DE102005004354A1 - Semiconductor device, e.g. insulated gate bipolar transistor, has floating area including penetration depth in drift areas, where depth corresponds to another two penetration depths of base areas and trenches - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement mit verbessertem Überspannungsschutz.The The present invention is in the technical field of semiconductor devices and more particularly relates to a field effect controllable semiconductor device with improved overvoltage protection.
Hochvoltschalter in der Leistungselektronik, wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) und dergleichen, werden üblicherweise so ausgelegt, dass deren Sperrspannung deutlich oberhalb der typischen von der Anwendung vorgegebenen Betriebsspannung liegt. Liegt die Betriebsspannung zum Beispiel im Bereich von 600-850 V, so wird ein dafür zur Verfügung gestelltes Schaltermodul (z. B. IGBT) beispielsweise so ausgelegt, dass es eine Nenn-Sperrspannung von 1200 V aufweist. Wie sich gezeigt hat, ist ein derart großer Sicherheitsabstand notwendig, um die beim Abschalten der Hochvoltschalter auftretenden hohen Überspannungen aufzufangen, um eine Zerstörung des IGBTs zu vermeiden. Ursache für die hohen Überspannungen sind hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten dI/dt und die stets vorhandenen (auch parasitären) Induktivitäten ("Streuinduktivitäten"). Besonders hohe Überspannungen treten vor allem dann auf, wenn ein Mehrfaches des Nennstroms auszuschalten ist, wie im so genannten Überstrom- bzw. Kurzschluss-Fall.High-voltage switch in power electronics, such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and the like, become common designed so that their reverse voltage well above the typical is the application specified by the operating voltage. Is that lying Operating voltage, for example, in the range of 600-850 V, so will one for that to disposal switch module (eg IGBT), for example, designed so that it has a rated reverse voltage of 1200V. As it turned out has, is such a big one Safety clearance necessary to turn off the high-voltage switch occurring high surges to catch up to destruction to avoid the IGBT. Cause of the high overvoltages are high current change rates dI / dt and the always present (also parasitic) inductances ("stray inductances"). Particularly high overvoltages especially occur when switching off a multiple of the rated current is, as in the so-called overcurrent or short circuit case.
In dieser Hinsicht haben sich vor allem die modernen, sehr schnell (aus-)schaltenden Hochvoltschalter als problematisch erwiesen, welche bei hohen Streuinduktivitäten zu sehr hohen Überspannungen neigen. Beispiele für solche modernen, schnell schaltenden IGBTs sind in T. Laska et al. "The Field Stop IGBT (FS IGBT) – A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential", Proceedings of the 12th ISPSD, Seiten 355-358, 2000; M. Otsuki et al. "Investigation of the Short-Circuit Capability of 1200V Trench Gate Field-Stop IGBTs, Proceedings of the 14th ISPSD, Seiten 281-284, 2002; S. Dewar et al. "Soft Punch Through (SPT) – Setting new Standards in 1200V IGBT", Proc. PCIM Europe, 2000; K. Nakamura et al. "Advanced Wide Cell Pitch CSTBTs Having Light Punch-Through (LPT) Structures", Proceedings of the 14th ISPSD, Seiten 277-280, 2002 beschrieben.In In this respect, especially the modern, very fast (off) switching high-voltage switch proved problematic, which at high leakage inductances to very high surges tend. examples for Such modern, fast switching IGBTs are described in T. Laska et al. "The Field Stop IGBT (FS IGBT) - A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential ", Proceedings of the 12th ISPSD, pp. 355-358, 2000; M. Otsuki et al. "Investigation of the short circuit Capability of 1200V Trench Gate Field-Stop IGBTs, Proceedings of the 14th ISPSD, pages 281-284, 2002; S. Dewar et al. "Soft Punch Through (SPT) - Setting new Standards in 1200V IGBT ", Proc. PCIM Europe, 2000; K. Nakamura et al. Having Advanced Wide Cell Pitch CSTBTs Light Punch-Through (LPT) Structures ", Proceedings of the 14th ISPSD, pages 277-280, 2002.
Das Problem der beim Ausschalten infolge von schnellen Stromänderungsgeschwindigkeiten und Streuinduktivitäten auftretenden hohen Überspannungen wurde bislang vornehmlich dadurch gelöst, dass von der Anwenderseite her große Anstrengungen unternommen wurden, sei es durch spezielle Ansteuerschaltungen oder mittels reduzierter Aufbau-Streuinduktivitäten, die auftretenden Überspannungen zu reduzieren, um so die Hochvoltschalter in einer zufriedenstellenden Weise einsetzen zu können. Dies ist jedoch mit hohen Mehrkosten in der Entwicklung und/oder Fertigung verbunden. Darüber hinaus sind durch diese Vorgehensweise die Freiheiten im Chip-Design eingeschränkt.The Problem of turning off due to fast current change speeds and stray inductances occurring high surges has so far mainly been solved by the user side her big Efforts have been made, either by special drive circuits or by means of reduced build-up stray inductances, the overvoltages that occur to reduce, so the high-voltage switch in a satisfactory To use way. However, this is at high extra cost in the development and / or Manufacturing connected. About that In addition, through this approach, the freedoms in the chip design limited.
Als eine Möglichkeit, Überspannungen in IGBTs zu begrenzen, wurde in letzter Zeit die dynamische "Selbstklemmeigenschaft" eines IGBTs diskutiert, welches auf den Änderungen der Nettoraumladungsdichte des Driftgebiets aufgrund eines Avanlanche-Stroms, ausgeschwemmten Ladungsträgern der neutralen Region und der kollektorseitigen Injektion von Löchern beruht (siehe z. B. M. Takei et al. "Analysis on the Self-Clamp Phenomena of IGBTs" in Proc. 11th ISPSD, Poster Session, Paper 7.1, 1999 und M. Otsuki "1200V FS-IGBT module with enhanced dynamic clamping capability", Proceedings of the 2004 ISPSD, Seiten 339-342, 2004).As one way to limit overvoltages in IGBTs, the dynamic "self-clamping" property of an IGBT has recently been discussed based on the changes in net charge density of the drift region due to avanlanche current, washed-out neutral region charge carriers and collector-side hole injection ( see, eg. BM Takei et al., "Analysis on the Self-Clamp Phenomena of IGBTs" in Proc. 11 th ISPSD, Poster session, Paper 7.1, 1999 and M. Otsuki "1200V FS IGBT module with enhanced dynamic clamping capability," Proceedings of the 2004 ISPSD, pages 339-342, 2004).
Wenn es demzufolge gelingt, einen Hochvoltschalter so zu gestalten, dass er trotz vorhandener hoher Streuinduktivitäten und hoher Stromänderungsgeschwindigkeiten in der Lage ist, eine während des Abschaltens auftretende hohe Überspannung durch Selbstklemmen dynamisch zu begrenzen ("Dynamic Clamping") und diese Belastung (welche bis zu einem Mehrfachen des Nennstroms bei etwa der Nennspannung betragen kann) über viele 100 ns bis einige μs aushalten kann, so würden dem Anwender wesentlich mehr Gestaltungsfreiheiten, insbesondere in Bezug auf das Umrichter-Design, zur Verfügung stehen (minimierter Ansteueraufwand und/oder minimierter Aufwand hinsichtlich der Streuinduktivitäten). Darüber hinaus wäre dies sehr vorteilhaft für den Bauelementehersteller, da die Chips noch schneller schaltend und damit verlustärmer konzipiert werden könnten, ohne dabei die Gefahr von zu hohen Überspannungen beim Abschalten unter Extrembedingungen (Überstrom- bzw. Kurzschlussfall) zu erhöhen.If Consequently, it is possible to design a high-voltage switch so that despite existing high stray inductances and high rates of current change is able to do a while the shutdown occurring high overvoltage by self-clamping dynamically limit ("Dynamic Clamping ") and these Load (which up to a multiple of the rated current at about the Nominal voltage can be) over many 100 ns to a few μs could endure that way the user much more creative freedom, in particular with regard to the inverter design, are available (minimized driving effort and / or minimized effort with regard to leakage inductances). Furthermore would this very beneficial for the component manufacturer, since the chips switching even faster and thus designed with lower losses could become, without the risk of excessive overvoltages when switching off under extreme conditions (overcurrent or short circuit) to increase.
Um dies zu erreichen, muss das Design eines IGBT-Chips in besonderer Weise konzipiert werden. So sind unter anderem der Rückseiten-Emitterwirkungsgrad und die Feldstoppschicht in geeigneter Weise zu dimensionieren (siehe beispielsweise M. Otsuki et al. "1200 V FS-IGBT module with enhanced clamping capability"; Proceedings of the 2004 ISPSD, Seiten 339-342, 2004).Around To achieve this, the design of an IGBT chip must be special Be conceived way. These include the backside emitter efficiency and suitably dimensioning the field stop layer (see For example, M. Otsuki et al. "1200 V FS-IGBT module with enhanced clamping capability "; Proceedings of the 2004 ISPSD, pages 339-342, 2004).
Darüber hinaus
ist wesentlich, dass die IGBT-Zellen so dimensioniert werden, dass
die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung
niedriger ist als die Rand-Durchbruchsspannung,
um den Chiprand während
der Phase des Dynamic Clamping nicht unnötig stark und einseitig zu
belasten. Vielmehr soll erreicht werden, dass die Belastung homogen
auf viele Zellen verteilt wird. Eine Möglichkeit wie dies erreicht werden
kann, ist in dem deutschen Patent
Demgegenüber liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere IGBT, anzugeben, das einen verbesserten Überspannungsschutz aufweist, ohne die eingangs dargestellten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere soll ein solches Halbleiterbauelement so konzipiert sein, dass die Kollektor-Emitter-Spannung niedriger ist als die Rand- Durchbruchsspannung, ohne dabei die prozessualen Nachteile einer erhöhten Dotierstoffkonzentration im Driftbereich zwischen den Zellen beziehungsweise unterhalb der Zellen in Kauf nehmen zu müssen.In contrast, lies an object of the present invention therein, by means of field effect controllable semiconductor device, in particular IGBT, specify that an improved overvoltage protection has, without taking the disadvantages presented at the outset in purchasing to have to. In particular, such a semiconductor device should be designed in such a way that that the collector-emitter voltage is lower than the edge breakdown voltage, without the procedural disadvantages of an increased dopant concentration in the drift region between the cells or below the To have to accept cells.
Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche angegeben.These Task is according to the proposal of the invention by means of a Field effect controllable semiconductor device solved according to the independent claim. advantageous Embodiments of the invention are specified by the subclaims.
Demnach ist erfindungsgemäß ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gezeigt, das in herkömmlicher Weise einen Vorderseitenkontakt, einen Rückseitenkontakt und einen zwischen Vorder- und Rückseitenkontakt angeordneten Halbleiterkörper mit einer vorderseitigen Oberfläche und einer rückseitigen Oberfläche, welche der vorderseitigen Oberfläche in einem vertikalen Aufbau gegenüberliegt, umfasst.Therefore is according to the invention a means of field effect controllable semiconductor device shown in conventional One front contact, one back contact and one between front and backside contact arranged semiconductor body with a front surface and a back Surface, which of the front surface in a vertical construction, includes.
In dem Halbleiterkörper ist in der vorderseitigen Oberfläche eine Grabenstruktur mit einer Mehrzahl von Gräben ausgebildet, das heißt, die Gräben erstrecken sich von der vorderseitigen Oberfläche in den Halbleiterkörper hinein, wobei die Gräben typischerweise in einer senkrechten Richtung zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet sind. Eine Eindringtiefe der Gräben bestimmt sich in diesem Fall in einer zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers senkrechten Richtung (eine zur vorderseitigen Oberfläche senkrechte Richtung, die zur rückseitigen Oberfläche zeigt) und ist durch die Tiefe der Gräben gegeben. Die Gräben können in der Draufsicht (auf die vorderseitige Oberfläche des Halbleiterkörpers) streifenförmig ausgebildet sein, d. h. die Gräben verlaufen im Querschnitt zueinander parallel. Andererseits können die Gräben auch Einzelzellen umlaufen und beispielsweise jeweilige quadratische oder hexagonale Strukturen formen.In the semiconductor body is in the front surface a trench structure formed with a plurality of trenches, that is, the Ditches extend extending from the front surface into the semiconductor body, being the trenches typically in a direction perpendicular to the front surface of the semiconductor body are formed. A penetration depth of the trenches is determined in this Case in a vertical to the front surface of the semiconductor body Direction (a direction perpendicular to the front surface that leads to the rear surface shows) and is given by the depth of the trenches. The trenches can be in the plan view (on the front surface of the semiconductor body) strip-shaped be, d. H. the trenches run parallel to each other in cross section. On the other hand, the trenches Single cells also circulate and, for example, respective square ones or hexagonal structures.
In der Grabenstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist eine gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isolierte Steuerelektrodenstruktur zum Zwecke der Steuerung des Feldeffekts des Halbleiterbauelements eingebettet, d. h. Steuerelektroden sind in den Gräben aufgenommen. Eine elektrische Isolierung der Steuerelektrodenstruktur von ihrer Umgebung kann dabei durch eine gewöhnliche Isolationsschicht, wie einer Oxidschicht erfolgen. Im Allgemeinen sind deshalb zumindest Teile der Steuerelektroden in den Gräben in einer Gegenüberstellung zu den Basisgebieten positioniert, so dass zur elektrisch leitenden Verbindung der Emittergebiete mit dem Driftgebiet durch Feldeffekt ein leitender Kanal in den Basisgebieten ausgebildet werden kann.In the trench structure of the semiconductor device according to the invention is one opposite their environment electrically insulated control electrode structure for Embedded for purposes of controlling the field effect of the semiconductor device, d. H. Control electrodes are accommodated in the trenches. An electric Isolation of the control electrode structure from its environment can doing so by an ordinary Insulation layer, such as an oxide layer. In general Therefore, at least parts of the control electrodes in the trenches in one Confrontation positioned to the base regions, allowing for the electrically conductive Connection of the emitter areas with the drift area by field effect a conductive channel can be formed in the base regions.
Der Halbleiterkörper des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements umfasst ferner ein (schwach dotiertes) Driftgebiet vom ersten Leitungstyp (n), wenigstens ein Basisgebiet vom zweiten Leitungstyp (p), das stärker dotiert ist als das Driftgebiet, wenigstens ein Emittergebiet vom ersten Leitungstyp (n), das stärker dotiert ist als das Driftgebiet, und wenigstens ein nicht angeschlossenes (floatendes) Floatinggebiet vom zweiten Leitungstyp (p), das stärker dotiert ist als das Driftgebiet. Dabei ist der Vorderseitenkontakt mit den Emit tergebieten und meist auch mit den Basisgebieten elektrisch leitend verbunden.Of the Semiconductor body of the semiconductor device according to the invention further comprises a (lightly doped) drift region of the first conductivity type (n), at least one base region of the second conductivity type (p), the stronger is doped as the drift region, at least one emitter region of first conductivity type (s), the stronger is doped as the drift region, and at least one unconnected (floating) Floating region of the second conductivity type (p), the more heavily doped is as the drift area. Here is the front side contact with the Emitter areas and usually also with the base areas electrically conductively connected.
Zwischen benachbarten Gräben der Grabenstruktur sind Intrazellgebiete und Interzellengebiete in alternierender Folge (translatorisch periodisch) ausgebildet, d. h. jeweils ein Intrazellgebiet ist zwischen angrenzenden Gräben geformt und jeweils ein Interzellengebiet ist zwischen angrenzenden Gräben geformt. Ein Intrazellgebiet umfasst dabei wenigstens eines (typischerweise zwei) der Emittergebiete vom ersten Leitungstyp (n), wenigstens eines (typischerweise eines) der Basisgebiete vom zweiten Leitungstyp (p) und wenigstens Teile des Driftgebiets, während ein Interzellengebiet wenigstens eines (typischerweise eines) der nicht angeschlossenen Floatinggebiete vom zweiten Leitungstyp (p) und wenigstens Teile des Driftgebiets umfasst. Die Namensgebung "Intrazellgebiet" bzw. "Interzellengebiet" wird hierdurch deutlich: durch die angrenzenden Gräben und jenes Gebiet zwischen diesen, in dem sich die Emitter- und Basisgebiete befinden, ist herkömmlicheweise eine (Transistor-)Zelle des Halbleiterbauelements definiert, so dass durch das Interzellengebiet den Bereich zwischen den Zellen definiert ist.Between neighboring trenches The trench structure are intracellular areas and intercellular areas in alternating sequence (translatorically periodic) formed, d. H. one intracellular area is formed between adjacent trenches and one inter-cell area is formed between adjacent trenches. An intracellular region comprises at least one (typically two) of the emitter regions of the first conductivity type (s), at least one (typically one) of the base regions of the second conductivity type (p) and at least parts of the drift region, while an intercell region at least one (typically one) of the unconnected Floating areas of the second conductivity type (p) and at least parts of the drift area. The naming "Intrazellgebiet" or "Interzellengebiet" becomes thereby clear: by the adjacent trenches and that area between these, in which the emitter and base areas are conventional defines a (transistor) cell of the semiconductor device, so that through the intercell area the area between the cells is defined.
Eine Eindringtiefe der Emitter- und Basisgebiete in den Halbleiterkörper bzw. das Driftgebiet bestimmt sich, in analoger Weise zur obigen Definition der Eindringtiefe der Gräben, im Allgemeinen in einer von der vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers zur rückseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers gerichteten Richtung, welche typischerweise senkrecht zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers steht.A penetration depth of the emitter and base regions into the semiconductor body or the drift region is determined, in a manner analogous to the above definition of the penetration depth of the trenches, generally in one of the front surface of the semiconductor body to the rear surface of the Halbleiterkör pers directed direction, which is typically perpendicular to the front surface of the semiconductor body.
Generell soll als Eindringtiefe im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei nicht eine individuelle Abmessung von Gräben, Emitter- bzw. Basisgebieten in einer von der vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers zur rückseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers gerichteten Richtung verstanden werden, sondern eine im Halbleiterkörper, insbesondere in dem Driftgebiet, erreichte Tiefe des unteren Rands dieser Strukturen.As a general rule intended as a penetration depth in the context of the present invention not an individual dimension of trenches, emitter or base areas in one of the front surface of the semiconductor body to rear surface of the semiconductor body directed direction, but one in the semiconductor body, in particular in the drift area, reached depth of the lower edge of these structures.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement zeichnet sich nun in wesentlicher Weise dadurch aus, dass die Floatinggebiete eine Eindringtiefe in den Halbleiterkörper (beziehungsweise in das Driftgebiet) haben, die wenigstens der Eindringtiefe der Basisgebiete, jedoch höchstens der Eindringtiefe der Gräben entspricht. Mit anderen Worten, die Eindringtiefe der Floatinggebiete liegt zwischen den Eindringtiefen der Basisgebiete und der Gräben, d. h. der untere Rand der Floatinggebiete in dem Driftgebiet ist wenigstens so tief bzw. liegt tiefer als der untere Rand der Basisgebiete in dem Driftgebiet, während der untere Rand der Gräben in dem Driftgebiet wenigstens so tief ist bzw. tiefer liegt als der untere Rand der Floatinggebiete in dem Driftgebiet.The inventive semiconductor device is now characterized by the fact that the floating areas a penetration depth into the semiconductor body (or into the drift area) have, at least, the penetration depth of the base areas, however at the most the penetration depth of the trenches equivalent. In other words, the depth of penetration of the floating areas lies between the penetration depths of the base regions and the trenches, i. H. the bottom of the floating areas in the drift area is at least so deep or lies lower than the lower edge of the base areas in the drift area while the lower edge of the trenches in the drift area is at least as deep or lower than the lower edge of the floating areas in the drift area.
In dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann durch die spezielle Gestaltung der Eindringtiefen der Gräben, Floating- und Basisgebiete eine ausgezeichnete Dynamic-Clamping-Fähigkeit erreicht werden. Dabei wird über eine gezielt gestaltete Grabentiefe im Verhältnis zur Eindringtiefe der Floatinggebiete und zur Eindringtiefe der Basisgebiete die "Inhomogenität" der Grabenaußenkante, welche eine Feldüberhöhung im Halbleiterkörper (bzw. im Driftgebiet) bewirkt, gezielt eingesetzt, um die Durchbruchsspannung der (Transistor-)Zellen in moderater Weise von z. B. typisch 1350 V um 100-150V abzusenken. Auf diese Weise bleibt der Rand besonders im Falle dynamisch auftretender hoher Spannungen entlastet und die dabei auftretende Energie verteilt sich bei "geklemmter", nicht zu hoher Spannung (z. B. 1200-1300 V), in besonders vorteilhafter Weise gleichmäßig auf alle (Transistor-)Zellen.In the semiconductor device according to the invention can through the special design of the penetration depths of the trenches, floating and base areas one achieved excellent dynamic clamping ability become. It is about a specifically designed trench depth in relation to the penetration depth of the floating areas and the penetration depth of the base regions, the "inhomogeneity" of the trench outer edge, which is a field swell in Semiconductor body (or in the drift region) causes, used selectively, the breakdown voltage the (transistor) cells in a moderate manner of z. Typically 1350 V to lower by 100-150V. In this way, the edge remains special relieved in the case of dynamically occurring high voltages and the the energy occurring is distributed at "clamped", not too high voltage (eg 1200-1300 V), in a particularly advantageous manner evenly on all (transistor) cells.
Die Dotierstoffkonzentration kann dabei, im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik, über den gesamten Bereich zwischen bzw. unterhalb der (Transistor-)Zellen konstant gehalten werden. Dabei darf der Unterschied zwischen der Grabentiefe und der Eindringtiefe des Floatinggebiets nicht zu groß werden, da sonst die Zell-Durchbruchsspannung zu stark abgesenkt würde (im Extremfall deutlich unterhalb der Nennspannung, wie etwa dann, wenn man beispielsweise ganz auf die Ausbildung des Floatinggebiets verzichten würde).The Dopant concentration can, in contrast to the beginning mentioned prior art, about the entire area between or below the (transistor) cells kept constant. The difference between the depth of the grave is allowed and the depth of penetration of the floating area does not become too large, otherwise the cell breakdown voltage would be lowered too much (im Extremely well below the rated voltage, such as when For example, you can completely do without the training of the floating area would).
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements beträgt die Differenz der Eindringtiefe der Gräben zu der Eindringtiefe der Floatinggebiete demnach maximal 3 μm und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 μm.at a preferred embodiment of the semiconductor device according to the invention is the difference of the penetration depth of the trenches to the penetration depth of Floating areas therefore a maximum of 3 microns and is preferably in Range of 0.5 to 3 microns.
Im Falle eines IGBTs ist der Randabschluss des IGBTs mittels einer Feldplatten-Randstruktur oder Ring-Randstruktur vom zweiten Ladungstyp (p) oder JTE-Randstruktur vorzugsweise so gestaltet, dass die dortige Durchbruchsspannung auf einem signifikant höheren Niveau liegt als in den Transistor- Zellen. So beträgt die Randdurchbruchsspannung z. B. 1350 V und die Trench-Zellendurchbruchsspannung beispielsweise 1250 V.in the Case of an IGBT is the edge closure of the IGBTs by means of a Feldplatten edge structure or ring edge structure of the second charge type (P) or JTE edge structure preferably designed so that the local Breaking voltage is at a significantly higher level than in the Transistor cells. So is the edge breakdown voltage z. B. 1350 V and the trench cell breakdown voltage for example 1250 V.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann in einfacher Weise hergestellt werden, indem etwa das Temperaturbudget des Floatinggebiets bei gegebener Grabentiefe reduziert wird, so dass die Eindringtiefe des Floatinggebiets verringert wird, oder alternativ, indem die Grabentiefe bei gegebenem Floatinggebiet (bzw. gegebener Eindringtiefe des Floatinggebiets) so erhöht wird, dass die äußere Grabenecke nicht mehr – so wie bisher üblich – von dem Floatinggebiet umgeben ist.The inventive semiconductor device can be made in a simple way, such as the temperature budget the floating area is reduced at a given trench depth, so that the penetration depth of the floating area is reduced, or Alternatively, by the trench depth for a given floating area (resp. given depth of penetration of the floating area) is increased so that the outer grave corner not anymore - so as usual - from the Floating area is surrounded.
Auf diese Weise gefertigte erfindungsgemäße (Leistungs-)Halbleiterbauelemente, insbesondere IGBTs, zeigen eine um ca. 100 V reduzierte statische Durchbruchsspannung (z. B. 1250 V anstelle von 1350 V), da nicht mehr die Randstruktur, sondern die Zellstruktur die Durchbruchsspannung bestimmt. Darüber hinaus zeichnen sich die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente durch eine überragende Avalanche-Festigkeit aus. Derartige Chips können bei Streu-Induktivitäten bis in den μH-Bereich hinein noch einen doppelten Nennstrom abschalten und die Spannung begrenzt sich dynamisch selbst bei ca. 1300 V, während herkömmliche Bauteile bei diesen Bedingungen aufgrund einer übermäßig hohen Strom-/Spannungsbelastung im Randbereich zerstört würden.On this way manufactured (power) semiconductor devices according to the invention, In particular IGBTs, show a reduced by about 100 V static breakdown voltage (eg 1250 V instead of 1350 V), since the edge structure is no longer but the cell structure determines the breakdown voltage. Furthermore the semiconductor devices according to the invention are distinguished characterized by superior avalanche strength. such Chips can be added Stray inductors up in the μH range in turn off a double rated current and the voltage is limited dynamically even at about 1300 V, while conventional components under these conditions due to an excessive current / voltage load destroyed in the edge area would.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements weisen die Gräben eine Eindringtiefe (Grabentiefe) im Bereich von ca. 4 μm bis ca. 8 μm auf. Ins besondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Floatinggebiete eine Eindringtiefe im Bereich von ca. 3 μm bis ca. 7 μm haben.at an advantageous embodiment of the semiconductor device according to the invention show the trenches a penetration depth (trench depth) in the range of approx. 4 μm to approx. 8 μm. In particular, in this case, it is advantageous if the floating areas a Penetration depth in the range of about 3 microns to about 7 microns have.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, wenn das mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelement als Leistungs-Halbleiterbauelement, insbesondere Hochvoltschalter, wie ein Leistungs-IGBT, gestaltet ist.It is according to the invention preferred if the field effect controllable semiconductor device as a power semiconductor component, in particular high-voltage switch, like a power IGBT, is designed.
Im Falle eines Leistungs-IGBTs weist der Halbleiterkörper zwischen dem Driftgebiet und dem Rückseitenkontakt weiterhin ein Anodengebiet vom zweiten Ladungsträgertyp (p) auf, das stärker dotiert ist als das Driftgebiet. In diesem Fall ist der Rückseitenkontakt üblicherweise großflächig in direktem Kontakt mit dem Anodengebiet. Ein solcher Leistungs-IGBT wird auch als Non-punch-through (NPT)-IGBT bezeichnet. In einer anderen Variante, welche als Punch-through (PT)-IGBT oder häufiger als Feldstopp (FS)-IGBT bezeichnet wird, weist der Halbleiterkörper ferner zwischen dem Driftgebiet und dem Anodengebiet ein Feldstoppgebiet (auch Puffergebiet bezeichnet) vom ersten Ladungsträgertyp (n) auf, das stärker dotiert ist als das Driftgebiet. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Dotierung des Feldstoppgebiets auf das für die statische Sperrfähigkeit notwendige Maß reduziert wird, um hierdurch die Avalanche-Festigkeit des PT-IGBT weiter zu verbessern. Eine in dieser Hinsicht bevorzugte Ladungsträgerdichte liegt im Bereich von ca . 1 × 1011 cm–3 bis ca . 1 × 1012 cm–3.In the case of a power IGBT, the The semiconductor body between the drift region and the backside contact further comprises an anode region of the second charge carrier type (p), which is more heavily doped than the drift region. In this case, the backside contact is usually a large area in direct contact with the anode area. Such a power IGBT is also referred to as non-punch-through (NPT) -IGBT. In another variant, which is referred to as punch-through (PT) -IGBT or more often as field stop (FS) -IGBT, the semiconductor body further has a field stop region (also referred to as buffer region) of the first charge carrier type (s) between the drift region and the anode region. which is more heavily doped than the drift region. According to the invention, it is preferred that the doping of the field stop region is reduced to the extent necessary for the static blocking capability, in order thereby to further improve the avalanche resistance of the PT-IGBT. A preferred charge carrier density in this respect is in the range of approx. 1 × 10 11 cm -3 to approx. 1 × 10 12 cm -3 .
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeich nungen genommen wird. Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The Invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment, wherein Reference to the attached Subscriptions is taken. Same or equivalent elements are provided in the drawings with the same reference numerals.
Zunächst sei
Bezug auf die beiden
Demnach
ist in einem Halbleiterbauelement ein Halbleiterkörper
Es
erfolgt nun eine Beschreibung der Unterschiede der in den
In
dem in
In
dem in
Es
wird nun Bezug auf
In
den Gräben
- 11
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 22
- Driftgebietdrift region
- 33
- Basisgebietbase region
- 44
- Grabendig
- 55
- Floatinggebietfloating area
- 66
- UmgreifzoneUmgreifzone
- 77
- Grabeneckengrave corners
- 88th
- Steuerelektrodecontrol electrode
- 99
- Emittergebietemitter region
- 1010
- Isolatorschichtinsulator layer
- 1111
- VorderseitenelektrodeFront side electrode
- 1212
- RückseitenelektrodeBack electrode
- 1313
- Anodengebietanode region
- 1414
- FeldstoppgebietField stop region
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