DE10160118A1 - Halbleiterelement - Google Patents

Halbleiterelement

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Abstract

In einem Halbleitersubstrat (100) sind Halbleitergebiete (1, 2, 3 und 5), die zu einem IGBT gehören, in einem IGBT-Gebiet (20) ausgebildet und Halbleitergebiete (1 und 4), die zu einer Diode gehören, in einem Dioden-Gebiet (21) ausgebildet. Der IGBT und die Diode sind antiparallel miteinander verbunden. Ein Graben (15), in dem ein Isolator (16) eingegraben ist, ist zwischen dem IGBT-Gebiet (20) und dem Dioden-Gebiet (21) ausgebildet. Der Isolator (16) begrenzt einen umgekehrten Verzögerungsstrom, der von dem Dioden-Gebiet (21) in das IGBT-Gebiet (20) fließt. Auf diese Weise werden die Halbleitergebiete des IGBT und der Diode, die antiparallel miteinander verbunden sind, aus einem einzigen Halbleitersubstrat hergestellt, wodurch die Chipgröße verringert ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement wie es zum Gebrauch in einem Stromrichter, z. B. als Wechselrichter, verwendet wird.
Beschreibung zum Stand der Technik
Fig. 10 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Halbleiterelement nach einem vorbekannten Beispiel, als Hintergrund der vorliegenden Erfindung, zeigt. Dieses Halbleiterelement 151 ist als vertikaler N-Kanal-IGBT ausgebildet. Ein Halbleitersubstrat 200, ein Siliziumsubstrat, beinhaltet ein N-Gebiet 201, ein P-Kollektor-Gebiet 202, P- Basis-Gebiete 203 und N-Source-Gebiete 205. Diese Halbleitergebiete 201 bis 203 und 205 sind durch selektives Implantieren von P- und N-Störstellen in ein Paar von Hauptoberflächen des durch das N-Substrat gebildeten N-Gebietes 201 ausgebildet. Innerhalb des N-Substrats sind die Bereiche außer der Halbleitergebiete 201 bis 203 und 205 mit dem N- Gebiet 201 verbunden.
Das P-Kollektor-Gebiet 202 ist in einer unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 selektiv und freiliegend ausgebildet. Die P-Basis-Gebiete 203 sind in einer oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 selektiv ausgebildet und selektiv freiliegend. Die N-Source-Gebiete 205, die schmaler als die P-Basis-Gebiete 203 sind, sind selektiv innerhalb der P-Basis-Gebiete 203 ausgebildet und in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 selektiv freiliegend.
Das Halbleiterelement 151 enthält ferner Gateelektroden 206, Gate-Isolationsschichten 207, Isolationsschichten 208, Emitterelektroden 209 und eine Kollektorelektrode 211. Jede Gateelektrode 206 ist einem Kanalgebiet zugekehrt, mit einer jeweils dazwischen angeordneten Gate-Isolationsschicht 207. Das Kanalgebiet ist Teil der freiliegenden Oberfläche des P-Basis- Gebiets 203, das zwischen dem N-Gebiet 201 und den N-Source- Gebieten 205 angeordnet ist. Jede Emitterelektrode 209 ist mit der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 203 und der N- Source-Gebiete 205 in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 verbunden. Die Isolationsschichten 208 isolieren elektrisch die Gateelektroden 206 von den Emitterelektroden 209. Die Kollektorelektrode 211 ist mit der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 verbunden, wo das P-Kollektor-Gebiet 202 freiliegt.
Bei einer Verwendung des Halbleiterelements 151 als IGBT mit einer, bezogen auf die Emitterelektroden, 209 positiven Kollektorspannung, die an der Kollektorelektrode 211 angelegt wird (gewöhnlich durch eine Last), wird relativ zu den Emitterelektroden 209 eine Gatespannung an den Gateelektroden 206 angelegt. Wenn eine, die Schwellspannung überschreitende positive Gatespannung angelegt wird, wird innerhalb des Kanalgebiets eine Inversionsschicht gebildet und Elektronen, (als schwarze Punkte in Fig. 10 dargestellt) werden in dem N- Gebiet 201 injiziert und Löcher (als weiße Punkte in der Fig. 10 dargestellt) werden dann von dem P-Kollektor-Gebiet 202 in das N-Gebiet 201 injiziert. Resultierend findet ein als Leitfähigkeitsmodulierung bekanntes Phänomen innerhalb des N- Gebietes 201 statt, was zur Folge hat, daß die Kollektorelektrode 211 und die Emitterelektroden 209, bei einer niedrigen momentanen Durchlaßspannung, miteinander leitfähig verbunden werden. Wenn die Gatespannung unter die Schwellspannung (gewöhnlich Null oder ein negativer Wert) reduziert wird, verschwindet die in dem Kanalgebiet gebildete Inversionsschicht, und die Kollektorelektrode 211 und die Emitterelektrode 209 werden daher voneinander getrennt.
Wie zuvor beschrieben ist das als IGBT ausgebildete Halbleiterelement 151 aufgrund seiner niedrigen momentanen Durchlaßspannung und Spannungssteuerbarkeit sehr vorteilhaft als Schaltelement einsetzbar. Jedoch enthält es, im Gegensatz zu einem MOSFET, keine Diode. Demgemäß benötigt das Halbleiterelement 151 bei einer Verwendung in einem Stromrichter, wie z. B. einem Wechselrichter, eine außerhalb angeordnete Freilaufdiode. Daraus resultiert das Problem, daß die Induktivität der Zusammenschaltung eine Hochgeschwindigkeitsschaltung verhindert und ebenfalls den Herstellungsprozeß aufwendig gestaltet, was dazu führt, daß das Endprodukt, wie z. B. der Stromrichter, sehr voluminös ist.
Um diese Probleme zu beheben, offenbart die japanische Patent- Offenlegungsschrift NO. 5-152574 (1993) (im folgenden als erste Druckschrift genannt) ein Halbleiterelement, bei dem die zu dem IGBT gehörenden Halbleitergebiete und die zu der Freilaufdiode gehörenden Halbleitergebiete in verschiedenen Abschnitten innerhalb eines einzigen Halbleitersubstrats angeordnet sind. Fig. 11 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 152, und Fig. 12 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 153, die beide in der ersten Druckschrift offenbart sind.
Jedes der Halbleiterelemente 152 und 153 hat einen vertikalen N-Kanal-IGBT und eine vertikale Diode, die antiparallel miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl der zu dem IGBT und der Diode gehörigen Halbleitergebiete innerhalb eines einzigen Halbleitersubstrats 200 hergestellt sind. Das Halbleitersubstrat 200, ein Siliziumsubstrat, hat ein IGBT- Gebiet 220 und ein Dioden-Gebiet 221, die selektiv in unterschiedlichen Gebieten entlang der beiden Hauptoberflächen definiert sind. Ein störungsarmes Gebiet 223 ist zwischen dem IGBT-Gebiet 220 und dem Dioden-Gebiet 221 angeordnet, als ein Gebiet zur Unterdrückung von Störungen zwischen ihnen.
Das Halbleitersubstrat 200 hat in dem IGBT-Gebiet 220, das Teil des zu dem IGBT gehörenden N-Gebietes 201 ist, ein P-Kollektor- Gebiet 202, P-Basis-Gebiete 203 und N-Source-Gebiete 205. Das Halbleitersubstrat 200 hat ebenso in dem Dioden-Gebiet 221, das Teil des zu der Diode gehörenden N-Gebietes 201 ist, ein N+- Gebiet 241, und ein Anoden-Gebiet 204. Das N-Gebiet 201 arbeitet als N-Basis-Gebiet in dem IGBT-Gebiet 220 und als ein Kathoden-Gebiet in dem Dioden-Gebiet 221. Das Halbleiterelement 152 hat ferner P+-Gebiete 240 und N+-Gebiete 241, die selektiv in dem IGBT-Gebiet 220 und dem Störabwehrgebiet 223 ausgebildet sind. Das Halbleiterelement 153 hat P-Gebiete 230, die selektiv in dem Störabwehrgebiet 223 ausgebildet sind.
An der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200 ist eine Anodenelektrode 210 mit der freiliegenden Oberfläche des Anoden-Gebiets 204 verbunden. Eine Kathodenelektrode 212 ist mit einem Teilabschnitt der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 200, das zu dem Dioden-Gebiet 221 gehört, verbunden. Die Emitterelektroden 209 und die Anodenelektrode 210 sind miteinander verbunden, und die Kollektorelektrode 211 ist mit der Kathodenelektrode 212 integral miteinander verbunden.
Wie zuvor erwähnt, beinhalten die Halbleiterelemente 152 und 153 beide einen IGBT und eine Diode, wobei die Diode antiparallel mit dem IGBT verbunden ist und als eine dem IGBT zugeordnete Freilaufdiode wirkt. Daher ist es, wenn das Halbleiterelement 152 oder 153 in einem Stromrichter, wie beispielsweise einem Wechselrichter, integriert wird, möglich, bei der Herstellung des Stromrichters den Arbeitsschritt der separaten Herstellung des IGBT und der Freilaufdiode als separate Halbleiterchips und eine Verbindung beider durch Leitungen entfallen zu lassen. Dies gestaltet den Stromrichter ebenfalls kompakter. Darüber hinaus, da es nicht notwendig ist, den IGBT und die Freilaufdiode mit Leitungen miteinander zu verbinden, kann das Problem, daß die Schaltungsgeschwindigkeit durch die Leitungsinduktion reduziert wird, vermieden werden, um eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu ermöglichen.
Allerdings sind die Halbleiterelemente 152 und 153 dahingehend nachteilig, als sie das Störabwehrgebiet 223 zur Vermeidung von Störungen zwischen dem IGBT und der Diode, benötigen. Die Störung zwischen dem IGBT und der Diode ist das Phänomen, daß ein umgekehrt erzeugter Verzögerungsstrom fließt, der dadurch entsteht, wenn die Diode umgekehrte Rückgewinnungsoperationen von dem Dioden-Gebiet 221 in das IGBT-Gebiet 220 ausführt und somit einen leitenden parasitären Thyrister in dem IGBT bildet. Zur Verhinderung der Störung muß eine Sicherstellung einer ausreichend großen Länge L des Störabwehrgebietes 223 gewährleistet sein. Daher benötigen die Halbleiterelemente 152 und 153 eine größere Fläche für das Halbleitersubstrat 200 oder eine größere Chipgröße.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung dient zur Behebung der vorgenannten Probleme der konventionellen Technik, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterelement aufzuzeigen, in dem eine Vielzahl von Halbleitergebieten, die zu einem IGBT und einer Diode gehören, innerhalb eines einzigen Halbleitersubstrats hergestellt werden, was eine Verringerung der Chipgröße ermöglicht.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Halbleiterelement, das einen vertikalen IGBT und eine vertikale Diode enthält, die antiparallel miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl von Halbleitergebieten, die zu dem IGBT und der Diode gehörenden, innerhalb eines einzigen Halbleitersubstrats gefertigt werden. Das Halbleitersubstrat enthält ein Hauptoberflächenpaar, wobei unter der Vielzahl von Halbleitergebieten eines, das dem IGBT zugeordnet ist, in dem IGBT-Gebiet, selektiv entlang der Hauptoberflächenpaare, definiert ist. Ferner enthält es ein Halbleitergebiet, das der Diode zugeordnet ist, wobei dieses Gebiet unterschiedlich von dem IGBT-Gebiet ist und wobei das Halbleitersubstrat ferner ein elektrisch isolierendes Teilungselement enthält, das selektiv zwischen dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet ausgebildet ist. Dadurch wird eine Stromfluß von dem IGBT-Gebiet und dem Dioden- Gebiet in ein jeweils anderes Gebiet verhindert.
Vorzugsweise ist gemäß einem zweiten Aspekt des Halbleiterelements in einer Hauptoberfläche der Hauptoberflächenpaare eine Öffnung eines Grabens in einem Abschnitt zwischen dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet des Halbleitersubstrats ausgebildet, und das Teilungselement enthält einen Isolator, der in dem Graben eingegrabenen ist.
Vorzugsweise ist gemäß einem dritten Aspekt des Halbleiterelements die erwähnte Hauptoberfläche der Hauptoberflächenpaare diejenige, welche der anderen Hauptoberfläche gegenüberliegt, wo ein Kollektor-Gebiet des IGBT, das zu der Vielzahl der Halbleitergebiete zählt, freiliegt.
Vorzugsweise erstreckt sich gemäß einem vierten Aspekt des Halbleiterelements das Kollektor-Gebiet von dem IGBT-Gebiet durch den Abschnitt in das Dioden-Gebiet.
Vorzugsweise hat gemäß einer fünften Ausführung des Halbleiterelements der Graben einen Boden, der das Kollektor- Gebiet erreicht.
Vorzugsweise ist gemäß einer sechsten Ausführung des Halbleiterelements ein anderer Graben in dem Abschnitt des Halbleitersubstrats ausgebildet. Der andere Graben öffnet sich in der weiteren Hauptoberfläche und hat einen das Kollektor- Gebiet überragenden Bodenbereich, und das Teilungselement enthält ferner einen anderen Isolator, der in den anderen Graben eingegrabenen ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung reduziert das elektrisch isolierende Teilungselement effektiv die Störung zwischen dem IGBT und der Diode, und die Länge des unwirksamen Gebiets zwischen diesen beiden kann schmaler ausgebildet werden, um die Größe des Elements zu reduzieren.
Gemäß dem zweiten Aspekt kann das Teilungselement mittels eines einfachen Vorganges des Eingrabens eines Isolators in den in dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Graben hergestellt werden. Ferner kann das Teilungselement mit einer geringeren Breite ausgebildet werden, und die Größenreduktion der Einrichtung kann effizienter erreicht werden.
Gemäß dem dritten Aspekt öffnet sich der Graben in der Hauptoberfläche gegenüber der freiliegenden Oberfläche des Kollektor-Gebietes, so daß der Graben während des Herstellungsprozesses beim Ausbilden der Halbleitergebiete, wie beispielsweise der IGBT-Source-Gebiete, ausgebildet werden kann. Dadurch bietet das Element eine hohe Produktivität.
Gemäß dem vierten Aspekt erstreckt sich das Kollektor-Gebiet von dem IGBT-Gebiet in das Dioden-Gebiet, durch den Abschnitt in dem der Graben ausgebildet ist. Daher können das Teilungselement und das Kollektor-Gebiet einen Stromfluß, der von dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet in das jeweils andere fließt, verhindern. Dadurch kann die Störung zwischen dem IGBT und der Diode effizienter unterdrückt werden.
Gemäß dem fünften Aspekt erreicht der Boden des Grabens das Kollektor-Gebiet, wodurch der Stromfluß von dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet in das jeweils andere noch viel effizienter unterdrückt wird. Dadurch kann die Störung zwischen dem IGBT und der Diode noch viel effizienter unterdrückt werden.
Gemäß dem sechsten Aspekt enthält die Einrichtung ferner einen weiteren Graben, der sich an der anderen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats öffnet und dessen Bodenbereich über das Kollektor-Gebiet herüberragt. Dadurch begrenzen die in den zwei Gräben eingegrabenen Isolatoren den Stromfluß von dem IGBT- Gebiet und dem Dioden-Gebiet in das jeweils andere Gebiet effizienter. Dadurch kann die Störung zwischen dem IGBT und der Diode viel effizienter unterdrückt werden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervorgehoben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Halbleiterelements zum Vergleich mit dem in Fig. 1 gezeigten Element;
Fig. 3 bis 5 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß einem ersten bis dritten Beispiel einer zweiten bevorzugten Ausführung zeigen;
Fig. 6 bis 9 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß einer ersten bis vierten Abwandlung zeigen, und
Fig. 10 bis 12 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß eines ersten bis dritten Beispiels aus dem Stand der Technik zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Erste bevorzugte Ausführungsform Grundzüge der Einrichtung
Fig. 1 ist ein vertikaler Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung. Dieses Halbleiterelement 101 enthält einen vertikalen N-Kanal-IGBT und eine vertikale Diode, die antiparallel miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl der dem IGBT und der Diode zugehörenden Halbleitergebiete 1 bis 5 in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 100 hergestellt sind. Der Ausdruck "vertikal" bezeichnet ein Halbleiterelement einer Ausführung, in der ein Paar Hauptelektroden jeweils auf einer und das andere auf einer anderen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 angeordnet sind (das Paar Hauptelektroden sind Emitter- und Kollektorelektroden in dem IGBT und Anoden- und Kathodenelektroden in der Diode). Der Ausdruck "antiparallel" bezeichnet eine Parallelverbindung in der ein Durchlaßstrom in entgegengesetzte Richtungen fließt. Daraus folgt, daß die antiparallele Verbindung der Diode und des N-Kanal-IGBT's eine Verbindung angibt, bei der, wie in Fig. 1 gezeigt, die Anodenelektrode der Diode mit dem Emitter des IGBT und die Kathodenelektrode mit der Kollektorelektrode verbunden ist.
Das Halbleitersubstrat 100, beispielsweise Siliziumsubstrat, besitzt ein Paar Hauptoberflächen, wo ein IGBT-Gebiet 20 und ein Dioden-Gebiet 21 selektiv in unterschiedlichen Gebieten entlang der beiden Hauptoberflächen definiert sind. In dieser Beschreibung werden zur Vereinfachung der Erläuterung die in dem oberen Bereich der Zeichnung gezeigte Hauptoberfläche als "eine obere Hauptoberfläche" und die in dem unteren Bereich gezeigte als "eine untere Hauptoberfläche" bezeichnet. Unter der Mehrzahl von Halbleitergebieten 1 bis 5 beinhaltet das IGBT-Gebiet 20 des Halbleitersubstrats 100 Bereiche eines zu dem IGBT gehörenden N-Gebietes 1, ein P-Kollektor-Gebiet 2, P- Basis-Gebiete 3 und N-Source-Gebiete 5. Auch unter der Mehrzahl von Halbleitergebieten 1 bis 5 beinhaltet ein Dioden-Gebiet 21 des Halbleitersubstrats 100 einen Bereich des N-Gebietes 1, das zu der Diode gehört, und auch ein Anoden-Gebiet 4. Das N-Gebiet 1 arbeitet als ein N-Basis-Gebiet in dem IGBT-Gebiet 20 und als ein Kathodengebiet in dem Dioden-Gebiet 21.
Das P-Kollektor-Gebiet 2, die P-Basis-Gebiete 3, das Anoden- Gebiet 4 und die N-Source-Gebiete 5 sind selektiv in den beiden Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats 100 durch selektive Einführung von P- und N-Störstellen in die beiden Hauptoberflächen des das N-Gebiet 1 bildenden N-Substrats ausgebildet. In dem N-Substrat ist der Abschnitt, in dem sich die Halbleitergebiete 2 bis 5 nicht befinden, mit dem N-Gebiet 1 verbunden.
Das P-Kollektor-Gebiet 2 ist selektiv und freiliegend in der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 zumindest in dem zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt ausgebildet. Die P-Basis-Gebiete 3 sind selektiv ausgebildet und selektiv freiliegend in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100, in dem zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt. Die schmaler als die P-Basis-Gebiete 3 ausgebildeten N-Source-Gebiete 5 sind selektiv in den P-Basis- Gebieten 3 ausgebildet und selektiv freiliegend an der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100. Das Anoden-Gebiet 4 ist selektiv und freiliegend in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 in dem zu dem Dioden-Gebiet 21 gehörenden Abschnitt ausgebildet.
Das Halbleiterelement 101 enthält weiterhin Gateelektroden 6, Gate-Isolationsschichten 7, Isolationsschichten 8, Emitterelektroden 9, eine Anodenelektrode 10, eine Kollektorelektrode 11 und eine Kathodenelektrode 12. Jede Gateelektrode 6 ist dem Kanalgebiet mit der dazwischen angeordneten Gate-Isolationsschicht 7 zugekehrt; das Kanalgebiet ist ein Abschnitt der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 3, das zwischen dem N-Gebiet 1 und den N- Source-Gebieten 5 angeordnet ist. Jede Emitterelektrode 9 ist mit der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 3 und den N-Source-Gebieten 5 in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden. Die Isolationsschicht 8 isoliert elektrisch die Gateelektroden 6 von den Emitterelektroden 9. Die Kollektorelektrode 11 ist mit der freiliegenden Oberfläche des P-Kollektor-Gebietes 2 in der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden. Die Anodenelektrode 10 ist mit der freiliegenden Oberfläche des Anoden-Gebiets 4 in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden. Die Kathodenelektrode 12 ist mit der freiliegenden Oberfläche eines Abschnitts des N- Gebietes 1, das zu dem Dioden-Gebiet 21 gehört, in der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden.
Die Emitterelektroden 9 und die Anodenelektrode 10 sind über Leitungen miteinander verbunden. Die Emitterelektroden 9 und die Anodenelektrode 10 können als Teile eines einzigen Verbindungsmusters ausgebildet und integral verbunden sein. Die Kollektorelektrode 11 und die Kathodenelektrode 12 sind als Teil einer einzelnen Elektrode ausgebildet, die mit der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 verbunden ist, so daß sie integral miteinander verbunden sind.
Teilungselement
Das Halbleiterelement 101 enthält ferner ein elektrisch isolierendes Teilungselement, das selektiv im Halbleitersubstrat 100 zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet ist, zur Begrenzung eines Stromflusses von dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 in das jeweils andere (vorläufig bezeichnet als Störstrom). Genauer gesagt, ist in dem Halbleitersubstrat 100 ein Graben 15, der sich in der oberen Hauptoberfläche öffnet, an der Grenze zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21, ausgebildet; ein als Teilungselement arbeitender Isolator 16 ist in dem Graben 15 eingegraben. Der Isolator 16 kann beispielsweise aus Siliziumoxyd hergestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Teilungselements, wo ein Schnitt eines gedachten Halbleiterelements ohne Teilungselement und der zugehörige Schaltplan zusammen gezeigt sind. Das IGBT-Gebiet 20 enthält einen entsprechend ausgebildeten PNP-Transistor 31, einen NPN- Transistor 32, einen MOSFET 33 und einen Widerstand 34. Der PNP-Transistor 31 hat das P-Kollektor-Gebiet 2, das N-Gebiet 1 und das P-Basis-Gebiet 3, und der NPN-Transistor 32 hat das N- Gebiet 1, das P-Basis-Gebiet 3 und das N-Source-Gebiet 5. Der MOSFET 33 hat das N-Gebiet 1 und das N-Source-Gebiet 5, als sein Source/Drain-Gebiet, die freiliegende Oberfläche des P- Basis-Gebiets 3 als sein Kanalgebiet und die Gateelektrode als seine Gateelektrode. Der Widerstand 34 ist die Widerstandskomponente des P-Basis-Gebiets 3.
Wenn die Diode einen reversiven Recoverybetrieb ausführt, fließt ein reversiver Recoverystrom Ir von dem Abschnitt des N- Gebietes 1, das zu dem Dioden-Gebiet 21 gehört, in den zu dem IGBT-Gebiet 20 gehörenden Abschnitt. Dieser reversive Recoverystrom Ir wirkt sich als der zuvor genannte Störstrom aus. Der reversiver Recoverystrom Ir fließt durch das P-Basis- Gebiet 3 und in die Emitterelektrode E. Aufgrund dieses Stromes fällt an dem Widerstand 34 des P-Basis-Gebiets 3 eine Spannung ab an, und der NPN-Transistor 32 wird leitend. Der in dem NPN- Transistor 32 fließende Elektronenstrom le wirkt sich für den PNP-Transistor 31 als Basisstrom aus. Daraus folgt, daß der PNP-Transistor 31 leitend wird, und der in dem PNP-Transistor 31 fließende Löcherstrom Ih trägt zum Spannungsabfall an dem Widerstand 34 bei. Auf diese Weise, obwohl der MOSFET 33 nicht einschaltet, verbleiben die Kollektorelektrode C und die Emitterelektrode E zueinander leitend. Daraus folgt, daß der reversive Recoverystrom Ir des in der Fig. 2 gezeigten Elements eine Sperrung ("latchup") erzeugen kann, beispielsweise das Phänomen, daß der parasitäre Thyristor in dem IGBT leitend wird. Diese Sperrung kann nicht durch eine an der Gateelektrode G angelegte Spannung gesteuert werden.
Im Gegensatz dazu begrenzt der als Teilungselement wirkende Isolator 16 des Halbleiterelements 101 den reversiven Recoverystrom Ir, der als Störstrom von dem Dioden-Gebiet 21 in das IGBT-Gebiet 20 fließt. Dies unterdrückt auftretende Sperreigenschaften. Der Graben 15 ist tiefer als das Anoden- Gebiet 4 ausgebildet, so daß der Isolator 16 effektiv als Teilungselement wirken kann. Desweiteren wird zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise des Teilungselements der Graben 15 direkt oberhalb des P-Kollektor-Gebietes 2 angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich das Kollektor-Gebiet 2 von dem IGBT-Gebiet 20 bis in das Dioden-Gebiet 21 durch den direkt unter dem Graben 15 befindlichen Abschnitt.
Vorteile der Einrichtung
Das wie oben beschrieben hergestellte Halbleiterelement 101 bietet folgende Vorteile. Erstens wirkt sich, da das Halbleiterelement 101 einen IGBT und eine Diode hat und die Diode antiparallel mit dem IGBT verbunden ist, die Diode als eine dem IGBT zugeordnete Freilaufdiode aus. Daraus folgt, daß bei Verwendung des Halbleiterelements 101 in einem Stromrichter, z. B. als Wechselrichter, während der Herstellung des Stromrichters der Prozeß einer separaten Herstellung des IGBT und der Freilaufdiode als einzelne Halbleiterchips und eine Verbindung dieser durch Leitungen vermieden werden kann. Dadurch kann der Stromrichter auch sehr kompakt hergestellt werden. Desweiteren kann, da es nicht notwendig ist, den IGBT und die Freilaufdiode durch Leitungen zu verbinden, das Problem der verringerten Schaltgeschwindigkeit, die von der Leitungsinduktion herrührt, vermieden werden, um somit eine Hochgeschwindigkeitschaltung zu realisieren.
Darüber hinaus kann, da die Halbleitereinrichtung 101 das elektrische Teilungselement enthält, die Störung zwischen dem IGBT und der Diode wirkungsvoll reduziert werden, und außerdem kann die Breite des wirkungslosen Gebiets zwischen ihnen (die Breite L in den zum Stand der Technik gehörenden Elementen 152 und 153) geringer sein, woraus eine Größenreduktion des Elements resultiert. Daraus folgt, daß der Stromrichter noch kleiner wird. Zusätzlich kann in dem Halbleiterelement 101 das Teilungselement durch einen simplen Prozeß des Eingrabens des Isolators 16 in den in dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildeten Graben 15 ausgebildet werden. Darüber hinaus kann das Teilungselement zur wirkungsvolleren Erreichung der Größenreduktion in einer geringeren Breite ausgebildet werden.
Darüber hinaus ist der Graben 15 derart ausgebildet, daß er sich in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 öffnet, wo die N-Source-Gebiete 5 und dergleichen ausgebildet sind, z. B. in der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100, die während des Herstellungsprozesses des Halbleiters hergestellt wird, so daß der Graben 15 einfach während des Halbleiterherstellungsprozesses ausgebildet werden kann. Dadurch kann das Teilungselement ohne Verringerung der Produktivität ausgebildet werden. Da sich ferner das P- Kollektor-Gebiet 2 von dem IGBT-Gebiet 20 in das Dioden-Gebiet 21 durch den Abschnitt, in dem der Graben 15 ausgebildet ist, erstreckt, können der als Teilungseinrichtung ausgebildete Isolator 16 und das P-Kollektor-Gebiet 2 den Störstrom effektiv unterdrücken. Dadurch können zwischen dem IGBT und der Diode auftretende Störungen effektiver unterdrückt werden.
Zweite bevorzugte Ausführung
Diese bevorzugte Ausführung zeigt Halbleiterelemente, die derart ausgebildet sind, daß sie den Effekt der Unterdrückung der Störung zwischen dem IGBT und der Diode weiter verstärken.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 102, bei dem der untere Bereich des Grabens 15 in das P- Kollektor-Gebiet 2 reicht. Dadurch wird der zwischen dem IGBT- Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 fließende Störstrom noch effektiver unterdrückt.
Fig. 4 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 103, bei dem die Öffnungsweite des Grabens 15 größer ist als die bei dem Halbleiterelement 102. Desweiteren ist ein Isolator 40 als Isolationsschicht eingegraben, um die Innenwand des Grabens 15 zu bedecken und an dem Isolator 40 ist Polysilizium 41 eingegraben. In dieser Beschreibung beinhaltet ein in dem Graben 15 "eingegrabener" Isolator auch den Isolator 40, der als Film die Innenwand des Grabens 15 bedeckt. Das Ausbilden einer größeren Öffnung erleichtert den Herstellungsprozeß, wenn der Graben 15 tiefer ist. Daraus folgt, daß das Halbleiterelement 103 gegenüber dem Halbleiterelement 102 dahingehend vorteilhaft ist, als dessen Herstellung einfacher ist. Der Aufbau, bei dem der Isolator 40 als Isolationsschicht und das Polysilizium 41 eingegraben sind (wie in dem Halbleiterelement 103 gezeigt) kann auch dann verwendet werden, wenn der Graben 15 nicht so tief ausgebildet ist, wie in dem Halbleiterelement 102 zu sehen - beispielsweise wenn der Graben so ausgebildet ist wie in dem Halbleiterelement 101.
Fig. 5 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 104, das einen anderen Graben 50 besitzt; dieser Graben 50 ist in dem Halbleitersubstrat 100 an der Grenze zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet und öffnet sich in der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 100. Der Graben 50 hat auch einen darin eingegrabenen Isolator 51 und wirkt als Teilungselement. Der Isolator 51 kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie der Isolator 16 hergestellt sein. Der Graben 50 ist gegenüberliegend vom Graben 15 ausgebildet, wobei der Boden des Grabens 50 (das in der Fig. 5 gezeigte obere Ende) über das P- Kollektor-Gebiet 2 herüberragt.
Die in den zwei Gräben 15 und 50 des Halbleiterelements 104 eingegrabenen Isolatoren 16 und 51 unterdrücken wirkungsvoller den zwischen dem IGBT-Gebiet 20 und dem Dioden-Gebiet 21 fließenden Störstrom. Daraus folgt, daß die zwischen dem IGBT und der Diode auftretende Störung noch wirkungsvoller unterdrückt werden kann. Der Graben 50 kann wie der Graben 15 aufgebaut sein und wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Halbleiterelement 103 eine größere Öffnung besitzen, und der Isolator 40, als Isolationsschicht und Polysilizium 41, kann anstelle des Isolators 51 in den Graben 50 eingegraben werden.
Variationen
  • 1. Während die oben genannten bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise Nicht-Durchgreifspannung-IGBT's ("non- purichthrough type IGBTs") gezeigt haben, kann der IGBT auch als Durchgreifspannungsausführung ("purichtrough type"), wie bei dem in der Fig. 6 gezeigten Halbleiterelement 105, ausgebildet sein. Das Halbleiterelement 105 unterscheidet sich von dem Halbleiterelement 101 darin, daß das N-Gebiet 1 ein N+-Gebiet 45 mit höherer Störstellenkonzentration enthält, das in Kontakt mit dem P-Kollektor-Gebiet 2 ausgebildet ist.
  • 2. Während die oben genannten bevorzugten Ausführungsformen Beispiele gezeigt haben, bei denen das Teilungselement ein in den Graben eingegrabener Isolator ist, können als Teilungselement auch andere Strukturen verwendet werden. Die Beispiele beinhalten das in der Fig. 7 gezeigte Halbleiterelement 106 und das in der Fig. 8 gezeigte Halbleiterelement 107. Die Halbleiterelemente 106 und 107 beinhalten beide eine vorbekannte dielektrische Isolation, bei der ein Abschnitt der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 wie eine Insel von einem Isolator 61 umgeben ist, dessen Abschnitt 62 entfernt ist. Das Material des Isolators 61 kann beispielsweise Siliziumoxyd sein. In beiden Halbleiterelementen 106 und 107 wirkt sich der Isolator 61 als Teilungselement aus.
  • 3. Während die oben genannten bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele flach ausgebildete IGBT's zeigen, wo die Gateelektroden 6 an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 angrenzen, kann der IGBT auch grabenförmig ausgebildet sein, wie bei dem in der Fig. 9 gezeigten Halbleiterelement 108. In dem Halbleiterelement 108 sind Gräben 70 selektiv in dem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet, wo sich jeder Graben 70 selektiv in der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 öffnet und sich durch das N-Source-Gebiet 5 und das P-Basis-Gebiet 3 erstreckt. Die Gate-Isolationsschicht 7 ist in dem Graben 70 eingegraben, um die Innenwand des Grabens 70 zu bedecken, und die Gateelektrode 6 ist auf der Gate- Isolationsschicht 7 eingegraben. Auch bei diesem Aufbau ist die Gateelektrode 6 dem Kanalgebiet, mit der dazwischen angeordneten Gate-Isolationsschicht 7, zugewandt. Das Kanalgebiet ist der Abschnitt der freiliegenden Oberfläche des P-Basis-Gebiets 3, (in diesem Fall die Oberfläche, die zu dem Graben 7 freiliegt, die ein Abschnitt der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 ist), der zwischen dem N- Source-Gebiet 5 und dem N-Gebiet 1 angeordnet ist.
  • 4. Während die oben genannten bevorzugten Ausführungsformen Beispiele gezeigt haben, bei denen das in Fig. 11 oder Fig. 12 gezeigte N+-Gebiet 241 nicht in dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet ist, kann das N+-Gebiet 241, wie in Fig. 11 oder 12 gezeigt, in dem zu dem Dioden-Gebiet 21 gehörenden Abschnitt der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet sein.
Obwohl die Erfindung bis ins Detail beschrieben wurde, ist diese Beschreibung in allen Aspekten anschaulich und nicht einschränkend. Es versteht sich von selbst, daß zahlreiche andere Modifikationen und Varianten hinzugedacht werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims (6)

1. Halbleiterelement (101-108) mit einem vertikalen IGBT und einer vertikalen Diode, die antiparallel miteinander verbunden sind, wobei eine Mehrzahl der zu dem IGBT und der Diode gehörenden Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) in einem einzelnen Halbleitersubstrat (100) hergestellt werden, wobei
das Halbleitersubstrat (100) zwei Hauptoberflächen enthält, wobei von der Mehrzahl der Halbleitergebieten (1, 2, 3, 4, 5, 45) ein zu dem IGBT gehörendes Gebiet (2, 3, 5, 45) in einem IGBT-Gebiet (20) ausgebildet ist, das sich selektiv bestimmt entlang der zwei Hauptoberflächen erstreckt, und ein (1, 4) von der Mehrzahl der Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) zu der Diode gehörendes Gebiet sich selektiv bestimmt in einem von dem IGBT-Gebiet verschiedenen Dioden-Gebiet (21) entlang der zwei Hauptoberflächen erstreckt, und wobei
das Halbleitersubstrat ferner ein elektrisch isolierendes Teilungselement (16, 40, 51, 61) enthält, das selektiv zwischen dem IGBT-Gebiet (20) und dem Dioden-Gebiet (21) ausgebildet ist, um einen Stromfluß von dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet in das jeweils andere zu begrenzen.
2. Halbleiterelement (101-105, 108) nach Anspruch 1, wobei ein Graben (15, 50), der sich in einer Hauptoberfläche der beiden Hauptoberflächen öffnet, in einem Bereich zwischen dem IGBT-Gebiet (20) und dem Dioden-Gebiet (21) des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet ist und das Teilungselement (16, 40, 51, 61) einen in dem Graben (15, 50) vergrabenen Isolator (16, 40,51) enthält.
3. Halbleiterelement (101-105, 108) nach Anspruch 2, wobei die eine Hauptoberfläche der beiden Hauptoberflächen derjenigen Hauptoberfläche, wo sich ein Kollektor-Gebiet (2) des IGBT, das zu der Mehrzahl der Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) gehört, erstreckt, gegenüberliegt.
4. Halbleiterelement (100-105) nach Anspruch 3, wobei sich das Kollektor-Gebiet (2) von dem IGBT-Gebiet (20) in das Dioden-Gebiet (21) durch den Bereich erstreckt.
5. Halbleiterelement (102, 103) nach Anspruch 4, wobei der Graben (15) einen das Kollektor-Gebiet (2) erreichenden Bodenbereich hat.
6. Halbleiterelement (104) nach Anspruch 4, wobei ein anderer Graben (50) in dem Bereich des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet ist, wobei der andere Graben sich in der anderen Hauptoberfläche öffnet und einen Bodenbereich hat, der das Kollektor-Gebiet (2) überragt und das Teilungselement (16, 40, 51, 61) ferner einen in dem anderen Graben (50) vergrabenen anderen Isolator (51) enthält.
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