DE19808154A1 - Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode - Google Patents

Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleitertechnologie. Sie betrifft insbesondere einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) nach dem Oberbe­ griff des ersten Anspruchs. Ein solcher IGBT ist beispielsweise aus der Deut­ schen Offenlegungsschrift DE 196 12 516 A1 bekannt.
Stand der Technik
In IGBTs nach dem Stand der Technik wird das Gate Signal zunächst mit Hilfe eines Gate Runners über an die Peripherie der Chips verteilt (siehe DE 196 12 516 A1. Schmale Streifen (Gatefinger) führen dann das Signal ins Innere des Chips (deutlich zu sehen in EP 0 755 076 A2). Sowohl der Gate Runner, wie auch die Gate Finger bestehen aus einer Al Metallisierung. Die üblicherweise ver­ wendete Designregel besagt, daß der Abstand x der Gate Finger folgende Be­ dingung erfüllen muß.
R ist der Schichtwiderstand des Polysiliziums, das das Signal vom Gatefinger zum physikalischen Gate führt, c die MOS Kapazität pro Fläche des Gates und, die charakteristische Schaltzeit des IGBTs gegeben durch τ = RGate.Ctot.RGate ist der Gate Vorwiderstand und Ctot die totale MOS Kapazität des Chips. Typische Werte sind c = 30 nF/cm2, R = 30 Ohm und τ = 200 nsec. Das resultiert in x « 0.47 cm. Ist die obige Bedingung erfüllt, so ist - unabhängig vom Gate- Vorwiderstand - die Spannungsverteilung im Gate zu jedem Zeitpunkt während des Schaltens flach und deshalb die Stromdichte homogen.
Gate Finger erfordern jedoch eine komplexe und teure Lötmetallisierung (falls kathodenseitiges Löten erforderlich ist) und stellen hohe Anforderungen an die Passivierung. Passivierungsschwächen führen zu Gate-Emitter Kurzschlüssen die sich als Frühausfälle manifestieren und nur mit aufwendigen Burn-in Tests erfaßt werden können. Ähnliche Probleme treten bei der Druckkontaktierung auf.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen IGBT anzugeben, der auf einfache Weise hergestellt werden kann und trotzdem homogen eingeschaltet. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Kern der Erfindung ist es also, daß der Gatestrom im IGBT-Chip ausgehend vom Gateanschluß unmittelbar über die Polysiliziumschichten der Gateelektro­ den zu den IGBT-Einheitszellen weitergeleitet wird.
Die Erfindung wendet sich somit diametral ab von der herrschenden Ansicht, daß ab einer gewissen Chipgröße homogenes Einschalten nur unter Verwen­ dung von Gatefingern erreicht werden kann. Vielmehr haben die Erfinder erst­ mals erkannt, daß für homogenes Abschalten eines IGBTs andere Designregeln gelten als für MOS Transistoren. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, daß maximale Verlustleistungsdichte ist immer homogen ist, wenn die Plasmavertei­ lung noch homogen ist. Ein bipolares Bauelement verhält sich insbesondere dem Zeitpunkt, in dem der MOS Strom nicht mehr genügt, um den äußeren Strom aufrecht zu erhalten, prinzipiell anders als ein unipolares wie ein MOS Transistor. Nach diesem Zeitpunkt erfolgt ein Übergang von bipolarem Strom zu rei­ nem Löcherstrom, verbunden mit einem Ausräumen der Hauptjunction. Sobald dieser Prozeß abgeschlossen ist, wird der volle Strom von Löchern getragen und die Raumladungszone baut sich auf. Die Plasmaverteilung ist aber lateral im­ mer noch recht homogen. Deshalb wird auch die sehr inhomogene Stromvertei­ lung rasch homogenisiert. Zum Zeitpunkt der maximalen Verlustleistung ist die Stromverteilung nahezu homogen. Deshalb wird die Safe Operating Area nicht reduziert und die Abschaltenergie kaum verändert. Als Konsequenz lassen sich IGBTs ohne Gate Finger bauen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß
  • - durch den Wegfall der Gatefinger eine einfache und billige Ausführungen der Lötmetallisierung ermöglicht wird,
  • - die einfachere Technologie eine höhere Zuverlässigkeit bei der Druckkon­ taktierung der Chips ermöglicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Vorversuchen wurde ein langsamer 2.5 kV Chip ohne Gate Finger gebaut und seine Eigenschaften gemessen. Sie waren innerhalb der Fehlergrenze ununter­ scheidbar von der Version mit Gate Finger. Die Befürchtung bestand jedoch, ein schneller Chip würde ohne Gate Finger unter extrem inhomogenen Stromvertei­ lungen abschalten und deshalb hohe Schaltverluste, langsame Transienten und kleine SOA aufweisen. Analytische Rechnungen, numerische Simulationen das Schaltverhalten sowie Schaltversuche von schnellen IGBTs ohne Gate Finger habe jedoch verblüffende Resultate gezeigt. Es zeigte sich, daß eine Signalaus­ breitungszeit vergleichbar mit der Schaltzeit τ nicht notwendigerweise zu einer inhomogenen Stromverteilung beim Abschalten führt. Die Versuche zeigten auch, daß das Einschalten im Vergleich zum Abschalten unkritisch ist.
Im Fall, daß
gewählt wird, tritt beim Abschalten nämlich zunächst eine Stromumverteilung auf. Die äußeren Teile des Chips beginnen abzuschalten, die Last hält den tota­ len Strom konstant und kommutiert Strom ins Zentrum des Chips. Zu dem Zeit­ punkt ist die Anodenspannung noch im wesentlichen Null.
Zum diesem Zeitpunkt genügt der MOS Strom nicht mehr, um den äußeren Strom aufrecht zu erhalten. In einem reinen MOS Transistor setzt jetzt der Spannungsanstieg ein. Der Spannungsanstieg koppelt über die Gate-Anoden (Miller) Kapazität Ladung ins Gate, derart, daß die Spannungsverteilung über das Gate konstant bleibt und der Strom nicht weiter abfällt. Sobald die volle Lastspannung erreicht ist, bricht der Regelmechanismus ab, die Gatespannung sinkt und das Bauelement schaltet ab.
Der Kern der Erfindung ist nun, daß sich ein bipolares Bauelement ab dem o. g. Zeitpunkt prinzipiell anders verhält. Nach diesem Zeitpunkt erfolgt ein Über­ gang von bipolarem Strom zu reinem Löcherstrom, verbunden mit einem Aus­ räumen der Hauptjunction. Sobald dieser Prozeß abgeschlossen ist, wird der volle Strom von Löchern getragen und die Raumladungszone baut sich auf. Die Plasmaverteilung ist aber lateral immer noch recht homogen. Deshalb wird auch die zum diesem Zeitpunkt sehr inhomogene Stromverteilung rasch homogeni­ siert. Zum Zeitpunkt der maximalen Verlustleistung ist die Stromverteilung na­ hezu homogen. Deshalb wird die Safe Operating Area nicht reduziert und die Abschaltenergie kaum verändert. Damit können IGBTs gebaut werden, die ohne Gatefinger auskommen.

Claims (1)

  1. Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) umfassend min­ destens einen IGBT-Chip mit einer Mehrzahl von parallelgeschaltete IGBT-Einheitszellen, pro Chip einen ersten und zweiten Hauptan­ schluß und mindestens einem Gateanschluß, der mit den Gateelek­ troden der IGBT-Einheitszellen in elektrischer Wirkverbindung steht, wobei die Gateelektroden durch elektrisch parallelgeschaltete Polysi­ liziumschichten gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Polysiliziumschichten mit dem oder jedem Gateanschluß in unmittel­ barer Wirkverbindung verbunden sind.
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