In Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

专利摘要:
ImStand der Technik ist es problematisch, ein in Rückwärtsrichtung sperrendes Halbleiterbauteilzu schaffen, das keine nachteiligen Effekte einer Trennisolierregionauf den rückwärts fließenden Erholungs-Spitzenstromhat, das die Erhöhungdes Rückwärts-Leckstromsunterdrückt,die im wesentlichen bei konventionellen in Rückwärtsrichtung blockierenden IGBTs auftritt,und das eine ausreichend niedrige Spannung im Einschaltzustand hat.Zu diesem Zweck umfaßtdas Bauteil erfindungsgemäß eine MOS-Steuerelektrodenstruktur,die auf einer n--leitenden Driftschicht3 gebildet ist und eine p+-leitende Basisschicht4, die im Vorderflächenbereichder Driftschicht gebildet ist, eine n+-leitendeEmitterregion 5, die in einem Oberflächenbereich der Basisschichtgebildet ist, einen Steuerelektroden-Isolierfilm 6, der einen Oberflächenbereichder Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt,und eine Steuerelektrode 7, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilmgebildet ist, umfaßt;weiterhin eine Emitterelektrode 8 in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisschicht; eine p+-leitendeTrennisolierregion 11, die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über dieDriftschicht umgibt und sich über diegesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; und eine p+-leitendeKollektorschicht 9, die an der Rückseiteder Driftschicht gebildet ist und eine Verbindung zur Rückseite derTrennisolierregion hat. Der Abstand W zwischen der äußerstenPosition eines Teils ...
公开号:DE102004017723A1
申请号:DE200410017723
申请日:2004-04-10
公开日:2004-10-21
发明作者:Tatsuya Naito；Michio Nemoto；Manabu Takei
申请人:Fuji Electric Holdings Ltd；
IPC主号:H01L29-06

专利说明:
[0001] DieErfindung bezieht sich auf Leistungshalbleiterbauteile zur Verwendungin Leistungs-Umsetzern, und zwar speziell auf IGBTs (Bipolartransistorenmit isolierter Steuerelektrode, insulated gate bipolar transistors),die mit einer Scheibe ("wafer") mit einer Schwebezone(FZ, floating zone) hergestellt sind und Sperrmöglichkeiten in beiden Richtungenhaben, sogenannte bidirektionale IGBTs oder in Rückwärtsrichtung sperrende IGBTs.
[0002] Übliche IGBTsmit einer Struktur mit planarem pn-Übergang werden mit einer Gleichstromquellebei ihrer Hauptanwendung auf dem Gebiet der Inverter schaltungenoder Zerhackerschaltungen verwendet. Da in diesem Anwendungsgebietkeine Probleme auftreten, solange in Vorwärtsrichtung eine gegebene Durchbruchspannungnicht unterschritten wird, ist die Fähigkeit des Standhaltens gegeneine Spannung in Rückwärtsrichtungnicht als wesentlicher Faktor bei der Konzipierung und Herstellungsolcher IGBTs angesehen worden.
[0003] Inden letzten Jahren sind jedoch Matrix-Umsetzer als direkt verknüpfte Umsetzerschaltungenin Halbleiter-Umsetzersystemen in Gebrauch gekommen, und zwar zurDurchführungeiner Umsetzung Wechselstrom/Wechselstrom, einer Umsetzung Wechselstrom/Gleichstromoder einer Umsetzung Gleichstrom/Wechselstrom. Die Untersuchungenzur Verwendung bidirektionaler Schaltelemente in den Matrix-Umsetzern werdendurchgeführtzum Zweck der Miniaturisierung, der Gewichtsreduktion, des hohenWirkungsgrads, der schnellen Reaktion und der niedrigen Kosten derSchaltung. Zum Bau der bidirektionalen Schaltelemente, die aus antiparallelgeschalteten in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs bestehen, werden also IGBTs mit der Fähigkeitder Sperrung in Rückwärtsrichtungbenötigt.
[0004] IGBTsmit einer Sperrfähigkeitin Rückwärtsrichtungmüssensowohl im Zustand der Vorbelastung in Rückwärtsrichtung, bei positiverEmitterelektrode und negativer Kollektorelektrode, als auch beimin Vorwärtsrichtungvorbelasteten Zustand einer hohen Spannung widerstehen. Entsprechendumfaßtein in Rückwärtsrichtungsperrender IGBT fürdiesen Zweck eine Struktur, bei der die p⁺-leitendeTrennisolierregion gebildet ist, die den Randteil umgibt und sichvon der Vorderseite bis zur Rückseitedes Bauteils erstreckt. Ein IGBT mit dieser Struktur erreicht jedochkeine Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung,die äquivalentder Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtungist, wenn die kombinierte Struktur von Feldbegrenzungsschichtenund Feldbegrenzungselektroden, die oben beschrieben wurde, angewandtwird.
[0005] DieMessung der Durchbruchspannung wurde an einem Probestück einesin Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT mit einer Nennspannung von 1200 V durchgeführt, wobeidie Spannung in Vorwärtsrichtungund Rückwärtsrichtungangelegt wurde, und führtezu dem Ergebnis, daß inVorwärtsrichtungeine zufriedenstellende Durchbruchspannung von 1480 V gemessen wurde,jedoch die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung nur 1220 V betrug,was einen unannehmbar kleinen Spielraum ergibt. Das ungünstige Sperrverhaltenin Rückwärtsrichtungergibt sich daraus, daß eineVerarmungsschicht bei einer in Rückwärtsrichtunganliegenden Spannung von etwa 1200 V bis zur Haupt-Übergangsschichtdurchreicht und Löcherin die Verarmungsschicht eintreten, die über einen Pfad unterhalb derDurchbruchfestigkeitsstruktur entsprechend der angelegten Spannungeinen Leckstrom erzeugen.
[0006] Alssolches erfolgt im Zustand des Spannungsanlegens in Rückwärtsrichtungdas Durchreichen der Verarmungsschicht im Bereich der Durchbruchfestigkeitsstrukturbei einer niedrigeren Spannung als der Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung.Dies bewirkt die niedrigere Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtungim Vergleich zur Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung. Für das Durchreichender Verarmungsschicht im in Rückwärtsrichtungvorgespannten Zustand gibt es zwei Gründe. Erstens entwickeln sichbei der Rückwärtsspannungzwei Typen von Verarmungsschichten, nämlich eine Verarmungsschicht,die sich vertikal vom pn-Übergangan der rückwärtigen Kollektorschichtzur Vorderseite entwickelt, und eine Verarmungsschicht, die sichseitwärtsvon der peripheren Trennisolierregion zum Haupt-pn-Übergangentwickelt. Bei einem Ansteigen der angelegten Rückwärtsspannung schnüren sichdie Verarmungsschichten ein und die für die Verarmung der Driftregionnotwendige Zahl von Elektronen nimmt mit einem Ansteigen der Spannungab. Diese Situation neigt dazu, die Verarmungsschicht zu erweitern,mit dem Ergebnis, daß dasoben beschriebene Durchreichen bei einer niedrigeren Spannung stattfindetals der Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung. (27 zeigt diese Situation.)
[0007] Diezweite Ursache ist, daß einigeVerarmungsschichten im Zustand einer Nullspannung zusammenlaufen.Dieses Zusammenlaufen erfolgt im Bereich vom Haupt-pn-Übergangzu den bereits im Zustand der Null Vorspannung befindlichen Feldbegrenzungsschichten.Wenn sich die Verarmungsschichten von der Rückseite und von der Trennisolierschichtim in Rückwärtsrichtungvorgespannten Zustand ausdehnen, so reichen sie dann zur Haupt-Übergangsschichtdurch, wenn die Verarmungsschicht von der Rückseite und der Trennisolierschichtan der Feld begrenzungsschicht ankommt, bis zu der sich die Verarmungsschichtbereits bei einer Nullvorspannung ausgedehnt hat.
[0008] Folglichmuß alsodas Durchreichen der Verarmungsschicht zur Haupt-Übergangsschichtum den Emitter im Zustand der Rückwärtsspannungverhindert werden und man braucht eine Struktur, durch die eine stabileLangzeitzuverlässigkeiterreicht wird.
[0009] DieErfindung entspringt der Absicht, Mittel zu finden, durch die dasDurchreichen der Verarmungsschicht zur Haupt-Übergangsschicht um die Emitterseiteselbst im Zustand der in Rückwärtsrichtungliegenden Spannung verhindert wird. Durch die Erfindung soll diesesProblem überwundenund eine Durchbruchfestigkeitsstruktur eines IGBTs mit stabilerLangzeitzuverlässigkeitgeschaffen werden.
[0010] DieErfindung entstand im Hinblick auf diese Probleme und es ist einZiel der Erfindung, ein in Rückwärtsrichtungsperrendes Halbleiterbauteil zu schaffen, das keinen nachteiligenEffekt einer Trennregion bei einem Erholungs-Spitzenstrom in Rückwärtsrichtungzeigt, das eine Durchbruchfestigkeitsstruktur mit zufriedenstellenderweicher Erholung zeigt, das eine Erhöhung des rückwärts gerichteten Leckstroms,die im wesentlichen einen konventionellen IGBT begleiten, unterdrückt unddas eine ausreichend niedrige Spannung im Einschaltzustand aufrechterhält.
[0011] ZurLösungdieser Probleme weisen das in Rückwärtsrichtungsperrende Halbleiterbauteil und sein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindungdie im folgenden beschriebenen Merkmale auf: Ein in Rückwärtsrichtungsperrendendes Halbleiterbauteil umfaßt gemäß einer ersten Ausführungsformeine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine MOS-Steuerelektrodenstrukturmit einer Basisschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die örtlich selektivin der Vorderseite der Driftschicht ausgebildet ist, einer Emitterregiondes ersten Leitfähigkeitstyps,die örtlichselektiv in einem Oberflächenbereichder Basisschicht ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm,der einen Oberflächenbereichder Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt,und einer Steuerelektrode, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildetist; weiterhin eine Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisschicht; eine Trernnisolierregion des zweitenLeitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht umgibtund sich überdie gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschichtdes zweiten Leitfähigkeitstyps,die an der Rückseiteder Driftschicht ausgebildet ist und Verbindung zur Rückseiteder Trennisolierregion hat, und eine Kollektorelektrode in Kontaktmit der Kollektorschicht, wobei ein Abstand W größer ist als eine Dicke d, wobeider Abstand W der Abstand zwischen einer äußersten Position eines Teils derEmitterelektrode, wobei dieser Teil in Kontakt mit der Basisschichtsteht, und einer innersten Position der Trennisolierregion ist unddie Dicke d eine Dimension in Tiefenrichtung der Driftschicht ist.
[0012] Vorzugsweiseist die Kollektorschicht an der Rückseite der Driftschicht gebildet,deren Dicke reduziert worden ist, und sind Gitterfehler zumindestin der Basisschicht eingebaut. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sindGitterfehler homogen an der gesamten Vorderseite des Halbleiterbauteilszwecks Reduzierung der Lebenszeit von Minoritätsträgern im Halbleiterbauteil.
[0013] EinVerfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteilsumfaßtdie Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Substrats eines erstenLeitfähigkeitstyps;Bilden einer MOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich derfolgenden Prozeßschritte:Selektives Bilden einer Basisschicht eines zweiten Leitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregiondes ersten Leitfähigkeitstypsin einem Oberflächenbereichder Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms auf derOberflächeder Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregionund dem emitterregionfreien Vorderseitenflächenteil des Substrats befindet,und Bilden einer Steuerelektrode auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm;Bilden einer Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripheren Regiondes zweiten Leitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teilsdes außerhalbder MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobeiein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion wird; Entferneneines rückseitigen Oberflächenbereichsdes Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion,so daß sie sich über diegesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht desersten Leitfähigkeitstypsinnerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschichtdes zweiten Leitfähigkeitstypsan der Rückseiteder Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseiteder Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrode in Kontaktmit der Kollektorschicht, wobei die Schritte der Herstellung desHalbleiterbauteils so durchgeführtwerden, daß derAbstand W, der der Abstand von einer äußersten Position eines Teilsder Emitterelektrode, der in Kontakt mit der Basisschicht steht,bis zu einer innersten Position der Trennisolierregion ist, größer istals die Dicke d, die eine Dimension in Richtung der Tiefe der Driftschichtist; und wobei der Schritt der selektiven Bildung der peripherenRegion so, daß siezur Trennisolierregion wird, durchgeführt wird durch Diffundierenvon Verunreinigungen unter Verwendung einer Diffusionsmaske einesOxidfilms, der auf der Vorderseitenfläche des Substrats gebildetwird eine Dicke X_ox hat, die eine Ungleichunggemäß der folgendenFormel erfüllt:
[0014] WennLöchervon einem Kollektor injiziert werden, neigen sie generell dazu,entlang dem kürzesten Wegzu fließen.Wenn der Abstand von der Trennisolierregion zu einer Oberflächenkontaktregionder Emitterelektrode, der in der Durchbruchfestigkeitsstruktur derAbstand von der Trennisolierregion zum sogenannten aktiven Bereichist, größer istals die Dicke der n-leitenden Driftschicht, so neigen die Löcher dazu,von dem unmittelbar unter der aktiven Region positionierten Kollektorinjiziert zu werden und zur Emitterelektrode zu fließen, anstattvon der Trennisolierregion injiziert zu werden. Als Ergebnis nimmtdie Löcherinjektionvon der Trennisolierregion zur aktiven Region relativ ab. Wenn außerdem derAbstand zwischen der Trennisolierregion und der aktiven Region nichtgrößer istals die ambipolare Diffusionslängeder Minoritätsträger, diedie Löcher sind,so nimmt die Konzentration der von der Trennisolierregion injiziertenLöcherausreichend schnell ab. Insofern kann die Löcherinjektion von der Trennisolierregionin diesem Fall vernachlässigtwerden.
[0015] Dadie Einführungvon Gitterfehlern. die Lebenszeit erniedrigt, reduziert diese Einführung vonGitterfehlern zumindest in der Basisschicht, die p⁺-leitendist, die Effizienz der Emitterinjektion. Werden jedoch die Gitterfehlernur örtlichim Oberflächenbereicheingeführt,so verschlechtert sich die Verlustkompromißbeziehung. Die Gitterfehlerwerden also vorzugsweise homogen in der Tiefenrichtung und in derFlächenrichtungin das gesamte Bauteil. eingeführt.Für dieseEinführungder Gitterfehler wird vorzugsweise eine Elektronenstrahlbestrahlungangewandt. Da aber der Kollektor von Natur aus niedrig injizierendgemacht wird, wird, wenn die Elektronenbestrahlungsdosis zu hochoder die Beschleunigungsspannung zu hoch ist, die Schädigung des Bauteilserheblich und wird die Lebenszeit der Minoritätsträger zu kurz, mit dem Ergebniseiner erhöhtenSpannung im Einschaltzustand.
[0016] EinVerfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteilsumfaßtden Schritt, die Gitterfehler gleichmäßig an der gesamten Vorderseitedes Halbleiterbauteils einzuführen,und zwar zum Zweck einer Reduzierung der Lebenszeit der Minoritätsträger im Halbleiterbauteil, undden Schritt, das Einführender Gitterfehler durch eine Elektronenstrahlbestrahlung mit einerEnergie von weniger als 5 MeV und einer Dosis von weniger als 100kGy durchzuführen.Mit dieser Bemessung kann man Bauteile schaffen, bei denen der Anstiegder Spannung im Einschaltzustand auf einem Minimum gehalten wird undder Leckstrom in Rückwärtsrichtungweitgehend unterdrücktwird.
[0017] EinVerfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteilsgemäß der Erfindungumfaßtvorzugsweise weiterhin den Schritt, die Gitterfehler zumindest inder Basisschicht durch eine Elektronenstrahlbestrahlung mit einerDosis im Bereich von 20 kGy bis 60 kGy einzuführen.
[0018] Gemäß eineranderen Ausführungsformumfaßtdas in Rückwärtsrichtung sperrendendeHalbleiterbauteil wiederum eine Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps;eine MOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht eines zweitenLeitfähigkeitstyps,die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht ausgebildet ist,einer Emitterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektivin einem Oberflächenbereichder Basisschicht ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm,der einen Oberflächenbereichder Basisschicht zwischen der Emitterregion und der Driftschicht überdeckt,und einer Steuerelektrode, die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildetist; weiterhin eine Emitterelektrode in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisschicht; eine Trennisolierregion des zweiten Leitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht umgibtund sich überdie gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschichtdes zweiten Leitfähigkeitstyps,die an der Rückseiteder Driftschicht ausgebildet ist und Verbindung zur Rückseiteder Trennisolierregion hat; eine Kollektorelektrode in Kontakt mitder Kollektorschicht; eine Mehrzahl von Feldbegrenzungsschichtendes zweiten Leitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich der Driftschicht zwischen der Emitterelektrodeund der Trennisolierregion, wobei jede der Feldbegrenzungsschichteneine Ringform aufweist; und eine Mehrzahl von Feldbegrenzungselektroden,von denen jede in Kontakt mit einer der Feldbegrenzungsschichtensteht, mit einer Ringform und auf schwebendem elektrischen Potential;und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Emitterelektrode existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Emitterelektrode einen Teil einer Erstreckungnach außen hat,der größer istals ihr Teil der Erstreckung nach innen, und daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden aufder Seite der Trennisolierregion existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Trennisolationsregion einen Teil einer Erstreckungnach innen hat, wobei dieser nach innen erstreckte Teil größer istals der nach außenerstreckte Teil.
[0019] Vorzugsweiseumfaßtdas Halbleiterbauteil weiterhin jeweils wenigstens eine Schichthoher Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps in wenigstenseinem Teil der Vorderseitenregion der Driftschicht auf der Seiteder Emitterelektrode und/oder der Vorderseitenregion der Driftschichtauf der Seite der Trennisolier region umfaßt, wobei die Schicht hoherKonzentration eine höhereVerunreinigungskonzentration enthält als die Driftschicht; undliegt die OberflächenVerunreinigungskonzentration in der Schicht hoher Konzentrationunter 10¹⁷ cm^-3,und ist der Abstand Wg zwischen den benachbarten Feldbegrenzungsschichtenhöher alsdas Zweifache eines MaßesW_bi, wobei W_bi dieDicke einer eingebauten Verarmungsschicht ist, die sich von derFeldbegrenzungsschicht zur Driftschicht im Betriebszustand erstreckt,in dem die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode auf gleichemelektrischen Potential liegen.
[0020] Eserweist sich als vorteilhaft, wenn W_Gi > 1.6 X_j +2 W_bi, wobei W_Gi dieBreite eines Isolatorfilms zwischen der (i – 1)ten Feldbegrenzungsschichtund der i-ten Feldbegrenzungsschicht ist, X_j dieDiffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht ist und W_bi dieDicke einer eingebauten Verarmungsschicht ist, die sich von der Feldbegrenzungsschichtzur Driftschicht in einem Betriebszustand erstreckt, in dem dieEmitterelektrode und die Kollektorelektrode auf gleichem elektrischenPotentials liegen. Weiterhin wird bevorzugt, daß die Dicke W_drift derDriftschicht die Ungleichung in der folgenden Formel (2) erfüllt:
[0021] Weiterhinbevorzugte Ausführungsformensind dadurch gekennzeichnet, daß dieSumme ΣL_Ni und eine Summe ΣL_OPi dieUngleichung ΣL_OPi/ΣL_Ni < 0,7 erfüllen,wobei L_OPi der Abstand zwischen der (i-1)tenFeldbegrenzungselektrode und der i-ten Feldbegrenzungsschicht ist,und daß imZwischenbereich eine Feldpufferregion des zweiten Leitfähigkeitstypsin einem Oberflächenbereichder Driftschicht zwischen einerseits den Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Emitterelektrode und andererseits den Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Trennisolierregion angeordnet ist.
[0022] Durchdiese Ausführungenwird der Effekt erzielt, daß erfindungsgemäß das inRückwärtsrichtung sperrendeHalbleiterbauteil keinen nachteiligen Effekt der Isolationstrennregionauf den Erholungsspitzenstrom in Rückwärtsrichtung hat, eine Durchbruchfestigkeitsstrukturaufweist, die eine ausreichende weiche Erholung zeigt, und eineErhöhungdes Erholungsleckstroms vermeidet, wie sie normalerweise bei konventionellenin Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs auftritt; wobei trotzdem die Spannung im Einschaltzustandinnerhalb eines zufriedenstellend niedrigen Werts beherrschbar ist.Folglich kann ein Matrix-Umsetzer mit leichter Operation und niedrigemVerlust hergestellt werden, der ein erfindungsgemäßes in Rückwärtsrichtungsperrendes Halbleiterbauteil verwendet.
[0023] WeitereEinzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergebensich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispieleim Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung.Es zeigen:
[0024] 1 eine schematische Schnittansichtdes wesentlichen Teils eines erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtung sperrenden Halbleiterbauteilsgemäß einerersten Ausführungsform;
[0025] 2 die Charakteristik einesin Rückwärtsrichtungsperrenden erfindungsgemäßen IGBT,die den Freiwerdestrom in Rückwärtsrichtungbeim Diodenbetrieb in Abhängigkeitvom Abstand W zwischen einer Trennisolierregion und einem aktivenBereich zeigt;
[0026] 3 die Abhängigkeitdes Leckstroms RI_ES in Rückwärtsrichtung von der Strahlungsdosiseines Elektronenstrahls;
[0027] 4 die Verteilung von Äquipotentiallinienbei Anlegen einer Vorspannung von 800 V in Rückwärtsrichtung an einen erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT mit Nennspannung 600V;
[0028] 5 eine graphische Darstellungeiner komplementärenFehlerfunktion;
[0029] 6 eine Charakteristik alsgraphische Darstellung des Erholungsvorgangs in Rückwärtsrichtungbei einem in Rückwärtsrichtungsperrenden erfindungsgemäßen IGBT;
[0030] 7 die Abhängigkeitdes Leckstroms RI_CES in Rückwärtsrichtungvon der Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls;
[0031] 8 die Abhängigkeitder Spannung im Einschaltzustand von der Bestrahlungsdosis des Elektronenstrahls;
[0032] 9 eine perspektivische Darstellungeiner Durchbruchfestigkeitsstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
[0033] 10 eine Schnittansicht derDurchbruchfestigkeitsstruktur des dritten Ausführungsbeispiels, wobei 10(a) eine Schnittansichtder gesamten Durchbruchfestigkeitsstruktur ist und die 10(b) bis 10(d) Teilschnittansichten von Abwandlungeneines Bereichs Y in 10(a) sind;
[0034] 11(a) und (b) Schnittansichtender Durchbruchfestigkeitsstruktur sind, die die Entwicklung einer Verarmungsschichtim Zustand einer in Vorwärtsrichtungangelegten Spannung (11(a))bzw. einer in Rückwärtsrichtungangelegten Spannung (11(b))veranschaulichen;
[0035] 12(a) und (b) Teilschnittansichtenzur Darstellung der Expansion einer Verarmungsschicht zwischen denFeldbegrenzungsschichten zeigen, wobei 12(a) denFall zeigt, daß dieBreite W_G eines Oxidfilms groß ist, und 12(b) den Fall zeigt, daß die BreiteW_G gering ist;
[0036] 13 eine charakteristischegraphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Durchbruchspannungin Rückwärtsrichtungund der Summe von AbständenL_Ni, die die Breiten neutraler Bereichezwischen den Feldbegrenzungsschichten im Zustand der anliegendenSpannung null gemäß 11 sind, veranschaulicht;
[0037] 14 eine Teilschnittansicht,die einen Breitenbereich L_OP einer Öffnung zwischeneiner Feldbegrenzungselektrode 27a und einer daran angrenzendenFeldbegrenzungsschicht 25 zeigt;
[0038] 15(a) bis (d) schematischeTeilschnittansichten eines Vergleichsbeispiels unter Darstellungdes Durchreichens einer Verarmungsschicht zu einem Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseite,wobei 15(a) die Nettodotierung, 15(b) die Elektronenkonzentration, 15(c) Äquipotentiallinien und 15(d) die Löcherstromdichtezeigen;
[0039] 16(a) bis (d) schematischeTeilschnittansichten des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs miteiner ÖffnungsbreiteL_OP von 7 μm, wobei diese 16(a), (b), (c) und (d) dieNettodotierung, die Elektronenkonzentration, die Äquipotentiallinienbzw die Löcherstromdichtezeigen;
[0040] 17(a) und (b) Schnittansichteneines Ausführungsbeispielssind, bei dem n-leitende Schichten hoher Konzentration sowohl aufder Emitterelektrodenseite als auch auf der Trennisolationsregionsseiteim Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich gebildet sind, wobei 17(a) einen Querschnittdurch den Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich und 17(b) einen teilweise vergrößerten Schnittdurch die Emitterelektrodenseite zeigen;
[0041] 18 eine schematische Schnittansichtdes Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs eines Ausführungsbeispiels,bei dem eine n-leitende Schicht hoher Konzentration auf der Trennisolierregionsseitedes Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs gebildet ist;
[0042] 19 eine mehr ins einzelnegehende Schnittansicht des Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichsvor der Bildung der n-leitenden Schichten hoher Konzentration;
[0043] 20 schematisch Teilquerschnittedurch den Durchbruchfestigkeitsstrukturbereich einer Ausführungsform,bei der eine n-leitende Schicht hoher Konzentration auf der Trennisolierregionseitedes Durchbruchfestigkeits strukturbereichs gebildet ist, wobei die 20(a) bis (d) dieNettodotierung, die Elektronenkonzentration, die Äquipotentiallinienbzw die Löcherstromdichteveranschaulichen;
[0044] 21 die Abhängigkeitder Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtungvon der Phosphordosierung in der Schicht hoher Konzentration derStruktur von 18;
[0045] 22 eine Teilschnittansichteiner Durchbruchfestigkeitsstruktur unter Darstellung einer n-leitenden Schichthoher Konzentration, die auf der Emitterelektrodenseite gebildetist und etwa die Hälftedes Druchbruchfestigkeitsstrukturbereichs ausmacht;
[0046] 23 eine graphische Darstellungder charakteristischen Veränderungder Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtungbei einem Langzeit-THB-Test; 24(a) und (b) Schnittansichten des wesentlichen Teils einesin Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs nach dem Stand der Technik;
[0047] 25(a), (b) und (c) eine Matrix-Umsetzerschaltung;
[0048] 26 und 27 Schnittansichten peripherer Durchbruchfestigkeitsstrukturenvon IGBTs nach dem Stand der Technik.
[0049] Zunächst werdenanhand der 24 bis 27 die Probleme des Standsder Technik erläutert.
[0050] Die 25(a), (b) und (c) zeigen eine Matrix-Umsetzerschaltung. 25(a) zeigt die Schaltungeinschließlichder Schaltelemente fürdrei Phasen. 25(b) zeigteines der Schaltelemente, wobei üblicheIGBTs 1a, 1b verwendet werden, während 25(c) ein Schaltelementzeigt, das bidirektionale IGBTs 1c, 1d mit bidirektionalerSperrfähigkeitenthält.Bei der Verwendung der konventionellen IGBTs 1a, 1b inder Umsetzerschaltung von 25(b) benötigt manin Serie hinzugeschaltete Dioden 2a, 2b, die inder Durchlaßrichtung mitden IGBTs verbunden sind, um eine Rückwärtssperrspannung sicherzustellen,da die IGBTs nicht dazu konzipiert und produziert waren, eine effektiveRückwärtssperrfähigkeitzu zeigen.
[0051] Dieseriengeschaltenen Dioden erzeugen aber hohe Verluste, was in einemniedrigen Umsetzungswirkungsgrad des Umsetzers resultiert. EinegroßeZahl von Bauelementen bewirkt, daß eine kleine Baugröße, eingeringes Gewicht und niedrige Kosten des Umsetzers nur schwer erzieltwerden können.Mit Hilfe der in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs 1c und 1d nach 25(c) können die seriengeschaltetenDioden weggelassen werden.
[0052] Die 24(a) und 24(b) zeigen im Schnitt den wesentlichenTeil eines in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs. 24(a) zeigtim Schnitt die Situation, wenn eine Spannung in Rückwärtsrichtunganliegt, und 24(b) zeigtdie Situation, wenn eine Spannung in Vorwärtsrichtung anliegt. Gemäß beidenFiguren ist durch Diffusion von der Vorderseite und der Rückseiteeiner n-leitenden FZ-Scheibe, die als n-leitende Driftschicht 3 dient,eine tiefe p⁺-leitende Trennisolierregion 11 gebildet.Es sind dann weiterhin MOS-Steuerelektrodenstrukturen gebildet,mit einer Mehrzahl von p⁺-leitenden Basisschichten 4,die örtlichselektiv im Vorderseitenbereich der Driftschicht 3 gebildetsind, n⁺-leitenden Emitterregionen 5,die selektiv im Oberflächenbereichjeder der p⁺-leitenden Basisschichten 4 gebildetsind, Steuerelektroden-Oxidfilmen 6, Steuerelektroden 7 undeiner Emitterelektrode 8. Nach der Bildung der MOS-Steuerelektrodenstrukturwird die Dicke der n^--leitenden Driftschicht 3 mitetwa 100μmreduziert, und zwar im Fall einer Sperrspannung von 600 V in Rückwärtsrichtung, durchEntfernen des hinteren Teils der Driftschicht. Nach der Dickenreduktionwird durch Ionenimplantation von der Rückseite und nachfolgende Wärmebehandlungeine p⁺-leitende Kollektorschicht 9 gebildet.Das so hergestellte IGBT Bauteil wird umgeben von der stark dotiertenp⁺-leitenden Trennisolierregion 11 umdie Seitenflächedes Bauteils an der Auftrennposition 10. Folglich erstrecktsich bei Anlegen einer Rückwärtsspannungeine Verarmungsschicht 12 nur in Richtung zur Nachbarschaftdes pn-Übergangsan der p⁺-leitenden Kollektorschicht 9 undan der p⁺-leitenden Trennisolierregion 11 underscheint nicht an der Seitenflächedes Bauteils an der Auftrennposition 10. Es entwickeltsich also ein elektrisches Feld nur an der Vorderseite des Bauteils.Hierdurch kann eine ausreichende Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtungerreicht werden.
[0053] Einsolcher Stand der Technik ist in den folgenden vier Literaturstellenzu fiden: Ungeprüftejapanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer H07-307469, ungeprüfte japanischePatentanmeldung mit der Publikationsnummer 2001-185727, ungeprüfte japanische Patentanmeldungmit der Publikationsnummer 2002-076017und ungeprüftejapanische Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-353454.
[0054] Wirdein üblicherIGBT, dem aber diese p⁺-leitende Trennisolierregion 11 fehlt,in Rückwärtsrichtung mitdem Emitter auf Erdpotential und dem Kollektor auf negativem Potentialvorgespannt, so tritt an einem Substrat-Endebereich der p⁺-Kollektorschichteine elektrische Feldkonzentration auf, was in einem erhöhten Leckstromund einer unzureichenden Rückwärts-Sperrspannung,bei der dann der Durchbruch erfolgt, resultiert.
[0055] Diein 25(c) gezeigte Antiparallelschaltungder Bauelemente nach den 24(a) und 24(b) erlaubt es, den Stromin Vorwärtsrichtungund in Rückwärtsrichtungzu steuern, wobei die Bauteile der Anlage Spannungen in Vorwärtsrichtungund in Rückwärtsrichtungwiderstehen können.Das Bauteil von 24(a) und (b) kann als ein bidirektionales Bauteilbetrieben werden. Die Anwendung solcher bidirektionaler Bauteile aufeinen Wechselstrom/Wechselstrom-Umsetzer erlaubt die direkte Wandlungvon Wechselstrom in Wechselstrom. Die Größe der Umsetzerschaltung istim Vergleich zu einem Umsetzer, der aus einem Konverter, einem Kondensatorund einem Inverter besteht, deutlich reduziert. Folglich sind auchdie Kosten erheblich reduziert. Das bidirektionale Bauteil arbeitetals IGBT und als Freilaufdiode (FWD).
[0056] ZurErholungszeit oder Freiwerdezeit in der Rückwärtsphase beim Freilaufdioden-Betrieb(FWD) werden angehäufte Überschußladungsträger durcheine Verarmungsschicht abgeleitet, die sich von der Kollektorseiteher erstreckt. Ist die Menge der Träger auf der Kollektorseitegroß,so wird der Erholungs-Spitzenstrom in der Rückwärtsrichtung hoch, was ein hartesErholungsverhalten darstellt. Fürdie Verwendung eines in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT als Freilaufdiode ist eine Verbesserung des Erholungsverhaltensin Rückwärtsrichtungwichtig. Es ist ein Verfahren zum Verbessern dieses Erholungsverhaltensin Rückwärtsrichtung bekannt,bei dem eine Kollektorschicht an der Rückseite durch Niedertemperatur aktivierungund mit einer niedrigen Konzentration gebildet wird (ungeprüfte japanischePatentanmeldung mit der Publikationsnummer 2002-353454).
[0057] 26 zeigt in einer Schnittansichteine periphere Durchbruchfestigkeitsstruktur eines IGBT entsprechendder ungeprüftenjapanischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2000-208768.Der IGBT von 26 weisteine n^--leitendeDriftschicht 23 auf, in deren Vorderseitenbereich einep⁺-leitende Basisschicht 24 einerMOS-Steuerelektrodenstruktur, ringförmig umlaufende p-leitendeFeldbegrenzungsschichten 25 und eine n-leitende Kanalstopperschicht 22 gebildetsind, die Teile der peripheren Durchbruchfestigkeitsstruktur sind.Jede Feldbegrenzungsschicht 25 steht in Kontakt mit einerentsprechenden Feldbegrenzungselektrode 27, die sich über Oxidfilme 26 zwischenden Feldbegrenzungsschichten 25 erstreckt. Die Kanalstopperschicht 22 istin Kontakt mit einer Kanalstopperelektrode 21, die sichin der Richtung zu einer Emitterelektrode 28 erstreckt.In einem anderen Oberflächenbereichder n^--leitenden Driftschicht 23 isteine p⁺-leitende Kollektorschicht 29 gebildet.
[0058] Dieperiphere Durchbruchfestigkeitsstruktur üblicher IGBTs und von Freilaufdiodenist so konstruiert, daß dieDurchbruchspannung bei einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung höher ist,bei der die Kollektorelektrode sich auf positivem Potential unddie Emitterelektrode sich auf negativem Potential befinden. Spezifische Durchbruchfestigkeitsstrukturen,wie sie in der Technik bekannt sind, umfassen Feldbegrenzungsschichten, Feldbegrenzungselektroden,eine Kombination aus Feldbegrenzungsschichten und Feldbegrenzungselektroden,SIPOS und RESURF. Eine Struktur mit der Kombination von Feldbegrenzungsschichtenund Feldbegrenzungselektroden ist in der erwähnten japanischen Patentanmeldungmit der Publikationsnummer 2002-353454 beschrieben. Diese Strukturist günstigzum Erhalten einer stabilen Langzeitzuverlässigkeit. In einer Umgebungmit hoher Feuchtigkeit werden im allgemeinen, wenn negativen Ionenin den Oberflächenbereichdes Oxidfilms der Durchbruchfestigkeitsstruktur eintreten, positiveLadungen an der Halbleiteroberfläche unterhalbdes Oxidfilms induziert, was eine nicht gleichförmige Verteilung des elektrischenFelds und damit eine erniedrigte Durchbruchspannung zur Folge hat.Dieser bekannte Aufbau erleichtert es, eine Struktur mit verhältnismäßig kleinenAbständenzwischen den Feldbegrenzungsschichten und relativ langen Feldbegrenzungselektrodenim Bereich nahe der Haupt-Übergangsschicht,die die pn-Übergangsschichtzwischen der n^--leitenden Driftschicht undder p-leitenden Schicht in Kontakt mit der Emitterdiode ist, zuverwenden. Der Aufbau verkleinert Öffnungen zwischen den Feldbegrenzungselektroden,an denen der Oxidfilm freiliegt, und verhindert ein Eindringen dernegativen Ionen. Insofern kann der ungünstige Effekt der negativenIonen vermieden werden.
[0059] Jedochist die Verteilung der Äquipotentiallinienin einer solchen Kombination der Feldbegrenzungsschichten 25 undder Feldbegrenzungselektroden 27 empfindlich hinsichtlichder Anordnung der Längen,Tiefen und Intervalle der Schichten und Elektroden. Für eine gleichförmige Verteilungdes elektrischen Potentials und der elektrischen Feldstärke alsTeilgröße für jede Feldbegrenzungsschicht 25 wirdnormalerweise die Maßnahmedurchgeführt,daß dieAbständezwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 auf der Seiteder Emitterelektrode 28 relativ klein gemacht werden undsich zur Peripherie des Elements zu zunehmend vergrößern. DieAbständezwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 im Bereich zunächst derEmitterelektrode 28 sind speziell so dimensioniert, daß ein sichVerbinden von eingebauten Verarmungszonen bei der Vorspannung nullVolt zwischen den benachbarten p-leitenden Schichten auftritt, wasdie Haupt-Übergangsschicht oderdie Feldbegrenzungsschicht ist. Der Abstand zwischen der äußerstenFeldbegrenzungsschicht 25 und der Kanalstopperschicht 22 wirdfür einBauteil für1200 V auf 162 μmdimensioniert, was etwa gleich der Diffusionslänge der Minoritätsträger ist,so daß eineVerarmungsschicht die Kanalstopperschicht 22 nicht erreicht. AlsErgebnis wird die Längeder Durchbruchfestigkeitsstruktur des Bauteils für 1200 V auf 708 μm dimensioniert,um eine stabile Durchbruchfestigkeitsstruktur mit geringem Effektvon Oberflächenladungenzu erhalten.
[0060] ZumErzielen von Sperrcharakteristiken in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch Verwendungeines Widerstandsfilms ist auch die Maßnahme bekannt, daß ein aufdem Oxidfilm in der Durchbruchfestigkeitsstruktur gebildeter Widerstands-Nitridfilm verwendetwird. Eine sehr kleine Menge von elektrischem Strom fließt in denWiderstands-Nitridfilm, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu erreichen,und erhöhtdie Durchbruchspannung. Diese Maßnahme kann sowohl für die Vorwärtsrichtungals auch fürdie Rückwärtsrichtungin einem in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT besonders günstigangewendet werden, wobei dann eine Feldbegrenzungsschicht und eineFeldplattenelektrode entfallen. Folglich kann die Durchbruchfestigkeitsstruktur, dieeine Widerstandsschicht enthält,kürzerdimensioniert werden als die Feldbegrenzungsstruktur, die eine Feldbegrenzungsschichtund eine Feldplattenelektrode umfaßt. Ungünstigerweise hat jedoch einTemperatur-Feuchtigkeits-Belastungstest(THB-Test), der eine Art von Langzeit-Zuverlässigkeitsprüfung ist, eine Verschlechterungder Sperrfähigkeitin Rückwärtsrichtunggezeigt. Beim THB-Test wird die Langzeitänderung der Rückwärtssperrfähigkeitgeprüft,indem ein Rückwärtssperr-IGBT-Modulin einer Umgebung mit hoher Temperatur von 125 °C und hoher Feuchtigkeit von85 % relativer Feuchtigkeit angeordnet wurde und eine Spannung inRückwärtsrichtungvon 80 % der Nennspannung angelegt wurde. Die Verschlechterung kannder Widerstandseigenschaft des Nitridfilms zugerechnet werden, beidem die Korrosion in dieser Umgebung fortschreitet. Die Korrosionführt dazu,daß dieVerteilung des elektrischen Potentials nicht gleichförmig ist,was eine Konzentration des elektrischen Felds bewirkt, welche dasSperrverhalten verschlechtert. Es ist deshalb dringend erforderlich,eine Durchbruchfestigkeitsstruktur für einen in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT zu schaffen, der in zufriedenstellender Weise langfristigzuverlässigist.
[0061] Eshat sich erwiesen, daß dasDiodenbetriebsverhalten des in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungmit der Publikationsnummer 2002-076017 beschriebenen IGBTs sichselbst dann nicht verbessert, wenn die rückseitige Kollektorschichtmit niedriger Injektion hergestellt wird, da von dem stark dotierten p⁺-Trennisolierbereich beim Diodenbetriebauch Löcherinjiziert werden. Es wird deshalb eine Struktur benötigt, diedie Löcher-Injektionvon der p⁺-Trennschicht unterdrückt.
[0062] Jedochhängt derLeckstrom im Zustand der Spannung in der Rückwärtsrichtung, in dem der Emitter positivist und der Kollektor negativ ist, wie die 24(a) zeigt, von der Emitterinjektionseffizienzab, was ein Parameter ist, mit dessen Hilfe ein Offenbasis Verstärkungsfaktordes pnp-Transistors bestimmt wird. Die Emitterinjektionseffizienzwird im wesentlich bestimmt durch eine p⁺-leitendeSchicht (in den 24(a), 24(b) nicht gezeigt), dieim Oberflächenbereichin der p⁺-leitenden Basisschicht zwischenden n⁺-leitenden Emitterregionen 5, 5 gebildetist, wobei die p⁺-leitende Schicht in Kontaktmit der Emitterelektrode steht. Die p⁺-Schicht ist tieferals die n⁺-leitende Emitterregion 5 undflacher, aber stärkerdotiert als die p⁺-leitende Basisschicht 4.Da die p⁺-leitende Schicht extrem hoch dotiertist, beispielsweise höherals 1 · 10¹⁹ cm^-3 zum Verhindernvon unerwünschtemSperren (latch-up), ist die Emitterinjektionseffizienz höher als0,9. Als Ergebnis wird der Leckstrom bei hohen Temperaturen höher als10 mA/cm², was etwa das Hundertfache vongewöhnlichenAnwendungen ist. Die Emitterinjektionseffizienz kann vermindertwerden durch Bilden einer n⁺-leitenden Schicht,die stärkerdotiert ist als die n^--leitende Driftschicht 3,unter der p⁺-leitenden Basisschicht 4.Die n⁺-Schichthat im Fall eines planaren Elements eine Tiefe, die die p⁺-Basisschicht 4 überdeckt,währenddie n⁺-Schicht im Fall eines Grabenelementszwischen der p⁺-Basisschicht 4 und der n⁺-Driftschicht 3 angeordnet ist.Die n⁺-Schicht bewirkt jedoch im Fall desplanaren Typs eine deutliche Abnahme der elektrischen Feldstärke während des Sperrzustands,was den Sperrbetrieb verschlechtert. Es besteht deshalb Bedarf aneiner Maßnahme,durch die der Leckstrom in Rückwärtsrichtungbesser reduziert wird.
[0063] Dadie Dicke eines Oxidfilms, der eine Diffusionsmaske zum Bilden desp⁺-Trennisolierbereichsdarstellt, bei der konventionellen Technologie nicht ausreicht,treten schließlichbei der Hochtemperaturdiffusion um 1250 °C Boratome durch den Oxidfilmhindurch und bilden eine p⁺-leitende Schichtauch unter dem Oxidfilm. Diese Situation verhindert die Bildungeiner normalen MOS-Struktur und die Folge kann die Bildung eines abnormenIGBT Chips sein, der nicht durchschaltet.
[0064] ImGegensatz zu diesen bekannten Halbleiterbauteilen zeigt 1 im Schnitt den wesentlichenTeil eines rückwärts sperrendenIGBT eines Ausführungsbeispielsder Erfindung, das im Grundsätzlichenden Aufbau des Halbleiterbauteils von 24 hatund dessen Teile mit gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind.Speziell betrachtet werden ein IGBT für 600 V mit einer Scheibendicke(Waferdicke) von 100 μmund ein IGBT für1200 V mit einer Scheibendicke von 180 μm. Die 1 veranschaulicht die Beziehung zwischeneinem Abstand W, der zwischen der Trennisolierregion 11 unddem aktiven Bereich liegt, und einer Dicke d, nämlich der Dicke der n^--Driftschicht 3 in Tiefenrichtung.Genau gesprochen, ist W in der Ringstruktur des Bauteils der Abstandvon der äußerstenPosition eines Teils der Emitterelektrode 8, wobei dieserTeil in Kontakt mit der p⁺-Basisschicht 4 ist,bis zu einer innersten Position der p⁺-leitendenTrennisolierregion 11. Die Abstände W und d sind in 1 eingezeichnet.
[0065] 2 zeigt als Charakteristikdie Abhängigkeitdes Erholungsstroms in Rückwärtsrichtungbeim Diodenbetrieb vom Abstand W bei einem in Rückwärtsrichtung sperrenden IGBTfür 600V Durchbruchspannung bei Anwendung der Erfindung. In 2 gibt die Abszisse dasVerhältnisW/d an, und gibt die Ordinate den Erholungs-Spitzenstrom in Rückwärtsrichtungan, normalisiert durch den Wert von W/d von vier und bei einem Wvon zweimal der ambipolaren Diffusionslänge La. Hier beträgt die angelegteSpannung Vcc bei der Erholung in Rückwärtsrichtung 100V.
[0066] DieHerstellung und Struktur des IGBT ist folgendermaßen: Eswird eine n-leitende FZ-Scheibe mit einer Dicke von 525 μm und einerVerunreinigungskonzentration von 1,5 · 10¹⁴ cm^-3 bereitgestellt. Auf der Vorderseite derScheibe wird ein anfänglicher1,6 μm dickerOxidfilm gebildet, und im Randbereich jedes Bauteils wird ein Bereichmit einer Breite von 100 μmselektiv geätzt.An der Vorderseite wird eine Quelle von Bor angewandt und mit Hilfeeiner Wärmebehandlungwird das Bor dort abgelagert. Nach dem Entfernen des Bors auf demOxidfilm durch einen Borglas-Ätzprozeß wird bei1200 °Cdie Diffusion des Bors bis zu einer Tiefe von 120 μm bei ineiner Sauerstoffatmosphäredurchgeführt,um die p⁺-leitende Trennisolierregion 11 zubilden. Im Vorderseitenbereich wird eine MOS-Steuerelektrodenstruktur wie bei einemkonventionellen IGBT gebildet. Diese Steuerelektrodenstruktur umfaßt die p⁺-leitende Basisschicht 4, die n⁺-leitende Emitterregion 5, denSteuerelektroden-Oxidfilm 6, die Steuerelektrode 7 unddie Emitterelektrode 8. Hierauf wird die Scheibe von derRückseiteher um 100 μmabgeschliffen zur Bildung der n^--Driftschicht 3.Diese ist im Fall eines IGBT mit einer Durchbruchspannung von etwa1200 V angenähert180 μm dick.Sodann wird an der Rückseiteeine Bor-Ionenimplantation mit einer Dosis von 1 · 10¹³ cm^-2 durchgeführt undes folgt eine einstündigeWärmebehandlungbei 350 °C,wodurch die p⁺-leitende Kollektorschicht 9 miteiner Spitzenkonzentration von 1 · 10¹⁷ cm^-3 und einer Dicke von etwa 1 μm gebildetwird. Schließlichwird eine Kollektorelektrode aufgebracht.
[0067] Aufdiese Weise wird der in Rückwärtsrichtungsperrende IGBT hergestellt. Die Kollektorschicht kann nach der Bor-Ionenimplantationan der Rückseitedurch Bestrahlung insgesamt durch einen Festkörperlaser YAG 2ω im Bereichvon 500 mJ/cm² bis 4J/cm² aktiviertwerden. Beim beschriebenen Beispiel beträgt der Abstand W dieser Ausführungsform80 μm bis400 μm.
[0068] Istdas VerhältnisW/d kleiner als 1, was der Fall ist, wenn der Abstand W vom aktivenBereich zur Trennisolierregion kleiner ist als die Dicke d der n^--leitenden Driftschicht, so steigt der Erholungs-Spitzenstromin Rückwärtsrichtungrapid an. Mit abnehmenden Abstand W zur Trennisolierregion wirddie Löcherinjektionaus der Trennisolierregion im Vergleich zu Injektion aus der Kollektorschicht überwiegend.Dies kommt daher, daß dieAkzeptorkonzentration in der Trennisolierregion um mehr als zweiGrößenordnungenhöher istals in der p⁺-leitenden Kollektorschichtund daß derAbstand zwischen der Trennisolierregion und der Emitterelektrode kleinerist als die Dicke der Driftschicht, mit dem Ergebnis eines niedrigerenWiderstands fürdie Löcherinjektionaus der Trennisolierregion. Die Trägerkonzentration ist deshalban der Rückseitein der Trägerverteilung imeingeschalteten Zustand des IGBT höher. Bei Betrachtung der Situationzeigt sich, daß derErholungsspitzenstrom in Rückwärtsrichtungrelativ hoch ist.
[0069] ImFall einer erniedrigten Lebenszeit wird der Erholungsspitzenstromin Rückwärtsrichtungim Vergleich zum Fall des Non-Killers, in dem die Lebenszeit nichterniedrigt ist, weiter reduziert. Bei 2 istdie ambipolare DiffusionslängeL_a1 = 194 μm im Fall des Nicht-Killers,währenddie ambipolare DiffusionslängeL_a2 = 82 μm,wenn ein Elektronenstrahl von 4 Mrad (= 40 kGy) aufgestrahlt wird.Die Dicke d der n^--leitenden Driftschichtbeträgtetwa 100 μm.Der aufgestrahlte Elektronenstrahl erniedrigt den Erholungsstromin Rückwärtsrichtung.
[0070] Imfolgenden werden einige spezifische Beispiele der erfindungsgemäßen Ausführungsformbeschrieben.
[0071] Beieinem üblichenvorwärtsgerichtetenIGBT ist der Leckstrom in Rückwärtsrichtungallgemein höher alsvorwärts.Dies kommt einerseits von der hohen Dosierung der in Kontakt mitder Emitterelektrode stehenden p⁺-leitendenSchicht und andererseits von restlichen Gitterfehlern oder Störungen beider Niedertemperaturaktivierung der Kollektorschicht.
[0072] 3 zeigt die Abhängigkeitdes Leckstroms RI_CES in Rückwärtsrichtungvon der Strahlungsdosis E1 des Elektronenstrahls, und 4 zeigt die Verteilung der Äquipotentiallinien,wenn an den in Rückwärtsrichtungsperrenden 600 V IGBT eine Rückwärtsvorspannungvon 800 V angelegt wird. Eine Nullvoltlinie liegt bei etwa 30 μm im Abstandvon der Vorderseite. Die Vorderseitenseite der 0 V Linie ist eineneutrale Region ohne Verarmung elektrischer Ladungen. Die p⁺-leitende Schicht ist üblicherweise mit einer Dosisvon mehr als 1 . 10¹⁹ Atomen/cm³ gebildet,um den Sperreffekt "latch-up" zu vermeiden, dereingangs in der Beschreibungseinleitung bei der Diskussion des Standsder Technik genannt wurde. Der Leckstrom RI_CES wirdwiedergegeben durch die folgende Formel (3) RI_CES = β(I_{gen_n} + I_{gen_p}) +I_diff (3)wobeiI_{gen_n} und I_{gen_p} Generierungsströme in derDriftschicht bzw in der Kollektorschicht sind. I_diff istder Diffusionsstrom der Minoritätsträger, wobeidieser Strom bei hoher Temperatur vernachlässigbar ist. Aus der Formel(3) ergibt sich ein Emitterverstärkungsfaktor β, nämlich
[0073] Eswird eine Annäherungzweiter Ordnung angewandt, um die Formel (4) zu erhalten. Die Emitterinjektionseffizienz γ ist beieinem in Rückwärtsrichtungvorgespannten Transistor angenähertgleich 1. τ_p gibt die Lebenszeit der Minoritäts träger an undD_h gibt den Diffusionskoeffizienten derLöcherin der Driftschicht an. W_D gibt die Breiteeines neutralen Bereichs in der Driftschicht an, der etwa im Fallder 4 30 μm beträgt. Der StromI_{gen_n} kann also durch die nachfolgendeFormel (5) wiedergegeben werden:
[0074] Aufder Abszisse in 3 istdie Elektronenstrahldosis E1 in Mrad (1Mrad = 10 kGy) aufgetragenund auf der Ordinate ist der Rückwärts-LeckstromRI_CES aufgetragen. 3 zeigt die Leckströme RI_CES für den Fall, daß keineSpannung an der Steuerelektrode anliegt (G-E kurzgeschlossen), undRI_CE+ füreine G-E-Spannung von + 15 V an der Steuerelektrode im Fall einerKollektorschicht, die für1 Stunde bei 350 °Cthermisch aktiviert worden ist; und einen Leckstrom RI_CE+(Laser)für denFall des Anliegens einer G-E-Spannung von + 15 V an der Steuerelektrodeim Fall, daß diep⁺-leitende Kollektorschicht laseraktiviertworden ist. Aus 3 istersichtlich, daß derRückwärts-Leckstromim Fall, daß dieSteuerelektrode und der Emitter kurzgeschlossen sind, höher istals in den Fällenmit anliegender Spannung von + 15 V. Das Anlegen der Spannung von+ 15 V zwischen Steuerelektrode und Emitter bildet eine Inversionsschicht(der Schwellenwert ist 7,5 V), die die n⁺-leitende Emitterschichtund die n^--leitende Driftschicht kurzschließt. Es werdensomit Parallelpin-Diodenstrukturen gebildet, wodurch die Löcherinjektionseffizienzan der Vorderflächenseiteerniedrigt wird. Im aktuellen Betrieb als Umsetzer soll jedoch derRückwärtsleckstromniedrig sein, auch wenn keine Vorspannung an der Steuerelektrodeanliegt. Aus 3 ist ersichtlich,daß dieElektronenstrahlbestrahlung den Rückwärtsleckstrom erniedrigt, wennzwischen der Steuerelektrode und dem Emitter keine Vorspannung anliegt,und der Leckstrom auch nahezu auf den gleichen Wert erniedrigt wirdwie im Fall einer G-E-Spannung von + 15 V, indem mit einer Dosis von10 Mrad (= 100 kGy) bestrahlt wird. Dieses Ergebnis zeigt den Effekteiner Reduktion des Verstärkungsfaktorsdes oben angegebenen pnp-Transistors. Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, daß der Rückwärts-Leckstromauf weniger als 1/3 durch eine Laserbestrahlung gedrückt wird,die die Region um die p⁺-leitende Kollektorschichtvollkommen rekristallisiert. Dies stellt auch den oben genanntenEffekt der Unterdrückungdes Generierungsstroms in der p⁺-leitendenSchicht dar.
[0075] DieSpannung des IGBT im Einschaltzustand beträgt 2,0 V für fehlende Elektronenstrahlbestrahlung, 2,2V für eineBestrahlung mit 10 Mrad und 2,8 V für eine Bestrahlung mit 20 Mrad.Es wurde gezeigt, daß die Erhöhung derSpannung im Einschaltzustand innerhalb eines Bereichs von 10 % für eine Bestrahlungmit bis zu 10 Mrad gesteuert werden kann.
[0076] Essoll nun die Dicke eines SiO₂ Films für eine Maskezum selektiven Bilden der stark dosierten p⁺-leitendenTrennisolierregion besprochen werden. Wie oben beschrieben, wirdin einem Anfangsstadium des Herstellungsprozesses ein Oxidfilm gebildetund dann auf der Flächezur Bildung der p⁺-Trennisolierregion örtlich selektivgeätzt.Die Oxidfilmdicke, die notwendig ist, um die Trennisolierregionzu bilden, kann folgendermaßen berechnetwerden.
[0077] DieVerunreinigungskonzentrationsverteilung bei Vorhandensein einerDiffusionsquelle wird durch die folgende Formel (6) gegeben:
[0078] DerDiffusionskoeffizient ist 1,0 · 10^-11 cm²/s bei 1300 °C. Die für einenin Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT der Klasse für600 V benötigteDiffusionstiefe ist 120 um. Bei der aktuellen Diffusion wurde dieDiffusionstiefe von 120μmerreicht mit einer Oberflächenverunreinigungskonzentrationvon 1,2 · 10¹⁹ cm ³, einer Diffusionstemperaturvon 1300 °Cund einer Diffusionszeit von 83 Stunden. Die Verunreinigungskonzentration N_Si in der Formel (6) sei gleich der Dotierungskonzentrationder n-leitenden Scheibe, nämlich1,5 · 10¹⁴ cm^-3, was eineBedingung am pn-Übergangist, und so ist N_Si/N₀ gleich1,25 · 10^-5. Unter Anwendung der in 5 gezeigten komplementären Fehlerfunktion(erfc) ergibt sich: x_Si = 104 μm. DieserWert stimmt angenähertmit dem experimentell ermittelten Wert überein.
[0079] DieBordiffusion in einem thermischen Oxidfilm wird entsprechend bestimmtdurch
[0080] Gemäß einerProzeßsimulationist die Borkonzentration um eine Größenordnung niedriger als der durchdie Formel (8) kalkulierte Wert. Dies bedeutet, daß die Formel(8) eine sicherere Schätzungergibt. Die Bordiffusion im Silizium für eine Zeit t von 153 Stundenergibt eine Diffusionstiefe von x_Si = 141 μm entsprechend derFormel (6). Die maximale Tiefe der möglichen selektiven Diffusionbeträgt141 μm,wenn eine Maske aus einem Oxidfilm mit einer Dicke von 1,6 μm verwendetwird. Allgemeiner gesprochen, ist die Beziehung zwischen der Diffusionszeitt_d und der Dicke des Oxidfilms X_ox, der gerade vom Bor durchsetzt wird, unterVerwendung der Formel (8) durch die Formel (9) gegeben.
[0081] Gemäß den Formeln(9) und (10) ist
[0082] Hierauswird die nachfolgende Formel (12) abgeleitet:
[0083] Diesbedeutet, daß diemaximale Diffusionstiefe im Silizium bestimmt wird durch die Quadratwurzel desVerhältnissesdes Diffusionskoeffizienten von Bor im Silizium zum Diffusionskoeffizientenvon Bor im Oxidfilm füreine festgelegte Dicke dieses Masken-Oxidfilms, und in keiner Weisevon der Oberflächenkonzentrationoder Diffusionszeit abhängt.Die Aktivierungsenergie der Bordiffusion ist im Silizium und imOxidfilm angenähertgleich und beträgtetwa 3,5 eV. Folglich ist das Verhältnis der Diffusionskoeffizientenbei jeder Temperatur konstant, wie sich aus Formel (7) ergibt. Dieobige Analyse ergibt die Schlußfolgerung,daß beigegebener Dicke des Masken-Oxidfilms die maximale Diffusionstiefeim Silizium einzig bestimmt wird.
[0084] Dienotwendige Diffusionstiefe ist 120 μm für einen 600 V IGBT mit Sperrungin Rückwärtsrichtung. Gemäß der Formel(12) ist die notwendige Mindestdicke des Oxidfilms 1,36 μm. Für einen1200 V IGBT mit Sperrung in Rückwärtsrichtungist die erforderliche Diffusionstiefe 200 μm und die erforderliche Mindestdicke desOxidfilms 2,27 μm.
[0085] Dieinsoweit durchgeführteAnalyse betrifft den Fall der Diffusion bei Vorhandensein einerDiffusionsquelle. Als nächsteswird der Fall des Eintreibens (driving-in) betrachtet, bei dem dieDiffusionsquelle nach der Deponierung entfernt wird.
[0086] DieVerteilung der Borkonzentration in einem Oxidfilm wird durch diefolgende Formel (13) wiedergegeben:
[0087] DurchErsetzen der Formel (14) in Formel (13) ergibt sich:
[0088] Für die Diffusionim Silizium ergibt sich in gleicher Weise
[0089] Angenommen,ein Oxidfilm mit einer Dicke X_ox wird geradezu einer Diffusionszeit t_d durchsetzt unddie Diffusionstiefe im Silizium ist zu dieser Zeit X_Si,so gilt N_Si'(X_Si, t_d) = N_ox' (X_ox, t_d) (17)
[0090] Eswird also genau das gleiche Ergebnis erzielt wie in Formel (12)unter Verwendung der Gleichungen (15) und (16), nämlich, daß die maximaleDiffusionstiefe durch die Dicke des Maskier-Oxidfilms bestimmt wird.
[0091] 6 zeigt den charakteristischenFreiwerde- oder Erholungsvorgang eines erfindungsgemäßen in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBTs.
[0092] Die 7 und 8 zeigen Charakteristiken eines gegenüber demBeispiel 1 unterschiedlichen Ausführungsbeispiels. 7 zeigt die Beziehung zwischender Elektronenstrahldosis und dem Rückwärts-Leckstrom und 8 zeigt die Beziehung zwischender Elektronenstrahldosis und der Spannung im Einschaltzustand. DiesesAusführungsbeispielumfaßtdie p⁺-leitende Kollektorschicht 9 miteiner Spitzenkonzentration von 1 · 10¹⁷ cm^-3 und einer Dicke von etwa 1 μm. Sie wurdegebildet durch Ionenimplantation von Bor mit einer Dosis von 5 · 10¹³ cm^-2 auf der Rückseite,gefolgt durch eine Wärmebehandlungbei 400 °Cfür eineStunde.
[0093] In 7 ist auf der Abszisse dieElektronenstrahl-Bestrahlungsdosis in Mrad (1 Mrad = 10 kGy) aufgetragenund auf der Ordinate der Rückwärts-LeckstromRI_CES aufgetragen. Die Elektronenstrahlbestrahlung oderdie Heliumbestrahlung wird durchgeführt, bevor die Rückseitenfläche derFZ-Scheibe geschliffen wird, zum Zweck des schnellen Betriebs desBauteils. Die Elektronenstrahlbestrahlung kann auch den Rückwärts-Leckstromreduzieren. Da der Elektronenstrahl Gitterfehler homogen im Großteil desBauteils erzeugt, ist die Transporteffizienz im Zustand der Vorspannungin Rückwärtsrichtungerheblich reduziert, wodurch der Stromverstärkungsfaktor erniedrigt wird.
[0094] In 7 ist die Abhängigkeitdes Rückwärts-Leckstromsvon der Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis mit einer angelegtenSpannung von 600 V bei 125 °Cfür einBauteil mit einer Durchbruchsspannung von 600 V dargestellt. Wiesich aus der Figur ergibt, nimmt der Rückwärts-Leckstrom mit einer Zunahmeder Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis ab. Eine Bestrahlungsdosisvon 2 Mrad reduziert abrupt den Rückwärts-Leckstrom, mit der Folgerung,daß einevorteilhafte Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis etwa 2 Mrad odermehr beträgt.
[0095] DieElektronenstrahl-Bestrahlung erzeugt jedoch Gitterfehler im Großteil desBauteils mit der Folge einer Erhöhungder Spannung im eingeschalteten Zustand. Diese Ein-Spannung isteine der wichtigen Charakteristiken und vorteilhafterweise so niedrigals möglich.In 8 ist auf der Abszissedie Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosisin Mrad (1 Mrad = 10 kGy) aufgetragen und ist auf der Ordinate dieEin-Spannung V_ein aufgetragen. Diese Ein-Spannungerhöhtsich mit einer Erhöhungder Elektronenstrahl-Bestrahlungsdosis. Eine Bestrahlung von mehrals 6 Mrad erhöhtdie Spannung im Einschaltzustand rapid. Zum Niedrighalten der Ein-Spannung ist dieElektronenstrahl-Bestrahlungsdosis vorzugsweise nicht höher als6 Mrad.
[0096] Die 9 und 10 zeigen die Struktur eines drittenAusführungsbeispiels.In 9 ist perspektivisch eineDurchbruchfestigkeitsstruktur dargestellt und in 10 ist diese Struktur im Schnitt dargestellt.Hierbei zeigt 10(a) einenSchnitt durch die gesamte Durchbruchfestigkeitsstruktur und zeigendie 10(b) bis 10(d) Teil-Schnittansichtenvon Variationen gegenübereinem Teil Y in 10(a).Elemente, die bereits bei der Beschreibung des Stands der Techniknach den 26 und 27 genannt wurden, sind hiermit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
[0097] Einen-leitende FZ-Scheibe mit einem spezifischen Widerstand von 80 Ω cm wirdunter Bildung einer Driftschicht 34 präpariert und auf ihrer Vorderseitewird ein thermischer Oxidfilm von 2,4 μm Dicke gebildet. In einem sogenanntenSchreibbereich zum Zerteilen der Scheibe in Chips wird der thermischeOxidfilm entfernt und die Oberflächefreigelegt. Nach dem Aufbringen von Borglas auf den freigelegtenBereich und dem Entfernen des Borglases wird die Dotierung als Eintreibung(driving-in) bei 1300 °Cfür eineDauer von 250 Stunden durchgeführt,so daß indem Schreibbereich eine p⁺-leitende Trennisolierregion 31 gebildetwird. Sodann wird ein thermischer Oxidfilm gebildet, der örtlich selektivgeätztwird, um Flächenzum Bilden der Feldbegrenzungsschichten 25 freizulegen.Man implantiert Borionen mit einer Dosis von 2 · 10¹⁵/cm² und einer Energie von 100 keV gefolgt von200-minütigem Eintreibenbei 1150 °C.Anschließendwerden Öffnungenzum Bilden des aktiven Bereichs im thermischen Oxidfilm hergestellt.Es wird ein 65 nm dicker Steuerelektroden-Oxidfilm gebildet undauf diesem eine polykristalline Siliziumschicht aufgewachsen undselektiv geätzt,um eine Steuerelektrode zu bilden. Hierbei wird das polykristallineSilizium auf einem Teil der Durchbruchfestigkeitsstruktur wiederentfernt. Zur Bildung der p⁺-leitenden Basisschicht 24 wirdmit einer Dosis von 2 · 10¹⁴/cm² und einer Energievon 100 keV eine Ionenimplantation von Bor durchgeführt, gefolgtvon einem Eintreiben bei 1150 °C für 120 Minuten.Nach dem selektiven Bilden eines Resistfilms werden Arsenionen miteiner Dosis von 2 · 10¹⁵/cm² und einerEnergie von 45 keV implantiert. Ein Film aus BPSG (Borphosphorsilikatglas,borophosphosilicate glass) fürdie Schichtenisolierung wird aufgewachsen und Teile dieses Filmswerden an dem aktiven Bereich und an der Feldbegrenzungsschicht 25 geöffnet. Al-1% Si-Filme werden abgelagert, um eine die Emitterelektrode 28 unddie Steuerelektrode 7 im aktiven Bereich zu bilden und Feldbegrenzungselektroden 27 im Bereichder Durchbruchfestigkeitsstruktur zu bilden. Sodann wird ein Nitridfilmoder ein Polyimidfilm aufgebracht und geätzt.
[0098] DieRückseitenfläche derScheibe wird auf um eine Scheibendicke von 200 μm durch rückseitiges Schleifen geschliffen.Hierbei wird die p⁺-leitende Trennisolierregion 31,die sich von der Vorderseite bis zur Rückseite erstreckt, zur Rückseitenfläche freigelegt.Die Rückseitenfläche wirdum eine Dicke von 20 μmunter Verwendung von einer Mischung aus Hydrofluorsäure undSalpetersäuregeätzt,um sie glatt zu machen. Die Dicke der Scheibe beträgt in diesemZustand 180 μm,zum Bilden der n^--leitenden Driftschicht 34 mitvorgegebener Dicke. Dann wird in gleicher Weise wie beim Beispiel1 eine p⁺-leitende Kollektorschicht 29 gebildet. Al/Ti/Ni/Auwerden aufeinanderfolgend auf der Kollektorschicht abgelagert, umeine Kollektorelektrode 35 zu bilden. Schließlich wirddas Zerteilen im Schreibbereich durchgeführt. So werden in Rückwärtsrichtungsperrende IGBT Chips hergestellt.
[0099] DieTrennisolierregion 31 wird geschaffen, um zu verhindern,daß dieVerarmungsschicht, die sich von der p⁺-leitendenKollektorschicht 29 und der n^--leitenden Driftschicht 34 derFZ-Scheibe ausdehnt, zur Chiprandfläche freiliegt, wenn eine Vorspannungin Rückwärtsrichtungan den IGBT angelegt wird, wobei das elektrische Potential an derEmitterelektrode 28 höherist als an der Kollektorelektrode 35.
[0100] ImVorderseitenbereich wird zunächstwie beim Stand der Technik nach 27 zwischender Emitterelektrode 28 und der p⁺-Trennisolierregion31 überund unter dem isolierenden streifenweise unterbrochenen Oxidfilm 26 eineDurchbruchfestigkeitsstruktur gebildet. Hierzu wird in der Nachbarschaftder Emitterelektrode 28 die erste Feldbegrenzungsschicht 25 gebildet,die in Kontakt mit einer ersten Feldbegrenzungselektrode 27a steht,die ihrerseits bei diesem Ausführungsbeispielrelativ breit überdie Kante des Oxidfilms 26 und über die Feldbegrenzungsschicht 25 überstehendgebildet ist, und sich in ihrem Bereich 29a in Richtungzur p⁺-Trennisolierregionerstreckt (in der Richtung zum Rand des Bauteils). Weiter in Richtungzur Trennisolierregion 31 zu werden mehrere Paare bestehendaus einer der Feldbegrenzungsschichten 25 und einer derFeldbegrenzungselektroden 27 gebildet. Jede Feldbegrenzungselektrodebefindet sich auf einem jeweiligen schwebenden elektrischen Potential.Die Ausdehnungsrichtung der seitlich überstehenden Teile der Feldbegrenzungselektroden,die auf der Seite der Emitterelektrode liegen, ist, wie bei 29a,gegenüberder Ausdehnungsrichtung der überstehendenTeile der Feldbegrenzungselektroden in Bereichen 29b aufder Seite der Trennisolierregion 31 jenseits einer dazwischenliegendenFeldpufferregion 33, die in einem Zwischenbereich der Durchbruchfestigkeitsstrukturangeordnet ist, umgekehrt. Mit der Feldpufferregion ist eine Feldbegrenzungseleletrode 27c verbunden,die beiderseits symmetrisch, aber nur wenig über die Kanten des Oxidfilms 26 übersteht.Die Feldbegrenzungselektrode 27b auf der Feldbegrenzungsschicht 25 imBereich zwischen der Zwischen-Feldpufferregion 33 und derTrennisolierregion 31 wird relativ breit jenseits der Feldbegrenzungsschichtausgebildet und reicht in der Richtung zur Emitterelektrodenseite(in der Richtung zum inneren Teil des Bauteils) über die Region 25 hinaus,wobei eine Spannungsvorbelastung in Rückwärtsrichtung berücksichtigt wird.Es sind verschiedene Paare bestehend aus einer der Feldbegrenzungsschichtenund einer dieser Feldbegrenzungselektroden 27b, die zurEmitterelektrodeseite überstehen,gebildet. Wenn eine Verarmungsschicht von der Emitterelektrodenseitenach außenexpandiert, tendiert sie durch einen Effekt der Feldbegrenzungselektroden 27a,die sich nach außenerstrecken, dazu, zu expandieren. Andererseits neigen die Feldbegrenzungselektroden 27b,die sich nach innen erstrecken, dazu, die Expansion der Verarmungsschichtzu hemmen, wobei sie den Effekt auf die Verarmungsschicht abrupt ändern. AlsErgebnis erfolgt eine Konzentration des elektrischen Felds an einerSpitze oder einem Rand der innersten oder äußeren Feldbegrenzungselektroden 27b,was zu einer Lawine führt.
[0101] Umdiese Konzentration des elektrischen Felds zu vermeiden und zu erreichen,daß sichdie Verarmungsschicht sanft zur Seite der Feldbegrenzungselektrodenexpandiert, die den Vorsprung 29b in der Rückwärtsrichtunghaben, ist die Zwischen-Feldpufferregion 33 vorgesehenzum Abschwächender Konzentration des elektrischen Felds.
[0102] 10(b) zeigt ein Beispielohne einen Elektrodenfilm wie die Feldbegrenzungselektrode 27c. 10(c) zeigt ein Beispiel,bei dem die Zwischen-Feldpufferregion 33 durchFeldbegrenzungsschichten 25a, 25a ersetzt istund die Feldbegrenzungselektroden auf den Feldbegrenzungsschichtenvergrößert undzur Bildung einer Elektrode 27d verbunden sind. 10(d) zeigt ein Beispiel,bei dem die Breite der Zwischen-Feldpufferregion 33 zurBildung einer Region 33a erhöht ist und Feldbegrenzungselektroden 27e, 27e aufder verbreiterten Zwischen-Feldpufferregion 33a angeordnetsind, die in entgegengesetzten Richtungen über die Oxidfilmkanten überstehen.
[0103] Die äußerste Feldbegrenzungselektrodein Kontakt mit der p⁺-Trennisolierregion 31 ist äquivalentder Kanalstopperelektrode 21, die in einem periphererenTeil eines üblichenIGBTs (27) mit Sperrzustandin Vorwärtsrichtungangeordnet ist, und wird deshalb in dieser Beschreibung ebenfallsKanalstopperelektrode 21 genannt.
[0104] Die 11(a) und (b) sindSchnittansichten der Durchbruchfestigkeitsstruktur zur Darstellungder Entwicklung einer Verarmungsschicht 36 im Zustand derSpannung in Vorwärtsrichtung(11(a)) und im Zustandder Spannung in Rückwärtsrichtung(11(b)). Wie in 11(a) mit einer gepunktetenLinie und einem Pfeil fürden Zustand der Vorwärtsspannungdargestellt ist, expandiert die Verarmungsschicht 36, wenndie angelegte Spannung etwa ein Zehntel der Durch bruchspannung beträgt, vonder Emitterelektrode 28 in Richtung zur Trennisolierregion 31 biszu etwa einer Mittelposition der Durchbruchfestigkeitsstruktur.Hierbei steht die Feldbegrenzungselektrode 27a mit ihremRandstreifen 29a in einer Richtung über, die die Expansion derVerarmungsschicht unterstützt.Die elektrische Feldstärkein der Nachbarschaft des pn-Übergangsder Feldbegrenzungsschicht 25 ist also erniedrigt. Beieinem Anstieg der VorwärtsVorspannung dehnt sich die Verarmungsschicht bis über diemittig liegende Feldpufferregion 33, die etwa die Mittelpositionder Durchbruchfestigkeitsstruktur einnimmt, zur Trennisolationsregion 31 zuaus. Dort ist der Überstand 29b derFeldbegrenzungselektrode 27b so gerichtet, daß die Expansionder Verarmungsschicht gehindert wird. Somit verlangsamt sich miteinem Anstieg der angelegten Spannung die Entwicklung der Frontder Verarmungsschicht 36 und endet schließlich, bevorsie die Trennisolierregion 31 erreicht.
[0105] ImFall einer Rückwärts Vorspannungexpandiert die Verarmungsschicht 36, wie durch eine gepunkteteLinie und einen Pfeil in 11(b) gezeigtist, wenn die angelegte Spannung etwa ein Zehntel der Durchbruchspannungbeträgt,von der Trennisolierregion 31 in Richtung zur Emitterelektrode 28 biszu etwa einer Mittelposition der Durchbruchfestigkeitsstruktur.In diesem Fall trägtdie Richtung des Übersteh-Erstreckungsbereichs 29b derFeldbegrenzungselektrode 27b dazu bei, die Expansion derVerarmungsschicht zu unterstützen.Die elektrische Feldstärkein der Nachbarschaft den pn-Übergangsder Feldbegrenzungsschicht 25 ist also auf der Seite derDurchbruchfestigkeitsstruktur zur Trennisolierregion 31 hinerniedrigt. Bei einem Anstieg der angelegten Rückwärtsspannung expandiert dieVerarmungsschicht bis überden Mittelteil der Durchbruchfestigkeitsstruktur hinaus in Richtungzur Emitterelektrode 28. Hierbei trägt die Richtung des Überstehensdes Bereichs 29a der Feldbegrenzungselektrode 27a dazubei, die Expansion der Verarmungsschicht zu hemmen. Somit verlangsamtsich die Entwicklung der Front der Verarmungsschicht 36 mitzunehmender Spannung und endet schließlich vor Erreichen des aktivenBereichs.
[0106] Beianliegender Rückwärtsvorspannungentwickelt sich jedoch die Verarmungsschicht nicht nur seitwärts vonder Trennisolierregion 31, sondern auch vertikal von derRückseitenfläche. Wiebereits beschrieben, neigt die n^--leitendeDriftschicht 34 bei Annäherungder angelegten Spannung an die Durchbruchspannung dazu, zum Bildeneiner Verarmungsschicht frei von elektrischen Ladungen (Elektronen)zu sein, wodurch die Expansion der Verarmungsschicht 36 weitergefördertwird. Es ist deshalb wichtig, einen adäquaten Abstand zwischen denFeldbegrenzungselektroden 27 und einen adäquaten Abstandzwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 vorzusehen. DieBestimmung dieses Abstands wird nachfolgend beschrieben.
[0107] Istder Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 kleinerals die Breite einer eingebauten Verarmungsschicht, die sich vonder Feldbegrenzungsschicht zur n^--leitendenDriftschicht in einem Zustand eines gleichen Potentials zwischender Emitterelektrode und der Kollektorelektrode erstreckt, gibtes keinen nicht-verarmten neutralen Bereich zwischen den Feldbegrenzungsschichten.Wenn der Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten um die Frontder Verarmungsschicht bei relativ hoher angelegter Rückwärts Vorspannungklein ist, so schließensich die Verarmungsschichten zusammen und erreichen die Emitterschicht, waseinen Durchreichzustand darstellt und eine Erhöhung des Leckstroms bewirkt.
[0108] Die 12(a) und (b) veranschaulichendiesen Umstand. Diese Fig.n sind Teilschnittansichten, die die Expansioneiner Verarmungsschicht zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 zeigen.Die Figuren zeigen jeweils Teile der Feldbegrenzungsschichten 25,den als Maske dienenden Oxidfilm 26, einen Teil der n^--leitendenDriftschicht 34 und eine Verarmungsschicht mit einer Front 36a.Der Oxidfilm 26 hat eine Breite WG. 12(a) zeigt den Fall, daß die BreiteWG groß ist,und 12(b) den Fall,daß dieseBreite klein ist. Die Feldbegrenzungsschichten 25 werdendurch Borimplantation unter Verwendung der Maske 26 mitder Breite WG und durch nachfolgende thermische Diffusion bis zueiner Diffusionstiefe X_j gebildet, wobeidie laterale Diffusion bis zu einem Abstand 0,8 X_i vom Ende des Oxidfilms 26 fortschreitet.Der Abstand zwischen den Feldbegrenzungsschichten ist deshalb vorzugsweisegrößer alsdie oder gleich der Summe von 1,6 X_j = 0,8X_j + 0,8 X_j und2 W_bi = W_bi + W_bi, wobei W_bi dieBreite einer eingebauten Verarmungsschicht bei angelegter Spannungnull ist. Die Formel (18) zeigt diese Beziehung. WG ≥ 1.6 X_j +2 W_bi (18)wobei: WG= Breite des zwischen den Feldbegrenzungsschichten angeordnetenOxidfilms, X_j = Diffusionstiefe derFeldbegrenzungsschichten, W_bi = Breiteeiner eingebauten Verarmungsschicht, die sich von der Feldbegrenzungsschichtaus in die Driftschicht in einem Zustand gleichen Potentials zwischender Emitterelektrode und der Kollektorelektrode entwickelt.
[0109] 12(a) zeigt den Fall WG ≥ 1,6 X_j + 2 W_bi und 12(b) zeigt den Fall WG < 1,6 X_j +2 W_bi. Die Situation kann definiert werdenmit Hilfe eines weiteren Parameters Wg, der den Abstand zwischenden Feldbegrenzungsschichten darstellt, nämlich ist Wg ≥ 2 W_bi. Die Breite eines neutralen Bereichs (wobeisich die eingebauten Verarmungsschichten nicht berühren) zwischenden Verarmungsschichten 36a bei einer anliegenden Vorspannungnull ist mit einer L_Ni bezeichnet.
[0110] 13 zeigt als Charakteristikdie Beziehung zwischen der Rückwärts-Durchbruchspannung(RBV) und der Summe der AbständeI_Ni. Hierbei ist: I_Ni = W_Gi – (1,6 X_j + 2 W_bi),wobei: i= die Ordnungsnummer der Feldbegrenzungsschicht, W_Gi =Breite eines isolierenden Oxidfilms zwischen der (i-1)-ten Feldbegrenzungsschichtund der i-ten Feldbegrenzungsschicht.
[0111] Eshat sich erwiesen, daß dieRückwärts-Durchbruchspannungausgehend von einem Idealwert dieser Spannung bei einer planaren Übergangsschichtrapid abnimmt, wenn die Summe kleiner wird als die Dicke W_Drift der n^--leitendenDriftschicht. Wie oben beschrieben, ist es wichtig, daß die eingebautenVerarmungsschichten nicht zwischen den Feldbegrenzungsschichtenineinanderfließen,also daß derneutrale Bereich der Breite L_Ni verbleibt.Bei einer Zunahme der angelegten Spannung verwandelt sich der neutraleBereich allmählichzu einer Verarmungsschicht und gleichzeitig expandiert die Verarmungsschichtvertikal unter dem aktiven Bereich vom pn-Übergang an der Rückseitenfläche in Richtungzur Vorderseitenfläche.Ist die Summe der neutralen Bereiche in der Durchbruchfestigkeitsstrukturbei einer Vorspannung null kleiner als die Dicke der n^--leitendenDriftschicht in der Vertikalrichtung, so erreicht die Verarmungsschichtin der Durchbruchfestigkeitsstruktur die Emitterelektrode bei einerangelegten Spannung, die niedriger ist als die Spannung, bei dereine sich vertikal ausdehnende Verarmungsschicht die Emitterelektrodeerreicht, so daß alsoein Durchreichen stattfindet und die Durchbruchspannung abnimmt.Es wird deshalb die Dimensionierung gemäß der nachfolgenden Formel(19) bevorzugt:
[0112] 14 zeigt in einer Teilschnittansichteines Bauteils einen Streifen einer Breite L_OP inForm einer Öffnungzwischen der Feldbegrenzungselektrode 27a und der angrenzendenFeldbegrenzungsschicht 25. Auf der Oberfläche desBauelements ist eine Passivierungsschicht 37 aufgebracht.In einer feuchten Umgebung könnenschließlichnegative Ionen in einen Teil des Oberflächenbereichs des Oxidfilms 26 dorteindringen, wo er nicht durch die Feldbegrenzungselektrode 27a überdecktist.
[0113] DasEindringen der negativen Ionen induziert positive Ladungen an derDriftschicht 34 unterhalb des Oxidfilms 26, waseine Inhomogenitätder Potentialverteilung erzeugt und die Durchbruchspannung erniedrigt. Eswurde eine Simulation zur Untersuchung des Eindringens der negativenIonen mit unterschiedlicher Breite L_OP des Öffnungsstreifensdurchgeführt.Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
[0114] DieTabelle zeigt die Ergebnisse der Simulation für einen in Rückwärtsrichtungsperrenden IGT für 1200V Durch die Simulation werden die Durchbruchspannung FBV in Vorwärtsrichtungund die Durchbruchspannung RBV in Rückwärtsrichtung für unterschiedlicheDimensionen in der Durchbruchfestigkeitsstruktur bestimmt. In derTabelle haben die Spalten folgende Bedeutung: ΣW_Gi =Summe der Breiten W_Gi des Oxidfilms 26; ΣL_Ni = Summe der Breiten L_Ni derneutralen Bereiche in der Durchbruchfestigkeitsstruktur im Zustandder Vorpannung null; ΣL_OP = Summe der Streifenbreiten L_OP zwischendem einen Rand der Feldbegrenzungselektrode und dem einen Rand derangrenzenden Feldbegrenzungsschicht; Randlänge = Gesamtlänge derDurchbruchfestigkeitstruktur, also Abstand vom inneren Rand desinnersten Oxidfilms bis zum äußeren Randdes äußerstenOxidfilms; ΣL_OP/ΣL_Ni = Öffnungsverhältnis derFeldbegrenzungselektroden in Bezug zur gesamten Breite der neutralenBereiche.
[0115] DieSimulation zeigte, daß dieDurchbruchspannungen in Vorwärtsrichtungund in Rückwärtsrichtung für jede Probehöher warenals 1300 V wie ersichtlich ist aus der Spalte "0" für FBV undRBV in der Tabelle. Andererseits hat die Simulation unter der Annahmedes Vorhandenseins negativer Ladungen mit einer Dichte von 1 · 10¹²/cm² an den neutralenBereichen mit der Breite L_Ni eine erheblicheAbnahme der Durchbruchspannung sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtungfür dieProben 1 und 2 gezeigt. Das Verhältnis ΣL_OP/ΣL_Ni liegt deshalb vorzugsweise unter 0,7.
[0116] Die 15(a) bis (d) zeigenschematische Teilschnittansichten eines Vergleichsbeispiels, diedas Durchreichen einer Verarmungsschicht zum Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseiteveranschaulichen. 15(a) zeigtdie Netto-Dotierung, 15(b) dieElektronenkonzentrarion, 15(c) Äquipotentiallinienund 15(d) die Löcher-Stromdichte.In den Figuren ist jeweils auf der linken Figurenseite ein äußerer Randbereichder Emitterelektrode dargestellt. Die Figuren zeigen nur einen Teilnahe der Emitterelektrode und zeigen nicht einen Teil nahe der Trennisolierregion.Wie anhand der Elektronenkonzentration in 15(b) ersichtlich ist, befindet sichdie Verarmungsschicht in einem Durchreichzustand zum Haupt-pn-Übergang auf der Emitterseitebei etwa 850 V Wie anhand der Darstellung der Löcherstromdichte in 15(d) ersichtlich ist, fließt der Leckstromin Rückwärtsrichtungim Teil der planaren Ende-Randstruktur. Die in den 15(a) bis (d) dargestelltenVerhältnisseentsprechen den Proben 1 und 2 in der Tabelle.
[0117] Die 16(a) bis (d) entsprechenmit Darstellungen äquivalentdenen von 15 den Proben3 bis 5 der Tabelle und zeigen schematische Teilschnittansichtendes Durchbruchfestigkeitsstrukturbereichs mit einer ÖffnungsbreiteL_OP von 7 μm. Sie zeigen wiederum die Netto-Dotierung,die Elektronenkonzentration, Äquipotentiallinienbzw. die Löcherstromdichte.Außerdemzeigen sie ebenso wie die 15(a) bis (d) nur den Teil nahe der Emitterelektrodeund nicht auch den Teil nahe der Trennisolierregion. Wie anhandder Darstellung der Elektronenkonzentration in 16(b) ersichtlich ist, ist die Verarmungsschichtseitlich vom Haupt-pn-Übergangauf der Emitterseite mit ausreichendem Abstand angeordnet. Wie dieLöcherstromdichtein 16(d) zeigt, fließt der Leckstromvertikal im aktiven Bereich unter der Emitterelektrode, wobei einestabile Charakteristik ersichtlich ist.
[0118] Inden 17 bis 23 ist das Beispiel 5 gezeigt,bei dem im Bereich der Durchbruchsfestigkeitsstruktur n-leitendeSchichten 38 hoher Konzentration vorhanden sind. Die Verunreinigungskonzentrationin den Schichten 38 ist höher als in der n^--leitendenDriftschicht 34 und niedriger als in der n⁺-leitendenEmitterregion 32. Die n-leitenden Schichten 38 hoherKonzentration verhindern, daß sicheine Verarmungsschicht bei einer Rückwärts-Vorspannung weiter ausdehnt.Die Schichten 38 hoher Konzentration können beispielsweise gebildetwerden durch Phosphorionenimplantation um den neutralen Bereichin der Durchbruchfestigkeitsstruktur mit einer Dosis von 1 · 10¹²/cm² und einerBeschleunigungsspannung von 45 keV, gefolgt von einem Eintreiben bei1150 °Cfür 5 Stunden.
[0119] Die 17(a) und (b) zeigenim Schnitt ein Ausführungsbeispiel,bei dem die n-leitenden Schichten 38 hoher Konzentrationsowohl auf der Seite der Emitterelektrode als auch auf der Seiteder Trennisolierregion im Bereich der Durchbruchfestigkeitsstrukturgebildet sind. 17(a) zeigteinen Querschnitt durch den Bereich der Durchbruchfestigkeitsstrukturund 17(b) zeigt einenvergrößerten Teilschnittdurch die Emitterelektrodenseite. Beim beschriebenen Beispiel sinddrei Schichten 38a hoher Konzentration auf der Seite der Emitterelektrodegebildet (eine zwischen dem Haupt-Emitter-pn-Übergang und der ersten Feldbegrenzungsschicht 25 undzwei außerhalbder ersten Feldbegrenzungsschicht); und drei Schichten 38b hoherKonzentration sind gebildet auf der Seite der Trennisolierregion 31 (einezwischen der Trennisolierregion und der äußersten Feldbegrenzungsschicht 25 undzwei innerhalb der äußerstenFeldbegrenzungsschicht). Die Schichten 38 hoher Konzentrationsind ohne Überlappungmit den Feldbegrenzungsschichten 25 gebildet. Die Schichten 38a, 38b hoherKonzentration erhöhendie Durchbruch spannung in Rückwärtsrichtung,reduzieren Leckstrom bei einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung und steuern dieAbnahme der Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung innerhalb etwa5 %. Die Oberflächedes Bauteils wird durch die Passivierungsschicht 37 geschützt. Dien-leitenden Schichten 38 hoher Konzentration können injedem Zwischenraum zwischen den Feldbegrenzungsschichten 25 gebildetsein.
[0120] Die 18 bis 20 zeigen in Schnittansichten ein Ausführungsbeispiel,bei dem auf der Seite der Durchbruchfestigkeitsstruktur zur Trennisolierregionhin eine Schicht 38e hoher Konzentration n-leitend gebildetist. 18 zeigt die Druchbruchfestigkeitsstrukturregionin schematischem Querschnitt und 19 isteine detaillierte Schnittansicht dieser Region vor der Bildung dern-leitenden Schichten hoher Konzentration. Die Breiten der einzelnenBereiche sind in 19 zahlenmäßig in μm angegeben.Die Feldbegrenzungsschichten oder Schutzringe sind mit gr0,...,gr7, ..., gr13 bezeichnet. gr7 entspricht der Pufferregion 33.In 20 sind schematischTeilschnittdarstellungen der Durchbruchfestigkeitsstrukturregiondargestellt, und zwar zeigen die 20(a) bis (d) die Nettodotierung, die Elektronenkonzentration, Äquipotentiallinienbzw die Löcherstromdichte. 19 ist als einzige rechts-linksvertauscht,nämlichbefindet sich dort der aktive Bereich auf der rechten Seite unddie Trennisolierregion auf der linken Seite der Figur. Gemäß 18 ist die n-leitende Schicht 38c hoherKonzentration in einem Bereich angeordnet, der sich von einer Stelleunter der Kanalstopperelektrode 21, die in Kontakt mitder Trennisolierregion 31 steht, bis zur Zwischen-Feldpufferregion 33 erstreckt.Die Schicht 38c unterdrücktdie Expansion der Verarmungsschicht bei Rückwärts-Spannungsvorbelastung ineinem Spannungsbereich von null bis zur Hälfte der Durchbruchspannung(bis zu etwa 600 V). Als Ergebnis ist das Durchreichen der Verarmungsschichtzum Emitter-Hauptübergangim Vergleich zu einer Struktur ohne die Schicht 38c hoherKonzentration unterdrücktund die Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtungist um 100 V von 1250 V auf 1350 V erhöht. Die Durchbruchspannungin Vorwärtsrichtungist nicht beeinflußt,da die Verarmungsschicht im Expansionsvorgang keine Schicht wiedie Schicht 38c hoher Konzentration auf der Seite der Emitter-Hauptübergangsschichtaufweist.
[0121] 21 zeigt die Abhängigkeitder als "RBV" (reversed breakdownvoltage) bezeichneten Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung von der Phosphordosisin der Schicht 38c hoher Konzentration der Struktur von 18. Es ist auch die derDosis entsprechende Konzentration an der Oberfläche eingetragen. Eine Dosis über 1 · 10¹² Atome/cm² (odereine Oberflächenkonzentrationvon mehr als 1 · 10¹⁷ Atome/cm³) verschlechtert dieDurchbruchspannung in Rückwärtsrichtung.Der Grund fürdiese Verschlechterung ist eine exzessive Unterdrückung derVerarmungsschicht im Zustand der Rückwärts Vorspannung, die eine hoheelektrische Feldstärkein dem Teil der Schicht hoher Konzentration und in den p-leitendenFeldbegrenzungsschichten bewirkt. Die Phosphordosis beträgt deshalbvorzugsweise weniger als 1 · 10¹² Atome/cm², waseiner Oberflächenkonzentrationvon 1 · 10¹⁷ Atome/cm³ entspricht.
[0122] Eingleicher Effekt kann erhalten werden durch eine n-leitende Schicht 38d hoherKonzentration, die etwa in der halben Emitterelektrodenseite derDurchbruchfestigkeitsstrukturregion gemäß 22 gebildet ist. Diese Schicht 38d wirdgebildet durch Phosphorionenimplantation mit einer Dosis unter 1 · 10¹² Atome/cm². DieErfindung liefert mit dieser Ausführungsform eine Durchbruchfestigkeitsstruktur,die das Durchreichen der Verarmungsschicht selbst im Fall der Rückwärtsvorspannungvermeidet. Wie durch diese Beispiele gezeigt wird, wird der Ortzur Bildung der Schicht hoher Konzentration in Abhängigkeitvon der Wahl der höheren Durchbruchspannung,nämlichob die Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtunghöher ist,bestimmt.
[0123] 23 zeigt in einer Charakteristikdie Änderungder Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtungbei einem Langzeit-THB-Test (temperature humidity biased test, Temperatur-Feuchtigkeits-Belastungstest).Beim THB-Test werden in Rückwärtsrichtungsperrende IGBT Chips in ein "zweiin einem"-Modulmontiert, in welchem zwei Chips in Serie geschlossen sind, um soein Modul zu bilden. An das Modul wird eine in Sperrichtung gerichteteVorspannung von 960 V angelegt, mit einer höheren Spannung an der Emitterelektrodeals an der Kollektorelektrode eines IGBT Chips für einen unteren Arm oder Zweig(lower arm chip). Das Modul ist in einer Umgebung von 85 % relativerFeuchtigkeit (RH) und 125 °Cangeordnet. Ein konventionel les Bauteil mit einer Durchbruchsfestigkeitsstrukturaus einer Widerstandsschicht beginnt, die Durchbruchsspannung nach1000 Stunden zu erniedrigen. Im Gegensatz dazu zeigt das erfindungsgemäße Bauteileine stabile Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtung nach über 3000Stunden und selbst bei 5000 Stunden. Die Erfindung schafft so eineDurchbruchsfestigkeitsstruktur, die eine stabile Fähigkeitdes Sperrens in Rückwärtsrichtungin Langzeitzuverlässigkeitstestszeigt.
[0124] DieErfindung ist auch gewerblich verwertbar. Sie ergibt einen in Rückwärtsrichtungsperrenden IGBT, der einen Matrixkonverter ohne in Reihe geschalteteDiode ermöglicht.

权利要求:
Claims (15)
[1] In Rückwärtsrichtungsperrendendes Halbleiterbauteil, umfassend: eine Driftschicht(3) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eineMOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht (4)eines zweiten Leitfähigkeitstyps,die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht (3) ausgebildetist, einer Emitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps,die selektiv in einem Oberflächenbereichder Basisschicht (4) ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm(6), der einen Oberflächenbereichder Basisschicht (4) zwischen der Emitterregion (5)und der Driftschicht (3) überdeckt, und einer Steuerelektrode(7), die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm (6)gebildet ist; eine Emitterelektrode (8) in Kontaktmit sowohl der Emitterregion (5) als auch der Basisschicht(4); eine Trennisolierregion (11) des zweitenLeitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht(3) umgibt und sich überdie gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht(9) des zweiten Leitfähigkeitstyps,die an der Rückseiteder Driftschicht (3) ausgebildet ist und Verbindung zurRückseiteder Trennisolierregion (11) hat; und eine Kollektorelektrodein Kontakt mit der Kollektorschicht (9); dadurchgekennzeichnet, daß einAbstand W größer istals eine Dicke d, wobei der Abstand W der Abstand zwischeneiner äußerstenPosition eines Teils der Emitterelektrode (8), wobei dieserTeil in Kontakt mit der Basisschicht (4) steht, und einerinnersten Position der Trennisolierregion (11) ist unddie Dicke d die Dimension in Tiefenrichtung der Driftschicht (3)ist.
[2] Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Kollektorschicht(9) an der Rückseiteder Driftschicht (3) gebildet ist, deren Dicke reduziertworden ist.
[3] Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß Gitterfehlerzumindest in der Basisschicht (4) eingebaut sind.
[4] Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,daß Fehlerhomogen an der gesamten Vorderseite des Halbleiterbauteils zwecksReduzierung der Lebenszeit von Minoritätsträgern im Halbleiterbauteil eingebautsind.
[5] In Rückwärtsrichtungsperrendendes Halbleiterbauteil, auch nach einem der Ansprüche 1 bis4, umfassend: eine Driftschicht (34) eines erstenLeitfähigkeitstyps; eineMOS-Steuerelektrodenstruktur mit einer Basisschicht (24)eines zweiten Leitfähigkeitstyps,die selektiv in der Vorderseite der Driftschicht (34) ausgebildetist, einer Emitterregion (32) des ersten Leitfähigkeitstyps,die selektiv in einem Oberflächenbereichder Basisschicht (24) ausgebildet ist, einem Steuerelektroden-Isolierfilm,der einen Oberflächenbereichder Basisschicht (24) zwischen der Emitterregion (32)und der Driftschicht (34) überdeckt, und einer Steuerelektrode(7), die auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm gebildetist; eine Emitterelektrode (28) in Kontakt mit sowohlder Emitterregion (32) als auch der Basisschicht (24); eineTrennisolierregion (31) des zweiten Leitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur über die Driftschicht(34) umgibt und sich überdie gesamte Dicke der Driftschicht erstreckt; eine Kollektorschicht(29) des zweiten Leitfähigkeitstyps,die an der Rückseiteder Driftschicht (34) ausgebildet ist und Verbindung zurRücksei teder Trennisolierregion (31) hat; eine Kollektorelektrode(35) in Kontakt mit der Kollektorschicht (29); eineMehrzahl von Feldbegrenzungsschichten (25) des zweitenLeitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich der Driftschicht (34) zwischen derEmitterelektrode (28) und der Trennisolierregion (31),wobei jede der Feldbegrenzungsschichten eine Ringform aufweist;und eine Mehrzahl von Feldbegrenzungselektroden (27, 27a, 27b, 27c),von denen jede in Kontakt mit einer der Feldbegrenzungsschichten(25) steht, mit einer Ringform und auf schwebendem elektrischenPotential; dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Feldbegrenzungselektroden(27a) auf der Seite der Emitterelektrode (28)existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektroden auf der Seiteder Emitterelektrode einen Teil (29a) einer Erstreckungnach außenhat, der größer istals ihr Teil der Erstreckung nach innen; und daß eine Anzahlder Feldbegrenzungselektroden (27b) auf der Seite der Trennisolierregion(31) existiert und jede dieser Feldbegrenzungselektrodenauf der Seite der Trennisolationsregion einen Teil (29b)einer Erstreckung nach innen hat, der größer ist als ihr Teil der Erstreckungnach außen.
[6] Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß esweiterhin jeweils wenigstens eine Schicht (38c, 38d)hoher Konzentration des ersten Leitfähigkeitstyps in wenigstenseinem Teil der Vorderseitenregion der Driftschicht (34)zwischen der Emitterelektrode (28) und der Trennisolierregion(31) umfaßt,wobei die Schicht hoher Konzentration eine höhere Verunreinigungskonzentrationenthältals die Driftschicht.
[7] Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß dieOberflächenVerunreinigungskonzentration in der Schicht (38c, 38d)hoher Konzentration unter 10¹⁷ cm^-3 liegt.
[8] Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder einem derauf Anspruch 5 rückbezogenenAnsprüche6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand Wg zwischen denbenachbarten Feldbegrenzungsschichten (25) höher istals das Zweifache eines MaßesW_bi, wobei W_bi dieDicke einer eingebauten Verarmungsschicht (36) ist, diesich von der Feldbegrenzungsschicht (25) zur Driftschicht(34) im Betriebszustand erstreckt, in dem die Emitterelektrode(28) und die Kollektorelektrode (35) auf gleichemelektrischem Potential liegen.
[9] Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einemder auf Anspruch 5 rückbezogenenAnsprüche6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß W_{G i} > 1,6X_j + 2 W_bi, wobei W_Gi = die Breite eines Isolatorfilms (26)zwischen der (i-1)ten Feldbegrenzungsschicht (25) und deri-ten Feldbegrenzungsschicht (25), X_j =die Diffusionstiefe der Feldbegrenzungsschicht (25), und W_bi = die Dicke einer eingebauten Verarmungsschicht(36), die sich von der Feldbegrenzungsschicht (25)zur Driftschicht (34) in einem Betriebszustand erstreckt,in dem die Emitterelektrode (28) und die Kollektorelektrode(35) auf gleichem elektrischen Potential liegen.
[10] Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einemder auf Anspruch 5 rückbezogenenAnsprüche6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke W_drift derDriftschicht (34) die Ungleichung in der folgenden Formel(2) erfüllt.
[11] Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einemder auf Anspruch 5 rückbezogenenAnsprüche6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Summe ΣL_Ni und eine Summe ΣL_OPi dieUngleichung ΣL_OPi/ΣL_Ni < 0,7 erfüllen, wobeiL_OPi der Abstand zwischen der (i-1)ten Feldbegrenzungselektrode(27) und der i-ten Feldbegrenzungsschicht (25)ist.
[12] Halbleiterbauteil nach Anspruch 5 oder nach einemder auf Anspruch 5 rückbezogenenAnsprüche6 bis 11, gekennzeichnet durch eine im Zwischenbereich angeordneteFeldpufferregion (33) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereichder Driftschicht (34) zwischen einerseits den Feldbegrenzungselektroden(27a) auf der Seite der Emitterelektrode (28)und andererseits den Feldbegrenzungselektroden (27b) aufder Seite der Trennisolierregion (31).
[13] Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtungsperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstelleneines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einerMOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgen den Prozeßschritte:Selektives Bilden einer Basisschicht (4) eines zweitenLeitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einerEmitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereichder Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6)auf der Oberflächeder Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregionund der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet, undBilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm;Bilden einer Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohlder Emitterregion als auch der Basisregion; selektives Bildeneiner peripheren Region des zweiten Leitfähigkeitstyps, die die MOS-Steuerelektrodenstrukturunter Zwischenlage eines Teils des außerhalb der MOS-Steuerelektrodenstrukturliegenden Substrats umgibt, wobei ein Teil der peripheren Regioneine Trennisolierregion (11) wird; Entfernen einesrückseitigenOberflächenbereichdes Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion,so daß siesich überdie gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht(3) des ersten Leitfähigkeitstypsinnerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht(9) des zweiten Leitfähigkeitstypsan der Rückseiteder Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseiteder Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrodein Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet,daß dieSchritte der Herstellung des Halbleiterbauteils so durchgeführt werden,daß einAbstand W größer istals eine Dicke d, wobei der Abstand W der Abstand von einer äußerstenPosition eines Teils der Emitterelektrode (8), der in Kontaktmit der Basisschicht (4) steht, bis zu einer innerstenPosition der Trennisolierregion (11) ist und die Dicked die Dimension in Richtung der Tiefe der Driftschicht (3)ist; und die Schritte der selektiven Bildung der peripherenRegion so, daß erzur Trennisolierregion (11) wird, durchgeführt werdendurch Diffundieren von Verunreinigungen unter Verwendung einer Diffusionsmaskeeines Oxidfilms (26), der auf der Vorderseitenfläche desSubstrats gebildet wird, wobei der Oxidfilm eine Dicke X_ox hat, die eine Ungleichung gemäß der folgendenFormel (1) erfüllt:
[14] Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtungsperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstelleneines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einerMOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgenden Prozeßschritte:Selektives Bildern einer Basisschicht (4) eines zweitenLeitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einerEmitterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenbereichder Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6)auf der Oberflächeder Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregionund der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet,und Bilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bildeneiner Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripherenRegion des zweiten Leitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teilsdes außerhalbder MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobeiein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion (11)wird; Entfernen eines rückseitigenOberflächenbereichdes Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion,so daß siesich überdie gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht(3) des ersten Leitfähigkeitstypsinnerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht(9) des zweiten Leitfähigkeitstypsan der Rückseiteder Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseiteder Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrodein Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet, daß Gitterdefekte homogenin die gesamte Vorderseitenflächedes Halbleiterbauteils zum Zweck einer Reduzierung der Lebenszeitder Minoritätsträger im Halbleiterbauteilmit einer Energie unter 5 MeV und einer Dosis unter 100 kGy eingeführt werden.
[15] Verfahren zum Herstellen eines in Rückwärtsrichtungsperrenden Halbleiterbauteils, mit den Verfahrensschritten: Bereitstelleneines Substrats eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einerMOS-Steuerelektrodenstruktur, einschließlich der folgenden Prozeßschritte:Selektives Bilden einer Basisschicht (4) eines zweitenLeitfähigkeitstypsim Vorderseitenbereich des Substrats, selektives Bilden einer Emitterregion(5) des ersten Leitfähigkeitstypsin einem Oberflächenbereichder Basisschicht, Bilden eines Steuerelektroden-Isolierfilms (6)auf der Oberflächeder Basisschicht, wobei sich diese Oberfläche zwischen der Emitterregionund der emitterregionfreien Vorderseitenfläche des Substrats befindet,und Bilden einer Steuerelektrode (7) auf dem Steuerelektroden-Isolierfilm; Bildeneiner Emitterelektrode (8) in Kontakt mit sowohl der Emitterregionals auch der Basisregion; selektives Bilden einer peripherenRegion des zweiten Leitfähigkeitstyps,die die MOS-Steuerelektrodenstruktur unter Zwischenlage eines Teilsdes außerhalbder MOS-Steuerelektrodenstruktur liegenden Substrats umgibt, wobeiein Teil der peripheren Region eine Trennisolierregion (11)wird; Entfernen eines rückseitigenOberflächenbereichdes Substrats mit einer gegebenen Dicke zur Bildung der Trennisolierregion,so daß siesich überdie gesamte Dicke erstreckt, und zur Bildung einer Driftschicht(3) des ersten Leitfähigkeitstypsinnerhalb der Trennisolierregion; Bilden einer Kollektorschicht(9) des zweiten Leitfähigkeitstypsan der Rückseiteder Driftschicht und Verbinden der Kollektorschicht mit der Rückseiteder Trennisolierregion; und Bilden einer Kollektorelektrodein Kontakt mit der Kollektorschicht; dadurch gekennzeichnet,daß Gitterfehlerzumindest in der Basisschicht durch Elektronenstrahlbestrahlung miteiner Dosis im Bereich von 20 kGy bis 60 kGy eingeführt werden.

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法律状态:
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2010-11-18| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: FUJI ELECTRIC SYSTEMS CO., LTD., TOKYO/TOKIO, JP |

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