DE102011076269B4

DE102011076269B4 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102011076269B4
Application number: DE102011076269A
Authority: DE
Inventors: Koh Yoshikawa; Kenichi Iguchi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: US8278682B2; DE102011076269A1; CN102263124B; JP2011249580A; DE102011122928B3; JP5218474B2; US20110291241A1; CN102263124A

Abstract

Halbleiterbauelement mit: einem Halbleitersubstrat eines ersten Konduktivitätstyps; einer Isolierzone (30), die eine Isolierschicht (31) eines zweiten Konduktivitätstyps einschließt, die auf einer Seitenfläche des Halbleitersubstrats quer über das Halbleitersubstrat von einer Hauptfläche zur anderen Hauptfläche angeordnet ist; einer aktiven Zone (10); einer Randabschlussstruktur (20), die zwischen der aktiven Zone (10) und der Isolierzone (30) angeordnet ist und die aktive Zone (10) einkreist, wobei die Randabschlussstruktur (20) einen ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40), der auf der Seite der aktiven Zone (10) angeordnet ist, und einen zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50), der auf der Seite der Isolierzone (30) angeordnet ist, einschließt; mehreren ersten Halbleiterzonen (41, 51) des zweiten Konduktivitätstyps, die in der vorderseitigen Oberflächenzone des Halbleitersubstrats in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) und dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) ausgebildet sind; und mehreren leitenden Folien (44, 54), die In Kontakt mit den ersten Halbleiterzonen und über einer Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie (6) ausgebildet sind, die selektiv auf der vorderseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die mehreren leitenden Folien (44, 54) mit den ersten Halbleiterzonen (41, 51) über Halbleiterfolien (47, 57) in Verbindung stehen, die innerhalb der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie (6) ausgebildet sind; wobei von den mehreren leitenden Folien (44, 54) eine erste leitende Folie (45), die in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) ausgebildet und nächst der Seite der Isolierzone angeordnet ist, weiter zur Seite der Isolierzone als die erste Halbleiterzone (41), mit der die erste leitende Folie (45) in Kontakt ist, um eine erste Länge, die ein Abstand von einem Rand auf der Seite der Isolierzone der ersten Halbleiterzone (41) ist, mit der die erste leitende Folie (45) in Kontakt ist, zu einem Rand auf der Seite der Isolierzone der ersten leitenden Folie (45) verläuft; und von den mehreren leitenden Folien eine zweite leitende Folie (55), die in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In den letzten Jahren sind Leistungswandlungsgeräte, die Halbleiterbauelemente, Direktumwandlungsschaltungen, beispielsweise Matrixwandler, verwenden, bekannt, die eine DC-Glättungsschaltung, die aus einem elektrolytischen Kondensator und einem DC-Reaktor besteht, bei der AC/AC-Umwandlung, AC/DC-Umwandlung oder DC/AC-Umwandlung ersetzen können (AC steht für Wechselstrom und DC steht für Wechselstrom). Ein Matrixwandler besteht aus mehreren AC-Schaltern. Der AC-Schalter, der von einer AC-Spannung bedingt wird, erfordert eine Konstruktion, die eine bestimmte Größe der Vorspannungssperrfähigkeiten sowohl in Durchlass- als auch in Rückwärtsrichtung (eine Durchlassspannungssperrfähigkeit und eine Rückwärtsspannungssperrfähigkeit) sicherstellt. Somit erregen bidirektionale Schaltvorrichtungen vom Standpunkt der Verbesserungen bei Größe, Gewicht, Effizienz, Reaktionszeit und Kosten einer Schaltung Aufmerksamkeit. Ein Typ einer bekannten bidirektionalen Schaltungsvorrichtung besteht aus zwei antiparallel verbundenen, rückwärts sperrenden IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate).
Ein rückwärts sperrender IGBT beinhaltet eine aktive Zone mit einer IGBT-Konstruktion und eine Isolierzone, die an einem Umfangsrand eines Halbleitersubstrats und quer über das Substrat von einer Hauptoberfläche zur anderen Hauptfläche ausgebildet ist. Eine Randabschlussstruktur ist zwischen der aktiven Zone und der Isolierzone zum Abschwächen der elektrischen Feldstärke an einem p/n-Übergang vorgesehen, der die IGBT-Konstruktion bildet, um eine gewünschte Widerstandsspannung sicherzustellen. Eine Spannungsfestigkeitsstruktur beinhaltet zum Beispiel Feldbegrenzungsringe (nachstehend zu FLRs abgekürzt) von schwebenden p-Typ-Zonen sowie Feldplatten (nachstehend zu FPs abgekürzt), die leitende Folien sind, die mit den FLRs elektrisch verbunden sind.
Das Patentdokument 1 offenbart einen rückwärts sperrenden IGBT mit einer Substratdicke von nicht größer als 150 μm, wobei der IGBT eine Isolierdiffusionszone umfasst, die anhand eines Grabens zum Bilden einer Isolierzone auf der Seite der ersten Hauptfläche ausgebildet ist.
Das Patentdokument 2 offenbart ein weiteres Bauelement, in dem zumindest leitende Feldplatten auf der innersten Feldisolierfolie und der nächstäußeren Feldisolierfolie zum Außenumfang verlaufen und zumindest leitende Feldplatten auf der äußersten Feldisolierfolie und der nächstinneren Feldisolierfolie zum Innenumfang verlaufen.
Es ist bekannt, dass eine Randabschlussstruktur eines rückwärts sperrenden IGBT eine Randabschlussstruktur für einen Durchlassspannungsabschnitt umfasst, um eine Durchlassspannungssperrfähigkeit sicherzustellen, und eine Randabschlussstruktur für einen Rückwärtsspannungsabschnitt umfasst, um eine Rückwärtsspannungssperrfähigkeit sicherzustellen.
5 Ist eine Schnittansicht einer Randabschlussstruktur eines konventionellen rückwärts sperrenden IGBT. Bezug nehmend auf 5, umfasst die Randabschlussstruktur 120 des rückwärts sperrenden IGBT eine Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 140 auf der Seite einer aktiven Zone 100 und eine Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 150 auf der Seite einer Isolierzone 130. An der Grenze zwischen der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 140 und der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 150 ist ein zwischenliegendes Kanalstopper- bzw. Kanalbegrenzerteil 160 vorgesehen, das eine Zone ist, die bei Anlegung einer Durchlassspannung oder Rückwärtsspannung nicht erschöpft bzw. verarmt wird. Das zwischenliegende Kanalstopperteil 160 kann aus einer n⁺-Kanalstopperzone 161, die in einer Oberflächenzone einer n-Driftzone 101 ausgebildet ist, und einer FP 162 in elektrischer Verbindung mit der n⁺-Kanalstopperzone 161 bestehen.
In dieser Spezifikation und den beigefügten Zeichnungen bedeutet eine Schicht oder Zone, der ein n oder p vorangeht, dass die meisten Träger in jener Zone Elektronen bzw. Defektelektronen sind. Die Vorzeichen „+” oder „–” die zu dem n oder p hinzugefügt sind, bedeuten, dass eine Schicht oder eine Zone mit dem Vorzeichen jeweils eine höhere oder niedrigere Konzentration an Fremdatomen als eine Schicht oder Zone ohne das Vorzeichen enthält.
Das Patentdokument 3 offenbart einen rückwärts sperrenden IGBT mit einem zwischenliegenden Kanalstopperteil. Dieser rückwärts sperrende IGBT ist an einer Außenumfangszone eines Halbleitersubstrats für den IGBT mit einem Graben versehen, wobei das Substrat eine p⁺-Typ-Kollektorzone, eine n-Typ-Basiszone, eine p-Typ-Basiszone und eine n⁺-Typ-Emitterzone umfasst. Der Graben wird ausgebildet, wenn er durch die n-Typ-Basiszone hindurchgeht, die die p⁺-Typ-Kollektorzone erreicht. Auf der Oberfläche des Grabens ist eine Leiterschicht über eine dielektrische Schicht ausgebildet, die der Seitenwand der n-Basiszone gegenüberliegt und mit der p⁺-Typ-Kollektorzone in Verbindung ist. Eine Feldplattenwirkung der Leiterschicht verbessert die Sperrspannungsfähigkeit des IGBT. Der IGBT umfasst weiterhin p-Typ-durchlasssperrspannungsverbessernde Halbleiterzonen, eine n⁺-Typ-Kanalstopperzone und p-Typ-rückwärtssperrspannungs-verbessernde Halbleiterzonen. An der n⁺-Typ-Kanalstopperzone ist eine Elektrode zum Stabilisieren des elektrischen Potenzials an dieser Stelle angeordnet.
Das Patentdokument 4 offenbart ein weiteres Element, das eine MOS-Gate-Struktur, eine p⁺-Isolierzone und eine p⁺-Kollektorschicht umfasst. Die MOS-Gate-Struktur beinhaltet eine p⁺-Basisschicht, die auf der Flächenzone einer n^–-Driftschicht ausgebildet ist, eine n⁺-Emitterzone, die auf der Flächenzone der p⁺-Basisschicht ausgebildet ist, eine Gate-Oxidfolie, die auf der Oberfläche eines Teils der p⁺-Basisschicht zwischen der n^–-Driftschicht und der n⁺-Emitterzone deponiert ist, und eine Gate-Elektrode, die auf der Gate-Oxidfolie deponiert ist. Die p⁺-Isolierzone ist so ausgebildet, dass sie die MOS-Gate-Struktur über die n^–-Driftschicht umgibt und die vorder- und rückseitigen Flächen der n^–-Driftschicht verbindet. Die p⁺-Kollektorschicht ist auf der rückseitigen Fläche der verdünnten n^–-Driftschicht ausgebildet und liegt zur rückseitigen Fläche frei und ist in Verbindung mit der p⁺-Isolierzone. Eine Spannungsfestigkeitsstruktur ist zwischen einer Emitterelektrode und der p⁺-Isolierzone ausgebildet, wobei die Emitterelektrode auf der MOS-Gate-Struktur ausgebildet ist.
Mehrere Feldbegrenzungsschichten und mehrere Feldbegrenzungselektroden sind zur Seite der p⁺-Isolierzone hin ausgebildet. In der Mittelzone der Randabschlussstruktur ist eine zwischenliegende Elektrofeld-Entspannungszone ausgebildet.

[Patentdokument 1] Ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2004-336008 A
[Patentdokument 2] Ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2005-101254 A
[Patentdokument 3] Ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2006-319218 A
[Patentdokument 4] Ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2005-252212 A

Die im Patentdokument 2 offenbarte Technologie muss mit einer Struktur zur Verhinderung einer völligen Verarmung der n^–-Driftschicht in einem leitenden Zustand versehen werden. Der Grund dafür ist, dass bei Anlegen einer Durchlassspannung eine Sperrschicht, die sich von der p-Kanalzone in die aktive Zone zur n^–-Driftzone erstreckt, an der p-Isolierschicht in der Isolierzone ankommen und die p-Kanalzone mit der p-Isolierschicht durch die Sperrschicht verbinden kann. Somit ergibt sich ein leitender Zustand bei einer niedrigeren Spannung als der beabsichtigten Spannung. Das Anlegen einer Rückwärtsspannung kann das gleiche Problem verursachen, wenn eine Sperrschicht, die sich von der p-Isolierschicht erstreckt, an der p-Kanalzone ankommt. Jedoch macht das Patentdokument 2 keine Angabe zu einer Struktur zur Lösung dieses Problems. Die Technologie von Patentdokument 1 beschreibt auch keine detaillierte Konstruktion einer Spannungsfestigkeitsstruktur.
Die Patentdokumente 3 und 4 offenbaren dagegen einige Strukturen zur Lösung des vorstehend genannten Problems. Beispielsweise wird eine Struktur, ein zwischenliegendes Kanalstopperteil 160, wie in 5 gezeigt, offenbart, in dem eine n⁺-Kanalstopperzone 161, die in der n^–-Driftzone 101 vorgesehen ist, die Ausdehnung der Sperrschicht 171 von der Seite der aktiven Zone 100 bei Anlegen einer Durchlassspannung und die Ausdehnung einer Sperrschicht 172 von der Seite der Isolierzone 130 bei Anlegen einer Rückwärtsspannung blockiert.
Das zwischenliegende Kanalstopperteil 160 trennt eine Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 140, in dem die Sperrschicht 171 sich bei Anlegen einer Durchlassspannung ausdehnt, und eine Randabschlussstruktur für einen Rückwärtsspannungsabschnitt 150, in dem sich die Sperrschicht 172 bei Anlegen einer Rückwärtsspannung ausdehnt, vollständig, wobei das zwischenliegende Kanalstopperteil 160 zwischen sie gefügt wird. Als Ergebnis wird die n^–-Driftschicht 101 unter dem zwischenliegenden Kanalstopperteil 160 nicht verarmt, was eine Zone erzeugt, die zur Spannungssperrleistung der Randabschlussstruktur 120 nicht beitragen kann. Außerdem verlängert das Vorsehen des zwischenliegenden Kanalstopperteils 160 die Randabschlussstruktur 120 in der Richtung von der aktiven Zone 100 hin zum Umfangsrand des Halbleitersubstrats.
Ein rückwärts sperrender IGBT, der mit einem zwischenliegenden Kanalstopperteil, wie vorstehend beschrieben, versehen ist, umfasst allgemein eine Randabschlussstruktur für einen Durchlassspannungsabschnitt und eine Randabschlussstruktur für einen Rückwärtsspannungsabschnitt. Als Ergebnis neigt dieser Typ eines rückwärts sperrenden IGBT dazu, im Vergleich zu einem IGBT ohne eine Rückwärtssperrstruktur eine längere Randabschlussstruktur zu haben. Diese Situation besteht weiter, wenn die n⁺-Kanalstopperzone durch eine p-Kanalstopperzone ebenso ersetzt wird. Diese Erhöhung der Länge der Randabschlussstruktur verhindert die Miniaturisierung eines rückwärts sperrenden IGBT.
Dokument DE 10 2004 017 723 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement, in dem in einer Randabschlussstruktur mehrere leitende Folien vorgesehen sind, die jeweils in Kontakt mit Halbleitergebieten stehen, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Die leitenden Folien weisen gegenüber den zugeordneten Halbleitergebieten Überstände auf. In diesem Zusammenhang sei noch auf die Druckschrift DE 10 2010 046 770 A1 verwiesen, die ein ähnliches Halbleiterbauelement zeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der obigen Probleme in den konventionellen Technologien und die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements in reduzierter Größe. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements, das eine überlegene Sperrspannungsfähigkeit zeigt.
Zur Lösung der obigen Probleme und Erfüllung der obigen Aufgaben umfasst ein Halbleiterbauelement der Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1
Nachstehend werden bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben. Weitere bevorzugte Aspekte können durch Kombinieren von zwei oder mehr beliebigen der nachstehend beschriebenen bevorzugten Aspekte erhalten werden.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem sich der Rand auf der Seite der Isolierzone der ersten leitenden Folie weiter zur Seite der Isolierzone als irgendeine der anderen leitenden Folien erstreckt.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem sich der Rand auf der Seite der aktiven Zone der zweiten leitenden Folie weiter zur Seite der aktiven Zone als irgendeine der anderen leitenden Pollen erstreckt.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem die ersten Halbleiterzonen in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt so ausgebildet sind, dass Abstände zwischen benachbarten ersten Halbleiterzonen umso breiter sind, je weiter sich die ersten Halbleiterzonen von der aktiven Zone entfernen.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem die ersten Halbleiterzonen in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt so ausgebildet sind, dass Abstände zwischen benachbarten ersten Halbleiterzonen umso breiter sind, je weiter sich die ersten Halbleiterzonen von der Isolierzone entfernen.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem eine Breite des zweiten Randabschlussstrukturabschnitts kleiner als eine Breite des ersten Randabschlussstrukturabschnitts ist.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem die erste Länge mindestens 25 μm beträgt.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem die zweite Länge mindestens 15 μm beträgt.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem ein Kanalstopper zum Stoppen einer Sperrschicht, die sich von der Seite der aktiven Zone bei Anlegen einer Durchlassspannung ausdehnt, die zweite leitende Folie umfasst.
Ein Halbleiterbauelement gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Halbleiterbauelement, bei dem ein Kanalstopper zum Stoppen einer Sperrschicht, die sich von der Seite der Isolierzone bei Anlegen einer Rückwärtsspannung ausdehnt, die erste leitende Folie umfasst.
Gemäß der Erfindung, wie vorstehend angegeben, verläuft die erste leitende Folie in dem ersten Spannungsfestigkeitsstrukturabschnitt zur Isolierzone und die zweite leitende Folie in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt verläuft zur aktiven Zone. Bei Anlegung einer Durchlassspannung verhindert die Ausdehnung der zweiten leitenden Folie zur Seite der aktiven Zone die Ausdehnung einer Sperrschicht von der Seite der aktiven Zone im vorderen Teil des zweiten Randabschlussstrukturabschnitts. Bei Anlegung einer Rückwärtsspannung verhindert die Ausdehnung der ersten leitenden Folie zur Seite der Isolierzone die Ausdehnung einer Sperrschicht von der Seite der Isolierzone im vorderen Teil des ersten Randabschlussstrukturabschnitts. Daher ist es nicht mehr notwendig, ein zwischenliegendes Kanalstopperteil wie bei dem konventionellen rückwärts sperrenden IGBT (siehe 5) vorzusehen. Infolgedessen wird die Länge der Randabschlussstruktur in der Richtung von der aktiven Zone zum Umfangsrand des Halbleitersubstrats reduziert.
Da die Ausdehnung der Sperrschicht von der Seite der aktiven Zone bei Anlegung einer Durchlassspannung im vorderen Teil des zweiten Randabschlussstrukturabschnitts gestoppt wird und die Ausdehnung der Sperrschicht von der Seite der Isolierzone bei Anlegung einer Rückwärtsspannung in dem vorderen Teil des ersten Randabschlussstrukturabschnitts gestoppt wird, wird eine solche Zone um die Grenze zwischen dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt und dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt ausgebildet, wo sich eine Sperrsicht bei Anlegung einer Durchlassspannung ausdehnt und eine Sperrschicht bei Anlegung einer Rückwärtsspannung ebenso ausdehnt, wodurch eine Zone beseitigt wird, die eine Verarmung in einem Teil der Driftzone unter der Randabschlussstruktur unterdrückt. Somit wird eine solche Zone erzeugt, die sowohl die Durchlassspannungssperrfähigkeit als auch die Rückwärtsspannungssperrfähigkeit zugleich sicherstellt.
Daher hat ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement die Wirkung des Reduzierens der Größe und außerdem die Wirkung der Aufrechterhaltung einer überlegenen Vorspannungssperrfähigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines rückwärts sperrenden IGBT eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht eines rückwärts sperrenden IGBT eines erläuternden Beispiels;
3 zeigt elektrische Eigenschaften der Spannungsfestigkeitsstruktur bei Anlegung einer Durchlassspannung in einem rückwärts sperrenden IGBT gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt elektrische Eigenschaften der Spannungsfestigkeitsstruktur bei Anlegung einer Rückwärtsspannung in einem rückwärts sperrenden IGBT gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine Schnittansicht einer Spannungsfestigkeitsstruktur eines konventionellen rückwärts sperrenden IGBT.
Bezugszeichenliste

1: n^–-Driftzone
2: p-Kanalzone
3: n⁺-Emitterzone
4: Gate-Isolierfolie
5: Gate-Elektrode
6: Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie
7: Emitterelektrode
8: p-Kollektorzone
9: Kollektorelektrode
10: aktive Zone
20: Spannungsfestigkeitsstruktur
30: Isolierzone
31: p-Isolierschicht
40: Durchlassspannungsfestigkeitsstrukturabschnitt
41, 42, 43, 51, 52, 53: Feldbegrenzungsring (FLR)
44, 45, 46, 54, 55, 56: Feldplatte (FP)
50: Rückwärtsspannungsfestigkeitsstrukturabschnitt

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Einige bevorzugte Aspekte eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eingehend beschrieben. In der folgenden Beschreibung über die Aspekte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und in den beigefügten Zeichnungen sind gleiche Strukturen mit gleichen Symbolen bezeichnet und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
(Ausführungsbeispiel)
1 ist eine Schnittansicht eines rückwärts sperrenden IGBT eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 1, umfasst der rückwärts sperrende IGBT ein n-Typ-Halbleitersubstrat, eine aktive Zone 10, die eine IGBT-Struktur in der Oberflächenzone des n-Typ-Halbleitersubstrats aufbaut, und eine Isolierzone 30, die auf der Seitenfläche des n-Typ-Halbleitersubstrats ausgebildet ist und die aktive Zone 10 von einem Außenumfangsrand des n-Typ-Halbleitersubstrats elektrisch isoliert. Eine Randabschlussstruktur 20 ist zwischen der aktiven Zone 10 und der Isolierzone 30 zum Abschwächen einer elektrischen Feldstärke an der Oberfläche eines p/n-Übergangs in der IGBT-Struktur vorgesehen, um eine beabsichtigte Vorspannungssperrfähigkeit sicherzustellen. Die Randabschlussstruktur 20 umgibt die aktive Zone 10. Eine Zone 11 kann zwischen der aktiven Zone 10 und der Randabschlussstruktur 20 zum Abschwächen der elektrischen Feldkonzentration am Rand der aktiven Zone 10 in einem leitenden Zustand und zum Abziehen von Trägern in einem AUS-Zustand vorgesehen sein.
Die aktive Zone 10 umfasst eine p-Kanalzone 2, die in der vorderseitigen Oberflächenzone einer n^–-Driftzone 1 selektiv ausgebildet ist, eine n⁺-Emitterzone 3, die in der Oberflächenzone der p-Kanalzone 2 selektiv ausgebildet ist, und eine Gate-Elektrode 5, die über eine Gate-Isolierfolie 4, die sich über eine Oberfläche von der n⁺-Emitterzone 3 zu einem Teil der n^–-Driftschicht 1 erstreckt, ausgebildet ist.
Eine Emitterelektrode 7 wird mit der p-Kanalzone 2 und der n⁺-Emitterzone 3 in Kontakt gebracht. Die Emitterelektrode 7 ist von der Gate-Elektrode 5 mit einer Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 elektrisch isoliert. Die Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 ist auch selektiv an der Stelle von der Randabschlussstruktur 20 zur Isolierzone 30 vorgesehen. Eine Kollektorzone 8 ist auf der rückseitigen Oberfläche der n^–-Driftschicht 1 über der aktiven Zone 10 und der Isolierzone 30 ausgebildet. Eine Kollektorelektrode 9 wird mit der p-Kollektorzone 8 in Kontakt gebracht.
In der Isolierzone 30 ist eine p-Isolierschicht 31 (eine zweite Halbleiterzone) auf der Seitenfläche der n^–-Driftzone 1 ausgebildet. Die p-Isolierschicht 31 ist über die n^–-Driftzone 1 von der vorderseitigen Oberfläche zur rückseitigen Oberfläche ausgebildet und befindet sich in Kontakt mit einer schwebenden p-Typ-Zone 32, die in der vorderseitigen Oberflächenzone der n^–-Driftzone 1 ausgebildet ist, und mit der p-Kollektorzone 8, die auf der rückseitigen Oberfläche der n^–-Driftzone 1 ausgebildet ist. Die p-Isolierschicht 31 umgibt die Randabschlussstruktur 20. Am Außenumfangsrand des Halbleitersubstrats ist eine Feldplatte 33 (ein Potenzialausgleichsring; EQR) auf einem Teil der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 vorgesehen. Dieser EQR 33 ist in elektrischem Kontakt mit der p-Isolierschicht 31 und der p-Typ-Zone 32.
Die Randabschlussstruktur 20 umfasst mehrere Feldbegrenzungsringe (FLRs, erste Halbleiterzonen) 41 und mehrere FLRs 51 (die ebenfalls erste Halbleiterzonen sind), wobei die ersten Halbleiterzonen schwebende p-Typ-Zonen sind, die in der vorderseitigen Oberflächenzone der n^–-Driftzone 1 ausgebildet sind. Die Anzahl der in 1 gezeigten FLRs 41 und FLRs 51 ist lediglich ein Beispiel und nicht auf diese Zahlen beschränkt; und es können mehr FLRs 41 und FLRs 51 bereitgestellt werden. Die Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 bedeckt die Vorderfläche der n^–-Driftschicht 1 mit Ausnahme der Teile der Oberfläche an der Stelle der FLRs 41 und FLRs 51. Mit anderen Worten, die Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 hat Öffnungen an den Stellen der FLRs 41, 51 und der p-Isolierschicht 31.
Die FLRs 41 und die FLRs 51 werden mit Halbleiterfolien 47 bzw. Halbleiterfolien 57, die beispielsweise aus Polysilicium hergestellt sind, in Kontakt gebracht. Die Halbleiterfolien 47, 57 sind in einer Konstruktion ausgebildet, die in der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 eingebettet ist und in das Innere der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 verläuft. Feldplatten (FPs, elektrisch leitende Folien) 44 und FPs 54 werden mit den FLRs 41 und den FLRs 51 über die Halbleiterfolien 47 und die Halbleiterfolien 57 in Kontakt gebracht, die eine elektrische Verbindung zwischen ihnen herstellen. Somit befinden sich an den Öffnungen in der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 laminierte leitende Filme von Halbleiterfolien 47 und FPs 44 in Kontakt mit den FLRs 41 und laminierte leitende Folien von Halbleiterfolien 57 und FPs 54 sind mit den FLRs 51 in Kontakt.
Da die FP 44 und der FLR 41 durch die Halbleiterfolie 47 verbunden sind, die einen Kontakt mit dem FLR 41 an einer winzigen Öffnung erlaubt, kann der Kontakt mit Sicherheit selbst an einer schmalen Öffnung in der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 erreicht werden, die eine Kontaktstelle zwischen der Halbleiterfolie 47 und den FP 44 ist. Daher ist der Kontakt zwischen dem FLR 41 und der FP 44 sichergestellt, wodurch die Zuverlässigkeit in der Randabschlussstruktur des rückwärts sperrenden IGBT verbessert wird. Eine Verbindung zwischen den FPs 54 und den FLRs 51 über die Halbleiterfolien 57 hat dieselbe Wirkung.
Beide Ränder von jeder der FPs 44 und 54 sind über die Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie 6 in die Richtungen zu der aktiven Zone 10 und der Isolierzone 30 hin erstreckt. Die Abstande zwischen den FPs 44, zwischen der äußersten der FPs 44 und der innersten der FPs 54 und zwischen den FPs 54 haben solche Größen, dass sie die Verzerrung der Potenzialausgleichsverteilung in der n^–-Driftzone 1 unterdrücken, und zwar bevorzugt so schmal wie möglich im Herstellungsverfahren. Mit anderen Worten, es ist bevorzugt, dass die Teile, die zwischen den FPs 44 und den FPs 54 freiliegen, im Herstellungsverfahren so klein wie möglich sind. Diese Struktur verringert einen Bereich ohne Abdeckung einer elektrisch leitenden Folie und schirmt ein externen elektrisches Feld mit den FPs 44 und den FPs 54 ab, wodurch das Auftreten einer elektrostatischen Induktion verhindert wird, um die Zuverlässigkeit des rückwärts sperrenden IGBT zu verbessern.
Die FPs 44 und 54 sind durch eine Passivierungsfolie bedeckt, obwohl diese in 1 nicht gezeigt ist. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt später an den FLRs 41, 51, den FPs 44, 54 und den Halbleiterfolien 47, 57.
Die Randabschlussstruktur 20 umfasst auf der Seite der aktiven Zone 10 eine Durchlassrandabschlussstruktur für einen Durchlassspannungsabschnitt (einen ersten Randabschlussstrukturabschnitt) 40 zur hauptsächlichen Sicherstellung einer Durchlassspannungssperrfähigkeit bei Anlegung einer Durchlassspannung und eine Randabschlussstruktur für einen Rückwärtsspannungssperrfähigkeitsabschnitt (einen zweiten Randabschlussstrukturabschnitt) 50 zur hauptsächlichen Sicherstellung einer Rückwärtsspannungssperrfähigkeit bei Anlegung einer Rückwartsspannung auf der Seite der Isolierzone 30. Die FLRs 41, die FPs 44 und die Halbleiterfolien 47 sind in der Randabschlussstruktur für einen Durchlassspannungsabschnitt 40 ausgebildet und die FLRs 51, die FPs 54 und die Halbleiterfolien 57 sind in der Randabschlussstruktur für einen Rückwärtsspannungsabschnitt 50 ausgebildet.
Die FLRs 41 in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 sind so angeordnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten FLRs 41 breiter für die FLRs sind, die weiter entfernt von der aktiven Zone 10 angeordnet sind. Der Grund für diese Konstruktion ist wie folgt. Die elektrische Feldstärke ist am höchsten an einer Position, die der aktiven Zone 10 in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 bei Anlegung einer Durchlassspannung am nächsten ist. Infolgedessen kann die elektrische Feldstärke unter den FLRs 41 mittels solcher Abstände zwischen den FLRs 41 ungefähr gleich gemacht werden, die auf der Seite der aktiven Zone 10 am schmalsten ist und in Richtung der Isolierzone 30 zunimmt.
Die FPs 44 können nur an den Positionen des FLR 41 vorgesehen werden, die der aktiven Zone 10 am nächsten sind, des zweiten, vierten, sechsten, ... (geradzahligsten) FLR 41 von der Seite der aktiven Zone und des FLR 41, der der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 (einer ersten Durchlass-FLR 42) am nächsten ist. Alternativ können die FPs 44 nur an den Positionen der FLRs 41 des ersten, dritten, fünften, ... (ungeradzahlig-sten) FLR 41 Von der Seite der aktiven Zone 10 und des ersten Durchlass-FLR 42 vorgesehen werden.
Von den FPs 44 ist die FP, eine erste Durchlass-FP (eine erste leitende Folie) 45, die mit dem ersten Durchlass-FLR 42 über die Halbleiterfolie 47 in Kontakt ist, sich zur Seite der Isolierzone 30 erstreckend ausgebildet. Der Rand des ersten Durchlass-FP 45 auf der Seite der Isolierzone 30 erstreckt sich in Richtung der Isolierzone 30 über den Rand des ersten Durchlass-FLR 42 auf der Seite der Isolierzone 30. In der Beschreibung in dieser Spezifikation sollte eine Formulierung „eine FP erstreckt sich in Richtung der Seite einer Zone” so verstanden werden, dass sich der Rand der FP auf der Seite der Zone über den Rand des FLR erstreckt, der mit der FP auf derselben Seite der Zone in Kontakt ist.
Der Rand der ersten Durchlass-FP 45 auf der Seite der Isolierzone 30 erstreckt sich zur Seite der Isolierzone 30 im größten Ausmaß unter den FPs 44, 54. Beispielsweise beträgt eine Erstreckungslänge, eine erste Länge w₁, der ersten Durchlass-FP 45 in Richtung der Seite der Isolierzone 30 bevorzugt zumindest 25 μm, wofür der Grund nachstehend beschrieben wird.
Die erste Durchlass-FP 45 ist sich ebenfalls in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 erstreckend ausgebildet. Die FPs 46 (zweite Durchlass-FPs 46) sind mit den FLRs 43 (zweite Durchlass-FLRs 43) in Kontakt, die näher zur Seite der aktiven Zone 10 als der erste Durchlass-FLR 42 angeordnet sind. Die Halbleiterfolien 47 sind zwischen den zweiten FLRs und den zweiten FPs eingefügt. Die FPs 46 erstrecken sich zur Seite der aktiven Zone 10.
Der Rand der Halbleiterfolien 47 auf der Seite der aktiven Zone 10 erstreckt sich mehr in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 als der Rand der Erstreckung auf der Seite der aktiven Zone 10 des entsprechenden ersten Durchlass-FLR 42 oder des ersten Durchlass-FLR 43, der mit der Halbleiterfolie 47 in Kontakt ist. Vorzugsweise erstreckt sich der Rand auf der Seite der aktiven Zone 10 der ersten Durchlass-FP 45 nicht über den Rand auf der Seite der aktiven Zone 10 der entsprechenden Halbleiterfolie 47 hinaus, die mit der ersten Durchlass-FP 45 in Kontakt ist. Bevorzugt erstrecken sich der Rand auf der Seite der aktiven Zone 10 und der Rand auf der Seite der Isolierzone 30 jeder zweiten Durchlass-FP 46 nicht über die Ränder auf der jeweiligen Seite der entsprechenden Halbleiterfolie 47 hinaus. Diese Konfiguration erlaubt eine Ausbildung einer Spannungsfestigkeitsstruktur mit hoher Präzision, da die dimensionale Präzision der Halbleiterfolie 47 im Allgemeinen besser als diejenige der FP 46 ist.
Die FLRs 51 in der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 sind so angeordnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten FLRs 51 für die FLRs, die weiter entfernt von der aktiven Zone 30 angeordnet sind, breiter ist. Der Grund für diese Konstruktion ist wie folgt. Die elektrische Feldstärke ist am höchsten an einer Position, die der Isolierzone 30 in der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 bei Anlegung einer Rückwärtsspannung am nächsten ist. Infolgedessen kann die elektrische Feldstärke unter den FLRs 51 mittels solcher Abstände zwischen den FLRs 51, die auf der Seite der Isolierzone 30 am schmalsten sind und in Richtung der aktiven Zone 10 zunehmen, ungefähr gleich gemacht werden.
Die FPs 54 können nur an den Positionen des FLR 51, der der Isolierzone 30 und dem geradzahligen FLR 51 von der Seite der Isolierzone 30 am nächsten ist, sowie dem FLR 51, der der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 (einen ersten Rückwärts-FLR 52) am nächsten ist, vorgesehen werden. Alternativ können die FPs 54 nur an den Positionen des ungeradzahligen FLR 51 von der Seite der Isolierzone 30 und dem ersten Rückwärts-FLR 52 vorgesehen werden.
Von den FPs 54 ist die FP, eine erste Rückwärts-FP 55 (eine zweite leitende Folie 55), die mit dem ersten Rückwärts-FLR 52 über die Halbleiterfolie 47 in Kontakt ist, so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der aktiven Zone 10 hin erstreckt. Der Rand der ersten Rückwärts-FP 55 auf der Seite der aktiven Zone 10 erstreckt sich in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 im größten Ausmaß zwischen den FPs 54 und 44. Beispielsweise beträgt eine Erstreckungslänge, eine zweite Länge w₂, der ersten Rückwärts-FP 55 in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 bevorzugt mindestens 15 μm, wofür der Grund nachstehend beschrieben wird.
Die erste Rückwärts-FP 55 ist so ausgebildet, dass sie sich ebenfalls in Richtung der Seite der Isolierzone 30 erstreckt. Die FPs 56 (zweite Rückwärts-FPs 56) sind mit den FLRs 53 (zweite Rückwärts-FLRs 53) in Kontakt, die näher zur Seite der Isolierzone 30 als der erste Rückwärts-FLR 52 angeordnet sind. Die Halbleiterfolien 57 sind zwischen den zweiten FLRs und den zweiten FPs eingefügt. Die FPs 56 erstrecken sich zur Seite der Isolierzone 30.
Der Rand der Halbleiterfolien 57 auf der Seite der Isolierzone 30 erstreckt sich mehr in Richtung der Seite der Isolierzone 30 als der Rand der Erstreckung auf der Seite der Isolierzone 30 des entsprechenden ersten Rückwärts-FLR 52 oder des zweiten Rückwärts-FLR 53, der mit der Halbleiterfolie 57 in Kontakt ist. Vorzugsweise erstreckt sich der Rand auf der Seite der Isolierzone 30 der ersten Rückwärts-FP 55 nicht über den Rand auf der Seite der Isolierzone 30 der entsprechenden Halbleiterfolie 57 hinaus, die mit der ersten Durchlass-FP 55 in Kontakt ist. Bevorzugt erstrecken sich der Rand auf der Seite der Isolierzone 30 und der Rand auf der Seite der aktiven Zone 10 jeder zweiten Durchlass-FP 56 nicht über die Ränder auf der jeweiligen Seite der entsprechenden Halbleiterfolie 57 hinaus. Der Grund für diese Konfiguration ist gleich demjenigen für den Fall der FP 44 des Durchlassspannungsfestigkeitsstrukturabschnitts 40.
Vorzugsweise ist die erste Länge w₁, die eine Erstreckungslänge der ersten Durchlass-FP 45 in Richtung der Seite der Isolierzone 30 ist, größer als die zweite Länge w₂, die eine Erstreckungslänge der ersten Rückwärts-FP 55 in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 ist. Da sich die Sperrschicht 62 von den zwei Stellen der p-Isolierschicht 31 und der p-Kollektorzone 8 bei Anlegung einer Rückwärtsspannung ausdehnt, dehnt sich die Sperrschicht 62 in der n^–-Driftzone 1 leichter als die Sperrschicht 61 aus, die sich bei Anlegung einer Durchlassspannung von nur einer Stelle der p-Kanalzone 2 ausdehnt. Somit ist die erste Länge w₁ bevorzugt länger als die zweite Länge w₂.
Bevorzugt ist die Rückwärtssperrspannung höher ausgelegt als die Durchlasssperrspannung, da die Sperrschicht 62 sich seichter in die n^–-Driftzone 1 ausdehnt als die Sperrschicht 61. Da die Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 und die Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 die gleiche Struktur haben, kann die Anzahl der FLRs 51 geringer als diejenige der FLRs 41 sein, wenn die Rückwärtssperrspannung höher als die Durchlasssperrspannung ausgelegt ist. Infolgedessen kann die Länge der Randabschlussstruktur der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 entlang der Richtung von der aktiven Zone 10 zum Außenumfangsrad des Halbleitersubstrats kürzer als die Länge der Randabschlussstruktur der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 gemacht werden.
Nun wird die Tätigkeit des rückwärts sperrenden IGBT, wie in 1 gezeigt, nachstehend beschrieben. Die Sperrschicht 61 beginnt bei Anlegung einer Durchlassspannung mit der Ausdehnung von dem p/n-Übergang, der aus der p-Kanalzone 2 und der n^–-Driftzone 1 besteht. Die Sperrschicht 61 setzt die Ausdehnung quer über den zweiten Durchlass-FLR 43 nächst der aktiven Zone 10, des nächsten zweiten Durchlass-FLR 43 nächst der Isolierseite dieses zweiten Durchlass-FLR und des ersten Durchlass-FLR 42 in dieser Reihenfolge fort. Die Sperrschicht 61 dehnt sich zur Seite der Isolierzone 30 unter der Steuerung durch die sich erstreckenden Abschnitte zur Seite der aktiven Zone 10 der zweiten Durchlass-FPs 46, der Halbleiterfolien 47 und der ersten Durchlass-FP 45 aus. Da sich die Sperrschicht 61 zur Seite der Isolierzone 30 unter Steuerung der Ausdehnung ausdehnt, wird die Widerstandsfähigkeit in einem erfindungsgemäßen Element verbessert. Wenn die Sperrschicht 61 die Position der Seite der Isolierzone 30 des ersten Durchlass-FLR 42 erreicht, wird die Erstreckung der Sperrschicht 61 nicht mehr verhindert, sondern es wird gestattet, dass sie sich aufgrund der Erstreckung der ersten Durchlass-FP 45 in Richtung der Seite der Isolierzone 30 ausdehnt. Diese Situation verbessert die Durchlassfestigkeitsspannung. Danach wird die Erstreckung der Sperrschicht 61 durch die Erstreckung der ersten Rückwärts-FP 55 zur Seite der aktiven Zone 10 hin verhindert, bevor sie den ersten Rückwärts-FLR 52 erreicht.
Wenn eine Rückwärtsspannung angelegt wird, dehnt sich die von dem p/n-Übergang unter der p-Isolierschicht 31, der p-Kollektorzone 8 und der n^–-Driftzone 1 sich ausdehnende Sperrschicht 62 quer über den zweiten Rückwärts-FLR 53 nächst der Isolierzone 30, dem nächsten zweiten Rückwärts-FLR 53 und dem ersten Rückwärts-FLR 52 aus. Die Sperrschicht 62 dehnt sich zur Seite der aktiven Zone 10 hin unter der Steuerung durch die Erstreckungen der zweiten Rückwärts-FPs 56, der Halbleiterfolien 57 und der ersten Rückwärts-FP 55 aus. Diese Situation verbessert die Widerstandsfähigkeit eines erfindungsgemäßen Elements aus dem gleichen Grund, wie vorstehend für den Fall der Durchlassspannungs-Anlegung beschrieben. Wenn die Sperrschicht 62 die Position der Seite der aktiven Zone 10 des ersten Rückwärts-FLR 52 erreicht, wird erlaubt, dass sich die Sperrschicht 62 aufgrund der Erstreckung in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 der ersten Rückwärts-FP 55 weiter ausdehnt. Diese Situation verstärkt die Rückwärtssperrspannung. Danach wird die Ausdehnung der Sperrschicht 62 durch die Erstreckung in Richtung der Seite der Isolierzone 30 der ersten Durchlass-FP 45 vor dem Ankommen an dem ersten Durchlass-FLR 42 verhindert.
In dem Ausführungsbeispiel, wie vorstehend beschrieben, ist die erste Durchlass-FP 45 in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 so ausgebildet, dass sie sich Zur Seite der Isolierzone 30 erstreckt, und die erste Rückwärts-FP 55 in der Randabschlussstruktur für die Rückwärtsspannungszone 50 ist so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der aktiven Zone 10 hin erstreckt. Bei Anlegung einer Durchlassspannung stoppt die Erstreckung der ersten Rückwärts-FP 55 auf der Seite der aktiven Zone 10 die Ausdehnung der Sperrschicht 61, die sich von der Seite der aktiven Zone 10 im vorderen Teil der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 ausdehnt. Bei Anlegung einer Rückwärtsspannung stoppt die Erstreckung der ersten Durchlass-FP 45 auf der Seite der Isolierzone 30 die Ausdehnung der Sperrschicht 62, die sich von der Seite der Isolierzone 30 in den vorderen Teil der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 ausdehnt. Infolgedessen muss kein zwischenliegendes Kanalstopperteil (5), das in den konventionellen rückwärts sperrenden IGBTs vorgesehen ist, mehr bereitgestellt werden. Als Ergebnis kann eine Länge der Randabschlussstruktur 20 im Vergleich zu der konventionellen um ungefähr 10% verringert werden. Daher kann die Größe eines rückwärts sperrenden IGBT reduziert werden. Aufgrund des Anlegens einer Durchlassspannung wird die Ausdehnung der Sperrschicht 61, die sich von der Seite der aktiven Zone 10 ausdehnt, im vorderen Teil der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 50 gestoppt, und bei Anlegung einer Rückwärtsspannung wird die Ausdehnung der Sperrschicht 62, die sich von der Seite der Isolierzone 30 ausdehnt, im vorderen Teil der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 gestoppt, eine Zone wird gebildet, wo sich die Sperrschicht 61 bei Anlegung einer Durchlassspannung aus, dehnt und eine Sperrschicht 62 bei Anlegung einer Rückwärtsspannung rund um die Grenze zwischen der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 40 und den Rückwärtsspannungsfestigkeitsstrukturabschnitt 50 ausdehnt, wodurch eine Zone ohne Verarmung in der n^–-Driftzone 1 unter der Randabschlussstruktur 20 beseitigt wird. Somit wird eine Zone ausgebildet, die als Zone wirkt, um eine Durchlasssperrspannung sicherzustellen, und gleichzeitig als Zone wirkt, um eine Rückwärtssperrspannung sicherzustellen. Daher werden, selbst wenn die Länge der Randabschlussstruktur 20 um die Länge der vorstehend angegebenen Zone, die als Zone wirkt, um eine Durchlasssperrspannung sicherzustellen, und als Zone wirkt, um eine Rückwärtssperrspannung sicherzustellen, die Durchlasssperrspannung und die Rückwärtssperrspannung aufrechterhalten. Somit werden die Durchlasssperrspannung und die Rückwärtssperrspannung aufrechterhalten und gleichzeitig wird eine Größenreduktion erreicht.
(Erläuterndes Beispiel)
2 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterbauelements des erläuternden Beispiels. Von den FPs im Ausführungsbeispiel kann die FP neben der und in der Seite der aktiven Zone der ersten Durchlass-FP weiter in Richtung der Seite der p-Isolierzone erstreckt sein. Die FP neben der und in der Seite der Isolierzone der ersten Rückwärts-FP kann weiter in Richtung der Seite der aktiven Zone erstreckt sein.
Im erläuternden Beispiel, wie in 2 gezeigt, befinden sich die FPs 74 und FPs 84 in Kontakt mit den FLRs 41 und FLRs 51 über (in 2 nicht gezeigte) Halbleiterfolien. Von den FPs 74 in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 sind die FP 75 (eine erste Durchlass-FP 75), die der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 am nächsten ist, und die FP 77 (eine dritte Durchlass-FP 77), die neben der und in der Seite der aktiven Zone 10 der FP 75 ist, so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der Isolierzone 30 hin erstrecken. Die Erstreckungslänge (eine erste Länge) w₁₁ der ersten Durchlass-FP 75 zur Seite der Isolierzone 30 hin ist kürzer als die erste Länge w₁ der ersten Durchlass-FP im Ausführungsbeispiel. Die Erstreckungslänge (eine dritte Länge) w₁₂ der dritten Durchlass-FP 77 zur Seite der Isolierzone 30 hin ist kürzer als die erste Länge w₁₁.
Die erste Durchlass-FP 75 und die dritte Durchlass-FP 77 sind so ausgebildet, dass sie sich auch zur Seite der aktiven Zone 10 erstrecken. Die FPs 76 (zweite Durchlass-FPs 76), die näher zur Seite der aktiven Zone 10 als die dritten Durchlass-FP 77 angeordnet sind, sind so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der aktiven Zone 10 hin erstrecken. Die Erstreckungslänge (eine vierte Länge w₁₃) der ersten Durchlass-FP 75 zur Seite der aktiven Zone 10 hin ist länger als die Erstreckungslänge der ersten Durchlass-FP 45 im Ausführungsbeispiel in Richtung der Seite der aktiven Zone 10.
Von den FPs 84 in der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 sind die FP 85, die der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 am nächsten (eine erste Rückwärts-FP 85) ist, und die FP 87, die neben und in der Seite der Isolierzone 30 (eine dritte Rückwärts-FP 87) ist, so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der aktiven Zone 10 hin erstrecken. Die Erstreckungslänge (eine zweite Länge) w₂₁ der ersten Rückwärts-FP 85 zur Seite der aktiven Zone 10 hin ist kürzer als die zweite Länge w₂ der ersten Rückwärts-FP 55 im Ausführungsbeispiel. Die Erstreckungslänge (eine fünfte Länge) w₂₂ der dritten Rückwärts-FP 87 zur Seite der aktiven Zone 10 hin ist kürzer als die zweite Länge w₂₁.
Die erste Rückwärts-FP 85 und die dritte Rückwärts-FP 87 sind so ausgebildet, dass sie sich auch zur Seite der Isolierzone 30 hin erstrecken. Die FPs 86 (zweite Rückwärts-FPs 86), die näher an der Seite der Isolierzone 30 als die dritte Rückwärts-FP 87 angeordnet sind, sind so ausgebildet, dass sie sich zur Seite der Isolierzone 30 hin erstrecken. Die Erstreckungslänge (eine sechste Länge w₂₃) der ersten Rückwärts-FP 85 in Richtung der Seite der Isolierzone 30 ist länger als die Erstreckungslänge der ersten Rückwärts-FP 55 im Ausführungsbeispiel in Richtung der Seite der Isolierzone 30. Die Strukturen mit Ausnahme der hier angegebenen sind die gleichen wie diejenigen im Ausführungsbeispiel.
Nun wird nachstehend die Tätigkeit des rückwärts sperrenden IGBT, wie in 2 gezeigt, beschrieben. Bei Anlegung einer Durchlassspannung stoppen die Erstreckungen in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 der ersten Rückwärts-FP 85 und der dritten Rückwärts-FP 87 das Ausdehnen der Sperrschicht 63 von der Seite der aktiven Zone 10. Die erste Rückwärts-FP 85 und die dritte Rückwärts-FP 87 fungieren als Kanalstopper zum Stoppen der Ausdehnung der Sperrschicht 63. Die Position des Stoppens der Ausdehnung der Sperrschicht 63 wird durch die zweite Länge w₂₁, die fünfte Länge w₂₂ und die sechste Länge w₂₃ bestimmt. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Sperrschicht 63 gestoppt werden, bevor sie den zweiten Rückwärts-FLR 53, der mit der dritten Rückwärts-FP 87 in Kontakt ist, erreicht.
Bei Anlegung einer Rückwärtsspannung stoppen dagegen die Erstreckungen in Richtung der Seite der Isolierzone 30 der ersten Durchlass-FP 75 und der dritten Durchlass-FP 77 die Ausdehnung der Sperrschicht 64 von der Seite der Isolierzone 30. Die erste Durchlass-FP 75 und die dritte Durchlass-FP 77 fungieren als Kanalstopper zum Stoppen der Ausdehnung der Sperrschicht 64. Die Position des Stoppens der Ausdehnung der Sperrschicht 64 wird von der ersten Länge w₁₁, der dritten Länge w₁₂ und der vierten Länge w₁₃ bestimmt. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Sperrschicht 64 gestoppt werden, bevor sie die zweite Durchlass-FLR 43, die mit der dritten Durchlass-FP 77 in Kontakt ist, erreicht. Die Tätigkeit des rückwärts sperrenden IGBT mit Ausnahme der hier genannten Tätigkeit ist die gleiche wie diejenige im Ausführungsbeispiel.
In dem vorstehend beschriebenen rückwärts sperrenden IGBT sind zwei FPs so ausgelegt, dass sie als Kanalstopper jeweils in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 und der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 fungieren. Jedoch können drei oder mehr FPs oder alle FPs dazu ausgelegt sein, als Kanalstopper zu fungieren. Des Weiteren kann die Anzahl der FPs zum Fungieren als Kanalstopper zwischen der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 und der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 unterschiedlich sein.
Alle FPs 74, die als Kanalstopper in der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 fungieren sollen, sind so ausgebildet, dass sie sich in Richtung der Seite der Isolierzone 30 erstrecken. Erstreckungslängen dieser FPs 74 in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 werden einzeln eingestellt. Alle FPs 84, die als Kanalstopper in der Randabschlussstruktur für Rückwärtsspannungsabschnitt 80 fungieren sollen, sind so ausgebildet, dass sie sich in Richtung der Seite der aktiven Zone 10 erstrecken. Erstreckungslängen dieser FPs 84 in Richtung der Seite der Isolierzone 30 werden einzeln eingestellt. Beispielsweise sind drei FPs 84 in der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 dazu ausgelegt, bei Anlegung einer Durchlassspannung als Kanalstopper zu fungieren, die erste Rückwärts-FP 85, die dritte Rückwärts-FP 87 und außerdem die FP 86 nächst der dritten Rückwärts-FP 87 in der Seite der Isolierzone 30 sind zur Seite der aktiven Zone 10 hin erstreckt. Die drei FPs 84 sind dazu ausgebildet, sich zur Seite der Isolierzone 30 in einem Ausmaß zu erstrecken, das kleiner als dasjenige in den FPs 54 des in 1 gezeigten rückwärts sperrenden IGBT ist.
Wie vorstehend beschrieben, hat das erläuternde Beispiel eine Wirkung, die gleich der Wirkung des Ausführungsbeispiels ist. Zwei oder mehr FPs sind dazu ausgebildet, als Kanalstopper bei Anlegung einer Durchlassspannung und als Kanalstopper bei Anlegung einer Rückwärtsspannung zu fungieren. Durch Ausbilden einer größeren Anzahl von FPs zum Fungieren als Kanalstopper wird eine breitere Zone erhalten, in der sich die Sperrschicht 63 bei Anlegung einer Durchlassspannung ausdehnt und gleichzeitig die Sperrschicht 64 bei Anlegung einer Rückwärtsspannung rund um die Grenze zwischen der Randabschlussstruktur für den Durchlassspannungsabschnitt 70 und der Randabschlussstruktur für den Rückwärtsspannungsabschnitt 80 ausdehnt. Somit kann eine solche Zone gestreckt werden, die sowohl eine Durchlasssperrspannung als auch gleichzeitig eine Rückwärtssperrspannung sicherstellt.
(Beispiel 1)
3 zeigt elektrische Eigenschaften der Randabschlussstruktur bei Anlegung einer Durchlassspannung. 3 zeigt ein Simulationsergebnis der Sperrschicht-Ausdehnung von der Seite der aktiven Zone bei Anlegung einer Durchlassspannung. Die linke Seite der Abszisse ist die Seite der aktiven Zone der Randabschlussstruktur und die rechte Seite der Abszisse ist die Seite der Isolierzone der Randabschlussstruktur. Diese Schreibweise trifft auch nachstehend für 4 zu. Für den rückwärts sperrenden IGBT gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die Sperrschicht-Ausdehnung in dem Zustand bei Anlegung der maximalen Durchlassspannung für verschiedene zweite Längen w₂, die eine Erstreckungslänge in Richtung der Seite der aktiven Zone ist, der ersten Rückwärts-FP 55 berechnet. Die Sperrspannungsklasse in dieser Rechnung beträgt 600 V. Die Spitzen der elektrischen Feldstärke in 3 entsprechen den Seitenrändern der aktiven Zone der FPs. 3 zeigt das Simulationsergebnis für die am meisten bevorzugte zweite Länge w₂, d. h. den minimalen Wert der zweiten Länge w₂.
Das Ergebnis der 3 zeigt, dass die elektrische Feldstärke bei dem Durchgang zur Seite der Isolierzone ansteigt und das Maximum am Berechnungspunkt A erreicht, der der Seitenrand der aktiven Zone der ersten Rückwärts-FP 55 ist, und am Berechnungspunkt B, der der Seitenrand der aktiven Zone des ersten Rückwärts-FLR 52 ist, auf Null fällt. Danach steigt die elektrische Feldstärke nicht mehr an. Somit ist gezeigt worden, dass die Erstreckung der ersten Rückwärts-FP 55 zur Seite der aktiven Zone hin die Ausdehnung der Sperrschicht von der Seite der aktiven Zone bei Anlegung einer Durchlassspannung stoppt. In diesem Fall beträgt die Länge w₂ vom Berechnungspunkt A zum Berechnungspunkt B 15 μm. Daher beträgt die zweite Länge w₂ vorzugsweise mindestens 15 μm.
(Beispiel 2)
4 zeigt elektrische Eigenschaften der Spannungsfestigkeitsstruktur bei Anlegung einer Rückwärtsspannung. 4 zeigt ein Simulationsergebnis der Sperrschicht-Ausdehnung von der Seite der Isolierzone bei Anlegung einer Rückwärtsspannung. Für den rückwärts sperrenden IGBT gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die Sperrschicht-Ausdehnung im Zustand der Anlegung der maximalen Rückwärtsspannung für verschiedene erste Längen w₁, die eine Erstreckungslänge in Richtung der Seite der Isolierzone ist, der ersten Durchlass-FP 45 berechnet. Die Spitzen der elektrischen Feldstärke in 4 entsprechen den Isolierzone-Seitenrändern der FPs. 4 zeigt das Simulationsergebnis für die am meisten bevorzugte erste Länge w₁, d. h., den minimalen Wert der zweiten Länge w₁. Andere Bedingungen sind gleich denjenigen in Beispiel 1.
Das Ergebnis der 4 zeigt, dass die elektrische Feldstärke bei dem Durchgang zur Seite der aktiven Zone ansteigt und das Maximum am Berechnungspunkt C erreicht, der der Isolierzonen-Seitenrand der ersten Durchlass-FP 45 ist, und am Berechnungspunkt D, der der Isolierzonen-Seitenrand des ersten Durchlass-FLR 42 ist, auf Null fällt. Danach steigt die elektrische Feldstärke nicht mehren. Somit ist gezeigt worden, dass die Erstreckung der ersten Durchlass-FP 45 zur Seite der Isolierzone hin die Ausdehnung der Sperrschicht von der Seite der Isolierzone bei Anlegung einer Rückwärtsspannung stoppt. In diesem Fall beträgt die Länge w₁ vom Berechnungspunkt C zum Berechnungspunkt D 25 μm. Daher beträgt die erste Länge w₁ vorzugsweise mindestens 25 μm.
Obwohl die vorstehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung an Ausführungsformbeispielen eines isolierten Typs des rückwärts sperrenden IGBT gemacht wurde, kann die Erfindung nicht nur bei diesem Typ von IGBTs angewendet werden, sondern auch bei einem beliebigen rückwärts sperrenden IGBT, der eine Struktur aufweist, die eine aktive Zone von einem Außenumfangsrand des Halbleitersubstrats trennt, beispielsweise bei einem Mesatyp-IGBT mit Rückwärtstaktung. Das Außenumfangsteil kann geneigt sein, wobei ein vertiefter Teil von der Rückseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. Die Abstände zwischen benachbarten FLRs in der Beschreibung sind einfach Beispiele und die FLRs können mit geeigneten Abständen angeordnet werden, die die beabsichtigte Sperrspannung erzielen. Eine Konstruktion, in der jede p-Typ-Zone und jede n-Typ-Zone ausgetauscht sind, ist möglich.
Wie bisher beschrieben, ist ein Halbleiterelement gemäß der Erfindung für Halbleiterelemente nützlich, die eine Sperrfähigkeit gegen Durchlass- sowie Rückwärtsspannungen erfordern, beispielsweise Schalter, die in einer Direktumwandlungsschaltung, wie etwa einem Matrixwandler, verwendet werden.

Claims

Halbleiterbauelement mit: einem Halbleitersubstrat eines ersten Konduktivitätstyps; einer Isolierzone (30), die eine Isolierschicht (31) eines zweiten Konduktivitätstyps einschließt, die auf einer Seitenfläche des Halbleitersubstrats quer über das Halbleitersubstrat von einer Hauptfläche zur anderen Hauptfläche angeordnet ist; einer aktiven Zone (10); einer Randabschlussstruktur (20), die zwischen der aktiven Zone (10) und der Isolierzone (30) angeordnet ist und die aktive Zone (10) einkreist, wobei die Randabschlussstruktur (20) einen ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40), der auf der Seite der aktiven Zone (10) angeordnet ist, und einen zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50), der auf der Seite der Isolierzone (30) angeordnet ist, einschließt; mehreren ersten Halbleiterzonen (41, 51) des zweiten Konduktivitätstyps, die in der vorderseitigen Oberflächenzone des Halbleitersubstrats in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) und dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) ausgebildet sind; und mehreren leitenden Folien (44, 54), die In Kontakt mit den ersten Halbleiterzonen und über einer Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie (6) ausgebildet sind, die selektiv auf der vorderseitigen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die mehreren leitenden Folien (44, 54) mit den ersten Halbleiterzonen (41, 51) über Halbleiterfolien (47, 57) in Verbindung stehen, die innerhalb der Zwischenschicht-Dielektrikumsfolie (6) ausgebildet sind; wobei von den mehreren leitenden Folien (44, 54) eine erste leitende Folie (45), die in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) ausgebildet und nächst der Seite der Isolierzone angeordnet ist, weiter zur Seite der Isolierzone als die erste Halbleiterzone (41), mit der die erste leitende Folie (45) in Kontakt ist, um eine erste Länge, die ein Abstand von einem Rand auf der Seite der Isolierzone der ersten Halbleiterzone (41) ist, mit der die erste leitende Folie (45) in Kontakt ist, zu einem Rand auf der Seite der Isolierzone der ersten leitenden Folie (45) verläuft; und von den mehreren leitenden Folien eine zweite leitende Folie (55), die in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) ausgebildet und nächst der Seite der aktiven Zone angeordnet ist, weiter zur Seite der aktiven Zone als die erste Halbleiterzone (51), mit der die zweite leitende Folie in Kontakt ist, um eine zweite Länge, die ein Abstand von einem Rand auf der Seite der aktiven Zone der ersten Halbleiterzone (51) ist, mit der die zweite leitende Folie (55) in Kontakt ist, bis zu einem Rand auf der Seite der aktiven Zone der zweiten leitenden Folie (55) verläuft, wobei die leitende Folie, die neben der ersten leitenden Folie (45) zur Seite der Isolierzone (30) hin angeordnet ist, die zweite leitende Folie (55) ist, wobei sich die der aktiven Zone (10) zugewandten Ränder der Halbleiterfolien (47) in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) auf der Seite der aktiven Zone (10) mehr in Richtung der aktiven Zone (10) erstrecken als entsprechende Ränder der ersten Halbleiterzonen (41, 51) in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40), und wobei sich die der Isolierzone (30) zugewandten Ränder der Halbleiterfolien (57) in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) auf der Seite der Isolierzone (30) mehr in Richtung der Isolierzone (30) erstrecken als entsprechende Ränder der ersten Halbleiterzonen (41, 51) in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei sich der Rand auf der Seite der Isolierzone (30) der ersten leitenden Folie (45) weiter zur Seite der Isolierzone (30) als ein entsprechender Rand irgendeiner anderen der mehreren leitenden Folien in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der Rand auf der Seite der aktiven Zone (10) der zweiten leitenden Folie (55) weiter zur Seite der aktiven Zone (10) als ein entsprechender Rand irgendeiner anderen der mehreren leitenden Folien in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Halbleiterzonen (41) in dem ersten Randabschlussstrukturabschnitt (40) so ausgebildet sind, dass Abstände zwischen benachbarten ersten Halbleiterzonen umso breiter sind, je weiter sich die ersten Halbleiterzonen von der aktiven Zone (10) entfernen.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Halbleiterzonen (51) in dem zweiten Randabschlussstrukturabschnitt (50) so ausgebildet sind, dass Abstände zwischen benachbarten ersten Halbleiterzonen umso breiter sind, je weiter sich die ersten Halbleiterzonen von der Isolierzone (30) entfernen.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Breite des zweiten Randabschlussstrukturabschnitts (50) kleiner als eine Breite des ersten Randabschlussstrukturabschnitts (40) ist.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Länge mindestens 25 μm beträgt.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Länge mindestens 15 μm beträgt.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Kanalstopper zum Stoppen einer Sperrschicht, die sich von der Seite der aktiven Zone bei Anlegen einer Durchlassspannung ausdehnt, die zweite leitende Folie (55) umfasst.
Halbleiterbauelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Kanalstopper zum Stoppen einer Sperrschicht, die sich von der Seite der Isolierzone bei Anlegen einer Rückwärtsspannung ausdehnt, die erste leitende Folie (45) umfasst.