvantageous effect on the dynamic properties of the component. A reduction in the miller capacity and thus a reduction in switching losses and an improvement in the homogeneity of the charge carrier distribution is achieved by realizing the further inventive ideas presented below.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, das n⁻-Substratgebiet (1) zwischen den Trenchstrukturen vertikal teilweise oder auch ganz zu entfernen und durch ein dickes Isolationsgebiet zu ersetzen. Die Dicke des Isolators wird dabei so gewählt, daß die obere Ausdehnung des Isolators entweder unterhalb der ehemaligen Substratoberfläche endet, in der Höhe derselben liegt oder darüber hinaus ragt.A first possibility is to partially or completely remove the n⁻ substrate region ( 1 ) between the trench structures and to replace it with a thick insulation region. The thickness of the insulator is chosen so that the upper extent of the insulator either ends below the former substrate surface, lies at the same height as it or projects beyond it.
Fig. 4 beschreibt eine Weiterentwicklung analog zu Fig. 3. Es ist wiederum eine IGBT- Zellstruktur dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt die obere Begrenzung des Isolators (17) in Höhe der ehemaligen Substratoberfläche und es erfolgte eine nahezu vollständige Entfernung des Substratgebietes (1) zwischen den Trenchstrukturen. Die Trenchstrukturen (5) sind allseitig zum Silizium hin mit einem Gateisolator (6) versehen, vollständig mit Polysilizium (7) verfüllt und nach oben zum Aluminium (9) hin mit einer Passivierungsschicht (8) abgedeckt. FIG. 4 describes a further development analogous to FIG. 3. Again, an IGBT cell structure is shown. In this embodiment, the upper limit of the insulator ( 17 ) is at the level of the former substrate surface and the substrate area ( 1 ) between the trench structures was almost completely removed. The trench structures ( 5 ) are provided with a gate insulator ( 6 ) on all sides towards the silicon, completely filled with polysilicon ( 7 ) and covered with a passivation layer ( 8 ) towards the aluminum ( 9 ).
Zwischen den streifen- oder gitterförmig angeordneten Trench-Gate-Strukturen sind im Wechsel auf der einen Seite die p-Bulkgebiete (2), die n⁺-Sourcegebiete (3) und die p⁺-Bulk- Anschlußgebiete (4) und auf der anderen Seite das Isolatorgebiet (17) angeordnet.Between the stripe or lattice-shaped trench gate structures are alternating on one side the p-bulk regions ( 2 ), the n⁺-source regions ( 3 ) and the p⁺-bulk connection regions ( 4 ) and on the other Side the insulator region ( 17 ) arranged.
Je dicker das Isolatorgebiet (17) zwischen den Trenches gewählt wird, um so geringer wird die Millerkapazität, die Homogenität der Ladungsträgerverteilung verbessert sich. Die Belastung der Trenchecken auf der Seite des Isolatorgebietes (17) wächst im Sperrfall jedoch an. The thicker the isolator region ( 17 ) between the trenches is chosen, the smaller the miller capacity, the homogeneity of the charge carrier distribution improves. However, the load on the corner checks on the side of the isolator area ( 17 ) increases in the event of a blockage.
Fig. 5 stellt die komplexe Anwendung der erfinderischen Gedanken in einem zu den vorhergehenden Figuren analogen Ausschnitt einer IGBT-Zellstruktur vor. Die Idee besteht darin, anstelle des Isolatorgebietes (17 in Fig. 4) ein p-Gebiet (18) einzufügen. Das p-Gebiet (18) besitzt eine geringere oder gleiche Eindringtiefe in Relation zu dem p-Bulkgebiet (2). Fig. 5 illustrates the complex application of the inventive concept in a manner analogous to the previous figures section of an IGBT cell structure before. The idea is to insert a p-region ( 18 ) instead of the isolator region ( 17 in FIG. 4). The p-region ( 18 ) has a smaller or the same penetration depth in relation to the p-bulk region ( 2 ).
Die Eindringtiefe kann alternativ so gewählt werden, daß die inneren Trenchecken der Struktur umschlossen werden. Die Trenchstrukturen (5) sind wiederum allseitig zum Silizium hin mit einem Gateisolator (6) versehen, vollständig mit Polysilizium (7) verfüllt und nach oben zum Aluminium (9) hin mit einer Passivierungsschicht (8) abgedeckt. Zwischen den in gleicher Weise streifen- oder gitterförmig angeordneten Trench-Gate-Strukturen sind im Wechsel auf der einen Seite die p-Bulkgebiete (2), die n⁺-Sourcegebiete (3) und die p⁺-Bulk- Anschlußgebiete (4) und auf der anderen Seite das p-Gebiet (18) angeordnet.The penetration depth can alternatively be selected so that the inner door check of the structure is enclosed. The trench structures ( 5 ) are in turn provided with a gate insulator ( 6 ) on all sides towards the silicon, completely filled with polysilicon ( 7 ) and covered with a passivation layer ( 8 ) towards the aluminum ( 9 ). Between the trench gate structures arranged in the same way in strips or in a lattice arrangement, the p-bulk regions ( 2 ), the n⁺-source regions ( 3 ) and the p⁺-bulk connection regions ( 4 ) and the p-region ( 18 ) is arranged on the other side.
Im elektrischen Sinne kann das p-Gebiet, der Anschluß (19) und die Metallisierung (20) floatend betrieben werden oder an ein äußeres Potential direkt oder über weitere Elemente angeschlossen werden. Weitere Elemente können beispielhaft ein fester Widerstand, ein gesteuerter Widerstand oder eine externe oder integrierte elektronische Schaltung sein.In the electrical sense, the p-region, the connection ( 19 ) and the metallization ( 20 ) can be operated in a floating manner or connected directly to an external potential or via further elements. Other elements can be, for example, a fixed resistor, a controlled resistor or an external or integrated electronic circuit.
Mit der Struktur entsprechend Fig. 5 werden ebenso geringe Flußspannungen erreicht, wie mit den bisher vorgestellten der Fig. 2 bis 4. Hier ist jedoch die Millerkapazität reduziert und es sind damit die Schaltverluste verringert. Weiterhin erfolgt durch das eingefügte p-Gebiet ein Schutz gegen unerwünschte Avalanchegeneration bei Sperrbelastung an den Trenchecken auf der Seite des p-Gebietes (18). Die beste Wirksamkeit ist hier bei Umschließung dieser Ecken durch das zusätzliche p-Gebiet gegeben. Alle nicht mehr beschriebenen Skizzenbereiche sind mit gleicher Numerierung bereits in früheren Figuren dargestellt.With the structure according to FIG. 5, the forward voltages are just as low as with the previously presented ones of FIGS . 2 to 4. Here, however, the miller capacity is reduced and thus the switching losses are reduced. Furthermore, the inserted p-area provides protection against undesired avalanche regeneration when the barrier is loaded at the corner checks on the side of the p-area ( 18 ). The best effectiveness is given here when these corners are enclosed by the additional p-region. All sketch areas that are no longer described are shown with the same numbering in earlier figures.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine mögliche äußere Beschaltung der Struktur nach Fig. 5. Die prinzipielle Schaltung, wie das p-Gebiet direkt oder über weitere Bauelemente an ein äußeres Potential, wie beispielsweise über den Widerstand (RP) an das Emitterpotential angeschlossen werden kann, wird skizziert. Dargestellt sind weiterhin die Freilaufdiode (DF), die Last, bestehend aus L1 und RL, und eine Streuinduktivität L2. Die Streuinduktivität L2 fast alle parasitären Verdrahtungsinduktivitäten zusammen. FIG. 6 shows an example of a possible external wiring of the structure according to FIG. 5. The basic circuit, such as the p-region, directly or via additional components to an external potential, such as, for example, connected to the emitter potential via the resistor (R P ) can be outlined. The freewheeling diode (D F ), the load consisting of L 1 and R L , and a leakage inductance L 2 are also shown . The leakage inductance L 2 combined almost all parasitic wiring inductances.
Fig. 7 zeigt die elektrische Wirkung der Beschaltung nach Fig. 6 am Beispiel eines 1200 V- IGBT (Struktur nach Fig. 5, Stromdichte 80 A/cm2, Chipfläche 1 cm2) im Schalterbetrieb. Wie hier ersichtlich ist, verändert sich mit einer Variation des Widerstandes (RP) zwischen p-Gebiet (18) und Emitter (14) in den Grenzen von 0,01 bis 10 Ohm die Größe der drei wesentlichen Verlustanteile, die Einschaltverluste Won, die Ausschaltverluste Woff und die Durchlaßspannung UCE. Damit wird über das p-Gebiet und seine externe Beschaltung Einfluß auf die Verluste des Gesamtbauelements genommen. FIG. 7 shows the electrical effect of the circuitry according to FIG. 6 using the example of a 1200 V IGBT (structure according to FIG. 5, current density 80 A / cm 2 , chip area 1 cm 2 ) in switch operation. As can be seen here, with a variation in the resistance (R P ) between the p-region ( 18 ) and the emitter ( 14 ) within the limits of 0.01 to 10 ohms, the size of the three essential loss components, the switch- on losses W on , the turn-off losses W off and the forward voltage U CE . This influences the losses of the overall component via the p-area and its external wiring.
Weiterhin kann aus Fig. 7 geschlußfolgert werden, daß durch Anschluß eines gesteuerten Widerstand an das p-Gebiet eine weitere Verbesserung der elektrischen Eigenschaften erreicht wird. So bewirkt ein bestimmter Widerstandswert beim Ausschalten eine Verringerung der Ausschaltverluste und eine gesteigerte Robustheit, ein veränderter Widerstandswert beim Einschalten minimiert die Einschaltverluste und bewirkt eine geringe Flußspannung. Die Steuerung des Widerstandes kann durch eine elektronische Schaltung erfolgen, wie sie nachfolgend in Fig. 8 dargestellt wird.Furthermore, it can be concluded from FIG. 7 that a further improvement in the electrical properties is achieved by connecting a controlled resistor to the p-region. A certain resistance value when switching off results in a reduction in the switching-off losses and increased robustness, a changed resistance value when switching on minimizes the switching-on losses and causes a low forward voltage. The resistance can be controlled by an electronic circuit, as is shown below in FIG. 8.
Fig. 8 erläutert eine weitere Variante einer beispielhaften Schaltungsanordnung nach Fig. 6. Ein variabler Widerstand (RP) wird hier durch die Parallelschaltung eines n- und p-Kanal- MOSFET (T1, T2) zwischen p-Gebiet und Emitter realisiert, deren Ron dem optimalen Werten für das Ein- bzw. Ausschalten entspricht und deren Gates mit dem IGBT-Gate verbunden sind. FIG. 8 explains a further variant of an exemplary circuit arrangement according to FIG. 6. A variable resistor (R P ) is realized here by connecting an n- and p-channel MOSFET (T 1 , T 2 ) in parallel between the p-region and the emitter whose R on corresponds to the optimal values for switching on and off and whose gates are connected to the IGBT gate.
Fig. 9 stellt die Gesamtverluste verschiedener Trench-Gate-Strukturen in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz dar. Es ist die Abhängigkeit der mittleren Verlustleistung von der Frequenz für die Strukturen in Fig. 2 und 4 sowie die Struktur in Fig. 5 in Abhängigkeit von der Außenbeschaltung zusammenfassend gezeigt. Bei prinzipiell gleichen statischen Durchlaßverlusten (UCE) für alle 4 Varianten, sind die reduzierten Gesamtverluste Ptotal Ausdruck für die gesunkenen Schaltverluste durch die erfinderischen Maßnahmen in den Strukturen aus Fig. 4 und Fig. 5 gegenüber der Ausgangsstrukturen nach dem Stand der Technik (Fig. 2). FIG. 9 shows the total losses of different trench gate structures as a function of the switching frequency. It is the dependence of the average power loss on the frequency for the structures in FIGS. 2 and 4 and the structure in FIG. 5 as a function of the external wiring shown in summary. In principle, the same static state losses (U CE) for all 4 variants, the reduced overall losses P total expression for the lower switching losses by the inventive measures in the structures of Fig. 4 and Fig. 5 with respect to the starting structures of the prior art (FIG . 2).
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