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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem
IGBT und einer Diode.
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Eine
Inverterschaltung zur Ansteuerung einer Last, wie beispielsweise
eines Motors, entspricht einem Wandler zum Wandeln eines Gleichstroms
in einen Wechselstrom. Folglich wandelt der Wandler eine Gleichspannung
derart in eine Wechselspannung, dass die Inverterschaltung die Last
mit Strom versorgt. Die Inverterschaltung zur Ansteuerung eines
Induktionsmotors weist einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter
Gateelektrode) und eine FWD (Freilaufdiode) auf. Der IGBT bildet
eine Schaltvorrichtung. Die FWD überbrückt den
durch den Motor fließenden
Strom beim Sperren des IGBT derart, dass die FWD den durch den Motor
fließenden
Strom derart steuert, dass er einem Schaltvorgang des IGBT gegenüber konstant
ist. Insbesondere ist der IGBT derart elektrisch zwischen eine Gleichstromversorgung
und den Motor geschaltet, dass eine vorbestimmte Spannung an den
Motor gelegt wird. Wenn der IGBT sperrt, fließt der durch den Motor fließende Strom über die
FWD zurück
zur Gleichstromversorgung, bedingt durch die in einem Blindwiderstand
L des Motors gespeicherte Energie. Folglich wird eine invertierte
Gleichspannung an den Motor gelegt. Folglich wird der Schaltvorgang
des IGBT vorgesehen, um die Wechselspannung aus der Gleichstromversorgung
zu liefern, ohne den durch den Motor fließenden Strom schnell auf Null
zu senken. Da die Inverterschaltung diese Vorgänge vorsieht, muss die FWD
in Sperrrichtung parallel zum IGBT geschaltet werden. Folglich wird
ein Elementepaar aus der FWD und dem IGBT gebildet, so dass der
IGBT und die FWD umgekehrt zueinander in Reihe geschaltet sind.
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8 zeigt
ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung 90 als Vergleichsbeispiel
der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung wird für eine Inverterschaltung
verwendet, um eine Last, wie beispielsweise einen Motor, anzusteuern.
Die Vorrichtung weist eine IGBT-Zelle und eine Diodenzelle auf,
die in demselben Halbleitersubstrat gebildet sind. 9 zeigt eine
entsprechende Schaltung der in der 8 gezeigten
Vorrichtung 90.
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Die
Vorrichtung 90 weist ein n–-leitendes Halbleitersubstrat 1 mit
einer Hauptoberfläche
auf. Eine p-leitende Schicht 2 ist in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 auf der Hauptoberflächenseite gebildet. Ein n-leitender
Bereich 3 auf einer Hauptoberflächenseite (d.h. ein Haupt-n-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
und ein p-leitender Bereich 4 auf der Hauptoberflächenseite
(d.h. ein Haupt-p-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
sind in einem Oberflächenabschnitt
der p-leitenden Schicht 2 gebildet. Ferner sind ein p-leitender
Bereich 5 auf einer Rückseite
(d.h. ein Rückseiten-p-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
und ein n-leitender Bereich 6 auf der Rückseite (d.h. ein Rückseiten-n-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
auf der Rückseite
in einem Oberflächenabschnitt
des Substrats 1 gebildet.
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In
der Vorrichtung 90 ist ein Graben T1 gebildet. Der Graben
T1 dringt durch den n-leitenden Bereich 3 auf der Hauptoberflächenseite
und die p-leitende Schicht 2 und erreicht das n–-leitende
Halbleitersubstrat 1.
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Eine
erste Elektrodenschicht 8 aus Polysilizium ist über einen
an einer Innenwand des Grabens T1 gebildeten Isolierfilm 7 in
dem Graben T1 gebildet. Die erste Elektrodenschicht 8 bildet
eine Gateelektrode der IGBT-Zelle 90i. Eine zweite Elektrodenschicht 10 aus
Aluminium ist über
einen Zwischenisolierfilm 9 auf der Hauptoberfläche des
Substrats 1 gebildet. Die zweite Elektrodenschicht 10 ist über den
n-leitenden Bereich 3 auf
der Hauptoberflächenseite
und den p-leitenden Bereich 4 hoher Störstellenkonzentration auf der
Hauptoberflächenseite
elektrisch mit der p-leitenden Schicht 2 verbunden. Die
zweite Elektrodenschicht 10 bildet eine Anode der Diodenzelle 90d und
eine Emitterelektrode der IGBT-Zelle 90i. Eine dritte Elektrodenschicht 11 ist
auf der Rückseite
des Substrats 1 gebildet und elektrisch mit dem p-leitenden
Bereich 5 auf der Rückseite
und dem n-leitenden Bereich 6 auf der Rückseite verbunden. Die dritte Elektrodenschicht 11 bildet
eine Kollektorelektrode der IGBT-Zelle 90i und die Kathode
der Diodenzelle 90d.
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Folglich
bildet der Haupt-n-Bereich 3 in der Vorrichtung 90 einen
Emitterbereich der IGBT-Zelle 90i, die p-leitende Schicht 2 den
Kanalbereich der IGBT-Zelle 90i und der Rückseiten-p-Bereich 5 den
Kollektorbereich der IGBT-Zelle 90i. Ferner bildet die Grenze
zwischen dem Substrat 1 und der p-leitenden Schicht 2 einen
p-n-Übergang
der Diodenzelle 90d, der Haupt-p-Bereich 4 den
Anodenbereich der Diodenzelle 90d und der Rückseiten-n-Bereich 6 den Kathodenbereich
der Diodenzelle 90d. In der Vorrichtung 90 sind
die IGBT-Zelle 90i und die Diodenzelle 90d, wie
in 9 gezeigt, elektrisch parallel geschaltet.
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Wird
die Diode 90d in der Vorrichtung 90 als FWD in
der Inverterschaltung verwendet, so ist eine Stromwellenform von
Bedeutung, wenn sich die Diode bei einem Wechsel von einem Ein-
in einen Aus-Zustand gegensinnig erholt.
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10A zeigt eine Bewertungsschaltung zum Messen
der Stromwellenform des durch die Diode 90d fließenden Stroms. 10B zeigt ein Beispiel für die Stromwellenform.
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8 zeigt
die Halbleitervorrichtung 90 mit einem Aufbau gleich den
zwei Halbleitervorrichtungen 90a und 90b. Die
IGBT-Zelle 90ai in der ersten Vorrichtung 90a bildet
eine Schaltvorrichtung, und der durch die Diodenzelle 90bd in
der zweiten Vorrichtung 90b fließende Strom wird erfasst, wenn
der IGBT in der zweiten Vorrichtung 90b kurzgeschlossen
wird.
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Wenn
der IGBT 90ai in der ersten Vorrichtung 90a ausgeschaltet
wird, fließt,
wie in 10B gezeigt, ein Umlaufstrom
Iif in der Diode 90bd der zweiten Vorrichtung 90b.
Wenn die IGBT-Zelle 90ai der ersten Vorrichtung 90a eingeschaltet
wird, fließt unverzüglich ein
Rückstrom
in die Diode 90bd der zweiten Vorrichtung 90b.
Der in entgegengesetzter Richtung zu dem Umlaufstrom Iif fließende Rückstrom
weist einen Spitzenstrom auf, der als Erholstrom Irr definiert ist.
Bei einer Rückerholung
bzw. Ausräumung
(reverse recovery) wird die Energieversorgungsspannung an die Diode
gelegt und ist ein Produkt aus Spannung und Strom als Erholverlust definiert.
Gewöhnlich
muss eine Gleichrichterdiode einen geringen Erholstrom Irr, einen
geringen Erholverlust bei einem Rückerholprozess und eine sanfte Erholung
des Stroms bei dem Rückerholprozess
aufweisen.
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In
der Vorrichtung 90 der 8 dient
die Diodenzelle 90d als FWD mit einem p-n-Übergang
einer Grenze zwischen der p-leitenden Schicht 2 und dem
Substrat 1 in der IGBT-Zelle 90i. Folglich ist
die Diodenzelle 90d zusammen mit der IGBT-Zelle 90i gebildet.
Die Diodenzelle 90d weist eine hohen Störstellenkonzentration des p-leitenden
Bereichs 2 auf, der einem p-leitenden Abschnitt der FWD
entspricht. Wenn die Diodenzelle 90d im Durchlassbetrieb
arbeitet, wird folglich ein Loch bzw. eine Zone hoher Störstellenkonzentration
eingeleitet, so dass der Erholstrom Irr bei dem Erholvorgang zunimmt.
Hierdurch nimmt die Erholleistung einen geringen Wert an.
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Zur
Verbesserung der Erholleistung der Diodenzelle 90d wird
vorzugsweise ein Oberflächenmuster,
ein Störstellenkonzentrationsprofil
oder eine Lebensdauer der Diode im Falle einer einzelnen Hochgeschwindigkeitsdiode
optimiert. Da die Diodenzelle 90d jedoch zusammen mir der
IGBT-Zelle 90i gebildet ist, kann eine Strukturänderung,
wie beispielsweise die obige Optimierung zur Verbesserung der Diodenleistung,
die Leistung der IGBT-Zelle 90i verschlechtern. Folglich
ist es schwierig, die Diodenleistung zu verbessern.
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Die
JP-A-2005-101514, welche der US 2005-0045960 entspricht, offenbart
eine Halbleitervorrichtung, mit welcher die Diodenleistung verbessert
werden kann, ohne die Leistung der IGBT-Zelle 90i zu verringern.
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11 zeigt die in der US 2005-0045960
offenbarte Halbleitervorrichtung 91.
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In
der Vorrichtung 91 ist der Kanalbereich der IGBT-Zelle 91i durch
einen p-leitenden Bereich 2w gebildet, der durch Diffundieren
in horizontaler Richtung gebildet wird. Der p-n-Übergang der Diodenzelle 91d ist
zwischen dem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 und dem sich
in horizontaler Richtung des Substrats 1 erstreckenden
p-leitenden Bereich 2w gebildet.
Insbesondere ist der p-n-Übergang
an einer Grenze zwischen einem Ende des p-leitenden Bereichs 2 in
der horizontalen Richtung und dem Substrat 1 angeordnet.
Das Ende des p-leitenden Bereichs 2 in horizontaler Richtung
weist eine vergleichsweise geringe Störstellenkonzentration auf,
so dass eine eingeleitete Lochkonzentration bei einem Durchlassbetrieb
der Diodenzelle 91d verringert wird. Folglich wird die
Erholleistung verbessert.
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Die
in der 11 gezeigte Vorrichtung 91 weist
keinen Haupt-p-Bereich 4 auf, obgleich die Vorrichtung 90 der 8 den Haupt-p-Bereich 4 aufweist.
Der p-leitende Bereich 2w in der Vorrichtung 91 weist
eine Oberflächenstörstellenkonzentration auf,
die geringer als die des p-leitenden Bereichs 2 in der
Vorrichtung 90 ist. In diesem Fall weist ein parasitärer PNP-Transistor
einen hohen Basiswiderstand auf, der durch einen Abschnürwiderstand
des p-leitenden Kanals (d.h. den p-leitenden Bereich 2w)
gebildet wird. Der parasitäre
PNP-Transistor wird hierbei aus dem Haupt-n-Bereich 3,
dem p-leitenden Bereich 2w und dem Substrat 1 gebildet.
Folglich nimmt der Stromverstärkungsfaktor
des parasitären NPN-Transistors
zu. Wenn ein hoher Spannungsstoß an
die Vorrichtung 91 gelegt und ein Lawinenstrom in dem p-leitenden
Bereich 2w fließt,
arbeitet der parasitäre
NPN-Transistor leicht, so dass die Vorrichtung 91 durch
den hohen Spannungsstoß beschädigt werden
kann. Obgleich die Erholleistung der Diodenzelle 91d verbessert
wird, ist die Durchschlagenergie derart gering, dass die Vorrichtung 91 eine
geringe Überspannungsspannungsfestigkeit
aufweist.
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Folglich
muss eine Halbleitervorrichtung eine IGBT-Zelle mit ausreichender
Leistung und eine Diodenzelle mit ausreichender Erholleistung bei
ausreichender Überspannungsspannungsfestigkeit
aufweisen.
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Es
ist angesichts des vorstehend beschriebenen Problems Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT
und einer Diode bereitzustellen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung ein
Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, einen in dem
Substrat angeordneten IGBT und eine in dem Substrat angeordnete
Diode auf. Das Substrat weist eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps,
eine zweite Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Bereich
des ersten Leitfähigkeitstyps auf
der ersten Seite, einen Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite und einen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite auf. Die zweite Schicht ist auf der ersten Seite der ersten
Schicht angeordnet und weist eine Störstellenkonzentration auf,
die sich von der ersten Seite der zweiten Schicht zu der zweiten
Seite der zweiten Schicht verringert. Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
der ersten Seite ist auf der ersten Seite der zweiten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite sind auf der zweiten Seite der ersten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite liegt benachbart zu dem Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite. Das Substrat weist ferner einen ersten Graben,
einen zweiten Graben, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode
und eine dritte Elektrode auf. Die erste Elektrode ist über einen
Isolierfilm in dem ersten Graben eingebettet. Der erste Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und die zweite Schicht und erreicht die erste
Schicht. Die erste Elektrode bildet eine Gateelektrode des IGBT.
Die zweite Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite angeordnet, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite verbunden ist. Der zweite Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und erreicht die zweite Schicht. Der zweite
Graben ist derart mit der zweiten Elektrode gefüllt, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit der zweiten Schicht verbunden ist. Die zweite Elektrode bildet
eine Emitterelektrode des IGBT und eine Anode der Diode. Die dritte
Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite angeordnet, dass die dritte Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf
der zweiten Seite verbunden ist. Die dritte Elektrode bildet eine
Kollektorelektrode des IGBT und eine Kathode der Diode.
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Bei
der obigen Vorrichtung bildet die zweite Schicht einen Kanal des
IGBT und einen p-leitenden Abschnitt der Diode. Die Vorrichtung
weist eine ausreichende IGBT-Leistung und eine ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeit
auf. Ferner weist die mit der Anode der Diode verbundene zweite Schicht
die Störstellenkonzentration
auf, die sich von dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite der zweiten Schicht verringert. Folglich wird eine
eingeleitete Lochkonzentration beim Durchlassbetrieb verringert, so
dass ein Erholstrom bei einem Rückerholprozess einen
geringen Wert annimmt. Folglich wird der Erholverlust in der Vorrichtung
derart verringert, dass die Erholeigenschaften verbessert werden.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung ein
Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, einen in dem
Substrat angeordneten IGBT und eine in dem Substrat angeordnete
Diode auf. Das Substrat weist eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps,
eine zweite Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Bereich
des ersten Leitfähigkeitstyps auf
der ersten Seite, einen Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite und einen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite auf. Die zweite Schicht ist auf der ersten Seite der ersten
Schicht angeordnet und weist eine Störstellenkonzentration auf,
die sich von der ersten Seite der zweiten Schicht zu der zweiten
Seite der zweiten Schicht verringert. Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
der ersten Seite ist auf der ersten Seite der zweiten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite sind auf der zweiten Seite der ersten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite liegt benachbart zu dem Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite. Das Substrat weist ferner einen ersten Graben,
einen zweiten Graben, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode
und eine dritte Elektrode auf. Die erste Elektrode ist über einen
Isolierfilm in dem ersten Graben eingebettet. Der erste Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und die zweite Schicht und erreicht die erste
Schicht. Die erste Elektrode bildet eine Gateelektrode des IGBT.
Die zweite Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite angeordnet, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite verbunden ist. Der zweite Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und erreicht die zweite Schicht. Der zweite
Graben ist derart mit der zweiten Elektrode gefüllt, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit der zweiten Schicht verbunden ist. Die zweite Elektrode bildet
eine Emitterelektrode des IGBT und eine Kathode der Diode. Die dritte
Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite angeordnet, dass die dritte Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf
der zweiten Seite verbunden ist. Die dritte Elektrode bildet eine
Kollektorelektrode des IGBT und eine Anode der Diode.
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Bei
der obigen Vorrichtung bildet die zweite Schicht einen Kanal des
IGBT und einen n-leitenden Abschnitt der Diode. Die Vorrichtung
weist eine ausreichende IGBT-Leistung und eine ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeit
auf. Fer ner weist die mit der Kathode der Diode verbundene zweite
Schicht die Störstellenkonzentration
auf, die sich von dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite der zweiten Schicht verringert. Folglich wird eine
eingeleitete Lochkonzentration beim Durchlassbetrieb verringert,
so dass ein Erholstrom bei einem Rückerholprozess einen geringen
Wert annimmt. Folglich wird der Erholverlust in der Vorrichtung
derart verringert, dass die Erholeigenschaften verbessert werden.
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Die
obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde,
näher ersichtlich.
In der Zeichnung zeigt/zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B Querschnittsansichten von
zur Simulation verwendeten Halbleitervorrichtungen;
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3A eine
Querschnittsansicht einer weiteren zur Simulation verwendeten Halbleitervorrichtung
und 3B ein Diagramm eines Störstellenkonzentrationstiefenprofils
der in der 2A und 3A gezeigten
Vorrichtungen;
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4 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen
einem Rückstrom
einer Diodenzelle und einer Tiefe eines zweiten Grabens in den in
den 2A, 2B und 3A gezeigten
Vorrichtungen;
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5 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen
einer Zeit und einem Strom der Diodenzelle in den in den 2A und 3A gezeigten
Vorrichtungen;
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6 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
Ausgestaltung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Querschnittsansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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8 eine
Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem
Vergleich der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9 ein
Schaltbild einer entsprechenden Schaltung der in der 8 gezeigten
Vorrichtung;
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10A ein Schaltbild einer Messschaltung zur Erfassung
einer Stromwellenform in der Vorrichtung der 9 und 10B ein Diagramm eines Verhältnisses zwischen einer Zeit
und einem Strom in der Diodenzellen in der Vorrichtung der 9;
und
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11 eine
Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung.
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt
eine Halbleitervorrichtung 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine IGBT-Zelle 100i und
eine Diodenzelle 100d auf, die in demselben Halbleitersubstrat 1 gebildet
sind. Die Vorrichtung 100 weist ein n–-leitendes
Halbleitersubstrat 1 mit einer Hauptoberfläche und
einer Rückseitenoberfläche auf.
Eine p-leitende Schicht 2a ist auf der Hauptoberfläche des
Substrats 1 gebildet, und eine Störstellenkonzentration des p-leitenden Bereichs 2a verringert
sich graduell von einem Oberflächenabschnitt
zu einem inneren Abschnitt. Eine n+-leitender
Bereich 3a auf der Hauptoberflächenseite (d.h. ein Haupt-n-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
und ein p+-leitender Bereich 4a auf
der Hauptoberflächenseite
(d.h. ein Haupt-p-Bereich) mit einer hohen Störstellenkonzentration sind auf
dem Oberflächenabschnitt
des p-leitenden Bereichs 2a gebildet. Der Haupt-p-Bereich 4a ist
derart mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens gebildet, dass der Haupt-p-Bereich 4a den
p-n-Übergang
zwischen dem p-leitenden
Bereich 2a und dem Haupt-n-Bereich 3a nicht erreicht.
Der Haupt-p-Bereich 4a ist nahe einer Gateelektrode der
IGBT-Zelle 100i angeordnet.
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Ein
p+-leitender Bereich 5 auf der
Rückseitenoberfläche (d.h.
ein Rückseiten-p-Bereich) mit einer
hohen Störstellenkonzentration
und ein n+-leitenden Bereich 6 auf
der Rückseitenoberfläche (d.h.
ein Rückseiten-n-Bereich)
mit einer hohen Störstellenkonzentration
sind in einem Oberflächenabschnitt des
Substrats 1 auf der Rückseitenoberfläche gebildet.
Vorzugsweise liegt der Haupt-p-Bereich 4a benachbart zum
Haupt-n-Bereich 3a. In diesem Fall weist die Anordnung
der IGBT-Zelle 100i und der Diodenzelle 100d verglichen
mit einem Fall, bei welchem der Haupt-p-Bereich 4a getrennt von dem Haupt-n-Bereich 3a angeordnet
ist, eine hohe Anordnungsdichte auf. Folglich werden die Abmessungen der
Vorrichtung 100 verringert, so dass die Vorrichtung 100 verkleinert
wird.
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In
der Vorrichtung 100 ist ein erster Graben T1 gebildet.
Der erste Graben T1 dringt durch den Haupt-n-Bereich 3a und
die p-leitende Schicht 2a und erreicht das Substrat 1.
In der Vorrichtung 100 ist ferner ein zweiter Graben T2
gebildet. Der zweite Graben T2 dringt durch den Haupt-p-Bereich 4a und erreicht
die Innenseite des p-leitenden Bereichs 2a. Der zweite
Graben T2 dringt ebenso durch den Haupt-n-Bereich 3a. In diesem Fall
weisen die IGBT-Zelle 100i und die Diodenzelle 100d eine
hohe Anordnungsdichte auf, so dass die Vorrichtung 100 verglichen
mit einem Fall, bei welchem der zweite Graben T2 an einer anderen
Position gebildet ist und nicht den Haupt-n-Bereich 3a durchdringt,
verkleinert wird.
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Eine
erste Elektrodenschicht 8 aus Polysilizium oder dergleichen
ist über
einen an einer Innenwand des ersten Grabens T1 gebildeten Isolierfilm 7 in
dem ersten Graben T1 eingebettet. Die erste Elektrodenschicht 8 bildet
eine Gateelektrode der IGBT-Zelle 100i.
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Eine
zweite Elektrodenschicht 10 aus Aluminium oder dergleichen
ist über
einen Zwischenschichtisolierfilm 9 auf der Hauptoberfläche des
Substrats 1 gebildet. Die zweite Elektrodenschicht 10 ist ebenso
in dem zweiten Graben T2 eingebettet. Die zweite Elektrodenschicht 10 ist über den
Haupt-n-Bereich 3a und den Haupt-p-Bereich 4a elektrisch
mit dem p-leitenden Bereich 2a verbunden. Die zweite Elektrodenschicht 10 bildet
eine Emitterelektrode der IGBT-Zelle 100i und eine Anode
der Diodenzelle 100d. Die zweite Elektrodenschicht 10 ist
ebenso derart mit dem Haupt-n- Bereich 3a und
dem Haupt-p-Bereich 4a verbunden, dass diese durch die zweite
Elektrodenschicht 10 kurzgeschlossen sind. Folglich sind
der Emitter und der Kanal der IGBT-Zelle 100i elektrisch
kurzgeschlossen und ist das Potential des Kanals fest. Folglich
wird der Betrieb der IGBT-Zelle 100i stabilisiert.
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In
der Vorrichtung 100 ist eine dritte Elektrodenschicht 11 auf
der Rückseitenoberfläche des Substrats 1 gebildet.
Die dritte Elektrodenschicht 11 verbindet den Rückseiten-p-Bereich 5 und
dem Rückseiten-n-Bereich 6 derart
elektrisch miteinander, dass diese kurzgeschlossen sind. Die dritte
Elektrodenschicht 11 bildet eine Kathode der Diodenzelle 100d und
eine Kollektorelektrode der IGBT-Zelle 100i.
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In
der Vorrichtung 100 ist die p-leitende Schicht 2a in
dem Oberflächeabschnitt
der Hauptoberfläche
des Substrats 1 gebildet und weist die sich graduell von
dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite des Substrats 1 verringernde Störstellenkonzentration
auf. Die p-leitende Schicht 2a bildet die Kanalbildungsschicht
der IGBT-Zelle 100i und
den p-leitenden Abschnitt der Diodenzelle 100d. Der Aufbau der
IGBT-Zelle 100i in
der Vorrichtung 100 entspricht einem üblichen Aufbau einer IGBT-Zelle,
so dass die IGBT-Zelle 100i die üblichen Eigenschaften aufweist.
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In
der Vorrichtung mit der IGBT-Zelle 100i und der Diodenzelle 100d,
die in dem Substrat 1 gebildet sind, bilden der Haupt-n-Bereich 3a,
die p-leitende Schicht 2a und das n-leitende Halbleitersubstrat 1 einen
parasitären
NPN-Transistor. Dieser parasitäre
NPN-Transistor ist gemäß einem üblichen
parasitären
NPN-Transistor aufgebaut. Folglich ist die Überspannungsspannungsfestigkeit
der Vorrichtung 100 ausreichend.
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Bei
der Vorrichtung 90 der 8 ist die
zweite Elektrodenschicht 10 als die Anode der Diodenzelle 90d über den
Haupt-p-Bereich 4 auf dem Oberflächenabschnitt des Substrats 1 elektrisch
mit der p-leitenden Schicht 2 verbunden. Bei der Vorrichtung 100 der 1 bildet
die zweite Elektrodenschicht 10, die in dem zweiten Graben
T2 eingebettet ist und die Innenseite der p-leitenden Schicht 2a erreicht,
jedoch die Anode der Diodenzelle 100d und ist die zweite Elektrodenschicht 10 elektrisch
mit der p-leitenden Schicht 2a verbunden. Die Innenseite
der p-leitenden Schicht 2a weist eine Störstellenkonzentration
auf, die geringer als die Störstellen konzentration
des Oberflächenabschnitts
ist. Folglich wird eine eingeleitete Lochkonzentration beim Durchlassbetrieb
der Diodenzelle 100d verglichen mit der der Vorrichtung 90 verringert.
Folglich nimmt der Erholstrom Irr der Diodenzelle 100d im
Falle eines Rückerholprozesses einen
geringen Wert an und wird ebenso der Erholverlust verringert. Folglich
wird die Erholleistung der Diodenzelle 100d verbessert.
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Die
Vorrichtung 100 weist ausreichende IGBT-Eigenschaften,
ausreichende Erholeigenschaften der Diodenzelle 100d und
ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeitseigenschaften
auf.
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Ferner
ist der Haupt-p-Bereich 4a bei der Vorrichtung 100 in
dem Oberflächenabschnitt
der p-leitenden Schicht 2a gebildet und dringt der zweite Graben
T2 durch den Haupt-p-Bereich 4a. Ferner ist die zweite
Elektrodenschicht 10 elektrisch mit dem Haupt-p-Bereich 4a auf
der Seitenwand des Grabens T2 verbunden. Die Verbindung zwischen
der zweiten Elektrodenschicht 10 und dem Haupt-p-Bereich 4a sieht
einen ohmschen Kontakt vor. Die Störstellenkonzentration des Haupt-p-Bereichs 4a ist
beispielsweise größer oder
gleich 1·1019cm–3, so dass der Haupt-p-Bereich 4a und
die Emitterelektrode einen ausgezeichneten ohmschen Kontakt aufweisen.
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Bei
der Vorrichtung 100 ist die zweite Elektrodenschicht 10 als
Emitter der IGBT-Zelle 100i mit dem Haupt-p-Bereich 4a verbunden.
Folglich ist das elektrische Potential der p-leitenden Schicht 2a als die
Kanalbildungsschicht der IGBT-Zelle 100i sicher festgesetzt.
Insbesondere wird der Abschnürwiderstand
der p-leitenden Schicht 2a durch die Bildung des Haupt-p-Bereich 4a verringert.
Folglich wird der Betrieb des parasitären NPN-Transistors verhindert, so
dass die Überspannungsspannungsfestigkeit
verbessert wird. Ferner ist die zweite Elektrodenschicht 10 als
die Anode der Diodenzelle 100d mit dem Haupt-p-Bereich 4a auf
der Seitenwand des zweiten Grabens T2 und die zweite Elektrodenschicht 10 mit der
Innenseite der p-leitenden
Schicht 2a an einem oberen Ende des zweiten Grabens T2
verbunden. Folglich wird die Erholleistung der Diodenzelle 100d selbst
dann nicht verringert, wenn der Haupt-p-Bereich 4a in der
Vorrichtung 100 gebildet ist.
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Ferner
verringert sich die Störstellenkonzentration
der p-leitenden Schicht 2a in der Vorrichtung 100 von
dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite und kann die p-leitende
Schicht 2a derart mit Hilfe eines einzelnen Diffusionsverfahrens
gebildet werden, dass sie eine Einschichtstruktur aufweist. Alternativ kann
die p-leitende Schicht 2a derart mit Hilfe eines zweifachen
Diffusionsverfahrens gebildet werden, dass sie eine Doppelschichtstruktur
aufweist, die eine Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration und eine
Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration aufweist.
Die Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration ist auf
einer Oberflächenseite
der p-leitenden Schicht 2a und die Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration
auf einer Innenseite der p-leitenden Schicht 2a angeordnet.
In der 1 weist die p-leitende Schicht 2a die
Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration
und die Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration auf.
In diesem Fall erreicht der zweite Graben T2 die Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration
derart, dass die zweite Elektrodenschicht 10 elektrisch
mit der Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration verbunden
ist.
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Da
die p-leitende Schicht 2a die Doppelschichtstruktur aufweist,
sind die Störstellenkonzentration
der Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration und die
Störstellenkonzentration
der Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration unabhängig voneinander
steuerbar. Folglich kann die Störstellenkonzentration
der Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration derart
angemessen bestimmt werden, dass eine Schwellenwertspannung des
Kanalbereichs der IGBT-Zelle 100i auf eine vorbestimmte
Spannung gesetzt ist. Ferner kann die Störstellenkonzentration der Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration derart
angemessen bestimmt werden, dass der Rückstrom der Diodenzelle 100d angemessen
verringert wird. Folglich kann die Störung bzw. Störanfälligkeit
zwischen der IGBT-Zelle 100i und der Diodenzelle 100d in
der Vorrichtung 100 durch die Doppelschichtstruktur der
p-leitenden Schicht 2a verringert werden. Die Eigenschaften
der IGBT-Zelle 100i und der Dioden-Zelle 100d sind
individuell und leicht steuerbar.
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Nachstehend
wird das Simulationsergebnis des Stromflusses in der Diodenzelle 100d bei
einer Verwendung der Vorrichtung 100 für eine Inverterschaltung und
bei einer Verwendung der Diodenzelle 100d für eine Freilaufdiode
(FWD) beschrieben.
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Die 2A und 2B zeigen
zwei verschiedene, für
die Simulation verwendete Halbleitervorrichtungen 101 und 102.
Die 2a und 2B zeigen
die entsprechende Konzentrationslinien der Störstellenkonzentration in jeder
Schicht der Vorrichtungen 101 und 102. 3A zeigt
eine weitere für die
Simulation verwendete Halbleitervorrichtung 103. 3B zeigt
das Tiefenprofil der Störstellenkonzentration
in den Vorrichtungen 101 und 103 entlang der Linie
IIA-IIA in der 2A und der Linie IIIA-IIIA in der 3A.
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Die
Vorrichtung 101 weist verglichen mit der Vorrichtung 100 eine
einfache Struktur auf, wobei die p-leitende Schicht 2a die
Einschichtstruktur aufweist und der Haupt-p-Bereich 4a nicht
um den zweiten Graben T2 herum gebildet ist. Die p-leitende Schicht 2a und
die zweite Elektrodenschicht 10 in dem zweiten Graben T2
sind auf dem gesamten Kontaktbereich zwischen beiden über einen
ohmschen Kontakt elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind der Haupt-n-Bereich 3a und
die zweite Elektrodenschicht 10 in dem zweiten Graben T2
ebenso auf dem gesamten Kontaktbereich zwischen beiden über einen ohmschen
Kontakt elektrisch miteinander verbunden.
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Bei
der Vorrichtung 102 weist die p-leitende Schicht 2a die
Doppelschichtstruktur einschließlich der
Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration
und der Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration auf. Ferner
ist der Haupt-p-Bereich 4a ebenso an einem oberen Ende
des zweiten Grabens T2 gebildet. Die Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration
und die Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration der p-leitenden
Schicht 2a und die zweite Elektrodenschicht 10 in
dem zweiten Graben T2 sind auf dem gesamten Kontaktbereich zwischen
beiden über
einen ohmschen Kontakt elektrisch miteinander verbunden. Ferner
sind der Haupt-n-Bereich 3a und die zweite Elektrodenschicht 10 in
dem zweiten Graben T2 ebenso auf dem gesamten Kontaktbereich zwischen beiden über einen
ohmschen Kontakt elektrisch miteinander verbunden.
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Die
Vorrichtung 103 weist die gleiche Struktur wie die Vorrichtung 100 auf.
In der Vorrichtung 103 weist die p-leitende Schicht 2a die
Doppelschichtstruktur einschließlich
der Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration und der
Schicht 2ah hoher Störstellenkonzentration
auf. Die zweite Elektrodenschicht 10 in dem zweiten Graben
T2 ist an einem oberen Ende des zweiten Grabens T2 mit der Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration
verbunden. Hierbei ist die Störstellenkonzentration
der Schicht 2al geringer Störstellenkonzentration vergleichsweise
gering, so dass die elektrische Verbindung zwischen der Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration
und der zweiten Elektrodenschicht 10 in dem zweiten Graben
T2 nahe dem oberen Ende des zweiten Grabens T2 einen Schottky-Kontakt
vorsieht. Ferner ist der Haupt-p-Bereich 4a benachbart
zu dem Haupt-n-Bereich 3a gebildet und sieht die elektrische Verbindung
zwischen dem Haupt-p-Bereich 4a und der zweiten Elektrodenschicht 10 in
dem zweiten Graben T2 auf der Seitenwand des zweiten Grabens T2
einen ohmschen Kontakt vor. Ferner sieht die elektrische Verbindung
zwischen dem Haupt-n-Bereich 3a und der zweiten Elektrodenschicht 10 in
dem zweiten Graben T2 auf der Seitenwand des zweiten Grabens T2
einen ohmschen Kontakt vor.
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4 zeigt
eine über
das Simulationsergebnis erhaltene Beziehung zwischen einer Grabentiefe des
zweiten Grabens T2 und einem Erholstrom Irr der Diodenzelle in jeder
der Vorrichtungen 101, 102, 103. 5 zeigt
eine über
das Simulationsergebnis erhaltene Stromwellenform der Diodenzelle
in jeder der Vorrichtungen 101 und 103. In der 5 beträgt der über das
Simulationsergebnis erhaltene Erholstrom Irr der Vorrichtung 101 mit
der über
die einzelne Diffusion erhaltenen Kanalstruktur 253A und
der über
das Simulationsergebnis erhaltene Erholstrom Irr der Vorrichtung 103 mit
der mit der über
die zweifache Diffusion erhaltenen Kanalstruktur 180A.
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In
der 4 entspricht ein Fall, bei welchem der zweite
Graben T2 eine Tiefe von Null aufweist, d.h. die Vorrichtungen 101 und 102 keinen
zweiten Graben T2 aufweist, der in der 8 gezeigten
Vorrichtung 90. In diesem Fall beträgt der Erholstrom Irr 380 A.
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Bei
der Vorrichtung 101 mit der Einschichtstruktur der p-leitenden
Schicht 2a und dem ohmschen Kontakt zwischen der p-leitenden
Schicht 2a und der zweiten Elektrodenschicht 10 auf
dem gesamten Kontaktbereich zwischen beiden wird der Erholstrom
Irr verringert, wenn die Tiefe des zweiten Grabens T2 zunimmt. Wenn
die Tiefe des zweiten Grabens T2 beispielsweise 1.7 μm beträgt, beträgt die Erholstrom
Irr 240 A, so dass er deutlich geringer als bei der Vorrichtung 90 ist.
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Bei
der Vorrichtung 102 mit der Zweischichtstruktur der p-leitenden
Schicht 2a und dem Haupt-p-Bereich 4a an dem oberen
Ende des zweiten Grabens T2 wird der Erholstrom Irr ebenso verringert,
wenn die Tiefe des zweiten Grabens T2 zunimmt. Hierbei ist die Verringerungsrate
des Erholstroms Irr in der Vorrichtung 102 geringer als
die in der Vorrichtung 101. Wenn die Tiefe des zweiten
Grabens T2 beispielsweise 1.7 μm
beträgt,
beträgt
der Erholstrom Irr 330 A, so dass er geringer als bei der Vorrichtung 90 ist.
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Bei
der Vorrichtung 103 mit der Zweischichtstruktur der p-leitenden
Schicht 2a und der zweiten Elektrodenschicht 10 in
dem zweiten Graben T2 in Kontakt mit der Schicht 2al geringer
Störstellenkonzentration über den
Schottky-Kontakt an dem oberen Ende des zweiten Grabens T2 wird
die Verringerung des Rückstroms
Irr maximal. Wenn die Tiefe des zweiten Grabens T2 beispielsweise
1.7 μm beträgt, beträgt der Erholstrom
Irr 180 A, so dass er deutlich geringer als bei der Vorrichtung 90 ist.
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Folglich
liegt die Störstellenkonzentration
der mit der zweiten Elektrodenschicht 10 an dem oberen Ende
des zweiten Grabens T2 verbundenen p-leitenden Schicht 2a vorzugsweise
niedriger, um den Erholstrom der Diodenzelle zu verringern.
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Vorzugsweise
ist die elektrische Verbindung zwischen der p-leitenden Schicht 2a und
der zweiten Elektrodenschicht 10 an dem oberen Ende des
zweiten Grabens T2 ein Schottky-Kontakt. Gewöhnlich stellt der Schottky-Kontakt
eine Gleichrichtfunktion bereit, so dass der Elektronenfluss einzig
dann stattfindet, wenn die Diode den Strom in Durchlassrichtung
führt.
Folglich wird die Locheinleitung von einem ohmschen Kontaktabschnitt
verringert. Folglich wird das Loch durch den Schottky-Kontakt im
Falle eines Erholprozesses entfernt. Dies führt dazu, dass die Erholeigenschaften
verbessert werden. Folglich sieht die elektrische Verbindung zwischen
der zweiten Elektrodenschicht 10 und der p-leitenden Schicht 2a an
dem oberen Ende des zweiten Grabens T2 als ein Hauptteil der Anode
in der Diodenzelle den Schottky-Kontakt mit der Gleichrichtung vor.
Folglich wird der Erholstrom im Falle des Rückerholprozesses kleiner als
in dem Fall, bei welchem die gesamte Verbindung durch den ohmschen
Kontakt vorgesehen ist. Folglich wird der Erholverlust verringert
und werden die Erholeigenschaften verbessert.
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6 zeigt
eine weitere Halbleitervorrichtung 104 gemäß einer
Ausgestaltung der bevorzugten Ausführungsform.
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Die
Vorrichtung 104 weist eine IGBT-Zelle 104i und
eine Diodenzelle 104d auf, die in dem Substrat 1 gebildet
sind. Die Vorrichtung 104 weist eine n-leitende Schicht 1a auf
der Rückseite
(d.h. eine Rückseiten-n-Schicht)
auf, die derart auf dem Rückseiten-p-Bereich 5 und
dem Rückseiten-n-Bereich 6 in
dem Substrat 1 gebildet ist, dass die Rückseiten-n-Schicht 1a den
Rückseiten-p-Bereich 5 und den
Rückseiten-n-Bereich 6 bedeckt.
Die Störstellenkonzentration
der Rückseiten-n-Schicht 1a liegt
zwischen der Störstellenkonzentration
des Substrats 1 und dem Rückseiten-n-Bereich 6.
Die Rückseiten-n-Schicht 1a entspricht
einer Feldstoppschicht zur Verhinderung eines Durchbruchs (punch-through)
in einer Sperrschicht, die sich von dem Hauptoberflächenabschnitt
der p-leitenden Schicht 2a und dem Rückseiten-p-Bereich 5 zu
dem Substrat 1 erstreckt. Folglich weist die Vorrichtung 104 eine hohe
Durchbruchspannung auf.
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7 zeigt
noch eine weitere Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der bevorzugten Ausführungsform.
Die Vorrichtung 105 weist eine IGBT-Zelle 105i und eine Diodenzelle 105d auf,
die in dem Substrat 1 gebildet sind. Ferner weist die Vorrichtung 105 die
n-leitende Schicht 1a auf der Rückseite auf, die derart auf
dem Rückseiten-p-Bereich 5 und
dem Rückseiten-n-Bereich 6 in dem
Substrat 1 gebildet ist, dass die Rückseiten-n-Schicht 1a den
Rückseiten-p-Bereich 5 und den
Rückseiten-n-Bereich 6 bedeckt.
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Bei
der Vorrichtung 105 ist ein p-leitender Bereich 2b auf
einer zweiten Hauptoberflächenseite auf
dem Hauptoberflächenabschnitt
des Substrats 1 gebildet, der im Gegensatz zur Diodenzelle 105d in einem
Bereich ohne einen p-leitenden Bereich 2a angeordnet ist.
Die zweite Elektrodenschicht 10 ist elektrisch nicht nur
mit dem p-leitenden Bereich 2a, sondern ebenso mit dem
p-leitenden Bereich 2b auf der Hauptoberflächenseite
verbunden. Folglich weist die Vorrichtung 105 ferner eine
zweite Diodenzelle 105d2 auf, die durch den p-leitenden
Bereich 2b auf der zweiten Hauptoberflächenseite, das Substrat 1 und
den Rückseiten-n-Bereich 6 vorgesehen
ist. In der zweiten Diodenzelle 105d2 bildet die zweite
Elektrodenschicht 10 eine Anode und die dritte Elektrodenschicht 11 eine
Kathode. Die zweite Diodenzelle 105d2 liegt benachbart
zur Diodenzelle 105d, die einer ersten Diodenzelle 105 entspricht.
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In
jeder Vorrichtung 100, 104 der 1 und 6 ist
die Diodenzelle 100i, 104i durch die p-leitende
Schicht 2a und das n-leitende Halbleitersubstrat 1 und
den n-leitenden
Bereich 6 auf der Rückseitenoberfläche gebildet.
Diese Diodenzelle 100i, 104i bildet eine Hauptdiodenzelle.
Obgleich die Erholeigenschaften der Hauptdiodenzelle 100i, 104i verbessert
werden, nimmt die Strombelastbarkeit der Diodenzelle 100i, 104i verglichen
mit der Diodenzelle 90d in der Vorrichtung 90 ohne
zweiten Graben T2 und der Anode 10 nahe des Oberflächenabschnitts des
Substrats 1 einen geringen Wert an.
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Bei
der Vorrichtung 105 der 7 ist die zweite
Diodenzelle 105d2 auf einem Abschnitt des Substrats 1 gebildet,
der sich von einem Abschnitt des Substrats 1 unterscheidet,
auf welchem die erste Diodenzelle 105d gebildet ist. Diese
zweite Diodenzelle 105d2 sieht eine ausreichende Strombelastbarkeit
vor. Bei der zweiten Diodenzelle 105d2 ist die Anode 10 elektrisch
mit dem p-leitenden Bereich 2b auf der zweiten Hauptoberflächenseite
verbunden. Der p-leitende Bereich 2b auf der zweiten Hauptoberflächenseite
kann jedoch von der IGBT-Zelle 105 getrennt gebildet werden,
und ferner wird die Störstellenkonzentration
des p-leitenden Bereichs 2b auf der zweiten Hauptoberflächenseite
angemessen gesteuert. Folglich werden die Erholeigenschaften verbessert.
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Bei
der Vorrichtung 105 ist der Rückseiten-p-Bereich 5 unter
der p-leitenden Schicht 2a und der Rückseiten-n-Bereich 6 unter
dem p-leitenden Bereich 2b auf der zweiten Hauptoberflächenseite gebildet.
Folglich wird die Diodenleistung der ersten Diodenzelle 105d derart
verringert, dass die erste Diodenzelle 105d zusammen mit
der IGBT-Zelle 105i hauptsächlich als IGBT und die zweite
Diodenzelle 105d2 als Hauptdiode arbeitet. Folglich wird
der Designfreiheitsgrad für
die Vorrichtung 105 verbessert und kann die Vorrichtung 105 leicht
designt werden, da der IGBT-Funktionsteil (d.h. die IGBT-Zelle 105i mit
der Diodenzelle 105d) und der Diodenfunktionsteil (d.h.
die zweite Diodenzelle 105d2) deutlich voneinander getrennt
sind.
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In
jeder der Vorrichtungen 100–105 der 1–7 ist
die p-leitende Schicht 2a auf dem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 und
sind die n-Kanal-IGBT-Zelle 100i–105i und die Diodenzelle 100d–105d mit
der p-leitenden Schicht 2a als Anode gebildet. Alternativ
kann eine n-leitende Schicht auf einem p-leitenden Halbleitersubstrat
und können eine
p-Kanal-IGBT-Zelle und eine Diodenzelle mit einer n-leitenden Schicht
als Kathode gebildet sein. In diesem Fall weist die Vorrichtung
eine ausreichende IGBT-Leistung, eine ausreichende Erholleistung
und eine ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeit
auf.
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Die
Vorrichtungen 100 bis 150 werden in geeigneter
Weise für
eine Inverterschaltung und die erste und die zweite Diodenzelle
in geeigneter Weise als FWD verwendet.
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Die
obige Offenbarung umfasst die folgenden Ausgestaltungen.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung ein
Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, einen in dem
Substrat angeordneten IGBT und eine in dem Substrat angeordnete
Diode auf. Das Substrat weist eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps,
eine zweite Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Bereich
des ersten Leitfähigkeitstyps auf
der ersten Seite, einen Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite und einen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite auf. Die zweite Schicht ist auf der ersten Seite der ersten
Schicht angeordnet und weist eine Störstellenkonzentration auf,
die sich von der ersten Seite der zweiten Schicht zu der zweiten
Seite der zweiten Schicht verringert. Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
der ersten Seite ist auf der ersten Seite der zweiten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite sind auf der zweiten Seite der ersten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite liegt benachbart zu dem Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite. Das Substrat weist ferner einen ersten Graben,
einen zweiten Graben, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode
und eine dritte Elektrode auf. Die erste Elektrode ist über einen
Isolierfilm in dem ersten Graben eingebettet. Der erste Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und die zweite Schicht und erreicht die erste
Schicht. Die erste Elektrode bildet eine Gateelektrode des IGBT.
Die zweite Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite angeordnet, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite verbunden ist. Der zweite Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und erreicht die zweite Schicht. Der zweite
Graben ist derart mit der zweiten Elektrode gefüllt, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit der zweiten Schicht verbunden ist. Die zweite Elektrode bildet
eine Emitterelektrode des IGBT und eine Anode der Diode. Die dritte
Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite angeordnet, dass die dritte Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf
der zweiten Seite verbunden ist. Die dritte Elektrode bildet eine
Kollektorelektrode des IGBT und eine Kathode der Diode.
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Bei
der obigen Vorrichtung bildet die zweite Schicht einen Kanal des
IGBT und einen p-leitenden Abschnitt der Diode. Die Vorrichtung
weist eine ausreichende IGBT-Leistung und eine ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeit
auf. Ferner weist die mit der Anode der Diode verbundene zweite Schicht
die Störstellenkonzentration
auf, die sich von dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite der zweiten Schicht verringert. Folglich wird eine
eingeleitete Lochkonzentration beim Durchlassbetrieb verringert, so
dass ein Erholstrom bei einem Rückerholprozess einen
geringen Wert annimmt. Folglich wird der Erholverlust in der Vorrichtung
derart verringert, dass die Erholeigenschaften verbessert werden.
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Alternativ
kann das Substrat ferner einen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite aufweisen, der zwischen der zweiten Schicht und
dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite angeordnet ist, und dringt der zweite Graben
derart durch den Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der ersten
Seite, dass die zweite Elektrode in dem zweiten Graben elektrisch
mit dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der ersten Seite
verbunden ist. Ferner kann die zweite Elektrode über einen ohmschen Kontakt
mit dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der ersten
Seite verbunden sein. Alternativ kann der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite an den Bereich des ersten Leitfähig keitstyps
auf der ersten Seite grenzen. In den obigen Fällen ist das elektrische Potential
der zweiten Schicht als der Kanal des IGBT sicher festgesetzt, so
dass der Abschnürwiderstand der
zweiten Schicht verringert wird. Folglich wird verhindert, dass
der parasitäre
NPN-Transistor arbeitet, so dass die Überspannungsspannungsfestigkeit
verbessert wird. Ferner weist die Vorrichtung ausreichende Erholeigenschaften
der Diode auf, da die zweite Elektrode als Anode der Diode mit dem
Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite auf der Seitenwand des zweiten Grabens und mit
der Innenseite der zweiten Schicht an einem oberen Ende des zweiten
Grabens verbunden ist.
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Alternativ
kann die zweite Elektrode über
einen Schottky-Kontakt mit der zweiten Schicht verbunden sein. Der
Schottky-Kontakt weist eine derartige Gleichrichtfunktion auf, dass
der Schottky-Kontakt die Einleitung des Lochs von dem ohmschen Kontaktbereich
verringert. Folglich werden die Erholeigenschaften der Diode verbessert.
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Alternativ
kann die zweite Schicht eine Schicht hoher Störstellenkonzentration und eine Schicht
geringer Störstellenkonzentration
umfassen. Die Schicht hoher Störstellenkonzentration
ist auf der ersten Seite der zweiten Schicht und die Schicht geringer
Störstellenkonzentration
auf der zweiten Seite der zweiten Schicht angeordnet. Der zweite
Graben dringt durch die Schicht hoher Störstellenkonzentration und erreicht
die Schicht geringer Störstellenkonzentration.
Die zweite Elektrode ist elektrisch mit der Schicht geringer Störstellenkonzentration
verbunden. In diesem Fall wird die Störstellenkonzentration der Schicht
hoher Störstellenkonzentration
angemessen bestimmt, um die Schwellenwertspannung des Kanals in
dem IGBT zu bestimmen, und wird die Störstellenkonzentration der Schicht
geringer Störstellenkonzentration
angemessen bestimmt, um den Erholstrom der Diode zu verringern.
Folglich kann die Steuerung der Eigenschaften des IGBT und der Diode
leicht und unabhängig
ausgeführt
werden.
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Alternativ
kann die Vorrichtung ferner eine in dem Substrat angeordnete zweite
Diode aufweisen. Die zweite Diode liegt benachbart zu der Diode.
Bei der zweiten Diode sind die zweite Elektrode, die erste Schicht,
der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und die dritte Elektrode in dieser Reihenfolge über einander
geschichtet. Die erste Schicht in der zweiten Diodenzelle weist
ferner einen Abschnitt des zweiten Leitfähigkeitstyps auf, der in einem
Oberflächenabschnitt
der ersten Schicht auf der ersten Seite angeordnet ist. Die zweite
Elektrode ist elektrisch mit dem Abschnitt des zweiten Leitfähigkeitstyps
verbunden. Die zweite Elektrode bildet eine Anode der zweiten Diode.
Die dritte Elektrode bildet eine Kathode der zweiten Diode. In diesem
Fall sieht die zweite Diode eine ausreichende Strombelastbar vor.
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Alternativ
kann der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite in der Diode und der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite in dem IGBT angeordnet sein. Alternativ kann
der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite in der zweiten Diode und der Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite in dem IGBT und der Diode angeordnet sein.
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Alternativ
kann der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite unter dem Abschnitt des zweiten Leitfähigkeitstyps und der Bereich
des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite unter der zweiten Schicht angeordnet sein.
In diesem Fall wird der Designfreiheitsgrad für die Vorrichtung verbessert.
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Alternativ
kann das Substrat ferner eine dritte Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps
aufweisen. Die dritte Schicht ist zwischen der ersten Schicht und dem
Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und zwischen der ersten Schicht und dem Bereich
des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite angeordnet. Die dritte Schicht bedeckt den
Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und den Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite. Die dritte Schicht weist eine Störstellenkonzentration
auf, die zwischen einer Störstellenkonzentration
der ersten Schicht und einer Störstellenkonzentration
des Bereichs des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite liegt.
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Alternativ
können
der IGBT und die Diode eine Inverterschaltung und kann die Diode
eine Freilaufdiode bilden.
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Alternativ
können
der IGBT, die Diode und die zweite Diode eine Inverterschaltung,
die Diode eine Freilaufdiode und die zweite Diode eine zweite Freilaufdiode
bilden.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung ein
Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, einen in dem
Substrat angeordneten IGBT und eine in dem Substrat angeordnete
Diode auf. Das Substrat weist eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps,
eine zweite Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Bereich
des ersten Leitfähigkeitstyps auf
der ersten Seite, einen Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite und einen Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der zweiten
Seite auf. Die zweite Schicht ist auf der ersten Seite der ersten
Schicht angeordnet und weist eine Störstellenkonzentration auf,
die sich von der ersten Seite der zweiten Schicht zu der zweiten
Seite der zweiten Schicht verringert. Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
der ersten Seite ist auf der ersten Seite der zweiten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und der Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite sind auf der zweiten Seite der ersten Schicht angeordnet.
Der Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite liegt benachbart zu dem Bereich des zweiten
Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite. Das Substrat weist ferner einen ersten Graben,
einen zweiten Graben, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode
und eine dritte Elektrode auf. Die erste Elektrode ist über einen
Isolierfilm in dem ersten Graben eingebettet. Der erste Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und die zweite Schicht und erreicht die erste
Schicht. Die erste Elektrode bildet eine Gateelektrode des IGBT.
Die zweite Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite angeordnet, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite verbunden ist. Der zweite Graben dringt durch
den Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der ersten Seite und erreicht die zweite Schicht. Der zweite
Graben ist derart mit der zweiten Elektrode gefüllt, dass die zweite Elektrode elektrisch
mit der zweiten Schicht verbunden ist. Die zweite Elektrode bildet
eine Emitterelektrode des IGBT und eine Kathode der Diode. Die dritte
Elektrode ist derart auf dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite angeordnet, dass die dritte Elektrode elektrisch
mit dem Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps
auf der zweiten Seite und dem Bereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf
der zweiten Seite verbunden ist. Die dritte Elektrode bildet eine
Kollektorelektrode des IGBT und eine Anode der Diode.
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Bei
der obigen Vorrichtung bildet die zweite Schicht einen Kanal des
IGBT und einen n-leitenden Abschnitt der Diode. Die Vorrichtung
weist eine ausreichende IGBT-Leistung und eine ausreichende Überspannungsspannungsfestigkeit
auf. Ferner weist die mit der Kathode der Diode verbundene zweite
Schicht die Störstellenkonzentration
auf, die sich von dem Oberflächenabschnitt
zur Innenseite der zweiten Schicht verringert. Folglich wird eine
eingeleitete Lochkonzentration beim Durchlassbetrieb verringert,
so dass ein Erholstrom bei einem Rückerholprozess einen geringen
Wert annimmt. Folglich wird der Erholverlust in der Vorrichtung
derart verringert, dass die Erholeigenschaften verbessert werden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen offenbart
wurde, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf diese beschränkt ist.
Die Erfindung sollte derart verstanden werden, dass sie verschiedene Ausgestaltungen
und entsprechende Anordnungen beinhaltet. Ferner sollen zu den verschiedenen
bevorzugten Kombinationen und Konfigurationen weitere Kombinationen
und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einziges Element
umfassen, ebenso als mit in dem Schutzumfang der Erfindung beinhaltet
verstanden werden.
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Vorstehend
wurde eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT und einer Diode
offenbart.
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Eine
Halbleitervorrichtung weist ein Substrat 1, 1a, 2a, 2b, 3a, 4a, 5, 6, 8, 10, 11,
T1, T2 mit einer ersten und einer zweiten Seite, einen IGBT 100i, 104i, 105i und
eine Diode 100d, 104d, 105d auf. Das Substrat 1, 1a, 2a, 2b, 3a, 4a, 5, 6, 8, 10, 11,
T1, T2 weist eine erste Schicht 1, eine zweite Schicht 2a auf der
ersten Schicht 1, einen n-leitenden Bereich 3a der
ersten Seite auf der zweiten Schicht 2a, einen n- und einen p-leitenden
Bereich 5, 6 der zweiten Seite auf der zweiten
Seite der ersten Schicht 1, eine erste Elektrode 8 als
Gateelektrode in einem ersten Graben T1, eine zweite Elektrode 10 als
Emitterelektrode und als Anode auf dem n-leitenden Bereich 3a der ersten
Seite und in einem zweiten Graben T2 und eine dritte Elektrode 11 als
Kollektorelektrode und als Kathode auf den n- und p-leitenden Bereichen 5, 6 der
zweiten Seite auf. Der erste Graben T1 dringt durch den n-leitenden
Bereich 3a der ersten Seite und die zweite Schicht 2a und
erreicht die erste Schicht 1. Der zweite Graben T2 dringt
durch den n-leitenden Bereich 3a der ersten Seite und erreicht die
zweite Schicht 2a.