Die vorliegende Erfindung betrifft einen sogenannten Trench-IGBT, d. h. einen Bipolartransistor mit
isoliertem Gate, bei dem der Metallfilm eines MOS-Aufbau, umfassend den Metallfilm, einen
Oxidfilm und ein Halbleitermaterial, in einem Graben, einem sogenannten "Trench", in dem
Oberflächenabschnitt eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist.
IGBTs zeichnen sich durch die hohe Durchbruchsspannung und die hohe Strombelastbarkeit von
Bipolartransistoren sowie die Hochfrequenzeigenschaften von MOSFETs aus. In der letzten Zeit
hat man die Durchbruchsspannung und die Strombelastbarkeit von IGBTs weiter erhöht, und so
wurden Hochleistungsbauelemente mit einer Durchbruchsspannung von 2500 bis 4500 V und
einer Strombelastbarkeit von etlichen hundert bis zu 1800 A entwickelt. Diese Hochleistungsbau
elemente enthalten ein modulartiges Gehäuse oder ein sogenanntes Flat-Package, in dem mehrere
IGBT-Chips parallel angeordnet sind.
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen planaren IGBT (nachfolgend als "P-IGBT"
bezeichnet). Bei diesem in Fig. 19 gezeigten IGBT sind Wannenzonen 2, ausgehend von einer der
Hauptflächen einer schwach dotierten und damit hohen Widerstand aufweisenden n Driftschicht
1, selektiv ausgebildet. In dem Oberflächenabschnitt der Wannenzonen 2 sind n Emitterzonen 3
selektiv ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 ist unter Zwischenlage eines Oxidfilms 6 über dem
Teil einer jeweiligen Wannenzone 2 ausgebildet, der sich zwischen der Driftschicht 1 und einer
Emitterzone 3 erstreckt. Eine Emitterelektrode 11 steht sowohl mit den Wannenzonen 2 als auch
den Emitterzonen 3 in Kontakt. Eine p Kollektorschicht 4 ist unter Zwischenlage einer stark
dotierten n Pufferschicht 5 auf der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ausgebildet. Die
Pufferschicht 5 ist stärker dotiert als die Driftschicht 1. Eine Kollektorelektrode 12 steht mit der
Kollektorschicht 4 in Kontakt.
Es soll nun die Arbeitsweise des P-IGBT erläutert werden. Im Einschaltmodus wird eine Inver
sionsschicht (nachfolgend als "Kanal" bezeichnet) im Oberflächenabschnitt der Wannenzone 2
dadurch gebildet, daß an die Gateelektrode eine positive Spannung oberhalb eines bestimmten
Schwellenwerts angelegt wird, während die Kollektorelektrode 12 positiv vorgespannt ist und die
Emitterelektrode 11 negativ vorgespannt ist oder auf Masse liegt. Elektronen werden jeweils von
einer Emitterzone 3 durch den Kanal zur Driftschicht 1 injiziert. Die injizierten Elektronen senken
das Potential der Pufferschicht 5 bezüglich desjenigen der Kollektorschicht 4. Wenn die Span
nung in Durchlaßrichtung über dem pn-Zonenübergang zwischen der Pufferschicht 5 und der
Kollektorschicht 4 die Sperrschicht- oder Schwellenspannung von etwa 0,6 V erreicht, werden
Löcher von der Kollektorschicht 4 über die Pufferschicht 5 in die Driftschicht 1 injiziert. Die
injizierten Elektronen und Löcher sammeln sich in der Driftschicht 1 an, wo sie sich elektrisch
neutralisieren. Die angesammelten Elektronen und Löcher modulieren die Leitfähigkeit der
Driftschicht 1, was zu einem sehr niedrigen Widerstand der Driftschicht 1 führt. Durch diesen
sehr niedrigen Widerstand der Driftschicht 1 schaltet der IGBT ein. Nachfolgend werden Elektro
nen und Löcher, die sich im Übermaß in der Driftschicht 1 im Einschaltzustand des IGBT
angesammelt haben, als die "akkumulierten Ladungsträger" bezeichnet. Die im Einschaltzustand
von der Kollektorschicht 4 injizierten Löcher durchlaufen die Wannenzonen 2 und fließen von der
Emitterelektrode 11, die mit den Wannenzonen 2 in Kontakt steht, ab.
Die oben beschriebene Arbeitsweise ist die gleiche wie die bei einem pnp Transistor aus der p
Kollektorschicht 4, der n Driftschicht 1 und einer p Wannenzone 2. Der Spannungsabfall, der im
Einschaltzustand des IGBT über dem Kollektor und dem Emitter bei einem bestimmten Strom
(normalerweise dem Nennstrom) hervorgerufen wird, wird "Sättigungsspannung" genannt.
Im Abschaltmodus verschwindet der Kanal zwischen einer jeweiligen Emitterzone 3 und der
Driftschicht 1, wenn die an die Gateelektrode 10 angelegte positive Spannung vermindert wird.
Während der Kanal zwischen der Emitterzone 3 und der Driftschicht 1 verschwindet stoppt die
Elektroneninjektion von der Emitterzone 3, und die von der Kollektorschicht 4 zur Driftschicht 1
über die Pufferschicht 5 injizierten Löcher nehmen ab, die akkumulierten Ladungsträger in der
Driftschicht 1 bilden Paare in der Driftschicht 1 und verschwinden. Elektronen können anderer
seits über die Kollektorschicht 4 von der Kollektorelektrode 12 abfließen, während Löcher über
die Wannenzonen 2 von der Emitterelektrode 11 abfließen können. Wenn all die akkumulierten
Ladungsträger verschwunden sind, wird der Widerstand der Driftschicht 1 sehr hoch, was zum
Ausschaltzustand des IGBT führt. Der Verlust während der Zeitspanne des Übergangs vom
Einschaltzustand zum Ausschaltzustand wird als "Abschaltverlust" bezeichnet.
Wie oben beschrieben, sind der Einschaltzustand und der Ausschaltzustand des IGBT vom
Verhalten der Elektronen und Löcher in der Driftschicht 1 bestimmt. Wenn viele Ladungsträger im
Einschaltzustand in der Driftschicht 1 akkumuliert werden, ist die Sättigungsspannung infolge des
niedrigen Widerstands der Driftschicht 1 gering. Da jedoch dann entsprechend viele akkumulierte
Ladungsträger beim Abschalten entfernt werden müssen, ist der Abschaltverlust hoch. Wenn
wenige Ladungsträger im Einschaltzustand in der Driftschicht 1 akkumuliert werden, ist der
Abschaltverlust gering, da nur wenige akkumulierte Ladungsträger zu entfernen sind. Dagegen ist
dann die Sättigungsspannung infolge des hohen Widerstands der Driftschicht 1 hoch.
Es besteht somit ein Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung im Leitzustand
des IGBT und niedrigen Abschaltverlusten beim Abschalten des IGBT, da die Sättigungsspannung
zunimmt, wenn der Abschaltverlust abnimmt und umgekehrt. Für die Anwendung von IGBTs bei
Stromrichtern unterschiedlichster Art ist es wichtig, diesen Widerspruch zwischen der Sätti
gungsspannung und dem Abschaltverlust zu verringern, um Wärmeverluste zu reduzieren.
Der IGBT wurde in den frühen Achtzigern erfunden. Seitdem sind verschiedene Maßnahmen
untersucht worden, um den erwähnten Widerspruch zwischen der Sättigungsspannung und dem
Abschaltverlust zu verringern. Typische Maßnahmen schließen eine Pufferschicht zwischen einer
Basisschicht und einer Kollektorschicht und ein Verfahren zur Steuerung der Ladungsträger
lebensdauer in der Basisschicht ein.
Es ist jedoch schwierig, den Widerspruch zwischen der Sättigungsspannung und dem Abschalt
verlust allein durch Ändern der Gesamtmenge an Elektronen und Löchern, die in die Driftschicht 1
injiziert werden, zu verringern. Der Widerspruch kann dadurch entschärft werden, daß die
Verteilungen der Elektronen und Löcher, die in das Halbleitersubstrat bzw. die Driftschicht 1
injiziert werden, verringert werden. Es ist darauf hingewiesen worden, daß man zur Verringerung
des genannten Widerspruchs die Menge an Ladungsträgern erhöhen kann, die sich an der Seite
der Emitterelektrode des IGBT ansammeln.
In letzter Zeit ist ein (nachfolgend als "T-IGBT" bezeichneter) IGBT vorgeschlagen worden, der
eine Entschärfung des genannten Widerspruchs dadurch ermöglicht, daß ein MOS-Gate in einem
Trench ausgebildet wird, welches in den Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats einge
bracht wird.
Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen T-IGBT. Wie dargestellt, sind p
Wannenzonen 2 und n Emitterzonen 3 ausgehend von einer der Hauptflächen einer schwach
dotierten n Driftschicht 1 ausgebildet. Ein Trench 7 (Graben) erstreckt sich von der Oberfläche
einer jeweiligen Emitterzone 3 bis zur Driftschicht 1. Eine Gateelektrode 10 ist unter Zwischen
lage eines Gateisolierfilms 6 in dem Trench 7 ausgebildet. An der anderen Hauptfläche der
Driftschicht 1 sind eine n Pufferschicht 5 und auf dieser eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Eine Emitterelektrode 11 steht gemeinsam mit den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in
Kontakt. Eine Kollektorelektrode 12 steht mit der Kollektorschicht 4 in Kontakt.
Die Parameter eines beispielhaften T-IGBT mit einer Nennspannung von 4500 V und einer
Nennstromdichte von 40 A.cm2 sind wie folgt. Der spezifische Widerstand der Driftschicht 1
beträgt 320 Ω.cm. Die Dicke der Driftschicht 1 beträgt 490 µm. Die Tiefe des Trenches 7 beträgt
6 µm. Die kurze Seitenlänge des Bodens des Trenches 7 beträgt 2 µm. Der Abstand zwischen
benachbarten Trenchen beträgt 10 µm. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der Wannenzo
nen 2 beträgt 4 × 1017 cm-3. Die Tiefe der Wannenzonen 2 beträgt 5 µm. Die Oberflächendotier
stoffkonzentration der Emitterzonen 3 beträgt 1 × 1020 cm-3. Die Tiefe der Emitterzonen 3 beträgt
etwa 0,5 µm. Die Breite der Emitterzonen 3 beträgt 1 µm. Die Dicke des Gateisolierfilms 6
beträgt 80 nm. Die Dicke eines Isolierfilms 8 liegt bei etwa 1 µm. Ein Lebensdauerkiller ist in
einen Teil der Driftschicht 1 dotiert. Die Sättigungsspannung des T-IGBT liegt bei etwa 6,3 V bei
einer Stromdichte von 40 A.cm2 und einer Temperatur von 125°C.
Die Prinzipien zum Einschalten und Ausschalten des T-IGBT sind die gleichen wie beim P-IGBT.
Da jedoch die Kanäle beim P-IGBT auf der Seite der Emitterelektrode statt der Seite der pn-
Zonenübergänge zwischen der Driftschicht 1 und den Wannenzonen 2 gebildet werden, engen
Verarmungsschichten, die sich von den pn-Zonenübergängen ausbreiten, die Stromwege ein (was
auch als "J-FET-Effekt" bezeichnet wird), was die Sättigungsspannung erhöht. Infolge des J-FET-
Effekts ist der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem niedrigen
Abschaltverlust beim P-IGBT kritischer. Im Gegensatz dazu werden die Kanäle beim T-IGBT auf
der Seite der Kollektorelektrode anstelle der Seite der pn-Zonenübergänge zwischen der Drift
schicht 1 und den Wannenzonen 2 geschaffen. Daher tritt keinerlei J-FET-Effekt auf.
Daher ist der T-IGBT zur Verringerung des Widerspruchs zwischen niedriger Sättigungsspannung
und geringem Abschaltverlust vorteilhaft, da der T-IGBT ermöglicht, die Sättigungsspannung zu
verringern, ohne den Abschaltverlust zu erhöhen.
Da es nötig ist, den spezifischen Widerstand und die Dicke der Driftschicht 1 zu erhöhen, um die
hohe Durchbruchsspannung eines IGBT aufrecht zu erhalten, wird der Widerspruch zwischen
niedriger Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust beim P-IGBT schlechter als beim T-
IGBT, wenn die Durchbruchsspannung zunimmt.
Die Wannenzonen 2, die mit der Emitterelektrode 11 in Kontakt stehen, nehmen bei dem T-IGBT
auf der Seite der Emitterelektrode 11 eine größere Fläche ein als beim P-IGBT. Infolgedessen
neigen die von der Kollektorschicht 4 injizierten Löcher dazu, zu diffundieren bzw. sich zu
verteilen und zur Emitterelektrode 11 zu fließen, was die Konzentration akkumulierter Ladungs
träger auf Seiten der Emitterelektrode 11 senkt. Daher besteht noch ein gewisser Spielraum für
eine weitere Entschärfung des Widerspruchs zwischen niedriger Sättigungsspannung und
geringem Abschaltverlust.
Es gibt Berichte über einen Injektions-Anreicherungs-IGBT, einen sogenannten IEGT, und einen T-
IGBT mit p Wannenzonen, die nicht in elektrischer Verbindung mit einer Emitterelektrode stehen,
als Beispiele, die den Widerspruch zwischen niedriger Sättigungsspannung und geringem
Abschaltverlust durch Erhöhung der Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der
Emitterelektrode 11 verringern. Der IEGT und der T-IGBT, über die berichtet wurde, haben jedoch
komplizierte Strukturen und eignen sich nicht für eine Massenproduktion.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Trench-IGBT (T-IGBT) zu schaffen, der es ermöglicht, den
Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen Abschaltverlust
durch Erhöhen der Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode mit
einem einfachen Aufbau zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Trench-IGBT gemäß Patentanspruch 1, 3 und
12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, daß in der Hauptfläche der Driftschicht Abschnitte gelassen werden, in denen keine
Wannenzonen ausgebildet sind, wird verhindert, daß von der Kollektorschicht injizierte Löcher
diffundieren und durch die Emitterelektrode abfließen, was die Konzentration akkumulierter
Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode erhöht. Die Leitfähigkeitsmodulation wird durch
Erhöhen der Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter verbessert, und als Folge davon,
wird die Sättigungsspannung verringert.
Vorzugsweise sind in den Abschnitten an der Hauptoberfläche der Driftschicht, in denen keine
Wannenzonen ausgebildet sind, dotierte Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps mit stärkerer
Dotierung als die Driftschicht ausgebildet. Diese dotierten Zonen tragen weiter dazu bei, daß
verhindert wird, daß die von der Kollektorschicht injizierten Löcher diffundieren und über die
Emitterelektrode abfließen. Die injizierten Löcher neutralisieren die Elektronen in den dotierten
Zonen. Die Löcherkonzentration in der Nachbarschaft der dotierten Zonen wird erhöht, wodurch
die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht wird. Infolge der kombinierten
Wirkungen wird die Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode in
großem Umfang erhöht.
Vorzugsweise beträgt die Oberflächendotierstoffkonzentration in den dotierten Zonen 1 × 1016 cm-3
oder weniger. Diese Dotierstoffkonzentration ist zu gering, um den Leitfähigkeitstyp der Wannen
zonen umzukehren. Eine Oberflächendotierstoffkonzentration von 1 × 1016 cm-3 oder weniger reicht
aber aus, eine ausreichende Menge an Löchern zu induzieren, um die Löcherkonzentration in der
Nachbarschaft der dotierten Zonen zu erhöhen.
Vorteilhafterweise sind Hilfsgateelektroden oberhalb der jeweiligen ausgedehnten Abschnitte der
Driftschicht angeordnet, die sich zwischen den Wannenzonen erstrecken, oder oberhalb der
jeweiligen dotierten Zonen, und zwar unter Zwischenlage entsprechender Hilfsgateoxidfilme oder
Hilfsgateisolierfilme.
Durch Vorspannen der Hilfsgateelektroden mit einem positiven Potential im Einschaltzustand und
mit einem Nullpotential oder einem negativen Potential im Ausschaltzustand werden Elektronen
im Oberflächenabschnitt der Driftschicht unterhalb der Hilfsgateelektroden angesammelt. Die von
der Kollektorschicht injizierten Löcher werden aufgrund der Coulomb'schen Kraft zu diesen Teilen
hingezogen, wo sich Elektronen angesammelt haben, was zu einer hohen Löcherkonzentration
führt. Damit wird die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht.
Wenn die Gateelektroden mit den jeweiligen Hilfsgateelektroden verbunden werden, können die
Hilfsgateelektroden im Einschaltzustand auf ein positives Potential vorgespannt werden und eine
einzige Stromversorgung kann zum Anlegen der Vorspannung genutzt werden.
Wenn die Trenche jeweilige nicht von irgendeiner Wannenzone oder irgendeiner Emitterzone
umgebene Abschnitt aufweisen, werden Elektronen in den Oberflächenabschnitten der Seiten
wände der Trenche durch Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode in den jeweiligen
Trenchen akkumuliert. Die akkumulierten Elektronen erhöhen die Löcherkonzentration, was die
Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht.
Dadurch, daß die Trenche und die Wannenzonen in senkrecht zueinander verlaufenden Streifen
angeordnet werden, ist es leicht die Trenche mit Abschnitten zu versehen, die nicht von
irgendeiner Wannenzone oder einer Emitterzone umgeben werden.
Die Weiterbildungen der Ansprüche 9 bis 11 ermöglichen es jeweils die Trenche mit Abschnitten
zu versehen, die von keiner Wannenzone oder Emitterzone umgeben sind.
Vorteilhafterweise wird das Verhältnis Wt/Wp der Breite Wt des Bodens eines Trenches zur Breite
Wp der Wannenzone zwischen den Trenchen auf einen Wert zwischen 1 und 20 gesetzt.
Hierdurch werden Elektronen zu Stellen unterhalb der Trenche angezogen, und die von der
Kollektorschicht injizierten Löcher werden zu den Teilen hingezogen, wo sich Elektronen ange
sammelt haben, was die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht.
Wenn das Verhältnis Wt/Wp kleiner als 1 ist, sammeln sich keine Elektronen an Stellen unterhalb
der Trenche an, ähnlich wie bei einem herkömmlichen T-IGBT. Ein Verhältnis von Wt/Wp oberhalb
von 20 ist nicht praktikabel, da die Anzahl der Trenche pro Flächeneinheit so klein ist, daß die
Kanalwiderstandskomponente zunimmt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A1-Typ) gemäß einem ersten Ausführungsbei
spiel der Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A2-Typ) gemäß einem zweiten Ausführungs
beispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A3-Typ) gemäß einem dritten Ausführungsbei
spiel der Erfindung,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A4-Typ) gemäß einem vierten Ausführungsbei
spiel der Erfindung,
Fig. 5 eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherverteilungen bei den T-IGBTs gemäß der
Erfindung mit der Löcherverteilung bei einem herkömmlichen T-IGBT,
Fig. 6(a) eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B11-Typ) gemäß einem fünften Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6(b) eine Draufsicht auf den T-IGBT von Fig. 6(a),
Fig. 7(a) eine Querschnittsansicht der Schnittebene A in den Fig. 6(a) und 6(b),
Fig. 7(b) eine Querschnittsansicht der Schnittebene B in den Fig. 6(a) und 6(b),
Fig. 7(c) eine Querschnittsansicht der Schnittebene C in den Fig. 6(a) und 6(b),
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B12-Typ) gemäß einem sechsten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B13-Typ) gemäß einem siebten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B14-Typ) gemäß einem achten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11(a) eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B21-Typ) gemäß einem neunten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11(b) eine Draufsicht auf den T-IGBT von Fig. 11(a),
Fig. 12(a) eine Querschnittsansicht der Schnittfläche A in den Fig. 11(a) und 11(b),
Fig. 12(b) eine Querschnittsansicht der Schnittebene B in den Fig. 11(a) und 11(b),
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B22-Typ) gemäß einem zehnten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B23-Typ) gemäß einem elften Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B24-Typ) gemäß einem zwölften Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 16 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (C1-Typ) gemäß einem dreizehnten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 17 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Sättigungsspannung und der
Bodenbreite des Trenches wiedergibt,
Fig. 18 eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherkonzentrationsverteilungen bei einigen
beispielhaften T-IGBTs mit dem Verhältnis der Breite des Trenches zur Wannenzone als
Parameter,
Fig. 19 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen P-IGBT, und
Fig. 20 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen T-IGBT.
In den nachstehend beschriebenen Figuren sind dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 19
und 20 zur Bezeichnung gleicher Komponenten verwendet. Elektronen sind die Majoritätsladungs
träger in Zonen und Schichten, die mit dem Zusatz "n" bezeichnet sind, während Löcher die
Majoritätsladungsträger in den Zonen und Schichten sind, die mit dem Zusatz "p" bezeichnet
sind.
Erstes Ausführungsbeispiel
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, der nachfolgend als A1-Typ T-IGBT bezeichnet werden soll. Alle T-IGBTs einschließlich
des A1-Typs gemäß der Erfindung stellen Beispiele mit einer Nennspannung von 4500 V und
einer Nennstromdichte von 40 A.cm-2 dar.
Gemäß Darstellung in Fig. 1 sind Gräben oder Trenche 7 von einer Hauptfläche einer n Drift
schicht 1 mit dem spezifischen Widerstand von 320 Ω.cm und einer Dicke von 490 µm ausgebil
det. Die Trenche 7 haben eine Tiefe von 6 µm und sind 100 µm voneinander beabstandet. Die
kurze Seite des Bodens der Trenche weist eine Länge von 2 µm auf. Eine p Wannenzone 2 ist
parallel zu und in Kontakt mit jedem Trench 7 ausgebildet. Die Wannenzone 2 weist eine Breite
von 10 µm und eine Tiefe von 5 µm auf. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n
Emitterzonen 3 ausgebildet, die jeweils eine Breite von 1 µm und eine Tiefe von 0,5 µm aufwei
sen. Die Wannenzonen 2 sind beispielsweise durch Implantieren von Borionen und thermische
Diffusion der implantierten Borionen gebildet worden. Die Emitterzonen 3 sind beispielsweise
durch Implantieren von Phosphorionen und thermische Diffusion der implantierten Phosphorionen
gebildet. Die Oberflächendotierstoffdichte beträgt 4 × 1017 cm-3 für die Wannenzonen 2 und
1 × 1020 cm-3 für die Emitterzonen 3. Eine Gateisolierfilm 6 ist durch Abscheiden eines Oxidfilms
einer Dicke von 80 nm auf der Innenfläche des Trenches 7 in jedem dieser Trenche ausgebildet.
Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist in jedem Trench 7 auf dem Gateisolierfilm
6 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas und einer Dicke von etwa 1 µm
bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3 und der
Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht durch die Fenster in diesem Isolierfilm 8 hindurch
mit den Emitterzonen und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die
Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in Fig. 1 gezeigt. Auf der anderen Hauptfläche der
Driftschicht 1 ist zunächst eine n+ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebil
det. Eine Kollektorelektrode 12 ist an der Kollektorschicht 4 ausgebildet. Die Pufferschicht 5 ist
stärker dotiert als die Driftschicht 1. Die Pufferschicht 5 und die Kollektorschicht 4 werden
beispielsweise durch Implantieren jeweiliger Dotierstoffionen und thermische Diffusion der
implantierten Dotierstoffionen ausgebildet. Die maximale Dotierstoffkonzentration in der Puffer
schicht beträgt 2 × 1017 cm-3. Die Dicke der Pufferschicht 5 beträgt 5 µm. Die Oberflächendotier
stoffkonzentration der Kollektorschicht 4 beträgt 2 × 1019 cm-3. Die Dicke der Kollektorschicht 4
beträgt 1 µm. Ein Metallgateanschluß ist in Kontakt mit den Gateelektroden 10 im nicht darge
stellten Teil der Fig. 1 ausgebildet.
Der A1-Typ T-IGBT von Fig. 1 unterscheidet sich von dem T-IGBT in Fig. 20 dadurch, daß bei
dem A1-Typ T-IGBT die Wannenzonen 2 selektiv ausgebildet sind und benachbarte Wannenzonen
durch die Driftschicht 1 voneinander getrennt sind. Die Breite des sich zwischen den Wannenzo
nen 2 erstreckenden Abschnitts der Driftschicht 1 beträgt 80 µm.
Wenn der Abschaltverlust des A1-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspan
nung bei etwa 6,2 V bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und einer Temperatur von 125°C.
Somit ist der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und geringem Abschalt
verlust bei dem A1-Typ T-IGBT gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verringert. Alle anderen
T-IGBTs gemäß der Erfindung werden ebenfalls durch Vergleich ihrer Sättigungsspannungen bei
demselben Abschaltverlust bewertet werden.
Fig. 5 zeigt eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherverteilungen bei den T-IGBTs gemäß dem
ersten bis vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Löcherverteilung des herkömmlichen
T-IGBT. Die Ordinate in Fig. 5 zeigt die Löcherkonzentration in logarithmischem Maßstab, und die
Abszisse zeigt die Tiefe von der Halbleiteroberfläche. Die linke Seite der Figur entspricht der
Emitterelektrode und die rechte Seite der Kollektorelektrode. Die Abmessungen und die Parameter
der beispielhaften T-IGBTs sind die gleichen wie jene desjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
Die in Fig. 5 gezeigten Löcherverteilungen wurden durch Simulation bei der Nennstromdichte von
40 A.cm-2 und einer Temperatur von 125°C erhalten.
Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Löcherkonzentration bei dem T-IGBT des A1-Typs gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der Seite der Emitterelektrode höher als bei dem herkömm
lichen T-IGBT. Da wegen des neutralen Zustands nahezu die gleiche Menge an Elektronen
vorhanden ist, ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 hoch.
Somit wird eine Leitfähigkeitsmodulation in der Driftschicht 1 verursacht, die zu einer niedrigen
Sättigungsspannung für den IGBT führt. Infolge der niedrigen Sättigungsspannung ist der
Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen Abschaltverlust
verringert.
Zweites Ausführungsbeispiel
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, der nachfolgend als A2-Typ T-IGBT bezeichnet wird.
Der IGBT des A2-Typs unterscheidet sich von dem des A1-Typs dadurch, daß bei ersterem stark
dotierte n+ Zonen 9 in den Abschnitten an der Hauptoberfläche ausgebildet sind, in denen sich
keine Wannenzonen 2 befinden. Die dotierten Zonen 9 sind stärker dotiert als die Driftschicht 1.
Die dotierten Zonen 9 werden beispielsweise durch Implantieren von Dotierstoffionen und
thermische Diffusion der implantierten Ionen ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration
in den dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 1015 cm-3 und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 µm. Da die
Oberflächendotierstoffkonzentration der Wannenzonen 2 um zwei Größenordnungen höher als
diejenige der dotierten Zonen 9 liegt, werden die Wannenzonen 2 nicht zu n Zonen verändert.
Wenn der Abschaltverlust des A2-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspan
nung bei etwa 6,0 V bei der Stromdichte von 40 A.cm-2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung bei dem A2-Typ T-IGBT, die durch Simulation unter der Nennstromdichte
von 40 A.cm-2 bei der Temperatur von 125°C erhalten wurde, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie man
sieht, liegt die Löcherkonzentration bei dem A2-Typ T-IGBT auf der linken Seite der Figur höher
als bei dem A1-Typ T-IGBT, um die Elektronen in den dotierten Zonen 9 zu neutralisieren. Infolge
der höheren Löcherkonzentration ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der
Driftschicht 1 höher, was in einer Sättigungsspannung resultiert, die niedriger als die des A1-Typ
T-IGBT ist.
Drittes Ausführungsbeispiel
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, der nachfolgend als A3-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Der IGBT dieses A3-Typs
unterscheidet sich von dem A1-Typ gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß eine
Hilfsgateelektrode 13 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von 1 µm über dem ausge
dehnten Abschnitt der Driftschicht 1 angeordnet ist, der sich zwischen den Wannenzonen 2
erstreckt, wobei ein Hilfsgateisolierfilm 6a aus einem Oxid mit einer Dicke von 80 nm dazwi
schengefügt ist. Die Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit den Gateelektroden 10 verbunden.
Wenn der Abschaltverlust des A3-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, dann liegt die Sättigungs
spannung bei etwa 5,7 V bei der Stromdichte von 40 A.cm-2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung in dem A3-Typ T-IGBT, die durch Simulation bei der Nennstromdichte von
40 A.cm-2 und der Temperatur von 125°C erhalten wurde, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie aus Fig. 5
ersichtlich, ist die Löcherkonzentration des A3-Typ T-IGBT auf der linken Seite der Figur höher als
die des A2-Typ T-IGBT, und zwar aufgrund der Löcher zur Neutralisierung der Elektronen, die sich
unter den Hilfsgateelektroden 13 ansammeln. Infolge der höheren Löcherkonzentration ist die
Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 hoch, was dazu führt, daß die
Sättigungsspannung kleiner als die des A2-Typ T-IGBT ist. Infolge der niedrigen Sättigungsspan
nung wird der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen
Abschaltverlust verringert.
Viertes Ausführungsbeispiel
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, der nachfolgend als A4-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser A4-Typ T-IGBT besitzt
einen Aufbau, der sich durch Kombination des A2-Typs mit dem A3-Typ ergibt.
Wenn der Abschaltverlust des A4-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspan
nung bei etwa 5,5 V bei der Stromdichte von 40 A.cm-2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung in dem A4-Typ T-IGBT, die durch Simulation für die Nennstromdichte von
40 A.cm-2 bei einer Temperatur von 125°C gewonnen wurde, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5
dargestellt, liegt die Löcherkonzentration bei dem A4-Typ T-IGBT höher als die beim A3-Typ T-
IGBT, was auf die Kombination der Wirkungen des A2-Typs und des A3-Typs zurückzuführen ist.
Infolge der hohen Löcherkonzentration ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der
Driftschicht 1 hoch, was zur Folge hat, daß die Sättigungsspannung niedriger als beim A3-Typ T-
IGBT ist.
Tabelle 1 vergleicht die Sättigungsspannungen der T-IGBTs der Typen A1 bis A4 gemäß der
vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen T-IGBT bei der Nennstromdichte von 40 A.cm-2
und der Temperatur von 125°C.
Der A2-Typ T-IGBT mit seinen n+ dotierten Zonen 9 und der A3-Typ T-IGBT mit seinen Hilfsgate
elektroden 13 verringern die Sättigungsspannung deutlich. Der A4-Typ T-IGBT, der die Strukturen
des A2-Typs mit denen des A3-Typs vereint, verringert die Sättigungsspannung noch weiter.
Wie aus Fig. 5 deutlich erkennbar, nimmt die Konzentration akkumulierter Ladungsträger an der
Oberflächenseite mit niedriger werdender Sättigungsspannung in der Reihenfolge des Typs A1,
A2, A3 und A4 zu.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Fig. 6(a) ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B11-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Fig. 6(b) ist eine Draufsicht
auf den T-IGBT von Fig. 6(a). Fig. 7(a) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene A in den
Fig. 6(a) und 6(b). Fig. 7(b) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene B in den Fig. 6(a)
und 6(b). Fig. 7(c) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene C in den Fig. 6(a) und 6(b).
Gemäß Darstellung in den Fig. 6(a) und 6(b) sind Trenche 7 ausgehend von einer der
Hauptflächen einer n Driftschicht 1 mit einem spezifischen Widerstand von 320 Ω.cm ausgebil
det. Die Trenche 7 sind 6 µm tief und weisen eine kurze Seitenlänge ihres Bodens von 2 µm auf.
Die Trenche sind 10 µm voneinander beabstandet. Senkrecht zu den Trenchen 7 verlaufend sind
p Wannenzonen 2 ausgebildet. Die Wannenzonen 2 weisen eine Breite von 20 µm und eine Tiefe
von 5 µm auf. Sie sind im Abstand von 80 µm voneinander angeordnet. Im Oberflächenbereich
jeder der Wannenzonen 2 sind n Emitterzonen 3 ausgebildet, die jeweils eine Breite von 1 µm,
eine Länge von 10 µm und eine Tiefe von 0,5 µm aufweisen. Ein Gateisolierfilm 6 ist in jedem der
Trenche 7 durch Abscheiden eines Oxidfilms einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche des
Trenches 7 ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem Gateiso
lierfilm 6 im Trench 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit etwa 1 µm
Dicke bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3
und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht über die Fenster in dem Isolierfilm 8 mit
den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die
Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in Fig. 6(a) gezeigt. An der anderen Hauptfläche
der Driftschicht 1 sind eine n+ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Eine Kollektorelektrode 12 ist an der Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Wie in Fig. 6(b) gezeigt, verlaufen die Trenche 7 und die Wannenzonen senkrecht zueinander. Die
Emitterzonen 3 erstrecken sich parallel zu den Trenchen 7.
Der in Fig. 7(a) gezeigte Schnitt A ist der gleiche wie der des in Fig. 20 gezeigten T-IGBT. Die
Wannenzonen 2 nehmen den gesamten Raum zwischen den Trenchen 7 ein. Der Schnitt B in Fig.
7(b) ist ein Querschnitt längs eines Trenches und gleicht dem entsprechenden Querschnitt des
herkömmlichen T-IGBT. In dem in Fig. 7(c) gezeigten Schnitt C sind die Wannenzonen 2
voneinander getrennt, was einen Unterschied zum herkömmlichen T-IGBT darstellt.
Wenn der Abschaltverlust des B11-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspan
nung bei etwa 4,8 V bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und einer Temperatur von 125°C. Bei
dem B11-Typ T-IGBT werden Elektronen in den Abschnitten der Driftschicht 1 akkumuliert, in
denen keinerlei Wannenzone 2 ausgebildet ist und die mit den Trenchen 7 in Kontakt stehen, in
welchen die Gateelektroden 10 vergraben sind. In Verbindung mit der Elektronenansammlung
nimmt die Löcherkonzentration zu, was zu einer erhöhten Ladungsträgerkonzentration in der
Driftschicht 1 führt. Die erhöhte Ladungsträgerkonzentration in der Driftschicht 1 verringert die
Sättigungsspannung.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B12-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B12-Typ T-IGBT
unterscheidet sich von dem vorgenannten B11-Typ darin, daß n+ dotierte Zonen 9 in den
Abschnitten der Hauptfläche ausgebildet sind, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7
umgeben sind. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 1015
cm-3 und ihre Tiefe 5 µm.
Die Sättigungsspannung des B12-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und
einer Temperatur von 125°C etwa 4,5 V. Die gegenüber dem B11-Typ noch weiter verminderte
Sättigungsspannung wird der Tatsache zugeschrieben, daß die Konzentration akkumulierter
Ladungsträger in der Driftschicht 1 aus den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des
A2-Typ T-IGBTs genannten Gründen erhöht ist.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBTs gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B13-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Gemäß Fig. 9 unterscheidet
sich der B13-Typ T-IGBT von dem B11-Typ darin, daß eine Hilfsgateelektrode 13 aus polykristal
linem Silicium mit einer Dicke von 1 µm über dem verlängerten Abschnitt der Driftschicht 1
angeordnet ist, der sich jeweils zwischen Wannenzonen 2 erstreckt. Die Hilfsgateelektroden 13
liegen auf einem zwischengefügten Hilfsgateisolierfilm 6a aus einem Oxid mit einer Dicke von 80
nm. Die Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit den Gateelektroden 10 verbunden. Wie in Fig.
9 gezeigt, können die Emitterzonen 3 senkrecht zu den Trenchen 7 und parallel zu den Wannen
zonen 2 verlaufen.
Die Sättigungsspannung des B13-Typ T-IGBT liegt bei etwa 4,2 V bei einer Stromdichte von 40
A.cm-2 und einer Temperatur von 125°C. Die gegenüber dem B12-Typ T-IGBT weiter verringerte
Sättigungsspannung ist der Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1
zuzuschreiben, die aus früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A3-Typ T-IGBT
beschriebenen Gründen erhöht ist.
Achtes Ausführungsbeispiel
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem achten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B14-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B14-Typ T-IGBT
vereint die Strukturen des B12-Typs mit denen des B13-Typs. In den gesamten Oberflächenab
schnitten, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind, sind n+ dotierte
Zonen 9 ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration dieser dotierten Zonen 9 beträgt
1,0 × 1015 cm-3 und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 µm. Eine Hilfsgateelektrode 13 einer Dicke von 1
µm befindet sich auf einem 80 nm dicken Hilfsgateisolierfilm 6a über den dotierten Zonen 9. Die
Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit einer Gateelektrode 10 verbunden.
Die Sättigungsspannung des B14-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und
einer Temperatur von 125°C etwa 4,0 V. Die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in dem
B14-Typ T-IGBT ist infolge der kombinierten Wirkungen des B12-Typs und des B13-Typs höher,
was zu einer niedrigeren Sättigungsspannung als die des B13-Typ T-IGBT führt.
Neuntes Ausführungsbeispiel
Fig. 11(a) ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem neunten Ausführungsbei
spiel der Erfindung, der nachfolgend als B21-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Fig. 11(b) ist eine
Draufsicht auf den T-IGBT von Fig. 11(a). Fig. 12(a) ist eine Schnittansicht längs der Schnitt
ebene A in den Fig. 11(a) und 11(b). Fig. 12(b) ist eine Schnittansicht längs der Schnittebene
B in den Fig. 11(a) und 11(b).
Wie aus den Fig. 11(a) und 11(b) hervorgeht, sind Trenche 7 ausgehend von einer der
Hauptflächen einer n Driftschicht 1 ausgebildet, die einen spezifischen Widerstand von 320 Ω.cm
aufweist. Die Trenche 7 haben eine Tiefe von 6 µm und am Boden eine kurze Seitenlänge von 25
µm. Sie sind um 10 µm voneinander beabstandet. Im Kontakt mit den kurzen Seiten der Trenche
sind p Wannenzonen 2 ausgebildet. Die Wannenzonen 2 weisen eine Breite von 10 µm und eine
Tiefe von 5 µm auf. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n Emitterzonen 3 mit
einer Breite von 1 µm und einer Tiefe von 0,5 µm ausgebildet. Ein Gateisolierfilm 6 ist durch
Abscheiden eines Oxidfilms mit einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche des Trenches 7
ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem Gateisolierfilm 6 in
jedem der Trenche 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit einer Dicke von
etwa 1 µm bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen
3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht mit den Emitterzonen 3 und den
Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über den
Isolierfilm 8, wie in Fig. 11(a) gezeigt. An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ist eine n+
Pufferschicht 5 ausgebildet, auf der sich eine p Kollektorschicht 4 befindet. An der Kollektor
schicht 4 ist eine Kollektorelektrode 12 ausgebildet.
Wie in Fig. 11(b) gezeigt, verlaufen die Trenche 7 und die Wannenzonen 2 senkrecht zueinander.
Die Emitterzonen 3 des B21-Typ T-IGBT verlaufen anders als jene des B11-Typs ebenfalls
senkrecht zu den Trenchen 7.
Die Schnittebene A, die in Fig. 12(a) gezeigt ist, stellt einen Querschnitt längs der langen Seite
von Trenchen 7 dar und zeigt, daß die Trenche 7 voneinander beabstandet sind. Zwischen den
Trenchen 7 sind die Wannenzonen 2 ausgebildet. In Fig. 12(b) sind die Wannenzonen 2 vonein
ander beabstandet, und die Emitterzonen 3 im Oberflächenabschnitt jeder der Wannenzonen 2
sind erkennbar.
Die Sättigungsspannung des B21-Typ T-IGBT liegt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und einer
Temperatur von 125°C bei etwa 5,1 V. In dem B21-Typ T-IGBT werden Elektronen in den
Abschnitten der Driftschicht 1 angesammelt, in denen keinerlei Wannenzone 2 ausgebildet ist
und die mit den Trenchen 7 in Kontakt stehen, in welchen die Gateelektroden 10 vergraben sind.
In Zusammenhang mit der Elektronenansammlung steigt die Löcherkonzentration, was die
Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 erhöht. Die erhöhte Ladungsträ
gerkonzentration in der Driftschicht 1 verringert die Sättigungsspannung.
Zehntes Ausführungsbeispiel
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B22-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B22-Typ T-IGBT
unterscheidet sich von dem vorgenannten B21-Typ darin, daß n+ dotierte Zonen 9 in den
Abschnitten der Hauptfläche ausgebildet sind, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7
umgeben sind. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 1015
cm-3 und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 µm.
Die Sättigungsspannung des B22-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und
einer Temperatur von 125°C etwa 4,8 V. Die gegenüber dem B21-Typ weiter verringerte
Sättigungsspannung ist auf die erhöhte Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der
Driftschicht 1 zurückzuführen, die auf den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des
A2-Typ T-IGBT erläuterten Gründen beruht.
Elftes Ausführungsbeispiel
Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem elften Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B23-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Gemäß Darstellung in Fig.
14 unterscheidet sich der B23-Typ T-IGBT von dem B21-Typ dadurch, daß eine Hilfsgateelek
trode 13 einer Dicke von 1 µm auf einem Hilfsgateisolierfilm 6a einer Dicke von 80 nm über dem
ausgedehnten Abschnitt der Driftschicht 1 angeordnet ist, der sich jeweils zwischen den
Wannenzonen 2 erstreckt. Die Hilfsgateelektrode 13 ist elektrisch mit einer Gateelektrode 10
verbunden.
Die Sättigungsspannung des B23-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und
einer Temperatur von 125°C etwa 4,6 V. Die gegenüber dem B22-Typ T-IGBT weiter verringerte
Sättigungsspannung ist darauf zurückzuführen, daß die Konzentration akkumulierter Ladungsträ
ger in der Driftschicht 1 aus den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A3-Typ T-
IGBT erläuterten Gründen erhöht ist.
Zwölftes Ausführungsbeispiel
Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als B24-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Bei diesem B24-Typ T-IGBT
sind die Strukturen des B22-Typs und des B23-Typs kombiniert. In den Oberflächenabschnitten,
die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind, sind n+ dotierte Zonen 9
ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration dieser dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 1015
cm-3, und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 µm. Eine Hilfsgateelektrode 13 einer Dicke von 1 µm ist auf
einem Hilfsgateisolierfilm 6a einer Dicke von 80 nm über den dotierten Zonen 9 angeordnet. Die
Hilfsgateelektrode 13 ist elektrisch mit einer Gateelektrode 10 verbunden.
Die Sättigungsspannung des B24-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und
einer Temperatur von 125°C etwa 4,4 V. Die Konzentration akkumulierter Ladungsträger ist bei
dem B24-Typ T-IGBT infolge der kombinierten Wirkungen des B22-Typs und des B23-Typs höher,
was zu einer niedrigeren Sättigungsspannung als beim B23-Typ T-IGBT führt.
Tabelle 2 vergleicht die Sättigungsspannungen der T-IGBTs der Typen B11 bis B14 und der
Typen B21 bis B24 gemäß der Erfindung bei der Nennstromdichte von 40 A.cm-2 und der
Temperatur von 125°C.
Die Sättigungsspannungen der B-Typ T-IGBTs sind niedriger als diejenigen des herkömmlichen T-
IGBT. Die dotierten Zonen 9, die Hilfsgateelektroden 13 und eine Kombination aus dotierten
Zonen 9 und Hilfsgateelektroden 13 sind wirkungsvolle Maßnahmen zur Verringerung der
Sättigungsspannung.
Dreizehntes Ausführungsbeispiel
Fig. 16 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der nachfolgend als C1-Typ T-IGBT bezeichnet wird.
Gemäß Darstellung in Fig. 13 sind Trenche 7 ausgehend von einer der Hauptflächen einer n
Driftschicht 1 ausgebildet, die einen spezifischen Widerstand von 320 Ω.cm aufweist. Die
Trenche 7 sind 6 µm tief und haben am Boden eine kurze Seitenlänge von 25 µm. Sie sind um 5
µm voneinander beabstandet. Zwischen den Trenchen 7 sind p Wannenzonen 2 einer Tiefe von 5
µm ausgebildet. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n Emitterzonen 3 ausgebildet,
die jeweils eine Breite von 1 µm und eine Tiefe von 0,5 µm aufweisen. Ein Gateisolierfilm 6 ist
durch Abscheiden eines Oxidfilms einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche jedes Trenches 7 in
diesem Trench ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem
Gateisolierfilm 6 in jedem Trench 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit
einer Dicke von etwa 1 µm bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen
der Emitterzonen 3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht mit den Emitterzonen
3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über
den Isolierfilm 8, wie in Fig. 11(a) gezeigt. An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ist eine
n+ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 12
ist auf der Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Einige experimentelle T-IGBTs wurden mit unterschiedlichen Bodenweiten der Trenche 7 von 2,5
bis 45 µm bei mit 5 µm gleichbleibender Breite der Wannenzonen 2 hergestellt.
Fig. 17 ist eine graphische Darstellung, die in Kurvenform den Zusammenhang zwischen der
Sättigungsspannung und der Bodenbreite der Trenche zeigt. In Fig. 17 ist auf der Ordinate die
Sättigungsspannung bei einer Stromdichte von 40 A.cm-2 und einer Temperatur von 125°C
aufgetragen, während auf der Abszisse das Verhältnis Wt/Wp der Bodenweite Wt der Trenche 7
zur Breite Wp der Wannenzonen 2 aufgetragen ist. Bei einem Verhältnis Wt/Wp gleich oder größer
als 1, d. h. wenn die Bodenbreite der Trenche 7 5,0 µm oder mehr beträgt, wird die Sättigungs
spannung wirkungsvoll verringert. Das Verhältnis Wt/Wp bei herkömmlichen T-IGBTs liegt bei
etwa 0,25.
Fig. 18 zeigt eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherkonzentrationsverteilungen in einigen
beispielhaften T-IGBTs einschließlich des C1-Typs mit dem Verhältnis Wt/Wp als Parameter. Auf
der Ordinate ist in logarithmischem Maßstab die Löcherkonzentration und auf der Abszisse die
Tiefe von der Oberfläche aufgetragen. Die Löcherkonzentrationsverteilungen wurden durch
Simulation bei der Nennstromdichte von 40 A.cm2 und der Temperatur von 125°C erhalten. Fig.
18 zeigt, daß die Löcherkonzentration im Halbleiter mit zunehmendem Verhältnis Wt/Wp höher
wird. Damit wird die Sättigungsspannung mit zunehmender Löcherkonzentration geringer.
Obwohl Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit n-Kanal IGBTs beschrieben
wurden, ist die vorliegende Erfindung ebenso auf p-Kanal IGBTs anwendbar, wobei nur die
Leitfähigkeitstypen gegen den jeweils entgegengesetzten Typ vertauscht werden müssen.
Wie voranstehend beschrieben, wird der Widerspruch zwischen einer geringen Sättigungsspan
nung und einem niedrigen Abschaltverlust bei Trench-IGBTs, bei denen eine Gateelektrode in
einem Graben oder Trench unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms vergraben ist, mit den
folgenden Maßnahmen verringert.
- 1. Die Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps weist ausgedehnte oder verlängerte Abschnitte
auf, die sich zwischen selektiv ausgebildeten Wannenzonen des zweiten Leitfähigkeitstyps
erstrecken.
- 2. die Wannenzonen des zweiten Leitfähigkeitstyps sind selektiv in jeweiligen Oberflächenab
schnitten der Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, und dotierte Zonen des
ersten Leitfähigkeitstyps, die stärker dotiert sind als die Driftschicht, sind in den anderen
Oberflächenteilen der Driftschicht dort, wo sich keine Wannenzonen befinden, ausgebildet.
(3) Hilfsgateelektroden sind über den erstreckten oder ausgedehnten Abschnitten der Driftschicht
des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den Wannenzonen 2 oder über den dotierten Zonen des
ersten Leitfähigkeitstyps unter Zwischenlage eines Hilfsgateisolierfilms angeordnet.
- 3. Die Trenche enthalten jeweilige Abschnitte, die weder von einer Wannenzone des zweiten
Leitfähigkeitstyps noch von einer Emitterzone des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben sind.
- 4. Das Verhältnis Wt/Wp der Breite Wt des Trenches und der Breite Wp der Wannenzone ist auf
einen Wert zwischen 1 und 20 gesetzt.
Diese charakteristischen strukturellen Maßnahmen gemäß der Erfindung tragen zur Erhöhung der
Konzentration akkumulierter Ladungsträger bei und verringern damit die Sättigungsspannung. Die
genannten Maßnahmen können jede für sich oder in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung trägt nicht nur zur Verringerung des Schaltverlustes bei IGBTs, sondern
auch zur Verringerung des Leistungsverlusts bei elektrischen Stromrichtern bei.