DE10147307A1 - Semiconductor device functioning as IGBT with integrated free-running diode has connection zone at edge of semiconductor body, more heavily doped than drift zone - Google Patents
Semiconductor device functioning as IGBT with integrated free-running diode has connection zone at edge of semiconductor body, more heavily doped than drift zoneInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The present invention relates to a semiconductor component according to the features of the preamble of claim 1.
Ein derartiges Bauelement ist unter der Bezeichnung IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) allgemein bekannt und ist beispielsweise in Stengl/Tihanyi: "Leistungs-MOSFET-Praxis", Pflaum Verlag, München, Seiten 105-106, oder in der DE 197 31 495 C2 beschrieben. Die erste Anschlusszone gemäß Anspruch 1 bildet die Source- oder Emitterzone des IGBT, die Injektionszone bildet die Drain- oder Kollektorzone und die Steuerelektrode bildet die Gate-Elektrode. Bei einem n-leitenden IGBT ist die Source-Zone n-dotiert und eine zwischen der Source-Zone und einer n-leitenden Driftzone angeordnete Sperrzone sowie die Injektionszone sind p-dotiert. Bei einem p-leitenden IGBT sind die Source-Zone und die Driftzone in entsprechender Weise p-dotiert und die zwischen der Source- Zone und der Driftzone angeordnete Sperrzone sowie die Injektionszone sind n-dotiert. Die Source-Zone ist über eine Anschlusselektrode üblicherweise mit der Sperrzone, die auch als Body-Zone bezeichnet wird, kurzgeschlossen. Such a component is known as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is well known and is for example in Stengl / Tihanyi: "Power MOSFET practice", Pflaum Verlag, Munich, pages 105-106, or in DE 197 31 495 C2 described. The first connection zone according to claim 1 forms the source or emitter zone of the IGBT, the Injection zone forms the drain or collector zone and the The control electrode forms the gate electrode. With an n-type IGBT is n-doped the source zone and one between the Source zone and an n-type drift zone arranged The exclusion zone and the injection zone are p-doped. At a p-type IGBTs are the source zone and the drift zone in correspondingly p-doped and the between the source Zone and the drift zone arranged exclusion zone and the Injection zones are n-doped. The source zone is over one Connection electrode usually with the exclusion zone, which too is referred to as the body zone, short-circuited.
Ein IGBT unterscheidet sich von einem MOSFET (Metal Oxide Field-Effect Transistor) durch die Injektionszone, die von einem zu der Driftzone komplementären Leitungstyp ist. Diese Injektionszone ist bei einem MOSFET nicht vorhanden, der Drain-Anschluss wird bei einem MOSFET üblicherweise durch eine sich an die Driftzone anschließende stärker dotierte Zone vom selben Leitungstyp wie Driftzone gebildet. Ein IGBT besitzt gegenüber einem MOSFET bekanntlich den Vorteil eines geringeren Einschaltwiderstandes bei gleicher oder höherer Durchbruchspannung. Diese Eigenschaft beruht auf der Injektion von Minoritätsladungsträgern (Löchern bei einem n- leitenden IGBT) aus der Injektionszone in die Driftzone im angesteuerten Zustand des IGBT, das heißt, wenn eine Ansteuerspannung an der Gate-Elektrode und eine Spannung zwischen dem Drain- und Source-Anschluss anliegt. Wegen dieser Injektion von Ladungsträgern, die einen geringen Einschaltwiderstand bewirken, kann insbesondere die Dotierung des Driftzone gering gehalten werden, was wiederum zu einer Erhöhung der Durchbruchspannung beiträgt. An IGBT differs from a MOSFET (Metal Oxide Field-effect transistor) through the injection zone by is a line type complementary to the drift zone. This Injection zone is not available for a MOSFET that In the case of a MOSFET, drain connection is usually performed by a more heavily doped zone adjoining the drift zone formed from the same line type as the drift zone. An IGBT is known to have the advantage of a compared to a MOSFET lower on-resistance at the same or higher Breakdown voltage. This property is based on the Injection of minority charge carriers (holes in an conductive IGBT) from the injection zone into the drift zone in the controlled state of the IGBT, that is, if one Drive voltage at the gate electrode and a voltage between the drain and source connection. Because of these Injection of carriers that have a low Switch-on resistance can, in particular, doping the drift zone be kept low, which in turn leads to an increase in Breakdown voltage contributes.
Aufgrund des üblicherweise vorhandenen Kurzschlusses zwischen der Source-Elektrode und der Body-Zone ist bei einem MOSFET unweigerlich eine Diode vorhanden, die bei einem n-leitenden IGBT in Source-Drain-Richtung leitend gepolt ist und die bei vielen Anwendungen von MOSFET als Freilaufdiode erforderlich ist, wenn der MOSFET entgegen seiner üblichen Spannungsrichtung belastet wird. Eine derartige Freilaufdiode zwischen Source und Drain ist bei einem IGBT wegen des Injektionsgebietes nicht vorhanden. Bei IGBT sind Freilaufdioden daher als zusätzliche Bauelemente erforderlich, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Due to the usually existing short circuit between The source electrode and the body zone is in a MOSFET inevitably there is a diode which is used for an n-type IGBT is conductively polarized in the source-drain direction and at many applications of MOSFET as freewheeling diode required is when the mosfet is contrary to its usual Direction of stress is loaded. Such a freewheeling diode between The source and drain of an IGBT is due to the Injection area not available. With IGBT there are free-wheeling diodes required as additional components, what with additional costs.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit der Funktion eines IGBT mit integrierter Freilaufdiode zur Verfügung zu stellen. The aim of the present invention is a Semiconductor component with the function of an IGBT with integrated To provide freewheeling diode.
Dieses Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. This goal is achieved by a semiconductor device according to the Features of claim 1 solved. advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper mit einer Vorderseite und einer Rückseite auf, wobei eine erste Anschlusszone eines ersten Leitungstyps im Bereich der Vorderseite des Halbleiterkörpers ausgebildet ist. An die erste Anschlusszone schließt sich in dem Halbleiterkörper eine Sperrzone eines zweiten Leitungstyps an, die die erste Anschlusszone von einer Driftzone des ersten Leitungstyps trennt, wobei sich die Driftzone in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers erstreckt. Außerdem ist eine Injektionszone zur Injektion von Minoritätsladungsträgern des zweiten Leitungstyps in die Driftzone vorhanden, wobei die Injektionszone im Bereich einer Rückseite des Halbleiterkörpers ausgebildet ist. Zudem ist eine Steuerelektrode isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper und benachbart zu der Sperrzone angeordnet, um bei Anlegen eines Ansteuerpotentials die Ausbildung eines leitenden Kanals in der Sperrzone zwischen der ersten Anschlusszone und der Driftzone zu bewirken. The semiconductor component according to the invention has one Semiconductor body with a front and a back on, wherein a first connection zone of a first line type in Area of the front of the semiconductor body formed is. The first connection zone follows in the Semiconductor body to a blocking zone of a second conductivity type, the the first connection zone from a drift zone of the first Line type separates, with the drift zone in vertical Extends direction of the semiconductor body. Besides, one is Injection zone for the injection of minority charge carriers second conduction type in the drift zone, the Injection zone in the area of a back of the Semiconductor body is formed. A control electrode is also insulated opposite the semiconductor body and adjacent to the Exclusion zone arranged to the when applying a control potential Formation of a conductive channel in the exclusion zone between the first connection zone and the drift zone.
Die erste Anschlusszone, die Sperrzone, die Driftzone und die Injektionszone bilden einen IGBT, wobei die erste Anschlusszone die Source-Zone, die Injektionszone die Drain-Zone und die Steuerelektrode die Gate-Elektrode des IGBT bilden. Zur Kontaktierung der Source-Zone ist eine Source-Elektrode vorhanden, die außerdem die Source-Zone und die Sperrzone/Body- Zone kurzschließt. The first connection zone, the exclusion zone, the drift zone and the Injection zone form an IGBT, the first Connection zone the source zone, the injection zone the drain zone and the control electrode forms the gate electrode of the IGBT. to Contacting the source zone is a source electrode available, which also the source zone and the exclusion zone / body Zone shorts.
Erfindungsgemäß weist das Bauelement eine stärker als die Driftzone dotierte zweite Anschlusszone des ersten Leistungstyps auf, die am Rand des Halbleiterkörpers angeordnet ist und die einen Anschlusskontakt aufweist. Diese zweite Anschlusszone, die am Rand des Halbleiterkörpers in der Driftzone angeordnet und vom selben Leitungstyp wie die Driftzone aber vom komplementären Leitungstyp wie die Sperrzone ist, bildet zusammen mit einem Teil der Driftzone und der Sperrzone, die an die Source-Elektrode angeschlossen ist, eine Diode, die bei einem n-leitenden IGBT in Source-Drain-Richtung in Flussrichtung gepolt ist. According to the component has a stronger than that Drift zone doped second connection zone of the first Power type, which is arranged on the edge of the semiconductor body and which has a connection contact. This second Connection zone on the edge of the semiconductor body in the Drift zone arranged and of the same line type as the drift zone but of the complementary line type as the exclusion zone, forms together with part of the drift zone and the Exclusion zone, which is connected to the source electrode, a Diode in an n-type IGBT in the source-drain direction is polarized in the direction of flow.
Wegen der bei IGBT üblicherweise geringen Dotierung der Driftzone und einem damit verbundenen hohen elektrischen Widerstand zwischen der Sperrzone und der zweiten Anschlusszone weist die Freilaufdiode auch in Flussrichtung einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand auf, der für viele Anwendungen allerdings tolerierbar ist. Because of the usually low doping of the IGBT Drift zone and associated high electrical Resistance between the exclusion zone and the second connection zone the freewheeling diode also has a direction of flow comparatively high electrical resistance, which for many Applications is tolerable.
Die vorliegende Erfindung ist im Zusammenhang mit unterschiedlichen Arten von IGBT, wie Punch-Through-IGBT (PT- IGBT), Non-Punch-Through-IGBT (NPT-IGBT) oder Feldstopp-IGBT einsetzbar. Diese unterscheiden sich durch den Aufbau im Bereich der Injektionszone. The present invention is related to different types of IGBT, such as punch-through IGBT (PT- IGBT), non-punch-through IGBT (NPT-IGBT) or field stop IGBT used. These differ in the structure in Area of the injection zone.
So schließt sich bei einem NPT-IGBT die Injektionszone, die komplementär zu der Driftzone dotiert ist, direkt an die Driftzone an, während bei einem PT-IGBT eine hochdotierte Zone vom selben Leitungstyp wie die Driftzone zwischen der Driftzone und der Injektionszone ausgebildet ist, um ein von der Source-Zone bei sperrendem IGBT ausgehendes elektrisches Feld zu begrenzen und um die Effektivität der Drain-Zone zu beschränken, wie dies beispielsweise in Stengl/Tihanyi, a. a. O. beschrieben ist. Der Feldstopp-IGBT weist wie der PT- IGBT eine Feldstoppzone zwischen der Injektionszone und der Driftzone auf, wobei die Feldstoppzone höher als die Injektionszone aber geringer als bei einem PT-IGBT dotiert ist, um nur das Durchgreifen eines elektrischen Feldes zu verhindern, die Effektivität der Drain-Zone aber nicht zu beschränken, wie dies beispielsweise in der DE 197 31 495 C2 beschrieben ist. In the case of an NPT-IGBT, the injection zone closes is complementary to the drift zone, directly to the Drift zone, while a PT-IGBT has a highly doped Zone of the same line type as the drift zone between the Drift zone and the injection zone is designed to be one of Electrical outgoing the source zone when IGBT is blocking Limit field and to increase the effectiveness of the drain zone restrict, as for example in Stengl / Tihanyi, a. a. O. is described. The field stop IGBT, like the PT IGBT a field stop zone between the injection zone and the Drift zone, with the field stop zone higher than that Injection zone but less than in the case of a PT-IGBT only to prevent an electric field from reaching through, but not to limit the effectiveness of the drain zone, as described for example in DE 197 31 495 C2 is.
Der IGBT ist im Bereich der Vorderseite vorzugsweise zellenartig aufgebaut, das heißt er weist eine Vielzahl von gleichartigen Source-Zonen, Sperrzonen und Gate-Elektroden auf, wobei die Source-Zonen gemeinsam und die Gate-Elektroden gemeinsam verschaltet sind. Die zweite Anschlusszone ist bei einer Ausführungsform derart ausgebildet, dass sie den Rand des Halbleiterbauelements wenigstens annäherungsweise vollständig umschließt. The IGBT is preferred in the front area built up like a cell, that means it has a multitude of similar source zones, blocking zones and gate electrodes, the source zones being common and the gate electrodes are interconnected. The second connection zone is at an embodiment formed such that the edge of the semiconductor component at least approximately completely encloses.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Feldplatte im Bereich des Randes oberhalb des Halbleiterkörpers vorhanden ist, an die die zweite Anschlusszone angeschlossen ist. Die Feldplatte dient dabei zur Begrenzung des elektrischen Feldes im Randbereich des Halbleiterbauelements. In one embodiment it is provided that a Field plate in the area of the edge above the semiconductor body to which the second connection zone is connected is. The field plate serves to limit the electric field in the edge region of the semiconductor component.
Außerdem ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Anschlusszone elektrisch leitend mit der Injektionszone oder einem Anschlusskontakt der Injektionszone verbunden ist. Das Freilaufelement liegt dann parallel zur Drain-Source-Strecke des IGBT. In addition, in one embodiment of the invention provided that the second connection zone is electrically conductive with the Injection zone or a connection contact of the injection zone connected is. The freewheel element is then parallel to Drain-source section of the IGBT.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt The present invention is hereinafter described in Embodiments explained in more detail with reference to figures. In the figures shows
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht im Querschnitt, Fig. 1 shows an embodiment of a semiconductor device according to the invention in a side view in cross-section,
Fig. 2 Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 in Draufsicht, FIG. 2 A semiconductor device shown in FIG. 1 in top view,
Fig. 3 elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Fig. 3 equivalent electrical circuit diagram of the semiconductor device according to the invention,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht im Querschnitt. Fig. 4 shows another embodiment of a semiconductor device according to the invention in side view in cross section.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung. In the figures, unless otherwise stated, same reference numerals same parts with the same meaning.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, durch welches die Funktion eines IGBT und einer Freilaufdiode realisiert sind. Der IGBT bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Feldstopp IGBT. Fig. 1 shows an embodiment of a semiconductor device according to the invention, by which the function of an IGBT and a free-wheeling diode are realized. The IGBT in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is a field stop IGBT.
Das Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper 100 mit einer Vorderseite 102 und einer Rückseite 104 auf. Im Bereich der Vorderseite sind mehrere stark n-dotierte erste Anschlusszonen 20A, 20B in den Halbleiterkörper 100 eingebracht, die jeweils von p-dotierten Sperrzonen oder Body- Zonen 30A, 30B umgeben sind. Die Sperrzonen 30A, 30B wiederum sind in eine schwach n-dotierte Driftzone 40 eingebracht, die im vorliegenden Fall den Großteil des Halbleiterkörpers 100 bildet. The semiconductor component has a semiconductor body 100 with a front side 102 and a rear side 104 . In the area of the front side, several heavily n-doped first connection zones 20 A, 20 B are introduced into the semiconductor body 100 , each of which is surrounded by p-doped blocking zones or body zones 30 A, 30 B. The blocking zones 30 A, 30 B are in turn introduced into a weakly n-doped drift zone 40 , which in the present case forms the majority of the semiconductor body 100 .
Im Bereich der Rückseite 104 des Halbleiterkörpers 100 ist eine p-dotierte Injektionszone 52 vorhanden, die zur Injektion von Minoritätsladungsträgern, im vorliegenden Fall Löcher, in die Driftzone 40 dient. Diese Injektionszone 52 ist bei dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 in einer der Rückseite 104 zugewandten Bereich einer Feldstopp-Zone 50 ausgebildet, wobei diese Feldstopp-Zone 50 wie die Driftzone 40 n-dotiert jedoch höher als die Driftzone 40 dotiert ist. Die Injektionszone 52 wird vorzugsweise durch Ionenimplantation in die Feldstopp-Zone 50 in dem der Rückseite 104 des Halbleiterkörpers zugewandten Bereich erzeugt. Zudem bewirkt bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine elektrisch leitende, vorzugsweise metallische Schicht 60 auf der Rückseite 104 des Halbleiterkörpers 100 die Erzeugung einer p- dotierten Injektionszone 52 im Grenzbereich zwischen dem Halbleiterkörper 100 und dieser elektrisch leitenden Schicht 60. Die Dotierung der Feldstopp-Schicht 50 ist derart gewählt, dass durch diese ein bei sperrendem IGBT von den Sperrzonen 30A, 30B ausgehendes elektrisches Feld blockiert wird, also nicht bis zur Injektionszone 52 durchgreift, dass die Injektionswirkung der Injektionszone 52 allerdings nicht oder nicht wesentlich abgeschwächt wird. In the area of the rear side 104 of the semiconductor body 100 there is a p-doped injection zone 52 which is used to inject minority charge carriers, in the present case holes, into the drift zone 40 . In the semiconductor component according to FIG. 1, this injection zone 52 is formed in a region of a field stop zone 50 facing the rear side 104 , wherein this field stop zone 50, like the drift zone 40, is n-doped but higher than the drift zone 40 . The injection zone 52 is preferably produced by ion implantation in the field stop zone 50 in the region facing the rear side 104 of the semiconductor body. In addition, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, an electrically conductive, preferably metallic layer 60 on the rear side 104 of the semiconductor body 100 causes the creation of a p-doped injection zone 52 in the boundary region between the semiconductor body 100 and this electrically conductive layer 60 . The doping of the field stop layer 50 is selected in such a way that it blocks an electric field emanating from the blocking zones 30 A, 30 B when the IGBT is blocking, i.e. does not penetrate as far as the injection zone 52 , but that the injection effect of the injection zone 52 does not or not is weakened significantly.
Die ersten Anschlusszonen 20A, 20B bilden die Source-Zone des IGBT, dessen Drain-Zone durch die Injektionszone 52 gebildet wird. Zur Ausbildung eines elektrisch leitenden Kanals zwischen den Source-Zonen 20A, 20B und der Driftzone 40 ist wenigstens eine Gate-Elektrode 70 vorhanden, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in einer Isolationsschicht 76 oberhalb des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist und die sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers von den Source- Zonen 20A, 20B bis zu dem Bereich der Driftzone 40 erstreckt, der bis an die Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 reicht. The first connection zones 20 A, 20 B form the source zone of the IGBT, the drain zone of which is formed by the injection zone 52 . In order to form an electrically conductive channel between the source zones 20 A, 20 B and the drift zone 40 , at least one gate electrode 70 is present, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is arranged in an insulation layer 76 above the semiconductor body 100 and which is located extends in the lateral direction of the semiconductor body from the source zones 20 A, 20 B to the region of the drift zone 40 which extends to the front side 102 of the semiconductor body 100 .
Die Source-Zonen 20A, 20B sind durch eine Source-Elektrode 80, S kontaktiert, die die Source-Zonen 20A, 20B und die die Source-Zonen 20A, 20B umgebenden Sperrzonen 30A, 30B kurzschließt. Vorzugsweise sind, wie nicht näher dargestellt ist, eine Vielzahl von Source-Zonen, die jeweils von Sperrzonen umgeben sind, bei dem Bauelement vorhanden, um die Stromfestigkeit des Bauelements zu erhöhen. The source zones 20 A, 20 B are contacted by a source electrode 80 , S, which short-circuits the source zones 20 A, 20 B and the blocking zones 30 A, 30 B surrounding the source zones 20 A, 20 B. Preferably, as is not shown in more detail, a multiplicity of source zones, which are each surrounded by blocking zones, are present in the component in order to increase the current resistance of the component.
Bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Gate-Elektrode 70 bzw. den Gate-Anschluss G bildet sich ein elektrisch leitender Kanal zwischen den Source-Zonen 20A, 20B und der Driftzone 40 aus, woraus bei Anliegen einer Spannung zwischen der als Drain-Elektrode dienenden elektrisch leitenden Schicht 60 und der Source-Elektrode 80, S ein Stromfluss zwischen der Drain-Elektrode 60 und der Source-Elektrode 80, S resultiert. Hierbei werden Minoritätsladungsträger, im vorliegenden Fall Löcher, aus der Injektionszone 52 in die schwach dotierte Driftzone 40 injiziert, um so den Einschaltwiderstand des IGBT zu reduzieren. Liegt kein Ansteuerpotential an der Gate- Elektrode 70 an, so sperrt das Bauelement sowohl bei Anlegen einer positiven Spannung in Drain-Source-Richtung wegen des np-Übergangs zwischen der Driftzone 40 und der Sperrzone 30 als auch bei Anlegen einer positiven Spannung in Source- Drain-Richtung wegen des np-Übergangs zwischen der Driftzone 40 bzw. der Feldstopp-Zone 50 und der Injektionszone 52. Die Durchbruchspannung hängt dabei im wesentlichen von der Dotierung der Driftzone ab. When a drive potential is applied to the gate electrode 70 or the gate connection G, an electrically conductive channel is formed between the source zones 20 A, 20 B and the drift zone 40 , which results in the presence of a voltage between the as the drain electrode serving electrically conductive layer 60 and the source electrode 80, S, a current flow between the drain electrode 60 and the source electrode 80, S results. In this case, minority charge carriers, in the present case holes, are injected from the injection zone 52 into the weakly doped drift zone 40 in order to reduce the on-resistance of the IGBT. If there is no drive potential at the gate electrode 70 , the component blocks both when a positive voltage is applied in the drain-source direction because of the np transition between the drift zone 40 and the blocking zone 30 and when a positive voltage is applied in the source Drain direction due to the np transition between the drift zone 40 or the field stop zone 50 and the injection zone 52 . The breakdown voltage essentially depends on the doping of the drift zone.
Zur Realisierung einer Freilaufdiode ist bei dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 im Randbereich des Halbleiterkörpers 100 im Bereich von dessen Vorderseite 102 eine stark n- dotierte zweite Anschlusszone 90 vorgesehen, die mittels eines Anschlusskontakts 82, der vorzugsweise aus Aluminium besteht, kontaktiert ist. Die zweite Anschlusszone 90, die vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 40 ist, und die am Rand des Halbleiterkörpers 100 in der Driftzone 40 angeordnet ist, ist stärker dotiert als die Driftzone 40 und bildet zusammen mit der Driftzone 40 und den die Source-Zone 20A, 20B umgebenden Sperrzonen 30A, 30B, die durch die Source-Elektrode 80, S, kontaktiert sind, eine Diode, die in Richtung zwischen dem Source-Anschluss S und dem Anschlusskontakt 82, D1 der zweiten Anschlusszone 90 in Flussrichtung gepolt ist. Dieser Anschlusskontakt 82, D1 ist vorzugsweise, wie gestrichelt dargestellt ist, an den Drain-Anschluss D des IGBT angeschlossen, um bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Source-Anschluss S und dem Drain-Anschluss D einen Freilaufstrom von der Source-Elektrode S über die Sperrzone 30, die Driftzone 40, die zweite Anschlusszone 90 und deren Anschlusskontakt D1 zum Drain-Anschluss D des IGBT zu bewirken. To implement a free-wheeling diode, a heavily n-doped second connection zone 90 is provided in the edge region of the semiconductor body 100 in the region of its front side 102 in the semiconductor component according to FIG. 1, which is contacted by means of a connection contact 82 , which preferably consists of aluminum. The second connection zone 90 , which is of the same conductivity type as the drift zone 40 and which is arranged at the edge of the semiconductor body 100 in the drift zone 40 , is more heavily doped than the drift zone 40 and forms the source zone 20 together with the drift zone 40 and A, 20 B surrounding blocking zones 30 A, 30 B, which are contacted by the source electrode 80 , S, a diode that poles in the direction between the source terminal S and the terminal contact 82 , D1 of the second terminal zone 90 in the direction of flow is. This connection contact 82 , D1 is preferably, as shown in dashed lines, connected to the drain connection D of the IGBT in order to release a freewheeling current from the source electrode S when a positive voltage is applied between the source connection S and the drain connection D. to effect the blocking zone 30 , the drift zone 40 , the second connection zone 90 and their connection contact D1 to the drain connection D of the IGBT.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement weist zudem eine erste Feldplatte 72 auf, die mit einer p-dotierten Zone am Rand des Zellenfeldes, in welchem die Source-Zonen 20A, 20B und die Sperrzonen 30A, 30B ausgebildet sind, elektrisch leitend verbunden ist und die an die Source-Elektrode S angeschlossen ist. Eine weitere Feldplatte 74 ist im Randbereich des Halbleiterbauelements angeordnet und an die zweite Anschlusszone 90 angeschlossen. The component shown in FIG. 1 also has a first field plate 72 , which is electrical with a p-doped zone at the edge of the cell field, in which the source zones 20 A, 20 B and the blocking zones 30 A, 30 B are formed is conductively connected and which is connected to the source electrode S. Another field plate 74 is arranged in the edge region of the semiconductor component and connected to the second connection zone 90 .
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 1 im Bereich der Vorderseite 102. Die in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnete Linie zeigt die Begrenzung des Zellenfeldes, also den Bereich, in dem die Source-Zonen 20A, 20B und die Sperrzone 30a, 30B - wobei in Fig. 2 beispielhaft nur eine ringförmig ausgebildete Source- Zone 20A und eine Sperrzone 30A dargestellt sind - ausgebildet sind. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, umschließt die stark n-dotierte zweite Anschlusszone 90 den Rand des Halbleiterkörpers 100 vollständig, um auf diese Weise den räumlichen Abstand zwischen der zweiten Anschlusszone 90 und den Sperrzonen 30A des Zellenfeldes, die an die Source-Elektrode S angeschlossen sind, möglichst gering zu halten. FIG. 2 shows a top view of a cross section of the semiconductor component according to FIG. 1 in the region of the front side 102 . The line drawn in dashed lines in FIG. 2 shows the boundary of the cell field, that is to say the area in which the source zones 20 A, 20 B and the blocking zone 30 a, 30 B — in FIG. 2, for example, only one ring-shaped source Zone 20 A and a restricted zone 30 A are shown - are formed. As can be seen in Fig. 2, the heavily n-doped encloses second connection zone 90 the edge of the semiconductor body 100 is fully in order in this way to the spatial distance between the second connection zone 90 and the blocking zone 30 A of the cell array, which to the source electrode S are connected to keep them as low as possible.
Auf Grund der schwachen Dotierung der Driftzone 40 weist die durch die Sperrzonen 30A, 30B, die Driftzone 40 und die zweite Anschlusszone 90 gebildete Diode einen vergleichsweise hohen Widerstand bei Anlegen einer Spannung in Flussrichtung der Diode auf. Dieser hohe Widerstand ist für eine Vielzahl von Anwendungen, bei welchen das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement einsetzbar ist, allerdings tolerierbar. Due to the weak doping of the drift zone 40 , the diode formed by the blocking zones 30 A, 30 B, the drift zone 40 and the second connection zone 90 has a comparatively high resistance when a voltage is applied in the direction of flow of the diode. However, this high resistance is tolerable for a large number of applications in which the semiconductor component according to the invention can be used.
Fig. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 1. Dieses Ersatzschaltbild stellt sich als Parallelschaltung eines IGBT T1 und eines MOSFET T2 mit Freilaufdiode DD dar. Der IGBT T1 wird wie bereits erläutert, durch die Source-Zonen 20A, 20B, die die Source-Zonen 20A, 20B umgebenden Sperrzonen 30A, 30B, die Driftzone 40, die Feldstopp-Zone 50 und die Injektionszone 52 mit der elektrisch leitenden Schicht 60 gebildet. Zur Veranschaulichung ist das Schaltsymbol dieses IGBT T1 in Fig. 1 eingezeichnet. Der MOSFET T2 wird durch die Source-Zonen 20A, 20B, die Sperrzonen 30, die Driftzone 40 und die zweite Anschlusszone 90 gebildet, wobei die zweite Anschlusszone 90 den Drain-Anschluss des MOSFET T2 bildet. Bei der vorliegenden Anwendung ist allerdings nur die Freilaufdiode DD dieses MOS- FET T2 relevant, die in Source-Drain-Richtung durch die Sperrzonen 30A, 30B, die Driftzone 40 und die zweite Anschlusszone 90 gebildet ist. Das Schaltsymbol des MOSFET T2 mit der Freilaufdiode DD ist in Fig. 1 zur Verdeutlichung ebenfalls eingezeichnet. FIG. 3 shows the electrical equivalent circuit diagram of the semiconductor component according to FIG. 1. This equivalent circuit diagram is represented as a parallel connection of an IGBT T1 and a MOSFET T2 with free-wheeling diode DD. As already explained, the IGBT T1 is represented by the source zones 20 A, 20 B formed the blocking zones 30 A, 30 B surrounding the source zones 20 A, 20 B, the drift zone 40 , the field stop zone 50 and the injection zone 52 with the electrically conductive layer 60 . The circuit symbol of this IGBT T1 is shown in FIG. 1 for illustration. The MOSFET T2 is formed by the source regions 20 A, 20 B, the barrier regions 30, the drift region 40 and the second connection zone 90, wherein the second connection zone 90 constituting the drain of the MOSFET T2. In the present application, however, only the free-wheeling diode DD of this MOSFET T2 is relevant, which is formed in the source-drain direction by the blocking zones 30 A, 30 B, the drift zone 40 and the second connection zone 90 . The circuit symbol of the MOSFET T2 with the free-wheeling diode DD is also shown in FIG. 1 for clarification.
Die Driftzone 40 ist vorzugsweise sehr gering dotiert, so dass der Einschaltwiderstand des MOSFET T2 bei leitend angesteuertem IGBT T1 hoch ist, wodurch der MOSFET T2 die Funktionsweise des IGBT T1 nicht beeinflusst. Ein geringer Einschaltwiderstand des IGBT resultiert aus Minoritätsladungsträgern, die aus der Injektionszone 52 in die Driftzone 40injiziert werden. Der MOSFET T2, bzw. dessen Freilaufdiode DD, wird hinsichtlich des elektrischen Verhaltens des Halbleiterbauelements erst dann wirksam, wenn der IGBT T1 sperrt und eine Spannung in Source-Drain-Richtung S-D anliegt. Die Freilaufdiode DD weist aufgrund der geringen Dotierung der Driftzone 40 einen hohen elektrischen Widerstand auf, der für viele Anwendungen, bei denen das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement einsetzbar ist, insbesondere bei der Ansteuerung von Lampen, tolerierbar ist. The drift zone 40 is preferably very lightly doped, so that the on-resistance of the MOSFET T2 is high when the IGBT T1 is driven in a conductive manner, as a result of which the MOSFET T2 does not influence the functioning of the IGBT T1. A low on-resistance of the IGBT results from minority charge carriers that are injected from the injection zone 52 into the drift zone 40 . The MOSFET T2, or its free-wheeling diode DD, only becomes effective with regard to the electrical behavior of the semiconductor component when the IGBT T1 blocks and a voltage is applied in the source-drain direction SD. Due to the low doping of the drift zone 40, the free-wheeling diode DD has a high electrical resistance, which can be tolerated for many applications in which the semiconductor component according to the invention can be used, in particular for controlling lamps.
Fig. 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Seitenansicht im Querschnitt, das sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass eine Injektionszone 54 im Bereich der Rückseite 104 des Halbleiterkörpers 100 vorgesehen ist, die sich unmittelbar an die Driftzone 40 anschließt. FIG. 4 shows a further side view of a further semiconductor component according to the invention in cross section, which differs from that shown in FIG. 1 in that an injection zone 54 is provided in the region of the rear side 104 of the semiconductor body 100 , which directly adjoins the drift zone 40 .
Bei einer weiteren Ausführungsform ist, wie dies gestrichelt in Fig. 4 dargestellt ist, eine stark n-dotierte Zone 56 zwischen der Injektionszone 54 und der Driftzone 40 vorgesehen, die im Sperrfall das elektrische Feld begrenzt und die zudem so hoch dotiert ist, dass sie die Wirksamkeit der Injektionszone 54 beeinflusst. Der IGBT gemäß Fig. 4 ohne die Zone 56 stellt einen NPT-IGBT dar und der IGBT gemäß Fig. 4 mit der Zone 56 stellt einen PT-IGBT dar. Bei Verwendung der stark n-dotierten Zone 56 kann insbesondere die Abmessung der Driftzone 40 in Vertikalrichtung des Halbleiterkörpers 100 geringer als ohne Verwendung der stark n-dotierten Zone 56 gewählt werden. In a further embodiment, as shown in dashed lines in FIG. 4, a heavily n-doped zone 56 is provided between the injection zone 54 and the drift zone 40 , which limits the electric field in the event of blocking and which is also highly doped so that it affects the effectiveness of injection zone 54 . The IGBT according to FIG. 4 without the zone 56 represents an NPT-IGBT and the IGBT according to FIG. 4 with the zone 56 represents a PT-IGBT. When using the heavily n-doped zone 56 , in particular the dimension of the drift zone 40 in the vertical direction of the semiconductor body 100 can be selected to be less than without using the heavily n-doped zone 56 .
Die Erfindung ist besonders im Zusammenhang mit einem Feldstopp-IGBT anwendbar. Bei diesen IGBT ist die Feldstopp- Zone zum einen ausreichend hoch gegenüber der Driftzone dotiert, um ein bei sperrendem IGBT und anliegender Drain- Source-Spannung von der Sperrzone/Body-Zone ausgehendes elektrisches Feld zu stoppen, das heißt ein Durchgreifen des elektrischen Feldes bis zu der Injektionszone zu verhindern. The invention is particularly related to one Field stop IGBT applicable. With these IGBTs, the field stop Zone on the one hand sufficiently high compared to the drift zone endowed with a blocking IGBT and connected drain Source voltage originating from the blocking zone / body zone to stop the electric field, that is to say a crackdown on the electrical field to prevent the injection zone.
Zum anderen ist die Feldstopp-Zone aber niedrig genug
dotiert, um die Injektionswirkung der Injektionszone nicht zu
behindern/verringern. Darüber hinaus ist bei einem Feldstopp-
IGBT die Driftzone so gering dotiert, dass bei dem
erfindungsgemäßen Bauelement, bei dem die Driftzone über die
Anschlusszone am Rand des Bauelements mit dem Drain-Anschluss
des IGBT kurzschließbar ist, die Funktionsweise des IGBT, das
heißt insbesondere die Minoritätsladungsträgerinjektion in
die Driftzone nicht beeinflusst ist. Das durch die
Anschlusszone am Rand, die Driftzone und die Body-Zonen gebildete
Freilaufelement wirkt sich wegen des hohen ohmschen
Widerstandes (aufgrund der niedrigen Dotierung) der Driftstrecke
zwischen den Body-Zonen und der Anschlusszone am Rand somit
nur im Sperrfall bei Anlegen einer Spannung in Source-Drain-
Richtung auf das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements
aus, während die Funktionsweise des IGBT im leitenden Zustand
nicht beeinflusst wird.
Bezugszeichenliste
100 Halbleiterkörper
20A, 20B Source-Zone
30 Sperrzone
40 Driftzone
50 Feldstop-Zone
52 Injektionszone
60 elektrisch leitende Schicht
70 Gate-Elektrode
72 Feldplatte
74 Feldplatte
76 Isolationsschicht
80 Source-Elektrode
82 Anschlusselektrode
90 zweite Anschlusszone
S Source-Anschluss
D Drain-Anschluss
G Gate-Anschluss
n, n-, n+ n-dotierte Zone
p p-dotierte Zone
T1 IGBT
T2 MOSFET
DD Diode
D1 Drain-Anschluss des MOSFET T2
On the other hand, the field stop zone is doped low enough so that the injection effect of the injection zone is not hindered / reduced. In addition, in a field stop IGBT, the drift zone is so sparsely doped that in the component according to the invention, in which the drift zone can be short-circuited via the connection zone at the edge of the component to the drain connection of the IGBT, the functioning of the IGBT, that is to say in particular that Minority charge carrier injection into the drift zone is not affected. The freewheel element formed by the connection zone at the edge, the drift zone and the body zones therefore only acts in the blocking case when a voltage is applied due to the high ohmic resistance (due to the low doping) of the drift path between the body zones and the connection zone Source-drain direction on the switching behavior of the semiconductor component, while the functioning of the IGBT is not influenced in the conductive state. Reference numeral 100 semiconductor body
20 A, 20 B source zone
30 exclusion zone
40 drift zone
50 field stop zone
52 injection zone
60 electrically conductive layer
70 gate electrode
72 field plate
74 field plate
76 insulation layer
80 source electrode
82 connection electrode
90 second connection zone
S source connector
D drain connector
G gate connector
n, n - , n + n-doped zone
p p-doped zone
T1 IGBT
T2 MOSFET
DD diode
D1 drain connection of the MOSFET T 2
Claims (8)
eine stärker als die Driftzone (40) dotierte zweite Anschlusszone (90), die am Rand des Halbleiterkörpers (100) angeordnet ist und die einen Anschlusskontakt (82) aufweist. 1. Semiconductor component which has the following features:
a second connection zone ( 90 ) which is more heavily doped than the drift zone ( 40 ), which is arranged at the edge of the semiconductor body ( 100 ) and which has a connection contact ( 82 ).
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