DE10085054B4 - Trench-IGBT - Google Patents

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Abstract

Trench-IGBT mit verringerter Rückwirkungskapazität, umfassend:
– eine an eine erste Hauptoberfläche (9) eines Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angrenzende Emitterzone (4) eines ersten Leitungstyps,
– eine die Emitterzone (4) im wesentlichen umgebende erste Basiszone (3) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps,
– eine an die erste Basiszone (3) angrenzende zweite Basiszone (2) des ersten Leitungstyps,
– eine an die zweite Basiszone (2) angrenzende und eine zweite Hauptoberfläche (12) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) bildende Kollektorzone (1) des zweiten Leitungstyps,
– eine Gateelektrode (8) in einem mit einer Isolierschicht (7, 17) ausgekleideten Trench (5, 6), der sich von der ersten Hauptoberfläche (9) bis in die zweite Basiszone (2) erstreckt, wobei sich längs des Trenches (5, 6) in der ersten Basiszone (3) zwischen der Emitterzone (4) und der zweiten Basiszone (2) ein aktiver MOS-Kanal des ersten Leitungstyps auszubilden vermag,
– einen die Emitterzone...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Trench-IGBT (IGBT = Bipolartransistor mit isoliertem Gate) nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Unter einem IGBT soll dabei und im folgenden auch ein sogenannter IEGT (IEGT = Injection Enhanced Gated Transistor) verstanden werden. Auf den Aufbau eines IEGTs, der eine besonders für höhere Sperrspannungen vorteilhafte Variante eines IGBTs darstellt, wird weiter unten näher eingegangen werden.
  • Ein Trench-IGBT nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der US 5,326,711 A bekannt.
  • Bei IGBTs hat die Rückwirkungskapazität, die auch als Millerkapazität bezeichnet wird und auf der durch das Gateoxid gebildeten Kapazität beruht, einen wesentlichen Einfluß auf das Ein- und Ausschaltverhalten des IGBTs sowie auf dessen Stabilität im Kurzschlußfall. Eine hohe Rückwirkungskapazität führt nämlich zu längeren Schaltvorgängen und damit erhöhten Schaltverlusten. Im Kurzschlußfall des IGBTs kann sogar eine im Effekt negative Kapazität entstehen, die zu einem instabilen Verhalten, nämlich insbesondere einer Schwingungsneigung und einem unkontrollierbaren Gatespannungs- und Stromanstieg führt (vgl. hierzu I. Omura et al.: IGBT Negative Gate Capacitance and Related Instability Effects, IEEE Electron Device Letters, Vol. 18, No. 12, 1997, S. 622–624, und I. Omura et al.: Oscillation Effects in IGBT's Related to Negative Capacitance Phenomena, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 46, No. 1, 1999, S. 237–244).
  • Bei vielen Ausführungsformen von Trench-IGBTs und vor allem bei Trench-IGBTs, die für höhere Spannungen ab etwa 1200 V eingesetzt werden sollen, ist die an eine n-dotierte Basis angrenzende Gateoxidfläche groß, was zu einer ebenfalls sehr großen Rückwirkungskapazität führt.
  • Die Grundstruktur eines derartigen Trench-IGBTs ist in 2 gezeigt:
    Ein Halbleiterkörper weist eine p-leitende Kollektorzone 1 auf, auf der nacheinander eine erste n-leitende Basiszone 2 und eine zweite p-leitende Basiszone 3 vorgesehen sind. In die p-leitende Basiszone 3 ist eine n-leitende Emitterzone 4 eingebettet. Im vorliegenden Beispiel sind zwei IGBT-Zellen gezeigt, so dass entsprechend zwei Emitterzonen 4 vorhanden sind.
  • Die Emitterzonen 4 und die p-leitende Basiszone 3 werden durch Trenches 5, 6 durchsetzt, die bis in die n-leitende Basiszone 2 reichen. Diese Trenches 5, 6 sind mit einer als Gateoxid wirkenden Isolierschicht 7 aus beispielsweise Siliziumdioxid ausgekleidet. Das Innere der Trenches 5, 6 ist mit einem leitenden Material, wie insbesondere dotiertem polykristallinem Silizium, gefüllt, das eine Gateelektrode 8 bildet. Diese Gateelektrode 8 ist auf einer Hauptoberfläche 9 des Halbleiterkörpers mit einer Isolierschicht 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid abgedeckt, so dass das leitende Material der Gateelektrode 8 von einer als Emitterkontakt 11 dienenden Metallisierung elektrisch getrennt ist.
  • Auf der der Hauptoberfläche 9 gegenüberliegenden anderen Hauptoberfläche 12 des Halbleiterkörpers befindet sich noch ein Kollektorkontakt 13.
  • Ähnliche IGBTs und deren Funktionsweise sind beispielsweise in EP 847 090 A2 und DE 196 51 108 A1 beschrieben.
  • Für höhere Sperrspannungen sind wie bereits erwähnt wurde, besonders IEGTs geeignet, für die Beispiele in den 3, 4 und 5 gezeigt sind.
  • Im Beispiel von 3 ist der Abstand zwischen zwei Zellen durch einen zusätzlichen Trench 14 ohne Emitterzone erweitert, während in den Beispielen von 4 und 5 zwischen den entsprechenden beiden Zellen eine relativ breite p-leitende Zone 15 gelegen ist. Im Beispiel von 5 sind zusätzlich zum Beispiel von 4 noch die leitenden Materialien 8 in Trenches 5, 6 der beiden benachbarten Zellen durch eine Metallisierung 16 miteinander verbunden.
  • Den IEGTs der 3 bis 5 ist als Grundprinzip gemeinsam, dass den über die p-leitende Basiszone 3 als Bodygebiet zu dem eine Vorderseitenmetallisierung bildenden Emitterkontakt 11 abfließenden Löchern nur ein relativ schmaler Strompfad zur Verfügung steht, so dass sich unterhalb dieser Bodygebiete eine hohe Löcherstromdichte und damit ein hoher Ladungsträgergradient einstellt. Dieser hohe Ladungsträgergradient hat eine starke Ladungsträgerüberschwemmung in der bezüglich der Basiszone 3 schwächer dotierten, n-leitenden Basiszone 2 zur Folge. Da vor allem bei einer großen Schichtdicke der n-leitenden Basiszone 2, also bei höher sperrenden IEGTs, der Spannungsabfall in der n-leitenden Basiszone die Durchlassspannung des IEGTs insgesamt bestimmt, lässt sich auf diese Weise trotz des Widerstands, der den Löchern in dem schmalen Strompfad in der p-leitenden Basiszone 3 entgegengesetzt wird, die Durchlassspannung des IEGTs verringern. Dieser schmale Strompfad wird, wie aus den Beispielen der 3 bis 5 zu ersehen ist, dadurch erzeugt, dass die einzelnen Trench-IEGT-Zellen nicht direkt benachbart sind, sondern zwischen sich einen bestimmten Abstand aufweisen, der durch den zusätzlichen Trench 14 oder die breite p-leitende Zone 15 gebildet ist.
  • IEGTs der oben beschriebenen Art sind beispielsweise aus US 5 329 14 A , US 5 448 083 US 5 585 651 A und GB 23 14 206 A bekannt.
  • Ein Nachteil dieser bekannten IEGTs bzw. IGBTs besteht in der großen Rückwirkungskapazität, die eine Folge der großen, nicht für einen MOS-Kanal benötigten Gateoxidfläche ist, welche wiederum auf den großen Abstand zwischen den Zellen zurückzuführen ist.
  • Um diese große Rückwirkungskapazität zu vermindern, wird in der bereits erwähnten DE-A1 196 51 108 ein Trench-IGBT vorgeschlagen, bei dem die in den inaktiven Trenches angeordnete Elektrode (vgl. Trench 14 in 3) nicht an das Gatepotential, sondern an das Potential des Emitterkontaktes bzw. der Vorderseite angeschlossen ist. Ein Nachteil einer derartigen Struktur liegt aber darin, dass ein großer Teil des leitenden Materials in den Trenches, also beispielsweise die Hälfte des polykristallinen Siliziums, nicht für die Leitfähigkeit der Gateelektrode zur Verfügung steht, was den effektiven Gatewiderstand erhöht.
  • Aus EP 837 508 A2 ist ein IGBT bekannt, bei dem die Rückwirkungskapazitat, verringert ist, indem die Gateoxiddicke außerhalb des Kanalbereiches vergrößert ist.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten DE 199 35 442 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Trench-MOS-Leistungstransistors bekannt, bei dem mittels einer Hilfsschicht in einem Trench einer epitaktischen Schicht eine Oxidstufe zwischen einer dickeren Oxidschicht und einer dünneren Oxidschicht erzeugt wird, um speziell bei tiefen Trenches das Auftreten von Spitzen des elektrischen Feldes zu vermeiden.
  • Im Einzelnen wird bei diesem Verfahren in einen Halbleiterkörper wenigstens ein Graben eingebracht, der dann mit einem von der Grabeninnenfläche durch eine Isolierschicht getrenn ten leitenden Material wenigstens teilweise ausgefüllt wird, wobei die Isolierschicht so in den Graben eingebracht wird, dass diese im Bereich des unteren Endes des Grabens mit einer größeren Schichtdicke als an dessen oberen Ende versehen ist. Dieses Verfahren weist insbesondere die folgenden Verfahrensschritte auf:
    • – Einbringen wenigstens eines Grabens in den Halbleiterkörper,
    • – Belegen der Wände und des Bodens des Grabens mit einem ersten Isolierfilm,
    • – Auffüllen des unteren Endes des Grabens mit einer ersten Hilfsschicht,
    • – Entfernen der nicht mit der ersten Hilfsschicht belegten Teile des ersten Isolierfilmes,
    • – Entfernen der Hilfsschicht,
    • – Aufwachsen eines zweiten Isolierfilmes, der dünner als die Enddicke des ersten Isolierfilmes ist, auf den freiliegenden Wänden des Grabens,
    • – Füllen des Grabens mit dem leitenden Material und
    • – Einbringen von Source- und Bodyzonen in den Halbleiterkörper und Anbringen von Metallisierungen zur Kontaktierung.
  • 6 zeigt einen solchen Trench-IGBT, der sich von dem Trench-IGBT nach 2 dadurch unterscheidet, dass die Isolierschicht 7 in den unteren Bereichen der Trenche 5, 6 als Dickoxid 17 ausgebildet ist, während sie im Bereich des aktiven MOS-Kanals, also im Bereich der p-leitenden Basiszone 3, einen dünnen Gateoxidfilm bildet. Durch das Dickoxid 17 wird die Rückwirkungskapazität nicht unerheblich verkleinert, wäh rend der Gateoxidfilm mit geringer Schichtdicke nur in dem für die Funktionsfähigkeit des MOS-Kanals notwendigen Bereich vorliegt.
  • Die in 6 gezeigte Struktur mit dem Dickoxid 17 im unteren Bereich der Trenche 5, 6 kann ohne Weiteres durch das oben erläuterte Verfahren mittels der Verfahrensschritte (a) bis (g) erzeugt werden. Für die darin erwähnte Hilfsschicht kann beispielsweise ein Photolack eingesetzt werden, während für die Isolierfilme Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid vorteilhaft sind.
  • Bei einem solchen Trench-IGBT wirkt die Isolierschicht als Gateisolierfilm (bzw. Gateoxid) nur in dem für die Funktionsfähigkeit des MOS-Kanals notwendigen Bereich. Das heißt, die Gateoxidfläche ist auf den für die Funktionsfähigkeit des MOS-Kanals nötigen Bereich begrenzt.
  • Durch diese Maßnahme lässt sich eine nicht unerhebliche Verringerung der Rückwirkungskapazität erzielen.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn in Trench-IGBTs, bei denen nur auf einer Seite des Trenchs ein aktiver MOS-Kanal vorhanden ist, eine dickere Isolierschicht die gesamte inaktive Seite des Trenchs und gegebenenfalls auch einen Teil von dessen Oberseite belegt, während nur im Bereich des aktiven MOS-Kanals, also im Bereich der zweiten Basiszone, anstelle der dickeren Isolierschicht ein dünner Gateisolierfilm vorgesehen ist. Je nach dem Verhältnis der Schichtdicken der dickeren Isolierschicht auf inaktiven Oberflächen des Trenchs zu der Schichtdicke des Gateisolierfilms im Bereich des aktiven MOS-Kanals kann so die Rückwirkungskapazität auf beispielsweise die Hälfte reduziert werden.
  • Der oben erläuterte Trench-IGBT, bei dem nur im Bereich des aktiven MOS-Kanals ein dünner Gateisolierfilm im Trench angebracht wird, während dieser sonst mit der dickeren Isolier schicht ausgelegt ist, lässt sich mittels des obigen Verfahrens beispielsweise dadurch realisieren, dass die Kante einer weiteren Hilfsschicht, die aufgetragen wird, um die Entfernung des ersten Isolierfilmes in maskierten Bereichen zu verhindern, etwa in der Mitte über einem Trench zu liegen kommt.
    •
  • Auf der von der weiteren Hilfsschicht überdeckten Seite des Trenchs ergibt sich dann die dickere Isolierschicht über der gesamten Trenchtiefe, während auf der anderen Seite des Trenchs diese dicke Isolierschicht auf den unteren Teil des Trenchs beschränkt bleibt und im oberen Teil der im Vergleich zur dicken Isolierschicht dünnere Gateisolierfilm erzeugt Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trench-IGBT anzugeben, bei dem auf einfache Weise die Rückwirkungskapazität besonders weit verringert ist, ohne den effektiven Gatewiderstand zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Trench-IGBT mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schnittbild zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen IGBTs und
  • 2 bis 6 Schnittbilder durch aus dem Hand der Technik bekannte IGBTs.
  • Die 2 bis 6 sind bereits eingangs erläutert worden.
  • In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die folgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich wie die Beispiele der 2 bis 6 zur Erläuterung des Standes der Technik auf einen IGBT mit einer n-leitenden Emitterzone. Obwohl dies der bevorzugte Leitungstyp für die Emitterzone ist, kann die Erfindung grundsätzlich auch auf einen Trench-IGBT angewandt werden, bei dem die Emitterzone p-leitend ist.
  • Im Einzelnen zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel (IEGT), bei dem, ähnlich wie bei dem bestehenden IGBT von 3, ein zusätzlicher Trench 17 ohne aktiven MOS-Kanal zwischen zwei IGBT-Zellen vorgesehen ist, um so den Abstand zwischen diesen Zellen zu erweitern. Entsprechend hat dieser zusätzliche Trench 14 ein Dickoxid 17, das auch bei den Trenches 5, 6 der beiden IGBT-Zellen mit Ausnahme des Bereiches des aktiven MOS-Kanals ausgebildet ist. Im Bereich dieses aktiven MOS-Kanals ist die Isolierschicht 7 als Gateoxidfilm mit wesentlich geringerer Schichtdicke als das Dickoxid 17 vorgesehen.
  • Durch die Ausführung der Isolierung als Dickoxid 17 auf allen Bereichen der Trenche 5, 6 und 14 mit Ausnahme der Bereiche der aktiven MOS-Kanäle kann die Rückwirkungskapazität stark vermindert werden.
  • Die Schichtdicke des Dickoxides 17 beträgt vorzugsweise wenigstens das Doppelte der Schichtdicke des Gateoxidfilmes 7.

Claims (6)

  1. Trench-IGBT mit verringerter Rückwirkungskapazität, umfassend: – eine an eine erste Hauptoberfläche (9) eines Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) angrenzende Emitterzone (4) eines ersten Leitungstyps, – eine die Emitterzone (4) im wesentlichen umgebende erste Basiszone (3) eines zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, – eine an die erste Basiszone (3) angrenzende zweite Basiszone (2) des ersten Leitungstyps, – eine an die zweite Basiszone (2) angrenzende und eine zweite Hauptoberfläche (12) des Halbleiterkörpers (1, 2, 3, 4) bildende Kollektorzone (1) des zweiten Leitungstyps, – eine Gateelektrode (8) in einem mit einer Isolierschicht (7, 17) ausgekleideten Trench (5, 6), der sich von der ersten Hauptoberfläche (9) bis in die zweite Basiszone (2) erstreckt, wobei sich längs des Trenches (5, 6) in der ersten Basiszone (3) zwischen der Emitterzone (4) und der zweiten Basiszone (2) ein aktiver MOS-Kanal des ersten Leitungstyps auszubilden vermag, – einen die Emitterzone (4) und die erste Basiszone (3) auf der ersten Hauptoberfläche (9) kontaktierenden Emitterkontakt (11) und – einen an die Kollektorzone (1) auf der zweiten Hauptoberfläche (12) angrenzenden Kollektorkontakt (13), wobei – die Isolierschicht (7, 17) als Gateisolierfilm (7) nur in dem für die Funktionsfähigkeit des MOS-Kanals notwendigen Bereich wirkt, der Gateisolierfilm (7) im Bereich der ersten Basiszone (3) vorgesehen ist und die Isolierschicht (17) im Bereich der zweiten Basiszone (2) eine gegenüber dem Gateisolierfilm größere Schichtdicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, zwischen einzelnen Zellen des Trench-IGBTs ein zusätzlicher Zwischenraum vorgesehen ist, in welchem ein weiterer Trench (14) ohne aktiven MOS-Kanal und mit ganzflächiger dicker Isolierschicht (17) angeordnet ist.
  2. Trench-IGBT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Basiszone (3) auch im zusätzlichen Zwischenraum vorgesehen ist.
  3. Trench-IGBT nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (8) der Trenches (5, 6) von benachbarten Zellen durch eine Metallisierung elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  4. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (8) aus polykristallinem Silizium bestehen.
  5. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Isolierschicht (17) wenigstens das Doppelte der Schichtdicke des Gateoxidfilmes (7) beträgt.
  6. Trench-IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenches (5, 6) nur auf einer Seite mit einem aktiven MOS-Kanals versehen sind, und dass diese Trenches (5, 6) nur auf der Seite des aktiven MOS-Kanals mit einem Gateoxidfilm (7) ausgestaltet sind.
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Cited By (6)

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