DE102006050338B4 - Halbleiterbauelement mit verbessertem Speicherladung zu Dioden-Softness Trade-off - Google Patents

Halbleiterbauelement mit verbessertem Speicherladung zu Dioden-Softness Trade-off Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einem einen Zellbereich (3) und einen Randbereich (10) aufweisenden Halbleiterkörper (1), der zumindest im Zellbereich (3) in einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) eine Driftzone (2) des einen Leitungstyps enthält und in einer Rückseite (Rü) mit mindestens einem Gebiet (13) des einen Leitungstyps und mindestens einem Gebiet (12, 15) des anderen Leitungstyps versehen ist, wobei direkt vor dem mindestens einen Gebiet (13) des einen Leitungstyps ein lateral begrenztes weiteres Gebiet (28a bis 28d) des anderen Leitungstyps angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement.
  • Aus DE 10 2005 019 178 A1 ist ein rückwärts leitender IGBT bekannt, bei dem in der Rückseite eines Halbleiterkörpers p- und n-leitende Gebiete derart gestaltet sind, dass zur Auslösung der Injektion eines Zündstromes bei wenigstens einem der p-leitenden Gebiete der Mindestabstand von der Mitte dieses entsprechenden Gebiets bis zu einem n-leitenden Gebiet wesentlich größer ist als der entsprechende Mindestabstand bei übrigen p-leitenden Gebieten.
  • Weiterhin ist in der DE 102 50 575 A1 ein IGBT beschrieben, der eine monolithisch integrierte antiparallele Diode aufweist. Ein horizontaler Bahnwiderstand sowie ein verringerter Snapback-Effekt werden dadurch abgeschwächt, dass p-Emittershortgebiete als Streifen oder Punkte unter einem Hochvoltrand ausgeführt sind.
  • Für ein schnelles und verlustarmes Schaltverhalten soll das Verhalten von Halbleiterstrukturen möglichst ”soft” ablaufen.
  • Es sollte daher ein Halbleiterbauelement mit einem soften Diodenverhalten bereitgestellt werden.
  • Hierzu ist ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgesehen. Weiterbildungen dieses Halbleiterbauelements sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben. Das Halbleiterbauelement kann ein IGBT mit Rückwärtsdiode sein.
  • Die Beschreibung erfolgt anhand eines IGBT's, was jedoch keine Beschränkung bedeutet. Vielmehr kann unter einem ”Halbleiterbauelement” auch beispielsweise eine Kombination aus einem IGBT mit einem MOSFET oder einer Schottkydiode verstanden werden.
  • Für einen IGBT, der in einem Diodenbetrieb und in einem IGBT-Betrieb betrieben werden kann, kann ein Diodenbetrieb üblicher Weise in umgekehrter Polung zu dem eigentlichen IGBT-Betrieb stattfinden.
  • Derart gestaltete IGBTs mit RC-IGBT-Strukturen (Rückwärtsleitende IGBT-Strukturen) arbeiten beim Einschalten zunächst in einem MOSFET-Betrieb, also in einem unipolaren Betrieb, bei dem keine Löcherinjektion von der Rückseite des Halbleiterkörpers her erfolgt. Erst bei höheren Strömen schaltet das rückseitige p-leitende Emittergebiet ein, so dass Löcher in die Driftstrecke injiziert werden und das Halbleiterbauelement dann im IGBT-Betrieb, also einem bipolaren Betrieb, arbeitet.
  • Das Umschalten vom unipolaren Betrieb in den bipolaren Betrieb erfolgt dann, wenn die Elektronen, die im unipolaren Betrieb in der Driftstrecke die alleinigen Ladungsträger des Stromes sind und die vor den p-leitenden Emittergebieten quer zum nächsten n-leitenden Gebiet abfließen, vor diesen p-leitenden Emittergebieten einen ohmschen Spannungsabfall erzeugen, der die p-leitenden Emittergebiete zu einer Löcherinjektion anregt. Dieser Spannungsabfall muss bei Raumtemperatur etwa 0,7 V betragen.
  • Dies kann bedeuten, dass der Strom, bei dem das Umschalten vom unipolaren Betrieb in den bipolaren Betrieb erfolgt, von der Dotierung der rückseitigen n-leitenden Emittergebiete innerhalb der p-leitenden Emittergebiete und außerdem ebenso empfindlich von der geometrischen Anordnung der p-leitenden bzw. der n-leitenden Emittergebiete abhängen kann: Je größer der Abstand von einem n-leitenden Gebiet zum nächsten n-leitenden Gebiet auf der Rückseite des Halbleiterkörpers ist, desto geringer wird möglicherweise der Strom, der benötigt wird, um den Spannungsabfall von etwa 0,7 V zu erzeugen.
  • Daraus kann folgen, dass für gute Durchlasseigenschaften des Halbleiterbauelements möglichst breite p-leitende Emittergebiete sinnvoll sein können.
  • Eine bloße Vergrößerung der p-leitenden Gebiete kann allerdings zu weit verteilten n-leitenden Gebieten führen. Es kann wünschenswert sein, dass diese möglichst nahe beieinander liegen, um das entsprechende Volumen des Zellbereichs des Halbleiterkörpers bzw. dessen entsprechenden Querschnittsbereich für den Diodenbetrieb nutzen zu können.
  • Die Anforderung guter Durchlasseigenschaften des Halbleiterbauelements infolge breiter p-leitender Gebiete und nahe beieinander liegender n-leitender Gebiete für einen hohen Stromfluss im Diodenbetrieb lässt sich scheinbar nicht ohne Weiteres gleichzeitig mit den Anforderungen an eine hohe Diodensoftness bzw. eine niedrige Schaltverlustleistung erfüllen.
  • Eine Möglichkeit zur Erzielung eines soften Diodenverhaltens kann die Absenkung der lokalen Ladungsträgerlebensdauer nahe der vorderseitigen Anode der integrierten Diode sein. Dadurch kann die anodenseitige Trägerüberschwemmung verringert werden, was in einer erhöhten Diodensoftness resultiert. Darüber hinaus verringern sich die Rückstromspitze und die gesamte Speicherladung. Jedoch führt diese Methode dazu, dass die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCESat sich mit steigender Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer erhöht. Dadurch ist der Grad der Ladungsträgerlebensdauerabsenkung begrenzt, da mit dem Anstieg von VCESat auch die Durchlassverluste steigen, was zu einer zu starken Erwärmung des Halbleiterbauelements führen kann.
  • Ein weiterer Ansatz der Verbesserung der Diodensoftness kann eine Erhöhung der Dotierungskonzentration des rückseitigen n-leitenden Emittergebiets sein. Die rückseitige Trägerüberschwemmung steigt dadurch an, was die Softness erhöht. Allerdings kann dies wiederum in einem Anstieg der Speicherladung und somit in steigenden Schaltverlusten der Diode und in steigenden Einschaltverlusten des IGBT resultieren.
  • Unter dem ”einen Leitungstyp” soll im Folgenden der n-Leitungstyp verstanden werden, in dem n-Ladungsträger Majoritätsladungsträger sind. Es wird jedoch ausdrücklich betont, dass der eine Leitungstyp gegebenenfalls auch der p-Leitungstyp sein kann, in dem p-Ladungsträger Majoritatsladungsträger sind.
  • Bei einem Beispiel eines Halbleiterbauelements ist die Rückseite so strukturiert, dass die Driftzone im Zellbereich mindestens einen Bereich enthalt, der im Diodenbetrieb des Halbleiterbauelements nicht von Ladungsträgern durchströmt ist, der aber im IGBT-Betrieb von Ladungsträgern durchstromt sein kann. Mindestens ein weiterer Bereich innerhalb der Driftzone kann sowohl im Diodenbetrieb als auch im IGBT-Betrieb von Ladungsträgern durchströmt sein.
  • Eine derartige Strukturierung der Rückseite des Halbleiterbauelements führt zu einer effektiven Diodenfläche, die kleiner als die Fläche des Zellbereiches bzw. kleiner als die IGBT-Fläche ist. Dadurch kann Diodensoftness durch eine erhöhte Dotierung der n-Dioden-Emittergebiete erreicht werden, ohne dass die Speicherladung ansteigt.
  • Es ist somit möglich, dass innerhalb der effektiven Diodengebiete die p- und n-Gebiete so strukturiert sind, dass ein Umschalten von einem unipolaren auf einen bipolaren Betrieb bereits bei geringen Strömen erfolgt.
  • Eine geeignete Strukturierung kann dadurch erreicht werden, dass wenigstens eines der Gebiete des anderen Leitungstyps einen Bereich enthält, der so gestaltet ist, dass der Mindestabstand von der Mitte dieses Bereichs bis zu dem hierzu nächstgelegenen Gebiet des einen Leitungstyps wesentlich größer ist als der entsprechende Mindestabstand bei den übrigen Gebieten bzw. Bereichen des anderen Leitungstyps.
  • Um diesen als ”wesentlich größer” eingestellten Mindestabstand zu verwirklichen, ist es moglich, dass die Gebiete des einen Leitungstyps nahezu über die gesamte Rückseite des Halbleiterbauelementes und insbesondere auch im Zellbereich verteilt sind. Gleichzeitig werden hier durch die infolge des größeren Mindestabstandes verbreiterten p-leitenden Emittergebiete Zündbereiche geschaffen, die das Umschalten vom unipolaren auf den bipolaren Betrieb herbeiführen können.
  • Die Rückseite des Halbleiterbauelements kann in verschiedene Regionen unterteilt werden. Eine Region umfasst rückseitige Gebiete sowohl des einen als auch des anderen Leitungstyps, während eine zweite Region ausschließlich rückseitige Gebiete des anderen Leitungstyps umfasst. Es können auch mehrere erste und/oder mehrere zweite Regionen vorliegen.
  • Die Rückseite des Halbleiterbauelements kann so gestaltet sein, dass der Mindestabstand von der Mitte des wenigstens einen vorzugsweise p-leitenden Gebietes bis zu dem hierzu nächstgelegenen n-leitenden Gebiet oder bis zum Randabschluss des Bauelements wesentlich größer ist als der entsprechende Mindestabstand bei den übrigen p-leitenden Gebieten. ”Wesentlich größer” kann bedeuten, dass dieser Abstand um wenigstens einen Faktor 1,5 bis 5 oder mehr größer ist als die übrigen Abstände. Es liegt also unter Umständen keine gleichmäßige Verteilung der jeweiligen Gebiete vor.
  • Durch die Verwendung unterschiedlicher Abmessungen (Breiten) für die p-leitenden Gebiete auf der Rückseite des Halbleiterkörpers können eine eingeschränkte Durchströmung der Driftzone mit Ladungsträgern im Diodenbetrieb, gute IGBT-Eigenschaften, nämlich ein Zünden der p-leitenden Gebiete bei hinreichend kleinen Strömen, und gleichzeitig auch besonders gute Diodeneigenschaften, nämlich ein hoher Stromfluss durch n-leitende Emitterflächen, erreicht werden.
  • Zusammenhängende Gebiete mit gleichen Abständen der n-leitenden Emittergebiete zueinander mit angrenzenden oder dazwischenliegenden Gebieten ohne n-leitende Emittergebiete können die gewünschte Gewährleistung bzw. Einschränkung der Ladungsträgerüberschwemmung in unterschiedlichen Betriebsmodi des Halbleiterbauelements herbeifuhren.
  • Mindestens ein im Diodenbetrieb nicht von Ladungsträgern durchströmter Bereich des Driftgebietes kann erreicht werden, indem die effektive Diodenfläche kleiner ist als die Fläche des Zellbereiches bzw. die IGBT-Fläche.
  • Aus der oben beschriebenen Anordnungsweise der p- und n-leitenden Gebiete gehen die tatsächliche Diodenfläche und die effektive Diodenfläche folgendermaßen hervor. Die tatsächliche Fläche der Diode kann der Fläche der rückseitigen n-leitenden Emittergebiete entsprechen. Die effektive Diodenfläche ist beispielsweise diese tatsächliche Diodenfläche zusammen mit der im Diodenbetrieb von Ladungstragern überschwemmten Fläche der Driftzone außerhalb der tatsächlichen Diodenfläche. Dies entspricht also der maximalen Querschnittsfläche in der Ebene des Halbleiterkörpers des im Diodenbetrieb von Ladungsträgern durchströmten Volumens in der Driftzone. Diese effektive Diodenfläche kann aufgrund der beschriebenen Anordnung der rückseitigen Emittergebiete kleiner sein als der Zellbereich, also kleiner als die im bipolaren Betrieb des IGBT aktive Fläche – oben auch als IGBT-Fläche bezeichnet – die der Deckfläche der Driftzone entspricht.
  • Anschaulich dargestellt kann die Rückseite des Halbleiterkörpers mindestens eine erste Region mit Gebieten sowohl des einen als auch des anderen Leitungstyps sowie mindestens eine zweite Region mit Gebieten des anderen Leitungstyps enthalten. Dabei kann die mindestens eine zweite Region eine Teilfläche besitzen, die mindestens eine Kreisfläche einschließt, die so groß ist, dass innerhalb der mindestens einen zweiten Region Unterregionen liegen, die so weit von benachbarten Emittergebieten des einen Leitungstyps bzw. von einem Randgebiet des Halbleiterkörpers entfernt sind, dass innerhalb der Unterregionen in der mindestens einen zweiten Region kein Ladungsträgerdurchfluss im Diodenbetrieb stattfindet. Durch diese Anordnungen kann unter Umständen sichergestellt werden, dass der Halbleiterkorper innerhalb der Driftzone Bereiche aufweist, die in einem Vorwärtsbetrieb und in einem Rückwärtsbetrieb des Halbleiterbauelements von Ladungsträgern durchströmt sind, und dass er andere Bereiche aufweist, die nur in einer Betriebsrichtung von Ladungsträgern durchströmt sind. Letzterer Bereich tritt zum Beispiel dann auf, wenn nur ein Bereich innerhalb der Driftzone vorliegt, der in beiden Betriebsmodi von Ladungsträgern durchstömt ist. Dies entspricht also dem Vorliegen nur einer Region mit Gebieten sowohl des einen als auch den anderen Leitungstyps.
  • Die Größe der effektiven Diodenfläche des Halbleiterbauelements kann zwischen 25 und 75 Prozent der Fläche des Zellbereiches liegen.
  • In einer anderen Gestaltung des Halbleiterbauelements ist es möglich, dass es keinen Bereich gibt, in dem sich die effektive Diodenfläche mit einer Randabschlussstruktur des Zellbereiches überschneidet, wodurch im Diodenbetrieb eine Ausbildung eines Elektronen-Loch-Plasmas unter diesem Rand verhindert ist. Dies kann zur Folge haben, dass eine Ansammlung von p-Ladungsträgern (Löchern) unterhalb der Randstruktur verhindert wird. Somit tritt möglicherweise bei hohen Schaltgeschwindigkeiten keine Beschränkung des sicheren Arbeitsbereiches der Diode auf.
  • In einer weiteren Gesatltung kann über die Dotierungskonzentration des einen Ladungstyps im zugehörigen rückseitigen Emittergebiet die Softness der Diode eingestellt werden.
  • Durch zunehmende Dotierungshöhe der rückseitigen n-leitenden Emittergebiete kann die Diodensoftness verbessert werden.
  • Schaltverluste, welche auf eine erhöhte Dotierung des n-leitenden Emittergebiets zurückgehen, können unter Umständen durch die oben beschriebene reduzierte effektive Diodenfläche gegenüber der Fläche des Zellbereichs bzw. die Oberfläche der Driftzone minimiert werden, da im Diodenbetrieb ein oder mehrere Bereiche innerhalb der Driftzone existieren, die im Diodenbetrieb nicht von Ladungsträgern durchströmt werden. Hierbei kann unter Umständen die Diodensoftness durch die erhöhte Dotierungskonzentration im n-Emittergebiet aber verbessert werden, so dass nun der scheinbare Widerspruch zwischen minimaler Schaltverlustleistung und maximaler Diodensoftness gelöst werden kann.
  • In einer weiteren Gestaltung wird die Diodensoftness durch eine erhöhte Dotierung der n-Emittergebiete durch Dosen zwischen 1015 1/cm2 und 1016 1/cm2 gesteigert.
  • Eine weitergehende Vereinbarung der Kriterien bzw. der Zielkonflikte wird in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht, dass direkt vor den n-leitenden Emittergebieten weitere p-leitende Gebiete vorgelagert sind, die lateral begrenzt sind. Diese p-leitenden Gebiete können dabei die gleiche Breite besitzen wie die angrenzenden n-leitenden Gebiete, aber auch wesentlich kleiner oder größer sein als diese. Die vertikale Ausdehnung dieser p-leitenden Gebiete kann dabei so groß gewählt werden, dass sie genau bis zum Übergang einer Feldstoppzone zur Driftzone reichen, darüber hinausragen oder nicht darüber hinausragen. Über die Dotierungshöhe der n-leitenden Emittergebiete kann die Diodensoftness nur bis zu einem gewissen Maße verbessert werden. Durch diese vorgelagerten p-leitenden Gebiete können weitere Dioden mit hochdotierten p-leitenden und n-leitenden Gebieten gebildet werden, deren Felddurchgriff im Falle eines Abreißens des Stromes durch zu wenig Restplasma in der Halbleiterstruktur die Diodensoftness erhöht bzw. wiederherstellt.
  • Bei einem starken Anstieg des elektrischen Feldes am pn-Übergang zwischen n-Emittergebieten und den vorgelagerten p-leitenden Gebieten kann eine lawinenmultiplikative Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren stattfinden, wodurch ein kontinuierlicher Stromfluss bzw. ein weiches Kommutierverhalten gewährleistet sein kann, während es ansonsten in diesem Fall durch das Ausräumen der Speicherladung zu einem Stromabriss kommen könnte.
  • Dadurch kann ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Steigerung der Diodensoftness unabhängig von der Dotierungskonzentration entstehen.
  • Eine Vereinbarung der oben genannten Kriterien kann bei einer weiteren Gestaltung auch dadurch erreicht werden, dass die Driftzone eine lokale Ladungsträgerlebensdauer-Zone mit einer gegenüber der Ladungsträgerlebensdauer in der übrigen Driftzone starkt reduzierten Ladungsträgerlebensdauer aufweist. Diese Zone muss sich nicht über die gesamte Dicke der Driftzone erstrecken, sondern kann dünner sein. Dies kann zu einer Reduzierung der Speicherladung in der Diode führen. Dadurch kann unter Umständen, wie oben beschrieben, die Schaltverlustleistung vermindert werden, ohne eine zu starke unerwünschte Veränderung der Sättigungsspannung des IGBTs.
  • Es kann auch eine weitere Ladungsträgerlebensdauer-Zone mit einer dritten Ladungsträgerlebensdauer direkt unter der dünnen Ladungsträgerlebensdauer-Zone mit stark reduzierter Ladungsträgerlebensdauer, die eine schwach reduzierte Ladungsträgerlebensdauer besitzt, in der Driftzone angeordnet sein.
  • Die Ladungsträgerlebensdauer-Zone mit stark reduzierter Ladungsträgerlebensdauer und die weitere Ladungsträger-Zone mit schwach reduzierter Ladungsträgerlebensdauer können sich über die gesamte Fläche der Driftzone oder auch nur über die entsprechende effektive Diodenfläche erstrecken.
  • Diese lokale Ladungsträgerlebensdauerzone kann auf den Bereich der effektiven Diodenfläche begrenzt sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung durch einen IGBT in Planarausführung,
  • 2A eine Schnittdarstellung durch einen IGBT in Trenchausführung,
  • 2B eine Schnittdarstellung durch den IGBT aus 2A im Diodenbetrieb,
  • 3 Kennlinien von Ladungstragerkonzentrationen im Verlauf zwischen Vorder- und Rückseite eines IGBT nach der Gestaltung von 2A bzw. 2B,
  • 4A eine Schnittdarstellung durch einen weiteren IGBT in Trenchausführung,
  • 4B eine Schnittdarstellung durch den IGBT aus 4A im Diodenbetrieb,
  • 5 eine Schnittdarstellung durch einen weiteren IGBT im Diodenbetrieb,
  • 6A eine Schnittdarstellung durch einen IGBT nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6B die Kennlinie der elektrischen Feldverteilung zwischen Vorder- und Rückseite eines IGBT nach der Ausführungsform von 6A,
  • 7A eine Schnittdarstellung durch einen weiteren IGBT im Diodenbetrieb,
  • 7B eine Schnittdarstellung durch einen weiteren IGBT im Diodenbetrieb,
  • 8A eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich einer Halbleiteranordnung,
  • 8B eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 8C eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 8D eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9A eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9B eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9C eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9D eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9E eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9F eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9G eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9H eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung,
  • 9I eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung und
  • 9J eine Draufsicht auf Strukturen von n-leitenden Gebieten im Zellbereich der Halbleiteranordnung.
  • In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines IGBTs mit einem Halbleiterkörper 1 aus Silizium. Anstelle von Silizium können auch andere Materialien, wie beispielsweise Siliziumcarbid, AIII-BV-Halbleiter usw. gewählt werden. Der Halbleiterkörper 1 weist auf seiner Vorderseite Vo – eingelagert in eine n-leitende Driftzone 2 – in einem Zellbereich 3 p-leitende Bodybereiche 4 auf, in denen jeweils n-leitende Sourcezonen 5 vorgesehen sind. Auf der Oberfläche der Vorderseite des Halbleiterkörpers 1 sind eine Isolierschicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid und eine Metallisierung 7 aus beispielsweise Aluminium vorgesehen, welche den Bodybereich 4 und die Sourcezonen 5 kontaktiert. Eingelagert in die Isolierschicht 6 sind noch Gateelektroden 8 aus beispielsweise polykristallinem Silizium, die bei Anlegen einer Spannung zwischen der Sourcezone 5 und der Driftzone 2 einen Kanal 9 erzeugen. Die Metallisierung 7 erstreckt sich bis zu einem Randbereich 10, der beispielsweise einen oder mehrere p-leitende Ringe 11 enthält. Im Randbereich 10 befindet sich auf der Isolierschicht 6 noch ein nicht näher bezeichnetes Dickoxid.
  • In der Rückseite Rü dieses IGBTs sind p-leitende Gebiete 12 und n-leitende Gebiete 13 vorgesehen, die im Wesentlichen gleiche Abmessungen aufweisen können und die mit einer Rückseiten-Metallisierung 14 versehen sind.
  • 2A zeigt eine Gestaltung des Halbleiterbauelements in seinem Zellbereich mit einem Halbleiterkörper 1 aus beispielsweise Silizium, einer Driftzone 2, Bodybereichen 4, Sourcezonen 5, Isolierungsschichten 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid, Metallisierungen 7 aus beispielsweise Aluminium, Gateelektroden 8, p-leitenden Gebieten 12, 15 und n-leitenden Gebieten 13. Bei diesem Trench-IGBT sind die Gebiete 13 mit einer n-Dotierung versehen. Zusätzlich befindet sich eine Feldstoppzone 17 vor den p-leitenden bzw. n-leitenden Gebieten 10 bzw. 11, die aber auch entfallen kann. Die p-leitenden Gebiete und n-leitenden Gebiete weisen unterschiedliche Dimensionierungen auf. Hier ist ein erstes rückseitiges Gebiet 18 gezeigt, das p-leitende Gebiete 12, 15 und n-leitende Gebiete 13 aufweist. Eine zweite rückseitige Region 19 weist lediglich p-leitende Gebiete ohne n-leitende Gebiete auf.
  • Die Trench-Ausführung ist aber nicht zwingend, das heißt alle im Folgenden beschriebenen Gestaltungen und Prinzipien sind auch bei der Planar-Ausführung von 1 anwendbar, wo ebenfalls eine Feldstoppzone vorgesehen werden kann.
  • Die n-leitenden Gebiete 13 sind beispielsweise punkt- bzw. kreisförmig gestaltet und bilden Strukturen, so dass die einzelnen Punkte dieser Strukturen beispielsweise Rechtecke oder Vielecke darstellen.
  • Zum besseren Verständnis der Figuren wird darauf hingewiesen, dass die Größenverhältnisse nicht zwangsläufig der Realität entsprechen. Die Abstände der Gebiete 12, 13 und der Gateelektroden 8 sind unter Umständen nicht maßstabsgetreu.
  • Das Halbleiterbauelement aus 2A im Diodenbetrieb ist in 2B dargestellt. Es entstehen zwei Bereiche 2a, 2b, wobei in dem Bereich 2a im Diodenbetrieb keine Ladungsträgerüberschwemmung innerhalb der Driftzone stattfindet, während der Bereich 2b von Ladungsträgern durchströmt ist. Zumindest der Bereich 2b kann auch in einem IGBT-Betrieb des Halbleiterbauelements vollständig von Ladungsträgern durchströmt sein. Eine erste 18 Region mit p-Gebieten 12, 15 und n-Gebieten 13 sowie eine zweite Region 19 mit p-Gebieten 15 und ohne n-Gebiete 13 sind dargestellt. Die zweite Region 19 ist so groß, dass in ihr eine Unterregion 33 liegt, die so weit von benachbarten Emittergebieten 13 des einen Leitungstyps entfernt ist, dass innerhalb der Unterregion 33 kein Ladungsträgerdurchfluss im Diodenbetrieb stattfindet.
  • 3 zeigt mehrere Ladungsträgerprofile für Diodenbetriebe von möglichen Halbleiterbauelementen, um die Beziehung verschiedenener Maßnahmen und ihrer Effekte zu veranschaulichen. Über dem Gebiet zwischen Vorderseite Vo (”Anode”) und Rückseite Rü (”Kathode”) des Halbleiterbauelements ist die Ladungsträgerkonzentration LK aufgetragen. Eine Kurve 20 zeigt das Verhalten einer als soft zu bezeichnenden Diode, bei dem die Trägerkonzentration zur Rückseite Rü hin ohne Sprünge zunimmt. Eine Kurve 21 zeigt im Vergleich dazu den Verlauf einer gewöhnlichen RC-Diode. Eine Kurve 22 verdeutlicht die Auswirkung einer lokalen Trägerlebensdauerabsenkung. Es kommt hier zu einer örtlich betrachtet raschen Abnahme der Trägerkonzentration (Pfeil P) nahe der Vorderseite Vo und einem gleichmäßigen Wiederanstieg zur Rückseite Rü hin. Eine Kurve 23 zeigt weiter die Auswirkung einer Erhöhung der Dotierungskonzentration der Rückseiten-n-Emitter. Die Ladungsträgerkonzentration an der Rückseite Rü ist dadurch erhöht (Pfeil P').
  • Das Halbleiterbauelement gemäß 4A weist im Wesentlichen die gleichen Gebiete und Regionen wie in den Gestaltungen der 2A und 2B auf. Es unterscheidet sich jedoch von diesen Gesatltungen darin, dass die rückseitigen n-leitenden Gebiete 13 flächendeckend sind, jedoch gleichzeitig nicht gleichmäßig verteilt: n-leitende Gebiete 13 sind so in eine p-leitende Umgebung (12, 15) eingelagert, dass p-leitende Gebiete (12, 15) entstehen, wobei die Gebiete 15 so ausgeführt sind, dass der Mindestabstand 25 von ihrer Mitte zu dem nächstgelegenen n-leitenden Gebiet 13 wesentlich größer ist als der entsprechende zweite Mindestabstand 25a bei den übrigen Gebieten des p-Leitungstyps 12. Es entstehen also mindestens zwei über die Rückseite Rü des Zellbereiches des Halbleiterbauelements verteilte erste Regionen 18 mit gruppierten bzw. gleichmäßig verteilten p-leitenden Gebieten 12 und n-leitenden Gebieten 13 sowie mindestens eine zweite Region 19 mit einem oder mehreren zusammenhängenden p-leitenden Gebieten 15 ohne n-leitende Gebiete 13.
  • In 4B ist dargestellt, wie im Diodenbetrieb eines Halbleiterbauelements aus 4A die Driftzone in mindestens einen Bereich 2a und mindestens einen weiteren Bereich 2b aufgeteilt ist. Im Diodenbetrieb ist der mindestens eine Bereich 2b mit Majoritätsladungsträgern durchflossenen, wohingegen im weiteren Bereich 2a kein Ladungsträgerdurchfluss stattfindet.
  • Die Bereiche 2b sind aber im IGBT-Betrieb des Halbleiterbauelements vollständig von Ladungsträgern durchflutet. Die Bereiche 2a sind im IGBT-Betrieb nahezu vollständig oder vollständig von Ladungsträgern durchflutet.
  • 5 zeigt ein Halbleiterbauelement nach 2A bzw. 2B im Diodenbetrieb. Abgebildet ist hier auch der Randbereich 10, um zu veranschaulichen, dass sich der Bereich 2b mit Ladungsträgerdurchflutung im Diodenbetrieb nicht bis unter den Randbereich 10 bzw. bis über den Zellbereich 3 hinaus erstrecken muss. Ebenso wird hier deutlich, dass mindestens ein Bereich 2a, der bis unter den Randbereich 10 reicht, in einem Diodenbetrieb der Halbleiteranordnung insbesondere unter dem Randbereich nicht vollstandig von Ladungsträgern durchströmt sein muss.
  • In 6A, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, sind für ein Halbleiterbauelement nach 2A bzw. 2B den n-leitenden Emittergebieten 13 vorgelagerte p-leitende Gebiete 28a–d in möglichen Ausführungsformen dargestellt. Diese vorgelagerten p-leitenden Gebiete 28a–d weisen eine hohe Dotierungskonzentration auf und können breiter (vgl. Gebiete 28b, 28c) oder schmaler (vgl. Gebiete 28a, 28d) als das angrenzende n-leitende Emittergebiet 13 sein. Sie können innerhalb (vgl. Gebiete 28a, 28b) der Feldstoppzone 17 liegen oder über diese hinausragen (vgl. Gebiete 28c, 28d). Durch diese vorgelagerten p-leitenden Gebiete 28a–d werden zusätzliche Dioden mit hochdotierten p-leitenden und n-leitenden Gebieten in der Halbleiteranordnung gebildet. Sie bewirken eine Erhöhung der Diodensoftness und stellen im Falle eines Abreißens des Stromes durch zu wenig Restplasma in der Halbleiterstruktur die Wiederherstellung eines Stromes sicher.
  • 6B zeigt eine Verteilung der elektrischen Feldstärke zwischen Vorderseite Vo und Rückseite Rü des Halbleiterbauelements in einem Schnitt durch ein vorderseitiges p-leitendes Gebiet, einen Driftbereich, ein vorgelagertes p-leitendes Gebiet wie in 6A und ein rückseitiges n-leitendes Emittergebiet während des Abschaltens bzw. Ausräumens der Diode, zum Zeitpunkt, wenn die Ladungsträger im Gebiet zwischen dem Bodybereich 4 und einem vorgelagerten p-leitenden Gebiet 28d ausgeräumt sind. Der Schnittverlauf zwischen Vorderseite Vo und Ruckseite Rü ist in der Abbildung rechts oben dargestellt. Der Kurvenverlauf zeigt ein Einsetzen und einen Anstieg des elektrischen Feldes innerhalb des vorderseitigen p-leitenden Gebietes bis zum angrenzenden Driftbereich, in dem die Feldstärke bis zum wiederum angrenzenden vorgelagerten p-leitenden Gebiet relativ abnimmt, ohne jedoch völlig zu erlöschen. Innerhalb des vorgelagerten p-leitenden Gebietes steigt die Feldstärke zum rückseitigen n-leitenden Emittergebiet erneut an und kann größere Werte erreichen, als innerhalb des vorderseitigen p-leitenden Gebietes bzw. der Driftzone. Innerhalb des rückseitigen n-leitenden Emittergebietes nimmt die Feldstärke schließlich ab und wird zu null. Falls ein Stromfluss innerhalb der Driftzone abzureißen droht, stellt das vorgelagerte p-leitende Gebiet durch mindestens eine durch ein vorgelagertes p-leitendes Gebiet und ein rückseitiges n-leitendes Emittergebiet gebildete Diode sicher, dass ein Stromfluss aufrecht erhalten wird, weil bei Erreichen einer kritischen Feldstärke von 2·105 V/cm bis 5·105 V/cm zusätzliche Ladungsträger durch Avalanche-Generation erzeugt werden.
  • 7A zeigt den Diodenbetrieb eines Halbleiterbauelements nach den 2A bzw. 2B im Diodenbetrieb, wobei mindestens eine zusätzliche Zone 29 in der Driftzone 2 angeordnet sein kann. Diese mindestens eine Zone 29 kann eine stark reduzierte Ladungsträgerlebensdauer besitzen. Ihre Fläche erstreckt sich in diesem Beispiel über den Bereich der Ladungsträgerüberschwemmung im Diodenbetrieb, also über die effektive Diodenfläche. Aufgrund einer annähernd kegelstumpfförmigen Ausbreitungscharakteristik der Ladungsträgerüberschwemmung innerhalb der Driftzone 2 kann die Flächenausdehnung der Zone 29 je nach ihrer Lage innerhalb der Driftzone 2 variieren. Eine Größe der mindestens einen zusatzlichen Zone 29 kann so gewählt sein, dass sie den Bereich der Ladungsträgerdurchflutung im Diodenbetrieb vollständig abdeckt. Die Zone 29 kann im Diodenbetrieb die Ladungstragerüberschwemmung einschränken. Dadurch kann die Schaltverlustleistung des Halbleiterbauelements vermindert werden. Die Bereiche 2a und 2b oder/und 3b können im Gegensatz zu der Zone 29 eine nicht reduzierte bzw. eine schwach reduzierte Ladungsträgerlebensdauer besitzen, wobei die Bereiche 2b im Gegensatz zu den Bereichen 2a im Diodenbetrieb von Ladungstragern durchströmt sind.
  • Eine andere Gestaltung der mindestens einen Zone 29 mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer ist in 7B dargestellt. Hier ist die Zone 29 innerhalb der Driftzone 2 durchgehend angeordnet und kann dem selben Zweck wie in 7A dienen. Es können die Bereiche 2a und 2b ebenfalls eine schwach reduzierte Ladungsträgerlebensdauer oder eine nicht reduzierte Ladungsträgerlebensdauer besitzen, während die Bereiche 3a und 3b keine reduzierte Ladungsträgerlebensdauer besitzen.
  • 8A mit 8D zeigen Draufsichten auf Zellbereiche von Halbleiterstrukturen nach 2A bzw. 2B mit den darunter liegenden n-leitenden Emittergebieten 13. Dabei deckt die mindestens eine effektive Diodenfläche 30 in 8A einen Anteil des Zellbereichs 3 ab. Diese Anteile werden in den 8B bis 8C immer kleiner. In 8D sind zwei Gruppierungen der n-leitenden Emittergebiete 13 dargestellt.
  • 9A mit 9J zeigen ebenfalls Draufsichten auf Zellbereiche von Halbleiterstrukturen nach 2A bzw. 2B mit darunter liegenden n-leitenden Emittergebieten 13. Es sind jeweils die Randbereiche 10, die Zellbereiche 3 und die n-leitenden Emittergebiete 13 dargestellt. 9A veranschaulicht eine zweite Region 19 ohne enthaltene n-leitende Gebiete 13, während 9B die entsprechende Unterregion 33 zeigt, in der keine ladungsträgerdurchstömung im Diodenbetrieb stattfindet. Analog hierzu zeigen die 9C bzw. 9D, 9E bzw. 9F und 9G bzw. 9H die zweiten Regionen 19 ohne n-leitende Emittergebiete 13 bzw. die Unterregionen 33 ohne Ladungsträgerdurchströmung im Diodenbetrieb. Zur Veranschaulichung sind als Teilflächen Kreisflächen eingezeichnet, die die Oberfläche bzw. Oberflächen der mindestens einen zweiten Region 19 einschließt bzw. einschließen, die die Unterregionen 33 bilden. 9I zeigt zweite Regionen 19 und ein über eine Länge des Zellbereichs 3 langgestrecktes n-leitendes Emittergebiet. 9J zeigt eine erste Region 18, in der ein langgestrecktes n-leitendes Emittergebiet wie in 9I liegen kann, oder auch mehrere verteilte n-leitende Emittergebiete. Außerdem sind zwei zweite Regionen 19 sowie darin enthaltene Kreisflächen zum Veranschaulichen möglicher Unterregionen 33 dargestellt.

Claims (5)

  1. Halbleiterbauelement mit einem einen Zellbereich (3) und einen Randbereich (10) aufweisenden Halbleiterkörper (1), der zumindest im Zellbereich (3) in einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) eine Driftzone (2) des einen Leitungstyps enthält und in einer Rückseite (Rü) mit mindestens einem Gebiet (13) des einen Leitungstyps und mindestens einem Gebiet (12, 15) des anderen Leitungstyps versehen ist, wobei direkt vor dem mindestens einen Gebiet (13) des einen Leitungstyps ein lateral begrenztes weiteres Gebiet (28a bis 28d) des anderen Leitungstyps angeordnet ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen pn-Übergang zwischen den weiteren Gebieten (28a bis 28d) des anderen Leitungstyps und dem mindestens einen Gebiet des einen Leitungstyps ein Abreissen des Stroms der Diode verhinderbar ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone (2) des einen Leitungstyps mindestens zwei Zonen (2; 2a; 2b; 29; 32) mit unterschiedlicher Ladungsträgerlebensdauer umfasst.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Zonen (29) mit unterschiedlicher Ladungsträgerlebensdauer eine gegenüber der Ladungstragerlebensdauer in der übrigen Driftzone (2) stark verminderte Ladungsträgerlebensdauer besitzt.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der Zonen mit unterschiedlicher Ladungsträgerlebensdauer eine schwach verminderte Ladungsträgerlebensdauer hat.
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