DE19945639A1

DE19945639A1 - Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT)

Info

Publication number: DE19945639A1
Application number: DE1999145639
Authority: DE
Inventors: Stefan Linder; Friedhelm Bauer; Hans-Rudolf Zeller
Original assignee: ABB Semiconductors Ltd
Current assignee: ABB Semiconductors Ltd
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-04-05

Abstract

Ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) weist einen Halbleiterkörper (1), bei welchem zwischen einer ersten Oberfläche (10) und einer zweiten Oberfläche (11) ein p-Gebiet (12), ein n-Gebiet (13), p-Basen (14) und in die p-Basen (14) eingelassene n-dotierte Sourcegebiete (15) vorhanden ist. Auf der ersten Oberfläche (10) ist eine erste Hauptelektrode (2) angeordnet, welche das p-Gebiet (12) kontaktiert. Die zweite Oberfläche (11) ist von einer zweiten Hauptelektrode (3) und teilweise von einer isolierten Gate- oder Gateelektrode (4) bedeckt. Zur Erhöhung der Widerstandsfestigkeit gegenüber kosmischer Strahlungen weist der Halbleiterkörper (1) mindestens eine p-Hilfsbasis (16) auf, in welche mehrere p-Basen (14) eingelassen sind, wobei sich die p-Hilfsbasis (16) bis an die zweite Oberfläche (11) erstreckt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungshalb leitertechnik. Sie bezieht sich auf einen Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Ein derartiger IGBT ist beispielsweise aus EP 0'690'512, EP 0'615'293 sowie US 5'321'281 bekannt. Ein IGBT weist grund sätzlich einen Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, eine erste und eine zweite Hauptelektrode sowie eine isolierte Steuer- oder Gateelektrode auf. Die Elektroden werden durch Metallisierungen gebildet. Im Halb leiterkörper sind zwischen den zwei Oberflächen in dieser Reihenfolge ein p-Gebiet, ein n-Gebiet, eine Mehrzahl von wan nenförmigen p-Basen sowie in die p-Basen eingelassene n dotierte Sourcegebiete vorhanden. Das n-Gebiet dringt zwischen den p-Basen an die zweite Oberfläche, wie sich auch die p- Basen zwischen den Sourcegebieten und zwischen Sourcegebiet und n-Gebiet bis zur zweiten Oberfläche erstrecken. Im letzeren Fall bilden die p-Basen zwischen Sourcegebiet und n- Gebiet Kanalgebiete, welche von der isolierten Gateelektrode überdeckt ist. Die erste Hauptelektrode kontaktiert das p- Gebiet, die zweite Hauptelektrode die p-Basis sowie die Sourcegebiete. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gateelektrode wirken die erwähnten Kanalgebiete als Inver sionskanäle, mittels welchen sich der Stromfluss durch den IGBT in bekannter Weise steuern lässt.

EP 0'690'512 beschreibt einen IGBT mit einer p-Basis, welche mit einer sich bis zur zweiten Oberfläche erstreckenden, höher dotierten p+-Zone versehen ist. Dabei liegt die p⁺-Zone näher am oberen Ende als die n-dotieren Sourcegebiete. Durch diese Anordnung soll eine hohe Kurzschlussfestigkeit wie auch eine hohe Latch-Up-Festigkeit unter gleichzeitiger Verringerung der Kanallänge erreicht werden. Die Kanallänge ist dabei definiert als Abstand zwischen dem äusseren, der zweiten Oberfläche zugewandtem oberen Ende der p-Basis und demjenigen des n dotierten Sourcegebietes.

In US-5'321'281 ist ein ähnlich aufgebauter IGBT mit einer höher dotierten p⁺-Zone innerhalb der p-Basis gezeigt. Hier umschliesst die p⁺-Zone jedoch die Sourcegebiete beidseitig, wobei sie sich sowohl zwischen Sourcegebiet und p-Basis wie auch zwischen den Sourcegebieten bis zur zweiten Oberfläche erstreckt. Diese Anordnung soll in einem geringen Sättigungs strom resultieren und somit eine grosse Kurzschlussfestigkeit aufweisen.

Beim Design derartiger IGBT's für Hochspannungsanwendungen müssen jedoch nicht nur die Anforderungen wie schnelles Ein schalten, niedrige Durchlassverluste, gute Kurzschlussfestig keit und gute Latch-Up-Festigkeit erfüllt werden. Seit einigen Jahren ist zudem bekannt, dass kosmische Strahlung zu einer Zerstörung von Halbleiterbauelementen führen kann. Hierbei wurde ein Effekt beobachtet, welcher im Sperrzustand des Elementes auftritt und von der angelegten Spannung abhängt. Der Fehler tritt ohne merkliche Vorzeichen in Form eines sehr lokalen, plötzlich erscheinenden Lawinendurchbruchs (Ava lanche) des Elementes auf. Zurück bleibt ein lokaler Schmelzkanal, dessen Lage im Element zufällig ist. In H. R. Zeller, Cosmic ray induced failures in high power semiconductor devices, Solid-State Electronics Vol. 38, No. 12, pp. 2041-2046, 1995 wird der Effekt anhand eines Modells untersucht, welches das maximale elektrische Feld an der Junction, das heisst am Übergang des n-Gebietes zur p-Basis, berücksichtigt. Ferner werden Designvorschläge für widerstandsfähigere Halbleiterelemente gegeben, wobei vorgeschlagen wird, im Falle von non-punch-through Elementen den Widerstand des n-Gebiets anzupassen und im Falle von punch-through Elementen zusätzlich die Dicke des n-Gebiets zu erhöhen. Dies mag bei GTO's, Thyristoren und Dioden zu brauchbaren Resultaten führen.

IGBT's sind jedoch wesentlich anfälliger gegenüber kosmischer Strahlung als Thyristoren oder GTO's (Gate turn-off thyri stor). Sie zeigen bei einer vergleichbaren Dicke und einem vergleichbaren Widerstand des n-Gebietes eine wesentlich höhere Ausfallrate als GTO's, wie in H. R. Zeller, Cosmic ray induced failures in high power semiconductor devices, Micro electron. Reliab. Vol. 37, No. 10/11, pp. 1711-1718, 1997 festgestellt wurde. Die erhöhte Empfindlichkeit ist zum einen die Folge von elektrischen Feldspitzen an der Kathoden struktur, zum anderen eine Folge der nahezu abrupten p-n- Junction. Ein IGBT mit derselben Robustheit gegenüber kosmischer Strahlung wie ein GTO mit derselben Blockier spannung weist eine dickere n-Basis und/oder einen höheren n- Basis-Widerstand auf. Das führt zu massiv höheren elektrischen Verlusten, insbesondere bei Bauelementen mit hoher (< 3 kV) Blockierspannung.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen IGBT zu schaffen, welcher eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber kos mischer Strahlung aufweist.

Diese Aufgabe löst ein IGBT mit den Merkmalen des Patent anspruches 1.

Der erfindungsgemässe IGBT weist eine Junction zwischen p- Basis und n-Gebiet auf, welche tiefer liegt als bei gattungs gemässen IGBT's. Dies wird mittels einer niedrig dotierten p- Hilfsbasis, welche mehrere Einheitszellen umschliesst, erreicht. Diese Hilfsbasis reduziert das elektrische Feld an den kritischen Stellen an der p-Basis, insbesondere dort, wo die p-Basis maximale Krümmungen aufweist. Durch die Hilfsbasis wird ein. Profil erzeugt, welches die Robustheit des Halbleiterelementes gegenüber "Dynamic Avalanching" verbessert.

Dank der p-dotierten Hilfsbasis erübrigt sich eine Erhöhung der Dicke und/oder des Widerstandes des n-Gebietes.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Hilfsbasis im wesentlichen über die gesamte Breite des Halbleiterkörpers.

In einer zweiten Ausführungsform sind mehrere, vorzugsweise wannenförmige Hilfsbasen vorhanden, welche durch das zwischen sie hineinragende n-Gebiet voneinander getrennt sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhän gigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevor zugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines erfindungs gemässen IGBT's in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2a einen Querschnitt durch einen Teil eines erfindungs gemässen IGBT's in einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 2b eine Aufsicht auf einen IGBT gemäss Fig. 2a.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den im folgenden beschriebenen Figuren sind p-dotierte Zonen von links oben nach rechts unten schraffiert dar gestellt, n-dotiere Zonen von rechts oben nach links unten. Die Dichte der Schraffur gibt einen prinzipiellen Hinweis über die Dotierungsstärke. Metallisierungen sind als Skelett strukturen ohne Füllmuster dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemässen Bi polartransistors mit isolierter Gateelektrode (IGBT) gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der IGBT weist einen Halbleiterkörper 1, eine erste Hauptelektrode 2, eine zweite Hauptelektrode 3 sowie eine Steuer- oder Gateelektrode 4 auf. Die Hauptelektroden 2, 3 sind Metallisierungen, welche auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen 10,11 des Halbleiter körpers 1 aufgebracht sind, wobei die erste Hauptelektrode 2 auf der ersten Oberfläche 10 angeordnet ist. Auf der zweiten Oberfläche 11 befindet sich, umgeben von einer Isolation 5 die Gateelektrode 4, welche von der zweiten Hauptelektrode 3 über deckt ist. Dabei dringt die zweite Hauptelektrode 3 zwischen der Gateelektrode 4 bis zur zweiten Oberfläche 11.

Der Halbleiterkörper 1 weist mehrere unterschiedlich dotierte Gebiete auf. Von der ersten Oberfläche 10 her ist zuerst ein p-dotiertes Gebiet 12 vorhanden. Daran anschliessend folgt ein n-dotiertes Gebiet 13. Im Falle eines punch-through IGBT's ist das n-dotierte Gebiet 13 unterteilt in zwei verschieden stark dotierte Gebiete, wobei ein höher dotiertes n⁺-Teilgebiet als Pufferzone am p-dotierten Gebiet 12 angrenzt und ein weniger stark dotiertes n-Teilgebiet dem n⁺-Teilgebiet nachfolgt. Wie bei den IGBT's gemäss dem Stand der Technik sind ferner mehrere p-dotierte Basen 14 vorhanden, welche vorzugsweise wannenförmig ausgebildet sind. In diese p-Basen 14 sind n dotierte Sourcegebiete 15 eingelassen, welche bis an die zweite Oberfläche 11 dringen. Die p-Basen 14 erstrecken sich zwischen den Sourcegebieten 15 sowie an ihren Wannenrändern ebenfalls bis zur zweiten Oberfläche 11, wobei sie beidseitig im Bereich der Wannenränder Kanalgebiete 14' bilden. Die Anordnung von p-Basen 14, Sourcegebieten 15 und Gateelektrode 4 ist derart, dass sich die isolierte Gateelektrode 4 jeweils zungenförmig von einem Kanalgebiet 14' einer ersten p-Basis 14 zu einem benachbarten Kanalgebiet 14' einer zweiten p-Basis erstreckt. Ferner kontaktiert die zweite Hauptelektrode 3 sowohl die p-Basen 14 wie auch die Sourcegebiete 15. Mittels Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gateelektrode 4 bildet sich im Kanalgebiet 14' ein Inversionskanal aus, wodurch sich der Stromfluss durch den IGBT in bekannter Weise steuern lässt.

Der erfindungsgemässe IGBT weist nun ferner eine p-dotierte Hilfsbasis 16 auf, in welche mehrere der oben beschriebenen p- Basen 14 eingelassen sind. Die Hilfsbasis 16 weist eine gerin gere Dotierung auf als die p-Basis 14. Einerseits grenzt diese p-Hilfsbasis 16 an das n-Gebiet 13 an, andererseits erstreckt sie sich zwischen den p-Basen 14 bis an die zweite Oberfläche 11. Dabei wird sie von der isolierten Gateelektrode 4 min destens teilweise überdeckt.

Die Tiefe der Hilfsbasis 16 sowie ihre Dotierung wird in Abhängigkeit eines maximalen elektrischen Feldes im Bereich der Junction optimiert. Dabei wird berücksichtigt, dass eine grosse Tiefe und hohe Dotierung die Widerstandsfähigkeit gegenüber kosmischer Strahlung erhöht, jedoch die Menge vom n- Gebiet 13 emittierter Elektronen reduziert und somit das Schaltverhalten des IGBT's verschlechtert. Vorzugsweise be trägt die Tiefe der p-Hilfsbasis 16, gemessen von der zweiten Oberfläche 11 aus, ein Vielfaches der Tiefe der p-Basis 14. Die Flächendotierung der Hilfsbasis beträgt typischerweise 10¹¹-2.10¹² cm^-2. Vorzugsweise weist die Hilfsbasis im Bereich der zweiten Oberfläche 11 eine Flächenladung von weniger als 10^-7 Asec/cm², entsprechend einer Flächendotierung von etwa 7.10¹¹ cm^-2 auf. Bei einer Dicke der Hilfsbasis von 35 µm ergibt sich eine mittlere Dotierung der Hilfsbasis von etwa 2.10¹⁴ cm^-3. Die p-Basis 14 weist im Vergleich dazu typischerweise Flächendotierungen im Bereich von 10¹³-10¹⁵ cm^-2 auf. Die Tiefe der Hilfsbasis 16, gemessen von der zweiten Oberfläche 11 bis zur Junction beträgt 20-50 µm, vorzugsweise mehr als 30 µm.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Hilfsbasis 16 mindestens annähernd über den gesamten Halbleiterkörper. Das in den Fig. 2a und 2b dargestellte zweite Ausführungsbeispiel weist im wesentlichen denselben Aufbau auf, wobei jedoch mehrere p-Hilfsbasen 16 vorhanden sind, welche vorzugsweise wannenförmig ausgebildet sind. Ihre Wannenränder verlaufen beabstandet zu den inliegenden p-Basen 14', so dass die Hilfsbasis 16 beidseitig in einem Hilfskanalgebiet 16', welches von der isolierten Gateelektrode 4 überdeckt ist, endet. Diese Hilfskanalgebiete 16' weisen eine Breite auf, welche vorzugsweise ein Vielfaches der Breite der entsprechenden Kanalgebiete der p-Basen 14 beträgt. Ferner erstreckt sich das n-Gebiet 13 jeweils zwischen zwei benachbarten p-Hilfsbasen 16 bis zur zweiten Oberfläche 11.

Durch die Verlagerung der Junction zwischen einer p- und n dotierten Zone ins Innere des Halbleiterkörpers, beziehungs weise durch die Vergrösserung des p-Basisgebietes ist ein IGBT geschaffen, welcher eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen über kosmischer Strahlung aufweist. Er ist insbesondere geeignet für den Einsatz bei DC Spannungen von über 2500 V.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiterkörper

10

erste Oberfläche

11

zweite Oberfläche

12

p-Gebiet

13

n-Gebiet

14

p-Basis

14

' Kanalgebiet

15

n-Sourcegebiet

16

p-Hilfsbasis

16

' Hilfskanalgebiet

2

erste Hauptelektrode

3

zweite Hauptelektrode

4

Gateelektrode

5

Isolation der Gateelektrode

Claims

1. Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT)

a) mit einem Halbleiterkörper (1), welcher zwischen einer ersten Oberfläche (10) und einer zweiten Oberfläche (11) ein p-Gebiet (12), ein n-Gebiet (13), p-Basen (14) und in die p-Basen (14) eingelassene n-dotierte Source gebiete (15) aufweist,
b) mit einer Gateelektrode (4), welche isoliert über der zweiten Oberfläche (11) angeordnet ist,
c) mit einer ersten Hauptelektrode (2), die das p-Gebiet (12) kontaktiert und mit einer zweiten Hauptelektrode (3), die die p-Basen (14) und die Sourcegebiete (15) kontaktiert,

dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Halbleiterkörper (1) mindestens eine p-Hilfsbasis (16) aufweist, in welche mehrere p-Basen (14) einge lassen sind, wobei sich die p-Hilfsbasis (16) bis an die zweite Oberfläche erstreckt.

2. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p- Hilfsbasis (16) eine geringere Dotierung aufweist als die p-Basis (14).

3. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p- Hilfsbasis (16) eine Tiefe von 30-50 µm aufweist.

4. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p- Hilfsbasis (16) eine Flächendotierung von 10¹¹-2.10¹² cm^-2 aufweist.

5. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der p-Hilfsbasis (16) ein Vielfaches der Tiefe der p-Basis (14) beträgt.

6. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gateelektrode (4) über die p-Hilfsbasis (16) erstreckt.

7. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die p-Hilfsbasis (16) im wesentlichen über die gesamte Breite des Halbleiterkörpers (1) erstreckt.

8. IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere p-Hilfsbasen (16) vorhanden sind und dass sich das n- Gebiet (13) zwischen zwei p-Hilfsbasen (16) an die zweite Oberfläche (11) erstreckt.

9. IGBT nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsbasen (16) wannenförmig ausgebildet sind.

10. IGBT nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kanal gebiete (14') vorhanden sind, welche durch die zwischen den Sourcegebieten (15) und den p-Hilfsbasen (16) sich an die zweite Oberfläche (11) erstreckende p-Basis (14) gebildet ist,
dass Hilfskanalgebiete (16') vorhanden sind, welche durch die zwischen dem n-Gebiet (13) und der nächstliegenden p- Basis (14) sich an die zweite Oberfläche (11) erstreckende p-Hilfsbasis (16) gebildet ist, und
dass die Breite der Hilfskanalgebiete (16') ein Vielfaches der Breite der Kanalgebiete (14') beträgt.