DE102004017723A1 - In Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Im Stand der Technik ist es problematisch, ein in Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteil zu schaffen, das keine nachteiligen Effekte einer Trennisolierregion auf den rückwärts fließenden Erholungs-Spitzenstrom hat, das die Erhöhung des Rückwärts-Leckstroms unterdrückt, die im wesentlichen bei konventionellen in Rückwärtsrichtung blockierenden IGBTs auftritt, und das eine ausreichend niedrige Spannung im Einschaltzustand hat. Zu diesem Zweck umfaßt das Bauteil erfindungsgemäß eine MOS-Steuerelektrodenstruktur, die auf einer n·-·-leitenden Driftschicht 3 gebildet ist und eine p·+·-leitende Basisschicht 4, die im Vorderflächenbereich der Driftschicht gebildet ist, eine n·+·-leitende Emitterregion 5, die in einem Oberflächenbereich der Basisschicht gebildet ist, einen Steuerelektroden-Isolierfilm 6, der einen Oberflächenbereich der Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt, und eine Steuerelektrode 7, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildet ist, umfaßt; weiterhin eine Emitterelektrode 8 in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisschicht; eine p·+·-leitende Trennisolierregion 11, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht umgibt und sich über die gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; und eine p·+·-leitende Kollektorschicht 9, die an der Rückseite der Driftschicht gebildet ist und eine Verbindung zur Rückseite der Trennisolierregion hat. Der Abstand W zwischen der äußersten Position eines Teils ...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Leistungshalbleiterbauteile zur Verwendung in Leistungs-Umsetzern, und zwar speziell auf IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode, insulated gate bipolar transistors), die mit einer Scheibe ("wafer") mit einer Schwebezone (FZ, floating zone) hergestellt sind und Sperrmöglichkeiten in beiden Richtungen haben, sogenannte bidirektionale IGBTs oder in Rückwärtsrichtung sperrende IGBTs.
  • Übliche IGBTs mit einer Struktur mit planarem pn-Übergang werden mit einer Gleichstromquelle bei ihrer Hauptanwendung auf dem Gebiet der Inverter schaltungen oder Zerhackerschaltungen verwendet. Da in diesem Anwendungsgebiet keine Probleme auftreten, solange in Vorwärtsrichtung eine gegebene Durchbruchspannung nicht unterschritten wird, ist die Fähigkeit des Standhaltens gegen eine Spannung in Rückwärtsrichtung nicht als wesentlicher Faktor bei der Konzipierung und Herstellung solcher IGBTs angesehen worden.
  • In den letzten Jahren sind jedoch Matrix-Umsetzer als direkt verknüpfte Umsetzerschaltungen in Halbleiter-Umsetzersystemen in Gebrauch gekommen, und zwar zur Durchführung einer Umsetzung Wechselstrom/Wechselstrom, einer Umsetzung Wechselstrom/Gleichstrom oder einer Umsetzung Gleichstrom/Wechselstrom. Die Untersuchungen zur Verwendung bidirektionaler Schaltelemente in den Matrix-Umsetzern werden durchgeführt zum Zweck der Miniaturisierung, der Gewichtsreduktion, des hohen Wirkungsgrads, der schnellen Reaktion und der niedrigen Kosten der Schaltung. Zum Bau der bidirektionalen Schaltelemente, die aus antiparallel geschalteten in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs bestehen, werden also IGBTs mit der Fähigkeit der Sperrung in Rückwärtsrichtung benötigt.
  • IGBTs mit einer Sperrfähigkeit in Rückwärtsrichtung müssen sowohl im Zustand der Vorbelastung in Rückwärtsrichtung, bei positiver Emitterelektrode und negativer Kollektorelektrode, als auch beim in Vorwärtsrichtung vorbelasteten Zustand einer hohen Spannung widerstehen. Entsprechend umfaßt ein in Rückwärtsrichtung sperrender IGBT für diesen Zweck eine Struktur, bei der die p+-leitende Trennisolierregion gebildet ist, die den Randteil umgibt und sich von der Vorderseite bis zur Rückseite des Bauteils erstreckt. Ein IGBT mit dieser Struktur erreicht jedoch keine Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung, die äquivalent der Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung ist, wenn die kombinierte Struktur von Feldbegrenzungsschichten und Feldbegrenzungselektroden, die oben beschrieben wurde, angewandt wird.
  • Die Messung der Durchbruchspannung wurde an einem Probestück eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT mit einer Nennspannung von 1200 V durchgeführt, wobei die Spannung in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung angelegt wurde, und führte zu dem Ergebnis, daß in Vorwärtsrichtung eine zufriedenstellende Durchbruchspannung von 1480 V gemessen wurde, jedoch die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung nur 1220 V betrug, was einen unannehmbar kleinen Spielraum ergibt. Das ungünstige Sperrverhalten in Rückwärtsrichtung ergibt sich daraus, daß eine Verarmungsschicht bei einer in Rückwärtsrichtung anliegenden Spannung von etwa 1200 V bis zur Haupt-Übergangsschicht durchreicht und Löcher in die Verarmungsschicht eintreten, die über einen Pfad unterhalb der Durchbruchfestigkeitsstruktur entsprechend der angelegten Spannung einen Leckstrom erzeugen.
  • Als solches erfolgt im Zustand des Spannungsanlegens in Rückwärtsrichtung das Durchreichen der Verarmungsschicht im Bereich der Durchbruchfestigkeitsstruktur bei einer niedrigeren Spannung als der Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung. Dies bewirkt die niedrigere Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtung im Vergleich zur Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung. Für das Durchreichen der Verarmungsschicht im in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand gibt es zwei Gründe. Erstens entwickeln sich bei der Rückwärtsspannung zwei Typen von Verarmungsschichten, nämlich eine Verarmungsschicht, die sich vertikal vom pn-Übergang an der rückwärtigen Kollektorschicht zur Vorderseite entwickelt, und eine Verarmungsschicht, die sich seitwärts von der peripheren Trennisolierregion zum Haupt-pn-Übergang entwickelt. Bei einem Ansteigen der angelegten Rückwärtsspannung schnüren sich die Verarmungsschichten ein und die für die Verarmung der Driftregion notwendige Zahl von Elektronen nimmt mit einem Ansteigen der Spannung ab. Diese Situation neigt dazu, die Verarmungsschicht zu erweitern, mit dem Ergebnis, daß das oben beschriebene Durchreichen bei einer niedrigeren Spannung stattfindet als der Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung. (27 zeigt diese Situation.)
  • Die zweite Ursache ist, daß einige Verarmungsschichten im Zustand einer Nullspannung zusammenlaufen. Dieses Zusammenlaufen erfolgt im Bereich vom Haupt-pn-Übergang zu den bereits im Zustand der Null Vorspannung befindlichen Feldbegrenzungsschichten. Wenn sich die Verarmungsschichten von der Rückseite und von der Trennisolierschicht im in Rückwärtsrichtung vorgespannten Zustand ausdehnen, so reichen sie dann zur Haupt-Übergangsschicht durch, wenn die Verarmungsschicht von der Rückseite und der Trennisolierschicht an der Feld begrenzungsschicht ankommt, bis zu der sich die Verarmungsschicht bereits bei einer Nullvorspannung ausgedehnt hat.
  • Folglich muß also das Durchreichen der Verarmungsschicht zur Haupt-Übergangsschicht um den Emitter im Zustand der Rückwärtsspannung verhindert werden und man braucht eine Struktur, durch die eine stabile Langzeitzuverlässigkeit erreicht wird.
  • Die Erfindung entspringt der Absicht, Mittel zu finden, durch die das Durchreichen der Verarmungsschicht zur Haupt-Übergangsschicht um die Emitterseite selbst im Zustand der in Rückwärtsrichtung liegenden Spannung verhindert wird. Durch die Erfindung soll dieses Problem überwunden und eine Durchbruchfestigkeitsstruktur eines IGBTs mit stabiler Langzeitzuverlässigkeit geschaffen werden.
  • Die Erfindung entstand im Hinblick auf diese Probleme und es ist ein Ziel der Erfindung, ein in Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteil zu schaffen, das keinen nachteiligen Effekt einer Trennregion bei einem Erholungs-Spitzenstrom in Rückwärtsrichtung zeigt, das eine Durchbruchfestigkeitsstruktur mit zufriedenstellender weicher Erholung zeigt, das eine Erhöhung des rückwärts gerichteten Leckstroms, die im wesentlichen einen konventionellen IGBT begleiten, unterdrückt und das eine ausreichend niedrige Spannung im Einschaltzustand aufrechterhält.
  • Zur Lösung dieser Probleme weisen das in Rückwärtsrichtung sperrende Halbleiterbauteil und sein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die im folgenden beschriebenen Merkmale auf:
    Ein in Rückwärtsrichtung sperrendendes Halbleiterbauteil umfaßt gemäß einer ersten Ausführungsform eine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die örtlich selektiv in der Vorderseite der Driftschicht ausgebildet ist, einer Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die örtlich selektiv in einem Oberflächenbereich der Basisschicht ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm, der einen Oberflächenbereich der Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt, und einer Steuerelektrode, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildet ist; weiterhin eine Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisschicht; eine Trernnisolierregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht umgibt und sich über die gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die an der Rückseite der Driftschicht ausgebildet ist und Verbindung zur Rückseite der Trennisolierregion hat, und eine Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht, wobei ein Abstand W größer ist als eine Dicke d, wobei der Abstand W der Abstand zwischen einer äußersten Position eines Teils der Emitterelektrode, wobei dieser Teil in Kontakt mit der Basisschicht steht, und einer innersten Position der Trennisolierregion ist und die Dicke d eine Dimension in Tiefenrichtung der Driftschicht ist.
  • Vorzugsweise ist die Kollektorschicht an der Rückseite der Driftschicht gebildet, deren Dicke reduziert worden ist, und sind Gitterfehler zumindest in der Basisschicht eingebaut. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind Gitterfehler homogen an der gesamten Vorderseite des Halbleiterbauteils zwecks Reduzierung der Lebenszeit von Minoritätsträgern im Halbleiterbauteil.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils umfaßt die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgenden Prozeßschritte: Selektives Bilden einer Basisschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms auf der Oberfläche der Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregion und dem emitterregionfreien Vorderseitenflächenteil des Substrats befindet, und Bilden einer Steuerelektrode auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bilden einer Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripheren Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teils des außerhalb der MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobei ein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion wird; Entfernen eines rückseitigen Oberflächenbereichs des Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion, so daß sie sich über die gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseite der Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht, wobei die Schritte der Herstellung des Halbleiterbauteils so durchgeführt werden, daß der Abstand W, der der Abstand von einer äußersten Position eines Teils der Emitterelektrode, der in Kontakt mit der Basisschicht steht, bis zu einer innersten Position der Trennisolierregion ist, größer ist als die Dicke d, die eine Dimension in Richtung der Tiefe der Driftschicht ist; und wobei der Schritt der selektiven Bildung der peripheren Region so, daß sie zur Trennisolierregion wird, durchgeführt wird durch Diffundieren von Verunreinigungen unter Verwendung einer Diffusionsmaske eines Oxidfilms, der auf der Vorderseitenfläche des Substrats gebildet wird eine Dicke Xox hat, die eine Ungleichung gemäß der folgenden Formel erfüllt:
    Figure 00060001
    wobei
    Dox = Diffusionskoeffizient der Verunreinigung im Oxidfilm,
    DS = Diffusionskoeffizient der Verunreinigung im Material des Substrats,
    XS = Diffusionstiefe der Verunreinigung im Material des Substrats.
  • Wenn Löcher von einem Kollektor injiziert werden, neigen sie generell dazu, entlang dem kürzesten Weg zu fließen. Wenn der Abstand von der Trennisolierregion zu einer Oberflächenkontaktregion der Emitterelektrode, der in der Durchbruchfestigkeitsstruktur der Abstand von der Trennisolierregion zum sogenannten aktiven Bereich ist, größer ist als die Dicke der n-leitenden Driftschicht, so neigen die Löcher dazu, von dem unmittelbar unter der aktiven Region positionierten Kollektor injiziert zu werden und zur Emitterelektrode zu fließen, anstatt von der Trennisolierregion injiziert zu werden. Als Ergebnis nimmt die Löcherinjektion von der Trennisolierregion zur aktiven Region relativ ab. Wenn außerdem der Abstand zwischen der Trennisolierregion und der aktiven Region nicht größer ist als die ambipolare Diffusionslänge der Minoritätsträger, die die Löcher sind, so nimmt die Konzentration der von der Trennisolierregion injizierten Löcher ausreichend schnell ab. Insofern kann die Löcherinjektion von der Trennisolierregion in diesem Fall vernachlässigt werden.
  • Da die Einführung von Gitterfehlern. die Lebenszeit erniedrigt, reduziert diese Einführung von Gitterfehlern zumindest in der Basisschicht, die p+-leitend ist, die Effizienz der Emitterinjektion. Werden jedoch die Gitterfehler nur örtlich im Oberflächenbereich eingeführt, so verschlechtert sich die Verlustkompromißbeziehung. Die Gitterfehler werden also vorzugsweise homogen in der Tiefenrichtung und in der Flächenrichtung in das gesamte Bauteil. eingeführt. Für diese Einführung der Gitterfehler wird vorzugsweise eine Elektronenstrahlbestrahlung angewandt. Da aber der Kollektor von Natur aus niedrig injizierend gemacht wird, wird, wenn die Elektronenbestrahlungsdosis zu hoch oder die Beschleunigungsspannung zu hoch ist, die Schädigung des Bauteils erheblich und wird die Lebenszeit der Minoritätsträger zu kurz, mit dem Ergebnis einer erhöhten Spannung im Einschaltzustand.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils umfaßt den Schritt, die Gitterfehler gleichmäßig an der gesamten Vorderseite des Halbleiterbauteils einzuführen, und zwar zum Zweck einer Reduzierung der Lebenszeit der Minoritätsträger im Halbleiterbauteil, und den Schritt, das Einführen der Gitterfehler durch eine Elektronenstrahlbestrahlung mit einer Energie von weniger als 5 MeV und einer Dosis von weniger als 100 kGy durchzuführen. Mit dieser Bemessung kann man Bauteile schaffen, bei denen der Anstieg der Spannung im Einschaltzustand auf einem Minimum gehalten wird und der Leckstrom in Rückwärtsrichtung weitgehend unterdrückt wird.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils gemäß der Erfindung umfaßt vorzugsweise weiterhin den Schritt, die Gitterfehler zumindest in der Basisschicht durch eine Elektronenstrahlbestrahlung mit einer Dosis im Bereich von 20 kGy bis 60 kGy einzuführen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfaßt das in Rückwärtsrichtung sperrendende Halbleiterbauteil wiederum eine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht ausgebildet ist, einer Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der Basisschicht ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm, der einen Oberflächenbereich der Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt, und einer Steuerelektrode, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildet ist; weiterhin eine Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisschicht; eine Trennisolierregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht umgibt und sich über die gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die an der Rückseite der Driftschicht ausgebildet ist und Verbindung zur Rückseite der Trennisolierregion hat; eine Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht; eine Mehrzahl von Feldbegrenzungsschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich der Driftschicht zwischen der Emitterelektrode und der Trennisolierregion, wobei jede der Feldbegrenzungsschichten eine Ringform aufweist; und eine Mehrzahl von Feldbegrenzungselektroden, von denen jede in Kontakt mit einer der Feldbegrenzungsschichten steht, mit einer Ringform und auf schwebendem elektrischen Potential; und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Emitterelektrode existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Emitterelektrode einen Teil einer Erstreckung nach außen hat, der größer ist als ihr Teil der Erstreckung nach innen, und daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Trennisolierregion existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Trennisolationsregion einen Teil einer Erstreckung nach innen hat, wobei dieser nach innen erstreckte Teil größer ist als der nach außen erstreckte Teil.
  • Vorzugsweise umfaßt das Halbleiterbauteil weiterhin jeweils wenigstens eine Schicht hoher Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps in wenigstens einem Teil der Vorderseitenregion der Driftschicht auf der Seite der Emitterelektrode und/oder der Vorderseitenregion der Driftschicht auf der Seite der Trennisolier region umfaßt, wobei die Schicht hoher Konzentration eine höhere Verunreinigungskonzentration enthält als die Driftschicht; und liegt die Oberflächen Verunreinigungskonzentration in der Schicht hoher Konzentration unter 1017 cm-3, und ist der Abstand Wg zwischen den benachbarten Feldbegrenzungsschichten höher als das Zweifache eines Maßes Wbi, wobei Wbi die Dicke einer eingebauten Verarmungsschicht ist, die sich von der Feldbegrenzungsschicht zur Driftschicht im Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode auf gleichem elektrischen Potential liegen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn WGi > 1.6 Xj + 2 Wbi, wobei WGi die Breite eines Isolatorfilms zwischen der (i – 1)ten Feldbegrenzungsschicht und der i-ten Feldbegrenzungsschicht ist, Xj die Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht ist und Wbi die Dicke einer eingebauten Verarmungsschicht ist, die sich von der Feldbegrenzungsschicht zur Driftschicht in einem Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode auf gleichem elektrischen Potentials liegen. Weiterhin wird bevorzugt, daß die Dicke Wdrift der Driftschicht die Ungleichung in der folgenden Formel (2) erfüllt:
    Figure 00090001
    wobei
    Figure 00090002
    i = die Ordnungsnummer der Feldbegrenzungsschicht,
    WG i = die Breite eines Isolatorfilms aus Oxid zwischen der (i-1)ten und der i-ten Feldbegrenzungsschicht,
    n = Gesamtzahl der Feldbegrenzungsschichten,
    Xj = die Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht, und
    Wbi = die Breite einer eingebauten Verarmungsschicht, die sich von der Feldbegrenzungsschicht zur Driftschicht in einem Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode sich auf gleichem elektrischen Potential befinden.
  • Weiterhin bevorzugte Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Summe ΣLNi und eine Summe ΣLOPi die Ungleichung ΣLOPi/ΣLNi < 0, 7 erfüllen, wobei LOPi der Abstand zwischen der (i-1)ten Feldbegrenzungselektrode und der i-ten Feldbegrenzungsschicht ist, und daß im Zwischenbereich eine Feldpufferregion des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Driftschicht zwischen einerseits den Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Emitterelektrode und andererseits den Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Trennisolierregion angeordnet ist.
  • Durch diese Ausführungen wird der Effekt erzielt, daß erfindungsgemäß das in Rückwärtsrichtung sperrende Halbleiterbauteil keinen nachteiligen Effekt der Isolationstrennregion auf den Erholungsspitzenstrom in Rückwärtsrichtung hat, eine Durchbruchfestigkeitsstruktur aufweist, die eine ausreichende weiche Erholung zeigt, und eine Erhöhung des Erholungsleckstroms vermeidet, wie sie normalerweise bei konventionellen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs auftritt; wobei trotzdem die Spannung im Einschaltzustand innerhalb eines zufriedenstellend niedrigen Werts beherrschbar ist. Folglich kann ein Matrix-Umsetzer mit leichter Operation und niedrigem Verlust hergestellt werden, der ein erfindungsgemäßes in Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteil verwendet.
  • 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:
  • 1 eine schematische Schnittansicht des wesentlichen Teils eines erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 die Charakteristik eines in Rückwärtsrichtung sperrenden erfindungsgemäßen IGBT, die den Freiwerdestrom in Rückwärtsrichtung beim Diodenbetrieb in Abhängigkeit vom Abstand W zwischen einer Trennisolierregion und einem aktiven Bereich zeigt;
  • 3 die Abhängigkeit des Leckstroms RIES in Rückwärtsrichtung von der Strahlungsdosis eines Elektronenstrahls;
  • 4 die Verteilung von Äquipotentiallinien bei Anlegen einer Vorspannung von 800 V in Rückwärtsrichtung an einen erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT mit Nennspannung 600V;
  • 5 eine graphische Darstellung einer komplementären Fehlerfunktion;
  • 6 eine Charakteristik als graphische Darstellung des Erholungsvorgangs in Rückwärtsrichtung bei einem in Rückwärtsrichtung sperrenden erfindungsgemäßen IGBT;
  • 7 die Abhängigkeit des Leckstroms RICES in Rückwärtsrichtung von der Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls;
  • 8 die Abhängigkeit der Spannung im Einschaltzustand von der Bestrahlungsdosis des Elektronenstrahls;
  • 9 eine perspektivische Darstellung einer Durchbruchfestigkeitsstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 10 eine Schnittansicht der Durchbruchfestigkeitsstruktur des dritten Ausführungsbeispiels, wobei 10(a) eine Schnittansicht der gesamten Durchbruchfestigkeitsstruktur ist und die 10(b) bis 10(d) Teilschnittansichten von Abwandlungen eines Bereichs Y in 10(a) sind;
  • 11(a) und (b) Schnittansichten der Durchbruchfestigkeitsstruktur sind, die die Entwicklung einer Verarmungsschicht im Zustand einer in Vorwärtsrichtung angelegten Spannung (11(a)) bzw. einer in Rückwärtsrichtung angelegten Spannung (11(b)) veranschaulichen;
  • 12(a) und (b) Teilschnittansichten zur Darstellung der Expansion einer Verarmungsschicht zwischen den Feldbegrenzungsschichten zeigen, wobei 12(a) den Fall zeigt, daß die Breite WG eines Oxidfilms groß ist, und 12(b) den Fall zeigt, daß die Breite WG gering ist;
  • 13 eine charakteristische graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung und der Summe von Abständen LNi, die die Breiten neutraler Bereiche zwischen den Feldbegrenzungsschichten im Zustand der anliegenden Spannung null gemäß 11 sind, veranschaulicht;
  • 14 eine Teilschnittansicht, die einen Breitenbereich LOP einer Öffnung zwischen einer Feldbegrenzungselektrode 27a und einer daran angrenzenden Feldbegrenzungsschicht 25 zeigt;
  • 15(a) bis (d) schematische Teilschnittansichten eines Vergleichsbeispiels unter Darstellung des Durchreichens einer Verarmungsschicht zu einem Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseite, wobei 15(a) die Nettodotierung, 15(b) die Elektronenkonzentration, 15(c) Äquipotentiallinien und 15(d) die Löcherstromdichte zeigen;
  • 16(a) bis (d) schematische Teilschnittansichten des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs mit einer Öffnungsbreite LOP von 7 μm, wobei diese 16(a), (b), (c) und (d) die Nettodotierung, die Elektronenkonzentration, die Äquipotentiallinien bzw die Löcherstromdichte zeigen;
  • 17(a) und (b) Schnittansichten eines Ausführungsbeispiels sind, bei dem n-leitende Schichten hoher Konzentration sowohl auf der Emitterelektrodenseite als auch auf der Trennisolationsregionsseite im Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich gebildet sind, wobei 17(a) einen Querschnitt durch den Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich und 17(b) einen teilweise vergrößerten Schnitt durch die Emitterelektrodenseite zeigen;
  • 18 eine schematische Schnittansicht des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs eines Ausführungsbeispiels, bei dem eine n-leitende Schicht hoher Konzentration auf der Trennisolierregionsseite des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs gebildet ist;
  • 19 eine mehr ins einzelne gehende Schnittansicht des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs vor der Bildung der n-leitenden Schichten hoher Konzentration;
  • 20 schematisch Teilquerschnitte durch den Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich einer Ausführungsform, bei der eine n-leitende Schicht hoher Konzentration auf der Trennisolierregionseite des Durchbruchfestigkeits strukturbereichs gebildet ist, wobei die 20(a) bis (d) die Nettodotierung, die Elektronenkonzentration, die Äquipotentiallinien bzw die Löcherstromdichte veranschaulichen;
  • 21 die Abhängigkeit der Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung von der Phosphordosierung in der Schicht hoher Konzentration der Struktur von 18;
  • 22 eine Teilschnittansicht einer Durchbruchfestigkeitsstruktur unter Darstellung einer n-leitenden Schicht hoher Konzentration, die auf der Emitterelektrodenseite gebildet ist und etwa die Hälfte des Druchbruchfestigkeitsstrukturbereichs ausmacht;
  • 23 eine graphische Darstellung der charakteristischen Veränderung der Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung bei einem Langzeit-THB-Test; 24(a) und (b) Schnittansichten des wesentlichen Teils eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs nach dem Stand der Technik;
  • 25(a), (b) und (c) eine Matrix-Umsetzerschaltung;
  • 26 und 27 Schnittansichten peripherer Durchbruchfestigkeitsstrukturen von IGBTs nach dem Stand der Technik.
  • Zunächst werden anhand der 24 bis 27 die Probleme des Stands der Technik erläutert.
  • Die 25(a), (b) und (c) zeigen eine Matrix-Umsetzerschaltung. 25(a) zeigt die Schaltung einschließlich der Schaltelemente für drei Phasen. 25(b) zeigt eines der Schaltelemente, wobei übliche IGBTs 1a, 1b verwendet werden, während 25(c) ein Schaltelement zeigt, das bidirektionale IGBTs 1c, 1d mit bidirektionaler Sperrfähigkeit enthält. Bei der Verwendung der konventionellen IGBTs 1a, 1b in der Umsetzerschaltung von 25(b) benötigt man in Serie hinzugeschaltete Dioden 2a, 2b, die in der Durchlaßrichtung mit den IGBTs verbunden sind, um eine Rückwärtssperrspannung sicherzustellen, da die IGBTs nicht dazu konzipiert und produziert waren, eine effektive Rückwärtssperrfähigkeit zu zeigen.
  • Die seriengeschaltenen Dioden erzeugen aber hohe Verluste, was in einem niedrigen Umsetzungswirkungsgrad des Umsetzers resultiert. Eine große Zahl von Bauelementen bewirkt, daß eine kleine Baugröße, ein geringes Gewicht und niedrige Kosten des Umsetzers nur schwer erzielt werden können. Mit Hilfe der in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs 1c und 1d nach 25(c) können die seriengeschalteten Dioden weggelassen werden.
  • Die 24(a) und 24(b) zeigen im Schnitt den wesentlichen Teil eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs. 24(a) zeigt im Schnitt die Situation, wenn eine Spannung in Rückwärtsrichtung anliegt, und 24(b) zeigt die Situation, wenn eine Spannung in Vorwärtsrichtung anliegt. Gemäß beiden Figuren ist durch Diffusion von der Vorderseite und der Rückseite einer n-leitenden FZ-Scheibe, die als n-leitende Driftschicht 3 dient, eine tiefe p+-leitende Trennisolierregion 11 gebildet. Es sind dann weiterhin MOS-Steuerelektrodenstrukturen gebildet, mit einer Mehrzahl von p+-leitenden Basisschichten 4, die örtlich selektiv im Vorderseitenbereich der Driftschicht 3 gebildet sind, n+-leitenden Emitterregionen 5, die selektiv im Oberflächenbereich jeder der p+-leitenden Basisschichten 4 gebildet sind, Steuerelektroden-Oxidfilmen 6, Steuerelektroden 7 und einer Emitterelektrode 8. Nach der Bildung der MOS-Steuerelektrodenstruktur wird die Dicke der n--leitenden Driftschicht 3 mit etwa 100μm reduziert, und zwar im Fall einer Sperrspannung von 600 V in Rückwärtsrichtung, durch Entfernen des hinteren Teils der Driftschicht. Nach der Dickenreduktion wird durch Ionenimplantation von der Rückseite und nachfolgende Wärmebehandlung eine p+-leitende Kollektorschicht 9 gebildet. Das so hergestellte IGBT Bauteil wird umgeben von der stark dotierten p+-leitenden Trennisolierregion 11 um die Seitenfläche des Bauteils an der Auftrennposition 10. Folglich erstreckt sich bei Anlegen einer Rückwärtsspannung eine Verarmungsschicht 12 nur in Richtung zur Nachbarschaft des pn-Übergangs an der p+-leitenden Kollektorschicht 9 und an der p+-leitenden Trennisolierregion 11 und erscheint nicht an der Seitenfläche des Bauteils an der Auftrennposition 10. Es entwickelt sich also ein elektrisches Feld nur an der Vorderseite des Bauteils. Hierdurch kann eine ausreichende Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung erreicht werden.
  • Ein solcher Stand der Technik ist in den folgenden vier Literaturstellen zu fiden: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer H07-307469, ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2001-185727, ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-076017 und ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-353454.
  • Wird ein üblicher IGBT, dem aber diese p+-leitende Trennisolierregion 11 fehlt, in Rückwärtsrichtung mit dem Emitter auf Erdpotential und dem Kollektor auf negativem Potential vorgespannt, so tritt an einem Substrat-Endebereich der p+-Kollektorschicht eine elektrische Feldkonzentration auf, was in einem erhöhten Leckstrom und einer unzureichenden Rückwärts-Sperrspannung, bei der dann der Durchbruch erfolgt, resultiert.
  • Die in 25(c) gezeigte Antiparallelschaltung der Bauelemente nach den 24(a) und 24(b) erlaubt es, den Strom in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung zu steuern, wobei die Bauteile der Anlage Spannungen in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung widerstehen können. Das Bauteil von 24(a) und (b) kann als ein bidirektionales Bauteil betrieben werden. Die Anwendung solcher bidirektionaler Bauteile auf einen Wechselstrom/Wechselstrom-Umsetzer erlaubt die direkte Wandlung von Wechselstrom in Wechselstrom. Die Größe der Umsetzerschaltung ist im Vergleich zu einem Umsetzer, der aus einem Konverter, einem Kondensator und einem Inverter besteht, deutlich reduziert. Folglich sind auch die Kosten erheblich reduziert. Das bidirektionale Bauteil arbeitet als IGBT und als Freilaufdiode (FWD).
  • Zur Erholungszeit oder Freiwerdezeit in der Rückwärtsphase beim Freilaufdioden-Betrieb (FWD) werden angehäufte Überschußladungsträger durch eine Verarmungsschicht abgeleitet, die sich von der Kollektorseite her erstreckt. Ist die Menge der Träger auf der Kollektorseite groß, so wird der Erholungs-Spitzenstrom in der Rückwärtsrichtung hoch, was ein hartes Erholungsverhalten darstellt. Für die Verwendung eines in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT als Freilaufdiode ist eine Verbesserung des Erholungsverhaltens in Rückwärtsrichtung wichtig. Es ist ein Verfahren zum Verbessern dieses Erholungsverhaltens in Rückwärtsrichtung bekannt, bei dem eine Kollektorschicht an der Rückseite durch Niedertemperatur aktivierung und mit einer niedrigen Konzentration gebildet wird (ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-353454).
  • 26 zeigt in einer Schnittansicht eine periphere Durchbruchfestigkeitsstruktur eines IGBT entsprechend der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2000-208768. Der IGBT von 26 weist eine n--leitende Driftschicht 23 auf, in deren Vorderseitenbereich eine p+-leitende Basisschicht 24 einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, ringförmig umlaufende p-leitende Feldbegrenzungsschichten 25 und eine n-leitende Kanalstopperschicht 22 gebildet sind, die Teile der peripheren Durchbruchfestigkeitsstruktur sind. Jede Feldbegrenzungsschicht 25 steht in Kontakt mit einer entsprechenden Feldbegrenzungselektrode 27, die sich über Oxidfilme 26 zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 erstreckt. Die Kanalstopperschicht 22 ist in Kontakt mit einer Kanalstopperelektrode 21, die sich in der Richtung zu einer Emitterelektrode 28 erstreckt. In einem anderen Oberflächenbereich der n--leitenden Driftschicht 23 ist eine p+-leitende Kollektorschicht 29 gebildet.
  • Die periphere Durchbruchfestigkeitsstruktur üblicher IGBTs und von Freilaufdioden ist so konstruiert, daß die Durchbruchspannung bei einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung höher ist, bei der die Kollektorelektrode sich auf positivem Potential und die Emitterelektrode sich auf negativem Potential befinden. Spezifische Durchbruchfestigkeitsstrukturen, wie sie in der Technik bekannt sind, umfassen Feldbegrenzungsschichten, Feldbegrenzungselektroden, eine Kombination aus Feldbegrenzungsschichten und Feldbegrenzungselektroden, SIPOS und RESURF. Eine Struktur mit der Kombination von Feldbegrenzungsschichten und Feldbegrenzungselektroden ist in der erwähnten japanischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-353454 beschrieben. Diese Struktur ist günstig zum Erhalten einer stabilen Langzeitzuverlässigkeit. In einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit werden im allgemeinen, wenn negativen Ionen in den Oberflächenbereich des Oxidfilms der Durchbruchfestigkeitsstruktur eintreten, positive Ladungen an der Halbleiteroberfläche unterhalb des Oxidfilms induziert, was eine nicht gleichförmige Verteilung des elektrischen Felds und damit eine erniedrigte Durchbruchspannung zur Folge hat. Dieser bekannte Aufbau erleichtert es, eine Struktur mit verhältnismäßig kleinen Abständen zwischen den Feldbegrenzungsschichten und relativ langen Feldbegrenzungselektroden im Bereich nahe der Haupt-Übergangsschicht, die die pn-Übergangsschicht zwischen der n--leitenden Driftschicht und der p-leitenden Schicht in Kontakt mit der Emitterdiode ist, zu verwenden. Der Aufbau verkleinert Öffnungen zwischen den Feldbegrenzungselektroden, an denen der Oxidfilm freiliegt, und verhindert ein Eindringen der negativen Ionen. Insofern kann der ungünstige Effekt der negativen Ionen vermieden werden.
  • Jedoch ist die Verteilung der Äquipotentiallinien in einer solchen Kombination der Feldbegrenzungsschichten 25 und der Feldbegrenzungselektroden 27 empfindlich hinsichtlich der Anordnung der Längen, Tiefen und Intervalle der Schichten und Elektroden. Für eine gleichförmige Verteilung des elektrischen Potentials und der elektrischen Feldstärke als Teilgröße für jede Feldbegrenzungsschicht 25 wird normalerweise die Maßnahme durchgeführt, daß die Abstände zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 auf der Seite der Emitterelektrode 28 relativ klein gemacht werden und sich zur Peripherie des Elements zu zunehmend vergrößern. Die Abstände zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 im Bereich zunächst der Emitterelektrode 28 sind speziell so dimensioniert, daß ein sich Verbinden von eingebauten Verarmungszonen bei der Vorspannung null Volt zwischen den benachbarten p-leitenden Schichten auftritt, was die Haupt-Übergangsschicht oder die Feldbegrenzungsschicht ist. Der Abstand zwischen der äußersten Feldbegrenzungsschicht 25 und der Kanalstopperschicht 22 wird für ein Bauteil für 1200 V auf 162 μm dimensioniert, was etwa gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger ist, so daß eine Verarmungsschicht die Kanalstopperschicht 22 nicht erreicht. Als Ergebnis wird die Länge der Durchbruchfestigkeitsstruktur des Bauteils für 1200 V auf 708 μm dimensioniert, um eine stabile Durchbruchfestigkeitsstruktur mit geringem Effekt von Oberflächenladungen zu erhalten.
  • Zum Erzielen von Sperrcharakteristiken in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch Verwendung eines Widerstandsfilms ist auch die Maßnahme bekannt, daß ein auf dem Oxidfilm in der Durchbruchfestigkeitsstruktur gebildeter Widerstands-Nitridfilm verwendet wird. Eine sehr kleine Menge von elektrischem Strom fließt in den Widerstands-Nitridfilm, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu erreichen, und erhöht die Durchbruchspannung. Diese Maßnahme kann sowohl für die Vorwärtsrichtung als auch für die Rückwärtsrichtung in einem in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT besonders günstig angewendet werden, wobei dann eine Feldbegrenzungsschicht und eine Feldplattenelektrode entfallen. Folglich kann die Durchbruchfestigkeitsstruktur, die eine Widerstandsschicht enthält, kürzer dimensioniert werden als die Feldbegrenzungsstruktur, die eine Feldbegrenzungsschicht und eine Feldplattenelektrode umfaßt. Ungünstigerweise hat jedoch ein Temperatur-Feuchtigkeits-Belastungstest (THB-Test), der eine Art von Langzeit-Zuverlässigkeitsprüfung ist, eine Verschlechterung der Sperrfähigkeit in Rückwärtsrichtung gezeigt. Beim THB-Test wird die Langzeitänderung der Rückwärtssperrfähigkeit geprüft, indem ein Rückwärtssperr-IGBT-Modul in einer Umgebung mit hoher Temperatur von 125 °C und hoher Feuchtigkeit von 85 % relativer Feuchtigkeit angeordnet wurde und eine Spannung in Rückwärtsrichtung von 80 % der Nennspannung angelegt wurde. Die Verschlechterung kann der Widerstandseigenschaft des Nitridfilms zugerechnet werden, bei dem die Korrosion in dieser Umgebung fortschreitet. Die Korrosion führt dazu, daß die Verteilung des elektrischen Potentials nicht gleichförmig ist, was eine Konzentration des elektrischen Felds bewirkt, welche das Sperrverhalten verschlechtert. Es ist deshalb dringend erforderlich, eine Durchbruchfestigkeitsstruktur für einen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT zu schaffen, der in zufriedenstellender Weise langfristig zuverlässig ist.
  • Es hat sich erwiesen, daß das Diodenbetriebsverhalten des in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-076017 beschriebenen IGBTs sich selbst dann nicht verbessert, wenn die rückseitige Kollektorschicht mit niedriger Injektion hergestellt wird, da von dem stark dotierten p+-Trennisolierbereich beim Diodenbetrieb auch Löcher injiziert werden. Es wird deshalb eine Struktur benötigt, die die Löcher-Injektion von der p+-Trennschicht unterdrückt.
  • Jedoch hängt der Leckstrom im Zustand der Spannung in der Rückwärtsrichtung, in dem der Emitter positiv ist und der Kollektor negativ ist, wie die 24(a) zeigt, von der Emitterinjektionseffizienz ab, was ein Parameter ist, mit dessen Hilfe ein Offenbasis Verstärkungsfaktor des pnp-Transistors bestimmt wird. Die Emitterinjektionseffizienz wird im wesentlich bestimmt durch eine p+-leitende Schicht (in den 24(a), 24(b) nicht gezeigt), die im Oberflächenbereich in der p+-leitenden Basisschicht zwischen den n+-leitenden Emitterregionen 5, 5 gebildet ist, wobei die p+-leitende Schicht in Kontakt mit der Emitterelektrode steht. Die p+-Schicht ist tiefer als die n+-leitende Emitterregion 5 und flacher, aber stärker dotiert als die p+-leitende Basisschicht 4. Da die p+-leitende Schicht extrem hoch dotiert ist, beispielsweise höher als 1 · 1019 cm-3 zum Verhindern von unerwünschtem Sperren (latch-up), ist die Emitterinjektionseffizienz höher als 0,9. Als Ergebnis wird der Leckstrom bei hohen Temperaturen höher als 10 mA/cm2, was etwa das Hundertfache von gewöhnlichen Anwendungen ist. Die Emitterinjektionseffizienz kann vermindert werden durch Bilden einer n+-leitenden Schicht, die stärker dotiert ist als die n--leitende Driftschicht 3, unter der p+-leitenden Basisschicht 4. Die n+-Schicht hat im Fall eines planaren Elements eine Tiefe, die die p+-Basisschicht 4 überdeckt, während die n+-Schicht im Fall eines Grabenelements zwischen der p+-Basisschicht 4 und der n+-Driftschicht 3 angeordnet ist. Die n+-Schicht bewirkt jedoch im Fall des planaren Typs eine deutliche Abnahme der elektrischen Feldstärke während des Sperrzustands, was den Sperrbetrieb verschlechtert. Es besteht deshalb Bedarf an einer Maßnahme, durch die der Leckstrom in Rückwärtsrichtung besser reduziert wird.
  • Da die Dicke eines Oxidfilms, der eine Diffusionsmaske zum Bilden des p+-Trennisolierbereichs darstellt, bei der konventionellen Technologie nicht ausreicht, treten schließlich bei der Hochtemperaturdiffusion um 1250 °C Boratome durch den Oxidfilm hindurch und bilden eine p+-leitende Schicht auch unter dem Oxidfilm. Diese Situation verhindert die Bildung einer normalen MOS-Struktur und die Folge kann die Bildung eines abnormen IGBT Chips sein, der nicht durchschaltet.
  • Im Gegensatz zu diesen bekannten Halbleiterbauteilen zeigt 1 im Schnitt den wesentlichen Teil eines rückwärts sperrenden IGBT eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das im Grundsätzlichen den Aufbau des Halbleiterbauteils von 24 hat und dessen Teile mit gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Speziell betrachtet werden ein IGBT für 600 V mit einer Scheibendicke (Waferdicke) von 100 μm und ein IGBT für 1200 V mit einer Scheibendicke von 180 μm. Die 1 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem Abstand W, der zwischen der Trennisolierregion 11 und dem aktiven Bereich liegt, und einer Dicke d, nämlich der Dicke der n--Driftschicht 3 in Tiefenrichtung. Genau gesprochen, ist W in der Ringstruktur des Bauteils der Abstand von der äußersten Position eines Teils der Emitterelektrode 8, wobei dieser Teil in Kontakt mit der p+-Basisschicht 4 ist, bis zu einer innersten Position der p+-leitenden Trennisolierregion 11. Die Abstände W und d sind in 1 eingezeichnet.
  • 2 zeigt als Charakteristik die Abhängigkeit des Erholungsstroms in Rückwärtsrichtung beim Diodenbetrieb vom Abstand W bei einem in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT für 600 V Durchbruchspannung bei Anwendung der Erfindung. In 2 gibt die Abszisse das Verhältnis W/d an, und gibt die Ordinate den Erholungs-Spitzenstrom in Rückwärtsrichtung an, normalisiert durch den Wert von W/d von vier und bei einem W von zweimal der ambipolaren Diffusionslänge La. Hier beträgt die angelegte Spannung Vcc bei der Erholung in Rückwärtsrichtung 100V.
  • Die Herstellung und Struktur des IGBT ist folgendermaßen:
    Es wird eine n-leitende FZ-Scheibe mit einer Dicke von 525 μm und einer Verunreinigungskonzentration von 1,5 · 1014 cm-3 bereitgestellt. Auf der Vorderseite der Scheibe wird ein anfänglicher 1,6 μm dicker Oxidfilm gebildet, und im Randbereich jedes Bauteils wird ein Bereich mit einer Breite von 100 μm selektiv geätzt. An der Vorderseite wird eine Quelle von Bor angewandt und mit Hilfe einer Wärmebehandlung wird das Bor dort abgelagert. Nach dem Entfernen des Bors auf dem Oxidfilm durch einen Borglas-Ätzprozeß wird bei 1200 °C die Diffusion des Bors bis zu einer Tiefe von 120 μm bei in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt, um die p+-leitende Trennisolierregion 11 zu bilden. Im Vorderseitenbereich wird eine MOS-Steuerelektrodenstruktur wie bei einem konventionellen IGBT gebildet. Diese Steuerelektrodenstruktur umfaßt die p+-leitende Basisschicht 4, die n+-leitende Emitterregion 5, den Steuerelektroden-Oxidfilm 6, die Steuerelektrode 7 und die Emitterelektrode 8. Hierauf wird die Scheibe von der Rückseite her um 100 μm abgeschliffen zur Bildung der n--Driftschicht 3. Diese ist im Fall eines IGBT mit einer Durchbruchspannung von etwa 1200 V angenähert 180 μm dick. Sodann wird an der Rückseite eine Bor-Ionenimplantation mit einer Dosis von 1 · 1013 cm-2 durchgeführt und es folgt eine einstündige Wärmebehandlung bei 350 °C, wodurch die p+-leitende Kollektorschicht 9 mit einer Spitzenkonzentration von 1 · 1017 cm-3 und einer Dicke von etwa 1 μm gebildet wird. Schließlich wird eine Kollektorelektrode aufgebracht.
  • Auf diese Weise wird der in Rückwärtsrichtung sperrende IGBT hergestellt. Die Kollektorschicht kann nach der Bor-Ionenimplantation an der Rückseite durch Bestrahlung insgesamt durch einen Festkörperlaser YAG 2ω im Bereich von 500 mJ/cm2 bis 4J/cm2 aktiviert werden. Beim beschriebenen Beispiel beträgt der Abstand W dieser Ausführungsform 80 μm bis 400 μm.
  • Ist das Verhältnis W/d kleiner als 1, was der Fall ist, wenn der Abstand W vom aktiven Bereich zur Trennisolierregion kleiner ist als die Dicke d der n--leitenden Driftschicht, so steigt der Erholungs-Spitzenstrom in Rückwärtsrichtung rapid an. Mit abnehmenden Abstand W zur Trennisolierregion wird die Löcherinjektion aus der Trennisolierregion im Vergleich zu Injektion aus der Kollektorschicht überwiegend. Dies kommt daher, daß die Akzeptorkonzentration in der Trennisolierregion um mehr als zwei Größenordnungen höher ist als in der p+-leitenden Kollektorschicht und daß der Abstand zwischen der Trennisolierregion und der Emitterelektrode kleiner ist als die Dicke der Driftschicht, mit dem Ergebnis eines niedrigeren Widerstands für die Löcherinjektion aus der Trennisolierregion. Die Trägerkonzentration ist deshalb an der Rückseite in der Trägerverteilung im eingeschalteten Zustand des IGBT höher. Bei Betrachtung der Situation zeigt sich, daß der Erholungsspitzenstrom in Rückwärtsrichtung relativ hoch ist.
  • Im Fall einer erniedrigten Lebenszeit wird der Erholungsspitzenstrom in Rückwärtsrichtung im Vergleich zum Fall des Non-Killers, in dem die Lebenszeit nicht erniedrigt ist, weiter reduziert. Bei 2 ist die ambipolare Diffusionslänge La1 = 194 μm im Fall des Nicht-Killers, während die ambipolare Diffusionslänge La2 = 82 μm, wenn ein Elektronenstrahl von 4 Mrad (= 40 kGy) aufgestrahlt wird. Die Dicke d der n--leitenden Driftschicht beträgt etwa 100 μm. Der aufgestrahlte Elektronenstrahl erniedrigt den Erholungsstrom in Rückwärtsrichtung.
  • Im folgenden werden einige spezifische Beispiele der erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben.
  • [Beispiel 1]
  • Bei einem üblichen vorwärtsgerichteten IGBT ist der Leckstrom in Rückwärtsrichtung allgemein höher als vorwärts. Dies kommt einerseits von der hohen Dosierung der in Kontakt mit der Emitterelektrode stehenden p+-leitenden Schicht und andererseits von restlichen Gitterfehlern oder Störungen bei der Niedertemperaturaktivierung der Kollektorschicht.
  • 3 zeigt die Abhängigkeit des Leckstroms RICES in Rückwärtsrichtung von der Strahlungsdosis E1 des Elektronenstrahls, und 4 zeigt die Verteilung der Äquipotentiallinien, wenn an den in Rückwärtsrichtung sperrenden 600 V IGBT eine Rückwärtsvorspannung von 800 V angelegt wird. Eine Nullvoltlinie liegt bei etwa 30 μm im Abstand von der Vorderseite. Die Vorderseitenseite der 0 V Linie ist eine neutrale Region ohne Verarmung elektrischer Ladungen. Die p+-leitende Schicht ist üblicherweise mit einer Dosis von mehr als 1 . 1019 Atomen/cm3 gebildet, um den Sperreffekt "latch-up" zu vermeiden, der eingangs in der Beschreibungseinleitung bei der Diskussion des Stands der Technik genannt wurde. Der Leckstrom RICES wird wiedergegeben durch die folgende Formel (3) RICES = β(Igen_n + Igen_p) + Idiff (3)wobei Igen_n und Igen_p Generierungsströme in der Driftschicht bzw in der Kollektorschicht sind. Idiff ist der Diffusionsstrom der Minoritätsträger, wobei dieser Strom bei hoher Temperatur vernachlässigbar ist. Aus der Formel (3) ergibt sich ein Emitterverstärkungsfaktor β, nämlich
    Figure 00220001
  • Es wird eine Annäherung zweiter Ordnung angewandt, um die Formel (4) zu erhalten. Die Emitterinjektionseffizienz γ ist bei einem in Rückwärtsrichtung vorgespannten Transistor angenähert gleich 1. τp gibt die Lebenszeit der Minoritäts träger an und Dh gibt den Diffusionskoeffizienten der Löcher in der Driftschicht an. WD gibt die Breite eines neutralen Bereichs in der Driftschicht an, der etwa im Fall der 4 30 μm beträgt. Der Strom Igen_n kann also durch die nachfolgende Formel (5) wiedergegeben werden:
    Figure 00230001
    wobei A die Fläche des aktiven Bereichs, W die Breite der Verarmungsschicht und τsc die Generations-Lebenszeit im Raumladungsbereich sind. Der dominante Einfangpegel aufgrund der Elektronenstrahl-Bestrahlung ist ausreichend flach und τp ist ausreichend kürzer als τsc. RICES ist also ausreichend niedrig.
  • Auf der Abszisse in 3 ist die Elektronenstrahldosis E1 in Mrad (1Mrad = 10 kGy) aufgetragen und auf der Ordinate ist der Rückwärts-Leckstrom RICES aufgetragen. 3 zeigt die Leckströme RICES für den Fall, daß keine Spannung an der Steuerelektrode anliegt (G-E kurzgeschlossen), und RICE+ für eine G-E-Spannung von + 15 V an der Steuerelektrode im Fall einer Kollektorschicht, die für 1 Stunde bei 350 °C thermisch aktiviert worden ist; und einen Leckstrom RICE+(Laser) für den Fall des Anliegens einer G-E-Spannung von + 15 V an der Steuerelektrode im Fall, daß die p+-leitende Kollektorschicht laseraktiviert worden ist. Aus 3 ist ersichtlich, daß der Rückwärts-Leckstrom im Fall, daß die Steuerelektrode und der Emitter kurzgeschlossen sind, höher ist als in den Fällen mit anliegender Spannung von + 15 V. Das Anlegen der Spannung von + 15 V zwischen Steuerelektrode und Emitter bildet eine Inversionsschicht (der Schwellenwert ist 7,5 V), die die n+-leitende Emitterschicht und die n--leitende Driftschicht kurzschließt. Es werden somit Parallelpin-Diodenstrukturen gebildet, wodurch die Löcherinjektionseffizienz an der Vorderflächenseite erniedrigt wird. Im aktuellen Betrieb als Umsetzer soll jedoch der Rückwärtsleckstrom niedrig sein, auch wenn keine Vorspannung an der Steuerelektrode anliegt. Aus 3 ist ersichtlich, daß die Elektronenstrahlbestrahlung den Rückwärtsleckstrom erniedrigt, wenn zwischen der Steuerelektrode und dem Emitter keine Vorspannung anliegt, und der Leckstrom auch nahezu auf den gleichen Wert erniedrigt wird wie im Fall einer G-E-Spannung von + 15 V, indem mit einer Dosis von 10 Mrad (= 100 kGy) bestrahlt wird. Dieses Ergebnis zeigt den Effekt einer Reduktion des Verstärkungsfaktors des oben angegebenen pnp-Transistors. Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, daß der Rückwärts-Leckstrom auf weniger als 1/3 durch eine Laserbestrahlung gedrückt wird, die die Region um die p+-leitende Kollektorschicht vollkommen rekristallisiert. Dies stellt auch den oben genannten Effekt der Unterdrückung des Generierungsstroms in der p+-leitenden Schicht dar.
  • Die Spannung des IGBT im Einschaltzustand beträgt 2,0 V für fehlende Elektronenstrahlbestrahlung, 2,2 V für eine Bestrahlung mit 10 Mrad und 2,8 V für eine Bestrahlung mit 20 Mrad. Es wurde gezeigt, daß die Erhöhung der Spannung im Einschaltzustand innerhalb eines Bereichs von 10 % für eine Bestrahlung mit bis zu 10 Mrad gesteuert werden kann.
  • Es soll nun die Dicke eines SiO2 Films für eine Maske zum selektiven Bilden der stark dosierten p+-leitenden Trennisolierregion besprochen werden. Wie oben beschrieben, wird in einem Anfangsstadium des Herstellungsprozesses ein Oxidfilm gebildet und dann auf der Fläche zur Bildung der p+-Trennisolierregion örtlich selektiv geätzt. Die Oxidfilmdicke, die notwendig ist, um die Trennisolierregion zu bilden, kann folgendermaßen berechnet werden.
  • Die Verunreinigungskonzentrationsverteilung bei Vorhandensein einer Diffusionsquelle wird durch die folgende Formel (6) gegeben:
    Figure 00240001
    wobei NSi die Verunreinigungskonzentration in Silizium, N0 die Verunreinigungskonzentration an einer Oberflächenposition, xSi der Abstand von der Oberfläche in Silizium, DSi der Diffusionskoeffizient des Bors in Silizium und t die Diffusionszeit sind. Der Diffusionskoeffizient DSi ist gegeben durch
    Figure 00240002
    wobei D∞ eine Konstante, Ea die Aktivierungsenergie, k die Boltzmann'sche Konstante und T die absolute Temperatur sind. Die Aktivierungsenergie Ea beträgt etwa 3,7 eV.
  • Der Diffusionskoeffizient ist 1,0 · 10-11 cm2/s bei 1300 °C. Die für einen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT der Klasse für 600 V benötigte Diffusionstiefe ist 120 um. Bei der aktuellen Diffusion wurde die Diffusionstiefe von 120μm erreicht mit einer Oberflächenverunreinigungskonzentration von 1,2 · 1019 cm 3, einer Diffusionstemperatur von 1300 °C und einer Diffusionszeit von 83 Stunden. Die Verunreinigungskonzentration NSi in der Formel (6) sei gleich der Dotierungskonzentration der n-leitenden Scheibe, nämlich 1,5 · 1014 cm-3, was eine Bedingung am pn-Übergang ist, und so ist NSi/N0 gleich 1,25 · 10-5. Unter Anwendung der in 5 gezeigten komplementären Fehlerfunktion (erfc) ergibt sich: xSi = 104 μm. Dieser Wert stimmt angenähert mit dem experimentell ermittelten Wert überein.
  • Die Bordiffusion in einem thermischen Oxidfilm wird entsprechend bestimmt durch
    Figure 00250001
    wobei xox der Abstand von der Oberfläche des Oxidfilms ist und Dox der Diffusionskoeffizient von Bor im Oxidfilm ist. Die Aktivierungsenergie von Bor im Oxidfilm beträgt etwa 3,5 eV Der Diffusionskoeffizient beträgt bei 1300 °C 1,29 · 10-15 cm2/s. Die Bedingung für das Hindurchtreten des Bors durch den 1,6 μm dicken Oxidfilm kann folgendermaßen erhalten werden. Es sei xox = 1,6 μm und Nox gleich der Dotierungskonzentration der n-leitenden Scheibe, also 1,5 · 1014 cm-3, so wird unter Verwendung von 5 erhalten: t = 153 Stunden. Dies bedeutet, daß ein Oxidfilm einer Dicke von 1,6 μm eine Maskierung bis zu 150 Stunden ermöglicht. Bei der aktuellen Diffusion wird Bor auch aus dem Oxidfilm in das Silizium an der Grenzfläche Si/SiO2 aufgrund des höheren Diffusionskoeffizienten auf der Siliziumseite herausgezogen, wodurch die Borkonzentration an der Siliziumoberfläche weiter reduziert wird.
  • Gemäß einer Prozeßsimulation ist die Borkonzentration um eine Größenordnung niedriger als der durch die Formel (8) kalkulierte Wert. Dies bedeutet, daß die Formel (8) eine sicherere Schätzung ergibt. Die Bordiffusion im Silizium für eine Zeit t von 153 Stunden ergibt eine Diffusionstiefe von xSi = 141 μm entsprechend der Formel (6). Die maximale Tiefe der möglichen selektiven Diffusion beträgt 141 μm, wenn eine Maske aus einem Oxidfilm mit einer Dicke von 1,6 μm verwendet wird. Allgemeiner gesprochen, ist die Beziehung zwischen der Diffusionszeit td und der Dicke des Oxidfilms Xox, der gerade vom Bor durchsetzt wird, unter Verwendung der Formel (8) durch die Formel (9) gegeben.
    Figure 00260001
    wobei ND die Dotierungskonzentration des n-leitenden Siliziums ist. Es sei die Diffusionstiefe im Silizium XSi, so ergibt sich unter Weiterentwicklung der Formel (6) die folgende Formel (10):
    Figure 00260002
  • Gemäß den Formeln (9) und (10) ist
    Figure 00260003
  • Hieraus wird die nachfolgende Formel (12) abgeleitet:
    Figure 00260004
  • Dies bedeutet, daß die maximale Diffusionstiefe im Silizium bestimmt wird durch die Quadratwurzel des Verhältnisses des Diffusionskoeffizienten von Bor im Silizium zum Diffusionskoeffizienten von Bor im Oxidfilm für eine festgelegte Dicke dieses Masken-Oxidfilms, und in keiner Weise von der Oberflächenkonzentration oder Diffusionszeit abhängt. Die Aktivierungsenergie der Bordiffusion ist im Silizium und im Oxidfilm angenähert gleich und beträgt etwa 3,5 eV. Folglich ist das Verhältnis der Diffusionskoeffizienten bei jeder Temperatur konstant, wie sich aus Formel (7) ergibt. Die obige Analyse ergibt die Schlußfolgerung, daß bei gegebener Dicke des Masken-Oxidfilms die maximale Diffusionstiefe im Silizium einzig bestimmt wird.
  • Die notwendige Diffusionstiefe ist 120 μm für einen 600 V IGBT mit Sperrung in Rückwärtsrichtung. Gemäß der Formel (12) ist die notwendige Mindestdicke des Oxidfilms 1,36 μm. Für einen 1200 V IGBT mit Sperrung in Rückwärtsrichtung ist die erforderliche Diffusionstiefe 200 μm und die erforderliche Mindestdicke des Oxidfilms 2,27 μm.
  • Die insoweit durchgeführte Analyse betrifft den Fall der Diffusion bei Vorhandensein einer Diffusionsquelle. Als nächstes wird der Fall des Eintreibens (driving-in) betrachtet, bei dem die Diffusionsquelle nach der Deponierung entfernt wird.
  • Die Verteilung der Borkonzentration in einem Oxidfilm wird durch die folgende Formel (13) wiedergegeben:
    Figure 00270001
    wobei Qox die Gesamtzahl der Verunreinigungen im Oxidfilm ist und durch den folgenden Ausdruck, der auf der Formel (8) aufbaut, gegeben ist, wobei tp die Depositionszeit ist.
  • Figure 00270002
  • Durch Ersetzen der Formel (14) in Formel (13) ergibt sich:
    Figure 00270003
  • Für die Diffusion im Silizium ergibt sich in gleicher Weise
  • Figure 00270004
  • Angenommen, ein Oxidfilm mit einer Dicke Xox wird gerade zu einer Diffusionszeit td durchsetzt und die Diffusionstiefe im Silizium ist zu dieser Zeit XSi, so gilt NSi'(XSi, td) = Nox' (Xox, td) (17)
  • Es wird also genau das gleiche Ergebnis erzielt wie in Formel (12) unter Verwendung der Gleichungen (15) und (16), nämlich, daß die maximale Diffusionstiefe durch die Dicke des Maskier-Oxidfilms bestimmt wird.
  • 6 zeigt den charakteristischen Freiwerde- oder Erholungsvorgang eines erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTs.
  • [Beispiel 2]
  • Die 7 und 8 zeigen Charakteristiken eines gegenüber dem Beispiel 1 unterschiedlichen Ausführungsbeispiels. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Elektronenstrahldosis und dem Rückwärts-Leckstrom und 8 zeigt die Beziehung zwischen der Elektronenstrahldosis und der Spannung im Einschaltzustand. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt die p+-leitende Kollektorschicht 9 mit einer Spitzenkonzentration von 1 · 1017 cm-3 und einer Dicke von etwa 1 μm. Sie wurde gebildet durch Ionenimplantation von Bor mit einer Dosis von 5 · 1013 cm-2 auf der Rückseite, gefolgt durch eine Wärmebehandlung bei 400 °C für eine Stunde.
  • In 7 ist auf der Abszisse die Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis in Mrad (1 Mrad = 10 kGy) aufgetragen und auf der Ordinate der Rückwärts-Leckstrom RICES aufgetragen. Die Elektronenstrahlbestrahlung oder die Heliumbestrahlung wird durchgeführt, bevor die Rückseitenfläche der FZ-Scheibe geschliffen wird, zum Zweck des schnellen Betriebs des Bauteils. Die Elektronenstrahlbestrahlung kann auch den Rückwärts-Leckstrom reduzieren. Da der Elektronenstrahl Gitterfehler homogen im Großteil des Bauteils erzeugt, ist die Transporteffizienz im Zustand der Vorspannung in Rückwärtsrichtung erheblich reduziert, wodurch der Stromverstärkungsfaktor erniedrigt wird.
  • In 7 ist die Abhängigkeit des Rückwärts-Leckstroms von der Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis mit einer angelegten Spannung von 600 V bei 125 °C für ein Bauteil mit einer Durchbruchsspannung von 600 V dargestellt. Wie sich aus der Figur ergibt, nimmt der Rückwärts-Leckstrom mit einer Zunahme der Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis ab. Eine Bestrahlungsdosis von 2 Mrad reduziert abrupt den Rückwärts-Leckstrom, mit der Folgerung, daß eine vorteilhafte Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis etwa 2 Mrad oder mehr beträgt.
  • Die Elektronenstrahl-Bestrahlung erzeugt jedoch Gitterfehler im Großteil des Bauteils mit der Folge einer Erhöhung der Spannung im eingeschalteten Zustand. Diese Ein-Spannung ist eine der wichtigen Charakteristiken und vorteilhafterweise so niedrig als möglich. In 8 ist auf der Abszisse die Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis in Mrad (1 Mrad = 10 kGy) aufgetragen und ist auf der Ordinate die Ein-Spannung Vein aufgetragen. Diese Ein-Spannung erhöht sich mit einer Erhöhung der Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis. Eine Bestrahlung von mehr als 6 Mrad erhöht die Spannung im Einschaltzustand rapid. Zum Niedrighalten der Ein-Spannung ist die Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis vorzugsweise nicht höher als 6 Mrad.
  • [Beispiel 3]
  • Die 9 und 10 zeigen die Struktur eines dritten Ausführungsbeispiels. In 9 ist perspektivisch eine Durchbruchfestigkeitsstruktur dargestellt und in 10 ist diese Struktur im Schnitt dargestellt. Hierbei zeigt 10(a) einen Schnitt durch die gesamte Durchbruchfestigkeitsstruktur und zeigen die 10(b) bis 10(d) Teil-Schnittansichten von Variationen gegenüber einem Teil Y in 10(a). Elemente, die bereits bei der Beschreibung des Stands der Technik nach den 26 und 27 genannt wurden, sind hier mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Eine n-leitende FZ-Scheibe mit einem spezifischen Widerstand von 80 Ω cm wird unter Bildung einer Driftschicht 34 präpariert und auf ihrer Vorderseite wird ein thermischer Oxidfilm von 2,4 μm Dicke gebildet. In einem sogenannten Schreibbereich zum Zerteilen der Scheibe in Chips wird der thermische Oxidfilm entfernt und die Oberfläche freigelegt. Nach dem Aufbringen von Borglas auf den freigelegten Bereich und dem Entfernen des Borglases wird die Dotierung als Eintreibung (driving-in) bei 1300 °C für eine Dauer von 250 Stunden durchgeführt, so daß in dem Schreibbereich eine p+-leitende Trennisolierregion 31 gebildet wird. Sodann wird ein thermischer Oxidfilm gebildet, der örtlich selektiv geätzt wird, um Flächen zum Bilden der Feldbegrenzungsschichten 25 freizulegen. Man implantiert Borionen mit einer Dosis von 2 · 1015/cm2 und einer Energie von 100 keV gefolgt von 200-minütigem Eintreiben bei 1150 °C. Anschließend werden Öffnungen zum Bilden des aktiven Bereichs im thermischen Oxidfilm hergestellt. Es wird ein 65 nm dicker Steuerelektroden-Oxidfilm gebildet und auf diesem eine polykristalline Siliziumschicht aufgewachsen und selektiv geätzt, um eine Steuerelektrode zu bilden. Hierbei wird das polykristalline Silizium auf einem Teil der Durchbruchfestigkeitsstruktur wieder entfernt. Zur Bildung der p+-leitenden Basisschicht 24 wird mit einer Dosis von 2 · 1014/cm2 und einer Energie von 100 keV eine Ionenimplantation von Bor durchgeführt, gefolgt von einem Eintreiben bei 1150 °C für 120 Minuten. Nach dem selektiven Bilden eines Resistfilms werden Arsenionen mit einer Dosis von 2 · 1015/cm2 und einer Energie von 45 keV implantiert. Ein Film aus BPSG (Borphosphorsilikatglas, borophosphosilicate glass) für die Schichtenisolierung wird aufgewachsen und Teile dieses Films werden an dem aktiven Bereich und an der Feldbegrenzungsschicht 25 geöffnet. Al-1 % Si-Filme werden abgelagert, um eine die Emitterelektrode 28 und die Steuerelektrode 7 im aktiven Bereich zu bilden und Feldbegrenzungselektroden 27 im Bereich der Durchbruchfestigkeitsstruktur zu bilden. Sodann wird ein Nitridfilm oder ein Polyimidfilm aufgebracht und geätzt.
  • Die Rückseitenfläche der Scheibe wird auf um eine Scheibendicke von 200 μm durch rückseitiges Schleifen geschliffen. Hierbei wird die p+-leitende Trennisolierregion 31, die sich von der Vorderseite bis zur Rückseite erstreckt, zur Rückseitenfläche freigelegt. Die Rückseitenfläche wird um eine Dicke von 20 μm unter Verwendung von einer Mischung aus Hydrofluorsäure und Salpetersäure geätzt, um sie glatt zu machen. Die Dicke der Scheibe beträgt in diesem Zustand 180 μm, zum Bilden der n--leitenden Driftschicht 34 mit vorgegebener Dicke. Dann wird in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 eine p+-leitende Kollektorschicht 29 gebildet. Al/Ti/Ni/Au werden aufeinanderfolgend auf der Kollektorschicht abgelagert, um eine Kollektorelektrode 35 zu bilden. Schließlich wird das Zerteilen im Schreibbereich durchgeführt. So werden in Rückwärtsrichtung sperrende IGBT Chips hergestellt.
  • Die Trennisolierregion 31 wird geschaffen, um zu verhindern, daß die Verarmungsschicht, die sich von der p+-leitenden Kollektorschicht 29 und der n--leitenden Driftschicht 34 der FZ-Scheibe ausdehnt, zur Chiprandfläche freiliegt, wenn eine Vorspannung in Rückwärtsrichtung an den IGBT angelegt wird, wobei das elektrische Potential an der Emitterelektrode 28 höher ist als an der Kollektorelektrode 35.
  • Im Vorderseitenbereich wird zunächst wie beim Stand der Technik nach 27 zwischen der Emitterelektrode 28 und der p+-Trennisolierregion 31 über und unter dem isolierenden streifenweise unterbrochenen Oxidfilm 26 eine Durchbruchfestigkeitsstruktur gebildet. Hierzu wird in der Nachbarschaft der Emitterelektrode 28 die erste Feldbegrenzungsschicht 25 gebildet, die in Kontakt mit einer ersten Feldbegrenzungselektrode 27a steht, die ihrerseits bei diesem Ausführungsbeispiel relativ breit über die Kante des Oxidfilms 26 und über die Feldbegrenzungsschicht 25 überstehend gebildet ist, und sich in ihrem Bereich 29a in Richtung zur p+-Trennisolierregion erstreckt (in der Richtung zum Rand des Bauteils). Weiter in Richtung zur Trennisolierregion 31 zu werden mehrere Paare bestehend aus einer der Feldbegrenzungsschichten 25 und einer der Feldbegrenzungselektroden 27 gebildet. Jede Feldbegrenzungselektrode befindet sich auf einem jeweiligen schwebenden elektrischen Potential. Die Ausdehnungsrichtung der seitlich überstehenden Teile der Feldbegrenzungselektroden, die auf der Seite der Emitterelektrode liegen, ist, wie bei 29a, gegenüber der Ausdehnungsrichtung der überstehenden Teile der Feldbegrenzungselektroden in Bereichen 29b auf der Seite der Trennisolierregion 31 jenseits einer dazwischenliegenden Feldpufferregion 33, die in einem Zwischenbereich der Durchbruchfestigkeitsstruktur angeordnet ist, umgekehrt. Mit der Feldpufferregion ist eine Feldbegrenzungseleletrode 27c verbunden, die beiderseits symmetrisch, aber nur wenig über die Kanten des Oxidfilms 26 übersteht. Die Feldbegrenzungselektrode 27b auf der Feldbegrenzungsschicht 25 im Bereich zwischen der Zwischen-Feldpufferregion 33 und der Trennisolierregion 31 wird relativ breit jenseits der Feldbegrenzungsschicht ausgebildet und reicht in der Richtung zur Emitterelektrodenseite (in der Richtung zum inneren Teil des Bauteils) über die Region 25 hinaus, wobei eine Spannungsvorbelastung in Rückwärtsrichtung berücksichtigt wird. Es sind verschiedene Paare bestehend aus einer der Feldbegrenzungsschichten und einer dieser Feldbegrenzungselektroden 27b, die zur Emitterelektrodeseite überstehen, gebildet. Wenn eine Verarmungsschicht von der Emitterelektrodenseite nach außen expandiert, tendiert sie durch einen Effekt der Feldbegrenzungselektroden 27a, die sich nach außen erstrecken, dazu, zu expandieren. Andererseits neigen die Feldbegrenzungselektroden 27b, die sich nach innen erstrecken, dazu, die Expansion der Verarmungsschicht zu hemmen, wobei sie den Effekt auf die Verarmungsschicht abrupt ändern. Als Ergebnis erfolgt eine Konzentration des elektrischen Felds an einer Spitze oder einem Rand der innersten oder äußeren Feldbegrenzungselektroden 27b, was zu einer Lawine führt.
  • Um diese Konzentration des elektrischen Felds zu vermeiden und zu erreichen, daß sich die Verarmungsschicht sanft zur Seite der Feldbegrenzungselektroden expandiert, die den Vorsprung 29b in der Rückwärtsrichtung haben, ist die Zwischen-Feldpufferregion 33 vorgesehen zum Abschwächen der Konzentration des elektrischen Felds.
  • 10(b) zeigt ein Beispiel ohne einen Elektrodenfilm wie die Feldbegrenzungselektrode 27c. 10(c) zeigt ein Beispiel, bei dem die Zwischen-Feldpufferregion 33 durch Feldbegrenzungsschichten 25a, 25a ersetzt ist und die Feldbegrenzungselektroden auf den Feldbegrenzungsschichten vergrößert und zur Bildung einer Elektrode 27d verbunden sind. 10(d) zeigt ein Beispiel, bei dem die Breite der Zwischen-Feldpufferregion 33 zur Bildung einer Region 33a erhöht ist und Feldbegrenzungselektroden 27e, 27e auf der verbreiterten Zwischen-Feldpufferregion 33a angeordnet sind, die in entgegengesetzten Richtungen über die Oxidfilmkanten überstehen.
  • Die äußerste Feldbegrenzungselektrode in Kontakt mit der p+-Trennisolierregion 31 ist äquivalent der Kanalstopperelektrode 21, die in einem periphereren Teil eines üblichen IGBTs (27) mit Sperrzustand in Vorwärtsrichtung angeordnet ist, und wird deshalb in dieser Beschreibung ebenfalls Kanalstopperelektrode 21 genannt.
  • Die 11(a) und (b) sind Schnittansichten der Durchbruchfestigkeitsstruktur zur Darstellung der Entwicklung einer Verarmungsschicht 36 im Zustand der Spannung in Vorwärtsrichtung (11(a)) und im Zustand der Spannung in Rückwärtsrichtung (11(b)). Wie in 11(a) mit einer gepunkteten Linie und einem Pfeil für den Zustand der Vorwärtsspannung dargestellt ist, expandiert die Verarmungsschicht 36, wenn die angelegte Spannung etwa ein Zehntel der Durch bruchspannung beträgt, von der Emitterelektrode 28 in Richtung zur Trennisolierregion 31 bis zu etwa einer Mittelposition der Durchbruchfestigkeitsstruktur. Hierbei steht die Feldbegrenzungselektrode 27a mit ihrem Randstreifen 29a in einer Richtung über, die die Expansion der Verarmungsschicht unterstützt. Die elektrische Feldstärke in der Nachbarschaft des pn-Übergangs der Feldbegrenzungsschicht 25 ist also erniedrigt. Bei einem Anstieg der Vorwärts Vorspannung dehnt sich die Verarmungsschicht bis über die mittig liegende Feldpufferregion 33, die etwa die Mittelposition der Durchbruchfestigkeitsstruktur einnimmt, zur Trennisolationsregion 31 zu aus. Dort ist der Überstand 29b der Feldbegrenzungselektrode 27b so gerichtet, daß die Expansion der Verarmungsschicht gehindert wird. Somit verlangsamt sich mit einem Anstieg der angelegten Spannung die Entwicklung der Front der Verarmungsschicht 36 und endet schließlich, bevor sie die Trennisolierregion 31 erreicht.
  • Im Fall einer Rückwärts Vorspannung expandiert die Verarmungsschicht 36, wie durch eine gepunktete Linie und einen Pfeil in 11(b) gezeigt ist, wenn die angelegte Spannung etwa ein Zehntel der Durchbruchspannung beträgt, von der Trennisolierregion 31 in Richtung zur Emitterelektrode 28 bis zu etwa einer Mittelposition der Durchbruchfestigkeitsstruktur. In diesem Fall trägt die Richtung des Übersteh-Erstreckungsbereichs 29b der Feldbegrenzungselektrode 27b dazu bei, die Expansion der Verarmungsschicht zu unterstützen. Die elektrische Feldstärke in der Nachbarschaft den pn-Übergangs der Feldbegrenzungsschicht 25 ist also auf der Seite der Durchbruchfestigkeitsstruktur zur Trennisolierregion 31 hin erniedrigt. Bei einem Anstieg der angelegten Rückwärtsspannung expandiert die Verarmungsschicht bis über den Mittelteil der Durchbruchfestigkeitsstruktur hinaus in Richtung zur Emitterelektrode 28. Hierbei trägt die Richtung des Überstehens des Bereichs 29a der Feldbegrenzungselektrode 27a dazu bei, die Expansion der Verarmungsschicht zu hemmen. Somit verlangsamt sich die Entwicklung der Front der Verarmungsschicht 36 mit zunehmender Spannung und endet schließlich vor Erreichen des aktiven Bereichs.
  • Bei anliegender Rückwärtsvorspannung entwickelt sich jedoch die Verarmungsschicht nicht nur seitwärts von der Trennisolierregion 31, sondern auch vertikal von der Rückseitenfläche. Wie bereits beschrieben, neigt die n--leitende Driftschicht 34 bei Annäherung der angelegten Spannung an die Durchbruchspannung dazu, zum Bilden einer Verarmungsschicht frei von elektrischen Ladungen (Elektronen) zu sein, wodurch die Expansion der Verarmungsschicht 36 weiter gefördert wird. Es ist deshalb wichtig, einen adäquaten Abstand zwischen den Feldbegrenzungselektroden 27 und einen adäquaten Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 vorzusehen. Die Bestimmung dieses Abstands wird nachfolgend beschrieben.
  • Ist der Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 kleiner als die Breite einer eingebauten Verarmungsschicht, die sich von der Feldbegrenzungsschicht zur n--leitenden Driftschicht in einem Zustand eines gleichen Potentials zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode erstreckt, gibt es keinen nicht-verarmten neutralen Bereich zwischen den Feldbegrenzungsschichten. Wenn der Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten um die Front der Verarmungsschicht bei relativ hoher angelegter Rückwärts Vorspannung klein ist, so schließen sich die Verarmungsschichten zusammen und erreichen die Emitterschicht, was einen Durchreichzustand darstellt und eine Erhöhung des Leckstroms bewirkt.
  • Die 12(a) und (b) veranschaulichen diesen Umstand. Diese Fig.n sind Teilschnittansichten, die die Expansion einer Verarmungsschicht zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 zeigen. Die Figuren zeigen jeweils Teile der Feldbegrenzungsschichten 25, den als Maske dienenden Oxidfilm 26, einen Teil der n--leitenden Driftschicht 34 und eine Verarmungsschicht mit einer Front 36a. Der Oxidfilm 26 hat eine Breite WG. 12(a) zeigt den Fall, daß die Breite WG groß ist, und 12(b) den Fall, daß diese Breite klein ist. Die Feldbegrenzungsschichten 25 werden durch Borimplantation unter Verwendung der Maske 26 mit der Breite WG und durch nachfolgende thermische Diffusion bis zu einer Diffusionstiefe Xj gebildet, wobei die laterale Diffusion bis zu einem Abstand 0,8 Xi vom Ende des Oxidfilms 26 fortschreitet. Der Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten ist deshalb vorzugsweise größer als die oder gleich der Summe von 1,6 Xj = 0,8 Xj + 0,8 Xj und 2 Wbi = Wbi + Wbi, wobei Wbi die Breite einer eingebauten Verarmungsschicht bei angelegter Spannung null ist. Die Formel (18) zeigt diese Beziehung. WG ≥ 1.6 Xj + 2 Wbi (18)wobei:
    WG = Breite des zwischen den Feldbegrenzungsschichten angeordneten Oxidfilms,
    Xj = Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschichten,
    Wbi = Breite einer eingebauten Verarmungsschicht, die sich von der Feldbegrenzungsschicht aus in die Driftschicht in einem Zustand gleichen Potentials zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode entwickelt.
  • 12(a) zeigt den Fall WG ≥ 1,6 Xj + 2 Wbi und 12(b) zeigt den Fall WG < 1,6 Xj + 2 Wbi. Die Situation kann definiert werden mit Hilfe eines weiteren Parameters Wg, der den Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten darstellt, nämlich ist Wg ≥ 2 Wbi. Die Breite eines neutralen Bereichs (wobei sich die eingebauten Verarmungsschichten nicht berühren) zwischen den Verarmungsschichten 36a bei einer anliegenden Vorspannung null ist mit einer LNi bezeichnet.
  • 13 zeigt als Charakteristik die Beziehung zwischen der Rückwärts-Durchbruchspannung (RBV) und der Summe der Abstände INi. Hierbei ist: INi = WGi – (1,6 Xj + 2 Wbi),wobei:
    i = die Ordnungsnummer der Feldbegrenzungsschicht,
    WGi = Breite eines isolierenden Oxidfilms zwischen der (i-1)-ten Feldbegrenzungsschicht und der i-ten Feldbegrenzungsschicht.
  • Es hat sich erwiesen, daß die Rückwärts-Durchbruchspannung ausgehend von einem Idealwert dieser Spannung bei einer planaren Übergangsschicht rapid abnimmt, wenn die Summe kleiner wird als die Dicke WDrift der n--leitenden Driftschicht. Wie oben beschrieben, ist es wichtig, daß die eingebauten Verarmungsschichten nicht zwischen den Feldbegrenzungsschichten ineinanderfließen, also daß der neutrale Bereich der Breite LNi verbleibt. Bei einer Zunahme der angelegten Spannung verwandelt sich der neutrale Bereich allmählich zu einer Verarmungsschicht und gleichzeitig expandiert die Verarmungsschicht vertikal unter dem aktiven Bereich vom pn-Übergang an der Rückseitenfläche in Richtung zur Vorderseitenfläche. Ist die Summe der neutralen Bereiche in der Durchbruchfestigkeitsstruktur bei einer Vorspannung null kleiner als die Dicke der n--leitenden Driftschicht in der Vertikalrichtung, so erreicht die Verarmungsschicht in der Durchbruchfestigkeitsstruktur die Emitterelektrode bei einer angelegten Spannung, die niedriger ist als die Spannung, bei der eine sich vertikal ausdehnende Verarmungsschicht die Emitterelektrode erreicht, so daß also ein Durchreichen stattfindet und die Durchbruchspannung abnimmt. Es wird deshalb die Dimensionierung gemäß der nachfolgenden Formel (19) bevorzugt:
    Figure 00360001
    wobei:
    Figure 00360002
    = Summe der Breiten der neutralen Bereiche bei der Vorspannung null
    LNi = WGi – (1,6 Xj + 2 Wbi),
    i = die Ordnungszahl der jeweiligen Feldbegrenzungsschicht,
    WGi = Breite eines isolierenden Oxidfilms zwischen der (i – 1)-ten und der i-ten Feldbegrenzungsschicht,
    n = Gesamtzahl der Feldbegrenzungsschichten.
  • [Beispiel 4]
  • 14 zeigt in einer Teilschnittansicht eines Bauteils einen Streifen einer Breite LOP in Form einer Öffnung zwischen der Feldbegrenzungselektrode 27a und der angrenzenden Feldbegrenzungsschicht 25. Auf der Oberfläche des Bauelements ist eine Passivierungsschicht 37 aufgebracht. In einer feuchten Umgebung können schließlich negative Ionen in einen Teil des Oberflächenbereichs des Oxidfilms 26 dort eindringen, wo er nicht durch die Feldbegrenzungselektrode 27a überdeckt ist.
  • Das Eindringen der negativen Ionen induziert positive Ladungen an der Driftschicht 34 unterhalb des Oxidfilms 26, was eine Inhomogenität der Potentialverteilung erzeugt und die Durchbruchspannung erniedrigt. Es wurde eine Simulation zur Untersuchung des Eindringens der negativen Ionen mit unterschiedlicher Breite LOP des Öffnungsstreifens durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
  • Tabelle
    Figure 00370001
  • Die Tabelle zeigt die Ergebnisse der Simulation für einen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGT für 1200 V Durch die Simulation werden die Durchbruchspannung FBV in Vorwärtsrichtung und die Durchbruchspannung RBV in Rückwärtsrichtung für unterschiedliche Dimensionen in der Durchbruchfestigkeitsstruktur bestimmt. In der Tabelle haben die Spalten folgende Bedeutung: ΣWGi = Summe der Breiten WGi des Oxidfilms 26; ΣLNi = Summe der Breiten LNi der neutralen Bereiche in der Durchbruchfestigkeitsstruktur im Zustand der Vorpannung null; ΣLOP = Summe der Streifenbreiten LOP zwischen dem einen Rand der Feldbegrenzungselektrode und dem einen Rand der angrenzenden Feldbegrenzungsschicht; Randlänge = Gesamtlänge der Durchbruchfestigkeitstruktur, also Abstand vom inneren Rand des innersten Oxidfilms bis zum äußeren Rand des äußersten Oxidfilms; ΣLOP/ΣLNi = Öffnungsverhältnis der Feldbegrenzungselektroden in Bezug zur gesamten Breite der neutralen Bereiche.
  • Die Simulation zeigte, daß die Durchbruchspannungen in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung für jede Probe höher waren als 1300 V wie ersichtlich ist aus der Spalte "0" für FBV und RBV in der Tabelle. Andererseits hat die Simulation unter der Annahme des Vorhandenseins negativer Ladungen mit einer Dichte von 1 · 1012/cm2 an den neutralen Bereichen mit der Breite LNi eine erhebliche Abnahme der Durchbruchspannung sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung für die Proben 1 und 2 gezeigt. Das Verhältnis ΣLOP/ΣLNi liegt deshalb vorzugsweise unter 0,7.
  • Die 15(a) bis (d) zeigen schematische Teilschnittansichten eines Vergleichsbeispiels, die das Durchreichen einer Verarmungsschicht zum Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseite veranschaulichen. 15(a) zeigt die Netto-Dotierung, 15(b) die Elektronenkonzentrarion, 15(c) Äquipotentiallinien und 15(d) die Löcher-Stromdichte. In den Figuren ist jeweils auf der linken Figurenseite ein äußerer Randbereich der Emitterelektrode dargestellt. Die Figuren zeigen nur einen Teil nahe der Emitterelektrode und zeigen nicht einen Teil nahe der Trennisolierregion. Wie anhand der Elektronenkonzentration in 15(b) ersichtlich ist, befindet sich die Verarmungsschicht in einem Durchreichzustand zum Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseite bei etwa 850 V Wie anhand der Darstellung der Löcherstromdichte in 15(d) ersichtlich ist, fließt der Leckstrom in Rückwärtsrichtung im Teil der planaren Ende-Randstruktur. Die in den 15(a) bis (d) dargestellten Verhältnisse entsprechen den Proben 1 und 2 in der Tabelle.
  • Die 16(a) bis (d) entsprechen mit Darstellungen äquivalent denen von 15 den Proben 3 bis 5 der Tabelle und zeigen schematische Teilschnittansichten des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs mit einer Öffnungsbreite LOP von 7 μm. Sie zeigen wiederum die Netto-Dotierung, die Elektronenkonzentration, Äquipotentiallinien bzw. die Löcherstromdichte. Außerdem zeigen sie ebenso wie die 15(a) bis (d) nur den Teil nahe der Emitterelektrode und nicht auch den Teil nahe der Trennisolierregion. Wie anhand der Darstellung der Elektronenkonzentration in 16(b) ersichtlich ist, ist die Verarmungsschicht seitlich vom Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseite mit ausreichendem Abstand angeordnet. Wie die Löcherstromdichte in 16(d) zeigt, fließt der Leckstrom vertikal im aktiven Bereich unter der Emitterelektrode, wobei eine stabile Charakteristik ersichtlich ist.
  • [Beispiel 5]
  • In den 17 bis 23 ist das Beispiel 5 gezeigt, bei dem im Bereich der Durchbruchsfestigkeitsstruktur n-leitende Schichten 38 hoher Konzentration vorhanden sind. Die Verunreinigungskonzentration in den Schichten 38 ist höher als in der n--leitenden Driftschicht 34 und niedriger als in der n+-leitenden Emitterregion 32. Die n-leitenden Schichten 38 hoher Konzentration verhindern, daß sich eine Verarmungsschicht bei einer Rückwärts-Vorspannung weiter ausdehnt. Die Schichten 38 hoher Konzentration können beispielsweise gebildet werden durch Phosphorionenimplantation um den neutralen Bereich in der Durchbruchfestigkeitsstruktur mit einer Dosis von 1 · 1012/cm2 und einer Beschleunigungsspannung von 45 keV, gefolgt von einem Eintreiben bei 1150 °C für 5 Stunden.
  • Die 17(a) und (b) zeigen im Schnitt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die n-leitenden Schichten 38 hoher Konzentration sowohl auf der Seite der Emitterelektrode als auch auf der Seite der Trennisolierregion im Bereich der Durchbruchfestigkeitsstruktur gebildet sind. 17(a) zeigt einen Querschnitt durch den Bereich der Durchbruchfestigkeitsstruktur und 17(b) zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch die Emitterelektrodenseite. Beim beschriebenen Beispiel sind drei Schichten 38a hoher Konzentration auf der Seite der Emitterelektrode gebildet (eine zwischen dem Haupt-Emitter-pn-Übergang und der ersten Feldbegrenzungsschicht 25 und zwei außerhalb der ersten Feldbegrenzungsschicht); und drei Schichten 38b hoher Konzentration sind gebildet auf der Seite der Trennisolierregion 31 (eine zwischen der Trennisolierregion und der äußersten Feldbegrenzungsschicht 25 und zwei innerhalb der äußersten Feldbegrenzungsschicht). Die Schichten 38 hoher Konzentration sind ohne Überlappung mit den Feldbegrenzungsschichten 25 gebildet. Die Schichten 38a, 38b hoher Konzentration erhöhen die Durchbruch spannung in Rückwärtsrichtung, reduzieren Leckstrom bei einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung und steuern die Abnahme der Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung innerhalb etwa 5 %. Die Oberfläche des Bauteils wird durch die Passivierungsschicht 37 geschützt. Die n-leitenden Schichten 38 hoher Konzentration können in jedem Zwischenraum zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 gebildet sein.
  • Die 18 bis 20 zeigen in Schnittansichten ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf der Seite der Durchbruchfestigkeitsstruktur zur Trennisolierregion hin eine Schicht 38e hoher Konzentration n-leitend gebildet ist. 18 zeigt die Druchbruchfestigkeitsstrukturregion in schematischem Querschnitt und 19 ist eine detaillierte Schnittansicht dieser Region vor der Bildung der n-leitenden Schichten hoher Konzentration. Die Breiten der einzelnen Bereiche sind in 19 zahlenmäßig in μm angegeben. Die Feldbegrenzungsschichten oder Schutzringe sind mit gr0,..., gr7, ..., gr13 bezeichnet. gr7 entspricht der Pufferregion 33. In 20 sind schematisch Teilschnittdarstellungen der Durchbruchfestigkeitsstrukturregion dargestellt, und zwar zeigen die 20(a) bis (d) die Nettodotierung, die Elektronenkonzentration, Äquipotentiallinien bzw die Löcherstromdichte. 19 ist als einzige rechts-linksvertauscht, nämlich befindet sich dort der aktive Bereich auf der rechten Seite und die Trennisolierregion auf der linken Seite der Figur. Gemäß 18 ist die n-leitende Schicht 38c hoher Konzentration in einem Bereich angeordnet, der sich von einer Stelle unter der Kanalstopperelektrode 21, die in Kontakt mit der Trennisolierregion 31 steht, bis zur Zwischen-Feldpufferregion 33 erstreckt. Die Schicht 38c unterdrückt die Expansion der Verarmungsschicht bei Rückwärts-Spannungsvorbelastung in einem Spannungsbereich von null bis zur Hälfte der Durchbruchspannung (bis zu etwa 600 V). Als Ergebnis ist das Durchreichen der Verarmungsschicht zum Emitter-Hauptübergang im Vergleich zu einer Struktur ohne die Schicht 38c hoher Konzentration unterdrückt und die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung ist um 100 V von 1250 V auf 1350 V erhöht. Die Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung ist nicht beeinflußt, da die Verarmungsschicht im Expansionsvorgang keine Schicht wie die Schicht 38c hoher Konzentration auf der Seite der Emitter-Hauptübergangsschicht aufweist.
  • 21 zeigt die Abhängigkeit der als "RBV" (reversed breakdown voltage) bezeichneten Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung von der Phosphordosis in der Schicht 38c hoher Konzentration der Struktur von 18. Es ist auch die der Dosis entsprechende Konzentration an der Oberfläche eingetragen. Eine Dosis über 1 · 1012 Atome/cm2 (oder eine Oberflächenkonzentration von mehr als 1 · 1017 Atome/cm3) verschlechtert die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung. Der Grund für diese Verschlechterung ist eine exzessive Unterdrückung der Verarmungsschicht im Zustand der Rückwärts Vorspannung, die eine hohe elektrische Feldstärke in dem Teil der Schicht hoher Konzentration und in den p-leitenden Feldbegrenzungsschichten bewirkt. Die Phosphordosis beträgt deshalb vorzugsweise weniger als 1 · 1012 Atome/cm2, was einer Oberflächenkonzentration von 1 · 1017 Atome/cm3 entspricht.
  • Ein gleicher Effekt kann erhalten werden durch eine n-leitende Schicht 38d hoher Konzentration, die etwa in der halben Emitterelektrodenseite der Durchbruchfestigkeitsstrukturregion gemäß 22 gebildet ist. Diese Schicht 38d wird gebildet durch Phosphorionenimplantation mit einer Dosis unter 1 · 1012 Atome/cm2. Die Erfindung liefert mit dieser Ausführungsform eine Durchbruchfestigkeitsstruktur, die das Durchreichen der Verarmungsschicht selbst im Fall der Rückwärtsvorspannung vermeidet. Wie durch diese Beispiele gezeigt wird, wird der Ort zur Bildung der Schicht hoher Konzentration in Abhängigkeit von der Wahl der höheren Durchbruchspannung, nämlich ob die Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung höher ist, bestimmt.
  • 23 zeigt in einer Charakteristik die Änderung der Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung bei einem Langzeit-THB-Test (temperature humidity biased test, Temperatur-Feuchtigkeits-Belastungstest). Beim THB-Test werden in Rückwärtsrichtung sperrende IGBT Chips in ein "zwei in einem"-Modul montiert, in welchem zwei Chips in Serie geschlossen sind, um so ein Modul zu bilden. An das Modul wird eine in Sperrichtung gerichtete Vorspannung von 960 V angelegt, mit einer höheren Spannung an der Emitterelektrode als an der Kollektorelektrode eines IGBT Chips für einen unteren Arm oder Zweig (lower arm chip). Das Modul ist in einer Umgebung von 85 % relativer Feuchtigkeit (RH) und 125 °C angeordnet. Ein konventionel les Bauteil mit einer Durchbruchsfestigkeitsstruktur aus einer Widerstandsschicht beginnt, die Durchbruchsspannung nach 1000 Stunden zu erniedrigen. Im Gegensatz dazu zeigt das erfindungsgemäße Bauteil eine stabile Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtung nach über 3000 Stunden und selbst bei 5000 Stunden. Die Erfindung schafft so eine Durchbruchsfestigkeitsstruktur, die eine stabile Fähigkeit des Sperrens in Rückwärtsrichtung in Langzeitzuverlässigkeitstests zeigt.
  • Die Erfindung ist auch gewerblich verwertbar. Sie ergibt einen in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBT, der einen Matrixkonverter ohne in Reihe geschaltete Diode ermöglicht.

Claims (15)

  1. In Rückwärtsrichtung sperrendendes Halbleiterbauteil, umfassend: eine Driftschicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht (3) ausgebildet ist, einer Emitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der Basisschicht (4) ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm (6), der einen Oberflächenbereich der Basisschicht (4) zwischen der Emitterregion (5) und der Driftschicht (3) überdeckt, und einer Steuerelektrode (7), die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm (6) gebildet ist; eine Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregion (5) als auch der Basisschicht (4); eine Trennisolierregion (11) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht (3) umgibt und sich über die gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht (9) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die an der Rückseite der Driftschicht (3) ausgebildet ist und Verbindung zur Rückseite der Trennisolierregion (11) hat; und eine Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht (9); dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand W größer ist als eine Dicke d, wobei der Abstand W der Abstand zwischen einer äußersten Position eines Teils der Emitterelektrode (8), wobei dieser Teil in Kontakt mit der Basisschicht (4) steht, und einer innersten Position der Trennisolierregion (11) ist und die Dicke d die Dimension in Tiefenrichtung der Driftschicht (3) ist.
  2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorschicht (9) an der Rückseite der Driftschicht (3) gebildet ist, deren Dicke reduziert worden ist.
  3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gitterfehler zumindest in der Basisschicht (4) eingebaut sind.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Fehler homogen an der gesamten Vorderseite des Halbleiterbauteils zwecks Reduzierung der Lebenszeit von Minoritätsträgern im Halbleiterbauteil eingebaut sind.
  5. In Rückwärtsrichtung sperrendendes Halbleiterbauteil, auch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: eine Driftschicht (34) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht (24) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht (34) ausgebildet ist, einer Emitterregion (32) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenbereich der Basisschicht (24) ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm, der einen Oberflächenbereich der Basisschicht (24) zwischen der Emitterregion (32) und der Driftschicht (34) überdeckt, und einer Steuerelektrode (7), die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildet ist; eine Emitterelektrode (28) in Kontakt mit sowohl der Emitterregion (32) als auch der Basisschicht (24); eine Trennisolierregion (31) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht (34) umgibt und sich über die gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht (29) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die an der Rückseite der Driftschicht (34) ausgebildet ist und Verbindung zur Rücksei te der Trennisolierregion (31) hat; eine Kollektorelektrode (35) in Kontakt mit der Kollektorschicht (29); eine Mehrzahl von Feldbegrenzungsschichten (25) des zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich der Driftschicht (34) zwischen der Emitterelektrode (28) und der Trennisolierregion (31), wobei jede der Feldbegrenzungsschichten eine Ringform aufweist; und eine Mehrzahl von Feldbegrenzungselektroden (27, 27a, 27b, 27c), von denen jede in Kontakt mit einer der Feldbegrenzungsschichten (25) steht, mit einer Ringform und auf schwebendem elektrischen Potential; dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden (27a) auf der Seite der Emitterelektrode (28) existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Emitterelektrode einen Teil (29a) einer Erstreckung nach außen hat, der größer ist als ihr Teil der Erstreckung nach innen; und daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden (27b) auf der Seite der Trennisolierregion (31) existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektroden auf der Seite der Trennisolationsregion einen Teil (29b) einer Erstreckung nach innen hat, der größer ist als ihr Teil der Erstreckung nach außen.
  6. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin jeweils wenigstens eine Schicht (38c, 38d) hoher Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps in wenigstens einem Teil der Vorderseitenregion der Driftschicht (34) zwischen der Emitterelektrode (28) und der Trennisolierregion (31) umfaßt, wobei die Schicht hoher Konzentration eine höhere Verunreinigungskonzentration enthält als die Driftschicht.
  7. Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen Verunreinigungskonzentration in der Schicht (38c, 38d) hoher Konzentration unter 1017 cm-3 liegt.
  8. Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder einem der auf Anspruch 5 rückbezogenen Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand Wg zwischen den benachbarten Feldbegrenzungsschichten (25) höher ist als das Zweifache eines Maßes Wbi, wobei Wbi die Dicke einer eingebauten Verarmungsschicht (36) ist, die sich von der Feldbegrenzungsschicht (25) zur Driftschicht (34) im Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode (28) und die Kollektorelektrode (35) auf gleichem elektrischem Potential liegen.
  9. Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einem der auf Anspruch 5 rückbezogenen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß WG i > 1,6 Xj + 2 Wbi, wobei WGi = die Breite eines Isolatorfilms (26) zwischen der (i-1)ten Feldbegrenzungsschicht (25) und der i-ten Feldbegrenzungsschicht (25), Xj = die Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht (25), und Wbi = die Dicke einer eingebauten Verarmungsschicht (36), die sich von der Feldbegrenzungsschicht (25) zur Driftschicht (34) in einem Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode (28) und die Kollektorelektrode (35) auf gleichem elektrischen Potential liegen.
  10. Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einem der auf Anspruch 5 rückbezogenen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke Wdrift der Driftschicht (34) die Ungleichung in der folgenden Formel (2) erfüllt.
    Figure 00460001
    wobei LNi = WGi – (1.6 Xj + 2 Wbi)i = die Ordnungsnummer der Feldbegrenzungsschicht (25), WGi = die Breite eines Isolatorfilms (26) aus Oxid zwischen der (i-1)ten und der i-ten Feldbegrenzungsschicht (25), n = Gesamtzahl der Feldbegrenzungsschichten (25), Xj = die Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht (25), und Wbi = die Breite einer eingebauten Verarmungsschicht (36), die sich von der Feldbegrenzungsschicht (25) zur Driftschicht (34) in einem Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode (28) und die Kollektorelektrode (35) auf gleichem elektrischen Potential liegen.
  11. Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einem der auf Anspruch 5 rückbezogenen Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Summe ΣLNi und eine Summe ΣLOPi die Ungleichung ΣLOPi/ΣLNi < 0,7 erfüllen, wobei LOPi der Abstand zwischen der (i-1)ten Feldbegrenzungselektrode (27) und der i-ten Feldbegrenzungsschicht (25) ist.
  12. Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einem der auf Anspruch 5 rückbezogenen Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine im Zwischenbereich angeordnete Feldpufferregion (33) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Driftschicht (34) zwischen einerseits den Feldbegrenzungselektroden (27a) auf der Seite der Emitterelektrode (28) und andererseits den Feldbegrenzungselektroden (27b) auf der Seite der Trennisolierregion (31).
  13. Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgen den Prozeßschritte: Selektives Bilden einer Basisschicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6) auf der Oberfläche der Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregion und der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet, und Bilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bilden einer Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripheren Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teils des außerhalb der MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobei ein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion (11) wird; Entfernen eines rückseitigen Oberflächenbereich des Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion, so daß sie sich über die gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht (3) des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht (9) des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseite der Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Herstellung des Halbleiterbauteils so durchgeführt werden, daß ein Abstand W größer ist als eine Dicke d, wobei der Abstand W der Abstand von einer äußersten Position eines Teils der Emitterelektrode (8), der in Kontakt mit der Basisschicht (4) steht, bis zu einer innersten Position der Trennisolierregion (11) ist und die Dicke d die Dimension in Richtung der Tiefe der Driftschicht (3) ist; und die Schritte der selektiven Bildung der peripheren Region so, daß er zur Trennisolierregion (11) wird, durchgeführt werden durch Diffundieren von Verunreinigungen unter Verwendung einer Diffusionsmaske eines Oxidfilms (26), der auf der Vorderseitenfläche des Substrats gebildet wird, wobei der Oxidfilm eine Dicke Xox hat, die eine Ungleichung gemäß der folgenden Formel (1) erfüllt:
    Figure 00490001
    wobei Dox = Diffusionskoeffizient der Verunreinigung im Oxidfilm, DS = Diffusionskoeffizient der Verunreinigung im Material des Substrats, XS = Diffusionstiefe der Verunreinigung im Material des Substrats.
  14. Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgenden Prozeßschritte: Selektives Bildern einer Basisschicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6) auf der Oberfläche der Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregion und der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet, und Bilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bilden einer Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripheren Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teils des außerhalb der MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobei ein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion (11) wird; Entfernen eines rückseitigen Oberflächenbereich des Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion, so daß sie sich über die gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht (3) des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht (9) des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseite der Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet, daß Gitterdefekte homogen in die gesamte Vorderseitenfläche des Halbleiterbauteils zum Zweck einer Reduzierung der Lebenszeit der Minoritätsträger im Halbleiterbauteil mit einer Energie unter 5 MeV und einer Dosis unter 100 kGy eingeführt werden.
  15. Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgenden Prozeßschritte: Selektives Bilden einer Basisschicht (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereich der Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6) auf der Oberfläche der Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregion und der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet, und Bilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bilden einer Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregion als auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripheren Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teils des außerhalb der MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobei ein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion (11) wird; Entfernen eines rückseitigen Oberflächenbereich des Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion, so daß sie sich über die gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht (3) des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht (9) des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseite der Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrode in Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet, daß Gitterfehler zumindest in der Basisschicht durch Elektronenstrahlbestrahlung mit einer Dosis im Bereich von 20 kGy bis 60 kGy eingeführt werden.
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