DE10004548B4

DE10004548B4 - Trench-IGBT

Info

Publication number: DE10004548B4
Application number: DE10004548A
Authority: DE
Inventors: Koh Yoshikawa
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: JP2000228519A; DE10004548A1; JP3924975B2; US6380586B1

Abstract

Trench-IGBT, umfassend:
eine Driftschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
Wannenzonen (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv ausgebildet sind und voneinander beanstandet in einem Oberflächenbereich der Driftschicht (1) angeordnet sind,
Emitterzonen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps, die jeweils in den Wannenzonen (2) ausgebildet sind,
Trenche (7), die sich von den Emitterzonen (3) durch die Wannenzonen (2) zur Driftschicht (1) erstrecken,
eine Gateelektrode (10) in jedem der Trenche (7), die unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms in dem Trench vergraben ist,
eine Emitterelektrode (11), die sowohl mit den Emitterzonen (3) als auch den Wannenzonen (2) in Kontakt steht,
eine Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht (1),
und eine Kollektorelektrode (12) auf der Kollektorschicht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Driftschicht (1) Abschnitte aufweist, die sich zwischen den Wannenzonen (2) erstrecken, und
die Trenche (7) jeweilige nicht von einer der Wannenzonen (2) oder einer der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sogenannten Trench-IGBT, d. h. einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate, bei dem der Metallfilm eines MOS-Aufbau, umfassend den Metallfilm, einen Oxidfilm und ein Halbleitermaterial, in einem Graben, einem sogenannten ”Trench”, in dem Oberflächenabschnitt eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist.
IGBTs zeichnen sich durch die hohe Durchbruchsspannung und die hohe Strombelastbarkeit von Bipolartransistoren sowie die Hochfrequenzeigenschaften von MOSFETs aus. In der letzten Zeit hat man die Durchbruchsspannung und die Strombelastbarkeit von IGBTs weiter erhöht, und so wurden Hochleistungsbauelemente mit einer Durchbruchsspannung von 2500 bis 4500 V und einer Strombelastbarkeit von etlichen hundert bis zu 1800 A entwickelt. Diese Hochleistungsbauelemente enthalten ein modulartiges Gehäuse oder ein sogenanntes Flat-Package, in dem mehrere IGBT-Chips parallel angeordnet sind.
18 zeigt einen Querschnitt eines herkömmlichen planaren IGBT (nachfolgend als ”P-IGBT” bezeichnet). Bei diesem in 18 gezeigten IGBT sind Wannenzonen 2, ausgehend von einer der Hauptflächen einer schwach dotierten und damit hohen Widerstand aufweisenden n Driftschicht 1, selektiv ausgebildet. In dem Oberflächenabschnitt der Wannenzonen 2 sind n Emitterzonen 3 selektiv ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 ist unter Zwischenlage eines Oxidfilms 6 über dem Teil einer jeweiligen Wannenzone 2 ausgebildet, der sich zwischen der Driftschicht 1 und einer Emitterzone 3 erstreckt. Eine Emitterelektrode 11 steht sowohl mit den Wannenzonen 2 als auch den Emitterzonen 3 in Kontakt. Eine p Kollektorschicht 4 ist unter Zwischenlage einer stark dotierten n Pufferschicht 5 auf der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ausgebildet. Die Pufferschicht 5 ist stärker dotiert als die Driftschicht 1. Eine Kollektorelektrode 12 steht mit der Kollektorschicht 4 in Kontakt.
Es soll nun die Arbeitsweise des P-IGBT erläutert werden. Im Einschaltmodus wird eine Inversionsschicht (nachfolgend als ”Kanal” bezeichnet) im Oberflächenabschnitt der Wannenzone 2 dadurch gebildet, daß an die Gateelektrode eine positive Spannung oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts angelegt wird, während die Kollektorelektrode 12 positiv vorgespannt ist und die Emitterelektrode 11 negativ vorgespannt ist oder auf Masse liegt. Elektronen werden jeweils von einer Emitterzone 3 durch den Kanal zur Driftschicht 1 injiziert. Die injizierten Elektronen senken das Potential der Pufferschicht 5 bezüglich desjenigen der Kollektorschicht 4. Wenn die Spannung in Durchlaßrichtung über dem pn-Zonenübergang zwischen der Pufferschicht 5 und der Kollektorschicht 4 die Sperrschicht- oder Schwellenspannung von etwa 0,6 V erreicht, werden Löcher von der Kollektorschicht 4 über die Pufferschicht 5 in die Driftschicht 1 injiziert. Die injizierten Elektronen und Löcher sammeln sich in der Driftschicht 1 an, wo sie sich elektrisch neutralisieren. Die angesammelten Elektronen und Löcher modulieren die Leitfähigkeit der Driftschicht 1, was zu einem sehr niedrigen Widerstand der Driftschicht 1 führt. Durch diesen sehr niedrigen Widerstand der Driftschicht 1 schaltet der IGBT ein. Nachfolgend werden Elektronen und Löcher, die sich im Übermaß in der Driftschicht 1 im Einschaltzustand des IGBT angesammelt haben, als die ”akkumulierten Ladungsträger” bezeichnet. Die im Einschaltzustand von der Kollektorschicht 4 injizierten Löcher durchlaufen die Wannenzonen 2 und fließen von der Emitterelektrode 11, die mit den Wannenzonen 2 in Kontakt steht, ab.
Die oben beschriebene Arbeitsweise ist die gleiche wie die bei einem pnp Transistor aus der p Kollektorschicht 4, der n Driftschicht 1 und einer p Wannenzone 2. Der Spannungsabfall, der im Einschaltzustand des IGBT über dem Kollektor und dem Emitter bei einem bestimmten Strom (normalerweise dem Nennstrom) hervorgerufen wird, wird ”Sättigungsspannung” genannt.
Im Abschaltmodus verschwindet der Kanal zwischen einer jeweiligen Emitterzone 3 und der Driftschicht 1, wenn die an die Gateelektrode 10 angelegte positive Spannung vermindert wird. Während der Kanal zwischen der Emitterzone 3 und der Driftschicht 1 verschwindet stoppt die Elektroneninjektion von der Emitterzone 3, und die von der Kollektorschicht 4 zur Driftschicht 1 über die Pufferschicht 5 injizierten Löcher nehmen ab. die akkumulierten Ladungsträger in der Driftschicht 1 bilden Paare in der Driftschicht 1 und verschwinden. Elektronen können andererseits über die Kollektorschicht 4 von der Kollektorelektrode 12 abfließen, während Löcher über die Wannenzonen 2 von der Emitterelektrode 11 abfließen können. Wenn all die akkumulierten Ladungsträger verschwunden sind, wird der Widerstand der Driftschicht 1 sehr hoch, was zum Ausschaltzustand des IGBT führt. Der Verlust während der Zeitspanne des Übergangs vom Einschaltzustand zum Ausschaltzustand wird als ”Abschaltverlust” bezeichnet.
Wie oben beschrieben, sind der Einschaltzustand und der Ausschaltzustand des IGBT vom Verhalten der Elektronen und Löcher in der Driftschicht 1 bestimmt. Wenn viele Ladungsträger im Einschaltzustand in der Driftschicht 1 akkumuliert werden, ist die Sättigungsspannung infolge des niedrigen Widerstands der Driftschicht 1 gering. Da jedoch dann entsprechend viele akkumulierte Ladungsträger beim Abschalten entfernt werden müssen, ist der Abschaltverlust hoch. Wenn wenige Ladungsträger im Einschaltzustand in der Driftschicht 1 akkumuliert werden, ist der Abschaltverlust gering, da nur wenige akkumulierte Ladungsträger zu entfernen sind. Dagegen ist dann die Sättigungsspannung infolge des hohen Widerstands der Driftschicht 1 hoch.
Es besteht somit ein Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung im Leitzustand des IGBT und niedrigen Abschaltverlusten beim Abschalten des IGBT, da die Sättigungsspannung zunimmt, wenn der Abschaltverlust abnimmt und umgekehrt. Für die Anwendung von IGBTs bei Stromrichtern unterschiedlichster Art ist es wichtig, diesen Widerspruch zwischen der Sättigungsspannung und dem Abschaltverlust zu verringern, um Wärmeverluste zu reduzieren.
Der IGBT wurde in den frühen Achtzigern erfunden. Seitdem sind verschiedene Maßnahmen untersucht worden, um den erwähnten Widerspruch zwischen der Sättigungsspannung und dem Abschaltverlust zu verringern. Typische Maßnahmen schließen eine Pufferschicht zwischen einer Basisschicht und einer Kollektorschicht und ein Verfahren zur Steuerung der Ladungsträgerlebensdauer in der Basisschicht ein.
Es ist jedoch schwierig, den Widerspruch zwischen der Sättigungsspannung und dem Abschaltverlust allein durch Ändern der Gesamtmenge an Elektronen und Löchern, die in die Driftschicht 1 injiziert werden, zu verringern. Der Widerspruch kann dadurch entschärft werden, daß die Verteilungen der Elektronen und Löcher, die in das Halbleitersubstrat bzw. die Driftschicht 1 injiziert werden, verringert werden. Es ist darauf hingewiesen worden, daß man zur Verringerung des genannten Widerspruchs die Menge an Ladungsträgern erhöhen kann, die sich an der Seite der Emitterelektrode des IGBT ansammeln.
In letzter Zeit ist ein (nachfolgend als ”T-IGBT” bezeichneter) IGBT vorgeschlagen worden, der eine Entschärfung des genannten Widerspruchs dadurch ermöglicht, daß ein MOS-Gate in einem Trench ausgebildet wird, welches in den Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats eingebracht wird.
19 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen T-IGBT. Wie dargestellt, sind p Wannenzonen 2 und n Emitterzonen 3 ausgehend von einer der Hauptflächen einer schwach dotierten n Driftschicht 1 ausgebildet. Ein Trench 7 (Graben) erstreckt sich von der Oberfläche einer jeweiligen Emitterzone 3 bis zur Driftschicht 1. Eine Gateelektrode 10 ist unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms 6 in dem Trench 7 ausgebildet. An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 sind eine n Pufferschicht 5 und auf dieser eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet. Eine Emitterelektrode 11 steht gemeinsam mit den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. Eine Kollektorelektrode 12 steht mit der Kollektorschicht 4 in Kontakt.
Die Parameter eines beispielhaften T-IGBT mit einer Nennspannung von 4500 V und einer Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 sind wie folgt. Der spezifische Widerstand der Driftschicht 1 beträgt 320 Ω·cm. Die Dicke der Driftschicht 1 beträgt 490 μm. Die Tiefe des Trenches 7 beträgt 6 μm. Die kurze Seitenlänge des Bodens des Trenches 7 beträgt 2 μm. Der Abstand zwischen benachbarten Trenchen beträgt 10 μm. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der Wannenzonen 2 beträgt 4 × 10¹⁷ cm^–3. Die Tiefe der Wannenzonen 2 beträgt 5 μm. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der Emitterzonen 3 beträgt 1 × 10²⁰ cm^–3. Die Tiefe der Emitterzonen 3 beträgt etwa 0,5 μm. Die Breite der Emitterzonen 3 beträgt 1 μm. Die Dicke des Gateisolierfilms 6 beträgt 80 nm. Die Dicke eines Isolierfilms 8 liegt bei etwa 1 μm. Ein Lebensdauerkiller ist in einen Teil der Driftschicht 1 dotiert. Die Sättigungsspannung des T-IGBT liegt bei etwa 6,3 V bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C.
Die Prinzipien zum Einschalten und Ausschalten des T-IGBT sind die gleichen wie beim P-IGBT.
Da jedoch die Kanäle beim P-IGBT auf der Seite der Emitterelektrode statt der Seite der pn-Zonenübergänge zwischen der Driftschicht 1 und den Wannenzonen 2 gebildet werden, engen Verarmungsschichten, die sich von den pn-Zonenübergängen ausbreiten, die Stromwege ein (was auch als ”J-FET-Effekt” bezeichnet wird), was die Sättigungsspannung erhöht. Infolge des J-FET-Effekts ist der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem niedrigen Abschaltverlust beim P-IGBT kritischer. Im Gegensatz dazu werden die Kanäle beim T-IGBT auf der Seite der Kollektorelektrode anstelle der Seite der pn-Zonenübergänge zwischen der Driftschicht 1 und den Wannenzonen 2 geschaffen. Daher tritt keinerlei J-FET-Effekt auf.
Daher ist der T-IGBT zur Verringerung des Widerspruchs zwischen niedriger Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust vorteilhaft, da der T-IGBT ermöglicht, die Sättigungsspannung zu verringern, ohne den Abschaltverlust zu erhöhen.
Da es nötig ist, den spezifischen Widerstand und die Dicke der Driftschicht 1 zu erhöhen, um die hohe Durchbruchsspannung eines IGBT aufrecht zu erhalten, wird der Widerspruch zwischen niedriger Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust beim P-IGBT schlechter als beim T-IGBT, wenn die Durchbruchsspannung zunimmt.
Die Wannenzonen 2, die mit der Emitterelektrode 11 in Kontakt stehen, nehmen bei dem T-IGBT auf der Seite der Emitterelektrode 11 eine größere Fläche ein als beim P-IGBT. Infolgedessen neigen die von der Kollektorschicht 4 injizierten Löcher dazu, zu diffundieren bzw. sich zu verteilen und zur Emitterelektrode 11 zu fließen, was die Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode 11 senkt. Daher besteht noch ein gewisser Spielraum für eine weitere Entschärfung des Widerspruchs zwischen niedriger Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust.
Es gibt Berichte über einen Injektions-Anreicherungs-IGBT, einen sogenannten IEGT, und einen T-IGBT mit p Wannenzonen, die nicht in elektrischer Verbindung mit einer Emitterelektrode stehen, als Beispiele, die den Widerspruch zwischen niedriger Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust durch Erhöhung der Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode 11 verringern. Der IEGT und der T-IGBT, über die berichtet wurde, haben jedoch komplizierte Strukturen und eignen sich nicht für eine Massenproduktion.
Ein Trench-IGBT gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 197 22 441 C2 bekannt. Bei dem bekannten IGBT umfasst jede einer Vielzahl von Einheitszellen zwei Trenche, von denen ein erster mit einer Seite an eine Wannenzone und die darin ausgebildete Emitterzone angrenzt, während der zweite mit seiner dem ersten Trench abgewandten Seite an eine Löcherabziehzone gleichen Leitungstyps wie der Wannenzone angrenzt. Zwischen die beiden Trenchen einer solchen Einheitszelle erstreckt sich die Driftschicht, währe.
Aus der US 5,821,580 A ist ein Trench-IGBT (Haupt-IGBT) bekannt, dessen Aufbau demjenigen der oben erläuterten 19 entspricht, jedoch zusätzlich eine Stromfühleranordnung aufweist, die aus einem oder mehreren Trench-IGBTs gleichen Aufbaus besteht. Die Trenche des Haupt-IGBT einerseits und derjenige oder diejenigen der Stromfühleranordnung andererseits sind in gesonderten Wannenzonen, und die Driftschicht 2 erstreckt sich zwischen diesen beiden Wannenzonen bis zur Substratoberfläche.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Trench-IGBT (T-IGBT) zu schaffen, der es ermöglicht, den Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen Abschaltverlust durch Erhöhen der Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode mit einem einfachen Aufbau zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Trench-IGBT gemäß Patentanspruch 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dadurch, daß in der Hauptfläche der Driftschicht Abschnitte gelassen werden, in denen keine Wannenzonen ausgebildet sind, wird verhindert, daß von der Kollektorschicht injizierte Löcher diffundieren und durch die Emitterelektrode abfließen, was die Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode erhöht. Die Leitfähigkeitsmodulation wird durch Erhöhen der Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter verbessert, und als Folge davon, wird die Sättigungsspannung verringert.
Vorzugsweise sind in den Abschnitten an der Hauptoberfläche der Driftschicht, in denen keine Wannenzonen ausgebildet sind, dotierte Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps mit stärkerer Dotierung als die Driftschicht ausgebildet. Diese dotierten Zonen tragen weiter dazu bei, daß verhindert wird, daß die von der Kollektorschicht injizierten Löcher diffundieren und über die Emitterelektrode abfließen. Die injizierten Löcher neutralisieren die Elektronen in den dotierten Zonen. Die Löcherkonzentration in der Nachbarschaft der dotierten Zonen wird erhöht, wodurch die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht wird. Infolge der kombinierten Wirkungen wird die Konzentration akkumulierter Ladungsträger auf Seiten der Emitterelektrode in großem Umfang erhöht.
Vorzugsweise beträgt die Oberflächendotierstoffkonzentration in den dotierten Zonen 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger. Diese Dotierstoffkonzentration ist zu gering, um den Leitfähigkeitstyp der Wannenzonen umzukehren. Eine Oberflächendotierstoffkonzentration von 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger reicht aber aus, eine ausreichende Menge an Löchern zu induzieren, um die Löcherkonzentration in der Nachbarschaft der dotierten Zonen zu erhöhen.
Vorteilhafterweise sind Hilfsgateelektroden oberhalb der jeweiligen ausgedehnten Abschnitte der Driftschicht angeordnet, die sich zwischen den Wannenzonen erstrecken, oder oberhalb der jeweiligen dotierten Zonen, und zwar unter Zwischenlage entsprechender Hilfsgateoxidfilme oder Hilfsgateisolierfilme.
Durch Vorspannen der Hilfsgateelektroden mit einem positiven Potential im Einschaltzustand und mit einem Nullpotential oder einem negativen Potential im Ausschaltzustand werden Elektronen im Oberflächenabschnitt der Driftschicht unterhalb der Hilfsgateelektroden angesammelt. Die von der Kollektorschicht injizierten Löcher werden aufgrund der Coulomb'schen Kraft zu diesen Teilen hingezogen, wo sich Elektronen angesammelt haben, was zu einer hohen Löcherkonzentration führt. Damit wird die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht.
Wenn die Gateelektroden mit den jeweiligen Hilfsgateelektroden verbunden werden, können die Hilfsgateelektroden im Einschaltzustand auf ein positives Potential vorgespannt werden und eine einzige Stromversorgung kann zum Anlegen der Vorspannung genutzt werden.
Wenn die Trenche jeweilige nicht von irgendeiner Wannenzone oder irgendeiner Emitterzone umgebene Abschnitt aufweisen, werden Elektronen in den Oberflächenabschnitten der Seitenwände der Trenche durch Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode in den jeweiligen Trenchen akkumuliert. Die akkumulierten Elektronen erhöhen die Löcherkonzentration, was die Konzentration akkumulierter Ladungsträger weiter erhöht.
Dadurch, daß die Trenche und die Wannenzonen in senkrecht zueinander verlaufenden Streifen angeordnet werden, ist es leicht die Trenche mit Abschnitten zu versehen, die nicht von irgendeiner Wannenzone oder einer Emitterzone umgeben werden.
Die Weiterbildungen der Ansprüche 9 bis 11 ermöglichen es jeweils die Trenche mit Abschnitten zu versehen, die von keiner Wannenzone oder Emitterzone umgeben sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A1-Typ) gemäß einem ersten Beispiels (Hintergrund der Erfindung),
2 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A2-Typ) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A3-Typ) gemäß einem zweiten Beispiel (Hintergrund der Erfindung),
4 eine Querschnittsansicht eines T-IGBT (A4-Typ) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherverteilungen bei den T-IGBTs gemäß der Erfindung mit der Löcherverteilung bei einem herkömmlichen T-IGBT,
6(a) eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B11-Typ) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6(b) eine Draufsicht auf den T-IGBT von 6(a),
7(a) eine Querschnittsansicht der Schnittebene A in den 6(a) und 6(b),
7(b) eine Querschnittsansicht der Schnittebene B in den 6(a) und 6(b),
7(c) eine Querschnittsansicht der Schnittebene C in den 6(a) und 6(b),
8 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B12-Typ) gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B13-Typ) gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B14-Typ) gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11(a) eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B21-Typ) gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11(b) eine Draufsicht auf den T-IGBT von 11(a),
12(a) eine Querschnittsansicht der Schnittfläche A in den 11(a) und 11(b),
12(b) eine Querschnittsansicht der Schnittebene B in den 11(a) und 11(b),
13 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B22-Typ) gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B23-Typ) gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
15 eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT (B24-Typ) gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
16 eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Sättigungsspannung und der Bodenbreite des Trenches wiedergibt,
17 eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherkonzentrationsverteilungen bei einigen beispielhaften T-IGBTs mit dem Verhältnis der Breite des Trenches zur Wannenzone als Parameter,
18 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen P-IGBT, und
19 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen T-IGBT.
In den nachstehend beschriebenen Figuren sind dieselben Bezugszeichen wie in den 18 und 19 zur Bezeichnung gleicher Komponenten verwendet. Elektronen sind die Majoritätsladungsträger in Zonen und Schichten, die mit dem Zusatz ”n” bezeichnet sind, während Löcher die Majoritätsladungsträger in den Zonen und Schichten sind, die mit dem Zusatz ”p” bezeichnet sind.
Erstes Beispiel (Hintergrund der Erfindung)
1 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem ersten Beispiel (Hintergrund der Erfindung), der nachfolgend als A1-Typ T-IGBT bezeichnet werden soll. Alle T-IGBTs einschließlich des A1-Typs gemäß der Erfindung stellen Beispiele mit einer Nennspannung von 4500 V und einer Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 dar.
Gemäß Darstellung in 1 sind Gräben oder Trenche 7 von einer Hauptfläche einer n Driftschicht 1 mit dem spezifischen Widerstand von 320 Ω·cm und einer Dicke von 490 μm ausgebildet. Die Trenche 7 haben eine Tiefe von 6 μm und sind 100 μm voneinander beabstandet. Die kurze Seite des Bodens der Trenche weist eine Länge von 2 μm auf. Eine p Wannenzone 2 ist parallel zu und in Kontakt mit jedem Trench 7 ausgebildet. Die Wannenzone 2 weist eine Breite von 10 μm und eine Tiefe von 5 μm auf. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n Emitterzonen 3 ausgebildet, die jeweils eine Breite von 1 μm und eine Tiefe von 0,5 μm aufweisen. Die Wannenzonen 2 sind beispielsweise durch Implantieren von Borionen und thermische Diffusion der implantierten Borionen gebildet worden. Die Emitterzonen 3 sind beispielsweise durch Implantieren von Phosphorionen und thermische Diffusion der implantierten Phosphorionen gebildet. Die Oberflächendotierstoffdichte beträgt 4 × 10¹⁷ cm^–3 für die Wannenzonen 2 und 1 × 10²⁰ cm^–3 für die Emitterzonen 3. Eine Gateisolierfilm 6 ist durch Abscheiden eines Oxidfilms einer Dicke von 80 nm auf der Innenfläche des Trenches 7 in jedem dieser Trenche ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist in jedem Trench 7 auf dem Gateisolierfilm 6 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas und einer Dicke von etwa 1 μm bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht durch die Fenster in diesem Isolierfilm 8 hindurch mit den Emitterzonen und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in 1 gezeigt. Auf der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ist zunächst eine n⁺ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 12 ist an der Kollektorschicht 4 ausgebildet. Die Pufferschicht 5 ist starker dotiert als die Driftschicht 1. Die Pufferschicht 5 und die Kollektorschicht 4 werden beispielsweise durch Implantieren jeweiliger Dotierstoffionen und thermische Diffusion der implantierten Dotierstoffionen ausgebildet. Die maximale Dotierstoffkonzentration in der Pufferschicht beträgt 2 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke der Pufferschicht 5 beträgt 5 μm. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der Kollektorschicht 4 beträgt 2 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der Kollektorschicht 4 beträgt 1 μm. Ein Metallgateanschluß ist in Kontakt mit den Gateelektroden 10 im nicht dargestellten Teil der 1 ausgebildet.
Der A1-Typ T-IGBT von 1 unterscheidet sich von dem T-IGBT in 19 dadurch, daß bei dem A1-Typ T-IGBT die Wannenzonen 2 selektiv ausgebildet sind und benachbarte Wannenzonen durch die Driftschicht 1 voneinander getrennt sind. Die Breite des sich zwischen den Wannenzonen 2 erstreckenden Abschnitts der Driftschicht 1 beträgt 80 μm.
Wenn der Abschaltverlust des A1-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspannung bei etwa 6,2 V bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C. Somit ist der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und geringem Abschaltverlust bei dem A1-Typ T-IGBT gemäß dem ersten Beispiel verringert. Alle anderen im Folgenden beschriebenen T-IGBTs gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden ebenfalls durch Vergleich ihrer Sättigungsspannungen bei demselben Abschaltverlust bewertet werden.
5 zeigt eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherverteilungen bei den T-IGBTs gemäß dem ersten und zweiten Beispiel und dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Löcherverteilung des herkömmlichen T-IGBT. Die Ordinate in 5 zeigt die Löcherkonzentration in logarithmischem Maßstab, und die Abszisse zeigt die Tiefe von der Halbleiteroberfläche. Die linke Seite der Figur entspricht der Emitterelektrode und die rechte Seite der Kollektorelektrode. Die Abmessungen und die Parameter der beispielhaften T-IGBTs sind die gleichen wie jene desjenigen des ersten Beispiels. Die in 5 gezeigten Löcherverteilungen wurden durch Simulation bei der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C erhalten.
Wie in 5 gezeigt, ist die Löcherkonzentration bei dem T-IGBT des A1-Typs gemäß dem ersten Beispiel auf der Seite der Emitterelektrode höher als bei dem herkömmlichen T-IGBT. Da wegen des neutralen Zustands nahezu die gleiche Menge an Elektronen vorhanden ist, ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 hoch. Somit wird eine Leitfähigkeitsmodulation in der Driftschicht 1 verursacht, die zu einer niedrigen Sättigungsspannung für den IGBT führt. Infolge der niedrigen Sättigungsspannung ist der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen Abschaltverlust verringert.
Erstes Ausführungsbeispiel
2 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als A2-Typ T-IGBT bezeichnet wird.
Der IGBT des A2-Typs unterscheidet sich von dem des A1-Typs dadurch, daß bei ersterem stark dotierte n⁺ Zonen 9 in den Abschnitten an der Hauptoberfläche ausgebildet sind, in denen sich keine Wannenzonen 2 befinden. Die dotierten Zonen 9 sind stärker dotiert als die Driftschicht 1. Die dotierten Zonen 9 werden beispielsweise durch Implantieren von Dotierstoffionen und thermische Diffusion der implantierten Ionen ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration in den dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 10¹⁵ cm^–3, und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 μm. Da die Oberflächendotierstoffkonzentration der Wannenzonen 2 um zwei Größenordnungen höher als diejenige der dotierten Zonen 9 liegt, werden die Wannenzonen 2 nicht zu n Zonen verändert.
Wenn der Abschaltverlust des A2-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspannung bei etwa 6,0 V bei der Stromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung bei dem A2-Typ T-IGBT, die durch Simulation unter der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 bei der Temperatur von 125°C erhalten wurde, ist in 5 gezeigt. Wie man sieht, liegt die Löcherkonzentration bei dem A2-Typ T-IGBT auf der linken Seite der Figur höher als bei dem A1-Typ T-IGBT, um die Elektronen in den dotierten Zonen 9 zu neutralisieren. Infolge der höheren Löcherkonzentration ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 höher, was in einer Sättigungsspannung resultiert, die niedriger als die des A1-Typ T-IGBT ist.
Zweites Beispiel (Hintergrund der Erfindung)
3 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem zweiten Beispiel (Hintergrund der Erfindung), der nachfolgend als A3-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Der IGBT dieses A3-Typs unterscheidet sich von dem A1-Typ gemäß dem ersten Beispiel dadurch, daß eine Hilfsgateelektrode 13 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von 1 μm über dem ausgedehnten Abschnitt der Driftschicht 1 angeordnet ist, der sich zwischen den Wannenzonen 2 erstreckt, wobei ein Hilfsgateisolierfilm 6a aus einem Oxid mit einer Dicke von 80 nm dazwischengefügt ist. Die Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit den Gateelektroden 10 verbunden.
Wenn der Abschaltverlust des A3-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, dann liegt die Sättigungsspannung bei etwa 5,7 V bei der Stromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung in dem A3-Typ T-IGBT, die durch Simulation bei der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C erhalten wurde, ist in 5 gezeigt. Wie aus 5 ersichtlich, ist die Löcherkonzentration des A3-Typ T-IGBT auf der linken Seite der Figur höher als die des A2-Typ T-IGBT, und zwar aufgrund der Löcher zur Neutralisierung der Elektronen, die sich unter den Hilfsgateelektroden 13 ansammeln. Infolge der höheren Löcherkonzentration ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 hoch, was dazu führt, daß die Sättigungsspannung kleiner als die des A2-Typ T-IGBT ist. Infolge der niedrigen Sättigungsspannung wird der Widerspruch zwischen einer niedrigen Sättigungsspannung und einem geringen Abschaltverlust verringert.
Zweites Ausführungsbeispiel
4 ist eine Querschnittsansicht eines T-IGBT gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als A4-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser A4-Typ T-IGBT besitzt einen Aufbau, der sich durch Kombination des A2-Typs mit dem A3-Typ ergibt.
Wenn der Abschaltverlust des A4-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspannung bei etwa 5,5 V bei der Stromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C.
Die Löcherverteilung in dem A4-Typ T-IGBT, die durch Simulation für die Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 bei einer Temperatur von 125°C gewonnen wurde, ist in 5 gezeigt. Wie in 5 dargestellt, liegt die Löcherkonzentration bei dem A4-Typ T-IGBT höher als die beim A3-Typ T-IGBT, was auf die Kombination der Wirkungen des A2-Typs und des A3-Typs zurückzuführen ist. Infolge der hohen Löcherkonzentration ist die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 hoch, was zur Folge hat, daß die Sättigungsspannung niedriger als beim A3-Typ T-IGBT ist.
Tabelle 1 vergleicht die Sättigungsspannungen der T-IGBTs der Typen A1 bis A4 gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen T-IGBT bei der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C. Tabelle 1

T-IGBTs Sättigungsspannung (V) (40 A·cm^–2, 125°C)

A1-Typ 6,2

A2-Typ 6,0

A3-Typ 5,7

A4-Typ 5,5

Stand der Technik 6,3
Der A2-Typ T-IGBT mit seinen n⁺ dotierten Zonen 9 und der A3-Typ T-IGBT mit seinen Hilfsgateelektroden 13 verringern die Sättigungsspannung deutlich. Der A4-Typ T-IGBT, der die Strukturen des A2-Typs mit denen des A3-Typs vereint, verringert die Sättigungsspannung noch weiter.
Wie aus 5 deutlich erkennbar, nimmt die Konzentration akkumulierter Ladungsträger an der Oberflächenseite mit niedriger werdender Sättigungsspannung in der Reihenfolge des Typs A1, A2, A3 und A4 zu.
Drittes Ausführungsbeispiel
6(a) ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B11-Typ T-IGBT bezeichnet wird. 6(b) ist eine Draufsicht auf den T-IGBT von 6(a). 7(a) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene A in den 6(a) und 6(b). 7(b) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene B in den 6(a) und 6(b). 7(c) ist ein Querschnitt längs der Schnittebene C in den 6(a) und 6(b).
Gemäß Darstellung in den 6(a) und 6(b) sind Trenche 7 ausgehend von einer der Hauptflächen einer n Driftschicht 1 mit einem spezifischen Widerstand von 320 Ω·cm ausgebildet. Die Trenche 7 sind 6 μm tief und weisen eine kurze Seitenlänge ihres Bodens von 2 μm auf. Die Trenche sind 10 μm voneinander beabstandet. Senkrecht zu den Trenchen 7 verlaufend sind p Wannenzonen 2 ausgebildet. Die Wannenzonen 2 weisen eine Breite von 20 μm und eine Tiefe von 5 μm auf. Sie sind im Abstand von 80 μm voneinander angeordnet. Im Oberflächenbereich jeder der Wannenzonen 2 sind n Emitterzonen 3 ausgebildet, die jeweils eine Breite von 1 μm, eine Länge von 10 μm und eine Tiefe von 0,5 μm aufweisen. Ein Gateisolierfilm 6 ist in jedem der Trenche 7 durch Abscheiden eines Oxidfilms einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche des Trenches 7 ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem Gateisolierfilm 6 im Trench 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit etwa 1 μm Dicke bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht über die Fenster in dem Isolierfilm 8 mit den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in 6(a) gezeigt. An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 sind eine n⁺ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 12 ist an der Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Wie in 6(b) gezeigt, verlaufen die Trenche 7 und die Wannenzonen senkrecht zueinander. Die Emitterzonen 3 erstrecken sich parallel zu den Trenchen 7.
Der in 7(a) gezeigte Schnitt A ist der gleiche wie der des in 19 gezeigten T-IGBT. Die Wannenzonen 2 nehmen den gesamten Raum zwischen den Trenchen 7 ein. Der Schnitt B in 7(b) ist ein Querschnitt längs eines Trenches und gleicht dem entsprechenden Querschnitt des herkömmlichen T-IGBT. In dem in 7(c) gezeigten Schnitt C sind die Wannenzonen 2 voneinander getrennt, was einen Unterschied zum herkömmlichen T-IGBT darstellt.
Wenn der Abschaltverlust des B11-Typ T-IGBT etwa 400 mJ beträgt, liegt die Sättigungsspannung bei etwa 4,8 V bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C. Bei dem B11-Typ T-IGBT werden Elektronen in den Abschnitten der Driftschicht 1 akkumuliert, in denen keinerlei Wannenzone 2 ausgebildet ist und die mit den Trenchen 7 in Kontakt stehen, in welchen die Gateelektroden 10 vergraben sind. In Verbindung mit der Elektronenansammlung nimmt die Löcherkonzentration zu, was zu einer erhöhten Ladungsträgerkonzentration in der Driftschicht 1 führt. Die erhöhte Ladungsträgerkonzentration in der Driftschicht 1 verringert die Sättigungsspannung.
Viertes Ausführungsbeispiel
8 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B12-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B12-Typ T-IGBT unterscheidet sich von dem vorgenannten B11-Typ darin, daß n⁺ dotierte Zonen 9 in den Abschnitten der Hauptfläche ausgebildet sind, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 10¹⁵ cm^–3 und ihre Tiefe 5 μm.
Die Sättigungsspannung des B12-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C etwa 4,5 V. Die gegenüber dem B11-Typ noch weiter verminderte Sättigungsspannung wird der Tatsache zugeschrieben, daß die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 aus den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A2-Typ T-IGBTs genannten Gründen erhöht ist.
Fünftes Ausführungsbeispiel
9 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBTs gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B13-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Gemäß 9 unterscheidet sich der B13-Typ T-IGBT von dem B11-Typ darin, daß eine Hilfsgateelektrode 13 aus polykristallinem Silicium mit einer Dicke von 1 μm über dem verlängerten Abschnitt der Driftschicht 1 angeordnet ist, der sich jeweils zwischen Wannenzonen 2 erstreckt. Die Hilfsgateelektroden 13 liegen auf einem zwischengefügten Hilfsgateisolierfilm 6a aus einem Oxid mit einer Dicke von 80 nm. Die Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit den Gateelektroden 10 verbunden. Wie in 9 gezeigt, können die Emitterzonen 3 senkrecht zu den Trenchen 7 und parallel zu den Wannenzonen 2 verlaufen.
Die Sättigungsspannung des B13-Typ T-IGBT liegt bei etwa 4,2 V bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C. Die gegenüber dem B12-Typ T-IGBT weiter verringerte Sättigungsspannung ist der Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 zuzuschreiben, die aus früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A3-Typ T-IGBT beschriebenen Gründen erhöht ist.
Sechstes Ausführungsbeispiel
10 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B14-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B14-Typ T-IGBT vereint die Strukturen des B12-Typs mit denen des B13-Typs. In den gesamten Oberflächenabschnitten, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind, sind n⁺ dotierte Zonen 9 ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration dieser dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 10¹⁵ cm^–3, und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 μm. Eine Hilfsgateelektrode 13 einer Dicke von 1 μm befindet sich auf einem 80 nm dicken Hilfsgateisolierfilm 6a über den dotierten Zonen 9. Die Hilfsgateelektroden 13 sind elektrisch mit einer Gateelektrode 10 verbunden.
Die Sättigungsspannung des B14-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C etwa 4,0 V. Die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in dem B14-Typ T-IGBT ist infolge der kombinierten Wirkungen des B12-Typs und des B13-Typs höher, was zu einer niedrigeren Sättigungsspannung als die des B13-Typ T-IGBT führt.
Seibtes Ausführungsbeispiel
11(a) ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B21-Typ T-IGBT bezeichnet wird. 11(b) ist eine Draufsicht auf den T-IGBT von 11(a). 12(a) ist eine Schnittansicht längs der Schnittebene A in den 11(a) und 11(b). 12(b) ist eine Schnittansicht längs der Schnittebene B in den 11(a) und 11(b).
Wie aus den 11(a) und 11(b) hervorgeht, sind Trenche 7 ausgehend von einer der Hauptflächen einer n Driftschicht 1 ausgebildet, die einen spezifischen Widerstand von 320 Ω·cm aufweist. Die Trenche 7 haben eine Tiefe von 6 μm und am Boden eine kurze Seitenlänge von 25 μm. Sie sind um 10 μm voneinander beabstandet. Im Kontakt mit den kurzen Seiten der Trenche sind p Wannenzonen 2 ausgebildet. Die Wannenzonen 2 weisen eine Breite von 10 μm und eine Tiefe von 5 μm auf. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n Emitterzonen 3 mit einer Breite von 1 μm und einer Tiefe von 0,5 μm ausgebildet. Ein Gateisolierfilm 6 ist durch Abscheiden eines Oxidfilms mit einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche des Trenches 7 ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem Gateisolierfilm 6 in jedem der Trenche 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit einer Dicke von etwa 1 μm bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht mit den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in 11(a) gezeigt.
An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ist eine n⁺ Pufferschicht 5 ausgebildet, auf der sich eine p Kollektorschicht 4 befindet. An der Kollektorschicht 4 ist eine Kollektorelektrode 12 ausgebildet.
Wie in 11(b) gezeigt, verlaufen die Trenche 7 und die Wannenzonen 2 senkrecht zueinander. Die Emitterzonen 3 des B21-Typ T-IGBT verlaufen anders als jene des B11-Typs ebenfalls senkrecht zu den Trenchen 7.
Die Schnittebene A, die in 12(a) gezeigt ist, stellt einen Querschnitt längs der langen Seite von Trenchen 7 dar und zeigt, daß die Trenche 7 voneinander beabstandet sind. Zwischen den Trenchen 7 sind die Wannenzonen 2 ausgebildet. In 12(b) sind die Wannenzonen 2 voneinander beabstandet, und die Emitterzonen 3 im Oberflächenabschnitt jeder der Wannenzonen 2 sind erkennbar.
Die Sättigungsspannung des B21-Typ T-IGBT liegt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C bei etwa 5,1 V. In dem B21-Typ T-IGBT werden Elektronen in den Abschnitten der Driftschicht 1 angesammelt, in denen keinerlei Wannenzone 2 ausgebildet ist und die mit den Trenchen 7 in Kontakt stehen, in welchen die Gateelektroden 10 vergraben sind. In Zusammenhang mit der Elektronenansammlung steigt die Löcherkonzentration, was die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 erhöht. Die erhöhte Ladungsträgerkonzentration in der Driftschicht 1 verringert die Sättigungsspannung.
Achtes Ausführungsbeispiel
13 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B22-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Dieser B22-Typ T-IGBT unterscheidet sich von dem vorgenannten B21-Typ darin, daß n⁺ dotierte Zonen 9 in den Abschnitten der Hauptfläche ausgebildet sind, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind. Die Oberflächendotierstoffkonzentration der dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 10¹⁵ cm^–3, und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 μm.
Die Sättigungsspannung des B22-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C etwa 4,8 V. Die gegenüber dem B21-Typ weiter verringerte Sättigungsspannung ist auf die erhöhte Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 zurückzuführen, die auf den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A2-Typ T-IGBT erläuterten Gründen beruht.
Neuntes Ausführungsbeispiel
14 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B23-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Gemäß Darstellung in 14 unterscheidet sich der B23-Typ T-IGBT von dem B21-Typ dadurch, daß eine Hilfsgateelektrode 13 einer Dicke von 1 μm auf einem Hilfsgateisolierfilm 6a einer Dicke von 80 nm über dem ausgedehn ten Abschnitt der Driftschicht 1 angeordnet ist, der sich jeweils zwischen den Wannenzonen 2 erstreckt. Die Hilfsgateelektrode 13 ist elektrisch mit einer Gateelektrode 10 verbunden.
Die Sättigungsspannung des B23-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C etwa 4,6 V. Die gegenüber dem B22-Typ T-IGBT weiter verringerte Sättigungsspannung ist darauf zurückzuführen, daß die Konzentration akkumulierter Ladungsträger in der Driftschicht 1 aus den früher in Verbindung mit der Sättigungsspannung des A3-Typ T-IGBT erläuterten Gründen erhöht ist.
Zehntes Ausführungsbeispiel
15 ist eine perspektivische Ansicht eines T-IGBT gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nachfolgend als B24-Typ T-IGBT bezeichnet wird. Bei diesem B24-Typ T-IGBT sind die Strukturen des B22-Typs und des B23-Typs kombiniert. In den Oberflächenabschnitten, die von den Wannenzonen 2 und den Trenchen 7 umgeben sind, sind n⁺ dotierte Zonen 9 ausgebildet. Die Oberflächendotierstoffkonzentration dieser dotierten Zonen 9 beträgt 1,0 × 10¹⁵ cm^–3, und ihre Tiefe liegt bei etwa 5 μm. Eine Hilfsgateelektrode 13 einer Dicke von 1 μm ist auf einem Hilfsgateisolierfilm 6a einer Dicke von 80 nm über den dotierten Zonen 9 angeordnet. Die Hilfsgateelektrode 13 ist elektrisch mit einer Gateelektrode 10 verbunden.
Die Sättigungsspannung des B24-Typ T-IGBT beträgt bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C etwa 4,4 V. Die Konzentration akkumulierter Ladungsträger ist bei dem B24-Typ T-IGBT infolge der kombinierten Wirkungen des B22-Typs und des B23-Typs höher, was zu einer niedrigeren Sättigungsspannung als beim B23-Typ T-IGBT führt.
Tabelle 2 vergleicht die Sättigungsspannungen der T-IGBTs der Typen B11 bis B14 und der Typen B21 bis B24 gemäß der Erfindung bei der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C. Tabelle 2

T-IGBT's Sättigungsspannung (V) (40 A·cm^–2, 125°C)

B11-Typ 4,8

B12-Typ 4,5

B13-Typ 4,2

B14-Typ 4,0

B21-Typ 5,1

B22-Typ 4,8

B23-Typ 4,6

B24-Typ 4,4
Die Sättigungsspannungen der B-Typ T-IGBTs sind niedriger als diejenigen des herkömmlichen T- IGBT. Die dotierten Zonen 9, die Hilfsgateelektroden 13 und eine Kombination aus dotierten Zonen 9 und Hilfsgateelektroden 13 sind wirkungsvolle Maßnahmen zur Verringerung der Sättigungsspannung.
In einem weiteren Bespiel (Hintergrund der Erfindung), im Folgenden als C1-Typ T-IGBT bezeichnet (ähnlich dem in 13 dargestellten T-IGBT) sind Trenche 7 ausgehend von einer der Hauptflächen einer n Driftschicht 1 ausgebildet, die einen spezifischen Widerstand von 320 Ω·cm aufweist. Die Trenche 7 sind 6 μm tief und haben am Boden eine kurze Seitenlänge von 25 μm. Sie sind um 5 μm voneinander beabstandet. Zwischen den Trenchen 7 sind p Wannenzonen 2 einer Tiefe von 5 μm ausgebildet. Im Oberflächenabschnitt jeder Wannenzone 2 sind n Emitterzonen 3 ausgebildet, die jeweils eine Breite von 1 μm und eine Tiefe von 0,5 μm aufweisen. Ein Gateisolierfilm 6 ist durch Abscheiden eines Oxidfilms einer Dicke von 80 nm an der Innenfläche jedes Trenches 7 in diesem Trench ausgebildet. Eine Gateelektrode 10 aus polykristallinem Silicium ist auf dem Gateisolierfilm 6 in jedem Trench 7 ausgebildet. Ein Isolierfilm 8 aus Borphosphorsilikatglas mit einer Dicke von etwa 1 μm bedeckt die Hauptfläche mit Ausnahme eines Teiles der Oberflächen der Emitterzonen 3 und der Wannenzonen 2. Eine Emitterelektrode 11 steht mit den Emitterzonen 3 und den Wannenzonen 2 in Kontakt. In vielen Fällen erstreckt sich die Emitterelektrode 11 über den Isolierfilm 8, wie in 11(a) gezeigt. An der anderen Hauptfläche der Driftschicht 1 ist eine n⁺ Pufferschicht 5 und darauf eine p Kollektorschicht 4 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 12 ist auf der Kollektorschicht 4 ausgebildet.
Einige experimentelle T-IGBTs wurden mit unterschiedlichen Bodenweiten der Trenche 7 von 2,5 bis 45 μm bei mit 5 μm gleichbleibender Breite der Wannenzonen 2 hergestellt.
16 ist eine graphische Darstellung, die in Kurvenform den Zusammenhang zwischen der Sättigungsspannung und der Bodenbreite der Trenche zeigt. In 16 ist auf der Ordinate die Sättigungsspannung bei einer Stromdichte von 40 A·cm^–2 und einer Temperatur von 125°C aufgetragen, während auf der Abszisse das Verhältnis W_t/W_p der Bodenweite W_t der Trenche 7 zur Breite W_p der Wannenzonen 2 aufgetragen ist. Bei einem Verhältnis W_t/W_p gleich oder größer als 1, d. h. wenn die Bodenbreite der Trenche 7 5,0 μm oder mehr beträgt, wird die Sättigungsspannung wirkungsvoll verringert. Das Verhältnis W_t/W_p bei herkömmlichen T-IGBTs liegt bei etwa 0,25.
17 zeigt eine Kurvenschar zum Vergleich der Löcherkonzentrationsverteilungen in einigen beispielhaften T-IGBTs einschließlich des C1-Typs mit dem Verhältnis W_t/W_p als Parameter. Auf der Ordinate ist in logarithmischem Maßstab die Löcherkonzentration und auf der Abszisse die Tiefe von der Oberfläche aufgetragen. Die Löcherkonzentrationsverteilungen wurden durch Simulation bei der Nennstromdichte von 40 A·cm^–2 und der Temperatur von 125°C erhalten. 17 zeigt, daß die Löcherkonzentration im Halbleiter mit zunehmendem Verhältnis W_t/W_p höher wird. Damit wird die Sättigungsspannung mit zunehmender Löcherkonzentration geringer.
Obwohl Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit n-Kanal IGBTs beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung ebenso auf p-Kanal IGBTs anwendbar, wobei nur die Leitfähigkeitstypen gegen den jeweils entgegengesetzten Typ vertauscht werden müssen.
Wie voranstehend beschrieben, wird der Widerspruch zwischen einer geringen Sättigungsspannung und einem niedrigen Abschaltverlust bei Trench-IGBTs, bei denen eine Gateelektrode in einem Graben oder Trench unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms vergraben ist, mit den folgenden Maßnahmen verringert.

(1) Die Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps weist ausgedehnte oder verlängerte Abschnitte auf, die sich zwischen selektiv ausgebildeten Wannenzonen des zweiten Leitfähigkeitstyps erstrecken.
(2) die Wannenzonen des zweiten Leitfähigkeitstyps sind selektiv in jeweiligen Oberflächenabschnitten der Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, und dotierte Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps, die stärker dotiert sind als die Driftschicht, sind in den anderen Oberflächenteilen der Driftschicht dort, wo sich keine Wannenzonen befinden, ausgebildet.
(3) Hilfsgateelektroden sind über den erstreckten oder ausgedehnten Abschnitten der Driftschicht des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen den Wannenzonen 2 oder über den dotierten Zonen des ersten Leitfähigkeitstyps unter Zwischenlage eines Hilfsgateisolierfilms angeordnet.
(4) Die Trenche enthalten jeweilige Abschnitte, die weder von einer Wannenzone des zweiten Leitfähigkeitstyps noch von einer Emitterzone des ersten Leitfähigkeitstyps umgeben sind.
(5) Das Verhältnis W_t/W_p der Breite W_t des Trenches und der Breite W_p der Wannenzone ist auf einen Wert zwischen 1 und 20 gesetzt.

Diese charakteristischen strukturellen Maßnahmen gemäß der Erfindung tragen zur Erhöhung der Konzentration akkumulierter Ladungsträger bei und verringern damit die Sättigungsspannung. Die genannten Maßnahmen können jede für sich oder in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung trägt nicht nur zur Verringerung des Schaltverlustes bei IGBTs, sondern auch zur Verringerung des Leistungsverlusts bei elektrischen Stromrichtern bei.

Claims

Trench-IGBT, umfassend: eine Driftschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps, Wannenzonen (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv ausgebildet sind und voneinander beanstandet in einem Oberflächenbereich der Driftschicht (1) angeordnet sind, Emitterzonen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps, die jeweils in den Wannenzonen (2) ausgebildet sind, Trenche (7), die sich von den Emitterzonen (3) durch die Wannenzonen (2) zur Driftschicht (1) erstrecken, eine Gateelektrode (10) in jedem der Trenche (7), die unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms in dem Trench vergraben ist, eine Emitterelektrode (11), die sowohl mit den Emitterzonen (3) als auch den Wannenzonen (2) in Kontakt steht, eine Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht (1), und eine Kollektorelektrode (12) auf der Kollektorschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftschicht (1) Abschnitte aufweist, die sich zwischen den Wannenzonen (2) erstrecken, und die Trenche (7) jeweilige nicht von einer der Wannenzonen (2) oder einer der Emitterzonen (3) umgebene Abschnitte aufweisen.
IGBT nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Hilfsgateisolierfilme, die jeweils auf den sich zwischen den Wannenzonen (2) erstreckenden Abschnitten der Driftschicht (1) ausgebildet sind, sowie Hilfsgateelektroden (13), die jeweils auf den Hilfsgateisolierfilmen (6a) angeordnet sind.
Trench-IGBT, umfassend: eine Driftschicht (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps, Wannenzonen (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps im Oberflächenbereich der Driftschicht (1), Emitterzonen (3) des ersten Leitfähigkeitstyps, die jeweils in den Wannenzonen (2) ausgebildet sind, Trenche (7), die sich von den Emitterzonen (3) zur Driftschicht (1) erstrecken, eine Gateelektrode (10) in jedem der Trenche (7), die unter Zwischenlage eines Gateisolierfilms in dem Trench vergraben ist, eine Emitterelektrode (11), die sowohl mit den Emitterzonen (3) als auch den Wannenzonen (2) in Kontakt steht, eine Kollektorschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps an der Rückseite der Driftschicht (1), und eine Kollektorelektrode (12) auf der Kollektorschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Wannenzonen (2) selektiv ausgebildet sind und dass dotierte Zonen (9) des ersten Leitfähigkeitstyps in jeweiligen Oberflächenabschnitten der Driftschicht (1), in denen sich keine Wannenzonen (2) befinden, vorgesehen sind, wobei die dotierten Zonen (9) stärker dotiert sind als die Driftschicht (1).
IGBT nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächendotierstoffkonzentration in den dotierten Zonen 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger beträgt.
IGBT nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfsgateisolierfilme (6a) jeweils auf den dotierten Zonen (9) angeordnet sind und Hilfsgateelektroden (13) jeweils auf den Hilfsgateisolierfilmen (6a) angeordnet sind.
IGBT nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (10) mit den jeweiligen Hilfsgateelektroden (13) verbunden sind.
IGBT nach einem zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenche (7) jeweilige nicht von einer der Wannenzonen (2) oder einer der Emitterzonen (3) umgebene Abschnitte aufweisen.
IGBT nach Anspruch 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenche (7) jeweils streifenförmig ausgebildet sind und die Wannenzonen (2) ebenfalls jeweils streifenförmig ausgebildet sind und sich senkrecht zu den Streifen der Trenche (7) erstrecken.
IGBT nach Anspruch 1, 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen einer jeweiligen Wannenzone (2) in Rechtecke unterteilt ist, die durch die Streifen der Trenche (7) voneinander beabstandet sind.
IGBT nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterzonen (3) jeweils rechteckförmig ausgebildet sind und sich parallel zu den Streifen der Trenche (7) erstrecken.
IGBT nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterzonen (3) jeweils rechteckförmig ausgebildet sind und sich senkrecht zu den Streifen der Trenche (7) erstrecken.
IGBT nach Anspruch 1, 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen eines jeweiligen Trenches (7) in Rechtecke unterteilt ist, die von den Wannenzonen (2) abgeschlossen werden, und die Emitterzonen (3) längs der kurzen Seiten der rechteckförmigen Trenche (7) angeordnet sind.