DE19750827A1

DE19750827A1 - Power semiconductor component with anode and cathode

Info

Publication number: DE19750827A1
Application number: DE19750827A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Bauer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-05-20

Abstract

The component (1), such as an IGBT, has a body (2) with two main surfaces (5,6), with the cathode (3) formed by a first metallising (7), covering the first surface (5), and the anode (4) by a second metallising (8), covering the second main surface (6). Between the surfaces are differently doped semiconductor regions (9,10,14-16), while from the second surface is formed at least one anode-emitter (9) and one N-base (10). A first gate electrode (11) can influence the current flow through the component. Anode grooves (17) are formed in the body, extending over the anode-emitter and provided insulating layer (13). The grooves are covered by the second metallising. The insulating material forms a second gate electrode (12) for control of anode-emitter injection efficiency.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungshalbleitertechnologie. Sie geht aus von einem Leistungshalbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT), eine Diode oder einen Abschaltthyristor (GTO).The invention relates to the field of power semiconductor technology. she assumes a power semiconductor component according to the generic term of the first Claim. In particular, the invention relates to an insulated bipolar transistor Gate electrode (IGBT), a diode or a turn-off thyristor (GTO).

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung ist speziell geeignet für Leistungshalbleiterbauelemente in sogenann ter Trenchtechnologie, d. h. für Leistungshalbleiterbauelemente, die nicht lediglich eine planare Struktur aufweisen, sondern mit Gräben ausgestattet sind. Solche Bau elemente sind zum Beispiel aus dem Artikel "The Effect of the Hole Current on the Channel Inversion in Trench Insulated Gate Bipolar Transistors (TIGBT)" von F. Udrea et al. in Solid-State Electronics Vol. 37, No. 3, pp. 507-514, 1994 bekannt. Auch die Europäische Patentanmeldung EP 0527600 A1 beschreibt einen solchen Trench IGBT.The invention is particularly suitable for so-called power semiconductor components trench technology, d. H. for power semiconductor components that are not just have a planar structure, but are equipped with trenches. Such construction elements are for example from the article "The Effect of the Hole Current on the Channel Inversion in Trench Insulated Gate Bipolar Transistors (TIGBT) "by F. Udrea et al. in Solid-State Electronics Vol. 37, No. 3, pp. 507-514, 1994. Also European patent application EP 0527600 A1 describes such a trench IGBT.

Bei allen heute auf dem Markt erhältlichen Leistungshalbleiterschaltern ist die An odenseite nicht steuerbar. Durch Manipulationen an den Dotierungsprofilen des im allgemeinen p+ dotierten Anodenemitters und/oder durch lokale Trägerlebens dauereinstellungen versucht man die anodenseitige Injektionseffizienz auf den für die Anwendung optimalen Wert einzustellen. Die Einstellung bleibt jedoch für im mer fest und kann während des Bauelementlebenszyklus nicht mehr verändert wer den. Ausserdem muss bei der Einstellung ständig ein Kompromiss zwischen Durchlass- und Schaltverlusten gefunden werden: Für möglichst kleine Durchlass verluste ist bekanntlich ein hoher Modulationsgrad, das heisst eine hohe quasi stationäre Plasmadichte Voraussetzung. Dieser grosse Ladungsüberschuss muss während der Schaltvorgänge aber auf- und abgebaut werden. Dadurch können hohe Schaltverluste entstehen.With all power semiconductor switches available on the market today, the An not controllable on the side. By manipulating the doping profiles of the im general p + doped anode emitter and / or by local carrier life one tries the injection efficiency on the anode side to the for to set the application optimal value. However, the setting remains for im fixed and cannot be changed during the component life cycle the. In addition, there must always be a compromise between hiring Passage and switching losses are found: For the smallest possible passage Loss is known to be a high degree of modulation, that is, a high quasi stationary plasma density requirement. This large excess charge must but built up and dismantled during the switching operations. This allows high Switching losses occur.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, bei dem die Plasmadichte im Bauelement dynamisch den Betriebszustand angepasst werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü che gelöst.The object of the invention is therefore to specify a power semiconductor component, in which the plasma density in the component dynamically adapts the operating state can be. This task is characterized by the features of the independent claims che solved.

Kern der Erfindung ist es also, dass anodenseitig MOS-steuerbare Grabenstrukturen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Injektionseffizienz des Anodenemitters einge stellt werden kann. Ein erstes Ausführungsbeispiel umfasst einen IGBT, bei dem die Anodengräben sich bis über den Anodenemitter hinaus erstrecken. Die Gräben sind mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgelegt und mit elektrisch leitendem Ma terial angefüllt. Das elektrisch leitende Material bildet eine zweite Gateelektrode, mit deren Hilfe die Injektionseffizienz des Anodenemitters durch entsprechendes Anle gen von Steuerspannungen gesteuert werden kann. Vorzugsweise wird die Steuer spannung so gewählt, dass sich im eingeschalteten Zustand eine möglichst hohe Plasmadichte ergibt, während kurz vor dem Abschalten die Plasmakonzentration auf möglichst niedrige Werte gebracht wird. Der IGBT kann nach einem weiteren Ausführungsbeispiel auch kathodenseitig mit MOS-steuerbaren Gräben versehen sein, welche für das Ein- und Ausschalten des Bauelements ausgelegt sind.The essence of the invention is therefore that the trench structures are MOS-controllable on the anode side are provided, with the help of the injection efficiency of the anode emitter can be put. A first embodiment comprises an IGBT, in which the Anode trenches extend beyond the anode emitter. The trenches are designed with an electrically insulating layer and with electrically conductive Ma filled with material. The electrically conductive material forms a second gate electrode, with whose help the injection efficiency of the anode emitter by appropriate Anle can be controlled by control voltages. Preferably the tax voltage selected so that the highest possible Plasma density gives the plasma concentration just before turning off is brought to the lowest possible values. The IGBT can, according to another Embodiment also provided on the cathode side with MOS-controllable trenches be, which are designed for switching the component on and off.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Diode. Auch die Diode kann sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig mit Grabenstrukturen ausgerüstet sein. Neben der Diode kann die Erfindung aber auch bei einem GTO oder bei einem MCT reali siert werden. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den ent sprechenden abhängigen Ansprüchen.Another embodiment includes a diode. The diode can both be equipped with trench structures on the anode side and on the cathode side. Next the diode can also be used in the case of a GTO or an MCT be settled. Further advantageous embodiments result from the ent speaking dependent claims.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Plasmakon zentration dynamisch an den Betriebszustand des Bauelements angepasst werden kann. Im leitenden Zustand werden hohe Plasmakonzentrationen, kurz vor dem Abschalten niedrige Plasmakonzentrationen angestrebt. Auf diese Weise können sowohl die Durchlass- als auch die Schaltverluste optimiert werden.The advantages of the invention can be seen in particular in that the plasma con center dynamically adapted to the operating state of the component can. In the conductive state, high plasma concentrations are observed shortly before Shutdown aimed at low plasma concentrations. That way you can both the forward and switching losses are optimized.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments menhang explained in more detail with the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Trench-IGBTs nach einer er sten Variante; FIG. 1 is a detail of an inventive trench IGBTs after he sten variant;

Fig. 2 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Trench-IGBTs nach einer zweiten Variante; Fig. 2 shows a detail of an inventive trench IGBTs according to a second variant;

Fig. 3 Einen Ausschnitt einer erfindungsgemässen Diode; Fig. 3 shows a detail of an inventive diode;

Fig. 4 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen GTOs; FIG. 4 is a detail of an inventive GTO;

Fig. 5 Einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen, planaren IGBTs. FIG invention. 5 a detail of a planar IGBTs.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Fi guren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meaning are in the list of reference symbols is summarized. Basically, in the Fi same parts with the same reference numerals.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine technische realisierbare Möglichkeit für die gewünschte Beeinflussung der Plasmadichte in Abhängigkeit des Betriebszustandes stellen erfindungsgemäss ver tikale Gräben dar, die in einer homogenen p+ Emitterschicht angeordnet sind und bis in der Bereich der benachbarten n-dotierten Schicht (im Normalfall n-Basis oder n-dotierten Stopschicht) dringen. Falls eine Stopschicht vorgesehen ist, so können die Gräben sowohl vollständig in der Stopschicht angeordnet sein als auch darüber hinausreichen. In den Zeichnungen ist der Einfachheit halber nur die erste Variante dargestellt. Wie bei der von Leistungs-MOSFETS und IGBTs bekannten Trench- Technologie werden die Gräben nach Auslegung mit einer Isolationsschicht mit ei nem elektrisch leitenden Material angefüllt und anschliessend isolierend planari siert. Zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses kann das leitende Material auch bis zur Oberfläche dringen und mit einer Isolationsschicht überdeckt sein. Zu die sem Zweck wird das Silizium im Bereich der Finger entfernt, so dass die Metallisie rung bis in den Bereich des dünnen Gateoxids der Gräben reicht.A technically feasible possibility for influencing the desired According to the invention, plasma density depending on the operating state tical trenches, which are arranged in a homogeneous p + emitter layer and to in the area of the adjacent n-doped layer (normally n-base or n-doped stop layer) penetrate. If a stop layer is provided, then the trenches can be arranged completely in the stop layer as well as above reach out. For the sake of simplicity, only the first variant is shown in the drawings shown. As with the trench known from power MOSFETs and IGBTs Technology, the trenches are designed with an insulation layer with egg filled with an electrically conductive material and then insulating planari siert. The conductive material can also be used to simplify the manufacturing process penetrate to the surface and be covered with an insulation layer. To the For this purpose, the silicon in the area of the fingers is removed, so that the metallization tion extends into the area of the thin gate oxide of the trenches.

Eine erfindungsgemässe Anodengrabenstruktur kann prinzipiell bei allen Bauele menten verwendet werden, die für ihre Funktion eine p+ dotierte Emitterschicht (Anodenemitter) benötigen. Hierzu zählen IGBTs, GTOs und Dioden. Das elektrisch leitende Material kann als Steuerelektrode verwendet und zur Beeinflussung der Plasmadichte im Anodenemitter mit einer Steuerspannung beaufschlagt werden. Ei ne gegenüber dem Anodenpotential positive Steuerspannung ruft eine Elektronen anreicherung hervor, welche innerhalb der p+ Emitterschicht als Inversionsschicht und in der n-Basis oder der n-dotierten Stopschicht als Akkumulationsschicht be zeichnet wird. Mit einem hinreichend positiven Steuerpotential können in der p+ Emitterschicht n-leitende Kurzschlusspfade (Elektronen-Inversionsschicht) erzeugt werden, welche die Injektionseffizienz sehr stark reduzieren. Im Gegensatz dazu entsteht bei einer negativen Steuerspannung in Bezug auf das Anodenpotential an den Böden der Gräben (d. h. im Bereich der benachbarten n-dotierten Schicht, n-Basis oder der Stopschicht) eine Löcherinversionschicht, welche die totale Fläche des p+ Emitters vergrössert und damit sogar zu einer Erhöhung der Injektionseffizienz bei trägt.An anode trench structure according to the invention can in principle be used with all components elements are used that have a p + doped emitter layer for their function (Anode emitter). These include IGBTs, GTOs and diodes. The electric conductive material can be used as a control electrode and to influence the A control voltage can be applied to the plasma density in the anode emitter. Egg ne control voltage positive compared to the anode potential calls an electron Enrichment, which is within the p + emitter layer as an inversion layer and be in the n-base or the n-doped stop layer as an accumulation layer is drawn. With a sufficiently positive tax potential, p + Emitter layer n-type short circuit paths (electron inversion layer) generated which greatly reduce the injection efficiency. In contrast to arises at a negative control voltage in relation to the anode potential the bottoms of the trenches (i.e. in the area of the adjacent n-doped layer, n-base or the stop layer) is a hole inversion layer covering the total area of the p + Emitters enlarged and thus even an increase in injection efficiency wearing.

Im folgenden werden einige realisierte Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Figuren sind n-dotierte Gebiete mit von oben rechts nach unten links verlaufenden Linien, p-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden Linien, Metallisierungen mit doppelten von oben links nach unten rechts verlaufenden Lini en und isolierende Oxidschichten mit von oben links nach unten rechts verlaufenden Linien schraffiert. Die Dichte der Schraffur kann als Hinweis über den Grad der Do tierung verstanden werden. Some realized exemplary embodiments are described below. In the Figures are n-doped areas with top right to bottom left Lines, p-doped areas with lines running from top left to bottom right, Metallizations with double lines running from top left to bottom right and insulating oxide layers with top left to bottom right Hatched lines. The density of hatching can be used as an indication of the degree of hatching be understood.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem IGBT 1, bei dem die erfindungsgemässen Anodengräben 17 realisiert wurden. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Graben-IGBT (Trench-IGBT oder TIGBT). In Fig. 1 ist zwischen einer ersten Hauptfläche 5 und einer zweiten Hauptfläche 6 in einem Halbleiterkörper 2 eine Mehrzahl von unterschiedlich dotieren Halbleitergebieten angeordnet. Ausserdem ist eine Kathode 3 vorgesehen, welche durch eine erste Metallisierung 7, die die erste Haupffläche 5 bedeckt, gebildet wird. Eine Anode 4 wird entsprechend durch eine zweite, die zweite Haupffläche 6 bedeckende Metallisierung 8 gebildet. Von der an odenseitigen Haupffläche 6 her sind ein p+ dotierter Anodenemitter 9 und allenfalls eine daran angrenzende n dotierte Stopschicht 14 angeordnet. Es kann aber auch di rekt die n-Basis 10 an den Anodenemitter 9 anschliessen. Im Bereich der kathoden seitigen Haupffläche 5 ist eine im wesentlichen aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannte Grabenstruktur vorgesehen. Die Kathodengräben 18 reichen von der Haupffläche 5 bis in den Bereich der n-Basis 10. Sie durchdringen dabei die p-Basis 15. Die Gräben 18 sind mit eine isolierenden Schicht 13 ausgelegt und mit ei nem leitenden Material angefüllt, das eine erste Gateelektrode 11 bildet. Ausserdem sind n+ dotierte Sourcegebiete 16 vorgesehen. Die Sourcegebiete 16 grenzen an die erste Haupffläche 5 und ziehen sich entlang der Gräben 18 bis zu einer gewissen Tie fe in die p-Basis hinein. Mittels Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an die er ste Gateelektrode 11 kann in der p-Basis 15 in bekannter Weise ein Inversionskanal gebildet und der Stromfluss durch das Element beeinflusst werden. Kathodenfinger werden durch die zwischen zwei Gräben stehengelassene p-Basis 15 gebildet. Die Breite der Finger betrug bei einem ausgeführten Versuchsbeispiel 0.7 µm. Die Tiefe der Gräben wurde im Bereich von 3.5 µm gewählt. Die Oxiddicke der Gräben betrug 0.3 µm. Die p-Basis wies ein Gausssches Profil mit einer Tiefe von 2.5 µm und einer Randkonzentration von 5×10¹⁶ cm^-3 auf. Gemäss Fig. 2 kann im Bereich, in dem die p-Basis 15 an die erste Haupffläche 5 tritt, ausserdem ein p+ dotiertes Kollektorge biet 19 vorgesehen sein. Dieses Gebiet dient insbesondere der Verbesserung des elektrischen Kontaktes zur ersten Metallisierung 7, d. h. zur Kathode 3. Fig. 1 shows a section of an IGBT 1, in which the anode according to the invention were realized trenches 17th It is a so-called trench IGBT (trench IGBT or TIGBT). In FIG. 1, a plurality of differently doped semiconductor regions are arranged in a semiconductor body 2 between a first main surface 5 and a second main surface 6 . In addition, a cathode 3 is provided, which is formed by a first metallization 7 , which covers the first main surface 5 . An anode 4 is correspondingly formed by a second metallization 8 covering the second main surface 6 . A p + -doped anode emitter 9 and possibly an n-doped stop layer 14 adjoining it are arranged on the main surface 6 on the odor side. But it can also directly connect the n base 10 to the anode emitter 9 . In the area of the main surface 5 on the cathode side, a trench structure known essentially from the prior art mentioned at the outset is provided. The cathode trenches 18 extend from the main surface 5 into the area of the n base 10. They penetrate the p base 15. The trenches 18 are designed with an insulating layer 13 and filled with a conductive material that has a first gate electrode 11 forms. In addition, n + doped source regions 16 are provided. The source regions 16 adjoin the first main surface 5 and extend along the trenches 18 to a certain depth into the p-base. By applying a suitable control voltage to the gate electrode 11 , an inversion channel can be formed in the p-base 15 in a known manner and the current flow through the element can be influenced. Cathode fingers are formed by the p base 15 left between two trenches. The width of the fingers was 0.7 µm in one test example. The depth of the trenches was chosen in the range of 3.5 µm. The oxide thickness of the trenches was 0.3 µm. The p-base had a Gaussian profile with a depth of 2.5 µm and an edge concentration of 5 × 10 ¹⁶ cm ^-3 . According to FIG. 2, a p + doped collector area 19 can also be provided in the area in which the p base 15 comes into contact with the first main area 5 . This area serves in particular to improve the electrical contact with the first metallization 7 , ie with the cathode 3 .

Im Bereich der anodenseitigen Haupffläche 6 sind nach der Erfindung Anodengrä ben 17 vorgesehen. Die Geometrie der Anodengräben 17 wich im realisierten Ver suchsbeispiel geringfügig von derjenigen der Kathodengräben 18 ab. Die Fingerbrei te der Anodengräben betrug 1 µm, die Tiefe blieb unverändert im Bereich von 3.5 µm. Die isolierende Schicht 13 war lediglich 0.1 µm dick. Die Tiefe der Anodenemit ters 9 betrug ca. 0.5 µm. Das leitende Material, mit dem Anodenfinger ebenfalls an gefüllt sind, bildet eine zweite Gateelektrode 12. Die Gräben 17 dringen über den p+ dotierten Anodenemitter 9, der im übrigen vorzugsweise als transparenter Emitter ausgebildet ist, bis in den Bereich der n-Basis 10 oder einer eventuell dazwischen an geordneten n-dotierten Stopschicht 14 vor. Die Stopschicht 14 wird je nachdem ob ein Punch-Through oder ein Non-Punch-Through Bauelemente gewünscht ist, vor gesehen oder weggelassen. Die Stopschicht 14 kann die Gräben 17 wie dargestellt insgesamt umgeben oder weniger tief ausgeführt sein, so dass die Gräben 17 bis in die n-Basis 10 vordringen. Durch Beeinflussung der Dotierungskonzentration des Anodenemitters 9 und der Tiefe der Anodengräben 17 können die Eigenschaften des Bauelements nachhaltig beeinflusst werden. Grundsätzlich kann durch Anlegen ei ner Steuerspannung an die zweite Gateelektrode 12 die Plasmadichte im Anodene mitter beeinflusst werden. Eine gegenüber dem Anodenpotential positive Gatespan nung ruft eine Elektrodenanreicherung hervor, welche innerhalb der p+ Emitter schicht 9 als Inversionsschicht und in der n-Basis 10 oder der allenfalls vorhandenen n-dotierten Stopschicht 14 als Akkumulationsschicht bezeichnet wird. Mit einem hinreichend positiven Gatepotential können in der p+ Emitterschicht 9 n-leitende Kurzschlusspfade (Elektronen-Inversionsschicht) erzeugt werden, welche die Injek tionseffizienz sehr stark reduzieren. Im Gegensatz dazu entsteht bei einer negativen Gatespannung in Bezug auf das Anodenpotential an den Böden der Gräben 17 (d. h. im Bereich der n-Basis 10 oder der Stopschicht 14) eine Löcherinversionschicht, wel che die totale Fläche des p+ Emitters 9 vergrössert und damit sogar zu einer Erhö hung der Injektionseffizienz beiträgt. In the area of the anode-side main surface 6 , anode trenches 17 are provided according to the invention. The geometry of the anode trenches 17 differed slightly from that of the cathode trenches 18 in the test example implemented. The finger width of the anode trenches was 1 µm, the depth remained unchanged in the range of 3.5 µm. The insulating layer 13 was only 0.1 μm thick. The depth of the anode emitter 9 was approximately 0.5 µm. The conductive material, with which the anode fingers are also filled, forms a second gate electrode 12. The trenches 17 penetrate through the p + -doped anode emitter 9 , which is also preferably formed as a transparent emitter, into the area of the n base 10 or one possibly in between on ordered n-doped stop layer 14 . The stop layer 14 is seen or omitted, depending on whether a punch-through or a non-punch-through component is desired. As shown, the stop layer 14 can surround the trenches 17 as a whole or be made less deep, so that the trenches 17 penetrate into the n base 10 . By influencing the doping concentration of the anode emitter 9 and the depth of the anode trenches 17 , the properties of the component can be influenced in a lasting manner. In principle, the plasma density in the anode can be influenced in the middle by applying a control voltage to the second gate electrode 12 . A gate voltage which is positive with respect to the anode potential causes an electrode enrichment which is referred to as an inversion layer within the p + emitter layer 9 and as an accumulation layer in the n-base 10 or the n-doped stop layer 14 which may be present. With a sufficiently positive gate potential 9 n-type short-circuit paths (electron inversion layer) can be generated in the p + emitter layer, which greatly reduce the injection efficiency. In contrast, with a negative gate voltage with respect to the anode potential at the bottoms of the trenches 17 (ie in the area of the n-base 10 or the stop layer 14 ), a hole inversion layer is formed which increases the total area of the p + emitter 9 and thus even increases contributes to an increase in injection efficiency.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es handelt sich um einen sogenannten planaren IGBT, bei kathodenseitig keine Grabenstruktur vorge sehen ist, sondern ein konventionelle IGBT-Kathodenstruktur mit einer p-Basis 15, in welcher Sourcegebiete 16 vorgesehen sind. Die Kathode 3 wird durch eine Metal lisierung 7 gebildet, die p-Basis 15 und Sourcegebiete 16 kontaktiert. Die Gateelek trode 11 ist isoliert auf der kathodenseitigen Haupffläche 5 angeordnet und bedeckt Kanalgebiete in der p-Basis, die zwischen den Sourcegebieten 16 und der an die Haupffläche 5 gezogenen n-Basis angeordnet sind. Die kathodenseitige Funktions weise ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Die Funktionsweise der Anodengräben 17 entspricht der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 be sprochenen. Fig. 5 shows a further embodiment of the invention. It is a so-called planar IGBT, in which no trench structure is provided on the cathode side, but a conventional IGBT cathode structure with a p-base 15 , in which source regions 16 are provided. The cathode 3 is formed by a metalization 7 , which contacts the p base 15 and source regions 16 . The gate electrode 11 is insulated on the cathode-side main surface 5 and covers channel regions in the p-base, which are arranged between the source regions 16 and the n-base drawn to the main surface 5 . The function on the cathode side is well known from the prior art. The operation of the anode corresponds to the trenches 17 be in connection with FIGS. 1 and 2 sprochenen.

Fig. 3 zeigt eine analoge Darstellung für ein Ausführungsbeispiel mit einer Diode. Man beachte, dass Anode und Kathode vertauscht sind, d. h. die ersten Haupffläche 5 befindet sich auf der Fig. 3 unten und die zweite Haupffläche 6 oben. Eine erfin dungsgemässe Diode kann wahlweise nur anodenseitig, nur kathodenseitig oder auf beiden Seiten erfindungsgemässe Grabenstrukturen aufweisen. Der Einfachheit hal ber wurde ein Beispiel mit auf beiden Seiten vorgesehenen Grabenstrukturen darge stellt. Selbstredend umfasst die Diode kathodenseitig keine Sourcegebiete sondern lediglich einen n+ dotierten Kathodenemitter 20. Anodenseitig sind ein p-Basis und ein p+ dotierter Anodenemitter 9 vorgesehen. Eine Stopschicht 14 kann ebenfalls fa kultativ zwischen Kathodenemitter 20 und n-Basis 10 vorgesehen werden. Die Funktion der erfindungsgemässen Grabenstrukturen entspricht derjenigen beim IGBT. Die Plasmarandkonzentrationen können durch das Potential der Gateelektro den in weiten Grenzen variiert werden. Bei der Diode führt die Absenkung der An oden-Plasmakonzentration zu kleineren Rückströmen und kleineren Verlusten beim Abkommutieren. Fig. 3 shows an analog representation for an embodiment with a diode. Note that anode and cathode are reversed, ie, the first major surface 5 is located on the Fig. 3 below and the second major surface 6 above. A diode according to the invention can optionally have trench structures according to the invention only on the anode side, only on the cathode side or on both sides. For the sake of simplicity, an example with trench structures provided on both sides has been presented. Of course, the diode on the cathode side does not include any source regions but only an n + doped cathode emitter 20. On the anode side, a p base and a p + doped anode emitter 9 are provided. A stop layer 14 can also be provided between the cathode emitter 20 and the n base 10 . The function of the trench structures according to the invention corresponds to that of the IGBT. The plasma edge concentrations can be varied within wide limits by the potential of the gate electrodes. With the diode, the lowering of the anode plasma concentration leads to smaller return currents and smaller losses during commutation.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erfindungsgemässen Anoden gräben bei einem GTO realisiert wurden. Kathodenseitig umfasst der GTO fingerar tige Kathodenemittergebiete 20 und eine p-Basis 15. Die Kathode 3 wird durch eine die Kathodenemittergebiete 20 kontaktierende Metallisierung 7 gebildet, während die Gateelektrode 11 die p-Basis 15 kontaktiert. Anodenseitig sind erfindungsgemä sse Anodengräben 17 vorgesehen. Die Funktionsweise dieser Gräben entspricht derjenigen der IGBTs und wird deshalb an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert. Fig. 4 shows an embodiment in which the anode trenches according to the invention were realized in a GTO. On the cathode side of the GTO comprises fingerar term cathode emitter regions 20 and a p-type base 15. The cathode 3 is formed by the cathode emitter regions 20 contacting metallization 7 while the gate electrode 11 contacts the p-type base 15th Anode trenches 17 according to the invention are provided on the anode side. The functioning of these trenches corresponds to that of the IGBTs and is therefore not explained again here.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Leistungshalbleiterbauelement, bei dem die Injektionseffizienz der Anoden- bzw. Kathodenemitter dynamisch dem Betriebs zustand angepasst werden kann. Die Schalt- und Durchlassverluste können somit einzeln optimiert werden, und es muss kein suboptimaler Kompromiss gesucht werden. Overall, the invention results in a power semiconductor component in which the injection efficiency of the anode or cathode emitters dynamically the operation condition can be adjusted. The switching and forward losses can thus can be individually optimized and no sub-optimal compromise has to be sought become.

BezugszeichenlisteReference list

11

Leistungshalbleiterbauelement
Power semiconductor component

22nd

Halbleiterkörper
Semiconductor body

33rd

Kathode
cathode

44th

Anode
anode

55

erste Haupffläche
first main area

66

zweite Haupffläche
second main area

77

erste Metallisierung
first metallization

88th

zweite Metallisierung
second metallization

99

Anodenemitter
Anode emitter

1010th

n-Basis
n base

1111

erste Gateelektrode
first gate electrode

1212th

zweite Gateelektrode
second gate electrode

1313

isolierende Schicht
insulating layer

1414

Stopschicht
Stop layer

1515

p-Basis
p base

1616

Sourcegebiete
Source areas

1717th

Anodengräben
Anode trenches

1818th

Kathodengräben
Cathode trenches

1919th

Kollektorgebiet
Collector area

2020th

Kathodenemitter
Cathode emitter

Claims

1. Leistungshalbleiterbauelement (1) mit einer Anode (4) und einer Kathode (3), dadurch gekennzeichnet, dass anodenseitig MOS-steuerbare Graben strukturen (17, 12, 13,) vorgesehen sind.1. Power semiconductor component ( 1 ) with an anode ( 4 ) and a cathode ( 3 ), characterized in that MOS-controllable trench structures ( 17 , 12 , 13 ,) are provided on the anode side.

2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, insbesondere ein Bipo lartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT), dadurch ge kennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (1) umfasst:

(a) einen Halbleiterkörper (2) mit einer ersten und einer zweiten Haupfflä che (5 und 6), wobei die Kathode (3) durch eine erste, die erste Haupffläche (5) bedeckende Metallisierung (7) und die Anode (4) durch eine zweite, die zweite Haupffläche (6) bedeckende Metallisie rung (8) gebildet wird;
(b) im Halbleiterkörper (2) zwischen der ersten Haupffläche (5) und der zweite Haupffläche (6) eine Mehrzahl unterschiedlich dotierter Halblei tergebiete (9, 10, 14, 15, 16), wobei von der zweiten Haupffläche (6) her mindestens ein Anodenemitter (9) und eine n-Basis (10) vorgesehen sind;
(c) eine erste Gateelektrode (11), mit deren Hilfe der Stromfluss durch das Bauelement beeinflusst werden kann;
(d) Anodengräben (17), die von der zweiten Hauptfläche (6) her in den Halbleiterkörper (2) eingebracht sind, wobei die Anodengräben (17) sich bis über den Anodenemitter (9) hinaus erstrecken und mit einer elektrisch isolierenden Schicht (13) ausgelegt und mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt sind; wobei
(e) die anodenseitige, zweite Metallisierung (8) die Anodengräben (17) überdeckt; und
(f) das elektrisch leitende Material eine zweite Gateelektrode (12) bildet, mit deren Hilfe eine Injektionseffizienz des Anodenemitters (9) gesteu ert werden kann.

2. Power semiconductor component according to claim 1, in particular a bipolar transistor with an insulated gate electrode (IGBT), characterized in that the power semiconductor component ( 1 ) comprises:

(a) a semiconductor body ( 2 ) with a first and a second main surface ( 5 and 6 ), the cathode ( 3 ) being covered by a first metallization ( 7 ) covering the first main surface ( 5 ) and the anode ( 4 ) a second metallization ( 8 ) covering the second main surface ( 6 ) is formed;
(b) in the semiconductor body ( 2 ) between the first main surface ( 5 ) and the second main surface ( 6 ), a plurality of differently doped semiconductor regions ( 9 , 10 , 14 , 15 , 16 ), at least from the second main surface ( 6 ) an anode emitter ( 9 ) and an n base ( 10 ) are provided;
(c) a first gate electrode ( 11 ), by means of which the current flow through the component can be influenced;
(d) anode trenches ( 17 ) which are introduced into the semiconductor body ( 2 ) from the second main surface ( 6 ), the anode trenches ( 17 ) extending beyond the anode emitter ( 9 ) and having an electrically insulating layer ( 13 ) designed and filled with an electrically conductive material; in which
(e) the anode-side, second metallization ( 8 ) covers the anode trenches ( 17 ); and
(f) the electrically conductive material forms a second gate electrode ( 12 ), with the aid of which an injection efficiency of the anode emitter ( 9 ) can be controlled.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anodenemitter (9) und der n-Basis (10) eine Stopschicht (14) eingefügt ist.3. Semiconductor component according to claim 2, characterized in that a stop layer ( 14 ) is inserted between the anode emitter ( 9 ) and the n base ( 10 ).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) von der ersten Haupffläche (5) her eine p-Basis (15) mit eindiffundier ten Sourcegebieten (16) vorgesehen ist;
(b) Kathodengräben (18) in den Halbleiterkörper (2) eingebracht sind, wo bei sich die Kathodengräben (18) durch die p-Basis bis in die n-Basis (10) erstrecken, mit einer elektrisch isolierenden Schicht (13) ausgelegt und mit einem elektrisch leitenden, die erste Gateelektrode (11) bil denden Material gefüllt sowie von der ersten kathodenseitigen Metal lisierung (7) überdeckt sind;
(c) die Sourcegebiete (16) an den grabenseitigen Rändern von Kathoden fingern angeordnet sind, wobei die Kathodenfinger durch die zwischen zwei benachbarten Gräben (18) an die erste Haupffläche (5) dringende p-Basis (15) gebildet werden.

4. A semiconductor device according to claim 2 or 3, characterized in that

(a) from the first main surface ( 5 ) a p-base ( 15 ) with diffused source regions ( 16 ) is provided;
(b) cathode trenches ( 18 ) are introduced into the semiconductor body ( 2 ), where the cathode trenches ( 18 ) extend through the p-base into the n-base ( 10 ), with an electrically insulating layer ( 13 ) and filled with an electrically conductive material forming the first gate electrode ( 11 ) and covered by the first cathode-side metalization ( 7 );
(c) the source regions ( 16 ) are arranged on the trench-side edges of cathode fingers, the cathode fingers being formed by the p-base ( 15 ) penetrating between the two adjacent trenches ( 18 ) on the first main surface ( 5 ).

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass pro Kathodenfinger zwei Sourcegebiete (16) vorgesehen sind, und zwischen den Sourcegebieten ein invers dotiertes Kollektorgebiet (19) vorgesehen ist.5. Semiconductor component according to claim 4, characterized in that two source regions ( 16 ) are provided per cathode finger, and an inversely doped collector region ( 19 ) is provided between the source regions.

6. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, insbesondere eine Halb leiterdiode, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

(a) einen Halbleiterkörper (2) mit einer ersten und einer zweiten Haupfflä che (5 und 6), wobei die Kathode (3) durch eine erste, die erste Hauptfläche (5) bedeckende Metallisierung (7) und die Anode (4) durch eine zweite, die zweite Hauptfläche (6) bedeckende Metallisie rung (8) gebildet wird;
(b) im Halbleiterkörper (2) zwischen der ersten Haupffläche (5) und der zweiten Haupffläche (6) eine Mehrzahl unterschiedlich dotierter Halb leitergebiete, wobei von der zweiten Haupffläche (6) her mindestens ein Anodenemitter (9) und eine n-Basis (10) und von der ersten Haupffläche (5) her ein Kathodenemitter (20) vorgesehen sind;
(c) Anodengräben (17), die von der zweiten Haupffläche (6) her in den Halbleiterkörper eingebracht sind, wobei sich die Anodengräben (17) bis über den Anodenemitter (9) hinaus erstrecken und mit einer elek trisch isolierenden Schicht (13) ausgelegt und mit einem elektrisch lei tenden Material gefüllt sind und die anodenseitige, zweite Metallisie rung (8) die Anodengräben (17) überdeckt;
(d) das elektrisch leitende Material der Anodengräben (17) eine Gateelek trode (12) bildet, mit deren Hilfe eine Injektionseffizienz des Anode nemitters (17) gesteuert werden kann.

6. Power semiconductor component according to claim 1, in particular a semiconductor diode, characterized in that it comprises:

(a) a semiconductor body ( 2 ) with a first and a second main surface ( 5 and 6 ), the cathode ( 3 ) being covered by a first metallization ( 7 ) covering the first main surface ( 5 ) and the anode ( 4 ) a second metallization ( 8 ) covering the second main surface ( 6 ) is formed;
(b) semiconductor regions in the semiconductor body (2) between the first major surface (5) and the second major surface (6) a plurality of differently doped half, wherein the second major surface (6) fro at least one anode emitter (9) and an n-base ( 10 ) and a cathode emitter ( 20 ) is provided from the first main surface ( 5 );
(C) anode trenches ( 17 ) which are introduced from the second main surface ( 6 ) into the semiconductor body, the anode trenches ( 17 ) extending beyond the anode emitter ( 9 ) and designed with an electrically insulating layer ( 13 ) and are filled with an electrically conductive material and the anode-side, second metallization ( 8 ) covers the anode trenches ( 17 );
(d) the electrically conductive material of the anode trenches ( 17 ) forms a gate electrode ( 12 ), with the aid of which an injection efficiency of the anode emitter ( 17 ) can be controlled.

7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, dass

(a) von der ersten Haupffläche (5) her Kathodengräben (18) in den Halb leiterkörper eingebracht sind, wobei sich die Kathodengräben (18) bis über den Kathodenemitter (20) hinaus erstrecken und mit einer elek trisch isolierenden Schicht (13) ausgelegt und mit einem elektrisch lei tenden Material gefüllt sind und die kathodenseitige, erste Metallisie rung (7) die Kathodengräben (18) überdeckt;
(b) das elektrisch leitende Material der Kathodengräben (18) eine weitere Gateelektrode (11) bildet, mit deren Hilfe eine Injektionseffizienz des Kathodenemitters (20) gesteuert werden kann.

7. Power semiconductor component according to claim 6, characterized in that

(A) from the first main surface ( 5 ) ago cathode trenches ( 18 ) are introduced into the semiconductor body, the cathode trenches ( 18 ) extending beyond the cathode emitter ( 20 ) and having an electrically insulating layer ( 13 ) and are filled with an electrically conductive material and the cathode-side, first metallization ( 7 ) covers the cathode trenches ( 18 );
(b) the electrically conductive material of the cathode trenches ( 18 ) forms a further gate electrode ( 11 ), with the aid of which an injection efficiency of the cathode emitter ( 20 ) can be controlled.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anodenemitter (9) und n-Basis (10) eine p-Basis (15) vorgesehen ist, und die Anodengräben (17) sich über die p-Basis (15) bis in die n-Basis (10) hinein erstrecken.8. The semiconductor component according to claim 7, characterized in that a p-base ( 15 ) is provided between the anode emitter ( 9 ) and n-base ( 10 ), and the anode trenches ( 17 ) over the p-base ( 15 ) in extend the n-base ( 10 ) into it.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kathodenemitter (20) und n-Basis (10) eine Stopschicht (14) vorgesehen ist und sich die Kathodengräben (18) bis in die Stopschicht (14) hinein erstrecken.9. The semiconductor component according to claim 7 or 8, characterized in that a stop layer ( 14 ) is provided between the cathode emitter ( 20 ) and the n-base ( 10 ) and the cathode trenches ( 18 ) extend into the stop layer ( 14 ).

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, insbesondere ein Abschaltthyri stor, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst

(a) einen Halbleiterkörper (2) mit einer ersten und einer zweiten Haupfflä che (5 und 6), wobei die Kathode (3) durch eine erste Metallisierung (7) und die Anode (4) durch eine zweite, die zweite Haupffläche (6) be deckende Metallisierung (8) gebildet wird;
(b) im Halbleiterkörper (2) zwischen der ersten Haupffläche (5) und der zweiten Haupffläche (6) eine Mehrzahl unterschiedlich dotierter Halb leitergebiete, wobei von der zweiten Haupffläche (6) her mindestens ein Anodenemitter (9) und eine n-Basis (10) und von der ersten Haupffläche (5) her fingerartige Kathodenemitter (20), die von der Ka thode (3) kontaktiert werden, vorgesehen sind;
(c) eine erste Gateelektrode (11) mit deren Hilfe der Stromfluss durch das Bauelement beeinflusst werden kann und die eine an die n-Basis (10) anschliessende p-Basis (15) an der Hauptfläche (5) kontaktiert;
(c) Anodengräben (17), die von der zweiten Haupffläche (6) her in den Halbleiterkörper eingebracht sind, wobei sich die Anodengräben (17) bis über den Anodenemitter (9) hinaus erstrecken und mit einer elek trisch isolierenden Schicht (13) ausgelegt und mit einem elektrisch lei tenden Material gefüllt sind und die anodenseitige, zweite Metallisie rung (8) die Anodengräben (17) überdeckt;
(d) das elektrisch leitende Material der Anodengräben (17) eine Gateelek trode (12) bildet, mit deren Hilfe eine Injektionseffizienz des Anode nemitters (17) gesteuert werden kann.

10. The semiconductor device according to claim 1, in particular a shutdown thyri stor, characterized in that it comprises

(a) a semiconductor body ( 2 ) with a first and a second main surface ( 5 and 6 ), the cathode ( 3 ) by a first metallization ( 7 ) and the anode ( 4 ) by a second, the second main surface ( 6 ) Be covering metallization ( 8 ) is formed;
(b) semiconductor regions in the semiconductor body (2) between the first major surface (5) and the second major surface (6) a plurality of differently doped half, wherein the second major surface (6) fro at least one anode emitter (9) and an n-base ( 10 ) and from the first main surface ( 5 ) forth finger-like cathode emitter ( 20 ), which are contacted by the Ka method ( 3 ), are provided;
(c) a first gate electrode ( 11 ) which can be used to influence the current flow through the component and which contacts a p-base ( 15 ) adjoining the n-base ( 10 ) on the main surface ( 5 );
(C) anode trenches ( 17 ) which are introduced from the second main surface ( 6 ) into the semiconductor body, the anode trenches ( 17 ) extending beyond the anode emitter ( 9 ) and designed with an electrically insulating layer ( 13 ) and are filled with an electrically conductive material and the anode-side, second metallization ( 8 ) covers the anode trenches ( 17 );
(d) the electrically conductive material of the anode trenches ( 17 ) forms a gate electrode ( 12 ), with the aid of which an injection efficiency of the anode emitter ( 17 ) can be controlled.