DE102004055879A1

DE102004055879A1 - Halbleiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode

Info

Publication number: DE102004055879A1
Application number: DE102004055879A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Wakimoto; Seiji Momota; Masahito Otsuki
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: DE102004055879B4; CN100524811C; JP2005175425A; CN1619831A; US20070075331A1; US7462911B2; JP4765000B2; US20050151187A1; US7151297B2

Abstract

Der erfindungsgemäße Graben-IGBT, der die Anforderungen an die Einschaltverluste und das Strahlungsrauschen erfüllt, enthält eine p-leitende Basisschicht 20, die in p-leitende Basisregionen 9, 10 und 12 durch Gräben 21 unterteilt ist, ferner n-leitende Quellenregionen 3, die in den p-leitenden Basisregionen 9, aber nicht in den Basisregionen 10 und 12 gebildet sind, eine Steuerelektroden-Verbindungsschiene 14 im aktiven Bereich des Graben-IGBTs und Kontaktlöcher 11, die in der Nähe der Endbereiche der Gräben 21 und auf beiden Seiten der Verbindungsschiene 14 gebildet sind und die p-leitenden Basisregionen 12 und die Emitterelektrode 7 elektrisch miteinander verbinden. Die Anzahl N1 der p-leitenden Basisregionen 12, die elektrisch mit der Emitterelektrode 7 verbunden sind, und die Anzahl N2 der p-leitenden Basisregionen 10, die gegen die Emitterelektrode 7 isoliert sind, stehen zueinander in der folgenden Beziehung: DOLLAR A 25 {N1/(N1 + N2 È 100 75.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile mit isolierter Steuerelektrode.
In jüngerer Zeit sind Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode und mit Grabenstruktur (im folgenden bezeichnet als "Graben-IGBTs", insulated gate bipolar transistors), die in in einem Halbleitersubstrat gebildeten Gräben eine Struktur mit isolierter Steuerelektrode enthalten, auf dem Gebiet der Leistungs-Bauelemente, die für elektrische Umsetzer höherer Leistung (power converters) verwendet werden, stark beachtet worden. Da der Graben-IGBT eine Erhöhung seiner Grabendichte erleichtert, wird der Spannungsabfall V_CE(sat) im EIN-Zustand des Graben- IGBTs niedrig und sind die Verluste im stetigen Zustand reduziert. Da jedoch die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und der Emitterelektrode und die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und der Kollektorelektrode (im folgenden bezeichnet als "Steuerelektroden-Kollektor-Kapazität") hoch sind, werden durch das Einschalten und Ausschalten des Graben-IGBTs hohe Schaltverluste verursacht.

Es wurde berichtet, daß die Kompromißbeziehung zwischen der Sättigungsspannung und den Ausschaltverlusten im Graben-IGBT dadurch erleichtert wird, daß man p-leitende Topfregionen nicht in elektrischem Kontakt mit der Emitterelektrode anordnet, um die angehäufte Trägerdichte auf der Seite der Emitterelektrode zu erhöhen (JP-Publikation P2000-228519A, Seite 4, linke Spalte, unterste Zeile). Graben-IGBTs mit p-leitenden Topfregionen, die nicht in elektrischem Kontakt mit der Emitterelektrode stehen, sind auch in den folgenden Dokumenten beschrieben: JP P2001-308327A, 1 und 7; JP PHei.9(1997)-331063A (42), JP P2002-100770A, 22; und JP P2002-16252A (1).

Bei einem bekannten IGBT dieser Art befindet sich auf einer p-leitenden Kollektorschicht eine n-leitende Driftschicht und auf dieser Driftschicht eine p-leitende Basisschicht, die durch Gräben geteilt ist in Basisregionen. Die n-leitende Quellenregion befindet sich auf der Seite des Grabens in gegebenen Basisregionen, in anderen Basisregionen 10 ist keine n-leitende Quellenregion angeordnet. Die Emitterelektrode ist in Kontakt mit den Quellenregionen und mit gegebenen Basisregionen, und ist durch einen filmartigen Zwischenschichtisolator gegen die anderen p-leitenden Basisregionen, die keine n-leitende Quellenregion enthalten, isoliert. Die Gräben sind unter Zwischenlage einer Steuerelektroden-Isolierschicht mit Steuerelektroden gefüllt, die elektrisch mit Steuerelektroden Verbindungsschienen verbunden sind, die sich über die endseitigen Ränder der Gräben erstrecken.

Wenn sich die Verbindungsschienen nur über die beiden Enden der Gräben erstrecken, wird der Steuerelektrodenwiderstand zwischen den Verbindungsschienen und dem Zentrum des aktiven Bereichs, in dem der Hauptstrom des Halbleiterbauteils fließt, hoch, und zwar umso höher, je größer der Halbleiterchip ist. Es ist deshalb bekannt, auch Verbindungsschienen im aktiven Bereich anzuordnen.

Durch die Optimierung der Oberflächenstruktur einschließlich der Gräben und der Steuerelektroden können für solche Graben-IGBTs niedrige Verluste im stetigen Zustand und niedrige Schaltverluste (Schalten mit hoher Geschwindigkeit) gleichzeitig realisiert werden, ohne daß die Durchbruchspannung niedriger ausfällt.

Wenn die Chips für jeden der oben beschriebenen Graben-IGBTs so groß sind, daß im aktiven Bereich eine Verbindungsschiene angeordnet werden muß, ergibt sich eine hohe Kapazität zwischen der Steuerelektrode und dem Kollektor, und erfolgen der Spannungsabfall und der Stromanstieg beim Einschalten langsam mit der Folge hoher Einschaltverluste. Um diese Erhöhung der Einschaltverluste zu vermeiden, müssen die Schaltvorrichtungen oder die ICs entsprechend angepaßt werden.

Andererseits ist bei Leistungs-Bauteilen in letzter Zeit auch das Bedürfnis entstanden, daß das durch ihr Schalten erzeugte Strahlungsrauschen reduziert wird. Zur Verminderung des Strahlungsrauschens müssen die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls (dV/dt) und die Geschwindigkeit des Stromanstiegs (di/dt) vermindert werden. Das Strahlungsrauschen und die Schaltverluste können aber nicht leicht gleichzeitig erniedrigt werden. Wenn zwischen den Einschaltverlusten und dem Strahlungsrauschen in der beschriebenen Weise eine Kompromißbeziehung gefunden werden muß, können die Graben-IGBTs nicht eine der konventionellen Strukturen aufweisen, um ein Optimum zu ergeben, das die Anforderungen hinsichtlich sowohl der Einschaltverluste als auch des Strahlungsrauschens erfüllt.

Berichten zufolge beeinflussen die Bauteilcharakteristiken, die ein mit einem niedrigen Strom von etwa einem Zehntel des Nennstroms einschaltender IGBT aufweist, das Strahlungsrauschen erheblich (S. Momota, M. Otsuki, K. Ishii, H. Takubo und Y Seki, "Analysis on the Low Current Turn-on Behaviour of IGBT Modules" in Proc. ISPSD2000, Seiten 359 – 362 (2000)). Es bedarf großer Anstrengungen, um das speziell im Bereich 30 MHz oder höher bewirkte Strahlungsrauschen unter einen Referenzpegel zu drücken. Gemäß dem Bericht wird das Strahlungsrauschen im Frequenzbereich von 30 MHz oder höher durch ein hohes (dV/dt) bewirkt, das Hochfrequenzkomponenten enthält. Um den Spannungsanstieg (dV/dt) beim Schalten eines Inverters unter den Referenzwert zu drücken, wird der Gradient des Hauptstroms (dIc/dt) auf einen sehr niedrigen Wert reduziert, indem der Steuerelektrodenwiderstand und derartige Parameter entsprechend eingestellt werden.

Eine Erhöhung des Steuerelektrodenwiderstands zur Reduzierung des Strahlungsrauschens erhöht aber die Schaltverluste, da die Erhöhung des Steuerelektrodenwiderstands lange Auslaufphasen der Spannungsverläufe verursacht. Es ist deshalb zu bevorzugen, daß der Graben-IGBT ein niedriges "(di/dt)" realisiert, während der Steuerelektrodenwiderstand auf so niedrig als möglich gedrückt wird.

Unter Würdigung des Vorstehenden erweist es sich als wünschenswert, die beschriebenen Probleme zu lösen. Speziell wäre es erwünscht, ein Halbleiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode zu schaffen, das die gleichzeitige Erfüllung der Anforderungen sowohl hinsichtlich der Einschaltverluste als auch hinsichtlich des Schaltrauschens erleichtert.

Ein erster Aspekt der Erfindung gilt einem Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode, enthaltend: eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht, eine dritte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps; in der dritten Halbleiterschicht ausgebildete, bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht reichende Gräben, durch die die dritte Halbleiterschicht in mehrere Halbleiterregionen geteilt ist; vierte Halbleiterschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen einiger der Halbleiterregionen gebildet sind; in jedem der Gräben eine Steuerelektrode unter Zwischenlage einer Isolierschicht; eine auf der dritten Halbleiterschicht im aktiven Bereich verlaufende Verbindungsschiene, in der das Halbleiterbauteil einen Strom fließen läßt, wobei zwischen der Verbindungsschiene und der dritten Halbleiterschicht eine Isolierschicht liegt und die Verbindungsschiene elektrisch mit den Steuerelektroden verbunden ist; eine erste Hauptelektrode oben auf der dritten Halbleiterschicht und den vierten Halbleiterschichten unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators; und eine zweite Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht verbunden ist; wobei die erste Hauptelektrode mit der dritten Halbleiterschicht und den vierten Halbleiterschichten durch den Zwischenschichtisolator in den Halbleiterregionen im Kontakt ist, die die darin ausgebildeten vierten Halbleiterschichten enthalten; und wobei die erste Hauptelektrode mit der dritten Halbleiterschicht über Kontaktlöcher, die in der Nachbarschaft der Endbereiche der Gräben und in der Nachbarschaft der Verbindungsschiene durch den Zwischenschichtisolator hindurch ausgebildet sind, in einigen der Halbleiterregionen, die keine vierte Halbleiterschicht enthalten, in Kontakt ist.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kontaktiert die erste Hauptelektrode die einigen Halbleiterregionen, die durch das Teilen der dritten Haltleiterschicht gebildet sind und in sich keine vierte Halbleiterschicht enthalten, nahe der im aktiven Bereich befindlichen Verbindungsschiene. Diese Konfiguration erleichtert die Reduzierung der Steuerelektrode-Kollektor-Kapazität, die über die Grenzflächen zwischen der dritten Halbleiterschicht in den keine vierte Halbleiterschicht enthaltenden Halbleiterregionen, und den Isolierschichten in den Gräben auftritt, und erleichtert somit eine Erhöhung der Spannungsabfallgeschwindigkeit und des Stromanstiegs während des Einschaltens des Bauteils. Die Einschaltverluste sind dadurch erniedrigt.

Vorteilhafterweise sind weitere Halbleiterregionen, die keine vierte Halbleiterschicht enthalten, außer den schon genannten Halbleiterregionen, die ebenfalls keine vierte Halbleiterschicht enthalten, aber in Kontakt mit der ersten Hauptelektrode stehen, von der ersten Hauptelektrode durch den filmförmigen Zwischenschichtisolator isoliert sind.

Die durch das Teilen der dritten Halbleiterschicht durch die Gräben gebildeten Halbleiterregionen, die nur mit der ersten Hauptelektrode elektrischen Kontakt haben, und die durch das Teilen der dritten Halbleiterschicht durch die Gräben gebildeten Halbleiterregionen, die gegenüber der ersten Hauptelektrode isoliert sind, sind in zweckmäßiger Weise so angeordnet, daß die Einschaltverluste und das Strahlungsrauschen reduziert sein können.

Vorteilhafterweise sind die Anzahl N1 der einigen Halbleiterregionen, die keine vierte Halbleiterschicht enthalten, aber in Kontakt mit der ersten Hauptelektrode stehen, und die Anzahl N2 der weiteren Halbleiterregionen, die ebenfalls keine vierte Halbleiterschicht enthalten, aber gegen die erste Hauptelektrode isoliert sind, zueinander durch die folgende Beziehung verknüpft: 0,25 ≤ N1/(N1 + N2) ≤ 0,75.

Durch das Festsetzen der Zahlen N1 und N2 so, daß sie die in der angegebenen Beziehung beschriebenen Bedingungen erfüllen, werden die Einschaltverluste und das Strahlungsrauschen reduziert.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung enthält das Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht, eine dritte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps; in der dritten Halbleiterschicht ausgebildete, bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht reichende Gräben, durch die die dritte Halbleiterschicht in mehrere Halbleiterregionen geteilt ist, nämlich in erste Halbleiterregionen, zweite Halbleiterregionen und dritte Halbleiterregionen; vierte Halbleiterschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen der ersten Halbleiterregionen gebildet sind; in jedem der Gräben eine Steuerelektrode unter Zwischenlage einer Isolierschicht; eine auf der dritten Halbleiterschicht im aktiven Bereich verlaufende Verbindungsschiene, in der das Halbleiterbauteil einen Strom fließen läßt, wobei zwischen der Verbindungsschiene und der dritten Halbleiterschicht eine Isolierschicht liegt und die Verbindungsschiene elektrisch mit den Steuerelektroden verbunden ist; eine erste Hauptelektrode oben auf der dritten Halbleiterschicht und den vierten Halbleiterschichten unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators; und eine zweite Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht verbunden ist; wobei die erste Hauptelektrode mit der dritten Halbleiterschicht und den vierten Halbleiterschichten durch den Zwischenschichtisolator hindurch in den ersten Halbleiterregionen und nur mit der dritten Halbleiterschicht über Kontaktlöcher, die durch den Zwischenschichtisolator hindurch ausgebildet sind, in den zweiten Halbleiterregionen in Kontakt ist und gegen die dritte Halbleiterschicht und die vierten Halbleiterschichten durch den Zwischenschichtisolator in den dritten Halbleiterregionen isoliert ist; und wobei die Kontaktlöcher in den Nachbarschaften der Endbereiche der Gräben und in der Nachbarschaft der Laufschiene liegen.

Gemäß dieser beschriebenen Konfiguration hat die erste Hauptelektrode mit der dritten Halbleiterschicht nur über die Kontaktlöcher nahe der im aktiven Bereich angeordneten Verbindungsschiene und nahe den Enden der Gräben Kontakt. Dies erleichtert es, die über die Grenzflächen zwischen der dritten Halbleiterschicht und den Isolierschichten in den Gräben auftretende Steuerelektroden-Kollektor-Kapazität zu verringern und die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls und des Stromanstiegs während des Einschaltens des Bauelements zu erhöhen. Hierdurch werden die Einschaltverluste reduziert.

Wiederum gilt vorzugsweise die Beziehung 0,25 ≤ N1/(N1 + N2) ≤ 0,75,wobei N1 die Zahl der zweiten Halbleiterregionen ist und N2 die Zahl der dritten Halbleiterregionen ist. Durch diese Festsetzungen von N1 und N2 ergeben sich wiederum niedrige Einschaltverluste und ein reduziertes Strahlungsrauschen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung enthält das Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht, eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht, eine dritte Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps; in der dritten Halbleiterschicht ausgebildete, bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht reichende Gräben, durch die die dritte Halbleiterschicht in mehrere Halbleiterregionen geteilt ist, nämlich wenigstens in relativ schmale Halbleiterregionen und relativ breite Halbleiterregionen; vierte Halbleiterschichten des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen der relativ schmalen Halbleiterregionen gebildet sind; in jedem der Gräben eine Steuerelektrode unter Zwischenlage einer Isolierschicht; eine erste Hauptelektrode oben auf den dritten und vierten Halbleiterschichten unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators; eine zweite Hauptelektrode, die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht verbunden ist; wobei die erste Hauptelektrode mit der dritten Halbleiterschicht und den vierten Halbleiterschichten durch den Zwischenschichtisolator hindurch im Bereich der relativ schmalen Halbleiterregionen in Kontakt ist und mit der dritten Halbleiterschicht über einen Widerstand von 50 mΩ oder höher in den relativ breiten Halbleiterregionen verbunden ist.

Vorzugsweise ist der Widerstand durch den Schichtwiderstand einer Verunreinigungsschicht in der relativ breiten Halbleiterregion gebildet und ist diese Ver unreinigungsschicht elektrisch mit der ersten Hauptelektrode über Kontaktlöcher verbunden ist, die örtlich durch den Zwischenschichtisolator hindurch verlaufen.

Vorteilhafterweise sind die Gräben als jeweilige Streifen gebildet, die parallel zueinander verlaufen, und sind die Kontaktlöcher entlang den streifenförmigen Gräben in einem gegenseitigen Abstand zwischen 200 μm und 2 mm aufgereiht. Der Widerstand besteht bevorzugt aus dotiertem Polysilizium.

Da die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen den Wert di/dt durch einen niedrigen Steuerelektrodenwiderstand reduzieren, werden die Einschaltverluste und das Strahlungsrauschen erniedrigt.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode erleichtert die Reduzierung der Einschaltverluste und des Strahlungsrauschens. Durch die Erfindung erhält man also ein Halbleiterbauteil mit isolierten Steuerelektroden und mit einer Struktur, die die Spezifikationen hinsichtlich der Einschaltverluste und hinsichtlich des Strahlungsrauschens erfüllt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen Graben-IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine andere Querschnittsansicht des Graben-IGBTs gemäß der ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Draufsicht auf den Graben-IGBT gemäß der ersten Ausführungsform;
4 zwei Kurven, die die Beziehung zwischen den Einschaltverlusten und der Spannungsänderungsgeschwindigkeit während des Einschaltens des Bauteils mit Kurzschlußrate zeigen;
5 eine Schar von Kurven, die die Beziehung der Spannungsänderungsgeschwindigkeit während des Einschaltens des Bauteils zum Steuerelektrodenwiderstand, mit der Kurzschlußrate als Parameter, zeigen;
6 eine schematische Draufsicht auf einen Graben-IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
7 einen Querschnitt durch den Graben-IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 einen Querschnitt zur Veranschaulichung des Prinzips eines Graben-IGBTs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
9 eine grafische Darstellung zum Zeigen der simulierten Beziehung zwischen der Reduktionsrate des Spitzenstroms und dem Widerstandswert im Graben-IGBT mit dem in 8 gezeigten Aufbau;
10 eine grafische Darstellung zum Zeigen der simulierten Beziehung zwischen der Ein-Spannung und dem Widerstandswert im Graben-IGBT mit dem in
8 gezeigten Aufbau;
11 die Darstellung von Spannungsverläufen, wobei Simulationsergebnisse für den Vergleich der Einschaltcharakteristiken des IGBTs von 8 und der IGBTs nach dem Stand der Technik bei unterschiedlichen Steuerelektrodenwiderständen gezeigt sind;
12 eine schematische perspektivische Darstellung eines Graben-IGBTs gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
13 eine grafische Darstellung, die anhand experimenteller Ergebnisse die Beziehung des Abstands der Kontaktlöcher zur Reduktionsrate des Spitzenstroms im Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 12 zeigt;
14 eine grafische Darstellung, die anhand experimenteller Ergebnisse die Beziehung des Abstands der Kontaktlöcher zur Ein-Spannung im Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 12 zeigt;
15 eine Draufsicht auf einen Graben-IGBT gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
16 einen Querschnitt durch den Graben-IGBT gemäß der vierten Ausführungsform;
17 einen anderen Querschnitt durch den Graben-IGBT gemäß der vierten Ausführungsform;
18 eine schematische Draufsicht auf einen Graben-IGBT nach dem Stand der Technik;
19 einen Querschnitt durch den Graben-IGBT nach dem Stand der Technik in einer Schnittebene A-A in 18;
20 eine schematische Draufsicht auf einen anderen Graben-IGBT nach dem Stand der Technik;
21 einen Querschnitt durch dieser anderen Graben-IGBT in einer Schnittebene B-B in 20;
22 und 23 Teil-Draufsichten auf Graben-IGBTs, sowohl nach dem Stand der Technik als auch nach der Erfindung, zur Veranschaulichung von Beispielen unterschiedlicher Topographien von Gräben.
Die Zeichnung zeigt bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und zum Vergleich Graben-IGBTs nach dem Stand der Technik. Durch alle Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände, die in der folgenden Beschreibung jeweils nur einmal beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung wird als erster Leitfähigkeitstyp der p-Typ und als zweiter Leitfähigkeitstyp der n-Typ zugrundegelegt, die Erfindung ist jedoch auch auf Graben-IGBTs anwendbar, bei denen der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist.
18 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Graben-IGBT nach dem Stand der Technik, und 19 zeigt einen Querschnitt durch den Graben-IGBT in einer Schnittebene A-A in 18.
In 18 sind n-leitende Quellenregionen 3, Steuerelektroden 5, p-leitende Basisregionen 9 und 10 und Steuerelektroden-Verbindungsschienen 13 und 14 zu sehen. Eine Steuerelektroden-Isolierschicht 4, ein schichtartiger Zwischenschichtisolator 6 und eine Emitterelektrode 7 sind in 18 nicht zu sehen. In 19 ist die Querschnittsansicht in der Ebene A-A, nämlich die Struktur über den n-leitenden Quellenregionen 3 und den Steuerelektroden 5, zusammen mit den konstituierenden Elementen, die in 18 nicht zu sehen sind, gezeigt.
Gemäß den 18 und 19 befindet sich auf einer p-leitenden Kollektorschicht 1 eine n-leitende Driftschicht 2 und auf dieser Driftschicht 2 eine p-leitende Basisschicht 20, die durch Gräben 21 geteilt ist in p-leitende Basisregionen 9 und 10. Die n-leitende Quellenregion 3 befindet sich auf der Seite des Grabens 21 in der engen p-leitenden Basisregion 9. In der breiten p-leitenden Basisregion 10 ist keine n-leitende Quellenregion 3 angeordnet.
Die Kollektorschicht 1 ist in Kontakt mit einer ganzflächigen, der Emitterelektrode 7 gegenüberliegenden Kollektorelektrode 8, und die Emitterelektrode 7 ist in Kontakt mit der n-leitenden Quellenregion 3 und der p-leitenden Basisregion 9. Sie ist durch einen filmartigen Zwischenschichtisolator 6 gegen die p-leitende Basisregion 10, die keine n-leitende Quellenregion 3 enthält, isoliert. Die Gräben 21 sind unter Zwischenlage einer Steuerelektroden-Isolierschicht 4 mit der Steuerelektrode 5 gefüllt. Wie die 18 zeigt, sind die Steuerelektroden 5 elektrisch mit den Steuerelektroden Verbindungsschienen 13 verbunden, die sich über die endseitigen Ränder der Gräben 21 erstrecken. Die Verbindungsschienen 13 sind mit einer nicht gezeigten Steuerelektroden-Anschlußfläche verbunden.
Bei dem beschriebenen Aufbau, bei dem sich die Verbindungsschienen 13 über die beiden Enden der Gräben 21 erstrecken, wird der Steuerelektrodenwiderstand zwischen den Verbindungsschienen 13 und dem Zentrum der aktiven Region, in dem der Hauptstrom des Halbleiterbauteils zum Fließen gebracht werden, umso höher, je größer der Halbleiterchip ist. Um dieses Problem zu lösen, werden die Verbindungsschienen 14 im aktiven Bereich in einem Abstand zwischen 2 und 4 mm angeordnet. In in der Figur nicht dargestellter Weise ist um den aktiven Bereich eine Struktur zur Erzielung der Festigkeit gegenüber der Durchbruchspannung, mit Schutzringen und derartigen Mitteln, angeordnet.
20 zeigt in schematischer Draufsicht einen anderen Graben-IGBT nach dem Stand der Technik, und 21 einen Querschnitt durch diesen Graben-IGBT in einer Schnittebene B-B von 20.
Beim Graben-IGBT nach den 20 und 21 ist wiederum die p-leitende Basisschicht 20 in die p-leitenden Basisregionen 9 und 12 durch die Gräben 21 geteilt. Die Emitterelektrode 7 steht hier in Kontakt mit einer p-leitenden Basisregion 12, in der wie bei der Basisregion 10 von 19 keine p-leitende Quellenregion vorhanden ist, und zwar über Kontaktlöcher 11, die im Zwischenschichtisolator 6 ausgebildet sind und durch ihn hindurchgehen (siehe das Dokument JP P2001-308327 A, 1 und 7). Ein nahe dem endseitigen Rand des Grabens 21 angeordnetes Kontaktloch 11 hat eine Querschnittsfläche von 2 μ·2 μm.
20 zeigt die p-leitenden Basisregionen 9 und 12, die n-leitenden Quellenregionen 3, die Steuerelektroden 5, die Verbindungsschienen 13 und 14 und die Kontaktlöcher 11 in der Projektion auf die Oberflächen der p-leitenden Basisregionen 12. Die Steuerelektroden-Isolierschichten 4, die Zwischenschichtisolatoren 6 und die Emitterelektrode 7 sind in 20 nicht zu sehen. 21 zeigt den Querschnitt in der Schnittebene B-B von 20 und somit die Struktur durch die n-leitenden Quellenregionen 3, die Steuerelektroden 5 und die Kontaktlöcher 11, zusammen mit den in 20 nicht sichtbaren Bestandteilselementen.
Für den oben beschriebenen Graben-IGBT können durch die Optimierung der Oberflächenstruktur einschließlich der Gräben 21, also durch Optimieren der Oberflächenstruktur einschließlich der Steuerelektroden 5 niedrige Verluste im stetigen Zustand und niedrige Schaltverluste (Schalten mit hoher Geschwindigkeit) gleichzeitig realisiert werden. Der Graben-IGBT mit der anhand von 21 beschriebenen Struktur erleichtert es zu verhindern, daß seine Durchbruchspannung im Vergleich zu der des Graben-IGBTs nach 19 niedriger ausfällt.
Indessen ergibt sich, wenn die Chips für jeden der oben beschriebenen Graben-IGBTs so groß sind, daß die Verbindungsschiene 14 im aktiven Bereich angeordnet werden muß, eine hohe Kapazität über die Grenzen zwischen den p-leitenden Basisregionen 10 oder 12, die keine Quellenregion 3 enthalten, und den Steuerelektroden-Isolierfilmen 4 im zentralen Teil des aktiven Bereichs zwischen der Steuerelektrode und dem Kollektor. Da der Spannungsabfall und der Stromanstieg aufgrund der hohen Steuerelektroden-Kollektor-Kapazität des Graben-IGBTs bei dessen Einschalten langsam erfolgen, treten hohe Einschaltverluste auf. Um diese Erhöhung der Einschaltverluste zu vermeiden, müssen die Möglichkeiten des Umschaltens der Steuerelektrodenspannung der Schaltvorrichtungen für die Steuerelektroden-Ansteuerung oder der ICs für die Steuerelektroden-Ansteuerung verbessert werden, und die üblichen Vorrichtungen für die Steuerelektroden-Ansteuerung können nicht gebraucht werden.
Weiterhin ist bei Leistungs-Bauteilen in letzter Zeit das Bedürfnis entstanden, daß das durch ihr Schalten erzeugte Strahlungsrauschen reduziert wird. Zur Verminderung des Strahlungsrauschens müssen, wie eingangs dargelegt, die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls (dV/dt) und die Geschwindigkeit des Stromanstiegs (di/dt) erniedrigt werden, die andererseits aus Gründen der Verlustreduzierung erhöht werden müssen. Das Strahlungsrauschen und die Schaltverluste können somit nicht leicht gleichzeitig erniedrigt werden. Wenn zwischen den Einschaltverlusten und dem Strahlungsrauschen in der beschriebenen Weise eine Kompromißbeziehung gefunden werden soll, können die Graben-IGBTs nicht eine der konventionellen Strukturen aufweisen, um ein Optimum zu ergeben, das die Anforderungen hinsichtlich sowohl der Einschaltverluste als auch des Strahlungsrauschens erfüllt.
Bei einem mit einem niedrigen Strom von etwa einem Zehntel des Nennstroms einschaltender IGBT beeinflussen die Bauteilcharakteristiken das Strahlungsrauschen erheblich (S. Momota u. a., a. a. O.). Es wird im Frequenzbereich über 30 MHz durch ein hohes (dV/dt) bewirkt, das Hochfrequenzkomponenten enthält. Um den Spannungsanstieg (dV/dt) beim Schalten eines Inverters unter den Referenzwert zu drücken, muß der Gradient des Hauptstroms (dIc/dt)erniedrigt werden, indem der Steuerelektrodenwiderstand und derartige Parameter entsprechend eingestellt werden.
Jedoch erhöht ein hoher Steuerelektrodenwiderstand die Einschaltverluste des IGBTs. 11 ist ein Verlaufsdiagramm, das die Simulationsergebnisse eines Vergleichs der Einschaltcharakteristiken des in 8 gezeigten IGBTs und des konventionellen IGBTs zeigt, wobei deren Steuerelektrodenwiderstandswerte verändert sind. Wie 11 zeigt, wird der Gradient (di/dt) des Stroms während des Einschaltens des IGBTs (im folgenden bezeichnet als "Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit") durch Erhöhung des Steuerelektrodenwiderstands vermindert. Wenn auch eine Erhöhung des Steuerelektrodenwiderstands zur Reduzierung des Strahlungsrauschens bevorzugbar ist, erhöht sie die Schaltverluste. Unter diesem Gesichtspunkt soll der Graben-IGBT ein niedriges (di/dt) realisieren, während der Steuerelektrodenwiderstand so niedrig als möglich gehalten wird.
Mit Hilfe der nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen des IGBTs ist es möglich, ein Halbleiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode zu schaffen, das die gleichzeitige Erfüllung der Anforderungen sowohl hinsichtlich der Einschaltverluste als auch hinsichtlich des Schaltrauschens erleichtert.
Erste Ausführungsform
In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt; 3 zeigt schematisch in Draufsicht einen Graben-IGBT nach der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit den p-leitenden Basisregionen 9, 10 und 12, den n-leitenden Quellenregionen 3, den Steuerelektroden 5, den Steuerelektroden-Verbindungsschienen 13 und 14 und den bis zur Oberfläche der p-leitenden Basisregionen 12 reichenden Kontaktlöchern 11.
1 zeigt das Bauteil von 3 im Querschnitt in einer Schnittebene C-C in 3. Diese Schnittebene verläuft durch die n-leitenden Quellenregionen 3, die Steuerelektroden 5 und diejenigen Kontaktlöcher 11, die sich nahe an der Verbindungsschiene 14 im aktiven Bereich befinden. 2 zeigt einen Querschnitt in einer Schnittebene D-D in 3. Diese Schnittebene verläuft durch die Verbindungsschiene 14 im aktiven Bereich und durch die Kontaktlöcher 11 auf beiden Seiten der Verbindungsschiene 14. In 3 sind die Steuerelektroden-Isolierschichten 4, die filmartigen Zwischenschichtisolatoren 6 und die Emitterelektrode 7 nicht gezeigt, diese Bestandteilselemente sind aber in 1 und 2 dargestellt.
Die n-leitende Driftschicht 2, nämlich eine zweite Halbleiterschicht, ist bei der Ausführungsform nach 1 bis 3 auf der p-leitenden Kollektorschicht 1, nämlich der ersten Halbleiterschicht, gebildet. Die p-leitende Basisschicht 20, die eine dritte Halbleiterschicht darstellt, ist auf der Driftschicht 2 gebildet und ist durch die Gräben 21 in Basisregionen unterteilt, nämlich in die ersten Basisregionen 9, die zweiten Basisregionen 12 und die dritten Basisregionen 10.
Die ersten Basisregionen 9 enthalten die n-leitenden Quellenregionen 3 und 3, die vierte Halbleiterschichten darstellen, und zwar befinden sich die Quellenregionen 3 im Oberflächenteil der einzelnen p-leitenden Basisregionen 9 auf der Seite des Grabens 21. Weder in der zweiten Basisregion 12 noch in der dritten Basisregion 10 sind n-leitende Quellenregionen 3 gebildet.
Die Emitterelektrode 7, die die erste Hauptelektrode ist, ist in Kontakt sowohl mit den ersten p-leitenden Basisregionen 9 als auch mit den n-leitenden Quellenregionen 3 in den Basisregionen 9. Andererseits ist sie über die durch den Zwischenschichtisolator verlaufenden Kontaktlöcher 11 in Kontakt allein mit den zweiten p-leitenden Basisregionen 12. Die dritten p-leitenden Basisregionen 10 sind von der Emitterelektrode 7 durch den Zwischenschichtisolator 6 isoliert. Der einzelne Graben 21 ist mit der Steuerelektrode 5 gefüllt, wobei zwischen der Grabenwand und der Elektrode der Zwischenschichtisolator 6 und die Steuerelektroden-Isolierschicht 4 liegen. Die zweite Hauptelektrode ist die Kollektorelektrode 8, die in Kontakt mit der Rückseite der p-leitenden Kollektorschicht 1 steht.
Wie 3 zeigt, sind die Steuerelektroden 5 elektrisch mit den beiden Steuerelektroden Verbindungsschienen 13 und 13 verbunden, die über die Endteile der bei dieser Ausführungsform die Form langgestreckter geschlossener Rechtecke aufweisenden Gräben 21 verlaufen. Die Verbindungsschienen 13 bestehen aus dem gleichen Material wie die Steuerelektroden 5, beispielsweise aus Polysilizium, dessen Widerstand durch eine Verunreinigungsdotierung erniedrigt ist. Die Steuerelektroden 5 sind außerdem elektrisch mit der Verbindungsschiene 14 verbunden, die quer über die Gräben 21 im aktiven Bereich des Bauteils verläuft. Die Verbindungsschienen 13 und 14 sind elektrisch mit einer nicht dargestellten Steuerungs-Anschlußfläche verbunden.
Wie 2 zeigt, ist die im aktiven Bereich angeordnete Verbindungsschiene 14 von den zweiten p-leitenden Basisregionen 12 durch die Isolierschichten 4 isoliert. Ebenso ist, in nicht dargestellter Weise, die im aktiven Bereich angeordnete Verbindungsschiene 14 durch die Isolierschichten 4 gegenüber den ersten Basisregionen 9 und den dritten Basisregionen 10 isoliert, und ist an den entsprechenden Schnittpunkten mit den Steuerelektroden 5 elektrisch verbunden.
Wie die 2 und 3 zeigen, sind die Kontaktlöcher 11, die der Verbindung der Emitterelektrode 7 mit den zweiten p-leitenden Basisregionen 12 dienen, beiderseits der Verbindungsschiene 14 im aktiven Bereich und in der Nachbarschaft der außerhalb des aktiven Bereichs liegenden Endbereiche der Gräben 21 angeordnet. Bei dem in 2 dargestellten Aufbau ist eine Steuerelektroden-Schienenverdrahtung 15 beispielhaft in Kontakt mit der Verbindungsschiene 14 angeordnet. Die Schienenverdrahtung 15 wird verwendet, wenn der Widerstand der Steuerelektroden 5 noch zu hoch ist. Die Schienenverdrahtung 15 und die Emitterelektrode 7 werden durch gezieltes Aufbringen der selben Metallschicht gebildet. In nicht dargestellter Weise ist auch noch eine Struktur zur Sicherstellung der Durchbruchspannung einschließlich Schutzringen und derartigen Mitteln um den aktiven Bereich vorhanden.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Verhältnis der Anzahl N1 der zweiten p-leitenden Basisregionen 12, die elektrisch mit der Emitterelektrode 7 verbunden sind, zur Anzahl N2 der dritten p-leitenden Basisregionen 10, die von der Emitterelektrode 7 isoliert sind, beschrieben. Die Zahl N1 der zweiten Basisregionen 12 und die Zahl N2 der dritten Basisregionen 10 sind durch die folgende Beziehung miteinander verknüpft: 25 ≤ {N1/(N1 + N2)}·100 ≤ 75
Anders ausgedrückt, liegt die bevorzugte Zahl N1 der zweiten Basisregionen 12 im Bereich von 25 % bis 75 % der Gesamtzahl (N1 + N2) der zweiten und dritten Basisregionen 12 und 10. Im folgenden wird das Verhältnis {N1/(N1 + N2)} bezeichnet als die "Kurzschlußrate". Diese sollte also auf einen Wert zwischen 25 % und 75 % festgesetzt werden.
Wird im Verhältnis zu drei dritten Basisregionen 10 eine einzige zweite Basisregion 12 eingerichtet, so beträgt die Kurzschlußrate 25 %. Sind drei zweite Basisregionen 12 im Verhältnis zu einer dritten Basisregion 10 vorhanden, so beträgt die Kurz schlußrate 75 %. In den 1 und 3 ist die Kurzschlußrate 50 %.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 wird nun die Ursache erläutert, warum die Festsetzung der Kurzschlußrate zwischen 25 % und 75 % bevorzugenswert ist. 4 zeigt zwei Kurven, die sich auf die Einschaltverluste (Eon) bzw. auf die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt) während des Einschaltens des Bauelements (im folgenden bezeichnet als "Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit") relativ zur Kurzschlußrate beziehen. Gemäß 4 erhöht sich die Spannungsänderungsgeschwindigkeit mit sich erhöhender Kurzschlußrate und werden die Einschaltverluste mit sich erhöhender Kurzschlußrate niedriger.
5 zeigt eine Kurvenschar, die die Beziehung der Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dV/dt) zum Steuerelektrodenwiderstand mit der Kurzschlußrate als Parameter zeigt. Gemäß der Literatur wird die Höhe des Strahlungsrauschens beeinflußt durch die Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit und durch die Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit. Da diese beiden Geschwindigkeiten im Gleichklang ansteigen oder abfallen, wird im folgenden die Spannungsänderungsgeschwindigkeit als das Charakteristikum verwendet, das die Höhe des Strahlungsrauschens wiedergibt.
Bezugnehmend auf 4, steigen, wenn die Kurzschlußrate zwischen 0 und 25 % beträgt, die Einschaltverluste Eon mit abnehmender Kurzschlußrate steil an und ist die Erniedrigung der Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit, die das Strahlungsrauschen erheblich beeinflußt, geringfügig. Um die Einschaltverluste so zu drücken, daß sie niedrig sind, muß die Steuerelektroden-Spannungsumschaltungsfähigkeit der Schaltvorrichtungen für die Ansteuerung der Steuerelektrode, oder müssen die ICs für die Ansteuerung der Steuerelektrode, wie es im Zusammenhang mit den Problemen der bekannten Graben-IGBTs beschrieben wurde, verbessert werden. Die Steuerelektroden-Ansteuerungsmöglichkeiten der bekannten Bauteile sind für die Steuerelektrodenansteuerung nicht ausreichend. Die Kurz schlußrate im Bereich zwischen 0 und 25 % ist deshalb nicht bevorzugenswert.
Wenn die Kurzschlußrate zwischen 75 und 100 % liegt, steigt mit sich erhöhender Kurzschlußrate die Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit steil an, während die Erniedrigung der Einschaltverluste mäßig ist. Wie 5 zeigt, wird die Einschalt-Spannungsänderungsgeschwindigkeit nicht so niedrig, wenn sich die Kurzschlußrate an 100 % annähert, selbst wenn ein hoher Steuerelektrodenwiderstand verwendet wird. Da es nicht möglich ist, das Strahlungsrauschen innerhalb des spezifizierten Bereichs zu begrenzen, ist eine Kurzschlußrate zwischen 75 % und 100 % nicht bevorzugenswert. Somit wird die Kurzschlußrate im Bereich zwischen 25 % und 75 % bevorzugt.
Da die Emitterelektrode 7 und die zweiten p-leitenden Basisregionen 12 miteinander elektrisch nicht nur nahe den Gräben 21, sondern auch an beiden Seiten der Verbindungsschiene 14 im Mittelteil des aktiven Bereichs verbunden sind, ist die Steuerelektroden-Kollektor-Kapazität in den gesamten Basisregionen 12 reduziert, die im zentralen Teil des aktiven Bereichs von den jeweiligen Gräben 21 umgeben sind. Folglich wird die Geschwindigkeit des Spannungsabfalls während des Einschaltens des IGBTs (hier bezeichnet als "Einschalt-Spannungsabfallsgeschwindigkeit") hoch und sind die Einschaltverluste bei dieser ersten Ausführungsform der Erfindung reduziert.
Durch das Wählen der Kurzschlußrate zwischen 25 % und 75 % wird ein IGBT erhalten, der einen optimalen Aufbau hat, welcher das Erfüllen der Spezifikationen über die Einschaltverluste und über das Strahlungsrauschen erleichtert, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Es wird also vermieden, daß das Problem der unzureichenden Steuerelektroden-Ansteuerungsmöglichkeiten der konventionellen Schaltvorrichtungen für die Steuerung der Steuerelektrode oder der konventionellen ICs für die Steuerelektrodenansteuerung, und das Problem des Strahlungsrauschens außerhalb des spezifizierten Bereichs auftreten.
Zweite Ausführungsform
6 zeigt in Draufsicht schematisch einen Graben-IGBT nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und 7 einen Querschnitt in einer Schnittebene E-E in 6, wobei diese Schnittlinie durch die Kontaktlöcher 11 verläuft, die entlang einer Seite der Steuerelektroden-Verbindungsschiene 14 aufgereiht sind.
Beim Graben-IGBT nach der ersten Ausführungsform (1) sind die n-leitenden Quellenregionen 3 nur in den ersten p-leitenden Basisregionen 9 ausgebildet. Um dies einfach auszuführen, müssen die Positionen einerseits der Maske zum Bilden der n-leitenden Quellenregionen 3 und andererseits der Maske zum Bilden der Gräben 21 relativ zueinander sehr genau ausgerichtet werden. Zur Entspannung der Anforderungen an die Maskenpositionierungspräzision und zum Verbessern der Massenproduktionseffizienz ist es nützlich, die Quellenregionen 3 zu verbreitern. Gemäß den 6 und 7 sind diese Quellenregionen 3 verbreitert und sind an beiden Seiten der Gräben 21 gebildet. Diese Konfiguration erleichtert die Verteilung der Quellenregionen 3 gleichförmig über den aktiven Bereich und mindert die Komplizierung, daß in einigen p-leitenden Basisregionen keine n-leitenden Quellenregionen gebildet werden sollen.
Es sind also n-leitende Quellenregionen 3 auch in den dritten p-leitenden Basisregionen 10 gebildet, diese Quellenregionen 3 in den Basisregionen 10 haben aber nicht die Funktion von Quellen, da sie gegen die Emitterelektrode 7 durch den Zwischenschichtisolator 6 isoliert sind. Weiterhin sind auch n-leitende Quellenregionen 3 in den zweiten p-leitenden Basisregionen 12 gebildet, aber auch diese Quellenregionen 3 in den Basisregionen 12 haben nicht die Funktion von Quellen, da die zweiten p-leitenden Basisregionen 12 mit der Emitterelektrode 7 über die Kontaktlöcher 11 verbunden sind, während die in diesen Basisregionen 12 befindlichen Quellenregionen 3 mit der Emitterelektrode 7 keinen Kontakt haben. Der Graben-IGBT nach der zweiten Ausführungsform zeigt die gleichen Effekte wie der nach der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
8 zeigt einen Querschnitt zur Veranschaulichung der Prinzipien eines Graben-IGBTs nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß 8 ist die p-leitende Basisschicht 20 in relativ schmale p-leitende Basisregionen 9 und relativ breite p-leitende Basisregionen 16, die breiter sind als die schmalen Basisregionen 9, geteilt. Die einzelne breite Basisregion 16 ist mit der Emitterelektrode 7 elektrisch über einen Widerstand 31 von wenigstens 50 mΩ verbunden. Die Emitterelektrode 7 hat Kontakt sowohl zu den n-leitenden Quellenregionen 3, die sich in den schmalen Basisregionen 9 befinden, als auch zu den schmalen Basisregionen 9 selbst in gleicher Weise wie beim Graben-IGBT nach der ersten Ausführungsform.
In 9 ist die durch eine Simulation erhaltene Beziehung zwischen der Reduktionsrate des Spitzenstroms und dem Wert des Widerstands 31 im Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 8 grafisch dargestellt, wobei bei diesem Aufbau die relativ breiten p-leitenden Basisregionen 16 gegen die Emitterelektrode 7 isoliert sind, ebenso wie beim in 19 gezeigten Aufbau nach dem Stand der Technik. Wird bei diesem Aufbau der Spitzenstrom als 100 gesetzt, und ist es dann notwendig, den Spitzenstromwert auf maximal 90 % des Spitzenstroms beim bekannten Aufbau einzustellen, so ist es, wie 9 zeigt, wirksam, den Wert des Widerstands 31 auf maximal 2 Ω festzusetzen. Soll der Wert des Spitzenstroms auf höchstens 92 % des Spitzenstroms des bekannten Aufbaus justiert werden, so ist es wirksam, den Wert des Widerstands 31 auf maximal 3 Ω zu setzen. Zum Justieren des Spitzenstroms auf maximal 96 % des Spitzenstroms des bekannten Aufbaus ist es wirksam, den Wert des Widerstands 31 auf maximal 100 Ω zu setzen.
10 veranschaulicht als grafische Darstellung die durch Simulation erhaltene Beziehung zwischen der Ein-Spannung und dem Wert des Widerstands 31 im Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 8.
Gemäß 10 beträgt die Ein-Spannung bis maximal 2,5 V, wenn der Widerstandswert des Widerstands 31 50 mΩ oder höher ist. Wenn der Wert des Widerstands 31 50 mΩ unterschreitet, wird die Ein-Spannung höher als 2,5 V, mit der Folge einer Erhöhung der Verluste im stetigen Zustand. Ein Wert des Widerstands 31 von oder unter 50 mΩ ist also nicht zweckmäßig, vielmehr liegt dieser Wert vorzugsweise zwischen 50 mΩ und 100 Ω und speziell bevorzugt zwischen 50 mΩ und 3 Ω, und höchst vorzugsweise zwischen 50 mΩ und 2 Ω.
11 zeigt als Ergebnis einer Simulation den Verlauf des Kollektorstroms über der Zeit zum Vergleich der Einschaltcharakteristiken des Graben-IGBTs, wenn der Wert des Widerstands 31 auf 400 mΩ gesetzt ist. Die Spitzenstromwerte sind in 11 durch Bezugszeichen 41 bis 44 bezeichnet. Die Spitzenstromwerte 41 und 42 beim Einschalten des Graben-IGBTs mit dem Aufbau gemäß 8, im folgenden bezeichnet als "Einschalt-Spitzenstromwert", betragen 81 A (Wert 41) für den Steuerelektrodenwiderstand 12 Ω und 51 A (Wert 42) für den Steuerelektrodenwiderstand 48 Ω. Durch eine Änderung des Steuerelektrodenwiderstandswerts von 12 Ω auf 48 Ω wird also der Einschalt-Spitzenstromwert des Graben-IGBTs erheblich erniedrigt, nämlich um eine Reduktionsrate von etwa 37 %.
Die Spitzenstromwerte 43 und 44 in 11 sind die Einschalt-Spitzenstromwerte des Graben-IGBTs nach dem Stand der Technik mit dem Aufbau gemäß 19, diese Werte betragen 100 A (Wert 43) für den Steuerelektrodenwiderstand 31 von 12 Ω und 95 A (Wert 44) für den Steuerelektrodenwiderstand 31 von 48 Ω. Der Spitzenstrom wird also nur um etwa 5 % erniedrigt. Da gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Einschalt-Spitzenstromwert wie beschrieben erheblich vermindert wird, vermindern sich entsprechend auch die Schaltverluste.
Der Einschalt-Spitzenstromwert ist angenähert proportional der Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt). Wenn der Spitzenstromwert höher ist, ist folglich auch die Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit höher, und wenn der Spitzenstromwert niedriger ist, ist auch die Einschalt-Stromänderungsgeschwindigkeit geringer. Da beim beschriebenen Graben-IGBT nach der dritten Ausführungsform die Spitzenstrom-Änderungsgeschwindigkeit relativ zu einer Änderung des Steuerelektrodenwiderstands 31 im Vergleich zum Stand der Technik höher ist, kann dadurch, daß der Steuerelektrodenwiderstand niedriger gewählt wird als der in den Graben-IGBTs nach dem Stand der Technik verwendete Steuerelektrodenwiderstand, eine niedrige Stromänderungsgeschwindigkeit realisiert werden. Das Strahlungsrauschen beim Schalten des Graben-IGBTs ist also reduziert.
Im folgenden wird der Widerstand 31 genauer beschrieben. 12 zeigt in perspektivischer Darstellung schematisch den Aufbau des Graben-IGBTs, der als Widerstand 31 den Schichtwiderstand einer Verunreinigungsschicht in der relativ breiten p-leitenden Basisregion 16 verwendet, um diese Basisregion 16 mit der Emitterelektrode 7 zu verbinden. Der Graben-IGBT enthält die streifenförmigen Gräben 21 sowie Kontaktabschnitte 7a, über die die relativ schmalen p-leitenden Basisregionen 9 und die Emitterelektrode 7 verbunden sind. Die Kontaktabschnitte 7a verlaufen stetig entlang den schmalen Basisregionen 9. Die breiten Basisregionen 16 sind elektrisch mit der Emitterelektrode 7 über Kontaktlöcher 7b verbunden, die durch den Zwischenschichtisolator 6 verlaufen. Die Kontaktlöcher 7b sind mit dem Metall gefüllt, das auch zum Bilden der Emitterelektrode 7 aufgesprüht worden ist.
Obwohl hier keine spezifische Grenze angegeben werden soll, sind die einzelnen Kontaktlöcher 7b quadratisch mit einigen μm Kantenlänge bemessen, beispielsweise 5 μm. Sie liegen in einer Reihe entlang dem Streifen des Grabens 21 in einem Abstand zwischen 200 μm und 2 mm, und werden durch einfaches Ändern eines Teils des Maskenmusters zum Bilden der Ätzmaske, die zum Ätzen des filmförmigen Zwischenschichtisolators 6 gebraucht wird, und durch Füllen gleichzeitig mit dem Besprühen des Zwischenschichtisolators 6 zum Bilden der Kontaktabschnitte 7a hergestellt. Anders ausgedrückt, wird der Graben-IGBT gemäß der dritten Ausführungsform durch den gleichen Herstellungsprozeß hergestellt wie der, durch den der IGBT nach dem Stand der Technik hergestellt wird.
13 zeigt als grafische Darstellung die experimentell bestimmte Beziehung der Abstände zwischen den Kontaktlöchern 7b zur Spitzenstromreduktionsrate beim Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 12. Auf der vertikalen Achse von 13 ist die Differenz zwischen den Einschaltspitzenstromwerten des Graben-IGBTs von 12 aufgetragen, wenn der Steuerelektrodenwiderstand 31 einerseits 12 Ω und andererseits 48 Ω beträgt. Gemäß 13 liegt die Reduktionsrate des Spitzenstroms bei gleich oder über 10 %, wenn der Abstand zwischen den Kontaktlöchern 7b 2 mm oder weniger beträgt. Die Charakteristiken des Graben-IGBTs sind in diesem Bereich also deutlich verbessert im Vergleich zu den Charakteristiken des Graben-IGBTs nach dem Stand der Technik, wo die Spitzenstromreduktionsrate etwa 5 % beträgt.
Die grafische Darstellung von 14 zeigt in Form experimenteller Ergebnisse die Beziehung zwischen einerseits dem Abstand zwischen den Kontaktlöchern 7b und andererseits der Ein-Spannung beim Graben-IGBT mit dem Aufbau nach 12. Wie 14 zeigt, ist ein Abstand zwischen den Kontaktlöchern 7b von weniger als 200 μm nicht zweckmäßig, da dann die Ein-Spannung 2,5V übersteigt. Es ist also vorteilhaft, den Abstand zwischen den Kontaktlöchern 7b auf einen Wert zwischen 200 μm und 2 mm festzusetzen. Als Beispiel sei ein Schritt zwischen den Kontaktlöchern 7b von 500 μm für den Graben-IGBT, der eine Durchbruchspannung der 1.200-V-Klasse aufweist, oder von 1.000 μm für den Graben-IGBT, der eine Durchbruchspannung der Klasse 1.700 V aufweist, genannt.
Im folgenden sind Beispiele für die Dimensionen und Verunreinigungskonzen trationen im Graben-IGBT des Aufbaus nach 12 angegeben. Die Durchbruch-Spannungsklasse reicht von 600 V bis 3.300 V Entsprechend der Darstellung von 12 beträgt die Breite der Einheitszelle 20 bis 30 μm, wobei der Graben 21 eine Breite von 1 μm hat und der Schritt zwischen zwei Gräben 21 und 21, die zwischen sich die relativ schmalen p-leitenden Basisregionen 7 einschließen, 3 bis 4 μm beträgt. Der Abstand zwischen zwei Gräben 21 und 21, die zwischen sich die relativ breiten p-leitenden Basisregionen 16 einschließen, also die Breite dieser Basisregionen 16, beträgt 15 bis 26 μm, und die Verunreinigungskonzentration in dieser breiten Basisregion 16 beträgt 10¹⁶ cm^–3 bis 10¹⁸ cm^–3 und vorzugsweise 10¹⁷ cm^–3.
Vierte Ausführungsform
15 zeigt eine Draufsicht auf einen Graben-IGBT nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und 16 zeigt den Querschnitt in einer Schnittebene F-F in 15, wobei diese Schnittebene die breite p-leitende Basisregion 16 und einen im folgenden als "ersten Kontaktabschnitt" bezeichneten Kontaktabschnitt 32a, in dem die breite Basisregion 16 und eine dotierte Polysiliziumschicht 32 elektrischen Kontakt haben, schneidet. 17 zeigt den Querschnitt in einer Schnittebene G-G in 15, wobei diese Schnittebene durch den ersten Kontaktabschnitt 32a und einen im folgenden als "zweiten Kontaktabschnitt" bezeichneten Kontaktabschnitt 7c, in dem die Emitterelektrode 7 und die dotierte Polysiliziumschicht 32 miteinander Kontakt haben, verläuft. Bei der vierten Ausführungsform bildet die dotierte Polysiliziumschicht 32, soweit sie die breite Basisregion 16 mit der Emitterelektrode 7 verbindet, den Widerstand 31.
In 15 sind die p-leitenden Basisregionen 9 und 16, die Steuerelektroden-Isolierschicht 4, die Steuerelektroden 5, die dotierte Polysiliziumschicht 32, der erste Kontaktabschnitt 32a und der zweite Kontaktabschnitt 7c, der von der Oberfläche der dotierten Polysiliziumschicht 32 vorsteht; zu sehen und sind der Zwischenschichtisolatoren 6 und die Emitterelektrode 7 nicht gezeigt. Die in 15 nicht gezeigten Bestandteilselemente sind in den 16 und 17 zu sehen.
Die dotierte Polysiliziumschicht 32 ist über der breiten p-leitenden Basisregion 16 angeordnet und als Streifen geformt, der sich entlang dem Verlauf der Gräben 21 erstreckt. Sie ist durch den Zwischenschichtisolator 6 von der breiten Basisregion 16 und von der Emitterelektrode 7 getrennt, jedoch mit der breiten Basisregion 16 über den ersten Kontaktabschnitt 32a elektrisch verbunden und mit der Emitterelektrode 7 über den zweiten Kontaktabschnitt 7c elektrisch verbunden. Der Wert des Widerstands 31 gemäß 8 wird durch den Abstand zwischen dem ersten Kontaktabschnitt 32a und dem zweiten Kontaktabschnitt 7c, die Breite der Polysiliziumschicht 32 und deren Verunreinigungskonzentration eingestellt. Der Graben-IGBT nach der vierten Ausführungsform zeigt die gleichen Effekte wie der nach der dritten Ausführungsform. Der Widerstand 31 kann in den Graben-IGBT eingebaut werden, ohne daß man irgendwelche mehrlagigen Metallverdrahtungsstrukturen anwenden muß.
Bei den entsprechend den Ausführungsformen der Erfindung aufgebauten IGBTs können Abwandlungen und Modifikationen, wie sie für den Fachmann offensichtlich sind, durchgeführt werden, ohne daß der Inhalt der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können im aktiven Bereich des IGBT nach der ersten oder nach der zweiten Ausführungsform mehrfache Verbindungsschienen 14 angeordnet sein. In diesem Fall können die Kontaktlöcher 11 auf beiden Seiten jeder Verbindungsschiene 14 in der zweiten p-leitenden Basisregion 12 angeordnet sein und diese Basisregion 12 und die Emitterelektrode 7 können elektrisch über Kontaktlöcher 11 verbunden sein.
Die Gräben 21 können auch andere Verläufe als die dargestellten Rechtecke haben, beispielsweise nur als Streifen ausgebildet sein, wie 22 zeigt, oder als Streifen gitter- oder leiterartig miteinander verbunden sein, wie 23 zeigt. Der aktive Bereich ist jeweils der Bereich, der als Transistor agiert, während der außerhalb des aktiven Bereichs liegende Teil keine Transistorfunktion ausführt. Die Steuerelektrode 5 unter der Verbindungsschiene 13 muß bei streifenförmigen, auch miteinander verbundenen Gräben 21 nicht notwendigerweise im Graben angeordnet sein, soweit nur die Verbindungsschiene 13 und die Steuerelektrode 5 elektrisch miteinander verbunden sind. Die "Endbereiche der Gräben" sind also die Endbereiche der Längsseiten des oder außerhalb des aktiven Bereichs.
Die erfindungsgemäßen Graben-IGBTs erweisen sich als nützlich auf dem Gebiet der Leistungs-Bauteile, die für elektrische Leistungs-Umsetzer verwendet werden.

Claims

Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode, umfassend: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht (1), eine zweite Halbleiterschicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht (2), eine dritte Halbleiterschicht (20) des ersten Leitfähigkeitstyps; in der dritten Halbleiterschicht (20) ausgebildete, bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht (2) reichende Gräben (21), durch die die dritte Halbleiterschicht (20) in mehrere Halbleiterregionen (9, 10, 12) geteilt ist; vierte Halbleiterschichten (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen einiger der Halbleiterregionen (9, 10, 11) gebildet sind, in die die dritten Halbleiterschicht (20) geteilt ist; in jedem der Gräben (21) eine Steuerelektrode (5) unter Zwischenlage einer Isolierschicht (4); eine erste Hauptelektrode (7) oben auf der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators (6); eine zweite Hauptelektrode (8), die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht (1) verbunden ist; wobei auf der dritten Halbleiterschicht (20) im aktiven Bereich eine Verbindungsschiene (14) verläuft, in der das Halbleiterbauteil einen Strom fließen läßt, und zwischen der Verbindungsschiene (14) und der dritten Halbleiterschicht (20) eine Isolierschicht (4) liegt und die Verbindungsschiene (14) elektrisch mit den Steuerelektroden (5) verbunden ist; und wobei die erste Hauptelektrode (7) mit der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) in den Halbleiterregionen (9), die die darin ausgebildeten vierten Halbleiterschichten (3) enthalten, durch den Zwischenschichtisolator (6) hindurch im Kontakt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptelektrode (7) mit der dritten Halbleiterschicht (20) über Kontaktlöcher (11), die in der Nachbarschaft der stumpfen Enden der Graben (21) und in der Nachbarschaft der Verbindungsschiene (13) durch den Zwischenschichtisolator (6) hindurch ausgebildet sind, in einigen der Halbleiterregionen (12), die keine vierte Halbleiterschicht (3) enthalten, in Kontakt ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außer den genannten Halbleiterregionen (12), die keine vierte Halbleiterschicht (3) enthalten, weitere Halbleiterregionen (10), die keine vierte Halbleiterschicht (3) enthalten, von der ersten Hauptelektrode (7) durch den Zwischenschichtisolator (6) isoliert sind.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N1 der einigen Halbleiterregionen (12), die keine vierte Halbleiterschicht (3) enthalten, aber in Kontakt mit der ersten Hauptelektrode (7) stehen, und die Anzahl N2 der weiteren Halbleiterregionen (10), die keine vierte Halbleiterschicht (3) enthalten, aber gegen die erste Hauptelektrode (f isoliert sind, zueinander durch die folgende Beziehung verknüpft sind: 0,25 ≤ N1/(N1 + N2) ≤ 0,75.
Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode, umfassend: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht (1), eine zweite Halbleiterschicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht (2), eine dritte Halbleiterschicht (20) des ersten Leitfähigkeitstyps; in der dritten Halbleiterschicht (20) ausgebildete, bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht (2) reichende Gräben (21), durch die die dritte Halblei terschicht (20) in mehrere Halbleiterregionen (9, 10, 12) geteilt ist; vierte Halbleiterschichten (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen der ersten Halbleiterregionen (9) gebildet sind; in jedem der Gräben (1) eine Steuerelektrode (5) unter Zwischenlage einer Isolierschicht (4); eine erste Hauptelektrode (7) oben auf der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators (6); eine zweite Hauptelektrode (8), die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht (1) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (20) durch die Gräben (21) wenigstens in erste Halbleiterregionen (9), zweite Halbleiterregionen (12) und dritte Halbleiterregionen (10) geteilt ist; wobei auf der dritten Halbleiterschicht (20) im aktiven Bereich eine Verbindungsschiene (14) verläuft, in der das Halbleiterbauteil einen Strom fließen läßt, und zwischen der Verbindungsschiene (14) und der dritten Halbleiterschicht (20) eine Isolierschicht (4) liegt und die Verbindungsschiene (14) elektrisch mit den Steuerelektroden (5) verbunden ist; daß die erste Hauptelektrode (7) mit der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) durch den Zwischenschichtisolator (6) hindurch in den ersten Halbleiterregionen (9), und nur mit der dritten Halbleiterschicht (20) über Kontaktlöcher (11), die durch den Zwischenschichtisolator (6) hindurch ausgebildet sind, in den zweiten Halbleiterregionen (12) in Kontakt ist und gegen die dritte Halbleiterschicht (20) und die vierten Halbleiterschichten (3) durch den Zwischenschichtisolator (6) in den dritten Halbleiterregionen (10) isoliert ist; und daß die Kontaktlöcher (11) in der Nachbarschaft der Endbereiche der Gräben (21) und in der Nachbarschaft der Laufschiene (14) liegen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N1 der zweiten Halbleiterregionen (12) und die Anzahl N2 der dritten Halbleiterregionen (10) miteinander durch die folgende Beziehung verknüpft sind: 0,25 ≤ N1/(N1 + N2) ≤ 0,75.
Halbeiterbauteil mit isolierter Steuerelektrode, umfassend: eine erste Halbleiterschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; auf der ersten Halbleiterschicht (1), eine zweite Halbleiterschicht (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps; auf der zweiten Halbleiterschicht (2), eine dritte Halbleiterschicht (20) des ersten Leitfähigkeitstyps; durch die dritten Halbleiterschicht (20) bis hinunter zur zweiten Halbleiterschicht (2) reichende Gräben (21), durch die die dritte Halbleiterschicht (20) in mehrere Halbleiterregionen (9, 16) geteilt ist; vierte Halbleiterschichten (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv zumindest in den Oberflächenteilen einiger der Halbleiterregionen (9, 16) gebildet sind; in jedem der Gräben (1) eine Steuerelektrode (5) unter Zwischenlage einer Isolierschicht (4); eine erste Hauptelektrode (7) oben auf der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) unter Zwischenlage eines filmartigen Zwischenschichtisolators (6); eine zweite Hauptelektrode (8), die elektrisch mit der ersten Halbleiterschicht (1) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (20) durch die Gräben (21) wenigstens in relativ schmale Halbleiterregionen (9) und relativ breite Halbleiterregionen (16) unterteilt ist (8); daß die vierten Halbleiterschichten (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps selektiv wenigstens in den Oberflächenteilen der relativ schmalen Halblei terregionen (9) gebildet sind; daß die erste Hauptelektrode (7) mit der dritten Halbleiterschicht (20) und den vierten Halbleiterschichten (3) durch den Zwischenschichtisolator (6) im Bereich der relativ schmalen Halbleiterregionen (9) in Kontakt ist; und daß die dritte Halbleiterschicht (20) mit der ersten Hauptelektrode (7) über einen Widerstand (31) von 50 mΩ oder höher in den relativ breiten Halbleiterregionen (16) verbunden ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (31) den Schichtwiderstand einer Verunreinigungsschicht (32) an der relativ breiten Halbleiterregion (16) umfaßt und diese Verunreinigungsschicht (32) elektrisch mit der ersten Hauptelektrode (7) über Kontaktlöcher (7b) verbunden ist, die örtlich durch den Zwischenschichtisolator (6) hindurchverlaufen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (21) als jeweilige Streifen gebildet sind, die parallel zueinander verlaufen, und die Kontaktlöcher (7b) entlang den streifenförmigen Gräben (21) in einem Abstand zwischen 200 μm und 2 mm aufgereiht sind.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (31, 32) dotiertes Polysilizium enthält.