DE102010063728B4 - Halbleitervorrichtung mit verbesserter Sperrspannungsfestigkeit - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit verbesserter Sperrspannungsfestigkeit Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, enthaltend: eine erste Halbleiterregion (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine zweite Halbleiterregion (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenabschnitt der ersten Halbleiterregion (1) gebildet ist; eine dritte Halbleiterregion (3) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenabschnitt der zweiten Halbleiterregion (2) gebildet ist; eine erste Elektrode (7), welche die erste Halbleiterregion (1) von der dritten Halbleiterregion (3) mit einem zwischen die erste Elektrode (7) und die erste Halbleiterregion (1) gelegten Isolatorfilm (6) überquert; eine zweite Elektrode (9), die mit der zweiten Halbleiterregion (2) und der dritten Halbleiterregion (3) verbunden ist; eine vierte Halbleiterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Halbleiterregion (1) und der zweiten Halbleiterregion (2), wobei die vierte Halbleiterregion (5) mindestens eine Region unterhalb der zweiten Halbleiterregion (2) einnimmt; eine fünfte Halbleiterregion (10) des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Rückfläche der ersten Halbleiterregion (1); eine dritte Elektrode (11), die mit der fünften Halbleiterregion (10) in Kontakt ist; wobei die vierte Halbleiterregion (5) stärker dotiert ist als die erste Halbleiterregion (1), wobei die vierte Halbleiterregion (5) Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer durchschnittlichen Störstellenmenge von 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger enthält, um eine niedrige Spitzen-Überspannung zu erhalten; und wobei die erste Halbleiterregion (1) einen spezifischen Widerstand aufweist, der niedrig genug ist, um zu verhindern, dass eine von der fünften Halbleiterregion (10) ausgehende Verarmungsschicht die vierte Halbleiterregion (5) erreicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung.
  • Auf dem Gebiet der elektrischen Leistungswandler, die eine Halbleitervorrichtung nutzen, sind Matrixwandler dem Durchschnittsfachmann als Direktwandlerschaltungen bekannt, welche eine Wechselstrom-Wechselstrom-Umwandlung (nachfolgend als „AC/AC-Umwandlung” bezeichnet), eine Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung (nachfolgend als „AC/DC-Umwandlung” bezeichnet) und eine Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlung (nachfolgend als „DC/DC-Umwandlung” bezeichnet) ohne Verwendung einer Gleichstrom-Glättungsschaltung einschließlich eines Elektrolytkondensators und eines Gleichstromreaktors durchführen.
  • Der Matrixwandler enthält Gleichstromschalter. Da eine Gleichspannung an die Gleichstromschalter angelegt wird, ist es erforderlich, dass die Gleichstromschalter Spannungsfestigkeit in der Vorwärts- und Sperrrichtung aufweisen. Mit anderen Worten müssen die Gleichstromschalter eine Vorwärtsspannungsfestigkeit und eine Sperrspannungsfestigkeit zeigen. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung von Größe, Gewicht und Kosten des Matrixwandlers und der Verbesserung der Umwandlungseffizienz und seiner Reaktionsgeschwindigkeit haben bidirektionale Schaltvorrichtungen viel Aufmerksamkeit erregt. Als eine der bidirektionalen Schaltvorrichtungen ist dem Durchschnittsfachmann ein Schalter bekannt, der zwei rückwärtssperrende Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (nachfolgend als „rückwärtssperrende IGBTs” bezeichnet) enthält, die zueinander parallel geschaltet sind.
  • In den folgenden Beschreibungen und den beiliegenden Zeichnungen sind Elektronen oder Löcher die Majoritätsträger in den Schichten und Regionen, denen „n” oder „p” vorangestellt ist. Das hochgestellte Zeichen – nach dem Buchstaben „n” oder „p”, der den Leitfähigkeitstyp einer Region oder Schicht anzeigt, gibt an, dass die Region oder die Schicht relativ leicht dotiert ist. Das hochgestellte Zeichen + nach dem Buchstaben „n” oder „p”, der den Leitfähigkeitstyp einer Region oder Schicht anzeigt, gibt an, dass die Region oder die Schicht relativ stark dotiert ist. Wenn weder das Zeichen + noch das Zeichen – angefügt sind, ist die Region oder die Schicht mittelmäßig dotiert.
  • 11 ist die Querschnittsansicht eines herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT. Wie 11 zeigt, ist in dem rückwärtssperrenden IGBT ein die aktive Region 110 umgebender Isolierabschnitt 130 in dem Randbereich eines n-Halbleitersubstrats gebildet. In der aktiven Region 110 ist ein vertikaler IGBT gebildet, der eine n-Driftregion 1 eine p-Basisregion 2, eine n+-Emitterregion 3 und eine p-Kollektorregion 10 enthält. In dem Isolierabschnitt 130 ist eine p-Isolierregion 31 durch das Halbleitersubstrat von seiner Vorderfläche zu seiner Rückfläche gebildet. Die Isolierregion 31 ist in Kontakt mit der auf der Rückfläche der aktiven Region 110 gebildeten Kollektorregion 10. Zwischen dem Isolierabschnitt 130 und der aktiven Region 110 ist eine Durchbruchfestigkeitsschicht 120 gebildet. Die Durchbruchfestigkeitsschicht 120 entspannt die elektrische Feldstärke an dem pn-Übergang, der die Halbleitervorrichtung bildet, und verwirklicht die gewünschten Spannungsfestigkeiten.
  • 12 ist eine Querschnittsansicht, die die aktive Region 110 in der in 11 gezeigten Halbleitervorrichtung im Detail zeigt. In der aktiven Region 110 ist eine p-Basisregion 2 selektiv in dem Oberflächenabschnitte auf der Vorderseite der Driftregion 1 gebildet, die aus einem n–-Halbleitersubstrat gebildet ist. Die Basisregion 2 ist stärker dotiert als die Driftregion 1. In dem Oberflächenabschnitt der Basisregion 2 sind eine n+-Emitterregion 3 und eine p+-Körperregion 4 selektiv gebildet. Die Gate-Elektrode 7 bedeckt einen Teil der n+-Emitterregion 3 und einen Teil der Basisregion 2 über einen Gate-Isolatorfilm 6. Die Emitterelektrode 9 ist in Kontakt mit der Emitterregion 3 und der Körperregion 4. Die Emitterelektrode 9 ist von der Gateelektrode 7 durch einen Zwischenschicht-Isolatorfilm 8 isoliert. Auf der Rückfläche der Driftregion 1 sind die p-Kollektorregion 10 und die Kollektorelektrode 11 gebildet.
  • Durch Verwendung eines im Zonenschwebeverfahren (nachfolgend als „FZ-Verfahren” bezeichnet) hergestellten Siliziumsubstrats (Si) wird der vorstehend beschriebene rückwärtssperrende IGBT als ein Nicht-Punch-Through-Typ (nachfolgend als ein „NPT-Typ” bezeichnet) gebildet, in welchem die Verarmungsschicht, die von dem Emitter in AUS-Zustand des rückwärtssperrenden IGBT ausgeht, den Kollektor nicht erreicht. Bedingt durch die technische Verbesserung beim Polieren des im FZ-Verfahren hergestellten Siliziumsubstrats ist es möglich, das Siliziumsubstrat so dünn zu gestalten, dass es bei der IGBT-Nennspannung von 600 V eine Dicke von etwa 100 μm hat und bei der IGBT-Nennspannung von 1200 V eine Dicke von etwa 180 μm hat. Indem die Kollektorregion dünner gestaltet wird und die Störstellenkonzentration in der Kollektorregion gesenkt wird, wird ein IGBT des NPT-Typs mit einer Struktur gebildet, welcher die Injektionseffizienz der Minoritätsträger senkt und deren Transporteffizienz steigert. Indem der rückwärtssperrende IGBT als ein NPT-Typ gebildet wird, werden die Probleme, die durch das Kompromissverhältnis zwischen den EIN-Spannungscharakteristiken und dem Abschaltverlust verursacht werden, vermieden, und sowohl die EIN-Spannung als auch der Abschaltverlust werden reduziert.
  • Das folgende Patentdokument 1 schlägt eine Halbleitervorrichtung als den vorstehend beschriebenen rückwärtssperrenden IGBT vor. Die vorgeschlagene Halbleitervorrichtung enthält ein Halbleitersubstrat; eine p-Basisregion in dem Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats; eine n+-Emitterregion in dem Oberflächenabschnitt der p-Basisregion; eine p+-Kollektorregion im Randbereich des Halbleitersubstrats und auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats, wobei die p+-Kollektorregion die p-Basisregion umgibt. Mit anderen Worten ist eine p+-Region auf der Seitenfläche des Halbleitersubstrats und eine p+-Kollektorregion ist auf der Rückseite des Halbleitersubstrats. Die p+-Kollektorregion auf der Rückseite des Halbleitersubstrats ist etwa 1 μm dick.
  • Das folgende Patentdokument 2 schlägt eine Hochspannungs-Halbleitervorrichtung gemäß der nachfolgenden Beschreibung vor, welche hohe Vorwärts- und Sperrspannungsfestigkeit zeigt. Die in dem folgenden Patentdokument 2 vorgeschlagene Hochspannungs-Halbleitervorrichtung enthält ein Halbleitersubstrat, welches eine Driftschicht einschließt, an deren beiden Seiten pn-Übergänge für Vorwärts- und Sperr-Durchbruchfestigkeit gebildet sind, und eine Isolier-Diffusionsregion, die für die Randabschlussstruktur des Durchbruchfestigkeits-Übergangs für die pn-Übergänge arbeitet, wobei die Isolier-Diffusionsregion aus der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist. Die Driftschicht enthält eine Region, in der die Störstellenkonzentrationsverteilung im Wesentlichen von der Seite der ersten Hauptfläche nach innen konstant ist oder die Störstellenkonzentration sich von der Seite der ersten Hauptfläche nach innen verringert.
  • 13(a) ist eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT.
  • Der in 13(a) gezeigte herkömmliche rückwärtssperrende IGBT enthält eine n-Schalenregion 201 zwischen der Driftregion 1 und der Basisregion 2. Die Schalenregion 201 ist stärker dotiert als die Driftregion 1. Zwischen der Drittregion 1 und der Kollektorregion 10 ist eine n-Pufferregion 202 gebildet. Die Pufferregion 202 ist stärker dotiert als die Driftregion 1. Die übrigen Strukturen entsprechen den Strukturen in dem in 11 gezeigten rückwärtssperrenden IGBT.
  • Die IGBTs mit den nachfolgend beschriebenen Strukturen zur Verbesserung ihrer Leistungsfähigkeit sind den Durchschnittsfachmann bekannt.
  • Der IGBT enthält eine Region, deren Leitfähigkeitstyp gleich dem Leitfähigkeitstyp der Driftregion ist. Die Region ist stärker dotiert als die Driftregion und zwischen der Driftregion und der Basisregion oder zwischen der Driftregion und der Kollektorregion angeordnet.
  • Der IGBT enthält Regionen, deren Leitfähigkeitstyp gleich dem Leitfähigkeitstyp der Driftregion ist. Die Regionen sind stärker dotiert als die Driftregion. Eine der Regionen ist zwischen der Driftregion und der Basisregion angeordnet. Die andere Region ist zwischen der Driftregion und der Kollektorregion angeordnet.
  • Das folgende Patentdokument 3 schlägt eine Halbleitervorrichtung als einen der vorstehend beschriebenen IGBTs vor. Der in dem Patentdokument 3 vorgeschlagene IGBT enthält vier dotierte Regionen, deren Leitfähigkeitstypen abwechselnd voneinander verschieden sind. Die dotierten Regionen sind übereinander gelegt. Die Dimensionen einer der dotierten Regionen (erste Basisregion) werden im Hinblick auf den Durchgriff bestimmt. Der vorgeschlagene IGBT enthält ferner zwei Pufferschichten. Der Leitfähigkeitstyp der Pufferschichten ist gleich dem Leitfähigkeitstyp der ersten Basisregion und die Pufferschichten sind stärker dotiert als die erste Basisregion, um den IGBT symmetrisch zu unterbrechen. Die Vorwärts- und Sperrspannungsfestigkeit des vorgeschlagenen IGBT sind so eingestellt, dass sie beinahe gleich sind.
  • Das folgende Patentdokument 4 schlägt eine weitere, nachfolgend beschriebene Halbleitervorrichtung (IGBT) vor. Der in dem Patentdokument 4 vorgeschlagene IGBT enthält eine stark dotierte Region zumindest in einem Teil der Grenze zwischen einer p-Basisregion und einer n-Driftregion.
  • Der Leitfähigkeitstyp der stark dotierten Region ist gleich dem Leitfähigkeitstyp der n-Driftregion. Die stark dotierte Region ist stärker dotiert als die n-Driftregion. Die vorstehend beschriebene Struktur verkürzt die Kanallänge und reduziert den Spannungsabfall im EIN-Zustand der Vorrichtung.
  • Das folgende Patentdokument 5 schlägt eine weitere nachstehend beschriebene Halbleitervorrichtung (IGBT) vor. Der in dem Patentdokument 5 vorgeschlagene IGBT enthält eine Region kurzer Lebensdauer in dem Abschnitt einer n-Basisschicht nahe an einer p-Kollektorregion. Die Region kurzer Lebensdauer entspricht dem n-Typ und ist stärker dotiert als die n-Basisschicht. Die Region kurzer Lebensdauer erleichtert die Reduzierung des Leckstroms eines IGBT des NPT-Typs.
  • In Sung, W. et al: Design and investigation of frequency capability of 15 kV 4H-SiC IGBT, 21st International Symposium an Power Semiconductor Devices & IC's, ISPSD 2009, S. 271–274, sind 15 KV 4H-SiC asymmetrische und symmetrische n-Kanal-IGBTs zur Minimierung von On-State- und Schaltverlusten beschrieben. Eine Stromerhöhungsschicht wird verwendet, um den Vorwärtsspannungsabfall zu reduzieren. Bei einem asymmetrischen IGBT kann die Frequenzfähigkeit durch die Parameter der Bufferregion wie Störstellenkonzentration oder Dicke beeinflusst werden. Bei einem symmetrischen IGBT werden p+-Substrat-Störstellenkonzentration und die Driftregion-Lebenszeit untersucht, um maximale Schaltfrequenzfähigkeit zu erhalten.
    • Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2002-319676 A ;
    • Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2006-080269 A ;
    • Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung JP 2002-532885 A (Übersetzung einer PCT-Anmeldung);
  • Gemäß der in dem Patentdokument 1 aufgezeigten Technik ist die Sperrspannungsfestigkeit niedriger als die Vorwärtsspannungsfestigkeit. Allgemein enthält der IGBT des NPT-Typs eine p+-Körperregion in einer Basisregion, um zu verhindern, dass, während die Vorwärtsvorspannung angelegt wird, oder während des Abschaltens der Vorrichtung, ein Latch-up-Durchbruch verursacht wird. Die Körperregion ist stärker dotiert als die Basisregion. Die Basisregion ist stärker dotiert als die Driftregion.
  • Um den Abschaltverlust zu reduzieren, ist die Kollektorregion stärker dotiert als die Driftregion. Die Kollektorregion ist wesentlich geringer dotiert als die Körperregion. Aufgrund des Störstellenkonzentrationschemas ist die Verarmungsschicht, die während des Anlegens der Sperrvorspannung von der Kollektorregion ausgeht, größer als die Verarmungsschicht, die während des Anlegens der Vorwärtsvorspannung von der Basisregion ausgeht.
  • Die Breite der während des Anlegens der Sperrvorspannung nicht verarmten Basisregion in Richtung der Substrattiefe (nachfolgend als neutrale Basisregionsbreite” bezeichnet) ist der Abstand der von der Kollektorregion zu der Basisregion sich ausdehnenden Verarmungsschicht von dem oberen Rand. Im Detail beschrieben ist die neutrale Basisregionsbreite während des Anlegens der Sperrvorspannung kürzer als die neutrale Basisregionsbreite während des Anlegens der Vorwärtsvorspannung, das heißt die Distanz von dem unteren Rand der Verarmungsschicht, die sich von der Basisregion zu der Kollektorregion ausdehnt.
  • Aufgrund der Differenz der neutralen Basisregionsbreite ist die Transporteffizienz während des Anlegens der Sperrvorspannung größer als während des Anlegens der Vorwärtsvorspannung. Daher wird der Trägerverstärkungsfaktor während des Anlegens der Sperrvorspannung wesentlich höher als während des Anlegens der Vorwärtsvorspannung. Daher nimmt in Verbindung mit dem Anstieg des Trägerverstärkungsfaktors der Sperrleckstrom zu und die Sperrspannungsfestigkeit verringert sich.
  • Die in dem Patentdokument 3 aufgezeigte Technik verursacht die nachstehenden Probleme. Die Beziehung zwischen der Höhe y von der Bodenebene des Substrats und dem elektrischen Feld E ist in 13(b) beschrieben. Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf die 13(a) und 13(b).
  • In dem in 13(a) gezeigten rückwärtssperrenden IGBT wird das elektrische Feld in dem Halbleitersubstrat aufgrund der Anordnung der Schalenregion 201 und der Pufferregion 202 rasch hoch. Während des Anlegens der Vorwärtsvorspannung (vgl. die durchgezogenen Linien in 13(b)) wird beispielsweise das elektrische Feld in der Region 211 in der Nähe der Grenze zwischen der Basisregion 2 und der Schalenregion 201 rasch hoch. Während des Anlegens der Sperrvorspannung (vgl. die unterbrochenen Linien in 13(b)) wird das elektrische Feld in der Region 212 in der Nähe der Grenze zwischen der Kollektorregion 10 und der Pufferregion 202 rasch hoch. Bedingt durch den raschen Anstieg des elektrischen Feldes werden in vielen Fällen die Vorwärts- und Sperrspannungsfestigkeit gesenkt. Mit anderen Worten können die Vorwärts- und Sperrspannungsfestigkeit, die durch die Anordnung der Schalenregion 201 und der Pufferregion 202 zu erzielen sind, tatsächlich nicht verwirklicht werden.
  • Dem Durchschnittsfachmann ist bekannt, dass die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden werden können, indem die Störstellenkonzentration in der Driftregion gesenkt werden. Wenn jedoch die Störstellenkonzentration in der Driftregion gesenkt wird, erreicht die Verarmungsschicht die Pufferregion 202 während des Betriebs des Halbleiters, was ein Durchgriffphänomen verursacht. Aufgrund des verursachten Durchgriffphänomens werden in der Abschaltspannungswellenform und der Abschaltstromwellenform (nachfolgend gemeinsam als „Abschaltwellenformen” bezeichnet) Schwingungen verursacht.
  • Der rückwärtssperrende IGBT zeigt die Eigenschaften (Sperrerholungseigenschaften), welche einen hohen transienten Stromfluss erzeugen, wenn der rückwärtssperrende IGBT aus seinem EIN-Zustand in den Rückwärts-Sperrzustand umgeschaltet wird. Aufgrund der Sperrerholungseigenschaften sind die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform (nachfolgend gemeinsam als „Sperrerholungswellenformen” bezeichnet) Schwingungen unterworfen. In dem Fall, in welchem die Abschaltwellenformen und die Sperrerholungswellenformen schwingen, kann die Halbleitervorrichtung durchbrechen, wenn Rauschen verursacht wird oder wenn sehr große Schwingungen auf der Spannungswellenform verursacht werden.
  • Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ist es Aufgabe der Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme zu vermeiden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche die Verbesserung ihrer Vorwärtsspannungsfestigkeit erleichtert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche die Verbesserung ihrer Sperrspannungsfestigkeit erleichtert. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche das Entfernen von Schwingungen von den Abschaltwellenformen erleichtert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche die Unterdrückung der Schwingungen in den Sperrerholungswellenformen erleichtert.
  • Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch. Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wobei auch andere Kombinationen von Merkmalen als in den Unteransprüchen beansprucht möglich sind.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 1 wird eine Halbleitervorrichtung geschaffen, enthaltend:
    eine erste Halbleiterregion eines ersten Leitfähigkeitstyps;
    eine zweite Halbleiterregion eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in dem Oberflächenabschnitt der ersten Halbleiterregion gebildet ist;
    eine dritte Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in dem Oberflächenabschnitt der zweiten Halbleiterregion gebildet ist;
    eine erste Elektrode, welche die erste Halbleiterregion von der dritten Halbleiterregion mit einem zwischen die erste Elektrode und die erste Halbleiterregion gelegten Isolatorfilm überquert;
    eine zweite Elektrode, die mit der zweiten Halbleiterregion und der dritten Halbleiterregion verbunden ist;
    eine vierte Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Halbleiterregion und der zweiten Halbleiterregion, wobei die vierte Halbleiterregion mindestens eine Region unterhalb der zweiten Halbleiterregion einnimmt;
    eine fünfte Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Rückfläche der ersten Halbleiterregion;
    eine dritte Elektrode, die mit der fünften Halbleiterregion in Kontakt ist;
    wobei die vierte Halbleiterregion stärker dotiert ist als die erste Halbleiterregion, wobei die vierte Halbleiterregion Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer durchschnittlichen Störstellenmenge (pro Flächeneinheit) von 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger enthält, um eine niedrige Spitzen-Überspannung zu erhalten; und
    die erste Halbleiterregion einen spezifischen Widerstand aufweist, der niedrig genug ist, um zu verhindern, dass die von der fünften Halbleiterregion ausgehende Verarmungsschicht die vierte Halbleiterregion erreicht.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 2 umgibt die vierte Halbleiterregion die gesamte Region unterhalb der zweiten Halbleiterregion.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 3 ist die durchschnittliche Störstellenmenge der Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in der vierten Halbleiterregion 5,0 × 1011 cm–2 oder weniger.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 4 ist die durchschnittliche Störstellenmenge der Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in der vierten Halbleiterregion 1,0 × 1011 cm–2 oder weniger.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 5 enthält die Halbleitervorrichtung ferner eine sechste Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Randbereich der ersten Halbleiterregion, wobei die sechste Halbleiterregion durch die erste Halbleiterregion von ihrer Vorderfläche zu ihrer Rückfläche verläuft und die sechste Halbleiterregion in Kontakt mit der fünften Halbleiterregion ist.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 6 enthält die Halbleitervorrichtung ferner eine Durchbruchfestigkeitsregion zwischen einer aktiven Region, in welcher die zweite Halbleiterregion, die dritte Halbleiterregion und die vierte Halbleiterregion gebildet sind, und der sechsten Halbleiterregion, wobei die Durchbruchfestigkeitsregion die aktive Region umgibt; und eine siebte Halbleiterregion der zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Oberflächenabschnitt der ersten Halbleiterregion in der Durchbruchfestigkeitsregion, wobei eine Vielzahl der siebten Halbleiterregionen die aktive Region umgibt.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 7 zeigt die erste Halbleiterregion einen spezifischen Widerstand, der niedrig genug ist, um zu verhindern, dass sich die Verarmungsschicht, die sich beim Anlegen einer Sperrspannung gleich der Nennspannung von der fünften Halbleiterregion zu der vierten Halbleiterregion ausgeht, die vierte Halbleiterregion erreicht.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 8 enthält die Halbleitervorrichtung ferner eine achte Halbleiterregion des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Halbleiterregion und der fünften Halbleiterregion und zeigt die erste Halbleiterregion einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand, um zu verhindern, dass die von der zweiten Halbleiterregion ausgehende Raumladungsregion die achte Halbleiterregion erreicht.
  • Gemäß dem Gegenstand des beigefügten Anspruchs 9 ist die durchschnittliche Störstellenmenge des ersten Leitfähigkeitstyps in der achten Halbleiterregion 1,0 × 1012 cm–2 oder weniger.
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung enthält die vierte Halbleiterregion zwischen der ersten Halbleiterregion und der zweiten Halbleiterregion. Die vierte Halbleiterregion enthält Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit der durchschnittlichen Störstellenmenge von 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger. Die erste Halbleiterregion zeigt einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand, um zu verhindern, dass die von der fünften Halbleiterregion ausgehende Verarmungsschicht die vierte Halbleiterregion erreicht.
  • Aufgrund der vorstehend beschriebenen Konfigurationen entspannt die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung das elektrische Feld in dem Halbleitersubstrat wirksamer als der herkömmliche rückwärtssperrende IGBT. Bedingt durch die Anordnung der vierten Halbleiterregion und der ersten Halbleiterregion wird kein Durchgriffphänomen verursacht.
  • Bedingt durch die Anordnung der ersten Halbleiterregion, die den vorstehend beschriebenen spezifischen Widerstand aufweist, erreicht die Verarmungsschicht während der Sperrerholung niemals die vierte Halbleiterregion.
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erleichtert die Verbesserung ihrer Sperrspannungsfestigkeit. Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erleichtert ebenso die Verbesserung ihrer Vorwärtsspannungsfestigkeit. Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erleichtert es zu verhindern, dass die Abschaltspannungswellenform und die Abschaltstromwellenform schwingen. Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erleichtert die Unterdrückung der Schwingungen, die in der Sperrerholungs-Spannungswellenform und der Sperrerholungs-Stromwellenform verursacht werden.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines rückwärtssperrenden IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die die aktive Region in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung im Detail darstellt.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die die Durchbruchfestigkeitsregion in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung im Detail darstellt.
  • 4(a) ist eine Querschnittsansicht, der einen Teil der aktiven Region in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 4(b) ist ein Diagramm der elektrischen Feldverteilung, das die Beziehungen zwischen der Höhe y von der unteren Substratebene und dem elektrischen Feld E in dem in 4(a) gezeigten Teil der aktiven Region darstellt.
  • 5 zeigt eine Kurve, die die Störstellenkonzentrationsverteilung entlang dem Liniensegment A-A' in 2 beschreibt.
  • 6 zeigt eine Kurve, die die Störstellenkonzentrationsverteilung entlang dem Liniensegment B-B' in 2 beschreibt.
  • 7 zeigt eine Kurve, welche den Sperrleckstrom mit der wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 in Beziehung setzt.
  • 8 zeigt eine Kurve, welche die während der Sperrerholung verursachte Spitzen-Überspannung mit der wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 in Beziehung setzt.
  • 9 ist ein Wellendiagramm, welches die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der Erfindung beschreibt.
  • 10 ist ein Wellendiagramm, welches die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform in dem herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT beschreibt.
  • 11 ist eine Querschnittsansicht des herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT.
  • 12 ist eine Querschnittsansicht, die die aktive Region in der in 11 gezeigten Halbleitervorrichtung im Detail darstellt.
  • 13(a) ist eine Querschnittsansicht eines weiteren herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT.
  • 13(b) ist ein Diagramm der elektrischen Feldverteilung, welches die Beziehungen zwischen der Höhe y von der unteren Substratebene und dem elektrischen Feld E in dem in 13(a) gezeigten herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT darstellt.
  • 14(a) ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil der aktiven Region in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 14(b) ist ein Diagramm der elektrischen Feldverteilung, welches die Beziehungen zwischen der Höhe y von der unteren Substratebene und dem elektrischen Feld E in dem in 14(a) gezeigten Teil der aktiven Region zeigt.
  • 15 setzt den Abschaltverlust mit der Spannung im EIN-Zustand bei dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform und bei dem herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT in Beziehung.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben, welche die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. In den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen, die die bevorzugten Ausführungsformen darstellen, werden die gleichen Bezugszeichen wie in den 11 bis 13(b) verwendet, um die gleichen Bestandteile zu bezeichnen, und auf wiederholte Beschreibungen wird der Einfachheit halber verzichtet.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines rückwärtssperrenden IGBT gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • Wie 1 zeigt, enthält der rückwärtssperrende IGBT gemäß der Erfindung ein Halbleitersubstrat, welches als n–-Driftregion 1 (erster Leitfähigkeitstyp) arbeitet; eine aktive Region 100 in dem Halbleitersubstrat; eine Durchbruchfestigkeitsregion 120 außerhalb der aktiven Region 100; und einen Isolierabschnitt 130 außerhalb der Durchbruchfestigkeitsregion 120. Eine Dicke von 90 μm oder mehr ist für das Halbleitersubstrat praxisgerecht, um die Leistungsfähigkeit des rückwärtssperrenden IGBT in der Klasse mit 600 V Durchbruchspannung nicht nachteilig zu beeinflussen. In der aktiven Region 100 wird eine vertikale IGBT-Struktur gebildet. Die vertikale IGBT-Struktur enthält eine Emitter-Gate-Region, die an der Vorderfläche der Driftregion 1 gebildet ist, und eine p-Kollektorregion 10 (zweiter Leitfähigkeitstyp) auf der Rückseite der Driftregion 1. Die aktive Region 100 wird später im Detail beschrieben.
  • Die Driftregion 1 entspricht einer ersten Halbleiterregion. Die Kollektorregion 10 entspricht einer fünften Halbleiterregion.
  • Die Durchbruchfestigkeitsregion 120 ist zwischen der aktiven Region 100 und dem Isolierabschnitt 130 und umgibt die aktive Region 100. Die Durchbruchfestigkeitsregion 120 entspannt die elektrische Feldstärke an dem die Halbleitervorrichtung bildenden pn-Übergang, um die gewünschte Spannungsfestigkeit zu verwirklichen. Die Durchbruchfestigkeitsregion 120 wird weiter unten im Detail beschrieben.
  • Der Isolierabschnitt 130 ist in dem Randbereich des Halbleitersubstrats gebildet und umgibt die aktive Region 100. Der Isolierabschnitt 130 isoliert die aktive Region 100 gegenüber Kristalldefekten, die in der Seitenfläche des Halbleitersubstrats beim Dicing des Halbleiterwafers in Chips verursacht werden. In dem Isolierabschnitt 130 ist eine p-Isolierregion 31 gebildet. Die Isolierregion 31 ist durch den Randbereich der Driftregion 1 von einer Vorderfläche derselben bis zu ihrer Rückfläche gebildet. Die Isolierregion 31 ist in Kontakt mit der auf der Rückfläche der aktiven Region 100 gebildeten Kollektorregion 10. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht entlang der Isolierregion 31 von der Kollektorregion 10 auf der Rückfläche des Halbleitersubstrats aufgrund der Anordnung der Isolierregion 31. Daher wird verhindert, dass die Verarmungsschicht die aktive Region 100 in dem Halbleitersubstrat erreicht, und die Erzeugung eines Leckstroms wird verhindert. Somit erhält der rückwärtssperrende IGBT eine Sperrspannungsfestigkeit.
  • Die Isolierregion 31 entspricht einer sechsten Halbleiterregion. 2 ist eine Querschnittsansicht, die die aktive Region in der in 1 dargestellten Halbleitervorrichtung im Detail zeigt.
  • Die aktive Region 100 enthält eine p-Basisregion 2, die selektiv in dem Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats gebildet ist, der als n–-Driftregion 1 arbeitet. Der Basisregion 2 ist stärker dotiert als die Driftregion 1. In dem Oberflächenabschnitt der Basisregion 2 sind eine n+-Emitterregion 3 und eine p+-Körperregion 4 selektiv gebildet. Die Körperregion 4 nimmt einen Teil der Region unterhalb der Emitterregion 3 ein. Die Körperregion 4 ist stärker dotiert als die Basisregion 2.
  • Der Basisregion 2 entspricht einer zweiten Halbleiterregion. Die Emitterregion 3 entspricht einer dritten Halbleiterregion.
  • Zwischen der Driftregion 1 und der Basisregion 2 ist eine n-Schalenregion 5 gebildet. Es ist bevorzugt, dass die Schalenregion 5 mindestens eine Region unterhalb der Basisregion 2 einnimmt. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, die Schalenregion 5 so zu bilden, dass die Schalenregion 5 einen Teil der Basisregion 2 einnimmt, der der von der Kollektorregion 10 ausgehenden Verarmungsschicht am nächsten ist. Die Schalenregion 5, die einen Teil der Basisregion 2 nächst der von der Kollektorregion 10 ausgehenden Verarmungsschicht einnimmt, erleichtert die Unterdrückung der Minoritätsträgerinjektion von der Kollektorregion 10 in die Basisregion 2 und die Reduzierung der Transporteffizienz der Minoritätsträger.
  • Es ist bevorzugter, die Schalenregion 5 dergestalt zu bilden, dass die Schalenregion 5 die gesamte Region unterhalb der Basisregion 2 umgibt. Da keinerlei Region gebildet wird, in welcher die Basisregion 2 und die Driftregion 1 miteinander in Kontakt stehen, wird die Minoritätsträgerinjektion von der Kollektorregion 10 in die Basisregion 2 sicher unterdrückt und die Transporteffizienz wird sicher reduziert.
  • Die Schalenregion 5 ist stärker dotiert als die Driftregion 1. Die Driftregion 1 zeigt einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand, um zu verhindern, dass die von der Kollektorregion 10 zu der Schalenregion 5 ausgehende Verarmungsschicht die Schalenregion 5 erreicht. Es ist bevorzugt, dass die Driftregion 1 einen ausreichend geringen spezifischen Widerstand zeigt, um zu verhindern, dass die von der Kollektorregion 10 zu der Schalenregion 5 ausgehende Verarmungsschicht bei Anlegen einer Sperrspannung gleich der Nennspannung die Schalenregion 5 erreicht.
  • Um die Spannungsfestigkeiten für den rückwärtssperrenden IGBT mit einer Nennspannung von 600 V sicherzustellen, ist ein spezifischer Widerstand der Driftregion 1 von 22 Ωcm oder höher bevorzugt. Ferner ist es bevorzugt, dass der spezifische Widerstand der Driftregion 1 in dem rückwärtssperrenden IGBT mit einer Nennspannung von 600 V 35 Ωcm oder niedriger ist. Durch Einstellung des spezifischen Widerstands der Driftregion 1 wie vorstehend beschrieben wird sichergestellt, dass die Verarmungsschicht die Schalenregion 5 während der Sperrerholung nicht erreicht.
  • Die Schalenregion 5 ist so dotiert, dass die durchschnittliche n-Störstellenmenge (pro Flächeneinheit) darin (nachfolgend als die „wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5'' bezeichnet) 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger beträgt. Auch wenn die Verteilung der Störstellenmenge in der Schalenregion 5 nicht gleichmäßig ist, wird unabhängig von der Verteilung der Störstellenkonzentration kein Problem verursacht, sofern die n-Störstellenmenge in der Schalenregion 5 im Durchschnitt auf 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger eingestellt ist.
  • Es ist bevorzugt, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 auf 5,0 × 1011 cm–2 oder weniger einzustellen, da die zunehmende Größe der Spitzen-Überspannung, die während der Sperrerholung verursacht wird, wirksamer unterdrückt wird als in einem rückwärtssperrenden IGBT, der keine Schalenregion aufweist. Der Grund dafür wird später im Detail beschrieben.
  • Ferner ist es bevorzugt, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 auf 1,0 × 1011 cm–2 oder weniger einzustellen, da die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform (nachfolgend gemeinsam als „Sperrerholungswellenformen” bezeichnet) sich rascher erholen können als diejenigen in dem rückwärtssperrenden IGBT, der keine Schalenregion enthält. Der Grund dafür wird später im Detail beschrieben.
  • Die Schalenregion 5 kann ohne Probleme mit jeder der vorstehend beschriebenen wirksamen Störstellenmengen unabhängig von der Störstellenkonzentrationsverteilung darin dotiert sein. Die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 wird später im Detail beschrieben.
  • Die Schalenregion 5 entspricht einer vierten Halbleiterregion.
  • Oberhalb der Halbleitersubstratoberfläche ist eine Gate-Elektrode 7 mit einem zwischen die Halbleitersubstratoberfläche und die Gate-Elektrode 7 gelegten Gate-Isolatorfilm 6 dergestalt gebildet, dass die Gate-Elektrode 7 die Driftregion 1 von der Emitterregion 3 überquert. Die Emitterelektrode 9 ist in Kontakt mit der Emitterregion 3. Die Emitterelektrode 9 ist über die Körperregion 4 mit der Basisregion 2 elektrisch verbunden. Die Emitterelektrode 9 ist durch den Zwischenschicht-Isolatorfilm 8 von der Gate-Elektrode 7 elektrisch isoliert. Auf der Rückfläche der Driftregion 1 ist wie vorstehend beschrieben die p-Kollektorregion 10 gebildet. Die Kollektorelektrode 11 ist in Kontakt mit der Kollektorregion 10.
  • Der Gate-Isolatorfilm 6 entspricht einem Isolatorfilm. Die Gate-Elektrode 7 entspricht einer ersten Elektrode. Die Emitterelektrode 9 entspricht einer zweiten Elektrode. Die Kollektorelektrode 11 entspricht einer dritten Elektrode.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die die Durchbruchfestigkeitsregion 120 in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung im Detail darstellt.
  • In der Durchbruchfestigkeitsregion 120 sind eine Vielzahl von Feldbegrenzungsringen 21 (nachfolgend als „FLRs” bezeichnet), welche schwebende p-Regionen sind, auf der Oberfläche der Driftregion 1 gebildet. Die FLRs 21 umgeben die aktive Region 100. Die Vorderfläche der Driftregion 1, unter der sich keine FLR 21 befindet, ist mit dem Zwischenschicht-Isolatorfilm 8 bedeckt.
  • Auf dem Zwischenschicht-Isolatorfilm 8 ist eine Feldplatte 22 (nachfolgend als „FP” bezeichnet) gebildet, die ein schwebender elektrisch leitfähiger Film ist. FP 22 ist in Kontakt mit FLR 21. Von der Durchbruchfestigkeitsregion 120 bis zu dem Isolierabschnitt 130 ist eine Feldplatte 32 gebildet, deren Potenzial gleich dem Potenzial der Isolierregion 31 ist. Nachfolgend wird die Feldplatte 32 als „Äquipotenzial-Feldplatte” 32 bezeichnet. Die Äquipotenzial-Feldplatte 32 ist in Kontakt mit der Isolierregion 31 und mit dieser elektrisch verbunden.
  • FLR 21 entspricht einer siebten Halbleiterregion.
  • 4(a) ist eine Querschnittsansicht, der einen Teil der aktiven Region 100 in dem in 2 gezeigten rückwärtssperrenden IGBT zeigt. 4(b) ist ein Diagramm der elektrischen Feldverteilung, das die Beziehung zwischen der Höhe y von der unteren Substratebene und dem elektrischen Feld E in dem in 4(a) gezeigten Teil der aktiven Region 100 darstellt.
  • Der in 2 gezeigte rückwärtssperrende IGBT erleichtert es, den Anstieg des elektrischen Feldes in der Region 141 in der Nahe der Grenze zwischen der Basisregion 2 und der Schalenregion 5 langsamer als in dem herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT werden zu lassen, während die Vorwärtsvorspannung angelegt wird (vgl. die durchgezogenen Linien in 4(b)). Der in 2 gezeigte rückwärtssperrende IGBT erleichtert ferner zu verhindern, dass das elektrische Feld sich von der Region 142 in der Nähe der Kollektorregion 10 bis zur Substratrückfläche erstreckt.
  • Während die Sperrvorspannung angelegt wird (vgl. die unterbrochenen Linien in 4(b)) ist es möglich, den Anstieg des elektrischen Feldes in der Region 143 in der Nähe der Grenze zwischen der Driftregion 1 und der Kollektorregion 10 zu glätten. Ferner ist es möglich zu verhindern, dass sich das elektrische Feld von der Region 144 in der Nähe der Schalenregion 5 zu der Vorderfläche des Substrats erstreckt. Die vorstehend beschriebenen günstigen Resultate werden erzielt, da die Schalenregion 5 und die Driftregion 1 unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen gebildet sind.
  • Die Stromcharakteristiken des rückwärtssperrenden IGBT gemäß der Erfindung werden wie nachfolgend beschrieben untersucht.
  • Ein rückwärtssperrender IGBT gemäß der Erfindung (nachfolgend einfach als ein „Beispiel-IGBT” bezeichnet) wird hergestellt. Die Nennspannung des Beispiel-IGBT ist auf 600 V eingestellt. Der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrats und die Dicke des Halbleitersubstrats in dem Beispiel-IGBT sind auf 28 Ωcm bzw. 100 μm eingestellt. Mit anderen Worten ist der spezifische Widerstand der Driftregion 1 auf 28 Ωcm eingestellt. In den 5 bis 10 werden ähnliche Beispiel-IGBTs verwendet.
  • 5 zeigt ein Diagramm, das die Verteilung der Störstellenkonzentration entlang dem Liniensegment A-A' in 2 beschreibt. 6 zeigt ein weiteres Diagramm, welches die Verteilung der Störstellenkonzentration entlang dem Liniensegment B-B' in 2 beschreibt.
  • Die Störstellenmenge in dem Halbleitersubstrat in dem Beispiel-IGBT wird gemessen. Dann wird die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 berechnet. 5 zeigt die – Störstellenkonzentrationsverteilung in einer Region, die in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche des Halbleitersubstrats positioniert ist. 6 beschreibt die – Störstellenkonzentrationsverteilung in einer Region, die in einer bestimmten Distanz in Richtung von der Driftregion 1 (Rand der Zelleneinheit) zu der Körperregion 4 hin gelegen ist.
  • Das erste Messergebnis 44 in 5 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Körperregion 4 an. Das zweite Messergebnis 42 in 5 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Basisregion 2 an. Das dritte Messergebnis 45 in 5 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Schalenregion 5 an. Das vierte Messergebnis 41 in 5 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Driftregion 1 an.
  • Das fünfte Messergebnis 51 in 6 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Driftregion 1 an. Das sechste Messergebnis 55 in 6 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Schalenregion 5 an. Das siebte Messergebnis 52 in 6 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Basisregion 2 an. Das achte Messergebnis 53 in 6 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Emitterregion 3 an. Das neunte Messergebnis 54 in 6 gibt die Störstellenkonzentrationsverteilung in der Körperregion 4 an.
  • Die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 wird durch Integration der Störstellenmenge in jeder Tiefe des dritten Messergebnisses 45 berechnet. Die in 5 beschriebenen Störstellenkonzentrationsverteilungen geben die Störstellenmengen der in der Tiefenrichtung verteilten elektrisch leitfähigen Störstellen an. Das dritte Messergebnis 45 in 5 zeigt an, dass die Störstellenmenge in der Region nahe an der Substratoberfläche größer ist und in der von der Substratoberfläche tiefer liegenden Region kleiner wird. Daher wird die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Schalenregion 5 berechnet, indem die Störstellenmenge an jeder Tiefe des dritten Messergebnisses 45 integriert wird. Mit anderen Worten kann auch dann, wenn die Störstellenmengenverteilung in der Schalenregion 5 nicht gleichmäßig ist, wie in 5 gezeigt, die Störstellenkonzentration in der gesamten Schalenregion 5 berechnet werden.
  • Die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 wird bestimmt, indem die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Driftregion 1 von der durchschnittlichen Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Schalenregion 5, die wie vorstehend beschrieben berechnet wurde, subtrahiert wird. Mit anderen Worten gibt die Region 40 (die schraffierte Fläche in 5) in dem Störstellenverteilungsmuster des dritten Messergebnisses 45 die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 an. Hier ist die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Driftregion 1 die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in dem Abschnitt der Driftregion 1, in welchem die Schalenregion 5 gebildet ist. Die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Driftregion 1 wird in ähnlicher Weise wie die durchschnittliche Störstellenmenge pro Flächeneinheit in der Schalenregion 5 berechnet.
  • 7 zeigt ein Diagramm, das den Sperrleckstrom mit der wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 in Beziehung setzt. Beispiel-IGBTs, in welchen die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 unterschiedlich verändert wird, werden hergestellt. Die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 wird zwischen 2 × 1011 cm–2 und 1,2 × 1012 cm–2 eingestellt. Die in den jeweiligen Beispiel-IGBTs verursachten Sperrleckströme werden gemessen. Zum Vergleich wird ein rückwärtssperrender IGBT hergestellt, der keine Schalenregion aufweist (nachfolgend einfach als „Vergleichs-IGBT” bezeichnet). Der in dem Vergleichs-IGBT gemessene Sperrleckstrom wird gemessen. In 7 ist der Sperrleckstrom des Vergleichs-IGBT an der wirksamen Störstellenmenge Null gezeigt.
  • Die in 7 beschriebenen Resultate geben an, dass der Sperrleckstrom durch das Anordnen der Schalenregion 5 reduziert wird. Die in 7 gezeigten Resultate geben ferner an, dass dann, wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 größer ist, der Sperrleckstrom wirksamer vermindert wird. Aufgrund der Anordnung der Schalenregion 5 zwischen der Driftregion 1 und der Basisregion 2 wird der Stromverstärkungsfaktor des aus der Kollektorregion 10, der Driftregion 1 und der Basisregion 2 (Körperregion 4) gebildeten pnp-Transistors gering gemacht.
  • 8 zeigt ein Diagramm, das die Spitzen-Überspannung mit der wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 in Beziehung setzt. Die Spitzen-Überspannungen, die während der Sperrerholung in den jeweiligen in 7 verwendeten Beispiel-IGBTs verursacht werden, werden gemessen. Die während der Sperrerholung in dem Vergleichs-IGBT verursachte Spitzen-Überspannung wird gemessen. In 8 ist die Spitzen-Überspannung des Vergleichs-IGBT an der wirksamen Störstellenmenge Null angeführt. In 8 ist die Busspannung auf 300 V gesetzt und die Spitzen-Überspannungen werden gemessen, die bei einem Sperrerholungstrom von 180 A/cm2 verursacht werden.
  • Die in 8 gezeigten Ergebnisse geben an, dass die Anordnung der Schalenregion 5 die Spitzen-Überspannung hoch werden lässt. Die in 8 gezeigt Resultate geben ferner an, dass die Spitzen-Überspannung höher wird, wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 größer ist. Die in 8 gezeigt Resultate geben ferner an, dass das Anwachsen der Spitzen-Überspannung in Verbindung mit der zunehmenden wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 höher wird. Es wird geschätzt, dass, je größer die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 ist, die Einschalt-Schaltgeschwindigkeit des rückwärtssperrenden IGBT schneller wird, was den Sperrerholungsstrom steigert. Es ist wünschenswert, dass in der als eine Schalteinrichtung verwendeten Halbleitervorrichtung die Spitzen-Überspannung niedrig ist, da mit einer höheren Spitzen-Überspannung der Erzeugung von Rauschen wahrscheinlicher ist. Daher ist es wünschenswert, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 niedrig einzustellen.
  • Wie die in 8 beschriebenen Resultate anzeigen, betragt die Spitzen-Überspannung etwa 560 V bei einer wirksamen Störstellenmenge in der Schalenregion 5 von 8,0 × 1011 cm–2. Die Spitzen-Überspannung in dem Vergleichs-IGBT beträgt 540 V. Im Vergleich zu dem Vergleichs-IGBT ist die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung in dem Beispiel-IGBT so weit unterdrückt, dass sie 10% oder weniger beträgt.
  • Hier ist ([die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung in dem Beispiel-IGBT] ☐ [die Spitzen-Überspannung 560 V in dem Beispiel-IGBT – die Spitzen-Überspannung 540 V in dem Vergleichs-IGBT]/[die Spitzen-Überspannung 540 V in dem Vergleichs-IGBT – die Busspannung 300 V] × 100%).
  • Wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 8,0 × 1011 cm–2 nach oben übersteigt, wird die Spitzen-Überspannung rasch höher. Wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 beispielsweise 9,0 × 1011 cm–2 beträgt, ist die Spitzen-Überspannung etwa 570 V. In diesem Fall übersteigt die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung 10% nach oben. Hier ist ([die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung in dem Beispiel-IGBT] ☐ [570 V – 540 V]/[540 V – 300 V] × 100%). Daher ist es offensichtlich wünschenswert, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 auf 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger einzustellen.
  • Wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 5,0 × 1011 cm–2 beträgt, ist die Spitzen-Überspannung etwa 550 V. In diesem Fall ist die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung in dem Beispiel-IGBT so eingestellt, dass sie im Vergleich zu dem Vergleichs-IGBT beinahe 0% ist. Hier ist ([die Steigerungsrate der Spitzen-Überspannung in dem Beispiel-IGBT] ☐ [550 V – 540 V]/[540 V – 300 V] × 100%). Daher ist es offensichtlich wünschenswert, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 auf 5,0 × 1011 cm–2 oder weniger einzustellen.
  • 9 ist ein Diagramm, das die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der Erfindung darstellt. 10 ist ein Diagramm, das die Sperrerholungs-Spannungswellenform und die Sperrerholungs-Stromwellenform in dem herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT zeigt.
  • Die Spannungswellenform und die Stromwellenform des Beispiel-IGBT während seiner Sperrerholung (Sperrerholungswellenformen) werden gemessen. Die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 ist auf 1,0 × 1011 cm–2 eingestellt. Die Sperrerholungswellenformen des in 7 verwendeten Vergleichs-IGBT werden gemessen. In der Messung ist die Busspannung 300 V und der Sperrerholungsstrom ist 10 A/cm2.
  • Wie in den 9 und 10 beschrieben ist die Periode 151, in welcher der in 9 beschriebene Sperrerholungsstrom (vgl. die unterbrochene Kurve in 9) von einem negativen Wert überschwingt und dann gegen 0 konvergiert, kürzer als die Periode 152, in welcher der in 10 beschriebene Sperrerholungsstrom (vgl. die durchgezogene Kurve in 10) von einem negativen Wert überschwingt und anschließend gegen 0 konvergiert. (Nachfolgend werden die Perioden 151 und 152 jeweils als „Konvergenzperiode 151 und 152” bezeichnet). Mit anderen Worten wurde gezeigt, dass die Sperrerholungswellenformen des Beispiel-IGBT sich rascher erholen als die Sperrerholungswellenformen des Vergleichs-IGBT. An den Sperrerholungswellenformen des Beispiel-IGBT werden keine Wellenformschwingungen verursacht.
  • Es wird angenommen, dass der Anstieg des Sperrerholungsstroms verhindert wird, da Minoritätsträger in der Schalenregion 5 in der aus der Basisregion 2 und der Schalenregion 5 gebildeten Diode in der EIN-Periode des rückwärtssperrenden IGBT gespeichert werden. Es wird ferner angenommen, dass sich die Sperrerholungswellenformen rascher erholen, wenn die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 kleiner ist. Die Sperrerholungswellenformen sind am ehesten Schwingungen unter den Bedingungen ausgesetzt, bei welchen die Busspannung 300 V ist und der Sperrerholungsstrom 10 A/cm2 beträgt. Diese Tendenz ist stabil, auch wenn die Bedingungen verschiedentlich geändert werden. Daher ist es wünschenswert, die wirksame Störstellenmenge in der Schalenregion 5 auf 1,0 × 1011 cm–2 oder weniger einzustellen.
  • 14(a) ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil der aktiven Region in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Die aktive Region in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der aktiven Region 100 in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der ersten Ausführungsform gemäß der nachfolgenden Beschreibung. Die aktive Region in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform enthält eine n-Leckstromstoppschicht 12 (erster Leitfähigkeitstyp) (nachfolgend als „LCS-Schicht” bezeichnet) zwischen der Kollektorregion 10 und der Driftregion 1. Die Strukturen der Durchbruchfestigkeitsregion und des Trennabschnitts in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform sind gleich den Strukturen der Durchbruchfestigkeitsregion 120 und des Trennabschnitts 130 in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der ersten Ausführungsform.
  • In 14(b) ist die Verteilung der elektrischen Feldstärke bei Anlegen der Vorwärtsvorspannung in durchgezogenen Linien dargestellt und die Verteilung der elektrischen Feldstärke beim Anlegen der Sperrvorspannung ist durch unterbrochene Linien dargestellt.
  • Die Störstellenkonzentration in der n-LCS-Schicht 12 ist so eingestellt, dass die durchschnittliche Störstellenmenge bei einer Tiefe von 2 μm 1,0 × 1012 cm–2 oder weniger beträgt.
  • Durch das Vorsehen der LCS-Schicht 12 wird der Leckstrom beim Anlegen der Vorwärtsvorspannung reduziert. Indem wie weiter oben beschrieben zusätzlich die Schalenregion 5 angeordnet wird, wird der Leckstrom beim Anlegen der Sperrvorspannung reduziert. Da die Durchbruchfestigkeitsleistungen durch das Reduzieren der Leckströme beim Anlegen der Vorwärts- und Sperrvorspannung verbessert werden, wird es möglich, die Dicke der Driftregion 1 zu vermindern. Als Resultat wird die Kompromissbeziehung zwischen der Spannung im EIN-Zustand und dem Abschaltverlust in dem rückwärtssperrenden IGBT verbessert, wie in 15 beschrieben.
  • Um den durch das Abschalten verursachten Verlust in dem rückwärtssperrenden IGBT gemäß der zweiten Ausführungsform zu unterdrücken, ist es erforderlich, dass der spezifische Widerstand der Driftschicht niedrig genug ist, um zu verhindern, dass die Raumladungsregion, die beim Anlegen der Sperrvorspannung von dem pn-Übergang zwischen der Kollektorregion 10 und der LCS-Schicht 12 ausgeht, die Schalenregion 5 erreicht. Ferner ist es erforderlich, dass der spezifische Widerstand der Driftschicht niedrig genug ist, um zu verhindern, dass die beim Anlegen der Vorwärtsvorspannung von dem pn-Übergang zwischen der Basisregion 2 und der Schalenregion 5 ausgehende Raumladungsregion die LCS-Schicht 12 erreicht.
  • Wie vorstehend beschrieben wird die Schalenregion 5, in der die durchschnittliche n-Störstellenmenge 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger beträgt, gemäß der Erfindung zwischen der Driftregion 1 und der Basisregion 2 gebildet. Der spezifische Widerstand der Driftregion 1 wird niedrig genug eingestellt, um zu verhindern, dass die von der Kollektorregion 10 ausgehende Verarmungsschicht die Schalenregion 5 erreicht. Daher wird das elektrische Feld in dem Substrat im Vergleich zu dem herkömmlichen rückwärtssperrenden IGBT leichter entspannt. Daher ist es möglich, die Vorwärts- und Sperrspannungsfestigkeit zu verbessern.
  • Dadurch, dass die Schalenregion 5 und die Driftregion 1 wie vorstehend beschrieben angeordnet werden, wird kein Durchgriffphänomen verursacht. Da kein Durchgriffphänomen verursacht wird, wird verhindert, dass die Abschaltspannungswellenform und die Abschaltstromwellenform (nachfolgend gemeinsam als die „Abschaltwellenformen” bezeichnet) schwingen. Durch Bildung der Driftregion 1 mit dem vorstehend beschriebenen spezifischen Widerstand wird verhindert, dass die Verarmungsschicht die Schalenregion 5 während der Sperrerholung erreicht.
  • Da die Verarmungsschicht daran gehindert wird, die Schalenregion 5 zu erreichen, werden die an den Sperrerholungswellenformen verursachten Schwingungen unterdrückt. Dadurch werden die Schwingungen der Abschaltwellenformen und der Sperrerholungswellenformen unterdrückt. Da die Schwingungen der Abschaltwellenformen und der Sperrerholungswellenformen unterdrückt werden, wird die Verursachung von Rauschen verhindert und der Durchbruch der Halbleitervorrichtung wird verhindert.
  • In dem erfindungsgemäßen Aufbau können problemlos alle n-Regionen und -Schichten durch p-Regionen und -Schichten und alle p-Regionen und -Schichten durch n-Regionen und -Schichten ersetzt werden.
  • Die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung kann vorteilhaft in Schaltvorrichtungen angewandt werden und in Matrixwandlern und entsprechenden Reihen-Wandlerschaltungen verwendet werden, die Durchbruchfestigkeitseigenschaften gegen Vorwärts- und Sperrspannungen aufweisen müssen.

Claims (9)

  1. Halbleitervorrichtung, enthaltend: eine erste Halbleiterregion (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine zweite Halbleiterregion (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenabschnitt der ersten Halbleiterregion (1) gebildet ist; eine dritte Halbleiterregion (3) des ersten Leitfähigkeitstyps, die selektiv in einem Oberflächenabschnitt der zweiten Halbleiterregion (2) gebildet ist; eine erste Elektrode (7), welche die erste Halbleiterregion (1) von der dritten Halbleiterregion (3) mit einem zwischen die erste Elektrode (7) und die erste Halbleiterregion (1) gelegten Isolatorfilm (6) überquert; eine zweite Elektrode (9), die mit der zweiten Halbleiterregion (2) und der dritten Halbleiterregion (3) verbunden ist; eine vierte Halbleiterregion (5) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Halbleiterregion (1) und der zweiten Halbleiterregion (2), wobei die vierte Halbleiterregion (5) mindestens eine Region unterhalb der zweiten Halbleiterregion (2) einnimmt; eine fünfte Halbleiterregion (10) des zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Rückfläche der ersten Halbleiterregion (1); eine dritte Elektrode (11), die mit der fünften Halbleiterregion (10) in Kontakt ist; wobei die vierte Halbleiterregion (5) stärker dotiert ist als die erste Halbleiterregion (1), wobei die vierte Halbleiterregion (5) Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer durchschnittlichen Störstellenmenge von 8,0 × 1011 cm–2 oder weniger enthält, um eine niedrige Spitzen-Überspannung zu erhalten; und wobei die erste Halbleiterregion (1) einen spezifischen Widerstand aufweist, der niedrig genug ist, um zu verhindern, dass eine von der fünften Halbleiterregion (10) ausgehende Verarmungsschicht die vierte Halbleiterregion (5) erreicht.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Halbleiterregion (5) eine gesamte Region unterhalb der zweiten Halbleiterregion (2) umgibt.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Störstellenmenge der Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in der vierten Halbleiterregion (5) 5,0 × 1011 cm–2 oder weniger beträgt.
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Störstellenmenge der Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in der vierten Halbleiterregion (5) 1,0 × 1011 cm–2 oder weniger beträgt.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche Halbleitervorrichtung ferner enthält: eine sechste Halbleiterregion (31) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Randbereich der ersten Halbleiterregion (1), wobei die sechste Halbleiterregion (31) durch die erste Halbleiterregion (1) von ihrer Vorderfläche zu ihrer Rückfläche verläuft und die sechste Halbleiterregion (31) in Kontakt mit der fünften Halbleiterregion (10) ist.
  6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, welche Halbleitervorrichtung ferner enthält: eine Durchbruchfestigkeitsregion (120) zwischen einer aktiven Region (100), in welcher die zweite Halbleiterregion (2), die dritte Halbleiterregion (3) und die vierte Halbleiterregion (5) gebildet sind, und der sechsten Halbleiterregion (31), wobei die Durchbruchfestigkeitsregion (120) die aktive Region (100) umgibt; und eine siebte Halbleiterregion (21) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenabschnitt der ersten Halbleiterregion (1) in der Durchbruchfestigkeitsregion (120), wobei eine Vielzahl der siebten Halbleiterregionen (21) die aktive Region (100) umgibt.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterregion (1) einen spezifischen Widerstand hat, der niedrig genug ist, um zu verhindern, dass sich die Verarmungsschicht, die sich beim Anlegen einer Sperrspannung gleich einer Nennspannung von der fünften Halbleiterregion (10) zu der vierten Halbleiterregion (5) ausdehnt, die vierte Halbleiterregion (5) erreicht.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche Halbleitervorrichtung ferner enthält: eine achte Halbleiterregion (12) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Halbleiterregion (1) und der fünften Halbleiterregion (10), und wobei die erste Halbleiterregion (1) einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand zeigt, um zu verhindern, dass die von der zweiten Halbleiterregion (2) ausgehende Raumladungsregion die achte Halbleiterregion (12) erreicht.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchschnittsmenge einer Störstelle des ersten Leitfähigkeitstyps in der achten Halbleiterregion (12) 1,0 × 1012 cm–2 oder weniger beträgt.
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