DE10160118B4 - Halbleiterelement - Google Patents

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Abstract

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 Halbleitergebiete (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 entlang der zwei Hauptoberflächen erstreckt, und ein von der Mehrzahl der Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) zu der Diode gehörendes Gebiet (1, 4) sich selektiv 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...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement gemäß dem vorliegenden Anspruch 1.
  • Beschreibung zum Stand der Technik
  • 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 10 dargestellt) werden in dem N-Gebiet 201 injiziert und Löcher (als weiße Punkte in der 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.5-1.52574 (1993) sowie deren Parallelanmeldung DE 42 35 175 A1 (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. 11 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 152, und 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.
  • Die DE 42 35 175 A1 zeigt eine gattungsgemäße Halbleitervorrichtung mit einem IGBT. Auch hier ist eine Diode antiparallel zu einem gerichteten Halbleiterelement geschaltet, so dass der Hauptstrom darin in umgekehrter Richtung fließt. Um einen schnellen Betrieb der Halbleitervorrichtung mit niedriger Induktanz bereitzustellen, wird unter anderem vorgeschlagen, einen Nichtwechselwirkungsbereich zwischen IGBT und der Diode vorzusehen.
  • Die WO 95/31006 A1 beinhaltet einen Chip mit integrierten Schaltungen. Zur Isolierung der Schaltungen sind Gräben oder Einkerbungen im Chipsubstrat vorgesehen, die mit elektrisch isolierendem Material aufgefüllt sind. Hierdurch sind Transistoren, die einem starken elektrischen Stromfluss ausgesetzt sind, von denen, die für einen niedrigen Strom vorgesehen sind, elektrisch abgetrennt.
  • In der EP 0 292 972 A2 findet man ein Halbleiterbauelement mit einem vertikalen MOSFET und einer Schaltkomponente, wie beispielsweise ein CMOS. Beide Elemente sind auf einem einzigen Halbleiterchip ausgebildet. Der MOSFET, auch als VDMOS bezeichnet, ist derart ausgebildet, dass er hohe Stromspannungen aushält, während der CMOS als Niedrigstromschaltgerät arbeitet. Ein derartiger Aufbau ist zur Steuerung von Elektromotoren besonders geeignet. Durch das Nachdrehen der Elektromotoren, auch dann, wenn bereits keine Spannung mehr bereitgestellt wird, kommt es zu einer Induktion von Strom, die wiederum in dem Halbleiterchip einen so genannten Latch-up-Effekt auslösen kann. Aufgrund dieses Phänomens können der Halbleiterchip oder Teile dessen völlig zerstört werden. Um diesem Phänomen vorzubeugen, ist in der Druckschrift eine zusätzliche Kombinationsschicht vorgesehen.
  • Weitere gegeneinander isolierte Halbleiterelemente sind aus der EP 0 143 259 A1 , DE 199 08 477 A1 , JP 61 127 147 A und JP 02 135 755 A bekannt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik, insbesondere von der DE 42 35 175 A1 , ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterelement aufzuzeigen, das eine Verringerung der Chipgröße ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Ein besonderer Vorteil eines derartigen Halbleiterelements besteht darin, dass zur Isolierung von Abschnitten der Hauptoberflächen des Halbleiterelements isolierende Teilungsgebiete vorgesehen sind, die sich gegeneinander von den beiden sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterelements in vertikaler Richtung erstrecken.
  • Es ergeben sich folgende weitere Vorteile:
    Erstens 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.
  • Zweitens 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.
  • Drittens 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.
  • Viertens erstreckt sich das Kollektorgebiet 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.
  • Fünftens 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:
  • 1 zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Halbleiterelements zum Vergleich mit dem in 1 gezeigten Element;
  • 3 und 4 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß dem Stand der Technik zeigen;
  • 5 ist ein vertikaler Querschnitt, der eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterelements zeigt;
  • 6 bis 9 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Abwandlungen von Halbleiterelementen zeigen; und
  • 10 bis 12 sind vertikale Querschnitte, die jeweils Halbleiterelemente gemäß weiteren Beispielen aus dem Stand der Technik zeigen.
  • 1 ist ein vertikaler Querschnitt eines Halbleiterelements gemäß dem Stand der Technik. 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 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 Siliziumoxid hergestellt werden.
  • 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 Ie 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 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. Des weiteren 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. Des weiteren 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.
  • Weitere Ausführung
  • Diese Ausführung nach 3 zeigt Halbleiterelemente, die derart ausgebildet sind, dass sie den Effekt der Unterdrückung der Störung zwischen dem IGBT und der Diode weiter verstärken.
  • 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.
  • 4 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines Halbleiterelements 103, bei dem die Öffnungsweite des Grabens 15 größer ist als die bei dem Halbleiterelement 102. Des weiteren 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.
  • 5 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen 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 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 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 genannte bevorzugte Ausführungsform beispielsweise Nicht-Durchgreifspannung-IGBT („nonpunchthrough type IGBT") gezeigt hat, kann der IGBT auch als Durchgreifspannungsausführung („punchtrough type"), wie bei dem in der 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 genannte bevorzugte Ausführungsform Beispiele gezeigt hat, 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 7 gezeigte Halbleiterelement 106 und das in der 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 Siliziumoxid sein. In beiden Halbleiterelementen 106 und 107 wirkt sich der Isolator 61 als Teilungselement aus.
    • 3. Während die oben genannte bevorzugte Ausführungsform ein flach ausgebildetes IGBT zeigt, wo die Gateelektrode 6 an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 angrenzt, kann der IGBT auch grabenförmig ausgebildet sein, wie bei dem in der 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 genannte bevorzugte Ausführungsform ein Beispiel gezeigt hat, bei dem das in 11 oder 12 gezeigte N+-Gebiet 241 nicht in dem Dioden-Gebiet 21 ausgebildet ist, kann das N+-Gebiet 241, wie in 11 oder 12 gezeigt, in dem zu dem Dioden-Gebiet 21 gehörenden Abschnitt der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet sein.

Claims (1)

  1. Halbleiterelement (101108) 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 Halbleitergebiete (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 entlang der zwei Hauptoberflächen erstreckt, und ein von der Mehrzahl der Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) zu der Diode gehörendes Gebiet (1, 4) sich selektiv 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, dadurch gekennzeichnet, dass ein Graben (15, 50), der sich in einer der beiden Hauptoberflächen öffnet, in einem Bereich zwischen dem IGBT-Gebiet (20) und dem Dioden-Gebiet (21) des Halbleitersubstrats (100) ausgebildet ist, wobei das Teilungselement (16, 40, 51, 61) einen in dem Graben (15, 50) vergrabenen Isolator (16, 40, 51) enthält, wobei die eine Hauptoberfläche der beiden Hauptoberflächen derjenigen Hauptoberfläche gegenüberliegt, in der sich ein Kollektor-Gebiet (2) des IGBT erstreckt, das zu der Mehrzahl der Halbleitergebiete (1, 2, 3, 4, 5, 45) gehört, wobei sich das Kollektor-Gebiet (2) von dem IGBT-Gebiet (20) in das Dioden-Gebiet (21) durch den Bereich erstreckt, 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 wobei das Teilungselement (16, 40, 51, 61) ferner einen in dem anderen Graben (50) vergrabenen anderen Isolator (51) enthält.
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