DE112012004026T5 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

In einer Halbleitervorrichtung weist ein Trench-Gate (18) einen Bodenabschnitt (18b) in einer Drift-Schicht (13) und einen Kommunikationsabschnitt (18a), der sich von einer Oberfläche einer Basisschicht (14) erstreckt, um mit dem Bodenabschnitt zu kommunizieren, auf. Ein Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten ist in einer x-Richtung geringer als ein Abstand zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten. Eine Gate-Isolierschicht (16) ist im Kommunikationsabschnitt dicker als im Bodenabschnitt. Ein Bereich zwischen benachbarten Trench-Gates ist in einer y-Richtung in einen effektiven Bereich (P) entsprechend einer Emitterschicht als eine Injektionsquelle zum Injizieren von Elektronen in die Drift-Schicht bei Anlegen einer Gate-Spannung und in einen ineffektiven Bereich (Q), der auch dann nicht als die Injektionsquelle dient, wenn die Gate-Spannung angelegt wird, geteilt. Ein Intervall L1 (> 0) des ineffektiven Bereichs in der y-Richtung, eine Länge D1 des Kommunikationsabschnitts in der z-Richtung und eine Länge D2 des Bodenabschnitts in der z-Richtung erfüllen das Verhältnis L1 ≤ 2(D1 + D2). Die z-Richtung verläuft orthogonal zu einer x-y-Ebene, die durch die x-Richtung und die y-Richtung definiert ist, die orthogonal zueinander verlaufen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung basiert auf der am 27. September 2011 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-211072 und der am 06. September 2012 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-196549 , auf deren Offenbarungen hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (nachstehend einfach als IGBT bezeichnet).
  • BISHERIGER STAND DER TECHNIK
  • Eine Halbleitervorrichtung mit einem IGBT wird in einer elektronischen Schaltung zur Ansteuerung einer induktiven Last, wie beispielsweise eines Motors, verwendet. Eine Halbleitervorrichtung mit einem gewöhnlichen IGBT weist den folgenden Aufbau auf.
  • Eine n–-leitende Drift-Schicht ist auf einer p+-leitenden Kollektorschicht gebildet, eine p-leitende Basisschicht ist in einem Oberflächenabschnitt der n–-leitenden Drift-Schicht gebildet, und eine n+-leitende Emitterschicht ist in einem Oberflächenabschnitt der p-leitenden Basisschicht gebildet. Mehrere Gräben, die die n–-leitende Drift-Schicht erreichen, indem sie die p-leitende Basisschicht und die n+-leitende Emitterschicht durchdringen, sind in einem Muster aus Streifen gebildet. Eine Gate-Isolierschicht und eine Gate-Elektrode sind nacheinander derart auf einer Wand jedes Grabens gebildet, dass ein Trench-Gate mit dem Graben, der Gate-Isolierschicht und der Gate-Elektrode gebildet werden kann. Ferner ist eine Emitter-Elektrode auf der p-leitenden Basisschicht und der n+-leitenden Emitterschicht gebildet, und zwar über einen dielektrischen Zwischenschichtfilm. Die Emitter-Elektrode ist über ein Kontaktloch des dielektrischen Zwischenschichtfilms elektrisch mit der p-leitenden Basisschicht und der n+-leitenden Emitterschicht verbunden. Ferner ist eine Kollektor-Elektrode auf einer Rückseite einer Kollektorschicht gebildet und elektrisch mit dem Kollektor verbunden.
  • Bei dieser Art von Halbleitervorrichtung wird dann, wenn eine vorbestimmte Gate-Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, eine n-leitende Inversionsschicht in der p-leitenden Basisschicht an einer Grenzfläche zur Gate-Isolierschicht im Graben gebildet und eine Elektronenanreicherungsschicht in der n–-leitenden Drift-Schicht an einer Grenzfläche zur Gate-Isolierschicht im Graben gebildet. Elektronen strömen aus der n+-leitenden Emitterschicht durch die Inversionsschicht und die Anreicherungsschicht in die n–-leitende Drift-Schicht, und Löcher strömen in die n–-leitende Drift-Schicht. Folglich nimmt ein Widerstand aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation derart ab, dass er in einen EIN-Zustand wechseln kann.
  • Bei dieser Art von Halbleitervorrichtung mit einem IGBT kann eine EIN-Spannung verglichen mit einer Halbleitervorrichtung mit einem MOSFET verringert werden. Seit Kurzen besteht jedoch Bedarf an einer weiteren Verringerung der EIN-Spannung.
  • Aus diesem Grund offenbart beispielsweise Patentdokument 1, dass ein Abstand zwischen benachbarten Gate-Elektroden auf einen sehr niedrigen Wert von 0,55 nm bis 0,3 μm verringert wird.
  • Ferner offenbart Patentdokument 2, dass ein Trench-Gate einen vergrößerten Abschnitt aufweist, der in einer n–-leitenden Drift-Schicht angeordnet ist und eine Breite aufweist, die größer als eine Breite eines Abschnitts ist, der sich vom vergrößerten Abschnitt unterscheidet. Folglich ist ein Abstand zwischen den vergrößerten Abschnitten von benachbarten Trench-Gates geringer als ein Abstand zwischen den anderen Abschnitten von benachbarten Trench-Gates.
  • In Halbleitervorrichtungen, so wie sie in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart sind, werden Löcher, die in die n–-leitende Drift-Schicht strömen, weniger wahrscheinlich durch einen Raum zwischen benachbarten Trench-Gates in die p-leitende Basisschicht gezogen, so dass sich viele Löchern in der n–-leitenden Drift-Schicht ansammeln. Folglich wird die Menge an Elektronen, die aus der n+-leitenden Emitterschicht durch die Inversionsschicht und die Anreicherungsschicht in die n–-leitende Drift-Schicht strömt, erhöht. Da die Elektronenbeweglichkeit größer als die Lochbeweglichkeit ist, wird eine EIN-Spannung weiter verringert.
  • In den Patentdokumenten 1 und 2 wird eine niedrige EIN-Spannung erzielt. Seit Kurzen besteht jedoch Bedarf an einer Halbleitervorrichtung, die nicht nur eine niedrige EIN-Spannung aufweist, sondern ebenso eine verbesserte Lastkurzschlusstoleranz.
  • D. h., in solch einer Halbleitervorrichtung steigt dann, wenn ein Lastkurzschluss auftritt, ein elektrischer Strom in eine durch die Vorrichtung beschränkte Sättigung. Anschließend wird joulesche Wärme proportional zum Sättigungsstrom erzeugt, so dass eine Temperatur der Halbleitervorrichtung zunimmt. Dies führt dazu, dass die Halbleitervorrichtung beschädigt werden kann.
  • PATENTDOKUMENTE AUS DEM STAND DER TECHNIK
    • Patentdokument 1: JP 2007-43123 A
    • Patentdokument 2: JP 2008-153389 A
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die nicht nur eine niedrige EIN-Spannung aufweist, sondern ebenso eine verbesserte Lastkurzschlusstoleranz.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung auf: eine Kollektorschicht ersten Leitfähigkeitstyps entlang einer x-y-Ebene, die durch eine x-Richtung und eine y-Richtung definiert ist, die orthogonal zueinander verlaufen; einer Drift-Schicht zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer Vorderseite der Kollektorschicht gebildet ist; einer Basisschicht ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Drift-Schicht gebildet ist; Trench-Gates; einer Emitterschicht zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Oberflächenabschnitt der Basisschicht gebildet und auf einer Seite des Trench-Gate angeordnet ist; einer Kollektor-Elektrode, die auf einer Rückseite der Kollektorschicht gebildet und elektrisch mit der Kollektorschicht verbunden ist; und einer Emitter-Elektrode, die elektrisch mit der Emitterschicht und der Basisschicht verbunden ist. Die Trench-Gates weisen Gräben, die sich in der y-Richtung erstrecken, um ein Muster aus Streifen zu bilden, eine Gate-Isolierschicht, die auf Wänden der Gräben gebildet ist, und eine Gate-Elektrode, die auf der Gate-Isolierschicht gebildet ist, auf. Die Gräben erstrecken sich von einer Oberfläche der Basisschicht entlang der x-y-Ebene zu einer Innenseite der Drift-Schicht, indem sie die Basisschicht in einer z-Richtung durchdringen, die orthogonal zur x-y-Ebene verläuft. Jedes Trench-Gate weist einen Bodenabschnitt, der in der Drift-Schicht angeordnet ist, und einen Kommunikationsabschnitt, der sich von der Oberfläche der Basisschicht erstreckt, um mit dem Bodenabschnitt zu kommunizieren, auf. Ein Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten in der x-Richtung ist geringer als ein Abstand zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten in der x-Richtung. Die Gate-Isolierung ist im Bodenabschnitt dicker als im Kommunikationsabschnitt. Ein Bereich zwischen benachbarten Trench-Gates ist in der y-Richtung in einen effektiven Bereich und einen ineffektiven Bereich geteilt. Der effektive Bereich entspricht der Emitterschicht und dient als eine Injektionsquelle zum Injizieren von Ladungen in die Drift-Schicht, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird. Der ineffektive Bereich dient auch dann nicht als die Injektionsquelle, wenn die Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird. Ein Intervall L1 (> 0) des ineffektiven Bereichs in der y-Richtung, eine Länge D1 des Kommunikationsabschnitts in der z-Richtung und eine Länge D2 des Bodenabschnitts in der z-Richtung erfüllen das folgende Verhältnis: L1 ≤ 2(D1 + D2).
  • Gemäß dem ersten Aspekt ist der Abstand zwischen benachbarten Trench-Gates in der z-Richtung nicht konstant. D. h., er ist auf der Länge des Oberflächenabschnitts der Basisschicht zwischen benachbarten Trench-Gates nicht konstant. Insbesondere ist der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten geringer als ein Abstand zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten. Folglich wird eine Übertragung von Löchern, die in die Drift-Schicht injiziert werden, verglichen mit dem Fall, dass der Abstand zwischen benachbarten Trench-Gates auf der Länge des Oberflächenabschnitts der Basisschicht zwischen benachbarten Trench-Gates konstant ist, beschränkt. Dementsprechend können viele Löcher in der Drift-Schicht akkumuliert werden. Aufgrund der akkumulierten Löcher wird die Menge an Elektronen, die aus der Emitterschicht durch eine Inversionsschicht und eine Anreicherungsschicht der Drift-Schicht zugeführt wird, erhöht, so dass eine EIN-Spannung verringert wird.
  • Die Tatsache, dass der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten geringer als der Abstand zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten ist, bedeutet, dass die Länge des Oberflächenabschnitts der Basisschicht zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten größer als der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten ist. Folglich können verglichen mit einer Halbleitervorrichtung, so wie sie im Patentdokument 1 beschrieben ist, bei der der Abstand zwischen benachbarten Trench-Gates bei einem sehr niedrigen Wert konstant ist, die folgenden Vorteile erzielt werden. Da benachbarten Inversionsschichten, die während einer EIN-Periode erzeugt werden, weniger wahrscheinlich in Kontakt miteinander kommen, kann eine Zunahme in einem Sättigungsstrom verringert werden. Ferner werden Kontaktbereiche der Basisschicht und der Emitterschicht, die mit der Emitter-Elektrode verbunden sind, vergrößert, so dass ein Kontaktwiderstand verringert wird. Folglich wird die EIN-Spannung verringert. Ferner werden Kontaktbereiche der Basisschicht und der Emitterschicht, die mit der Emitter-Elektrode verbunden sind, vergrößert. Dementsprechend wird beispielsweise eine Ausrichtung, die erfolgt, wenn die Elektroden gebildet werden, einfach, so dass ein Fertigungsprozess vereinfacht werden kann.
  • Ferner ist, gemäß dem ersten Aspekt, die Dicke der Gate-Isolierschicht, die auf einer Wand des Bodenabschnitts des Grabens gebildet ist, größer als die Dicke der Gate-Isolierschicht, die auf einer Wand des Kommunikationsabschnitts des Grabens gebildet ist. Folglich wird die Dicke der Anreicherungsschicht, die in einem Abschnitt der Drift-Schicht in Kontakt mit der Gate-Isolierschicht des Trench-Gate gebildet ist, verglichen mit dem Fall, dass die Dicke der Gate-Isolierschicht konstant bei der Dicke der Gate-Isolierschicht ist, die auf der Wand des Kommunikationsabschnitts gebildet ist, verringert werden. Dementsprechend wird der Sättigungsstrom verringert und eine Lastkurzschlusstoleranz verbessert.
  • Ferner ist, gemäß dem ersten Aspekt, der effektive Bereich in einer Erstreckungsrichtung des Trench-Gate, d. h. in der y-Richtung, geteilt. Genauer gesagt, der ineffektive Bereich ist zwischen benachbarten effektiven Bereichen in der y-Richtung angeordnet. Folglich ist ein Verhältnis der Breite des effektiven Bereichs zur Trench-Gate-Länge verglichen mit einem herkömmlichen Aufbau, bei dem der effektive Bereich kontinuierlich ist, gering. D. h., eine Stromdichte aufgrund von Elektronen, die aus der Emitterschicht in die Drift-Schicht injiziert werden, ist verglichen mit dem Aufbau, bei dem der effektive Bereich kontinuierlich ist, gering. Folglich wird ein Sättigungsstrom eines IGBT verringert.
  • Ferner erfüllt ein Aufbau als ein IGBT, gemäß dem ersten Aspekt, das folgende Verhältnis: L1 ≤ 2(D1 + D2). Bei diesem Aufbau überlappen sich Übertragungswege für Elektronen, die aus den geteilten Emitterschichten zur Drift-Schicht übertragen werden, in einer Tiefe, die nicht größer als eine Tiefe entsprechend der Länge (D1 + D2) des Trench-Gate in der z-Richtung ist. D. h., ein Spannungsabfall an einem Abschnitt der Drift-Schicht, der in einer Tiefe angeordnet ist, die größer als die Länge (D1 + D2) gemessen von der Oberfläche der Basisschicht in der z-Richtung ist, kann nahezu gleich dem Fall sein, dass die Emitterschicht eine kontinuierliche Struktur aufweist. Für gewöhnlich ist, in einem IGBT-Element, ein Verhältnis eines Spannungsabfalls an der Drift-Schicht zu einer Spannungsabfallkomponente hoch. Eine EIN-Spannung eines IGBT kann effizient verringert werden, indem eine EIN-Spannung an der Drift-Schicht verringert wird. Folglich kann eine Zunahme in der EIN-Spannung verringert werden, indem ein Spannungsabfall an der Drift-Schicht verringert wird. Ferner wird, da der Aufbau sowohl den effektiven Bereich als auch den ineffektiven Bereich aufweist, der Sättigungsstrom verringert und die Lastkurzschlusstoleranz verbessert.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der effektive Bereich in dem Intervall L1 in der y-Richtung angeordnet und ist der ineffektive Bereich zwischen benachbarten effektiven Bereichen in der y-Richtung angeordnet.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Emitterschicht in der Erstreckungsrichtung des Trench-Gate, d. h. in der y-Richtung, geteilt. Genauer gesagt, die Basisschicht ist in der y-Richtung zwischen benachbarten Emitterschichten angeordnet. In einem Bereich, in dem die Emitterschicht gebildet ist, werden dann, wenn die Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, Elektronen aus der Emitterschicht in die Drift-Schicht injiziert. Demgegenüber wird in einem Bereich, in dem keine Emitterschicht gebildet ist, kein Elektron aus dem Oberflächenabschnitt der Basisschicht in Kontakt mit dem Trench-Gate in die Drift-Schicht injiziert. D. h., in der y-Richtung entspricht ein Bereich, in dem die Emitterschicht als eine Elektroneninjektionsquelle gebildet ist, dem effektiven Bereich und entspricht ein Bereich zwischen benachbarten effektiven Bereichen dem ineffektiven Bereich. Bei diesem Aufbau ist ein Verhältnis der Emitterschichtbreite zur Trench-Gate-Länge verglichen mit einem Aufbau, bei dem die Emitterschicht kontinuierlich ist, gering. D. h., eine Stromdichte aufgrund von Elektronen, die aus der Emitterschicht in die Drift-Schicht injiziert werden, ist verglichen mit dem Aufbau, bei dem die Emitterschicht kontinuierlich ist, gering. Folglich wird ein Sättigungsstrom eines IGBT verringert.
  • Bei diesem Aufbau kann ein Spannungsabfall an einem Abschnitt der Drift-Schicht, der in einer Tiefe angeordnet ist, die größer als die Länge (D1 + D2) gemessen von der Oberfläche der Basisschicht in der z-Richtung ist, nahezu gleich dem Fall sein, dass die Emitterschicht eine kontinuierliche Struktur aufweist. Folglich wird der Spannungsabfall an der Drift-Schicht derart verringert, dass die Zunahme in der EIN-Spannung verringert werden kann. Ferner wird, aufgrund der geteilten Emitter-Struktur, der Sättigungsstrom verringert und die Lastkurzschlusstoleranz verbessert.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Ausführungsform ist ein erster Basisbereich hoher Konzentration und ersten Leitfähigkeitstyps im Oberflächenabschnitt der Basisschicht im ineffektiven Bereich gebildet und ist eine Störstellenkonzentration des ersten Basisbereichs hoher Konzentration höher als diejenige der Basisschicht.
  • Bei diesem Aufbau wird ein Kontaktwiderstand zwischen der Emitter-Elektrode, die auf den Oberflächen der Emitterschicht und der Basisschicht gebildet ist, und der Basisschicht verglichen mit einem Aufbau ohne ersten Basisbereich hoher Konzentration verringert. Folglich wird ein Potential der Basisschicht stabilisiert und eine Überspannungstoleranz verbessert.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Emitterschicht in der y-Richtung fortlaufend entlang des Trench-Gate und weist der ineffektive Bereich einen zweiten Basisbereich hoher Konzentration und ersten Leitfähigkeitstyps auf, der eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als diejenige der Basisschicht und niedriger als diejenige der Emitterschicht ist. Der zweite Basisbereich hoher Konzentration ist intermittierend geteilt und in dem Intervall L1 in der y-Richtung angeordnet. Der zweite Basisbereich hoher Konzentration ist in der Basisschicht angeordnet. Der zweite Basisbereich hoher Konzentration befindet sich in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht und in der x-Richtung in Kontakt mit dem Trench-Gate.
  • Der effektive Bereich ist zwischen benachbarten zweiten Basisbereichen hoher Konzentration angeordnet.
  • Gemäß dem vierten Aspekt ist der zweite Basisbereich hoher Konzentration in der y-Richtung geteilt, in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht und in der x-Richtung in Kontakt mit dem Trench-Gate. Der zweite Basisbereich hoher Konzentration weist eine Störstellenkonzentration auf, die höher als diejenige der Basisschicht ist. Folglich wird dann, wenn die Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, der zweite Basisbereich hoher Konzentration weniger wahrscheinlich als die Basisschicht invertiert. D. h., ein Bereich, der in der y-Richtung zwischen benachbarten Trench-Gates angeordnet und in dem der zweite Basisbereich hoher Konzentration gebildet ist, entspricht dem ineffektiven Bereich, in dem kein Elektron aus einem Bereich in Kontakt mit dem Trench-Gate in die Drift-Schicht injiziert wird. In einem Bereich zwischen benachbarten zweiten Basisbereichen hoher Konzentration in der y-Richtung werden Elektronen aus der Emitterschicht in die Drift-Schicht injiziert. D. h., dieser Bereich entspricht dem effektiven Bereich, in dem die Emitterschicht als eine Elektroneninjektionsquelle dient. Auch in dieser Struktur ist der ineffektive Bereich geteilt. Folglich ist der effektive Bereich ebenso geteilt. Dementsprechend ist ein Verhältnis der Breite der Emitterschicht als die Injektionsquelle zur Trench-Gate-Länge verglichen mit einer Struktur, bei der der effektive Bereich kontinuierlich ist, gering. D. h., eine Stromdichte durch Elektronen, die aus der Emitterschicht in die Drift-Schicht injiziert werden, ist verglichen mit der Struktur, bei der der effektive Bereich kontinuierlich ist, gering. Folglich wird ein Sättigungsstrom eines IGBT verringert.
  • Ferner kann, gemäß dem vierten Aspekt, ein Spannungsabfall an einem Abschnitt der Drift-Schicht, der in einer Tiefe angeordnet ist, die größer als die Länge (D1 + D2) gemessen von der Oberfläche der Basisschicht in der z-Richtung ist, nahezu gleich dem Fall sein, dass die Emitterschicht eine kontinuierliche Struktur aufweist. Dementsprechend wird der Spannungsabfall an der Drift-Schicht verringert, die Zunahme in der EIN-Spannung verringert, der Sättigungsstrom verringert und die Lastkurzschlusstoleranz verbessert.
  • Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das folgende Verhältnis erfüllt: L1 ≤ 2D1.
  • Gemäß dem fünften Aspekt überlappen sich Übertragungswege für Elektronen, die aus den Emitterschichten der geteilten effektiven Bereiche zur Drift-Schicht übertragen werden, in einer Tiefe, die nicht größer als eine Tiefe entsprechend der Länge (D1) des Kommunikationspfads in der z-Richtung ist. Genauer gesagt, die Elektronenübertragungswege überlappen sich in der Basisschicht. Folglich kann ein Spannungsabfall an der gesamten Driftschicht und einem Abschnitt tiefer als die Driftschicht nahezu gleich dem Fall sein, dass der effektive Bereich eine kontinuierliche Struktur aufweist. D. h., ein Spannungsabfall an der Driftschicht entsprechend dem Bodenabschnitt kann effektiver verringert werden. Dementsprechend kann die Zunahme in der EIN-Spannung verringert werden, während der Sättigungsstrom verringert wird, da der geteilte effektive Bereich vorhanden ist.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen L1 und D1 das folgende Verhältnis: D1 ≤ L1. Wenn das Verhältnis D1 ≤ L1 erfüllt ist, wird der Sättigungsstrom effektiv verringert. Der Sättigungsstrom nimmt mit einer Zunahme in L1 ab. Ein Absolutwert einer Änderungsrate, d. h. eine Steigung nimmt mit der Zunahme in L1 zu und wird innerhalb eines Bereichs, in dem D1 ≤ L1 erfüllt ist, konstant. Folglich wird dann, wenn L1 und D1 das Verhältnis D1 ≤ L1 erfüllen, der Sättigungsstrom effektiv verringert.
  • Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der effektive Bereich derart eine periodische Struktur auf, dass sowohl L1 als auch eine Länge L2 des effektiven Bereichs in der y-Richtung konstant sind.
  • In dieser Struktur werden die Abhängigkeiten der EIN-Spannung und des Sättigungsstroms von einer Position auf der x-y-Ebene verringert. Folglich werden die EIN-Spannung und der Sättigungsstrom stabilisiert.
  • Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Basiskontaktschicht ersten Leitfähigkeitstyps im Oberflächenabschnitt der Basisschicht zwischen den Emitterschichten zwischen benachbarten Trench-Gates gebildet. Die Basiskontaktschicht erstreckt sich bis zu einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht erstreckt, und eine Länge der Basiskontaktschicht in der x-Richtung ist größer als der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten.
  • In dieser Struktur werden Löcher während einer AUS-Periode, in der keine Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, verglichen mit dem Fall, dass keine Basiskontaktschicht gebildet ist, dass eine Tiefe der Basiskontaktschicht geringer als eine Tiefe der Emitterschicht ist oder dass die Länge der Basiskontaktschicht in der x-Richtung geringer als der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten ist, wahrscheinlich gezogen. Folglich kann das Auftreten eines Latch-Up-Effekts verringert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
  • 1 eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung in einer x-z-Ebene;
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Abhängigkeit eines Sättigungsstroms von einer Emitterbreite;
  • 4 eine Draufsicht zur Veranschaulichung eines Elektronenübertragungswegs in der Halbleitervorrichtung;
  • 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Abhängigkeit einer EIN-Spannung von einer Emitterbreite in einer Drift-Schicht benachbarten zu einem zweiten Graben;
  • 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der EIN-Spannung von dem Sättigungsstrom und der Emitterbreite in der Drift-Schicht benachbart zum zweiten Graben;
  • 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Abhängigkeit einer EIN-Spannung an einer Drift-Schicht benachbarten zu einem zweiten Graben von einem Emitterintervall gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 8 eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
  • 9 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung in einer x-z-Ebene gemäß einer Modifikation der dritten Ausführungsform;
  • 10A eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform und eine Querschnittsansicht einer Oberfläche einer Basisschicht in einer x-y-Ebene, 10B eine Querschnittsansicht in einer x-z-Ebene entlang einer Linie XB-XB, und 10C eine Querschnittsansicht in der x-z-Ebene entlang einer Linie XC-XC;
  • 11 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform und eine Querschnittsansicht einer Oberfläche einer Basisschicht in einer x-y-Ebene;
  • 12 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Modifikation der fünften Ausführungsform und eine Querschnittsansicht einer Oberfläche einer Basisschicht in einer x-y-Ebene;
  • 13 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der fünften Ausführungsform und eine Querschnittsansicht einer Oberfläche einer Basisschicht in einer x-y-Ebene;
  • 14 eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
  • 15 eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform in einer y-z-Ebene entlang einer Linie XV-XV in der 14;
  • 16 eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
  • 17 eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform in einer x-z-Ebene entlang einer Linie XVII-XVII in der 16; und
  • 18A eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform und eine Querschnittsansicht einer Oberfläche einer Basisschicht in einer x-y-Ebene, 18B eine Querschnittsansicht in einer x-z-Ebene entlang einer Linie XVIIIB-XVIIIB, und 18C eine Querschnittsansicht in der x-z-Ebene entlang einer Linie XVIIIC-XVIIIC.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche oder äquivalente Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Ebene, die durch eine x-Richtung und eine orthogonal zur x-Richtung verlaufende y-Richtung definiert ist, ist als x-y-Ebene definiert, und eine Richtung orthogonal zur x-y-Ebene ist als z-Richtung definiert.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Zunächst ist eine Struktur einer Halbleitervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
  • Eine n+-leitende Pufferschicht 12, die eine vorbestimmte Dicke in der z-Richtung aufweist, ist, wie in 1 gezeigt, auf einer Oberfläche einer p+-leitenden Kollektorschicht 11 gebildet, die entlang der x-y-Ebene gebildet ist und eine vorbestimmte Dicke in der x-Richtung aufweist. Eine n–-leitende Driftschicht 13 mit einer Störstellenkonzentration, die geringer als diejenige der Pufferschicht 12 ist, ist auf einer Oberfläche der Pufferschicht 12 gebildet. Eine p-leitende Basisschicht 14 ist auf einer Oberfläche der Driftschicht 13 gebildet. D. h., die Kollektorschicht 11, die Pufferschicht 12 und die Driftschicht 13 sind in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet angeordnet.
  • Mehrere Gräben 15, die die Basisschicht 14 durchdringen und die Driftschicht 13 erreichen, erstrecken sich in der y-Richtung, um ein Muster aus Streifen zu bilden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Graben 15 in der x-Richtung in einem regelmäßigen Gate-Abstand (wie beispielsweise 5,0 μm) wiederholt gebildet. Eine Gate-Isolierschicht 16, die beispielsweise aus einem Oxidfilm aufgebaut ist, und eine Gate-Elektrode 17, die beispielsweise aus einem polykristallinen Silizium aufgebaut ist, sind nacheinander auf einer Seitenwand des Grabens 15 gebildet. Folglich bilden der Graben 15, die Gate-Isolierschicht 16 und die Gate-Elektrode 17 ein Trench-Gate 18.
  • Jeder Trench-Gate 18 weist einen Kommunikationsabschnitt 18a und einen Bodenabschnitt 18b auf. Der Kommunikationsabschnitt 18a erstreckt sich von der Oberfläche der Basisschicht 14, um mit dem Bodenabschnitt 18b zu kommunizieren. Der Bodenabschnitt 18b ist in der Driftschicht 13 angeordnet. Eine Breite des Bodenabschnitts 18b ist in der x-Richtung größer als eine Breite des Kommunikationsabschnitts 18a. D. h., ein Abstand (in der 1 durch „A” gekennzeichnet) zwischen benachbarten Bodenabschnitten 18b in der x-Richtung ist in der x-Richtung geringer als ein Abstand (in der 1 durch „B” gekennzeichnet) zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten 18a. „A” kann beispielsweise ungefähr 0,5 μm und „B” ungefähr 1,5 μm betragen.
  • Der Abstand zwischen den Kommunikationsabschnitten 18a in der x-Richtung kann als eine Länge der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 in der x-Richtung verstanden werden. Die Tatsache, dass der Bodenabschnitt 18b in der Driftschicht 13 angeordnet ist, kann nicht nur bedeuten, dass der Bodenabschnitt 18b einzig in der Driftschicht 13 gebildet ist, sondern ebenso, dass der Bodenabschnitt 18b über eine Grenzfläche zwischen der Basisschicht 14 und der Driftschicht 13 gebildet ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Bodenabschnitt 18b über die Grenzfläche zwischen der Basisschicht 14 und der Driftschicht 13 gebildet.
  • Eine Länge D1 des Kommunikationsabschnitts 18a des Trench-Gate 18 in der z-Richtung kann beispielsweise ungefähr 3,0 μm betragen, und eine Länge D2 des Bodenabschnitts 18b des Trench-Gate 18 in der z-Richtung kann beispielsweise ungefähr 2,0 μm betragen.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der Graben 15 des Trench-Gate 18 einen zweiten Graben 15b, der in der Driftschicht 13 angeordnet ist, und einen ersten Graben 15a, der sich von der Oberfläche der Basisschicht 14 erstreckt, um mit dem zweiten Graben 15b zu kommunizieren, auf. Ein Abstand zwischen gegenüberliegenden Wänden des ersten Grabens 15a ist in der x-Richtung geringer als ein Abstand zwischen gegenüberliegenden Wänden des zweiten Grabens 15b. D. h., eine Breite einer Öffnung des ersten Grabens 15a ist derart geringer als eine Breite einer Öffnung des zweiten Grabens 15b, dass der Graben 15 gleich einer Vase ausgebildet sein kann. Das Trench-Gate 18 weist die Gate-Isolierschicht 16, die im ersten Graben 15a und im zweiten Graben 15b gebildet ist, und die Gate-Elektrode 17, die im Graben 15 eingebettet ist, auf.
  • Eine Dicke der Gate-Isolierschicht 16, die auf einer Wand des zweiten Grabens 15b gebildet ist, ist größer als eine Dicke der Gate-Isolierschicht 16, die auf einer Wand des ersten Grabens 15a gebildet ist. Die Dicke der Gate-Isolierschicht 16, die auf den Wänden des ersten Grabens 15a und des zweiten Grabens 15b gebildet ist, ist die Dicke der Gate-Isolierschicht 16 in einer Richtung senkrecht zur y-Richtung. Die Dicke der Gate-Isolierschicht 16, die auf der Wand des ersten Grabens 15a gebildet ist, beträgt beispielsweise ungefähr 100 nm, und die Dicke der Gate-Isolierschicht 16, die auf der Wand des zweiten Grabens 15b gebildet ist, beträgt beispielsweise ungefähr 200 nm.
  • Eine n+-leitende Emitterschicht 19, die eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als diejenige der Driftschicht 13 ist, ist auf der Seite des Trench-Gate 18 in einem Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 gebildet. Die Emitterschicht 19 ist derart in mehrere Abschnitte geteilt, dass die Emitterschicht 19 eine Länge L2 (nachstehend als eine Emitter-Breite bezeichnet) in der y-Richtung aufweisen kann und dass die Emitterschicht 19 in der y-Richtung periodisch in einem Intervall L1 (nachstehend als ein Emitter-Intervall bezeichnet) angeordnet sein kann. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist L1 derart bestimmt, dass das folgende Verhältnis erfüllt wird: D1 ≤ L1 ≤ 2(D1 + D2). D. h., gemäß der vorliegenden Ausführungsform erfüllt, da D1 ungefähr 3,0 μm beträgt und D2 ungefähr 2,0 μm beträgt, L1 das Verhältnis 3 μm ≤ L1 ≤ 10 μm. L1 kann jeden beliebigen Wert aufweisen, solange L1 das obige Verhältnis erfüllt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann L1 beispielsweise ungefähr 6,0 μm betragen und L2 beispielsweise ungefähr 2,0 μm betragen.
  • Ein Bereich mit der Länge L2 in der y-Richtung, der zwischen benachbarten Trench-Gates 18 angeordnet ist und in dem die Emitterschicht 19 gebildet ist, entspricht einem effektiven Bereich (in der 1 durch „P” gekennzeichnet) in den Ansprüchen. Ein Bereich mit der Länge L2 in der y-Richtung, der zwischen benachbarten effektiven Bereichen P angeordnet ist, entspricht einem ineffektiven Bereich (in der 1 durch „Q” gekennzeichnet) in den Ansprüchen.
  • Eine p+-leitende Basiskontaktschicht 20, die eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als diejenige der Basisschicht 14 ist, ist zwischen den Emitterschichten 19 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 gebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 von der Oberfläche der Basisschicht 14 bis zu einer Tiefe, die größer als diejenige der Emitterschicht 19 ist. Ferner ist eine Länge (in der 1 durch „C” gekennzeichnet) der Basiskontaktschicht 20 in der x-Richtung größer als der Abstand (in der 1 durch „A” gekennzeichnet) zwischen benachbarten Bodenabschnitten 18b in der x-Richtung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann „C” beispielsweise ungefähr 0,8 μm betragen.
  • Ferner ist, wie in 2 gezeigt, ein dielektrischer Zwischenschichtfilm 21 auf der Oberfläche der Basisschicht 14 gebildet, wo die Emitterschicht 19 gebildet ist. Der dielektrische Zwischenschichtfilm 21 weist ein Kontaktloch auf. Eine Emitterelektrode 22 ist über das Kontaktloch elektrisch mit der Emitterschicht 19, der Basisschicht 14 und der Basiskontaktschicht 20 verbunden. Es sollte beachtet werden, dass die Gate-Elektrode 17 und die Emitterelektrode 22 durch den dielektrischen Zwischenschichtfilm 21 voneinander isoliert sind. Eine Kollektorelektrode 23 ist auf einer Rückseite der Kollektorschicht 11 gebildet und elektrisch mit der Kollektorschicht 11 verbunden.
  • Nachstehend sind Vorteile der Halbleitervorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben.
  • Bei der Halbleitervorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform wird dann, wenn eine vorbestimmte Gate-Spannung an die Gate-Elektrode 17 gelegt wird, eine n-leitende Inversionsschicht in der Basisschicht 14 an einer Grenzfläche mit der Gate-Isolierschicht 16 im Graben 15 gebildet. Ferner wird eine Elektronenanhäufungsschicht in der Driftschicht 13 an einer Grenzfläche mit der Gate-Isolierschicht 16 im Graben 15 gebildet. Elektronen strömen aus der Emitterschicht 19 durch die Inversionsschicht und die Anreicherungsschicht in die Driftschicht 13, und Löcher strömen aus der Kollektorschicht 11 in die Driftschicht 13. Folglich nimmt ein Widerstand der Driftschicht 13 aufgrund der Leitfähigkeitsmodulation derart ab, dass er in einen EIN-Zustand wechseln kann.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Abstand „A” zwischen benachbarten Bodenabschnitten 18b in der x-Richtung geringer als der Abstand „B” zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten 18a in der x-Richtung. Folglich wird eine Übertragung von Löchern, die in die Driftschicht 13 injiziert werden, verglichen mit dem Fall, dass der Abstand zwischen benachbarten Trench-Gates 18 in der z-Richtung nahezu konstant bei der Länge „B” des Oberflächenabschnitts der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 ist, beschränkt. Dementsprechend können viele Löcher in der Driftschicht 13 akkumuliert werden. Durch die akkumulierten Löcher kann die Menge an Elektronen, die aus der Emitterschicht 19 über die Inversionsschicht und die Anreicherungsschicht der Driftschicht 13 zugeführt wird, erhöht werden. Folglich kann eine EIN-Spannung verringert werden.
  • Ferner ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Gate-Isolierschicht 16 im zweiten Graben 15b dicker als im ersten Graben 15a. Folglich kann die Dicke der Anreicherungsschicht verglichen mit dem Fall, dass die Dicke der Gate-Isolierschicht 16 konstant bei der Dicke der im ersten Graben 15a gebildeten Gate-Isolierschicht ist, verringert werden. Folglich wird ein Strompfad für einen Kollektor-Emitter-Strom derart eingeschnürt, dass ein Sättigungsstrom verringert werden kann. Dementsprechend kann eine Lastkurzschlusstoleranz verbessert werden.
  • Ferner ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die Emitterschicht 19 derart in mehrere Teile geteilt, dass die Emitterschicht 19 die Emitterbreite L2 aufweisen und in der y-Richtung periodisch im Emitterintervall L1 angeordnet sein kann. Genauer gesagt, die Basisschicht 14 ist in der y-Richtung zwischen benachbarten Emitterschichten 19 angeordnet. Folglich ist ein Verhältnis der Breite der Emitterschicht 19 zur Länge des Trench-Gate 18 in der y-Richtung verglichen mit dem Fall, dass die Emitterschicht 19 eine kontinuierliche Struktur aufweist, gering. D. h., eine Stromdichte durch Elektronen, die aus der Emitterschicht 19 in die Driftschicht 13 injiziert werden, ist verglichen mit dem Fall, dass die Emitterschicht 19 eine kontinuierliche Struktur aufweist, gering. Dementsprechend wird, in der Halbleitervorrichtung 10, der Sättigungsstrom verringert und die Lastkurzschlusstoleranz verbessert. 3 zeigt ein Ergebnis einer Simulation, die erfolgt ist, um einen Sättigungsstrom Ice (sat) auszuwerten, unter den Bedingungen, dass eine Gate-Emitter-Spannung Vg 15 V beträgt, eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce 20 V beträgt und eine Betriebstemperatur 150°C beträgt. Bei dieser Simulation ist ein Abstand (L1 + L2) der Emitterschicht 19 in der y-Richtung konstant und die Emitterbreite L2 variabel. 3 zeigt einen Fall, dass L1 + L2 = 12 μm ist, zusätzlich zu einem Fall der vorliegenden Ausführungsform (L1 + L2 = 8 μm). Wie aus der 3 ersichtlich wird dann, wenn ein Verhältnis der Emitterbreite L2 zum Abstand verringert wird (wenn ein Verhältnis des Emitterintervalls L1 zum Abstand erhöht wird), der Sättigungsstrom Ice (sat) verringert.
  • Ein Übertragungsweg 24 für Elektronen, die aus der Emitterschicht 19 in die Driftschicht 13 injiziert werden, umfasst, wie in 4 gezeigt, nicht nur die z-Richtung, sondern ebenso eine Richtung parallel zur x-y-Ebene. D. h., da die Emitterschicht 19 eine geteilte Struktur aufweist, existiert der Übertragungsweg 24 auch in der Driftschicht 13 direkt unterhalb der Basisschicht 14, deren Oberflächenabschnitt keine Emitterschicht 19 aufweist. Ein Spannungsabfall in einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, in der sich die Übertragungswege 24 für Elektronen, die aus benachbarten Emitterschichten 19 übertragen werden, in der y-Richtung überlappen, ist nahezu gleich dem Fall, dass die Emitterschicht eine kontinuierliche Struktur aufweist.
  • 5 zeigt ein Ergebnis einer Simulation, die erfolgt ist, um eine EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum zweiten Graben 15b unter den Bedingungen zu bewerten, dass eine Gate-Emitter-Spannung Vg 15 V beträgt, ein Kollektorstrom 400 A/cm2 beträgt und eine Betriebstemperatur 150°C beträgt. Bei dieser Simulation ist ein Abstand (L1 + L2) der Emitterschicht 19 in der y-Richtung konstant und die Emitterbreite L2 variabel. 5 zeigt einen Fall, bei dem L1 + L2 = 12 μm ist, zusätzlich zu einem Fall der vorliegenden Ausführungsform (L1 + L2 = 8 μm). Obgleich die EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum zweiten Graben 15b dazu neigt, mit abnehmender Emitterbreite L2 zuzunehmen, hängt die EIN-Spannung Von nur wenig von der Emitterbreite L2 ab und verbleibt nahezu konstant, wie aus der 5 ersichtlich ist. D. h., selbst wenn die Emitterschicht 19 eine geteilte Struktur aufweist, kann eine Zunahme in der EIN-Spannung verringert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Emitterintervall L1 so bestimmt, dass das Verhältnis D1 ≤ L1 ≤ 2(D1 + D2) erfüllt ist. In dieser Struktur überlappen sich die Übertragungswege 24 für Elektronen, die aus den geteilten Emitterschichten 19 in die Driftschicht 13 übertragen werden, in einer Tiefe, die nicht größer als eine Tiefe entsprechend der Länge (D1 + D2) des Trench-Gate 18 in der z-Richtung ist. D. h., ein Spannungsabfall an einem Abschnitt der Driftschicht 13, der in einer Tiefe angeordnet ist, die größer als die Länge (D1 + D2) gemessen von der Oberfläche der Basisschicht 14 in der z-Richtung ist, kann nahezu gleich dem Fall sein, dass die Emitterschicht 19 eine kontinuierliche Struktur aufweist. Für gewöhnlich ist, in einem IGBT-Element, ein Verhältnis eines Spannungsabfalls an der Driftschicht 13 zu einer Spannungsabfallkomponente hoch. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, da das Emitterintervall L1 so bestimmt ist, dass das Verhältnis D1 ≤ L1 ≤ 2(D1 + D2) erfüllt ist, der Spannungsabfall an der Driftschicht 13 verringert, so dass die Zunahme in der EIN-Spannung verringert wird.
  • Ferner erfüllt die Struktur, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das Verhältnis D1 ≤ L1. Wenn die Emitterschicht 19 eine geteilte Struktur aufweist, hängt der Sättigungsstrom von einer Stromdichte durch Elektronen ab, die aus der Emitterschicht 19 über die Inversionsschicht in die Driftschicht 13 übertragen werden. D. h., wenn der Abstand (L1 + L2) der Emitterschicht 19 konstant ist, hängt der Sättigungsstrom vom Emitterintervall L1 ab. Ferner wird, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben ist, wenn die Struktur das Verhältnis D1 ≤ L1 erfüllt, der Sättigungsstrom effektiv verringert.
  • 6 zeigt ein Diagramm mit zwei Achsen zur Veranschaulichung der EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum Graben 15 und des Sättigungsstroms Ice (sat) durch eine Änderung der horizontalen Achse in der 3 und in der 5 zu dem Emitterintervall L1. Wenn das Emitterintervall L1, wie vorstehend beschrieben, vergrößert wird (wenn die Emitterbreite L2 verringert wird), nimmt die EIN-Spannung Von zu und der Sättigungsstrom Ice (sat) ab. Wenn L1 > 2(D1 + D2) ist, weist die EIN-Spannung Von, wie in 6 gezeigt, ein lineares Verhältnis mit dem Emitterintervall L1 auf. Wenn das Emitterintervall L1 jedoch auf einen Wert von kleiner oder gleich als 2(D1 + D2) verringert wird, nähert sich die EIN-Spannung Von ihrem minimalen Wert an (in dieser Ausführungsform ungefähr 0,17 V). D. h., wenn das Verhältnis L1 ≤ 2(D1 + D2) erfüllt ist, kann die Zunahme in der EIN-Spannung Von verringert werden. Der Sättigungsstrom Ice (sat) nimmt mit zunehmendem L1 ab. Ein Absolutwert der Änderungsrate, d. h. die Steigung nimmt mit zunehmendem L1 zu und wird anschließend konstant (linear). An einem Schnittpunkt zwischen einer geraden Linie innerhalb des konstanten Bereichs und einer Tangenten an einem Punkt, an dem das Emitterintervall L1 null ist (eine herkömmliche Struktur, bei der die Emitterschicht nicht geteilt ist), ist das Emitterintervall L1 nahezu gleich D1. Folglich wird dann, wenn L1 und D1 das Verhältnis D1 ≤ L1 aufweisen, der Sättigungsstrom effektiv verringert. Dementsprechend kann, wie in der vorliegenden Ausführungsform, wenn die Struktur das Verhältnis D1 ≤ L1 ≤ 2(D1 + D2) erfüllt, eine niedrige EIN-Spannung erzielt und ferner der Sättigungsstrom verringert werden. D. h., die Lastkurzschlusstoleranz kann verbessert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Emitterintervall L1 ungefähr 6,0 μm und ist das Verhältnis D1 ≤ L1 ≤ 2D1 erfüllt. In einem Bereich, in dem das Emitterintervall L1 das Verhältnis D1 ≤ L1 ≤ 2D1 erfüllt, wird die EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum Graben 15, wie in 6 gezeigt, bei ihrem minimalen Wert (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 0,17 V) konstant. Folglich wird die Zunahme in der EIN-Spannung effektiver gemindert.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • In der ersten Ausführungsform beträgt die Länge D1 des Kommunikationsabschnitts 18a in der z-Richtung ungefähr 3,0 μm und die Länge D2 des Bodenabschnitts 18b in der z-Richtung ungefähr 2,0 μm. Demgegenüber beträgt, in der vorliegenden Ausführungsform, die Länge D1 ungefähr 2,4 um und die Länge D2 ungefähr 1,6 μm (0,8 mal größer als diejenigen der ersten Ausführungsform), so dass die Basisschicht 14, die Emitterschicht 19 und die Tiefe der Basisschicht 14, in der die Basiskontaktschicht 20 gebildet ist, von der Oberfläche 0,8 mal größer als diejenigen der ersten Ausführungsform sind.
  • Da der weitere Aufbau gleich demjenigen der ersten Ausführungsform ist, wird hierauf nachstehend nicht näher eingegangen. Ferner wird, was die Vorteile betrifft, da die Abhängigkeiten von Faktoren mit Ausnahme der EIN-Spannung von D1, D2, der Basisschicht 14, der Emitterschicht 19 und der Tiefe der Basisschicht 14, in der die Basiskontaktschicht 20 gebildet ist, von der Oberfläche gering sind, verglichen mit der EIN-Spannung gering und gleich denjenigen in der ersten Ausführungsform sind, hierauf nachstehend nicht näher eingegangen. Folglich ist die EIN-Spannung der vorliegenden Ausführungsform hierin näher beschrieben.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt die Abhängigkeit der EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum Graben 15 vom Emitterintervall L1, wie in 7 gezeigt, die gleiche Tendenz wie die erste Ausführungsform. D. h., wenn L1 > 2(D1 + D2), weist die EIN-Spannung Von ein lineares Verhältnis mit dem Emitterintervall L1 auf. Wenn das Emitterintervall L1 jedoch auf einen Wert kleiner oder gleich 2(D1 + D2) verringert wird, nähert sich die EIN-Spannung Von ihrem minimalen Wert an (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 0,14 V). Auch in der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Emitterintervall L1 6 μm und liegt die EIN-Spannung Von außerhalb des linearen Verhältnisses und in dem Bereich, in dem sich die EIN-Spannung Von ihrem minimalen Wert von 0,14 Verhältnis annähert. D. h., das Verhältnis L1 ≤ 2(D1 + D2) ist erfüllt. Folglich kann die Zunahme in der EIN-Spannung Von verringert werden.
  • Auch in der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn das Emitterintervall L1 so bestimmt ist, dass das Verhältnis L1 ≤ 2 D2 erfüllt ist, die EIN-Spannung Von an der Driftschicht 13 benachbart zum Graben 15, wie in 7 gezeigt, bei ihrem minimalen Wert konstant (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 0,14), ähnlich der ersten Ausführungsform. Folglich kann die Zunahme in der EIN-Spannung effektiver gemindert werden.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Basisschicht 14 zwischen benachbarten Emitterschichten 19 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Emitterschicht 19 demgegenüber, wie in 8 gezeigt, zwischen benachbarten Trench-Gates 18 in der x-Richtung kontinuierlich.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Emitterschicht 19 im Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 gebildet und zwischen benachbarten Trench-Gates 18 in der x-Richtung kontinuierlich. Gleich der ersten Ausführungsform weist die Basiskontaktschicht 20 die Länge „C” von ungefähr 0,8 μm in der x-Richtung auf und ist die Basiskontaktschicht 20 vom Trench-Gate 18 beabstandet. Die Dicke der Basiskontaktschicht 20 von der Basisschicht 14 in der z-Richtung ist gleich derjenigen der Emitterschicht 19. Auf diese Weise sind die Emitterschicht 19 und die Basiskontaktschicht 20 in der y-Richtung abwechselnd angeordnet und erstrecken sich von der Oberfläche der Basisschicht 14 in gleicher Tiefe.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht ein Bereich, der zwischen benachbarten Trench-Gates 18 angeordnet ist und der Emitterschicht 19 entspricht, einem effektiven Bereich P in den Ansprüchen. Ein Bereich zwischen benachbarten Emitterschichten 19 in der y-Richtung, d. h. ein Bereich, in dem die Basiskontaktschicht 20 zur Oberfläche der Basisschicht 14 freiliegt, entspricht einem ineffektiven Bereich Q in den Ansprüchen.
  • Durch diese Struktur kann ein Kontaktbereich zwischen der Emitterschicht 19 und der Emitterelektrode 22, verglichen mit den Strukturen der vorstehenden Ausführungsformen, vergrößert zu werden. Folglich wird ein Kontaktwiderstand zwischen der Emitterschicht 19 und der Emitterelektrode 22 verringert, so dass die EIN-Spannung verringert wird. Dementsprechend werden eine Wärmeerzeugung und ein Energieverbrauch während eines Vorrichtungsbetriebs verringert.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 von der Oberfläche der Basisschicht 14 in der gleichen Tiefe wie die Emitterschicht 19. Alternativ kann sich die Basiskontaktschicht 20, wie in 9 gezeigt, bis zu einer Tiefe erstrecken, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. In dieser Struktur ist jede Basiskontaktschicht 20 in der y-Richtung miteinander verbunden. D. h., in der y-Richtung ist die Basiskontaktschicht 20 nicht nur zwischen den Emitterschichten 19 angeordnet, sondern ebenso direkt unterhalb der Emitterschicht 19. Folglich werden die Abhängigkeiten der Potentiale der Basiskontaktschicht 20 und der Basisschicht 14 von der y-Richtung verringert, so dass die Potentiale stabilisiert werden. Dementsprechend wird eine Überspannungstoleranz verglichen mit dem Fall, dass die Basiskontaktschicht 20 in der y-Richtung geteilt ist, verbessert.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Emitterelektrode 22 an der Oberfläche der Basisschicht 14 mit der Basisschicht 14, der Emitterschicht 19 und der Basiskontaktschicht 20 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Emitterelektrode 22 demgegenüber nahezu in der gleichen Tiefe wie die Emitterschicht 19.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Emitterschicht 19, wie in 10A gezeigt und ähnlich der ersten und zweiten Ausführungsform, in der x-Richtung diskontinuierlich. Ferner ist die Basiskontaktschicht 20, wie in 10B gezeigt und ähnlich der ersten und der zweiten Ausführungsform, in der Basisschicht 14 angeordnet und erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 bis zu einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Darüber hinaus ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, ein Kontaktgraben 25 in der Basisschicht 14 zwischen den Emitterschichten 19 zwischen benachbarten Trench-Gates 18, d. h. in einem Bereich, in dem die Basiskontaktschicht 20 gebildet ist, gebildet. Der Kontaktgraben 25 erstreckt sich von der Oberfläche der Basisschicht 14 in eine Tiefe nahezu gleich der Emitterschicht 19 und ebenso in der y-Richtung. Eine Seite des Kontaktgrabens 25 befindet sich in Kontakt mit einer Seite der Emitterschicht 19, und ein Boden des Kontaktgrabens 25 befindet sich in Kontakt mit der Basiskontaktschicht 20. Demgegenüber befindet sich, in einem Bereich zwischen den Emitterschichten 19 in der y-Richtung, die Basiskontaktschicht 20 in Kontakt mit der Seite und dem Boden des Kontaktgrabens 25. Folglich weist die Basiskontaktschicht 20, wie in 10C gezeigt, eine rechteckige U-Form im Querschnitt entlang der x-z-Ebene auf. Die Emitterelektrode 22 ist auf der Oberfläche der Basisschicht 14 und innerhalb des Kontaktgrabens 25 gebildet. Gleich der ersten und der zweiten Ausführungsform ist der dielektrische Zwischenschichtfilm 21 auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 17 des Trench-Gate 18 gebildet, um die Gate-Elektrode 17 von der Emitterelektrode 22 zu isolieren.
  • Gleich der ersten und der zweiten Ausführungsform entspricht ein Bereich, der zwischen benachbarten Trench-Gates 18 angeordnet ist und in dem die Emitterschicht 19 in der y-Richtung gebildet ist, einem effektiven Bereich P in den Ansprüchen. Ein Bereich, der in der y-Richtung zwischen benachbarten effektiven Bereichen P angeordnet ist, entspricht einem ineffektiven Bereich Q in den Ansprüchen.
  • In dieser Struktur befindet sich die Emitterelektrode 22 in Kontakt mit der Emitterschicht 19, und zwar nicht nur auf der x-y-Ebene parallel zur Oberfläche der Basisschicht 14, sondern ebenso auf der y-z-Ebene parallel zur Seite der Emitterschicht 19. Folglich wird der Kontaktbereich zwischen der Emitterschicht 19 und der Emitterelektrode 22 verglichen mit dem Fall, dass die Emitterelektrode 22 einzig auf der x-y-Ebene parallel zur Oberfläche der Basisschicht 14 mit der Emitterschicht 19 verbunden ist, vergrößert. Dementsprechend werden der Kontaktwiderstand zwischen der Emitterschicht 19 und der Emitterelektrode 22 und die EIN-Spannung verringert. Darüber hinaus wird ein Kontaktbereich zwischen der Basiskontaktschicht 20 und der Emitterelektrode 22 verglichen mit dem Fall, dass die Emitterelektrode 22 einzig auf der x-y-Ebene parallel zur Oberfläche der Basisschicht 14 mit der Basiskontaktschicht 20 verbunden ist, vergrößert. Folglich werden die Potentiale der Basisschicht 14 und der Basiskontaktschicht 20 stabilisiert, so dass die Überspannungstoleranz verbessert wird.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • In den vorstehenden Ausführungsformen, mit Ausnahme der vierten Ausführungsform, ist die geteilte Emitterschicht 19, die auf der Seite von einem Trench-Gate 18 gebildet ist, an dem gleichen Abschnitt wie die geteilte Emitterschicht 19 angeordnet, die auf der Seite des anderen Trench-Gate 18 gebildet ist, zwischen benachbarten Trench-Gates 18 in der y-Richtung. Es ist jedoch nicht stets erforderlich, dass die Emitterschichten 19 an der gleichen Position in der y-Richtung angeordnet sind.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Emitter-Schicht 19, die auf der Seite von einem Trench-Gate 18 gebildet ist, wie in 11 gezeigt, mit der Emitter-Schicht 19, die auf der Seite des anderen Trench-Gate 18 gebildet ist, zwischen benachbarten Trench-Gates 18 alternieren. D. h., die Emitterschichten 19, die in der x-Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, weisen das gleiche L1 und L2 auf und sind in der y-Richtung zueinander versetzt.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht ein Bereich, in dem die Emitterschicht 19 gebildet ist, einem effektiven Bereich P in den Ansprüchen. Ein Bereich, der in der y-Richtung zwischen benachbarten effektiven Bereichen P angeordnet ist, entspricht einem ineffektiven Bereich Q in den Ansprüchen.
  • In dieser Struktur wird die Abhängigkeit einer Emitterdriftstromdichte von der x-y-Ebene verglichen mit den Strukturen der vorstehenden Ausführungsformen verringert. D. h., ein Emitterdriftstrom kann unabhängig von einer Position auf der x-y-Ebene konstant sein. Folglich können Änderungen unter den IGBTs in dem Sättigungsstrom und in der EIN-Spannung verringert werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Emitterschichten 19, die in der x-Richtung benachbarten zueinander angeordnet sind, abwechselnd angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Emitterschichten 19, die in der x-Richtung benachbarten zueinander angeordnet sind, können beispielsweise verschiedene L1 und L2 aufweisen, und der Betrag der Verschiebung in der y-Richtung ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Emitterschicht 19, wie in 11 gezeigt, auf jeder Seite von jedem der benachbarten Trench-Gates 18 gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Emitterschicht 19 kann beispielsweise, wie in 12 gezeigt, auf einer Seite des Trench-Gate 18 gebildet sein. Insbesondere kann die Emitterschicht 19 auf der gleichen einen Seite von jedem der benachbarten Trench-Gates 18 in der x-Richtung gebildet sein. Alternativ können, wie in 13 gezeigt, ein Trench-Gate 18, auf dessen beiden Seiten die Emitterschicht 19 gebildet ist, und ein Trench-Gate 18, auf dessen beiden Seiten keine Emitterschicht 19 gebildet ist, in der x-Richtung abwechselnd angeordnet sein. In den Strukturen, die in den 12 und 13 gezeigt sind, ist das Flächenverhältnis der Emitterschicht 19 verglichen mit der in der 11 gezeigten Struktur verringert. Folglich kann der Sättigungsstrom weiter verringert werden.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • In den vorstehenden Ausführungsformen ist die Basiskontaktschicht 20 zur Oberfläche der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Emitterschichten 19 in der y-Richtung exponiert. In den vorstehenden Ausführungsformen erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 in der y-Richtung, um den effektiven Bereich P und den ineffektiven Bereich Q zu durchdringen, und befindet sich die Basiskontaktschicht 20 nicht in Kontakt mit dem Trench-Gate 18. Demgegenüber ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 14 gezeigt, ein p+-leitender erster Basisbereich 26 hoher Konzentration im Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 im ineffektiven Bereich Q gebildet. Eine Konzentration des ersten Basisbereichs 26 hoher Konzentration ist höher als diejenige der Basisschicht 14 und niedriger als diejenige der Emitterschicht 19. Der erste Basisbereich 26 hoher Konzentration befindet sich in Kontakt mit der Seite des Trench-Gate 18 und erstreckt sich von der Oberfläche der Basisschicht 14 bis zu einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Die Emitterschicht 19 im effektiven Bereich P ist im Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 gebildet und in der x-Richtung kontinuierlich.
  • Durch diese Struktur kann ein Kontaktwiderstand zwischen der Emitterelektrode 22, die auf den Oberflächen der Emitterschicht 19 und der Basisschicht 14 gebildet ist, und der Basisschicht 14 verglichen mit einer Struktur ohne ersten Basisbereich 26 hoher Konzentration verringert werden. Folglich wird das Potential der Basisschicht 14 stabilisiert, so dass die Überspannungstoleranz verbessert wird. Es ist nicht stets erforderlich, dass sich der erste Basisbereich 26 hoher Konzentration in Kontakt mit dem Trench-Gate 18 befindet. Ähnlich der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch dann, wenn sich der erste Basisbereich 26 hoher Konzentration in der x-Richtung in Kontakt mit dem Trench-Gate 18 befindet, die Basisschicht 14 (der Basisbereich 26 hoher Konzentration) nahe dem Trench-Gate 18 im ineffektiven Bereich Q weniger wahrscheinlich invertiert. Ferner ist es nicht stets erforderlich, dass sich der Basisbereich 26 hoher Konzentration bis zu der Tiefe erstreckt, die größer als die Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Basiskontaktschicht 20 nicht enthalten. Alternativ kann die Basiskontaktschicht 20 enthalten sein. In diesem Fall erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 vorzugsweise in der y-Richtung, um den effektiven Bereich P und den ineffektiven Bereich Q zu durchdringen, derart, dass sich die Basiskontaktschicht 20 in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht 19 befindet, jedoch nicht in Kontakt mit dem Trench-Gate 18.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der erste Basisbereich 26 hoher Konzentration von der Oberfläche der Basisschicht 14 bis zu der Tiefe, die größer als die Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Folglich werden, wie in 15 gezeigt, Dotierstoffe des ersten Basisbereichs 26 hoher Konzentration zu einem Abschnitt 27 unterhalb der Emitterschicht 19, d. h. einem Abschnitt in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht 19, thermisch diffundiert. Dementsprechend kann, wie in 15 gezeigt, eine Störstellenkonzentration des Abschnitts 27 der Basisschicht 14 unterhalb der Emitterschicht 19 höher werden als diejenige des anderen Abschnitts der Basisschicht 14. Folglich kann eine effektive Länge L3 einer Injektionsquelle (Emitterschicht 19) zum Injizieren von Elektronen in die Driftschicht 13 kleiner als die eigentliche Länge L2 der Emitterschicht 19 ausgelegt werden. Folglich kann der Sättigungsstrom verringert werden.
  • (Siebte Ausführungsform)
  • In den vorstehenden Ausführungsformen dient ein Bereich, welcher der Emitterschicht 19 entspricht, die in der y-Richtung geteilt ist, als ein effektiver Bereich P. Demgegenüber erstreckt sich die Emitterschicht 19 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 16 gezeigt, fortlaufend in der y-Richtung. Ferner ist ein p+-leitender zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration mit der Länge L1 in der y-Richtung im Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Trench-Gates 18 gebildet. Da die Struktur mit Ausnahme der Emitterschicht 19 und des zweiten Basisbereichs 28 hoher Konzentration gleich derjenigen in der ersten Ausführungsform ist, wird hierauf nachstehend nicht näher eingegangen.
  • Eine Störstellenkonzentration des zweiten Basisbereichs 28 hoher Konzentration ist höher als diejenige der Basisschicht 14 und niedriger als diejenige der Emitterschicht 19. Der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration befindet sich in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht 19 und in der x-Richtung in Kontakt mit dem Trench-Gate 18. Ferner ist der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration in der y-Richtung geteilt in dem Intervall L2 angeordnet. Der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration erstreckt sich, wie in 17 gezeigt, bis zu einer Tiefe, die größer als die Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration befindet sich in Kontakt mit dem Trench-Gate 18. Die Konzentration des zweiten Basisbereichs 28 hoher Konzentration ist höher als diejenige der Basisschicht 14. Folglich wird dann, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode 17 gelegt wird, ein Bereich zwischen der Emitterschicht 19 und der Driftschicht 13 verglichen mit der Struktur ohne zweiten Basisbereich 28 hoher Konzentration weniger wahrscheinlich invertiert. Dementsprechend dient ein Bereich entsprechend dem zweiten Basisbereich 28 hoher Konzentration als ein ineffektiver Bereich Q, in dem kein Elektron in die Driftschicht 13 injiziert wird. Ein Bereich zwischen benachbarten ineffektiven Bereichen Q in der y-Richtung dient als ein effektiver Bereich P, in dem Elektronen aus der Emitterschicht 19 in die Driftschicht 13 injiziert werden, wenn die Spannung an die Gate-Elektrode 17 gelegt wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20, wie in den 16 und 17 gezeigt, in der y-Richtung, um den effektiven Bereich P und den ineffektiven Bereich Q zu durchdringen.
  • Auch in der vorliegenden Ausführungsform ist der effektive Bereich P in der y-Richtung geteilt und im Intervall L1 angeordnet. Folglich können die gleichen Vorteile wie in der ersten und zweiten Ausführungsform hervorgebracht werden.
  • (Achte Ausführungsform)
  • Ähnlich der vierten Ausführungsform als eine Modifikation der ersten Ausführungsform ist, in der vorliegenden Ausführungsform, die siebte Ausführungsform derart modifiziert, dass sich die Emitterelektrode 22 nahezu in der gleichen Tiefe wie die Emitterschicht 19 erstreckt.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich die Emitterschicht 19, wie in 18A gezeigt und ähnlich der siebten Ausführungsform, kontinuierlich in der y-Richtung. Ferner ist, wie in 18B gezeigt und ähnlich der siebten Ausführungsform, die Basiskontaktschicht 20 in der Basisschicht 14 angeordnet und erstreckt sich die Basiskontaktschicht 20 bis zu einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Darüber hinaus ist ein Kontaktgraben 25 in der Basisschicht 14 zwischen den Emitterschichten 19 zwischen benachbarten Trench-Gates 18, d. h. in einem Bereich, in dem die Basiskontaktschicht 20 gebildet ist, gebildet. Der Kontaktgraben 25 erstreckt sich von der Oberfläche der Basisschicht 14 bis zu einer Tiefe, die nahezu gleich der Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt, und erstreckt sich ferner in der y-Richtung. Eine Seite des Kontaktgrabens 25 befindet sich in Kontakt mit einer Seite der Emitterschicht 19, und ein Boden des Kontaktgrabens 25 befindet sich in Kontakt mit der Basiskontaktschicht 20. Demgegenüber ist, wie in 18C gezeigt, in einem Bereich zwischen den Emitterschichten 19 im ineffektiven Bereich Q, die Basiskontaktschicht 20 in der Basisschicht 14 angeordnet und erstreckt sich bis zu einer Tiefe, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Ferner erstreckt sich der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration bis zu einer Tiefe, die größer als die Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht 19 erstreckt. Der zweite Basisbereich 28 hoher Konzentration befindet sich in Kontakt mit der Emitterschicht 19 und der Seite des Trench-Gate 18. Gleich der ersten und der zweiten Ausführungsform ist der dielektrische Zwischenschichtfilm 21 auf der Oberfläche der Gate-Elektrode 17 des Trench-Gate 18 gebildet, um die Gate-Elektrode 17 von der Emitterelektrode 22 zu isolieren.
  • Auch in dieser Struktur ist der effektive Bereich P in der y-Richtung geteilt. Ferner ist, gleich der vierten Ausführungsform, der Kontaktgraben 25 gebildet. Dementsprechend können die gleichen Vorteile wie in der vierten Ausführungsform hervorgebracht werden.
  • (Weitere Ausführungsformen)
  • Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren Ausführungsformen beschrieben ist, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung soll derart verstanden werden, dass sie verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb ihres Schutzumfangs umfasst.
  • In der sechsten Ausführungsform weist der ineffektive Bereich Q den ersten Basisbereich 26 hoher Konzentration auf. In der sechsten Ausführungsform ist die Emitterschicht 19 als der effektive Bereich P im Oberflächenabschnitt der Basisschicht 14 zwischen benachbarten Trench-Gates gebildet und erstreckt sich die Emitterschicht 19 in der x-Richtung kontinuierlich. Wenn jedoch der erste Basisbereich 26 hoher Konzentration enthalten ist, ist es nicht stets erforderlich, dass sich die Emitterschicht 19 kontinuierlich in der x-Richtung erstreckt. Gleich der ersten Ausführungsform kann dann, wenn der ineffektive Bereich Q den ersten Basisbereich 26 hoher Konzentration aufweist, die Emitterschicht 19 in der x-Richtung geteilt sein.
  • In den Ausführungsformen ist das IGBT-Element in einem Substrat gebildet, in dem die Pufferschicht 12 auf der Kollektorschicht 11 gebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Es kann beispielsweise eine Feldstoppschicht anstelle der Pufferschicht 12 oder keine Pufferschicht 12 gebildet sein.

Claims (8)

  1. Halbleitervorrichtung mit: – einer Kollektorschicht (11) ersten Leitfähigkeitstyps entlang einer x-y-Ebene, die durch eine x-Richtung und eine y-Richtung definiert ist, die orthogonal zueinander verlaufen; – einer Drift-Schicht (13) zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf einer Vorderseite der Kollektorschicht gebildet ist; – einer Basisschicht (14) ersten Leitfähigkeitstyps, die auf der Drift-Schicht gebildet ist; – Trench-Gates (18) mit Gräben (15), die sich in der y-Richtung erstrecken, um ein Muster aus Streifen zu bilden, wobei sich die Gräben von einer Oberfläche der Basisschicht entlang der x-y-Ebene zu einer Innenseite der Drift-Schicht erstrecken, indem sie die Basisschicht in einer z-Richtung durchdringen, die orthogonal zur x-y-Ebene verläuft, wobei die Trench-Gates ferner eine Gate-Isolierschicht (16), die auf Wänden der Gräben gebildet ist, und eine Gate-Elektrode (17), die auf der Gate-Isolierschicht gebildet ist, aufweisen; – einer Emitterschicht (19) zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Oberflächenabschnitt der Basisschicht gebildet und auf einer Seite des Trench-Gate angeordnet ist; – einer Kollektor-Elektrode (23), die auf einer Rückseite der Kollektorschicht gebildet und elektrisch mit der Kollektorschicht verbunden ist; und – einer Emitter-Elektrode (22), die elektrisch mit der Emitterschicht und der Basisschicht verbunden ist, wobei – das Trench-Gate einen Bodenabschnitt (18b), der in der Drift-Schicht angeordnet ist, und einen Kommunikationsabschnitt (18a), der sich von der Oberfläche der Basisschicht erstreckt, um mit dem Bodenabschnitt zu kommunizieren, aufweist, – ein Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten in der x-Richtung geringer als ein Abstand zwischen benachbarten Kommunikationsabschnitten in der x-Richtung ist, – die Gate-Isolierung im Bodenabschnitt dicker als im Kommunikationsabschnitt ist, – ein Bereich zwischen benachbarten Trench-Gates in der y-Richtung in einen effektiven Bereich (P) und einen ineffektiven Bereich (Q) geteilt ist, – der effektive Bereich der Emitterschicht entspricht und als eine Injektionsquelle dient, um Ladungen in die Drift-Schicht zu injizieren, wenn eine Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, – der ineffektive Bereich auch dann nicht als die Injektionsquelle dient, wenn die Spannung an die Gate-Elektrode gelegt wird, und – ein Intervall L1 (> 0) des ineffektiven Bereichs in der y-Richtung, eine Länge D1 des Kommunikationsabschnitts in der z-Richtung und eine Länge D2 des Bodenabschnitts in der z-Richtung das folgende Verhältnis erfüllen: L1 ≤ 2(D1 + D2).
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der effektive Bereich in dem Intervall L1 in der y-Richtung angeordnet ist; und – der ineffektive Bereich zwischen benachbarten effektiven Bereichen in der y-Richtung angeordnet ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – einen ersten Basisbereich (26) hoher Konzentration und ersten Leitfähigkeitstyps, der im Oberflächenabschnitt der Basisschicht im ineffektiven Bereich gebildet ist, wobei – eine Störstellenkonzentration des ersten Basisbereichs hoher Konzentration höher als diejenige der Basisschicht ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – sich die Emitterschicht fortlaufend in der y-Richtung entlang des Trench-Gate erstreckt; – der ineffektive Bereich einen zweiten Basisbereich (28) hoher Konzentration und ersten Leitfähigkeitstyps (28) aufweist, der eine Störstellenkonzentration aufweist, die höher als diejenige der Basisschicht und niedriger als diejenige der Emitterschicht ist; – der zweiten Basisbereich hoher Konzentration intermittierend geteilt und in dem Intervall L1 in der y-Richtung angeordnet ist; – der zweiten Basisbereich hoher Konzentration in der Basisschicht angeordnet ist; – sich der zweiten Basisbereich hoher Konzentration in der z-Richtung in Kontakt mit der Emitterschicht und in der x-Richtung in Kontakt mit dem Trench-Gate befindet; und – der effektive Bereich zwischen benachbarten zweiten Basisbereichen hoher Konzentration angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – L1 und D1 das folgende Verhältnis erfüllen: L1 ≤ 2D1.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – L1 und D1 das folgende Verhältnis erfüllen: D1 ≤ L1.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der effektive Bereich derart eine periodische Struktur aufweist, dass sowohl L1 als auch eine Länge L2 des effektiven Bereichs in der y-Richtung konstant sind.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner aufweist: – eine Basiskontaktschicht (20) ersten Leiffähigkeitstyps, die im Oberflächenabschnitt der Basisschicht zwischen den Emitterschichten zwischen benachbarten Trench-Gates gebildet ist, wobei – sich die Basiskontaktschicht bis zu einer Tiefe erstreckt, die größer als eine Tiefe ist, bis zu der sich die Emitterschicht erstreckt, und – eine Länge der Basiskontaktschicht in der x-Richtung größer als der Abstand zwischen benachbarten Bodenabschnitten ist.
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