DE112021007052T5 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Tomohito KUDO
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Abstract

Ein Halbleitersubstrat (1) weist einen Hauptbereich (2) und einen Abtastbereich (3) mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs (2) auf. Ein IGBT ist im Hauptbereich (2) ausgebildet. Ein MOSET ist als Abtastvorrichtung im Abtastbereich (3) ausgebildet und weist eine Gate-Elektrode (15) auf, die mit einer Gate-Elektrode (15) des IGBT verbunden ist. Eine vordere Oberflächenelektrode (5) ist auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) im Hauptbereich (2) ausgebildet. Eine rückseitige Oberflächenelektrode (20) ist auf einer rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) in dem Hauptbereich (2) und dem Abtastbereich (3) ausgebildet. Ein Stromdetektionselektrode (6) ist auf der vorderen Oberfläche im Abtastbereich (3) ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode (5) getrennt.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung.
  • Hintergrund
  • Eine Halbleitervorrichtung wie etwa ein rückwärts leitender IGBT (RC-IGBT) wurde als Inverter-Vorrichtung verwendet. Der im Allgemeinen verwendete RC-IGBT weist einen Hauptbereich und einen Erfassungs- bzw. Abtastbereich (engl.: sense region) mit einer kleineren Betriebsbereichszone bzw. -fläche (engl.: operation region area) als jene des Hauptbereichs auf (siehe z. B. PTL 1). Ein Strom und eine Spannung im Hauptbereich werden mittels einer im Abtastbereich ausgebildeten Abtastvorrichtung überwacht, um zu detektieren, ob im Hauptbereich eine Anomalie aufgetreten ist oder nicht.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
  • [PTL 1] JP 2009-99690 A
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • In einem herkömmlichen RC-IGBT wurde eine Kollektorschicht vom p-Typ auf einer rückseitigen Oberfläche eines Substrats in einem Abtastbereich ausgebildet. In einem Niedrigstrombereich kann ein Strom eine eingebaute Spannung nicht überschreiten, bei der ein rückseitiger pn-Übergang, der eine Kollektorschicht vom p-Typ und eine Driftschicht vom n-Typ umfasst, eingeschaltet wird, wodurch eine Ein-Spannung ansteigt. In dem Moment, in dem die Spannung ansteigt, so dass sie die eingebaute Spannung übersteigt, werden Löcher von der Kollektorschicht vom p-Typ injiziert, was eine Leitfähigkeitsmodulation zur Folge hat. Daher tritt ein Snapback auf, bei dem die Ein-Spannung schnell abnimmt. Dementsprechend bestand das Problem, dass eine Steuerung schwierig ist.
  • Die vorliegende Offenbarung wurde gemacht, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und ist darauf gerichtet, eine Halbleitervorrichtung zu erhalten, die imstande ist, einen Snapback zu verhindern, um eine Detektionsempfindlichkeit zu verbessern.
  • Lösung für das Problem
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein Halbleitersubstrat, das einen Hauptbereich und einen Abtastbereich mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs aufweist; einen IGBT, der im Hauptbereich ausgebildet ist; einen MOSFET, der als Abtastvorrichtung im Abtastbereich ausgebildet ist und ein Gate-Elektrode aufweist, die mit einer Gate-Elektrode des IGBT verbunden ist; eine vordere Oberflächenelektrode, die auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats im Hauptbereich ausgebildet ist; eine rückseitige Oberflächenelektrode, die auf einer rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats in dem Hauptbereich und dem Abtastbereich ausgebildet ist; und eine Stromdetektionselektrode, die auf der vorderen Oberfläche im Abtastbereich ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode getrennt ist.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • In der vorliegenden Offenbarung gibt es keinen pn-Übergang auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats im Abtastbereich. Dementsprechend tritt kein Snapback aufgrund einer Leitfähigkeitsmodulation auf. Ferner ist der IGBT im Hauptbereich ausgebildet und ist der MOSFET im Abtastbereich ausgebildet. Dementsprechend weist in einem Niederstrombereich der Abtastbereich eine niedrigere Ein-Spannung auf. Daher wird das Ansprechverhalten zu einer Einschaltzeit im Niederstrombereich erhöht, so dass die Detektionsempfindlichkeit der Abtastvorrichtung verbessert werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 veranschaulicht.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Abtastbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptbereich in einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 veranschaulicht.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht, die den Abtastbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 veranschaulicht.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird mit Verweis auf die Zeichnungen beschrieben. Dieselben Komponenten werden mit denselben Symbolen bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann unterlassen werden.
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 1 veranschaulicht. Ein Halbleitersubstrat 1 weist einen Hauptbereich 2 und einen Abtastbereich 3 mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs 2 auf. Ein Gate-Pad 4, eine vordere Oberflächenelektrode 5 und eine Stromdetektionselektrode 6 sind auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet. Die vordere Oberflächenelektrode 5 ist im Hauptbereich 2 ausgebildet. Die Stromdetektionselektrode 6 ist im Abtastbereich 3 ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode 5 getrennt.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die den Hauptbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht. Ein IGBT und eine Diode sind im Hauptbereich 2 ausgebildet. Daher handelt es sich bei der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform um einen RC-IGBT.
  • Im IGBT ist eine Basisschicht 10 vom p-Typ auf einer Driftschicht 9 vom n--Typ im Halbleitersubstrat 1 ausgebildet. Eine Emitterschicht 11 vom n+-Typ und eine Diffusionsschicht 12 vom p+-Typ sind in einer vorderen Oberflächenschicht der Basisschicht 10 vom p-Typ ausgebildet. Ein Graben 13, der die Emitterschicht 11 vom n+-Typ und die Basisschicht 10 vom p-Typ durchdringt, ist auf der Seite der vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet. Eine aus Polysilizium oder dergleichen geschaffene Gate-Elektrode 15 ist im Graben 13 ausgebildet, wobei ein Gate-Oxidfilm 14 dazwischen angeordnet ist. Ein Zwischenschicht-Isolierfilm 16 ist auf der Gate-Elektrode 15 ausgebildet. Eine Kollektorschicht 17 vom p-Typ ist unter der Driftschicht 9 vom n--Typ ausgebildet.
  • In der Diode ist eine Anodenschicht 18 vom p-Typ auf einer Driftschicht 9 vom n--Typ ausgebildet. Unter der Driftschicht 9 vom n -Typ ist eine Kathodenschicht 19 vom n+-Typ ausgebildet.
  • Die vordere Oberflächenelektrode 5 ist mit der Basisschicht 10 vom p-Typ, der Emitterschicht 11 vom n+-Typ, der Diffusionsschicht 12 vom p+-Typ und der Anodenschicht 18 vom p-Typ verbunden. Eine rückseitige Oberflächenelektrode 20 ist auf einer rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 in dem Hauptbereich 2 und dem Abtastbereich 3 ausgebildet und ist mit der Kollektorschicht 17 vom p-Typ und der Kathodenschicht 19 vom n+-Typ verbunden.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Abtastbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 veranschaulicht. Ein MOSFET ist als Erfassungs- bzw. Abtastvorrichtung im Abtastbereich 3 ausgebildet. Der MOSFET hat eine Struktur, bei der die Kollektorschicht 17 vom p-Typ des IGBT im Hauptbereich 2 durch eine Kathodenschicht 19 vom n+-Typ ersetzt ist. Das heißt, obgleich der IGBT die Kollektorschicht 17 vom p-Typ auf der Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 aufweist, weist der MOSFET keine Kollektorschicht 17 vom p-Typ auf der Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 auf. Daher ist im Abtastbereich 3 die Kollektorschicht 17 vom p-Typ nicht auf der Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet. Der MOSFET weist als dessen Source und Drain eine Emitterschicht 11 vom n+-Typ bzw. die Kathodenschicht 19 vom n+-Typ auf.
  • Eine Gate-Elektrode 15 des MOSFET ist mit der Gate-Elektrode 15 des IGBT verbunden. Die Stromdetektionselektrode 6 ist mit einer Basisschicht 10 vom p-Typ, der Emitterschicht 11 vom n+-Typ und einer Diffusionsschicht 12 vom p+-Typ des MOSFET verbunden. Die rückseitige Oberflächenelektrode 20 ist mit der Kathodenschicht 19 vom n+-Typ des MOSFET verbunden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform gibt es im Abtastbereich 3 keinen pn-Übergang auf der rückseitigen Oberfläche des Substrats. Dementsprechend tritt kein Snapback aufgrund einer Leitfähigkeitsmodulation auf. Ferner ist der IGBT im Hauptbereich ausgebildet und ist der MOSFET im Abtastbereich ausgebildet. Dementsprechend weist in einem Niederstrombereich der Abtastbereich eine niedrigere Ein-Spannung auf. Daher wird das Ansprechverhalten zu einer Einschaltzeit im Niederstrombereich erhöht, so dass die Detektionsempfindlichkeit der Abtastvorrichtung verbessert werden kann.
  • Ferner trat in einem RC-IGBT, in dem eine Kathodenschicht vom n-Typ auf einer rückseitigen Oberfläche eines Substrats in einem Hauptbereich ausgebildet ist, herkömmlicherweise ein Snapback leichter auf. Daher ist eine Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem RC-IGBT besonders effektiv, obgleich sie auch für einen keine Diode enthaltenden IGBT verwendbar ist. Wenn der RC-IGBT hergestellt wird, wird ferner im Allgemeinen eine Kathodenschicht vom n-Typ unter Verwendung einer Fotolithografie-Technik gebildet, nachdem eine Kollektorschicht vom p-Typ auf einer gesamten rückseitigen Oberfläche ausgebildet ist. Wenn eine Kathodenschicht vom n-Typ einer Diode in einem Hauptbereich ausgebildet wird, wird eine Schicht vom n-Typ eines MOSFET in einem Abtastbereich ausgebildet. Dies macht es möglich, eine Struktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform ohne Hinzufügen eines Herstellungsprozesses zu bilden.
  • Eine in der vorliegenden Ausführungsform offenbarte Querschnittsansicht ist nur ein Beispiel, und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die veranschaulichte Struktur beschränkt. Obgleich eine Diode mit einem Blind- bzw. Dummy-Graben veranschaulicht ist, kann zum Beispiel eine Diode ohne Dummy-Graben verwendet werden.
  • Ausführungsform 2
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Hauptbereich in einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform 2 veranschaulicht. Ein Halbleitersubstrat 1 weist wie in der Ausführungsform 1 einen Hauptbereich 2 und einen Abtastbereich 3 mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs 2 auf.
  • Im Hauptbereich 2 ist ein MOSFET ausgebildet. Der MOSFET hat eine Struktur, bei der die Kollektorschicht 17 vom p-Typ des IGBT-Bereichs im Hauptbereich 2 in der Ausführungsform 1 durch eine Kathodenschicht 19 vom n+-Typ ersetzt ist. Eine vordere Oberflächenelektrode 5 ist mit einer Basisschicht 10 vom p-Typ, einer Emitterschicht 11 vom n+-Typ und einer Diffusionsschicht 12 vom p+-Typ des MOSFET verbunden. Eine rückseitige Oberflächenelektrode 20 ist mit der Kathodenschicht 19 vom n+-Typ des MOSFET verbunden.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht, die den Abtastbereich in der Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 veranschaulicht. Ein IGBT ist als Abtastvorrichtung im Abtastbereich 3 ausgebildet. Dieser IGBT hat eine ähnliche Struktur wie jene des IGBT im Hauptbereich 2 in der Ausführungsform 1. Eine Gate-Elektrode 15 des IGBT im Abtastbereich 3 ist mit einer Gate-Elektrode 15 des MOSFET im Hauptbereich 2 verbunden. Eine Stromdetektionselektrode 6 ist mit einer Basisschicht 10 vom p-Typ, einer Emitterschicht 11 vom n+-Typ und einer Diffusionsschicht 12 vom p+-Typ des IGBT verbunden. Die Stromdetektionselektrode 6 ist im Abtastbereich 3 ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode 5 getrennt. Eine rückseitige Oberflächenelektrode 20 ist mit einer Kollektorschicht 17 vom p-Typ des IGBT verbunden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der MOSFET im Hauptbereich ausgebildet und ist der IGBT im Abtastbereich ausgebildet. Dementsprechend weist in einem Hochstrombereich der Abtastbereich eine niedrigere Ein-Spannung auf. Daher wird das Ansprechverhalten zu einer Einschaltzeit im Hochstrombereich erhöht, so dass die Detektionsempfindlichkeit der Abtastvorrichtung verbessert werden kann.
  • Das Halbleitersubstrat 1 ist nicht auf ein aus Silizium gebildetes Substrat beschränkt, sondern kann stattdessen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet sein, der eine breitere Bandlücke als jene von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist beispielsweise ein Siliziumcarbid, ein auf Galliumnitrid basierendes Material oder Diamant. Eine aus solch einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildete Halbleitervorrichtung weist eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch einer miniaturisierten Halbleitervorrichtung ermöglicht die Miniaturisierung und hohe Integration des Halbleitermoduls, in dem die Halbleitervorrichtung eingebaut wird. Da die Halbleitervorrichtung eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann ferner eine Abstrahllamelle eines Kühlkörpers miniaturisiert werden und kann ein wassergekühlter Teil luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da die Halbleitervorrichtung einen niedrigen Leistungsverlust und einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kann ferner ein hocheffizientes Halbleitermodul erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1 Halbleitersubstrat; 2 Hauptbereich; 3 Abtastbereich; 5 vordere Oberflächenelektrode; 6 Stromdetektionselektrode; 15 Gate-Elektrode; 17 Kollektorschicht vom p-Typ; 20 rückseitige Oberflächenelektrode
  • 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
    • JP 200999690 A [0003]

Claims (5)

  1. Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleitersubstrat, das einen Hauptbereich und einen Abtastbereich mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs aufweist; einen IGBT, der im Hauptbereich ausgebildet ist; einen MOSFET, der als Abtastvorrichtung im Abtastbereich ausgebildet ist und eine Gate-Elektrode aufweist, die mit einer Gate-Elektrode des IGBT verbunden ist; eine vordere Oberflächenelektrode, die auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats im Hauptbereich ausgebildet ist; eine rückseitige Oberflächenelektrode, die auf einer rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats in dem Hauptbereich und dem Abtastbereich ausgebildet ist; und eine Stromdetektionselektrode, die auf der vorderen Oberfläche im Abtastbereich ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode getrennt ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Diode, die im Hauptbereich ausgebildet ist.
  3. Halbleitervorrichtung, aufweisend: ein Halbleitersubstrat, das einen Hauptbereich und einen Abtastbereich mit einer kleineren Betriebsbereichsfläche als jene des Hauptbereichs aufweist; einen MOSFET, der im Hauptbereich ausgebildet ist; einen IGBT, der als Abtastvorrichtung im Abtastbereich ausgebildet ist und eine Gate-Elektrode aufweist, die mit einer Gate-Elektrode des MOSFET verbunden ist; eine vordere Oberflächenelektrode, die auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats im Hauptbereich ausgebildet ist; eine rückseitige Oberflächenelektrode, die auf einer rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats in dem Hauptbereich und dem Abtastbereich ausgebildet ist; und eine Stromdetektionselektrode, die auf der vorderen Oberfläche im Abtastbereich ausgebildet und von der vorderen Oberflächenelektrode getrennt ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der IGBT die Kollektorschicht vom p-Typ auf der Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist und der MOSFET keine Kollektorschicht vom p-Typ auf der Seite der rückseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats aufweist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Halbleitersubstrat aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet ist.
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