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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungs-IGBT.
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Leistungs-IGBTs
sind hinlänglich
bekannt und beispielsweise n Stengl, Tihanyi: "Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag,
München, 1992,
Seiten 101–104
oder in Baliga: "Power
Semiconductor Devices",
PWS Publishing, 1995, Seiten 428–431, beschrieben.
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1 zeigt ausschnittsweise
einen Querschnitt durch einen vertikalen Leistungs-IGBT. Dieser IGBT
umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit
einer Emitterzone 11, die bei dem Bauelement gemäß 1 im Bereich einer Rückseite
des Halbleiterkörpers 100 angeordnet
ist. Diese Emitterzone 11 wird bei einem IGBT auch als
Kollektor bezeichnet. An die Emitterzone 11 schließt sich
eine Driftzone 12 an, die komplementär zu der Emitterzone 11 dotiert
ist. Im Bereich einer der Rückseite
gegenüberliegenden Vorderseite
des Halbleiterkörpers 100 ist
ein Zellenfeld mit einer Anzahl gleichartig aufgebauter Transistorzellen
vorhanden. Jede dieser Transistorzellen umfasst eine Sourcezone 15 sowie
eine zwischen der Sourcezone 15 und der Driftzone 12 angeordnete Bodyzone 14,
wobei die Bodyzone 14 komplementär zu der Sourcezone 15 und
der Driftzone 12 dotiert ist.
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Zur
Steuerung eines leitenden Kanals bzw. eines Inversionskanals in
der Bodyzone 14 zwischen der Driftzone 12 und
der Sourcezone 15 ist eine Gateelektrode 16 vorhanden,
die benachbart zu der Sourcezone 15 und der Bodyzone 14 angeordnet
ist und die gegenüber
dem Halbleiterkörper
durch eine Gate-Isolationsschicht 17 isoliert
ist. Die Bodyzonen 14 sind beabstandet zueinander in der
Driftzone 12 angeordnet und besitzen in einer senkrecht
zu der in 1 dargestellten
Zeichenebene verlaufenden Ebene beispielsweise einen recht eckförmigen oder sechseckförmigen Querschnitt.
Die Gateelektrode 16 ist in dieser Ebene gitterartig ausgebildet,
wie dies beispielsweise in Stengl, Tihanyi, a.a.O., Seite 33, beschrieben
ist, und weist Aussparungen auf, über welche eine Anschlusselektrode 18 die
Sourcezonen 15 und Bodyzonen 14 der einzelnen
Transistorzellen kontaktiert und diese Zonen 14, 15 dadurch
kurzschließt.
Die Gateelektrode 16 ist dabei mittels einer weiteren Isolationsschicht 19 gegenüber dieser
Anschlusselektrode 18 isoliert.
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Der
dargestellte vertikale Leistungs-IGBT leitet, wenn eine positive
Spannung zwischen der Emitterzone 11 und der Anschlusselektrode 18,
die auch als Sourceelektrode bezeichnet wird, anliegt und wenn an
der Gateelektrode 16 ein geeignetes Ansteuerpotential zur
Ausbildung eines Inversionskanals in der Bodyzone 14 anliegt.
Die Driftzone 11 wird bei leitendem IGBT mit p-Ladungsträgern bzw.
Löchern überflutet,
die bei Abschalten des Leistungs-IGBT über die Bodyzonen 14 an
die auf dem niedrigeren Potential liegende Anschlusselektrode 18 abfließen müssen. Bei
Abschalten des Bauelements ist darauf zu achten, dass eine Änderung
des Gate-Potentials zur sperrenden Ansteuerung des Bauelements so
langsam erfolgt, dass eine zeitliche Änderung der über dem
Bauelement anliegenden Spannung bzw. eine zeitliche Änderung
des das Bauelement durchfließenden
Stromes während
des Abschaltvorganges vorgegebene Grenzwerte nicht übersteigt.
Diese Grenzwerte werden vom Hersteller spezifisch vorgegeben und
dienen dazu, einen Betrieb des Bauelements im sogenannten SOA-Bereich (SOA
= Safe Operating Area) sicherzustellen.
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Wird
das Bauelement zu schnell abgeschaltet, kann es zu einem sogenannten "Latch-Up" des Bauelements
kommen. Hiermit bezeichnet man einen Vorgang, bei dem ein durch
die n-dotierte Sourcezone 15, die p-dotierte Bodyzone 14 und
die n-dotierte Driftzone 12 gebildeter parasitärer npn-Bipolartransistor
einschaltet. Ein Einschalten dieses parasitären npn-Bipolartransistors bewirkt, dass ein
durch die Sourcezone 15, die Bodyzone 14, die
Driftzone 12 und die Emitterzone 11 gebildeter
parasitärer
Thyristor zündet,
was zur Folge hat, dass das Bauelement nicht mehr steuerbar ist
und es zu einer Zerstörung
kommen kann. Der parasitäre
npn-Bipolartransistor schaltet dann ein, wenn der bei Abschalten
des Bauelements aus der Driftzone 12 abfließende Löcherstrom
so groß ist,
dass der in der Bodyzone 15 durch diesen Löcherstrom
unterhalb der Sourcezonen 15 hervorgerufene Spannungsabfall
größer ist als
die Einsatzspannung des parasitären
Bipolartransistors.
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Besonders
kritisch hinsichtlich des "Latch-Up"-Verhaltens sind
Bereiche des Zellenfeldes, in denen die Zellendichte gegenüber übrigen Bereichen
des Zellenfeldes reduziert ist und in denen damit weniger Anschlusskontakte
an die Sourceelektrode 18 zum Abführen der Löcher aus der Driftzone 12 vorhanden
sind. Mit dem Bezugszeichen 102 ist in dem Bauelement gemäß 1 ein Bereich mit einer solchen
verringerten Zellendichte dargestellt. Es handelt sich in dem Beispiel
um einen Bereich, in dem neben dem Zellenfeld eine Gate-Zuführung 22 vorhanden
ist, die dazu dient, die Gate-Elektrode 16 niederohmig
an ein Gate-Potential anzuschließen. Unterhalb dieser Gate-Zuführung 22 sind
in der Driftzone 12 keine Transistorzellen und insbesondere
keine Anschlüsse
an die Sourceelektrode 18 vorhanden. Bei Abschalten des
Bauelements müssen
Löcher
aus dem Bereich der Driftzone 12 unterhalb dieser Gate-Zuführungen 22 über die
Bodyzonen 14 von Transistorzellen abfließen, die
benachbart zu diesem Bereich 102 mit verringerter Zellendichte
angeordnet sind. In diesen benachbarten Transistorzellen ist dadurch
die Löcherstromdichte
bei Abschalten des Bauelements gegenüber anderen Transistorzellen
in dem Zellenfeld, die weiter beabstandet zu dem Bereich 102 angeordnet
sind, erhöht,
so dass die Gefahr eines "Latch-Up" für diese
Transistorzellen besonders hoch ist. Diese Transistorzellen begrenzen dabei
für das
gesamte Bauelement die maximal zulässigen Strom- bzw. Spannungsänderungen
bei Abschalten des Bauelements.
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Die
Strom- bzw. Spannungsänderungen,
die in dem Bauelement bei Abschalten auftreten, sind hierbei um
so geringer, je langsamer der Abschaltvorgang erfolgt. Allerdings
erhöhen
sich die Schaltverluste mit zunehmender Dauer des Ausschaltvorganges.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungs-IGBT zur Verfügung zu
stellen, der ein Zellenfeld mit einem ersten Zellenfeldabschnitt
mit einer ersten Zellendichte und mit einem zweiten Zellenfeldabschnitt
mit einer geringeren zweiten Zellendichte aufweist, der ein robustes "Latch-Up"-Verhalten aufweist.
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Dieses
Ziel wird durch einen Leistungs-IGBT gemäß der Ansprüche 1, 24, 27, 30 und 31 erreicht. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Leistungs-IGBT weist
einen Halbleiterkörper
mit einer Emitterzone eines ersten Leitungstyps und einer sich an
die Emitterzone anschließenden
Driftzone eines zweiten Leitungstyps auf. Der Leistungs-IGBT umfasst
außerdem
ein Zellenfeld mit einer Anzahl Transistorzellen, die jeweils eine
Sourcezone, eine zwischen der Sourcezone und der Driftzone angeordnete
Bodyzone und eine isoliert gegenüber
der Sourcezone und der Bodyzone angeordnete Gateelektrode aufweisen und
bei denen die Sourcezone und die Bodyzone kurzgeschlossen sind.
Das Zellenfeld weist einen ersten Zellenfeldabschnitt mit einer
ersten Zellendichte und einen zweiten Zellenfeldabschnitt mit einer
zweiten Zellendichte, die geringer ist als die erste Zellendichte,
auf. Die zweite Zellendichte kann insbesondere auch Null sein, was
gleichbedeutend damit ist, dass keine Transistorzellen in dem zweiten
Zellenfeldabschnitt vorhanden sind.
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Zur
Verbesserung des "Latch-Up"-Verhaltens ist bei
diesem IGBT vorgesehen, dass die Emitterzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes einen
geringeren Emitterwirkungsgrad als im Bereich des ersten Zellenfeldabschnittes
besitzt. Aufgrund dieses geringeren Emitterwirkungsgrades der Emitterzone
im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes sind in der Driftzone
im Bereich dieses zweiten Zellenfeldabschnittes bei leitend angesteuertem
IGBT weniger p-Ladungsträger
bzw. Löcher
vorhanden als bei einem herkömmlichen
Bauelement ohne eine solche Verringerung des Emitterwirkungsgrades.
Aufgrund dieser geringeren Löcherkonzentration
im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes unterliegen Transistorzellen,
die in einem Übergangsbereich
zwischen dem ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt angeordnet sind,
bei Abschalten des IGBT einer geringeren Löcherstrombelastung als bei
einem herkömmlichen
Bauelement, was zu einer geringeren "Latch-Up"-Neigung dieser Transistorzellen führt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Emitterzone einen ersten
Emitterabschnitt im Bereich des ersten Zellenfeldabschnittes und
einen zweiten Emitterabschnitt im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes
aufweist. Zur Reduzierung des Emitterwirkungsgrades im Bereich des
zweiten Emitterabschnittes ist hierbei vorgesehen, dass eine effektive
Dotierungskonzentration des zweiten Emitterabschnitts an Dotierstoffatomen
des ersten Leitungstyps geringer ist als eine effektive Dotierungskonzentration
des ersten Emitterabschnitts. Diese geringere effektive Dotierungskonzentration
des zweiten Emitterabschnitts kann dadurch erreicht werden, dass
bei Herstellen der Emitterzone, beispielsweise mittels einer Ionenimplantation
und einem anschließenden
Ausheilschritt, in den zweiten Emitterabschnitt weniger Dotierstoffatome
eingebracht werden als in den ersten Emitterabschnitt.
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Die
effektive Dotierungskonzentration des zweiten Emitterabschnittes
kann gegenüber
der effektiven Dotierungskonzentration des ersten Emitterabschnitts
auch dadurch reduziert werden, dass die beiden Emitterabschnitte
zunächst
auf gleiche Weise dotiert werden, so dass sie gleiche Dotierstoffkonzentrationen
aufweisen, dass anschließend
jedoch Kristalldefekte im Bereich des zweiten Emitterabschnittes
erzeugt werden.
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Diese
Defekte führen
zu einer Reduzierung der effektiven Dotierungskonzentration und
können beispielsweise
durch eine sogenannte "Damage-Implantation" hergestellt werden,
bei der nicht dotierende Atome in die zweite Emitterzone implantiert
werden, die dort zu Kristalldefekten führen.
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Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
auf eine Emitterzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes
vollständig
zu verzichten. Allerdings geht dadurch die Fähigkeit des IGBT verloren,
Spannungen in Rückwärtsrichtung,
also negative Drain-Source-Spannungen zu sperren.
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Bei
einem Leistungs-IGBT, in dessen Driftzone zwischen den Bodyzonen
des Zellenfeldes und der Emitterzone emitterseitig, d.h. näher an der
Emitterzone als an der Bodyzone, eine Feldstoppzone desselben Leitungstyps
wie die Driftzone angeordnet ist, besteht alternativ oder zusätzlich zur
Reduzierung des Emitterwirkungsgrades durch eine reduzierte Emitterdotierung
die Möglichkeit,
diese Feldstoppzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes höher zu dotieren
als im Bereich des ersten Zellenfeldabschnittes, um dadurch das "Latch-Up"-Verhalten des Bauelements
zu verbessern. Die erhöhte
Dotierung der Feldstoppzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnitts
führt – wie eine
verringerte Dotierung der Emitterzone – zu einer Verringerung des Emitterwirkungsgrades
und damit bei leitend angesteuertem Leistungs-IGBT zu einer reduzierten
Löcherstromdichte
in der Driftzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes. Um
die Löcherstromdichte im
Bereich des zweiten Zellenfeldabschnitts möglichst effektiv abzusenken,
reicht diese Zone verringerten Emitterwirkungsgrades vorzugsweise
in lateraler Richtung bis in den ersten Zellenfeldabschnitt hinein.
Die Ausdehnung dieser Zone verringerten Emitterwirkungsgrades in
den ersten Zellenfeldab schnitt hinein beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2 Diffusionslängen freier
Ladungsträger.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Verringerung des Emitterwirkungsgrades durch lokales Absenken
der Emitterdotierung oder durch eine lokal erhöhte Dotierungskonzentration
der Feldstoppzone ist vorgesehen, die Ladungsträgerlebensdauer für Löcher in
der Driftzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes gegenüber übrigen Abschnitten
der Driftzone zu reduzieren. Dies führt dazu, dass aus diesem Bereich
des Driftzonenabschnittes bei Abschalten des Bauelements weniger
Löcher über Transistorzellen
im Übergangsbereich
zwischen dem ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt abgeführt werden
müssen,
wodurch das "Latch-Up"-Verhalten des Bauelements
ebenfalls verbessert wird. Die Ladungsträgerlebensdauer der Driftzone
im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes kann insbesondere durch
eine erhöhte
Konzentration an Kristallgitterdefekten in diesem Abschnitt der
Driftzone erreicht werden. Es ist aber auch eine lokale Eindiffusion
von Schwermetallen, wie z.B. Platin, möglich.
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Zur
Verbesserung des "Latch-Up"-Verhaltens besteht
alternativ oder zusätzlich
zu den zuvor erläuterten
Maßnahmen
auch die Möglichkeit,
in einer Richtung von dem zweiten zu dem ersten Zellenfeldabschnitt
eine oder mehrere Transistorzellen in dem Übergangsbereich zwischen dem
ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt so zu gestalten, dass deren
Sourcezone eine geringere Abmessung in Richtung des Löcherflusses
als die Sourcezonen von Transistorzellen in übrigen Bereichen des ersten
Zellenfeldabschnitts aufweist. Diese Maßnahme führt dazu, dass im Vergleich
zu einer Transistorzelle mit einer in ihren Abmessungen nicht verringerten
Sourcezone ein höherer
Löcherstrom
fließen
kann, ohne dass der durch die Sourcezone, die Bodyzone und die Driftzone
gebildete parasitäre
Bipolartransistor einschaltet. Insbesondere können im Übergangsbereich zwischen dem
ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt in einer Richtung von dem
zweiten zu dem ersten Zellenfeldabschnitt eine oder mehrere "modifizierte Transistorzellen" vorhanden sein,
die derart modifiziert sind, dass sie keine Sourcezone aufweisen.
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Außerdem besteht
die Möglichkeit,
im Übergangsbereich
zwischen dem ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt in einer Richtung
von dem zweiten zu dem ersten Zellenfeldabschnitt wenigstens eine Transistorzelle
vorzusehen, bei der die Bodyzone unterhalb der Sourcezone zumindest
einen Abschnitt mit einer gegenüber übrigen Abschnitten
der Bodyzone erhöhten
Dotierungskonzentration aufweist. Bei einem gegebenen Löcherstrom
führt diese
lokal erhöhte
Dotierungskonzentration zu einem verringerten Spannungsabfall in
dem parasitären
npn-Bipolartransistors,
wodurch die "Latch-Up"-Neigung ebenfalls
verringert wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
ausschnittsweise einen Querschnitt durch einen vertikalen Leistungs-IGBT
nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
ausschnittsweise einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
der einen Zellenfeldabschnitt mit einer verringerten Zellendichte
und eine Emitterzone mit einem verringerten Emitterwirkungsgrad
im Bereich dieses Zellenfeldabschnitts aufweist.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf den Leistungs-IGBT gemäß 2.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch eine Transistorzelle des IGBT gemäß 2 in
einer in 2 dargestellten Schnittebene
A-A.
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5 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
bei dem im Bereich eines Zellenfeldabschnitts mit verringerter Zellendichte
keine Emitterzone vorhanden ist.
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6 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT
mit einer Feldstoppzone, die im Bereich eines Zellenfeldabschnitts
mit verringerter Zellendichte eine höhere Dotierungskonzentration
als in übrigen
Bereichen aufweist.
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7 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
bei dem die Ladungsträgerlebensdauer in
einer Driftzone im Bereich eines Zellenfeldabschnittes mit geringerer
Zellendichte reduziert ist.
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8 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
bei dem eine Kurzschlussfläche
zwischen einer Anschlusselektrode und einer Bodyzone in einem Übergangsbereich
zwischen einem ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt, die unterschiedliche Zellendichten
aufweisen, erhöht
ist.
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9 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
der in einem Übergangsbereich
zwischen einem ersten und einem zweiten Zellenfeldabschnitt Transistorzellen
aufweist, deren Sourcezonen in Richtung des Löcherflusses geringere Abmessungen
aufweisen.
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10 zeigt
einen erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT,
der im Übergangsbereich
zwischen zwei Zellenfeldabschnitten mit unterschiedlichen Zellendichten
wenigstens eine Transistorzelle mit einer lokal erhöhten Dotierungskonzentration
der Bodyzone aufweist.
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11 zeigt
einen als Trench-IGBT realisierten erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT
ist in 2 ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. 3 zeigt in
verkleinertem Maßstab
eine Draufsicht auf den IGBT gemäß 2 und 4 zeigt
einen Querschnitt in einer in 2 dargestellten
Schnittebene A-A.
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Der
in 2 dargestellte IGBT ist als vertikaler Leistungs-IGBT
realisiert und umfasst einen Halbleiterkörper, der im Bereich einer
ersten Seite, in dem Beispiel im Bereich der Rückseite, eine Emitterzone 11 eines
ersten Leitungstyps aufweist. An diese Emitterzone 11 schließt sich
in Richtung einer zweiten Seite, in dem Beispiel in Richtung der
Vorderseite, des Halbleiterkörpers 100 eine
komplementär
zu der Emitterzone 11 dotierte Driftzone 12 an.
Im Bereich der Vorderseite ist ein Zellenfeld mit mehreren gleichartig
aufgebauten Transistorzellen 13 angeordnet, wobei jede
dieser Transistorzellen 13 eine Sourcezone 15 des
zweiten Leitungstyps sowie eine zwischen der Sourcezone 15 und
der Driftzone angeordnete Bodyzone 14 des ersten Leitungstyps
aufweist.
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Die
Emitterzone 11 und die Bodyzone 14 sind bei einem
IGBT üblicherweise
p-dotiert, während
die Driftzone 12 und die Sourcezonen 15 der Transistorzellen 13 üblicherweise
n-dotiert sind.
Die Sourcezonen 15 und die Bodyzonen 14 der einzelnen
Transistorzellen 13 sind durch eine Anschlusselektrode 18,
die nachfolgend als Sourceelektrode bezeichnet wird, kontaktiert
und über
diese Anschlusselektrode 18 kurzgeschlossen. Benachbart
zu den Bodyzonen 14 der einzelnen Transistorzellen 13 ist eine
Gateelektrode 16 angeordnet, die mittels einer Gate-Isolationsschicht 17 dielektrisch
gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 isoliert
ist und die dazu dient, in den Transistorzellen 13 einen
Inversionskanal in den Bodyzonen 14 zwischen den Sourcezonen 15 und
der Driftzone 12 zu steuern. Den einzelnen Transistorzellen 13 des
Zellenfeldes ist die Driftzone 12 und die Emitterzone 11 gemeinsam.
Die Transistorzellen sind durch die gemeinsame Sourceelektrode 18 parallel
zueinander geschaltet, wobei die Sourceelektrode 18 mittels
einer weiteren Isolationsschicht 19 gegenüber der
Gateelektrode 16 isoliert ist.
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Die
in dem Beispiel gemäß 2 dargestellten
Transistorzellen sind sogenannte DMOS-Zellen (DMOS = Double Diffused
MOS). Bezugnehmend auf 4 sind die Transistorzellen
beispielsweise sogenannte "Rechteckzellen", also Zellen, deren
Bodyzone 14 rechteckförmig,
insbesondere quadratisch ausgebildet ist. Selbstverständlich besteht
auch die Möglichkeit,
die Bodyzonen 14 in bekannter Weise mit einer beliebigen
anderen Geometrie, insbesondere sechseckförmig oder streifenförmig, zu
realisieren.
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Die
einzelnen Transistorzellen 13 besitzen eine gemeinsame
Gateelektrode 16, die in Draufsicht gitterförmig ausgebildet
ist und die im Bereich von Kontaktabschnitten 181, über welche
die Sourceelektrode 18 die Source- und Bodyzonen 15, 14 kurzschließt, Aussparungen 161 aufweist.
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Bezugnehmend
auf 3 ist oberhalb des Halbleiterkörpers 100 eine Gate-Anschlussfläche (Gate-Pad) 24 angeordnet,
die zum Anlegen eines Gate-Potentials an die Gateelektrode (16 in 2) dient.
Ausgehend von dieser Gate-Anschlussfläche 24 verlaufen Gate-Zuführungen 22 oberhalb
des Halbleiterkörpers 100.
Diese Zuführungen 22 sind fingerförmig ausgebildet
und werden auch als Gate-Finger bezeichnet werden.
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Eine
dieser Gate-Zuführungen 22 ist
in 2 im linken Teil ausschnittsweise im Querschnitt
dargestellt. Die Gate- Zuführungen 22 sind
oberhalb einer Isolationsschicht 23 angeordnet, die Aussparungen 231 aufweist, über welche
die Gate-Zuführungen 22 einen
Abschnitt 162 der Gateelektrode 16 kontaktieren.
Dieser kontaktierte Abschnitt 162 der Gateelektrode ist
durch eine Isolationsschicht 20 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert,
wobei diese Isolationsschicht 20 vorzugsweise dicker ist
als die Gate-Isolationsschicht 17 im Bereich der Transistorzellen.
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Unterhalb
der Gate-Zuführungen 22 sind
keine Transistorzellen vorhanden, insbesondere sind in diesem Bereich
auch keine Anschlüsse
an die Sourceelektrode 18 vorhanden, die während eines
Abschaltvorgangs des Bauelements ein Abfließen von Löchern aus der Driftzone 12 in
dem Bereich unterhalb der Gate-Zuführungen 22 ermöglichen
würden. In
entsprechender Weise sind auch unterhalb des Gate-Pads 24 keine
Transistorzellen vorhanden.
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Optional
besteht die Möglichkeit,
im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnitts 102 in der
Driftzone 12 unterhalb der der Gate-Zuführung 22 zugewandten
Oberseite eine komplementär
zu der Driftzone 12 dotierte Halbleiterzone 143 vorzusehen,
die vorzugsweise den gesamten Bereich einnimmt, in dem keine Transistorzellen
vorhanden sind. Die Dotierungskonzentration dieser Halbleiterzone 143 kann
der Dotierungskonzentration der Bodyzonen 14 der Transistorzellen 13 entsprechen.
Die Herstellung dieser Halbleiterzone 143 kann dabei durch
dieselben Verfahrensschritte erfolgen, durch welche die Bodyzonen 14 der
Transistorzellen hergestellt werden. Es können allerdings auch separate
Verfahrensschritte zur Herstellung dieser Halbleiterzone 143 durchgeführt werden.
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Die
komplementär
zu der Driftzone dotierte Halbleiterzone 143 kann sich – wie dies
in 2 dargestellt ist – an eine Body-Zone 14 einer
Transistorzelle 13 anschließen und kann über diese
Bodyzone 14 an die Source-Elektrode 18 angeschlossen sein.
In nicht näher
dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, diese Halbleiterzone 143 floatend anzuordnen,
d.h. diese Halbleiterzone 143 nicht an die Bodyzone einer
Transistorzelle anzuschließen und
diese Halbleiterzone damit nicht auf Sourcepotential zu legen.
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Das
Zellenfeld des IGBT weist in dem dargestellten Beispiel zwei Zellenfeldabschnitte,
einen ersten Zellenfeldabschnitt 101 und einen zweiten
Zellenfeldabschnitt 102, auf. Die Zellendichten, d.h. die
Anzahl der Transistorzellen bezogen auf eine vorgegebene Fläche des
Halbleiterkörpers – die größer ist
als die für
eine Transistorzelle benötigte
Fläche – ist für die beiden
Zellenfeldabschnitte unterschiedlich groß. In dem Beispiel ist die
Zellendichte im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes 102 Null,
da hier keine Transistorzellen vorhanden sind. Die Grenze zwischen
dem ersten und zweiten Zellenfeldabschnitt 101, 102 ist
in dem Beispiel als gestrichelte Linie eingezeichnet. Diese Grenze
begrenzt die am Rand des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnete
Zelle in Richtung des zweiten Zellenfeldabschnitts 102.
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Erfindungsgemäß ist bei
dem in 2 dargestellten Bauelement vorgesehen, den Emitterwirkungsgrad
des rückseitigen
Emitters 11 im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes 102 im
Vergleich zu übrigen
Bereichen des Emitters 11 zu reduzieren. Eine Möglichkeit,
den Emitterwirkungsgrad zu reduzieren, besteht darin, die Emitterdotierung
lokal zu reduzieren. Der Emitter 11 weist hierbei einen
ersten Emitterabschnitt 111 im Bereich des ersten Zellenfeldabschnittes 101 und
einen zweiten Emitterabschnitt 112 im Bereich des zweiten
Zellenfeldabschnittes 102 auf. Die effektive Dotierung
des Emitters 11 mit p-Dotierstoffatomen ist dabei im zweiten
Emitterabschnitt 112 geringer als im ersten Emitterabschnitt 111.
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Die
geringere Dotierung des zweiten Emitterabschnitts 112 kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei einer Herstellung
der Emitterzone 11 mittels Ionenimplantation in den zweiten
Emitterabschnitt 112 weniger Dotierstoffatome im plantiert werden
als in den ersten Emitterabschnitt 111. Hierzu wird beispielsweise
ein zweistufiges Implantationsverfahren durchgeführt. In einem ersten Schritt
erfolgt hierbei eine maskierte Implantation, durch welche Dotierstoffatome
nur in den höher
zu dotierenden ersten Emitterabschnitt implantiert werden, und in
einem zweiten Schritt werden Dotierstoffatome ganzflächig über die
Rückseite
in den Halbleiterkörper 100 implantiert.
Ein geeignetes Dotierstoffmaterial für die Herstellung einer p-dotierten
Emitterzone 11 ist beispielsweise Bor.
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Darüber hinaus
kann ein Emitter 11 mit unterschiedlichen effektiven Dotierungskonzentrationen
auch dadurch erreicht werden, dass zunächst eine homogen dotierte
Emitterzone hergestellt wird und dass anschließend maskiert nicht dotierende Teilchen
in den Bereich dieser Emitterzone 11 implantiert werden,
der den zweiten Emitterabschnitt 112 bildet. Die nicht
dotierenden Teilchen rufen dabei Kristalldefekte hervor, die zu
einer Reduzierung der effektiven p-Dotierung führen.
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Die
Reduzierung des Emitterwirkungsgrades des Emitters 11 im
zweiten Emitterabschnitt 112 im Vergleich zum ersten Emitterabschnitt 111 führt dazu, dass
bei leitend angesteuertem IGBT in der Driftzone 12 oberhalb
des zweiten Emitterabschnitts 112 weniger p-Ladungsträger vorhanden
sind, als oberhalb des ersten Emitterabschnitts 111. Im
Vergleich zu einem herkömmlichen
Leistungs-IGBT ohne lokale Absenkung des Emitterwirkungsgrades müssen bei dem
erfindungsgemäßen Leistungs-IGBT
aus dem zweiten Zellenfeldabschnitt 102, der keine Anschlüsse an die
Sourceelektrode 18 aufweist, weniger p-Ladungsträger abgeführt werden,
wodurch die Löcherstrombelastung
von Transistorzellen im Übergangsbereich
zwischen dem ersten und zweiten Zellenfeldbereich 101, 102 bzw.
die Löcherstrombelastung
der Transistorzellen, die am Rand des ersten Zellenfeldbereiches 101 angeordnet
sind, bei Abschalten des Bauelements reduziert ist. Hierdurch wird
die "Latch-Up"-Festigkeit der Transistorzellen
im Randbereich des ersten Zellenfeldabschnittes 101 erhöht.
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Bezugnehmend
auf 5 besteht insbesondere die Möglichkeit, auf das Vorhandensein
des Emitters unterhalb des zweiten Zellenfeldbereichs 102 völlig zu
verzichten. Die Driftzone 12 reicht in diesem Fall bis
an die Rückseite
des Halbleiterkörpers 100 bzw.
bis an eine auf der Rückseite
aufgebrachte Anschlusselektrode 26.
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Der
zweite Emitterabschnitt 112 mit reduzierter Dotierungskonzentration
erstreckt sich in lateraler Richtung vorzugsweise abschnittsweise – vorzugsweise über eine
Distanz, die 0,1 bis 2 Diffusionslängen für freie Ladungsträger in diesem
Bereich beträgt – bis unter
die Transistorzellen des ersten Zellenfeldbereiches 101.
Hierdurch wird erreicht, dass auch in einem Übergangsbereich zwischen dem
ersten und zweiten Zellenfeldbereich bzw. im Randbereich des ersten
Zellenfeldbereiches 101 bei leitend angesteuertem Bauelement
weniger p-Ladungsträger aus dem
Emitter 11 in die Driftzone 12 injiziert werden, die
während
des Abschaltvorgangs abfließen
müssen.
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Optional
ist bei dem Leistungs-IGBT eine Feldstoppzone 25 vorhanden,
die vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 12 ist,
die jedoch höher
als die Driftzone dotiert ist. Diese Feldstoppzone 25 ist zwischen
der Emitterzone 11 und den Bodyzonen 14 angeordnet,
befindet sich vorzugsweise näher
an der Emitterzone 11 als an den Bodyzonen 14 und
kann insbesondere unmittelbar anschließend an die Emitterzone 11 ausgebildet
sein. Diese Feldstoppzone 25 ist in 2 gestrichelt
dargestellt.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Absenkung des Emitterwirkungsgrades durch eine lokale Reduktion
der Dotierung der Emitterzone im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes 102 besteht
bezugnehmend auf 6 die Möglichkeit, die "Latch- Up"-Festigkeit des Bauelements
dadurch zu erhöhen,
dass die Dotierungskonzentration der Feldstoppzone 25 lokal
im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes 102 erhöht wird.
Diese Maßnahme führt ebenfalls
zu einer Reduktion des Emitterwirkungsgrades. Die Feldstoppzone 25 weist
in 6 zwei Feldstoppzonenabschnitte 251, 252 auf,
von denen ein erster Feldstoppzonenabschnitt 251, der unterhalb
der Transistorzellen des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnet
ist, niedriger dotiert ist als ein im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnitts 102 angeordneter
zweiter Feldstoppzonenabschnitt 252. Vorzugsweise reicht
der höher
dotierte zweite Feldstoppzonenabschnitt 252 in lateraler
Richtung bis unter die Transistorzellen des ersten Zellenfeldabschnitts 101,
das heißt
bis unter Transistorzellen, die im Randbereich des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnet
sind. Die laterale Ausdehnung der höher dotierten Feldstoppzone
in den ersten Zellenfeldabschnitt hinein beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2 Diffusionslängen der
freien Ladungsträger.
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Die
lokale Erhöhung
der Dotierungskonzentration der Feldstoppzone 25 führt dazu,
dass bei leitend angesteuertem Bauelement im Bereich des zweiten
Feldstoppzonenabschnitts 252 weniger p-Ladungsträger in die
Driftzone 12 injiziert werden, so dass bei Abschalten des
Bauelements weniger p-Ladungsträger
aus diesem Bereich abzuführen sind.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu den zuvor erläuterten
Maßnahmen,
lokales Absenken des Emitterwirkungsgrades durch lokale Reduktion
der Emitterdotierung oder durch lokales Erhöhen der Dotierungskonzentration
der Feldstoppzone, besteht bezugnehmend auf 7 die Möglichkeit,
in der Driftzone 12 im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes 102 die
Ladungsträgerlebensdauer
für Minoritätsladungsträger, das
heißt
im vorliegenden Fall p-Ladungsträger
bzw. Löcher,
zu verringern. Das Bauelement gemäß 7 weist
zwei Driftzonenabschnitte, einen ersten Driftzonenabschnitt 121 im
Bereich des ersten Zellenfeldabschnittes 101 und einen
zweiten Driftzonenab schnitt 122 im Bereich des zweiten
Zellenfeldabschnitts 102 auf. Die Ladungsträgerlebensdauer
für p-Ladungsträger ist
dabei im zweiten Driftzonenabschnitt 122 geringer als in
dem ersten Driftzonenabschnitt 121. Der zweite Driftzonenabschnitt 122 erstreckt
sich dabei vorzugsweise in lateraler Richtung bis unter die Bodyzonen 14 solcher
Transistorzellen, die im Randbereich des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnet
sind. Die Ausdehnung dieses zweiten Driftzonenabschnitts 122 in
den ersten Zellenfeldabschnitt 101 hinein beträgt vorzugsweise
0,1 bis 2 Diffusionslängen
freier Ladungsträger.
Die Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer im
zweiten Driftzonenabschnitt 122 führt dazu, dass aus diesem Abschnitt
der Driftzone bei Abschalten des Bauelements weniger p-Ladungsträger abfließen müssen, was
gegenüber
einem herkömmlichen
Bauelement die Löcherstrombelastung
der Transistorzellen im Randbereich des ersten Zellenfeldabschnitts 101 reduziert
und dadurch die "Latch-Up"-Festigkeit der Transistorzellen
erhöht.
-
Die
Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
im zweiten Driftzonenabschnitt 122 kann beispielsweise
während
eines Herstellungsverfahrens des Leistungs-IGBT durch maskierte
Bestrahlung des Halbleiterkörpers
mit hochenergetischen Teilchen, beispielsweise Elektronen, Protonen
oder Heliumatomen erfolgen. Als Maske für eine solche Bestrahlung kann
beispielsweise eine Metallmaske verwendet werden. Diese hochenergetischen
Teilchen führen
zu Kristalldefekten im Bereich des zweiten Driftzonenabschnittes 122 und
reduzieren dadurch die p-Ladungsträgerlebensdauer
in diesem Driftzonenabschnitt 122.
-
Der
zweite Driftzonenabschnitt 122, in dem die Ladungsträgerlebensdauer
abgesenkt ist, kann insbesondere derart realisiert werden, dass
der Grad der Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in vertikaler
Richtung variiert. Eine solche vertikale Variation der Ladungsträgerlebensdauer
lässt sich
insbesondere über
eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 über dessen
Vorderseite oder Rückseite
mit Protonen oder Heli umatomen erreichen. Solche "schwere" Teilchen erzeugen
eine inhomogene Kristallfehlerverteilung in dem Halbleiterkörper, wobei das
Maximum in Richtung der Bestrahlungsseite liegt. Vorteilhafterweise
erfolgt die Herstellung des zweiten Driftzonenabschnitts 122 derart,
dass die größte Absenkung
der Ladungsträgerlebensdauer
in einem Bereich anschließend
an die Emitterzone 14 – also
dort wo die Löcher
in die Driftzone injiziert werden – oder in einem Bereich unterhalb
der Gate-Zuführung bzw.
in der Nähe
der Bodyzonen 14 der Transistorzellen 13 vorhanden
ist.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zu den zuvor erläuterten
Maßnahmen
zur Erhöhung
der "Latch-Up"-Festigkeit besteht
bezugnehmend auf 8 die Möglichkeit, im Randbereich des
ersten Zellenfeldabschnittes 101 die Kontaktfläche zwischen
den Bodyzonen der Transistorzellen in diesem Randbereich und der
Sourceelektrode 18 im Vergleich zu übrigen Transistorzellen des
ersten Zellenfeldabschnitts 101 zu erhöhen. Diese Erhöhung der Kontaktfläche kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im Randbereich des
ersten Zellenfeldabschnitts 101 modifizierte Zellen 132 vorhanden sind,
die keine Sourcezone aufweisen, so dass in diesen Zellen die Elektrodenabschnitte 181 nur
die Bodyzone 14 kontaktieren. Wie in 8 gestrichelt
dargestellt ist, besteht auch die Möglichkeit, im Randbereich des
ersten Zellenfeldabschnittes 101 eine p-dotierte Halbleiterzone 142 herzustellen,
deren laterale Abmessungen größer sind
als die lateralen Abmessungen der Bodyzonen der Transistorzellen
und diese p-dotierte Halbleiterzone 142 an mehreren Stellen oder
großflächig durch
die Anschlusselektrode 18 zu kontaktieren.
-
Eine
weitere Maßnahme
zur Erhöhung
der "Latch-Up"-Festigkeit, die
alternativ oder zusätzlich zu
den Maßnahmen
der 2 bis 7 vorgesehen werden kann, besteht
bezugnehmend auf 9 darin, im Randbereich des
ersten Zellenfeldabschnittes 101 modifizierte Transistorzellen 131 vorzusehen, deren
Sourcezonen 151 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 ge ringere
Abmessungen als andere Transistorzellen 13 des ersten Zellenfeldabschnitts 101 aufweisen.
Ein gegebener Löcherstrom
führt bei
diesen modifizierten Transistorzellen 131 zu einem geringeren
Spannungsabfall unterhalb der modifizierten Sourcezone 151 im
Vergleich zu einem Spannungsabfall, den ein solcher Löcherstrom unter
einer "Standard"-Sourcezone 15,
d.h. einer Sourcezone 15 mit nicht verringerten Abmessungen, hervorrufen
würde.
Hieraus resultiert eine Erhöhung der "Latch-Up"-Festigkeit dieser
Transistorzellen im Randbereich des ersten Zellenfeldabschnittes 101.
-
Eine
weitere Maßnahme,
den Spannungsabfall unterhalb der Sourcezone 15 von Transistorzellen im
Randbereich des ersten Zellenfeldabschnittes 101 zu reduzieren,
besteht bezugnehmend auf 10 darin,
die Bodyzone 14 in Transistorzellen des Randbereiches unterhalb
der Sourcezonen 15 zumindest abschnittsweise höher zu dotieren.
Ein solcher höher dotierter
Abschnitt ist in 10 mit dem Bezugszeichen 141 bezeichnet.
Diese lokal erhöhte
Dotierung der Bodyzone 14 führt bei einem gegebenen Löcherstrom
dazu, dass unterhalb der Sourcezone 15 einer solchen modifizierten
Transistorzelle 131 eine geringere Spannung abfällt als
unter der Sourcezone einer "Standard"-Transistorzelle
ohne eine solche lokal erhöhte
Dotierungskonzentration der Bodyzone 14.
-
Zusammenfassend
sei nochmals darauf hingewiesen, dass die anhand der 2 bis 7 erläuterten
Maßnahmen
zur Erhöhung
der "Latch-Up"-Festigkeit, nämlich lokale
Absenkung der Emitterwirksamkeit durch lokal reduzierte Emitterdotierung,
lokale Erhöhung
der Dotierungskonzentration der Feldstoppzone oder lokale Absenkung
der Ladungsträgerlebensdauer
in der Driftzone jeweils alternativ zueinander oder auch gemeinsam
vorgenommen werden können.
Zusätzlich
oder alternativ zu diesen Maßnahmen
können
Transistorzellen im Randbereich des ersten Zellenfeldbereiches 101 entsprechend
der Erläuterungen
zu den 8 bis 10 modifiziert werden, um ebenfalls
die "Latch-Up"-Festigkeit des Leistungs-IGBT
zu erhöhen.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Erhöhung
der "Latch-Up"-Festigkeit eines Leistungs-IGBT wurden
zuvor anhand eines Leistungs-IGBT erläutert, der ein Zellenfeld mit
planaren Transistorzellen bzw. DMOS-Zellen aufweist. Diese Maßnahmen,
nämlich
eine Reduzierung des Emitterwirkungsgrades durch eine lokal reduzierte
Dotierung der Emitterzone oder durch eine lokal erhöhte Dotierung
einer Feldstoppzone oder eine lokale Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
in der Driftzone sind selbstverständlich auch auf Leistungs-IGBT
anwendbar, die ein Zellenfeld mit Trench-Zellen aufweist.
-
11 zeigt
einen solchen Leistungs-IGBT mit Trench-Zellen. Dieser IGBT unterscheidet sich von
dem zuvor erläuterten
IGBT mit planaren Zellen dadurch, dass die Gate-Elektroden 16 der einzelnen Transistorzellen 13 wenigstens
abschnittsweise in Gräben
angeordnet sind, die sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein
erstrecken. Die Gate-Elektroden 16 sind hierbei ebenfalls
durch eine Gate-Isolationsschicht 17 gegenüber Halbleiterzonen
des Halbleiterkörpers 100 isoliert
und erstrecken sich in vertikaler Richtung durch die Bodyzonen 14 bis
in die Driftzone 12. Die einzelnen Transistorzellen können hierbei
insbesondere eine gemeinsame Bodyzone besitzen. Kanalzonen, in denen
sich bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Gate-Elektroden 16 leitende
Kanäle
in den Bodyzonen 14 ausbilden, verlaufen bei diesem Bauelement in
vertikaler Richtung.
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Die
eingangs erläuterte "Latch-Up"-Problematik im Übergangsbereich
zwischen einem ersten Zellenfeldabschnitt 101 mit einer
ersten Zellendichte und einem zweiten Zellenfeldabschnitt mit einer
geringeren zweiten Zellendichte besteht bei einem Leistungs-IGBT
mit Trenchzellen in gleicher Weise. Zur Vermeidung oder Reduzierung
dieser Problematik ist bei dem Bauelement gemäß 11 vorgesehen, den
Emitterwirkungsgrad der Emitterzone 11 im Bereich des zweiten
Zellenfeldabschnitts 102 zu reduzieren. Hierzu ist in dem
Beispiel die Dotierung des Emitters 11 in dem zweiten Emitterabschnitt 112 gegenüber einer
Dotierung des Emitters in dem ersten Emitterabschnitt reduziert.
Alternativ oder zusätzlich zu
einer Reduzierung des Emitterwirkungsgrades durch eine lokale Reduzierung
der Emitterdotierung kann der Emitterwirkungsgrad in erläuterter
Weise dadurch reduziert werden, dass eine Feldstoppzone vorgesehen
wird, die im Bereich des zweiten Zellenfeldabschnittes eine lokal
erhöhte
Dotierung aufweist.
-
Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Reduzierung des Emitterwirkungsgrades können bei einem Leistungs-IGBT
mit Trenchzellen auch die weiteren zuvor anhand der 7 bis 10 erläuterten
Maßnahmen
zur Reduzierung bzw. Vermeidung der Latch-Up-Problematik getroffen
werden. Diese Maßnahmen
umfassen eine lokale Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in der Driftzone,
eine lokal erhöhte
Dotierung der Bodyzonen 14 benachbart zu den Sourcezone 15 in
solchen Zellen, die am Rand des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnet
sind, eine Verringerung der Abmessungen der Sourcezonen 15 in
solchen Zellen, die am Rand des ersten Zellenfeldabschnitts 101 angeordnet
sind, oder eine Vergrößerung der
Kurzschlussfläche
zwischen der Source-Elektrode 18 und der Bodyzone 14 am
Rand des ersten Zellenfeldabschnittes 101.
-
- 11
- Emitterzone
- 12
- Driftzone
- 13
- Transistorzelle
- 14
- Bodyzone
- 15
- Sourcezone
- 16
- Gateelektrode
- 17
- GateIsolationsschicht
- 18
- Anschlusselektrode,
Sourceelektrode
- 19,
20
- Isolationsschicht
- 22
- Gate-Zuführung
- 23
- Isolationsschicht
- 24
- Gate-Anschlussfläche
- 25
- Feldstoppzone
- 100
- Halbleiterkörper
- 111,
112
- Emitterabschnitte
- 121,
122
- Driftzonenabschnitte
- 131–133
- modifizierte
Transistorzellen
- 141–143
- Halbleiterzone
des ersten Leitungstyps
- 151
- Sourcezone
- 161
- Aussparung
der Gateelektrode
- 162
- Abschnitt
der Gateelektrode
- 181
- Kontaktabschnitt
der Anschlusselektrode
- 231
- Aussparung
- 251,
252
- Feldstoppzonenabschnitte