DE102007015304A1 - Rückwärtsleitender (RC-) IGBT mit senkrecht angeordneter Ladungsträgerlebensdaueranpassung - Google Patents

Rückwärtsleitender (RC-) IGBT mit senkrecht angeordneter Ladungsträgerlebensdaueranpassung Download PDF

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Abstract

Ein RC-Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine Vorderseite und eine Rückseite und eine erste Leitfähigkeitsregion zwischen den Vorder- und Rückseiten aufweist. Die erste Leitfähigkeitsregion umfasst eine Zone reduzierter Lebensdauer, eine erste Lebensdauerzone zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Vorderseite und eine Zone mittlerer Lebensdauer zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Rückseite. Ladungsträger in der ersten Lebensdauerzone weisen eine erste Ladungsträgerlebensdauer auf, Ladungsträger in der Zone reduzierter Lebensdauer weisen eine reduzierte Ladungsträgerlebensdauer auf, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer, und Ladungsträger in der Zone mittlerer Lebensdauer weisen eine mittlere Ladungsträgerlebensdauer auf, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer und länger als die reduzierte Ladungsträgerlebensdauer.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen rückwärtsleitenden oder RC-(reverse conducting)Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) und ein Verfahren, um diesen herzustellen.
  • Herkömmliche IGBTs werden zum Beispiel in Wechselrichterkreisen verwendet, um eine Last wie zum Beispiel einen elektrischen Motor zu regeln. Ein Beispiel solch eines herkömmlichen IGBT ist im US Patent mit der Nr. 5,160,985 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Herkömmliche Wechselrichterkreise umfassen gebräuchliche IGBTs, die jeder parallel mit einer Freilaufdiode verbunden sind, um eine Stromzirkulation zu ermöglichen, da ein gebräuchlicher IGBT keine Fähigkeit zu bidirektionalem Stromfluss aufweist.
  • Die US Patentanmeldung mit der Nr. 2005/0258493, welche hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschreibt einen RC-IGBT, in dem ein IGBT und eine Freilaufdiode monolithisch auf einem Substrat ausgeformt sind. Der RC-IGBT umfasst eine in dem Substrat ausgeformte leitfähige Basisschicht und eine Region kurzer Lebensdauer, die in der leitfähigen Basisschicht ausgeformt ist. Eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode sind auf einer Vorderseite des Substrats ausgeformt, und eine Kollektorelektrode ist auf der Rückseite des Substrats ausgeformt. Die Region kurzer Lebensdauer wird in der leitfähigen Basisschicht durch Bestrahlen des Substrats von der Vorderseite des Substrats mit einem Elektronen- oder Heliumstrahl ausgeformt.
  • Das U.S. Patent Nr. 6,323,509 und die U.S. Patentanmeldung Nr. 2006/0043475, von denen beide hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, beschreiben verschiedene RC-IGBTs, die integrierte Dioden aufweisen.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen RC-IGBT zur Verfügung zu stellen, der auf der einen Seite verbesserte Spannungsabfallkennlinien im Durchlasszustand des IGBT und auf der anderen Seite ein weiches Ausschaltverhalten bei niedrigen Schaltverlusten der integrierten Diode aufweist. Ein weiteres oder alternatives Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einem RC-IGBT auf Grund verminderter Ladungsträgerkonzentration in einer Flankenabschlussanordnung des Chips eine verbesserte Abschaltrobustheit der integrierten Diode zur Verfügung zu stellen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen RC-IGBT zur Verfügung, der Nachfolgendes umfasst:
    ein Substrat einschließlich eines Halbleitermaterials, das eine Vorderseite und eine Rückseite und eine erste Leitfähigkeitsregion zwischen den Vorder- und Rückseiten aufweist;
    eine auf der Vorderseite des Substrats angeordnete Emitterelektrode;
    eine auf der Vorderseite des Substrats angeordnete Gateelektrode; und
    eine auf der Rückseite des Substrats angeordnete Kollektorelektrode,
    wobei die erste Leitfähigkeitsregion eine Zone reduzierter Lebensdauer, eine erste Lebensdauerzone zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Vorderseite und eine Zone mittlerer Lebensdauer zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Rückseite umfasst, und
    wobei Ladungsträger in der ersten Lebensdauerzone eine erste Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, Ladungsträger in der Zone reduzierter Lebensdauer eine reduzierte Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer, und wobei Ladungsträger in der Zone mittlerer Lebensdauer eine mittlere Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer und länger als die reduzierte Ladungsträgerlebensdauer.
  • Durch das Bereitstellen einer Zone reduzierter Lebensdauer und einer Zone mittlerer Lebensdauer zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Rückseite des Substrats wird die Konzentration von Ladungsträgern in der Basisschicht im Diodenmodus des RC-IGBT vorteilhaft reduziert, während sie eine wirkungsvolle Leitfähigkeit und einen niedrigen Spannungsabfall im Schaltmodus des IGBT zur Verfügung stellt.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines RC-IGBT, das beinhaltet, ein Substrat aus einem Halbleitermaterial zur Verfügung zu stellen, das eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, und wobei das Halbleitermaterial dotiert ist, um eine n dotierte Region, eine p dotierte Region, und einen p – n Übergang zu umfassen, der zwischen der n dotierten Region und der p dotierten Region angeordnet ist. Eine Emitterelektrode und eine Gateelektrode werden an der Vorderseite zur Verfügung gestellt, und eine Kollektorelektrode wird an der Rückseite zur Verfügung gestellt. Das Substrat wird von der Rückseite mit Defekte verursachenden Partikeln bestrahlt, um in einem Abstand hinter dem p – n Übergang eine Zone mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer in der n dotierten Region auszuformen.
  • Durch Bestrahlen des Substrats von der Rückseite mit Defekte verursachenden Partikeln wird eine Beschädigung an der das Gate isolierenden Schicht vermieden, da die Partikel diese Schicht nicht erreichen. Den das Gate isolierenden Bereich mit positiv geladenen Ionen zu bestrahlen, kann die Funktion des IGBT beeinträchtigen, zum Beispiel dadurch, dass in der das Gate isolierenden Schicht eine positive Ladung erzeugt wird und deshalb eine nicht akzeptable Verschiebung der Schwellenspannung, eine Drift der Schwellenspannung unter Betriebsbedingungen, oder ein hoher Leckstrom im Gate bewirkt wird.
  • Außerdem bewirkt eine Bestrahlung von der Rückseite eine erste Region reduzierter Lebensdauer in einem Bereich, wo die die Defekte verursachenden Partikel im Substrat aufgehalten werden, und eine zweite Region reduzierter Lebensdauer zwischen der Rückseite und der ersten Region reduzierter Lebensdauer, in der die Lebensdauer der Ladungsträger leicht reduziert ist, wodurch ein Ladungsträgerlebensdauerprofil zur Verfügung gestellt wird, welches im Diodenmodus der RC-IGBT Vorrichtung vorteilhaft ist. Weiterhin zeigt die Basisregion zwischen der Region reduzierter Lebensdauer und dem p – n Übergang (der Basisregion beziehungsweise des p-Körpers des IGBT oder des p-Emitters der Diode) eine Ladungsträgerlebensdauer, die für geringe Verluste des IGBT im Durchlasszustand wünschenswert ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird weiterhin mit Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, in denen:
  • 1 schematisch einen Teil einer einzelnen Zelle einer ersten Ausführungsform eines RC-IGBT entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ein Diagramm zeigt, das die Ladungsträgerkonzentrationsprofile mehrerer im Diodenmodus arbeitender IGBT Vorrichtungen und einer Diode mit senkrecht homogen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer beschreibt.
  • 3 schematisch einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer einzelnen Zelle des RC-IGBT entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 4 schematisch einen Teil einer dritten Ausführungsform eines RC-IGBT einschließlich mehrerer Zellen zeigt.
  • 1 zeigt schematisch einen Teil einer ersten Ausführungsform eines RC-IGBT 10, der eine vordere Metallisierungsschicht 20 an der Vorderseite (oben in der Zeichnung), eine rückseitige Metallisierungsschicht 23 an der Rückseite (unten in der Zeichnung) und dazwischen ein Substrat aus einem Halbleitermaterial umfasst. Das Material des Halbleitersubstrats ist so dotiert, dass es Regionen unterschiedlicher Leitfähigkeit umfasst, umfassend 16 (p dotiert), 17 (p+ dotiert), 18 (n+ dotiert), 28 (n dotiert), 21 (n+ dotiert) und 22 (p dotiert), die weiter unten in größerem Detail beschrieben werden.
  • An der Rückseite des IGBT 10 (in der Zeichnung unten) ist eine hoch dotierte n Region (n+ Region 21) mit der Metallisierungsschicht 23 verbunden, mit der die Kollektorelektrode 13 verbunden ist. Die n+ Region kann sich, wie in 1 gezeigt, seitlich so erstrecken, dass sie kleiner ist als die seitlichen Ausdehnungen einer einzelnen Zelle, aber sie kann sich seitlich auch so erstrecken, dass sie mehrere Zellen umfasst, wie zum Beispiel in 4 gezeigt. Die n+ Region 21 kann jede gewünschte Form aufweisen, wenn sie von der Rückseite des IGBT 10 aus betrachtet wird, wie zum Beispiel rund, viereckig, polygonal usw. Die n+ Region 21 wird seitlich umgeben von oder grenzt an eine p dotierte Region 22 an, die ebenfalls mit der Metallisierungsschicht 23 in Kontakt steht. Obwohl nur eine n+ Region in 1 gezeigt wird, kann es jede Anzahl von n+ Regionen geben, die jede Form oder jedes Muster ausformen. Sowohl die n+ Region 21 als auch die p Region 22 sind mit der n dotierten Region 28 verbunden, die sich überall in den mit Zone B, Zone A und Zone C bezeichneten Zonen erstreckt, die weiter unten beschrieben werden.
  • An der Vorderseite des IGBT (oberes Ende der Zeichnung) ist eine Emitterelektrode 11 mit der Metallisierungsschicht 20 verbunden, und eine Gateelektrode 12 ist mit einer leitfähigen Gateschicht 29 verbunden, die elektrisch von der Emitterelektrode 11 isoliert ist durch eine Isolierschicht (das heißt ein Oxid) 14, und von dem Halbleitermaterial isoliert ist durch eine Isolierschicht (das heißt ein Oxid) 14 und eine Isolierschicht (das heißt ein Oxid) 15, die aus demselben oder einem anderen Material bestehen kann. Die vordere Region des Halbleitersubstrats umfasst eine hoch dotierte p Region (p+ Region 17) die in Kontakt steht mit der vorderen Metallisierungsschicht 20 an deren vorderer Kante und in Kontakt steht mit einer p dotierten Region 16 an deren rückseitiger Kante. Alternativ dazu könnte sich eine einzelne p dotierte Region 16 erstrecken, um die vordere Metallisierungsschicht zu kontaktieren. Die p+ Region 17 wird typischerweise zusätzlich zu der p Region 16 zur Verfügung gestellt, um so ein Durchschaltung der Vorrichtung während des Ausschaltens zu hemmen, und wird deshalb manchmal eine nicht durchschaltende Leitfähigkeitsregion genannt. Beide p dotierten Regionen 16 und 17 werden in 1 als eine gesamte Dicke a aufweisend gezeigt. Eine kleine, hoch dotierte n Region (n+ Region 18) wird neben der nicht durchschaltenden Region 17 und in Kontakt mit sowohl der Metallisierungsschicht 20 wie auch der p Region 16 zur Verfügung gestellt.
  • Wenn ein negativer Spannungsabfall über die Emitter- und Kollektorelektroden angewandt wird (zum Beispiel eine negative Spannung am Emitter und eine positive Spannung am Kollektor) und die Gateelektrode an einer neutralen oder negativen Spannung in Bezug auf die Emitterelektrode anliegt, fließt kein Strom (außer einem kleinen Leckstrom) durch die IGBT Vorrichtung. Der Mangel an freien Elektronen in der p dotierten Region 16 verhindert den Fluss von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) durch die p Region 16. Daher befindet sich der IGBT unter diesen Bedingungen in einem abgeschalteten Zustand.
  • Wenn jedoch eine positive elektrische Spannung, die höher ist als die Schwellenspannung (in Abhängigkeit von der Konzentration der Dotierung der p Region 16), an der Gateelektrode angelegt wird, werden genug Elektronen in der p Region 16 zur rechten Seite der Region angezogen, um so einen Inversionskanal 19 auszuformen, durch den Elektronen aus der n+ Region 18 zur n Region 28 fließen. Auf diese Weise fließt Strom von der Kollektorelektrode 13 sowohl zur Emitterelektrode 11 (durch die Metallisierungsschicht 23, die p Region 22, die n Region 28 und durch den Inversionskanal 19 der p Region 16, zur n+ Region 18 und zur Metallisierungsschicht 20) als auch durch die p Region 16 und die p+ Region 17. Die Elektronen (negative Ladungsträger) fließen in der entgegen gesetzten Richtung wie der Strom, und die Löcher (positive Ladungsträger) fließen in derselben Richtung wie der Strom. Daher befindet sich der IGBT unter diesen Bedingungen in einem eingeschalteten Zustand.
  • Wenn sich der IGBT im ausgeschalteten Zustand befindet und die Polarität an den Kollektor- und den Emitterelektroden umgekehrt wird (das heißt es besteht ein negativer Spannungsabfall von der Kollektorelektrode zur Emitterelektrode), wirkt der RC-IGBT als eine in Durchlassrichtung betriebene Diode, wobei der Kollektor als die Kathode wirkt und der Emitter als die Anode der Diode wirkt. In diesem Zustand wird der RC-IGBT als im Zustand des Diodenmodus befindlich bezeichnet. Im Diodenmodus ermöglicht es der RC-IGBT, dass Strom in der entgegen gesetzten Richtung fließt, wie im Durchlasszustand des IGBT. Daher fließt im Diodenmodus Strom von den Emitter/der Anode 11 durch die p+ Region 17 und die p Region 16 hinüber zur n Region 28 und durch die n+ Region 21 und die Metallisierungsschicht 23 zum Kollektor/zur Kathode 13. Die Elektronen fließen in der entgegen gesetzten Richtung vom Kollektor/von der Kathode 13 zum Emitter/zur Anode 11.
  • Das effektive Funktionieren der internen Diode des RC-IGBT wird von der Konzentration von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) in den verschiedenen Bereichen des Substrats bewirkt. Im Allgemeinen gilt, je höher die allgemeine Konzentration von freien Ladungsträgern im Substrat ist, desto höher ist die Leitfähigkeit der Diode. Außerdem stellt ein Ladungsträgerkonzentrationsprofil, das eine geringer Konzentration von Ladungsträgern an der Vorder-/Anodenseite umfasst und das mit wachsender Nähe zur Rück-/Kathodenseite allmählich zunimmt, ein günstiges Konzentrationsprofil für ein effizientes Funktionieren der Diode zur Verfügung, das heißt in Bezug auf Ab schaltverluste und Sanftheit der Stromabnahme beim Ausschalten.
  • Die Ladungsträger weisen eine beschränkte Lebensdauer auf, die typischerweise zwischen 500 μs und 2 ms in defektfreiem Siliziummaterial beträgt, und die die durchschnittliche Zeitdauer darstellt, die notwendig ist um sich wieder mit einem Ladungsträger der entgegen gesetzten Polarität zu rekombinieren (das heißt die durchschnittliche Zeitdauer, die ein Elektron zur Rekombination mit einem Loch benötigt). Die Reduktion der Lebensdauer der Ladungsträger in bestimmten Regionen des Halbleitersubstrats in einem RC-IGBT reduziert die allgemeine Konzentration von Ladungsträgern im Substrat. Weiterhin kann die Reduktion der Lebensdauer von Ladungsträgern in bestimmten Zonen zu einem günstigeren Ladungsträgerkonzentrationsprofil des RC-IGBT im Diodenmodus führen, wie weiter unten in Bezug auf 2 beschrieben wird.
  • Die große n dotierte Leitfähigkeitsregion 28 umspannt die Zonen C, A und B, die drei Ladungsträgerlebensdauerzonen darstellen. In Zone C wurde keine Behandlung der Leitfähigkeitsregion 28 des Substrats durchgeführt und die Ladungsträger weisen in Zone C ihre normale Lebensdauer auf. Die Zone A ist eine Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer, die zum Beispiel durch Implantieren von Defekte erzeugenden Partikeln in das Substrat erzeugt werden, durch Bestrahlung, wie weiter unten beschrieben. In der Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer A wird die Ladungsträgerlebensdauer der Ladungsträger (das heißt die durchschnittliche Zeit, um sich mit einem Ladungsträger entgegen gesetzter Polarität zusammenzuschließen) wesentlich reduziert. Zwischen Zone A und der rückseitigen Metallisierungsschicht 23 befindet sich die Zone B, die eine Zo ne mittlerer Ladungsträgerlebensdauer ist. In Zone B wird die Ladungsträgerlebensdauer der Ladungsträger nur leicht reduziert im Vergleich mit der Ladungsträgerlebensdauer in Zone A, vorzugsweise um etwa 10%. Das Verhältnis der Ladungsträgerlebensdauer in Zone A in Bezug auf das in Zone B ist vorzugsweise im Bereich von 5% bis 30%. Das Verhältnis der Ladungsträgerlebensdauer in Zone A in Bezug auf das in Zone C ist vorzugsweise im Bereich von weniger als 0,5%.
  • Die Zonen reduzierter Ladungsträgerlebensdauern A und B werden zum Beispiel durch Bestrahlen des IGBT von der Rückseite mit Defekte verursachenden Partikeln erzeugt, vorzugsweise durch Protonen oder Heliumionen. Die Bestrahlung wird vorzugsweise ausgeführt, nachdem die oberen und unteren Metallisierungsschichten 20 und 23 und die Gatemetallisierungsschichten aufgebracht worden sind. Weil die Bestrahlung von der Rückseite in das Halbleitersubstrat geleitet wird, wie durch die Pfeile 24 in 1 gezeigt, kann eine Beschädigung an den isolierenden Schichten 14 und 15 des IGBT ausgeschlossen werden. Eine Implantationsenergie der Protonen oder Heliumionen wird so gewählt, dass die implantierten Partikel in die n dotierte Region 2 eindringen und in dieser Region in der Umgebung des durch die p Region 16 und die n Region 28 ausgeformten p – n Übergangs gestoppt werden. Der Stoppbereich der Partikel, dargestellt durch die Zone A gemäß 1, ändert die Struktur des Halbleitermaterials, um so die Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Implantationsenergie so gewählt, dass sich der vordere Rand der Zone A in einem Abstand d von dem hinteren Rand der p dotierten Zone 16 befindet, so dass 0,1a < d < 2a ist. Typischerweise wird d zwischen 1 μm bis 10 μm betragen. Während der Implantation von der Rückseite wird eine zweite Zone reduzierter Ladungsträger lebensdauer (Zone B mittlerer Ladungsträgerlebensdauer) automatisch auf Grund einer kleinen Anzahl von Protonen oder Heliumionen erzeugt, die in dem Halbleitermaterial stoppen, bevor sie auf Grund der statistischen Beschaffenheit der Kernstoppung den Stoppbereich der Zone A erreichen. Typischerweise wird die Ladungsträgerlebensdauer in der mittlere Zone B fast senkrecht homogen sein und wird 10-mal höher sein als die Ladungsträgerlebensdauer in Zone A, wird aber immer noch niedriger sein als die Ladungsträgerlebensdauer in Zone C. Wie weiter unten beschreiben, weist die mittlere Tone B einen positiven Effekt auf die Leistung des IGBT im Diodenmodus auf.
  • Um die Verteilung der durch die Bestrahlung erzeugten Rekombinationszentren zu stabilisieren ist es zu empfehlen, dass eine abschließende Wärmebehandlung nach dem Schritt der Implantierung ausgeführt wird, vorzugsweise bei Temperaturen, die im Bereich von 220°C bis 350°C (428°F bis 662°F) liegen. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise für die Dauer von einigen Stunden ausgeführt.
  • Das Erzeugen der Zone A durch Bestrahlung von der Rückseite des IGBT wird vorzugsweise an einem mit dünnen Wafern (zum Beispiel <= etwa 150 μm) erzeugten RC-IGBT ausgeführt, so dass eine geeignete Implantationsenergie gewählt werden kann, um in einen Abstand nahe genug an dem p – n Übergang nahe der Vorderseite des ICBT einzudringen. Je dicker das Material des Substrats ist, desto höher ist die erforderliche Implantationsenergie, um die Zone A nahe dem p – n Übergang zu platzieren. Deshalb ist die Einrichtung einer Field-Stop-Zone 25 nahe der Region 22 vorteilhaft, um die Dicke des Wafers für eine vorgegebene Abblockspannung zu reduzieren.
  • Die Field-Stop-Zone 25 ist ein Abschnitt der n dotierten Region 28, der höher dotiert ist als der Rest der Region 28 und wirksam ist, um das elektrische Feld in der Gegenwart einer Abblockspannung aufzuhalten, und verhindert auf diese Weise das Eindringen des elektrischen Feldes in die p Region 22 auf der Rückseite des Substrats. Die Field-Stop-Zone 25 kann an die p Region 22 angrenzen oder kann mit einem geringen Abstand zur p Region 22 angeordnet werden.
  • 2 zeigt die Ladungsträgerkonzentrationsprofile von verschiedenen IGBT Vorrichtungen im Diodenmodus im Vergleich mit einer herkömmlichen Diode auf Basis eines dünnen Wafers mit senkrecht homogen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer. Die untere Achse stellt die Tiefe von der vorderen Oberfläche zur rückseitigen Oberfläche dar, die Achse an der linken Seite stellt die Konzentration von Ladungsträgern (Elektronen) pro Kubikzentimeter dar. Die Kurve 101 zeigt das Konzentrationsprofil von Ladungsträgern in einem umgekehrt leitfähigen IGBT im Diodenmodus ohne jegliche Reduktion der Lebensdauer. Die Kurve 104 zeigt das Konzentrationsprofil einer Diode mit senkrecht homogen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer. Die Kurve 102 zeigt das Konzentrationsprofil eines umgekehrt leitfähigen IGBT mit einer Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer, tau1, wie zum Beispiel des in der U.S. Patentanmeldung Nr. 2005/0258493 beschriebenen und oben diskutierten RC-IGBT. Die Kurve 103 zeigt das Konzentrationsprofil eines RC-IGBT mit zwei Zonen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer, taua und taub, wie zum Beispiel die Anordnung gemäß 1. Wie in der Tabelle gezeigt, folgt die Kurve 103 demselben allgemeinen Verlauf der Kurve 102, außer wie durch die gestrichelte Linie gezeigt. In der Region von taub (entsprechend der Zone B in 1) gibt es im Vergleich mit der Kurve 102 eine niedrigere Konzentration von Ladungsträgern. Auf diese Weise verbessert die zusätzliche Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (mittlere Zone B) die Leistung des RC-IGBT im Diodenmodus und nähert die Kennlinien einer Diode mit senkrecht homogen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (Kurve 104) besser an. Außerdem beeinflusst die zusätzliche mittlere Zone B die Leistung des IGBT im eingeschalteten Zustand nicht wesentlich, während die zusätzliche Zone C, die eine hohe Ladungsträgerlebensdauer aufweist, die Eigenschaften im eingeschalteten Zustand der Vorrichtung sogar verbessert, was zum Beispiel in einem niedrigeren Abfall der Durchlassspannung resultiert. Auf diese Weise ermöglicht der RC-IGBT, der entsprechend der vorliegenden Erfindung zwei Zonen reduzierter Ladungsträgerlebensdauer und eine Zone hoher Ladungsträgerlebensdauer aufweist, einen niedrigen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand, während er zur gleichen Zeit niedrige Schaltverluste im Diodenmodus erreicht und ein weiches Abschaltverhalten zeigt.
  • In einer weiteren, in 3 gezeigten Ausführungsform, wird die Partikelimplantation auf einen RC-IGBT 30 ausgeführt mit einer Maske 26, die eine Ausfräsung 27 aufweist. Entsprechend 3 wird ein Teil der Rückseite des IGBT mit der Maske 26 bedeckt, und die Ausfräsung 27 bedeckt den Bereich der n+ Region 21 und bedeckt vorzugsweise einen Bereich leicht größer als die n+ Region 21. Auf diese Weise wird nur der Bereich der n Basisregion 28, die mit der Ausfräsung 27 ausgerichtet ist, mit den Partikeln bestrahlt. Vorzugsweise sollte der Bestrahlungsbereich größer sein als der Bereich der n+ Region 21, um auf jeder Seite mit einem Abstand zu überlappen, der zwischen 1 und 3 mal der Diffusionslänge LD der Ladungsträger in der n Region 28 entspricht.
  • Die Maske 26 wird vorzugsweise aus einer strukturierten Metallschicht oder einer strukturierten Platte hergestellt und kann auf die Rückseite des IGBT 30 angewandt werden, wie in 3 schematisch gezeigt. Hier sollte die Dicke der Maske 26 auf solch eine Weise gewählt werden, dass die implantierten Partikel im Metall aufgehalten werden. Geeignete Materialien für die Maske umfassen zum Beispiel Aluminium und Kupfer.
  • 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines RC-IGBT 40, in dem die n+ Region 21 größer ist, um mehrere Zellen eines einzelnen IGBT zu bedecken. Die n+ Region 21 ist umfangreich genug, um einen Bereich der rückseitigen Metallisierungsschicht 23 zu bedecken, der mehreren Gates 29 entspricht. Die n+ Region 21 ist seitlich umgeben von einer oder angrenzend an eine p dotierte Region 22. Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Bereichs der durch die p Region 22 bedeckten Rückseite des IGBT zu dem von der n+ Region 21 bedeckten Bereich zwischen 0,1 und 0,5.
  • Die vorliegende Erfindung wurde hierin mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch offensichtlich sein, dass verschiedene Abänderungen und Veränderungen daran gemacht werden können, ohne vom breit angelegten Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie diese in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt werden. Die Beschreibung und die Figuren sollen dementsprechend auf eine veranschaulichende Weise betrachtet werden statt in einem einschränkenden Sinn.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - US 6323509 [0004]

Claims (23)

  1. Rückwärtsleitender(RC-)Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), umfassend: ein Substrat, das ein Halbleitermaterial umfasst, das eine Vorderseite und eine Rückseite und eine erste Leitfähigkeitsregion zwischen den Vorder- und Rückseiten aufweist; eine an der Vorderseite des Substrats angeordnete Emitterelektrode; eine auf der Vorderseite des Substrats angeordnete Gateelektrode; und eine auf der Rückseite des Substrats angeordnete Kollektorelektrode, wobei die erste Leitfähigkeitsregion eine Zone reduzierter Lebensdauer, eine erste Lebensdauerzone zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Vorderseite und eine Zone mittlerer Lebensdauer zwischen der Zone reduzierter Lebensdauer und der Rückseite umfasst, und wobei Ladungsträger in der ersten Lebensdauerzone eine erste Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, Ladungsträger in der Zone reduzierter Lebensdauer eine reduzierte Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer, und wobei Ladungsträger in der Zone mittlerer Lebensdauer eine mittlere Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, die kürzer ist als die erste Ladungsträgerlebensdauer und länger als die reduzierte Ladungsträgerlebensdauer.
  2. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei die reduzierte Ladungsträgerlebensdauer ungefähr zwischen 5% und 30% der mittleren Ladungsträgerlebensdauer beträgt.
  3. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei die reduzierte Ladungsträgerlebensdauer weniger als 0,5% der ersten Ladungsträgerlebensdauer beträgt.
  4. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial angrenzend zu der Emitterelektrode eine zweite Leitfähigkeitsregion umfasst, die eine Dicke a aufweist, wobei eine vordere Flanke der Zone reduzierter Lebensdauer in einem Abstand d von der zweiten Leitfähigkeitsregion angeordnet ist und wobei 0,1a < d < 2a ist.
  5. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei die erste Leitfähigkeitsregion eine n dotierte Region ist und die zweite Leitfähigkeitsregion eine p dotierte Region umfasst.
  6. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine vordere, in elektrischem Kontakt mit der Emitterelektrode stehende Metallisierungsschicht auf einer vorderen Oberfläche des Substrats, und eine rückseitige, in elektrischem Kontakt mit der Kollektorelektrode stehende Metallisierungsschicht auf der Rückseite des Substrats.
  7. RC-IGBT gemäß Anspruch 6, wobei das Halbleitermaterial eine dritte Leitfähigkeitsregion und eine vierte Leitfähigkeitsregion aufweist, von denen jede angrenzend an die rückseitige Metallisierungsschicht und angrenzend zu einander angeordnet ist.
  8. RC-IGBT gemäß Anspruch 7, wobei die dritte Leitfähigkeitsregion eine p dotierte Region ist und die vierte Leitfähigkeitsregion eine n+ dotierte Region ist.
  9. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat eine Dicke von weniger als 150 μm aufweist.
  10. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vielzahl von an der ersten Seite des Substrats angeordneten weiteren Gateelektroden.
  11. RC-IGBT gemäß Anspruch 7, wobei die erste Leitfähigkeitsregion einen Field-Stop-Abschnitt nahe der dritten und vierten Leitfähigkeitsregionen umfasst, der eine höhere Leitfähigkeit aufweist, als der Rest der ersten Leitfähigkeitsregion.
  12. RC-IGBT gemäß Anspruch 11, wobei der Field-Stop-Abschnitt an die dritten und vierten Leitfähigkeitsregionen angrenzt.
  13. RC-IGBT gemäß Anspruch 11, wobei der Field-Stop-Abschnitt durch einen Abstand von den dritten und vierten Leitfähigkeitsregionen getrennt ist.
  14. RC-IGBT gemäß Anspruch 1, wobei die Ladungsträgerlebensdauer in der ersten Lebensdauerzone zwischen 500 μs und 2 ms beträgt.
  15. Verfahren zur Herstellung eines rückwärtsleitenden (RC-)Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), umfassend: das Bereitstellen eines Substrats aus einem Halbleitermaterial, das eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist und wobei das Halbleitermaterial so dotiert ist, dass es eine n dotierte Region, eine p dotierte Region und ein p – n Übergang umfasst, der zwischen der n dotierten Region und der p dotierten Region angeordnet ist; das Bereitstellen einer Emitterelektrode an der Vorderseite; das Bereitstellen einer Gateelektrode an der Vorderseite; das Bereitstellen einer Kollektorelektrode an der Rückseite; und das Bestrahlen des Substrats von der Rückseite mit Defekte verursachenden Partikeln, um so eine Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer in der n dotierten Region in einem Abstand hinter dem p – n Übergang auszuformen.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Bestrahlen beinhaltet, eine Zone mittlerer Ladungsträgerlebensdauer zwischen der Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer und der Rückseite des Substrats auszuformen, wobei eine Ladungsträgerlebensdauer in der Zone mittlerer Lebensdauer länger ist als in der Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer und kürzer ist als eine Ladungsträgerlebensdauer vor der Bestrahlung.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Defekte verursachenden Partikel mindestens eines von Protonen und Heliumionen umfassen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Substrat eine Dicke von weniger als 150 μm aufweist.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 15, weiterhin umfassend die Ausführung einer Wärmebehandlung auf das Substrat nach dem Bestrahlungsschritt.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Wärmebehandlung das Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur in einem Bereich von 220°C bis 350°C umfasst.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Wärmebehandlung mindestens für die Dauer einer Stunde ausgeführt wird.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Halbleitermaterial eine an die Rückseite angrenzende und einen ersten Bereich der Rückseite bedeckende n+ dotierte Region umfasst und weiterhin die Maskierung eines zweiten Bereichs der Rückseite umfasst, um so die Defekte verursachenden Partikel davon abzuhalten, während des Bestrahlens in das Halbleitermaterial einzudringen, wobei der zweite Bereich nicht mit dem ersten Bereich überlappt.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die Rückseite des Substrats einen dritten Bereich zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich umfasst.
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