DE102005018366B4 - Rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung, die einen Isolierschicht-Bipolartransistor und eine freilaufende Diode umfasst, die auf einem Substrat (1) ausgebildet sind, das aus einem Halbleiter eines ersten Leitungstyps hergestellt ist, wobei die freilaufende Diode umfasst:
eine Basisschicht (2) eines zweiten Leitungstyps, die durch Dotieren einer Oberfläche des Substrats (1) mit Störstellen des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, um den Isolierschicht-Bipolartransistor zu bilden,
eine Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps des Halbleiters des ersten Leitungstyps, um den Isolierschicht-Bipolartransistor zu bilden,
eine Anodenelektrode, die eine Emitterelektrode (7) ist, die auf der einen Oberfläche des Substrats (1) in der Weise ausgebildet ist, dass sie eine auf dem Teil der Basisschicht (2) des zweiten Leitungstyps ausgebildete Emitterschicht (8) des ersten Leitungstyps und die Basisschicht (2) des zweiten Leitungstyps bedeckt,
eine Katodenelektrode, die eine Kollektorelektrode (6) ist, die auf der anderen Oberfläche des Substrats (1) in der Weise ausgebildet ist, dass sie die Basisschicht (1a) des ersten...

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtungen und insbesondere eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung, in der ein Isolierschicht-Bipolartransistor und eine freilaufende Diode auf einem Substrat einteilig monolithisch ausgebildet sind.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 014 453 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Sperrerholungseigenschaften einer Freilaufdiode. Insbesondere wird vorgeschlagen, Heliumionen in eine n-Schicht unmittelbar an einem PN-Übergang zur Ausbildung einer Region erniedrigter Ladungsträgerlebensdauer zu implantieren.
  • In der Offenlegungsschrift DE 101 60 118 A1 wird ein Halbleiterelement beschrieben, welches ein IGBT-Gebiet und ein Dioden-Gebiet aufweist. Der IGBT und die Diode sind antiparallel miteinander verbunden. Zur Begrenzung eines reversiven Recoverystroms, der als Störstrom von dem Diodengebiet in das IGBT-Gebiet fließt, ist ein Graben zwischen dem IGBT-Gebiet und dem Dioden-Gebiet ausgebildet.
  • Die Offenlegungsschrift DE 199 08 477 A1 offenbart eine Freilaufdiode mit einer Feldbegrenzungsschicht. Insbesondere ist ein äußerer Rand einer Anodenschicht, der an eine innerste Feldbegrenzungsumfangsschicht grenzt, nicht mit einer Anodenelektrodenmetallschicht aus Aluminium bedeckt. Dadurch kann der äußerste Rand der Anodenschicht als definierter elektrischer Widerstand benutzt werden. Als eine Folge kann ein örtlich großer Regenerationsstrom bei anliegender Rückwärtsvorspannung eingeschränkt werden.
  • DE 689 26 098 T2 offenbart einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere ist das Bauelement für eine Verwendung bei hohen Frequenzen ausgelegt.
  • DE 696 34 594 T2 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit isoliertem Gate sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Speziell weist der beschriebene Bipolartransistor mit isoliertem Gate, der ein Graben-MOS-Gate aufweist, eine niedrige Durchlassspannung auf.
  • In den letzten Jahren werden Wechselrichtereinheiten in Heimelektrikprodukten, Industriestromversorgungsgeräten und dergleichen umfassend verwendet. Da eine Wechselrichtereinheit üblicherweise eine kommerzielle Stromversorgung (eine Wechselstromeinspeisung) verwendet, ist sie aus einem Umsetzerabschnitt, der eine Durchlassumsetzung durchführt, die eine Wechselstromeinspeisung sofort in eine Gleichstromform umsetzt; einem Glättungsschaltungsabschnitt; und einem Wechselrichterabschnitt, der umgekehrt eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umsetzt, gebildet. In dem Wechselrichterabschnitt werden als eine Hauptleistungsvorrichtung hauptsächlich Isolierschicht-Bipolartransistoren verwendet, die schnell schalten können. In einer Wechselrichtereinheit zur Leistungssteuerung liegen ein Nennstrom und eine Nennspannung, die durch jeden Transistorchip behandelt werden, nahezu im Bereich von mehreren Ampere bis zu mehreren hunderten Ampere bzw. im Bereich von mehreren hunderten Volt bis zu mehreren tausenden Volt, wobei in einer Schaltung, die durch ständig wechselnde Gate-Spannungen der Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBT) mit einer Widerstandslast betrieben wird, eine Leistung, d. h. ein Produkt aus einem Strom und einer Spannung, im Innern des Transistors als Wärme freigesetzt wird. Bei dieser Konstruktion benötigt die Schaltung einen Kühler mit großer Kapazität und wird außerdem der Konversionswirkungsgrad verschlechtert, wobei in vielen Fällen keine Schaltung mit ohmscher Last verwendet wird, da ein thermischer Durchbruch gemäß einer Kombination eines Betriebsstroms und einer Betriebsspannung zu einem Temperaturanstieg der Transistoren selbst führt.
  • Da eine Last einer Wechselrichtereinheit in vielen Fällen eine elektrische Induktionsmaschine (ein Motor als eine induktive Last) ist, wirkt ein IGBT üblicherweise als ein Schalter, der einen Aus-Zustand und einen Ein-Zustand zusammen wiederholt und dadurch eine hohe Energie steuert. Falls eine Wechselrichterschaltung mit einer induktiven Last geschaltet wird, enthalten die Phasen des Transistors eine Ausschaltphase, in der der Transistor von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand übergeht, eine Einschaltphase, in der der Transistor von dem Ein-Zustand in den Aus-Zustand übergeht, und eine Phase, in der der Transistor in dem Ein-Zustand bleibt, wobei ein in die Last und in die induktive Last fließender Strom mit einem Zwischenpotentialpunkt zwischen dem oberen Zweig und dem unteren Zweig verbunden ist, während ein durch die induktive Last fließender Strom, beide Richtungen, die positive und die negative, besitzt, und während ein in die Last fließender Strom von einem Lastverbindungsende an die Leistungsversorgungsseite auf einem hohen Potential zurückgegeben wird oder veranlasst wird, dass er zur Masseseite fließt; somit entsteht eine Notwendigkeit freilaufender Dioden, die beim Stromumlauf eines großen Stroms verwendet werden, der zwischen der Last und einer Schließschaltung der Zweige durch die induktive Last fließt.
  • Da ein IGBT keine doppeltgerichtete Stromflussfähigkeit besitzt, werden in einer Wechselrichterschaltung, die IGBTs und Da ein IGBT keine doppeltgerichtete Stromflussfähigkeit besitzt, werden in einer Wechselrichterschaltung, die IGBTs und freilaufende Dioden enthält, die freilaufenden Dioden für den Stromumlauf in antiparalleler Verbindung als ein getrennter Chip verwendet. Allerdings ist in den vergangenen Jahren vorgeschlagen worden, dass Dioden für den Stromumlauf und IGBTs einteilig gebaut werden, um eine Wechselrichtereinheit mit kleinerer Größe und kleinerem Gewicht zu realisieren ( JP 2000-200906 A und JP 10-74959 A ).
  • Allerdings gibt es die Probleme, dass ein rückwärtsleitender Isolierschicht-Bipolartransistor eine Anode und eine Katode in derselben Ebene besitzt, dass die Stromflussfähigkeiten in beiden Richtungen nicht das gleiche Niveau haben, dass es schwierig ist, eine Diodencharakteristik unabhängig zu optimieren, da eine interne Diode ein Element für die Bildung des Isolierschicht-Bipolartransistors gemeinsam nutzt, und dass insbesondere eine Verzögerungscharakteristik einer internen Diode niedriger als die einer Diode ist, falls ein IGBT-Chip und ein freilaufender Diodenchip als eine Zweichip-Vorrichtung kombiniert sind.
  • Die Ladungsträger, die in dem Übergangsendgebiet in dem Außenumfangsgebiet des Chips angesammelt sind, veranlassen eine Stromkonzentration in dem Grenzgebiet mit einem Zellenabschnitt, während eine Verzögerungsaktion arbeitet, was zu einem weiteren Problem des Durchschlags des Chips führt.
  • US 6,323,509 B1 beschreib eine Leistungshalbleitervorrichtung, die eine Freilaufdiode enthält. Die Vorrichtung ist auf einem n-Siliziumsubstrat gebildet und enthält einen p- Basisbereich, der an einer oberen Hauptfläche des Substrats gebildet ist, und eine Mehrzahl von Grabengateelektroden, die parallel zueinander angeordnet sind und sich durch den p-Basisbereich in der Tiefenrichtung hindurch erstrecken. An der Oberfläche des p-Basisbereichs sind eine Mehrzahl von p-Halbleiterbereichen mit relativ hoher Konzentration so angeordnet, das jeder zwischen zwei benachbarten Grabengateelektroden liegt, und eine Mehrzahl von n-Emitterbereichen mit relativ hoher Konzentration sind auf den einander gegenüberliegenden Seiten der p-Halbleiterbereiche angeordnet. Eine Mehrzahl von Emitterelekroden ist selektiv an der oberen Hauptfläche gebildet. An einer unteren Hauptfläche ist eine n-Pufferschicht gebildet. Eine p-Kollektorschicht ist an der unteren Hauptfläche in der n-Pufferschicht gebildet, und ein n-Kathodenbereich ist selektiv mit einer Abstandsbeziehung zu der p-Kollektorschicht gebildet. Eine Kollektorelektrode aus Metall ist in Kontakt mit der n-Pufferschicht, der p-Kollektorschicht und dem n-Kathodenbereich.
  • EP 0 297 325 A2 beschreibt einen Thyristor, der in einer n-Basisschicht eine Defektschicht enthält, die Rekombinationszentren zum Auffangen von Trägern bereitstellt. Träger, die in der n-Basisschicht verbleiben, werden beim Ausschalten durch die Defektschicht schnell entfernt, sodass die Ausschaltzeit des Thyristors verringert sein kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung, in der ein Isolierschicht-Bipolartransistor und eine freilaufende Diode mit einer ausgezeichneten Verzögerungscharakteristik einteilig monolithisch auf einem Substrat ausgebildet sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1.
  • Die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der Erfindung ist eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung, die einen Isolierschicht-Bipolartransistor und eine freilaufende Diode enthält, die einteilig auf dem Substrat ausgebildet sind, wobei in dem Teil der Basisschicht des ersten Leitungstyp ein Kurzlebensdauer-Gebiet ausgebildet ist, so dass eine Menge der Ladungsträger, die während einer Verzögerungsoperation aus der Basisschicht des ersten Leitungstyps herausgeschossen werden, kleiner sein kann, so dass eine Sperrverzögerungscharakteristik verbessert werden kann.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine Schnittansicht einer Struktur einer rückwärtsleitenden Halbleitervorichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ein Korrelationsdiagramm zwischen einer Durchlassspannung (VF) und einem Verzögerungsstrom der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform;
  • 3 eine Schnittansicht einer rückwärtsleitenden Halblei tervorrichtung eines Vergleichsbeispiels;
  • 4 einen Stromlaufplan in einem Fall, in dem aus der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform eine Wechselrichterschaltung gebildet ist;
  • 5 eine Schnittansicht, nachdem in einem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform in einem Substrat eine P-Basisschicht ausgebildet worden ist;
  • 6 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform in Teilen der P-Basisschicht N+-Emitterschichten ausgebildet worden sind;
  • 7 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform durch die N+-Emitterschichten und durch die P-Basisschicht Aussparungen für die Gate-Elektroden ausgebildet worden sind und in den Aussparungen Gate-Isolierdünnschichten ausgebildet worden sind;
  • 8 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform auf den Gate-Isolierdünnschichten in den Aussparungen Gate-Elektroden ausgebildet worden sind;
  • 9 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform eine Emitterelekt rode ausgebildet worden ist;
  • 10 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats P-Kollektorschichten ausgebildet worden sind;
  • 11 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform zwischen angrenzenden P-Kollektorschichten auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats jeweils Katoden-Schichten 4 ausgebildet worden sind;
  • 12 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform auf der anderen Hauptoberfläche eine Kollektorelektrode ausgebildet worden ist;
  • 13 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform ein Gebiet mit kurzer Lebensdauer ausgebildet worden ist;
  • 14 eine Schnittansicht, die eine Struktur einer rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 15 eine graphische Darstellung einer Verzögerungscharakteristik in einem Fall, in dem in der Struktur der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform keine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl stattfindet;
  • 16 eine graphische Darstellung einer Verzögerungscharakteristik der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform, bei der selektiv eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl durchgeführt wird;
  • 17 eine Schnittansicht, nachdem in einem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform auf dem Substrat P-Wannen ausgebildet worden sind;
  • 18 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform eine P-Basisschicht ausgebildet worden ist;
  • 19 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform N+-Emitterschichten ausgebildet worden sind;
  • 20 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform Gate-Isolierschichten (Graben-Isolierdünnschichten) ausgebildet worden sind;
  • 21 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsformen Gate-Elektroden aus Polysilicium ausgebildet worden sind;
  • 22 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrich tung einer zweiten Ausführungsform Emitterelektroden ausgebildet worden sind;
  • 23 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform eine Schutzdünnschicht ausgebildet worden ist, die die P-Wannen und Elektroden bedeckt;
  • 24 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform auf der anderen Hauptoberfläche der Elektrode P-Kollektorschichten ausgebildet worden sind;
  • 25 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform eine Kollektorelektrode in ohmschem Kontakt mit den P-Kollektorschichten und mit den Katodenelektroden ausgebildet worden ist;
  • 26 eine Schnittansicht, nachdem in dem Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform durch Bestrahlen eines Relaxationsgebiets des elektrischen Feldes mit einem Elektronenstrahl ein Kurzlebensdauer-Gebiet ausgebildet worden ist;
  • 27 eine Schnittansicht, die eine Struktur einer rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
  • 28 eine graphische Darstellung einer Verzögerungscharakteristik in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrich tung in einer dritten Ausführungsform, nachdem selektiv eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, gefolgt von einer Heliumbestrahlung, durchgeführt worden ist.
  • Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnung Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • Eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung enthält Isolierschicht-Bipolartransistoren und freilaufende Dioden, die einteilig monolithisch auf einem aus einem N-Halbleiter (z. B. aus einem N-Siliciumhalbleiter) hergestellten Substrat 1 ausgebildet und auf folgende Weise konstruiert sind (1).
  • In einer rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform enthalten die Isolierschicht-Bipolartransistoren:
    (1) eine P-Basisschicht 2, (2) N+-Emitterschichten 8, die durch Dotieren von Teilen der P-Basisschicht 2 mit N-Störstellen ausgebildet sind, (3) P+-Kontaktschichten 9, die durch Dotieren von Teilen der P-Basisschicht 2 mit P-Störstellen zwischen angrenzenden N+-Emitterschichten 8 auf der P-Basisschicht 2 ausgebildet sind, (4) Gate-Isolierdünnschichten 10, die jeweils in der Weise ausgebildet sind, dass sie mit der P-Basisschicht 2, mit den N+-Emitterschichten 8 und mit dem N-Halbleiter des Substrats 1 in Kontakt sind, (5) Gate-Elektroden 11, die jeweils in der Weise ausgebildet sind, dass sie der P-Basisschicht 2, den N+-Emitterschichten 8 und dem N-Halbleiter des Substrats 1 gegenüberliegen, wobei die Gate-Isolierdünnschicht 10 dazwischenliegt, und (6) eine Emitterelektrode 7, die mit einer Zwischenschicht-Isolierdünnschicht 12 gegenüber den Gate-Elektroden 11 isoliert ist und in Kontakt mit den N+-Emitterschichten 8 und mit den P+-Kontaktschichten 9 ausgebildet ist, wobei alle Bestandteile auf einer Oberfläche des aus einem N-Halbleiter hergestellten Substrats 1 ausgebildet sind;
    (7) P-Kollektorschichten 3 und (8) Kollektorelektroden 6, die in der Weise ausgebildet sind, dass sie mit den P-Kollektorschichten 3 in Kontakt sind, die sämtlich auf der anderen Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet sind,
    wobei der N-Halbleiter des Substrats 1 als eine N-Basisschicht 1a dient.
  • Es wird angemerkt, dass Einzelheiten einer Struktur der Gate-Elektroden und anderes auf der einen Oberflächenseite des Substrats während einer Beschreibung eines Herstellungsverfahrens näher erläutert werden.
  • Die Bezeichnung ”N+” bei den N+-Emitterschichten 8 bedeutet, dass eine Konzentration von N-Störstellen darin höher als in dem N-Halbleiter des Substrats 1 ist, während die Bezeichnung ”P+” der P+-Kontaktschichten 9 bedeutet, dass eine Konzentration von P-Störstellen darin höher als in dem P-Halbleiter der P-Basisschicht 2 ist.
  • Auf der anderen Oberfläche des Substrats 1 sind in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform aus einem N+-Halbleiter angrenzend an die jeweilige P-Kollektorschicht 3 aus einem N+-Halbleiter hergestellte Katodenschichten 4 ausgebildet, wobei die Kollektorelektrode 6 in der Weise ausgebildet ist, dass sie mit den Katodenschichten 4 in Kontakt steht, wobei zwischen der Emitterelektrode 7 und der Kollektorelektrode 6 freilaufende Dioden ausgebildet sind, die den PN-Übergang zwischen der P-Basisschicht 2 und dem N-Halbleiter (einer N-Basisschicht 1a) des Substrats 1 verwenden. Es wird angemerkt, dass die Emitterelektrode 7 der Anodenelektrode der freilaufenden Dioden entspricht, während die Kollektorelektrode 6 deren Katodenelektrode entspricht.
  • Die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung aus 1 mit dieser Konstruktion besitzt eine Struktur, in der die Isolierschicht-Bipolartransistoren T1 und die freilaufenden Dioden D1 wie in 4 gezeigt miteinander verbunden sind, was wie folgt funktioniert. Es wird angemerkt, dass die Schaltung aus 4 ein Beispiel einer Konfiguration einer Wechselrichterschaltung zeigt, die die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der Erfindung verwendet.
  • Wenn in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung aus 1 an das Gate 11 eine positive Vorspannung angelegt wird, die gleich oder größer einem Schwellenwert ist, während zwischen die Emitterelektrode 7 und die Kollektorelektrode 11 an der hinteren Oberfläche eine vorgeschriebene Spannung angelegt wird (wobei die Emitterelektrode auf einem niedrigeren Potential als die Kollektorelektrode an der hinteren Oberfläche ist), nehmen die Isolierschicht-Bipolartransistoren einen Ein-Zustand an, der veranlasst, dass die N-Basisschicht 1a, die P-Basisschicht 2 und die N+-Emitterschichten 8 in einem leitenden Zustand sind. Bei dieser Gelegenheit werden die freilaufenden Dioden in Sperrrichtung betrieben, wobei sie in einem Aus-Zustand sind.
  • Wenn in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung aus 1 an das Gate 11 eine negative Spannung oder die gleiche Spannung wie die Emitterspannung angelegt wird, während zwischen die Emitterelektrode 7 und die Kollektorelektrode 6 eine vorgeschriebene Spannung angelegt wird (wobei die Emitterelektrode auf einem höheren Potential als die Kollektorelektrode an der hinteren Oberfläche ist), sind die Isolierschicht-Bipolartransistoren in einem nicht leitenden Zustand, wobei aber die freilaufenden Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden und von der Emitterelektrode 7 über die P+- Kontaktschichten 9, über die P-Basisschicht 2 und über die N-Basisschicht 1a (die gegenüber den Isolierschicht-Bipolartransistoren in der entgegengesetzten Richtung leitet) ein Strom zu der Kollektorelektrode 6 fließt.
  • Wenn das Gate 11 negativ vorgespannt ist und zwischen der Emitterelektrode 7 und der Kollektorelektrode 6 an der hinteren Oberfläche eine vorgeschriebene Spannung angelegt wird (wobei die Emitterelektrode auf einem niedrigeren Potential als die Kollektorelektrode an der hinteren Oberfläche ist), dehnt sich eine Verarmungsschicht von der P-Basisschicht an der vorderen Oberfläche aus, wodurch eine Spannungsfestigkeit gehalten werden kann und die freilaufenden Dioden in Sperrspannung betrieben werden und nicht leiten.
  • Auf diese Weise nutzen in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform die freilaufenden Dioden und die Isolierschicht-Bipolartransistoren die P-Basisschicht und die N-Basisschicht 1a gemeinsam, wobei eine Richtung eines Stroms, der in den Isolierschicht-Bipolartransistoren in dem Ein-Zustand fließt, entgegengesetzt zu der eines Stroms ist, der in den freilaufenden Dioden in dem Ein-Zustand fließt.
  • Auf diese Weise wird in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform eine Struktur angenommen, in der die P-Basisschicht 2 der Isolierschicht-Bipolartransistoren als die Anode der freilaufenden Dioden verwendet wird. Da eine Gate-Schwellenspannung (Vth) eines Isolierschicht-Bipolartransistors, der in einer Wechselrichtereinheit verwendet wird, im Allgemeinen auf etwa 5 V eingestellt ist, ist eine Spitzenkonzentration in einem Abschnitt entlang der Gate-Isolierdünnschichten der P-Basisschicht 2 auf einen Wert in der Größenordnung in dem Bereich von 1·1017 cm–3 bis 1·1018 cm–3 eingestellt, während eine Konzentration der P- Basisschicht 2 in dem vorderen Oberflächenabschnitt der Vorrichtung in der Größenordnung von 1·1018 cm–3 oder mehr eingestellt ist. Wenn die freilaufenden Dioden den Ein-Zustand einnehmen, findet somit von der P-Basisschicht 2, die als die Anodenschicht dient, eine überschüssige Injektion von Löchern über die erforderliche hinaus statt, wobei sich Ladungsträger (Löcher und Elektronen) übermäßig in der N-Basisschicht 1a im Innern der Vorrichtung ansammeln. Die im Innern der Vorrichtung angesammelte Ladung wird als ein Sperrverzögerungsstrom (Verzögerungsstrom) während einer Sperrverzögerungsoperation (einer Verzögerungsoperation) aus der Vorrichtung entnommen. Aus diesem Grund entsteht in der in 3 gezeigten rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung eines Vergleichsbeispiels, in der keine Kurzlebensdauer-Schicht 5 ausgebildet ist, ein Problem der Verschlechterung einer Verzögerungscharakteristik der freilaufenden Dioden, falls die P-Basisschicht 2 der Isolierschicht-Bipolartransistoren als die Anode der freilaufenden Dioden verwendet wird.
  • Somit ist in der ersten Ausführungsform in einem Teil der N-Basisschicht 1a, der sich unter der P-Basisschicht 2 befindet (einem Teil, der sich in der Dickenrichtung des Substrats 1 befindet), das Kurzlebensdauer-Gebiet 5 ausgebildet, in dem eine Lebensdauer der Ladungsträger kürzer als in der N-Basisschicht 1a mit Ausnahme eines Teils davon ist, um durch die Wirkung des Kurzlebensdauer-Gebiets 5 überschüssige Ladungsträger zu verringern und eine Verzögerungscharakteristik der freilaufenden Dioden zu verbessern.
  • Ausführlich ist eine Verzögerungscharakteristik der freilaufenden Diode eine Charakteristik, die auftritt, falls in einem Zustand, in dem in der N-Basisschicht 1a in großer Menge Ladungsträger angesammelt sind, eine Sperrspannung angelegt wird, während die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung in der Sperrrichtung in dem Ein-Zustand ist (d. h. die freilau fenden Diode in dem Ein-Zustand ist), wobei aus den in der N-Basisschicht 1a angesammelten Ladungsträgern Löcher in die P-Basisschicht 2 entnommen werden, während Elektroden in die Katodenschichten 4 entnommen werden, was einen Sperrverzögerungsstrom (einen Verzögerungsstrom) bildet.
  • Da in der ersten Ausführungsform in einem Gebiet direkt unter der P-Basisschicht, das zu dem Mittelabschnitt des Substrats 1 verbreitert ist, das Kurzlebensdauer-Gebiet mit einer kürzeren Lebensdauer der Ladungsträger ausgebildet ist, ist eine Ladungsträgerdichte in einem leitenden Zustand in der Sperrrichtung im Vergleich zu einem Fall, in dem keine Lebensdauersteuerung realisiert ist, niedriger. Somit kann eine Menge der Ladungsträger, die in einer Verzögerungsoperation herausgeschossen werden, verringert werden, wodurch der Absolutwert des Sperrverzögerungsstroms unterdrückt werden kann.
  • Während der Verzögerung wird ein Strom, nachdem der Maximalstrom geflossen ist und ein Schwanzstrom mit einer großen Zeitkonstanten geflossen ist, nicht sofort zu null gemacht. Um den Schwanzstrom zu unterdrücken, wird in einigen Fällen eine Lebensdauersteuerung durch Platindiffusion oder durch Bestrahlung mit einem gleichförmigen Elektronenstrahl angewendet, während in der rückwärtsleitenden Kollektorkurzschluss-Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform, in der die N-Katodenschichten 4 auf der Kollektorseite ausgebildet sind, Elektronen im Innern der Vorrichtung im Vergleich zu einem Fall, in dem in dem Kollektor kein Katodengebiet vorhanden ist, schneller zu null verringert werden, da während der Verzögerung an den Kollektor eine positive Spannung angelegt wird, um dadurch Elektronen ins Innere der Vorrichtung in die N-Katodenschichten 4 anzuziehen; somit kann der Schwanzstrom durch die Wirkung der N-Katodenschichten 4 auf der Kollektorseite kleiner sein, wird der Absolutwert eines Sperrverzögerungsstroms unterdrückt und kann ein Schwanzstrom allein durch Lebensdauersteuerung, in der ein Abschnitt näher zu der P-Basisschicht 2 mit Helium bestrahlt wird, unterdrückt werden, wodurch eine Sperrverzögerungscharakteristik verbessert werden kann.
  • Um eine Wirkung der Verbesserung einer Verzögerungscharakteristik der freilaufenden Diode durch die Wirkung des Kurzlebensdauer-Abschnitts 5 zu bestätigen und eine Vorrichtung einer 1200-V-Klasse in einer Struktur aus 1 als eine Probe herzustellen, haben die Erfinder eine Untersuchung durchgeführt, wie sich ein Spannungsabfall (VF) in der Durchlassrichtung einer internen Diode und ein Verzögerungsspitzenstrom (Irr) während einer Sperrverzögerungsoperation in Anwesenheit oder Abwesenheit einer Heliumbestrahlung ändern, wobei eine Dicke der N-Basisschicht (einer N-Halbleiterschicht eines Substrats) auf 190 μm eingestellt wurde. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt.
  • Es wird angemerkt, dass die mehreren Punkte bei der Heliumbestrahlung die Ergebnisse bei einer Heliumbestrahlung unter verschiedenen Bedingungen zeigen. Eine Tiefe der Heliumbestrahlung befindet sich an einer Stelle in einem Gebiet, das näher an der Seite der vorderen Oberfläche (näher an der P-Basisschicht 2) als der Mittelabschnitt der N-Basisschicht ist. Selbstverständlich nimmt ein Verzögerungsspitzenstrom (Irr) bei angewendeter Heliumbestrahlung trotz Zunahme des VF ab.
  • Im Folgenden wird ein Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Erster Schritt
  • Im ersten Schritt wird das aus N-Silicium hergestellte Sub strat 1 gebrauchsfertig vorbereitet, wobei durch eine Hauptoberfläche des Substrats 1 P-Störstellen injiziert und diffundiert werden, um dadurch die P-Basisschicht 2 auszubilden (5).
  • Zweiter Schritt
  • Im zweiten Schritt werden durch die Oberfläche der P-Bassischicht selektiv N-Störstellen injiziert und diffundiert, um dadurch die N+-Emitterschichten 8 auszubilden (6).
  • Dritter Schritt
  • Im dritten Schritt werden durch die N+-Emitterschichten 8 und durch die P-Basisschicht 2 Aussparungen ausgebildet, die die N-Halbleiterschicht des Substrats 1 ereichen, wobei auf den Oberflächen der Aussparungen die Gate-Isolierdünnschichten 10 (die Graben-Isolierdünnschichten) ausgebildet werden (7).
  • Vierter Schritt
  • Im vierten Schritt werden auf den jeweiligen Gate-Isolierdünnschichten 10 jeweils die aus Leiterpolysilicium hergestellten Gate-Elektroden 11 ausgebildet, die die Form eines Grabens haben (8).
  • Fünfter Schritt
  • Im fünften Schritt werden auf den Oberflächen der P-Bassischicht 2 zwischen angrenzenden N+-Emitterschichten 8 durch Injizieren oder Diffundieren von P-Störstellen in die Oberflächen dazwischen die P+-Kontaktschichten 9 ausgebildet, während ferner die Zwischenschicht-Isolierdünnschichten 12 ausgebildet werden, so dass sie die Gate-Elektroden 11 bede cken, woraufhin die Emitterelektrode 7 in der Weise ausgebildet wird, dass sie mit den N+-Emitterschichten 8 und mit den P+-Kontaktschichten 9 in Kontakt ist (9).
  • Sechster Schritt
  • Im sechsten Schritt werden in die andere Hauptoberfläche des Substrats 1 selektiv P-Störstellen injiziert oder diffundiert, um auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 die P-Kollektorschichten auszubilden (10).
  • Siebenter Schritt
  • Im siebenten Schritt werden in den Gebieten zwischen angrenzenden P-Kollektorschichten 3 auf der Hauptoberfläche des Substrats 1 selektiv N-Störstellen injiziert oder diffundiert, um auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 die Katodenschichten 4 auszubilden, die aus einem N+-Halbleiter mit einer höheren N-Störstellenkonzentration als die N-Basisschicht hergestellt sind (11).
  • Es wird angemerkt, dass die aus einem N+-Halbleiter hergestellten Katodenschichten 4 ausgebildet werden, um einen ohmschen Kontaktwiderstandswert zwischen der Kollektorelektrode 6 und dem N-Halbleiter des Substrats 1 zu verringern.
  • Achter Schritt
  • Im achten Schritt wird auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 die Kollektorelektrode 6 in ohmschem Kontakt mit den P-Kollektorschichten 3 und mit den Katodenschichten 4 ausgebildet (12).
  • Neunter Schritt
  • Im neunten Schritt wird die eine Hauptoberfläche des Substrats 1 mit Helium bestrahlt, um lokal im Innern der N-Basisschicht 1a das Kurzlebensdauer-Gebiet (das heliumbestrahlte Gebiet) 5 auszubilden (Lebensdauersteuerung).
  • Es wird angemerkt, dass ein Heliumbereich in dem Lebensdauersteuerschritt vorzugsweise so eingestellt wird, dass das Kurzlebensdauer-Gebiet 5 in einem Gebiet ausgebildet wird, das näher an der einen Hauptoberfläche als der Mittelabschnitt der N-Basisschicht 1a ist, wobei eine Bestrahlungsdosis des Heliums in der Weise eingestellt wird, dass eine gewünschte Verzögerungscharakteristik erhalten wird, während eine Zunahme des Vf wirksam unterdrückt wird.
  • Da das Kurzlebensdauer-Gebiet 5 in der ersten Ausführungsform durch Heliumbestrahlung ausgebildet wird, kann es sicher an einer gewünschten Stelle ausgebildet werden.
  • Bei Anwendung des obigen Verfahrens kann die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform hergestellt werden.
  • Da die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform, wie oben ausführlich geschildert wurde, aus den Isolierschicht-Bipolartransistoren und aus den freilaufenden Dioden mit der P-Basisschicht und mit der N-Basisschicht 1a als gemeinsame Elemente gebildet wird, ist eine Struktur leicht und einfach, wobei die freilaufenden Dioden eine gute Verzögerungscharakteristik besitzen können, da in einem Teil der N-Basisschicht 1a das Kurzlebensdauer-Gebiet 5 ausgebildet ist.
  • Da die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform eine Grabenstruktur besitzt, in der durch die N+-Emitterschichten 8 und durch die P-Basisschicht 2 Aussparungen ausgebildet sind, um dadurch die Gate-Elektroden 11 auszubilden, kann die Anzahl der Gates hinsichtlich der Wiederholungsschrittweite erhöht werden, um dadurch eine Kanalbreite zu erhöhen.
  • Es wird angemerkt, dass in der ersten Ausführungsform ein erster Leitungstyp die N-Leitung und ein zweiter Leitungstyp die P-Leitung ist, wobei aber die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und die Leitungstypen umgekehrt sein können.
  • Ausführungsform 2
  • Anhand von 14 wird nun eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • Eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform enthält Isolierschicht-Bipolartransistoren und freilaufende Dioden, die einteilig monolithisch auf einem aus einem N-Halbleiter hergestellten Substrat 1 ausgebildet sind, sowie ein Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes mit einer Übergangsabschnitt-Endstruktur zur Relaxation eines elektrischen Feldes in einem Umfangsabschnitt während des Betriebs um ein Betriebsgebiet 100, in dem die Isolierschicht-Bipolartransistoren und die freilaufenden Dioden einteilig ausgebildet sind.
  • Es wird angemerkt, dass eine ausführliche Beschreibung des Betriebsgebiets 100 weggelassen wird, da das Betriebsgebiet 100 abgesehen davon, dass in ihm kein Kurzlebensdauer-Gebiet 5 ausgebildet ist, in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform auf ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform konstruiert ist. In 14 sind an ähnlichen Bestandteilen wie in 1 ähnliche Bezugszeichen angebracht.
  • Die Übergangsabschnitt-Endstruktur des Relaxationsgebiets 200 des elektrischen Feldes besitzt in der zweiten Ausführungsform eine Konstruktion, in der mehrere Ring-P-Wannen 13 ausgebildet sind, die das Betriebsgebiet 100 umgeben, wobei ein Abstand zwischen angrenzenden P-Wannen-Schichten zur Außenseite breiter ist.
  • Auf den jeweiligen P-Wannen-Schichten 13 sind Elektroden 15 ausgebildet, die gegeneinander isoliert sind, wobei eine Schutzdünnschicht 16 in der Weise ausgebildet ist, dass sie die mehreren P-Wannen-Schichten 13 und die Elektroden 15 bedeckt. Auf diese Weise verringert das Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes, das aus der mit den mehreren P-Wannen-Schichten 13 konstruierten Übergangsabschnitt-Endstruktur gebildet ist, die elektrische Feldstärke, die ansonsten am Endabschnitt des Betriebsgebiets 100 allmählich zur Außenseite konzentriert wäre, um dadurch einen Durchschlag am Ende des Betriebsgebiets 100 zu verhindern.
  • Es wird angemerkt, dass die Übergangsabschnitt-Endstruktur des Relaxationsgebiets 200 des elektrischen Feldes nicht auf eine Struktur beschränkt ist, in der mehrere P-Wannen-Schichten ausgebildet sind, sondern durch eine andere Relaxationsstruktur des elektrischen Feldes wie etwa eine RESURF-Struktur, in der P-Schichten mit einer mittleren Konzentration ausgebildet sind, ersetzt sein kann.
  • Wenn eine solche Übergangsabschnitt-Endstruktur angewendet wird, ist ein Durchschlag beim Übergang von dem positiv leitenden Betrieb zu dem rückwärtsleitenden Betrieb und umgekehrt während einer Positivleitungsoperation oder während einer Rückwärtsleitungsoperation, während an dem Endabschnitt des Betriebsgebiets 100 ein Durchschlag auftritt, wegen einer Konzentration eines elektrischen Feldes an den Endabschnitt des Betriebsgebiets 100 unvermeidbar.
  • Das heißt, während der Sperrrichtungs-Leitungsoperation, in der die freilaufenden Dioden in einem in die P-Basisschicht 2 leitenden Zustand sind, ist beim Stattfinden eines Wechsels in einen Durchlassrichtungs-Sperrbetrieb (in einer Verzögerungsaktion der freilaufenden Dioden) ein Durchschlag am Endabschnitt des Betriebsgebiets 100, der durch fließende Ladungsträger verursacht wird, die sich in dem N-Halbleiter (dem N-Leiter des Substrats) des Relaxationsgebiets 200 des elektrischen Feldes angesammelt haben, unvermeidbar.
  • Somit ist in der zweiten Ausführungsform direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur, die die mehreren P-Wannen-Schichten 13 enthält, durch Elektronenstrahlbestrahlung das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 ausgebildet, um dadurch die während der Sperrrichtungs-Leitungsoperation, in der die freilaufenden Dioden leitend sind, in dem N-Halbleiter des Relaxationsgebiets 200 des elektrischen Feldes angesammelten Ladungsträger zu verringern, um dadurch einen Durchschlag wegen Ladungsträgern, die beim Übergang aus der Sperrrichtungs-Leitungsoperation in die Durchlassrichtungs-Leitungsoperation einfließen, zu verhindern.
  • Es wird angemerkt, dass die Beschreibung des Grundbetriebs weggelassen wird, da die Funktionen der Isolierschicht-Bipolartransistoren und der freilaufenden Dioden in dem Betriebsgebiet 100 ähnlich wie in der ersten Ausführungsform sind.
  • Um in der zweiten Ausführungsform eine Wirkung der Ausbildung des Kurzlebensdauer-Gebiets 17 zu bestätigen, wurde eine Vorrichtung einer 1200-V-Klasse als eine Probe zur Bewertung hergestellt. Genauer wurde eine Dicke der N-Basisschicht 1a (einer N-Halbleiterschicht) auf 190 μm eingestellt, um eine Vorrichtung einer 1200-V-Klasse herzustellen und die Verzögerungscharakteristiken in einem Fall, in dem ein Gebiet direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde, und in einem Fall, in dem das Gebiet nicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde, zu bewerten. In 15 ist eine Verzögerungscharakteristik in dem Fall gezeigt, in dem das Gebiet direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur nicht mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde, während in 16 eine Verzögerungscharakteristik in dem Fall gezeigt ist, in dem das Gebiet direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde. Aus den 15 und 16 ist selbstverständlich, dass während der Verzögerungsoperation kein Chip ausfiel, falls das Gebiet direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wurde.
  • Es wird nun ausführlich ein Mechanismus dieses Durchschlags beschrieben sowie wie er verhindert werden kann werden.
  • Wenn die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung erstmals in der Sperrrichtung eingeschaltet wird (d. h. die freilaufende Diode eingeschaltet wird), werden in der N-Halbleiterschicht in großer Menge Ladungsträger angesammelt. Da, falls in dem Zustand, in dem Ladungsträger in großer Menge angesammelt sind, ein Wechsel (eine Verzögerungsoperation) vorgenommen wird, wird daraufhin die Sperrspannung in dem Zustand angelegt, in dem die Ladungsträger in großer Menge angesammelt sind; somit werden von den in der N-Halbleiterschicht angesammelten Ladungsträgern Löcher in das P-Basisgebiet 2 des Betriebsgebiets 100 entnommen, während Elektronen in das Kollektorgebiet 4 entnommen werden, wodurch ein großer Sperrverzögerungsstrom (ein Verzögerungsstrom) fließt. Während dieser Verzögerungsoperation werden in der rückwärtsleitenden Halb leitervorrichtung mit der in 14 gezeigten Konstruktion die Emittergebiete 8 in Kontakt mit der P-Basisschicht 2 ausgebildet, was einen parasitären Thyristor bildet; somit entsteht eine Möglichkeit eines Durchschlags wegen einer Durchschaltungsaktion des parasitären Thyristors.
  • Somit wird in der zweiten Ausführungsform ein Gebiet direkt unter den P-Wannen-Schichten 13, das die Übergangsabschnitt-Endstruktur bildet, selektiv mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 zu bilden, wodurch in dem Ein-Zustand in der Sperrrichtung nicht nur die Ladungsträger in dem Kurzlebensdauer-Gebiet 17 verringert werden, sondern auch die Ladungsträger in dem Betriebsgebiet 100 direkt unter den Isolierschicht-Bipolartransistoren konzentriert werden, um dadurch zu unterdrücken, dass Löcher unter der angelegten Sperrspannung auf konzentrierte Weise von dem Kurzlebensdauer-Gebiet 17 in der Übergangsabschnitt-Endstruktur zu der P-Basisschicht 2 fließen.
  • Da in der zweiten Ausführungsform ein solcher Mechanismus ausgeführt ist, kann ein Durchschlag während der Verzögerungsoperation der freilaufenden Dioden unterdrückt werden.
  • Anhand der 17 bis 27 wird im Folgenden ein Herstellungsverfahren für die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform beschrieben.
  • Erster Schritt
  • Im ersten Schritt wird das aus N-Silicium hergestellte Substrat 1 vorbereitet, so dass es gebrauchsfertig ist, und eine Maske 14 mit Öffnungen zum Ausbilden der P-Wannen-Schichten 13 durch sie ausgebildet, um durch die Öffnungen der Maske 14 selektiv P-Störstellen zu injizieren, um die P-Wannen-Schichten 13 auszubilden. Es wird angemerkt, dass die P-Wannen- Schichten 13 durch selektives Diffundieren der P-Störstellen ausgebildet werden können (17).
  • Zweiter Schritt
  • Im zweiten Schritt wird die Maske 14 auf dem Betriebsgebiet 100 entfernt, wobei durch den entfernten Abschnitt selektiv P-Störstellen injiziert oder diffundiert werden, um dadurch die P-Basisschicht 2 auszubilden (18).
  • Dritter Schritt
  • Im dritten Schritt werden durch die Oberfläche der P-Basisschicht 2 selektiv N-Störstellen zur Diffusion injiziert, um dadurch die N+-Emitterschichten 8 auszubilden (19).
  • Vierter Schritt
  • Im vierten Schritt werden durch die N+-Emitterschichten 8 und durch die P-Basisschicht 2 Aussparungen ausgebildet, die so weit wie zu der N-Halbleiterschicht des Substrats 1 reichen, und auf den Aussparungen Gate-Isolierdünnschichten 10 (Graben-Isolierdünnschichten) ausgebildet (20).
  • Fünfter Schritt
  • Im fünften Schritt werden auf den Isolierdünnschichten 10 aus Polysilicium, das dielektrisch ist, hergestellte Gate-Elektroden 11 jeweils in Form eines Grabens ausgebildet (21).
  • Sechster Schritt
  • Im sechsten Schritt werden in die Oberflächen der P-Basisschicht 2 zwischen angrenzenden N+-Emitterschichten 8 selek tiv P-Störstellen injiziert oder diffundiert, um die P+-Kontaktschichten 9 auszubilden, woraufhin außerdem die Zwischenschicht-Isolierdünnschichten 12 ausgebildet werden, so dass sie die Gate-Elektroden 11 bedecken, die Emitterelektrode 7 ausgebildet wird, so dass sie mit den N+-Emitterschichten 8 und mit den P+-Kontaktschichten 9 in Kontakt steht, und auf den jeweiligen P-Wannen-Schichten 13 die Elektroden 15 ausgebildet werden (22).
  • Siebenter Schritt
  • Im siebenten Schritt wird auf der Oberfläche des Substrats 1 des Relaxationsgebiets 200 des elektrischen Feldes die Schutzdünnschicht 16 ausgebildet, so dass sie die P-Wannen-Schichten 13 und die Elektroden 15 bedeckt (23).
  • Achter Schritt
  • Im achten Schritt werden in die andere Hauptoberfläche des Substrats 1 selektiv P-Störstellen injiziert oder diffundiert, um auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 die P-Kollektorschichten 3 auszubilden (24).
  • Neunter Schritt
  • Im neunten Schritt werden in die Gebiete zwischen angrenzenden P-Kollektorschichten 3 selektiv N-Störstellen injiziert oder diffundiert, um auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 die aus N-Schichten hergestellten Katodenschichten 4 auszubilden, die N-Störstellen mit hoher Konzentration enthalten, wobei auf der anderen Hauptoberfläche des Substrats 1 außerdem die Kollektorelektrode 6 in ohmschem Kontakt mit den P-Kollektorschichten 3 und mit den Katodenschichten 4 ausgebildet wird (25).
  • Zehnter Schritt
  • Im zehnten Schritt wird das Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes mit Ausnahme des Betriebsgebiets 100 durch die erste Seite der Hauptoberfläche mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um eine selektive Lebensdauersteuerung für das Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes durchzuführen, um das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 auszubilden (26).
  • Da im zehnten Schritt durch Elektronenbestrahlung das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 ausgebildet wird, kann es gesteuert in der Weise ausgebildet werden, dass es eine gewünschte Lebensdauer besitzt.
  • Bei Anwendung des obigen Verfahrens kann die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform aus 14 hergestellt werden.
  • Da die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung mit der obigen Konstruktion in der N-Halbleiterschicht, die in dem Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes vorhanden ist, das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 besitzt, das so gesteuert wird, dass eine Ladungsträgerlebensdauer in der N-Halbleiterschicht verkürzt wird, wird die Ansammlung von Ladungsträgern in der N-Halbleiterschicht, die in dem Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes während einer Zeitdauer vorhanden sind, in der die freilaufenden Dioden in dem Ein-Zustand sind, unterdrückt. Somit kann ein Sperrverzögerungsstrom (ein Verzögerungsstrom) an dem Endabschnitt des Betriebsgebiets 100 in der Verzögerungsoperation der freilaufenden Dioden kleiner sein, wodurch ein durch eine Durchschaltungsaktion des parasitären Thyristors verursachter Durchschlag verhindert werden kann.
  • Es wird angemerkt, dass, obgleich in der zweiten Ausführungs form der erste Leitungstyp die N-Leitung und der zweite Leitungstyp die P-Leitung ist, die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist und die Leitungstypen umgekehrt sein können.
  • Ausführungsform 3
  • Eine rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird abgesehen davon, dass in der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform ferner eine Heliumbestrahlung angewendet wurde, um ein Kurzlebensdauer-Gebiet 5 zu bilden, das ähnlich dem in der ersten Ausführungsform ist (27), auf ähnliche Weise wie in der zweiten Ausführungsform hergestellt.
  • Um eine Wirkung der rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform zu bestätigen, wurde eine Vorrichtung einer 1200-V-Klasse als eine Probe zur Bewertung hergestellt. Ausführlich wurde eine Dicke der N-Halbleiterschicht auf 190 μm eingestellt und ein Gebiet direkt unter der Übergangsabschnitt-Endstruktur mit einem Elektronenstrahl als Lebensdauersteuerung für die gesamte in dem Relaxationsgebiet des elektrischen Feldes vorhandene N-Halbleiterschicht mit einem Elektronenstrahl als Lebensdauersteuerung bestrahlt und auf ähnliche Weise wie in der ersten Ausführungsform eine Heliumbestrahlung angewendet, wobei in diesem Fall daraufhin eine Verzögerungscharakteristik bewertet wurde. In 28 sind die Ergebnisse der Bewertung gezeigt. Wenn in diesem Fall auf die Übergangsabschnitt-Endstruktur eine Elektronenstrahlbestrahlung angewendet wurde und gleichzeitig eine Heliumbestrahlung angewendet wurde, fiel der Chip während der Verzögerungsoperation nicht aus, wobei selbstverständlich ein Verzögerungsspitzenstrom (Irr) kleiner ist, obgleich VF etwas steigt, da eine Tiefe der Heliumbestrahlung näher an der Seite der vorderen Oberfläche als der Mittelabschnitt der N-Basisschicht ist.
  • Die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der dritten Ausführungsform kann wie die Vorrichtung aus 27 in einem Verfahren erhalten werden, in dem, nachdem die Vorrichtung auf ähnliche Weise wie in der zweiten Ausführungsform durch das Verfahren bis zu 26 hergestellt wurde, daraufhin durch die vordere Oberflächenseite in einem Gebiet in der Umgebung der Mitte des Substrats eine lokale Lebensdauersteuerung mit Helium angewendet wird.
  • Die rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung der dritten Ausführung mit der obigen Konstruktion besitzt die Wirkungen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform gemeinsam.
  • Das heißt, die Isolierschicht-Bipolartransistoren und die freilaufenden Dioden sind einteilig ausgebildet, wobei die P-Basisschicht 2 und die N-Basisschicht 1a als gemeinsame Elemente ausgebildet sind, wobei in einem Teil der N-Basisschicht 1a das Kurzlebensdauer-Gebiet 5 ausgebildet ist, wodurch eine gute Verzögerungscharakteristik der freilaufenden Dioden ermöglicht wird.
  • Da die N-Halbleiterschicht in dem Relaxationsgebiet 200 des elektrischen Feldes als das Kurzlebensdauer-Gebiet 17 ausgebildet ist, kann der Sperrverzögerungsstrom (Verzögerungsstrom) an dem Endabschnitt des Betriebsgebiets 100 während der Verzögerungsoperation kleiner sein, wodurch ein durch eine Durchschaltungsaktion eines parasitären Thyristors verursachter Durchschlag verhindert werden kann.

Claims (1)

  1. Rückwärtsleitende Halbleitervorrichtung, die einen Isolierschicht-Bipolartransistor und eine freilaufende Diode umfasst, die auf einem Substrat (1) ausgebildet sind, das aus einem Halbleiter eines ersten Leitungstyps hergestellt ist, wobei die freilaufende Diode umfasst: eine Basisschicht (2) eines zweiten Leitungstyps, die durch Dotieren einer Oberfläche des Substrats (1) mit Störstellen des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, um den Isolierschicht-Bipolartransistor zu bilden, eine Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps des Halbleiters des ersten Leitungstyps, um den Isolierschicht-Bipolartransistor zu bilden, eine Anodenelektrode, die eine Emitterelektrode (7) ist, die auf der einen Oberfläche des Substrats (1) in der Weise ausgebildet ist, dass sie eine auf dem Teil der Basisschicht (2) des zweiten Leitungstyps ausgebildete Emitterschicht (8) des ersten Leitungstyps und die Basisschicht (2) des zweiten Leitungstyps bedeckt, eine Katodenelektrode, die eine Kollektorelektrode (6) ist, die auf der anderen Oberfläche des Substrats (1) in der Weise ausgebildet ist, dass sie die Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps und eine auf dem Teil der Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps ausgebildete Kollektorschicht (3) des zweiten Leitungstyps bedeckt, wobei in einem Teil der Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps ein Kurzlebensdauer-Gebiet (5) ausgebildet ist, in dem eine Lebensdauer der Ladungsträger kürzer als in dem restlichen Abschnitt der Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps eingestellt ist, und wobei die Kollektorelektrode (6) über eine Katodenschicht (4), die stärker als die Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps mit den Störstellen des ersten Leitungstyps dotiert ist, mit der Basisschicht (1a) des ersten Leitungstyps verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzlebensdauer-Gebiet (5) in einem Gebiet ausgebildet ist, das näher an der einen Hauptoberfläche als an dem Mittelabschnitt ist, das Kurzlebensdauer-Gebiet (5) durch Heliumbestrahlung ausgebildet ist und in dem Substrat (1) um ein Betriebsgebiet (100), in dem der Isolierschicht-Bipolartransistor und die freilaufende Diode ausgebildet sind, ein Relaxationsgebiet (200) des elektrischen Feldes ausgebildet ist, wobei eine Lebensdauer der Ladungsträger eines Halbleiters des ersten Leitungstyps des Relaxationsgebiets (200) des elektrischen Feldes kürzer als die des restlichen Halbleiters des ersten Leitertyps ist.
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