DE102012100349A1 - Halbleiterbauelement und Reverse Conducting IGBT - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Halbleiterbauelement bereitgestellt. Das Halbleiterbauelement enthält einen Halbleiterkörper (40) mit einem Basisbereich (1) und einer ersten Elektrode (10), die auf einer horizontalen Hauptfläche (15) des Halbleiterkörpers (40) angeordnet ist. Der Halbleiterkörper (40) enthält ferner eine IGBT-Zelle (110) mit einem Body-Bereich (2), der einen ersten pn-Übergang (9) mit dem Basisbereich (1) ausbildet, und eine Dioden-Zelle (120) mit einem Anodenbereich (2a), der einen zweiten pn-Übergang (9a) mit dem Basisbereich (1) ausbildet. Ein Source-Bereich (3) in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) und ein Anti-Latch-Up-Bereich (4) in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) sind, in einem vertikalen Querschnitt, nur in der IGBT-Zelle (110) ausgebildet. Der Anti-Latch-Up-Bereich (4) weist eine höhere Dotierungshöchstkonzentration als der Body-Bereich (2) auf. Ferner ist ein Reverse Conducting IGBT bereitgestellt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Beschreibung betrifft Ausführungsformen von Reverse Conducting IGBT, insbesondere Reverse Conducting Leistungs-IGBT, und Halbleiterbauelemente mit einer Reverse Conducting IGBT-Struktur.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Zahlreiche Funktionen moderner Bauelemente in KFZ-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umformen elektrischer Energie und Antreiben eines Elektromotors oder einer Elektromaschine, stützen sich auf Halbleiterbauelemente. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) wurden für verschiedene Anwendungen benutzt, darunter u. a. Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern.
  • Die Stromflussrichtung durch IGBTs, die als Schalter oder Motorantriebe arbeiten, kann in verschiedenen Arbeitszyklen verschieden sein. In einem ”Vorwärts-Modus” des IGBTs ist die pn-Body-Diode am Body-Drain-Übergang des IGBTs in Sperrrichtung geschaltet, und der Widerstand des Bauelements kann durch die Spannung geregelt sein, die an die Gate-Elektrode des IGBTs angelegt ist. Zum Ermöglichen eines niederohmigen Stromflusses durch den IGBT in einem ”Rückwärts-Modus”, in dem die pn-Body-Diode in Vorwärtsrichtung geschaltet ist, kann ein strukturierter Kollektorbereich mit Anteilen von beiden Dotierungsarten vorgesehen sein. Der Verlust der dabei monolithisch integrierten Freilaufdiode ist im Rückwärts-Modus des IGBTs hauptsächlich durch das Produkt von Stromfluss und Spannungsabfall über die Body-Diode hinweg bestimmt. IGBTs mit monolithisch integrierten Freilaufdioden werden auch als „Reverse Conducting IGBTs” bzw. als „RC-IGBTs” bezeichnet. Diese Halbleiterbauelemente vermeiden Induktivitäten und Kapazitäten, die mit den erforderlichen Kontakten und Zuleitungen von externen Freilaufdioden verbunden sind.
  • Aus Gründen hoher Latch-Up-Robustheit ist typischerweise ein stark dotierter Anti-Latch-Up-Bereich im Body-Bereich von IGBT vorgesehen. Im Rückwärtsmodus arbeitet der Anti-Latch-Up-Bereich als Emitter-Bereich mit hoher Emitterleistung der integrierten Freilaufdiode. Dies führt zur Überflutung in der Drift-Zone, die im Folgenden auch als Basisbereich bezeichnet wird, mit Minoritätsladungsträgern während des Rückwärts-Modus des IGBTs. Dementsprechend sind die Rückwärtsstromspitze, die Abschaltenergie der integrierten Freilaufdiode und die Einschaltenergie des IGBTs häufig zu hoch für IGBTs mit monolithisch integrierter Freilaufdiode, insbesondere bei hart schaltenden Anwendungen.
  • Zum Reduzieren des Überflutens des Basisbereichs mit Minoritätsladungsträgern im Rückwärtsmodus kann die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der Basisregion reduziert werden, beispielsweise unter Nutzung schneller Gold- oder Platindiffusion oder durch Bestrahlen des Halbleiterkörpers des IGBTs während der Verarbeitung mit hochenergetischen Partikeln, wie etwa Elektronen oder Protonen. Die Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer führt jedoch typischerweise sowohl zu einer erhöhten Vorwärtsspannung VF als auch zu einer erhöhten Sättigungsvorwärtsspannung VCEsat. Dies wiederum erhöht den Leistungsverlust des IGBTs im Vorwärtsmodus.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt. Das Halbleiterbauelement enthält einen Halbleiterkörper mit einem Basisbereich einer ersten Leitfähigkeitsart und mit einer horizontalen Hauptfläche. Eine erste Elektrode ist auf der horizontalen Hauptfläche angeordnet. Der Halbleiterkörper enthält ferner eine IGBT-Zelle und eine Dioden-Zelle. Die IGBT-Zelle enthält in einem vertikalen Querschnitt einen Body-Bereich einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang mit dem Basisbereich ausbildet. Die Dioden-Zelle enthält im vertikalen Querschnitt einen Anodenbereich der zweiten Leitfähigkeitsart, der einen zweiten pn-Übergang mit dem Basisbereich ausbildet. Ein Source-Bereich der ersten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode und ein Anti-Latch-Up-Bereich der zweiten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode sind, im vertikalen Querschnitt, nur in der IGBT-Zelle ausgebildet. Der Anti-Latch-Up-Bereich weist eine Dotierungshöchstkonzentration auf, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Reverse Conducting IGBT, d. h. ein IGBT mit integrierter Freilaufdiode, bereitgestellt. Der Reverse Conducting IGBT enthält einen Halbleiterkörper mit einem Basisbereich einer ersten Leitfähigkeitsart und mit einer horizontalen Hauptfläche. Eine erste Elektrode ist auf der horizontalen Hauptfläche angeordnet. Der Halbleiterkörper enthält ferner in einem vertikalen Querschnitt einen ersten vertikalen Graben mit einer ersten Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, einen zweiten vertikalen Graben mit einer zweiten Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, und einen dritten vertikalen Graben mit einer dritten Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist. In dem vertikalen Querschnitt bildet ein Body-Bereich einer zweiten Leitfähigkeitsart einen ersten pn-Übergang mit dem Basisbereich aus und verläuft zwischen dem ersten vertikalen Graben und dem zweiten vertikalen Graben. Ein Source-Bereich der ersten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode ist im vertikalen Querschnitt zwischen dem ersten vertikalen Graben und dem zweiten vertikalen Graben angeordnet. Im vertikalen Querschnitt grenzt ein Anodenbereich der zweiten Leitfähigkeitsart an den dritten vertikalen Graben an und bildet einen gleichrichtenden pn-Übergang nur mit dem Basisbereich aus. Der Halbleiterkörper enthält ferner einen Anti-Latch-Up-Bereich der zweiten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode und mit einer Dotierungshöchstkonzentration, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs ist. Im vertikalen Querschnitt verläuft der Anti-Latch-Up-Bereich vertikal tiefer in den Body-Bereich als der Source-Bereich und ist nur zwischen dem ersten vertikalen Graben und dem zweiten vertikalen Graben angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Reverse Conducting IGBT bereitgestellt. Der Reverse Conducting IGBT enthält einen Halbleiterkörper mit einem Basisbereich einer ersten Leitfähigkeitsart und mit einer horizontalen Hauptfläche. Eine erste Elektrode ist auf der horizontalen Hauptfläche angeordnet. Der Halbleiterkörper enthält ferner in einem vertikalen Querschnitt eine erste Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, eine zweite Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, und einen Body-Bereich einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang mit dem Basisbereich ausbildet und an den Gate-Dielektrikumbereich der ersten Gate-Elektrode und an den Gate-Dielektrikumbereich der zweiten Gate-Elektrode angrenzt. Ein Source-Bereich der ersten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode grenzt im vertikalen Querschnitt an den Gate-Dielektrikumbereich der ersten Gate-Elektrode an. Der Halbleiterkörper enthält ferner einen Anti-Latch-Up-Bereich der zweiten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode. Der Anti-Latch-Up-Bereich weist eine Dotierungshöchstkonzentration auf, die höher als die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs ist. Der Anti-Latch-Up-Bereich weist ferner im vertikalen Querschnitt einen ersten Mindestabstand zum Gate-Dielektrikumbereich der ersten Gate-Elektrode und einen zweiten Mindestabstand zum Gate-Dielektrikumbereich der zweiten Gate-Elektrode auf. Der zweite Mindestabstand ist größer als der erste Mindestabstand.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Reverse Conducting IGBT bereitgestellt. Der Reverse Conducting IGBT enthält einen Halbleiterkörper mit einem Basisbereich einer ersten Leitfähigkeitsart und mit einer horizontalen Hauptfläche. Eine erste Elektrode ist auf der horizontalen Hauptfläche angeordnet. Der Halbleiterkörper enthält ferner im vertikalen Querschnitt einen ersten vertikalen Graben mit einer ersten Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, einen zweiten vertikalen Graben mit einer zweiten Gate-Elektrode, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich isoliert ist, und einen Body-Bereich einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang mit dem Basisbereich ausbildet und der zwischen dem ersten vertikalen Graben und dem zweiten vertikalen Graben und zur ersten Elektrode verläuft. Ein Source-Bereich mit der ersten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode grenzt im vertikalen Querschnitt an den Gate-Dielektrikumbereich der ersten Gate-Elektrode an. Ein Anti-Latch-Up-Bereich der zweiten Leitfähigkeitsart erstreckt sich im vertikalen Querschnitt vertikal tiefer in den Body-Bereich als der Source-Bereich. Der Anti-Latch-Up-Bereich ist in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode und weist eine Dotierungshöchstkonzentration auf, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs ist.
  • Der Fachmann wird nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wurde auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung Wert gelegt. Zudem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. Es zeigen:
  • 1 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 2 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 3 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 4 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 5 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 6 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 7 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • s8 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 9 schematisch eine Draufsicht eines vertikalen Halbleiterbauelements, wie in 8 dargestellt, gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 10 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 11 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 12 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen;
  • 13 schematisch einen vertikalen Querschnitt eines vertikalen Halbleiterbauelements gemäß einer oder mehr Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden, und in denen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert sein kann. In dieser Hinsicht sind richtungsbezogene Begriffe, wie etwa ”oben”, ”unten”, ”vorne”, ”hinten”, ”vordere/r/s”, ”hintere/r/s” usw., unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der Figur(en) benutzt, die beschrieben wird/werden. Da Bestandteile von Ausführungsformen in verschiedenen Ausrichtungen angeordnet sein können, sind die richtungsbezogenen Begriffe zu Veranschaulichungszwecken benutzt und keineswegs einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt werden können und bauliche oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht als einschränkend anzusehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
  • Es wird nun detailliert auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehr Beispiele in den Figuren dargestellt sind. Jedes Beispiel ist als Erläuterung vorgesehen und nicht als Einschränkung der Erfindung gemeint. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen benutzt sein, um so eine weitere Ausführungsform zu erbringen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Variationen beinhaltet. Die Beispiele sind unter Nutzung spezifischer Ausdrucksweise beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche einschränkend aufzufassen ist. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur Veranschaulichungszwecken. Der Übersichtlichkeit halber wurden dieselben Elemente oder Fertigungsschritte, falls nicht anders angegeben, in den verschiedenen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Der Begriff ”horizontal”, wie er in dieser Schrift benutzt ist, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten oder horizontalen Hauptfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers ist. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder Chips sein.
  • Der Begriff ”vertikal”, wie er in dieser Schrift benutzt ist, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche angeordnet ist, z. B. parallel zur Normalenrichtung der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -körpers.
  • In dieser Schrift bezeichnet n-dotiert eine erste Leitfähigkeitsart bzw. einen ersten Leitfähigkeitstyp, während p-dotiert eine zweite Leitfähigkeitsart bzw. einen zweiten Leitfähigkeitstyp bezeichnet. Alternativ können die Halbleiterbauelemente mit entgegengesetzten Dotierungsverhältnissen ausgebildet sein, sodass die erste Leitfähigkeitsart p-dotiert sein kann und die zweite Leitfähigkeitsart n-dotiert sein kann. Zudem stellen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” neben der Dotierungsart dar. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die geringer als die Dotierungskonzentration eines ”n”-dotierten Bereichs ist, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine größere Dotierungskonzentration als der ”n”-dotierte Bereich aufweist. Die Angabe der relativen Dotierungskonzentration bedeutet jedoch nicht, dass die Dotierungsbereiche derselben relativen Dotierungskonzentration dieselbe absolute Dotierungskonzentration aufweisen müssen, solange nicht anders angegeben. Beispielsweise können zwei verschiedene n+-Dotierungsbereiche unterschiedliche absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Dasselbe gilt beispielsweise für einen n+-Dotierungs- und einen p+-Dotierungsbereich.
  • Spezifische in dieser Schrift beschriebene Ausführungsformen betreffen u. a. monolithisch integrierte Halbleiterbauelemente mit einer Reverse Conducting IGBT-Struktur, insbesondere Leistungs-Halbleiterbauelemente, wie etwa Reverse-Conducting-Leistungs-IGBT.
  • Der Begriff ”Leistungs-Halbleiterbauelement”, wie er in dieser Schrift benutzt ist, soll ein Halbleiterbauelement auf einem einzelnen Chip mit Hochspannungs- und/oder Hochstromschaltfähigkeiten beschreiben. Anders gesagt sind Leistungs-Halbleiterbauelemente für Hochstrom, typischerweise im Ampere-Bereich, und/oder Hochspannungen, typischerweise über 400 V, besonders typisch über 600 V, bestimmt.
  • Im Kontext der vorliegenden Schrift sollen die Begriffe ”in ohmschem Kontakt”, ”in elektrischem Kontakt”, ”in Kontakt”, ”in ohmscher Verbindung” und ”elektrisch verbunden” beschreiben, dass eine ohmsche elektrische Verbindung oder ein ohmscher Stromweg zwischen zwei Bereichen, Abschnitten oder Teilen eines Halbleiterbauelements oder zwischen verschiedenen Anschlüssen eines oder mehrerer Bauelemente oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Abschnitt oder Teil eines Halbleiterbauelements besteht.
  • 1 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 100 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 100 enthält einen Halbleiterkörper 40 mit einer ersten oder horizontalen Hauptfläche 15 und einer zweiten Fläche oder Rückfläche 16, die der ersten Fläche 15 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Normalenrichtung en der ersten Fläche 15 ist im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung.
  • Der Halbleiterkörper 40 kann ein einzelnes monokristallines Bulk-Material sein. Der Halbleiterkörper 40 kann außerdem monokristallines Bulk-Material 30 und mindestens eine Epitaxieschicht 50 enthalten, die darauf ausgebildet ist. Die Nutzung von Epitaxieschichten 50 bietet mehr Freiheit beim maßgerechten Abstellen der Hintergrunddotierung, da die Dotierungskonzentration während der Abscheidung der Epitaxieschicht oder -schichten angepasst werden kann.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen, die Halbleiterbauelemente betreffen, hauptsächlich unter Bezugnahme auf Silizium-(Si-)Halbleiterbauelemente erläutert. Dementsprechend ist ein/e monokristalline/r Halbleiterbereich oder -schicht typischerweise ein/e monokristalline/r Si-Bereich oder Si-Schicht. Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper 40 aus jeglichem Halbleitermaterial hergestellt sein kann, das zum Fertigen eines Halbleiterbauelements geeignet ist. Zu Beispielen für derartige Materialien gehören u. a. elementare Halbleitermaterialien, wie etwa Silizium (Si) oder Germanium (Ge), Halbleitermaterialien aus Gruppe-IV-Verbindungen, wie etwa Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumgermanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumindiumnitrid (AlInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie etwa Kadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilber-Kadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die oben genannten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangshalbleitermaterialien bezeichnet. Beim Kombinieren zweier verschiedener Halbleitermaterialien ist ein Heteroübergangshalbleitermaterial ausgebildet. Zu Beispielen für Heteroübergangshalbleitermaterialien gehören u. a. Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Galliumnitrid (GaN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Galliumnitrid (GaN), Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Silizium-Siliziumkarbid (SixC1-x) und Silizium-SiGe Heteroübergangshalbleitermaterialien. Für Leistungs-Halbleiteranwendungen sind derzeit hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien in Benutzung. Falls der Halbleiterkörper ein Material mit hoher Bandlücke aufweist, wie etwa SiC oder GaN, das eine hohe Durchbruchspannung bzw. hohe kritische Avalanche-Feldstärke aufweist, kann die Dotierung der jeweiligen Halbleiterbereiche höher gewählt sein, wodurch der Ein-Widerstand Ron reduziert ist.
  • Der Halbleiterkörper 40 enthält einen n-Basisbereich 1, der zwischen der Rückfläche 16 und der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet ist. Eine erste Elektrode 10 ist auf der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet, und eine zweite Elektrode 11 ist auf der Rückfläche 16 angeordnet. Ein erster vertikaler Graben 20, ein zweiter vertikaler Graben 21 und ein dritter vertikaler Graben 22 verlaufen von der horizontalen Hauptfläche 15 teilweise in den Basisbereich 1. Jeder vertikale Graben 20, 21, 22 enthält eine jeweilige Gate-Elektrode 12, die durch einen jeweiligen Gate-Dielektrikumbereich 8 von dem Halbleiterkörper 40 und durch einen Isolierstecker 7 von der ersten Elektrode 11 isoliert ist.
  • Ein p-Body-Bereich 2 verläuft zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21, d. h. zwischen den Gate-Dielektrikumbereichen 8 der vertikalen Gräben 20, 21. Der Body-Bereich 2 bildet einen ersten pn-Übergang 9 mit dem Basisbereich 1 aus. Zwei n+-Source-Bereiche 3 in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode 10 sind zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21 angeordnet. Jeder der zwei Source-Bereiche 3 stößt an einen des ersten vertikalen Grabens 20 und des zweiten vertikalen Grabens 21 an.
  • Ein p+-Anti-Latch-Up-Bereich 4 in ohmschen Kontakt mit der ersten Elektrode 10 ist zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21 angeordnet. Der Anti-Latch-Up-Bereich 4 sieht einen niederohmschen Kontakt zwischen der ersten Elektrode 10 und dem Body-Bereich 2 vor. Im Folgenden wird der Anti-Latch-Up-Bereich 4 daher auch als Bodykontaktbereich bezeichnet. In der beispielhaften Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, stößt der Anti-Latch-Up-Bereich 4 an die zwei Source-Bereiche 3 an.
  • Ein weiterer pn-Übergang 19 ist vertikal unter dem ersten pn-Übergang 9 zwischen dem Basisbereich 1 und einem p+-Rückseitenloch-Emitter-Bereich 6 in ohmschem Kontakt mit der zweiten Elektrode 11 angeordnet. Dementsprechend bilden die Source-Bereiche 3 mit dem Body-Bereich 2, dem Basisbereich 1 und dem Rückseitenloch-Emitter-Bereich 6 eine Thyristor-Struktur zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10, 11 und zwischen den isolierten Gate-Elektroden 12 in dem ersten vertikalen Graben 20 bzw. dem zweiten vertikalen Graben 21 aus. Die isolierten Gate-Elektroden 12 verlaufen vertikal von der horizontalen Hauptfläche 15 unter den ersten pn-Übergang 9. Dementsprechend kann ein n-Kanalbereich in dem Body-Bereich 2 entlang dem jeweiligen Isolierbereich 8 zwischen dem Source-Bereich 3 und dem Basisbereich 1 durch geeignetes Vorspannen der Gate-Elektrode 12 bezüglich der ersten Elektrode 10 ausgebildet sein. Anders gesagt enthält das Halbleiterbauelement 100 eine IGBT-Zelle 110 mit einem Anti-Latch-Up-Bereich 4 und kann daher als IGBT betrieben sein. Dementsprechend kann die erste Elektrode 10 eine Emitter-Elektrode 10 und die zweite Elektrode 11 eine Kollektor-Elektrode 11 ausbilden.
  • Im Vorwärtsmodus des Halbleiterbauelements 100 übersteigt die Gate-Spannung Vg, die an die Gate-Elektroden 12 angelegt ist, die Emitter-Spannung VE, die an die erste Elektrode 10 angelegt ist, sodass Kanalbereiche im Body-Bereich 2 jeder IGBT-Zelle 110 ausgebildet sind und die Kollektor-Spannung VC, die an die zweite Elektrode 11 angelegt ist, höher als die Emitter-Spannung VE ist. Während des Vorwärtsmodus werden Löcher in den Basisbereich 1 von den Rückseitenloch-Emitter-Bereichen 6, die Kollektor-Bereiche 6 ausbilden, injiziert. Ein Teil der injizierten Löcher verbindet sich im Basisbereich 1 mit Elektronen aus den Kanalbereichen wieder. Ein anderer Teil der injizierten Löcher, die von den Elektronen in den Kanalbereichen angezogen werden, wandert über die pn-Übergänge 9, und dadurch ist ein Spannungsabfall in den Body-Bereichen 2 gebildet.
  • Dieser Spannungsabfall neigt in einer IGBT-Zellenstruktur, die keinen Anti-Latch-Up-Bereich aufweist, dazu, die pn-Übergange, die zwischen den Source-Bereichen und dem Body-Bereich ausgebildet sind, vorwärts vorzuspannen. Bei genügend großem Spannungsabfall werden Elektronen aus den Source-Bereichen in den Body-Bereich injiziert. Dementsprechend kann ein parasitärer npn-Transistor, der durch den Source-Bereich, den Body-Bereich und den Basisbereich ausgebildet ist, sowie ein parasitärer pnp-Transistor, der durch den Body-Bereich, den Basisbereich und den Kollektor-Bereich ausgebildet ist, eingeschaltet werden. In einem derartigen Fall tritt der Thyristor, der durch den parasitären npn-Transistor und den parasitären pnp-Transistor ausgebildet ist, in den Latch-Up-Zustand. Die IGBT-Zellenstruktur ist nun in einem Latch-Up-Zustand. Während des Latch-Up haben die Gate-Elektroden keine Kontrolle über den Strom zwischen dem Source-Bereich und dem Kollektor-Bereich.
  • Ein Latch-Up der zwei IGBT-Zellen 110, die in 1 dargestellt sind, ist durch die jeweiligen Anti-Latch-Up-Bereiche 4 vermieden, die eine Dotierungshöchstkonzentration aufweisen, welche höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des angrenzenden Body-Bereichs 2 ist, und vertikal tiefer, typischerweise um einen Faktor von 1,5 oder mehr, in den angrenzenden Body-Bereich 2 als die Source-Bereiche 3 verlaufen. Auf diese Weise ist ein Non-Latch-Up-Betrieb der IGBT-Zellen 110 typischerweise über den gesamten Betriebsbereich des Halbleiterbauelements 100 vorgesehen. Typischerweise ist die Dotierungshöchstkonzentration der Anti-Latch-Up-Bereiche 4 mindestens 10-mal höher als die Dotierungshöchstkonzentration des angrenzenden Body-Bereichs 2.
  • Zudem ist die zweite Elektrode 11 typischerweise über einen n-Kontaktbereich oder rückseitigen n-Emitter-Bereich 5, der zwischen der zweiten Elektrode 11 und dem Basisbereich 1 angeordnet ist und eine Dotierungshöchstkonzentration aufweist, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Basisbereichs 1 ist, in ohmschem Kontakt mit dem Basisbereich 1. Dementsprechend kann ein Strom außerdem in einem Rückwärtsmodus, in dem die Kollektorspannung VC niedriger als die Emitter-Spannung VE ist, zwischen der ersten und zweiten Elektrode 10, 11 und über den vorwärts vorgespannten ersten pn-Übergang 9 hinweg fließen. Anders gesagt weist das Halbleiterbauelement 100 eine erste integrierte Freilaufdiode auf, deren Stromweg über die Body-Diode hinweg läuft, die zwischen dem Body-Bereich 2 und dem Basisbereich 1 ausgebildet ist, und kann daher als Reverse-Conducting-Halbleiterbauelement 100 betrieben sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform verläuft ein p-Anodenbereich 2a zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22 und bildet einen zweiten pn-Übergang 9a nur mit dem Basisbereich 1 aus. Anders gesagt sind in dem gezeigten vertikalen Querschnitt keine Source-Bereiche 3 in dem Anodenbereich 2a, d. h. zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22, ausgebildet. Typischerweise ist in dem gezeigten vertikalen Querschnitt kein Anti-Latch-Up-Bereich zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22 ausgebildet.
  • Das Halbleiterbauelement 100 kann eine IGBT-Zelle 110 und eine Dioden-Zelle 120 mit einem Anodenbereich 2a enthalten, der einen zweiten pn-Übergang 9a mit dem Basisbereich ausbildet. Dementsprechend enthält das Halbleiterbauelement 100 ferner eine zusätzliche integrierte Freilaufdiode 14, die parallel an die erste integrierte Freilaufdiode geschaltet ist, d. h. zwischen die zweite Elektrode 11 und die erste Elektrode 10, die eine Anode für die integrierten Freilaufdioden ausbildet. Im Vergleich zu Reverse Conducting IGBT mit nur einer ersten integrierten Freilaufdiode bietet das Halbleiterbauelement 100 mehr Freiheit beim Optimieren der Bauelementleistung bezüglich der Latch-Up-Robustheit und Schaltleistung.
  • Der Kontaktbereich 5 und der Anodenbereich 2a können sich in einer Projektion auf eine horizontale Ebene überdecken. Dementsprechend kann im Rückwärtsmodus des Halbleiterbauelements 100 ein kurzer Stromweg durch die zusätzliche integrierte Freilaufdiode 14 vorgesehen sein.
  • Die Dotierungshöchstkonzentration des Anti-Latch-Up-Bereichs 4 ist typischerweise mindestens 10-mal höher als die Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs 2a. Da die Dioden-Zelle 120 keinen Anti-Latch-Up-Bereich aufweist, ist die Lochemissionseffizienz zwischen dem Body-Bereich 2 und dem Basisbereich 1 höher als die Lochemissionseffizienz zwischen dem Anodenbereich 2a und dem Basisbereich 1. Aufgrund der niedrigeren Lochemissionseffizienz der zusätzlichen integrierten Freilaufdiode 14 kann die Überflutung des Basisbereichs 1 mit Löchern im Rückwärtsmodus wesentlich reduziert sein. Demgegenüber bleibt die Latch-Up-Stabilität der IGBT-Zelle 110 im Vorwärtsmodus erhalten. Dementsprechend sind die Rückwärtsstromspitze und die Rückwärts-Recovery-Energie des Halbleiterbauelements 100 und die Einschaltenergie der IGBT-Zelle 110 im Vergleich zu IGBT reduziert, die nur die Body-Diode als integrierte Freilaufdiode nutzen. Dementsprechend ist das Halbleiterbauelement 100 typischerweise besser für schaltende Anwendungen, insbesondere hart schaltende Anwendungen, geeignet.
  • Das Halbleiterbauelement 100 kann außerdem als Reverse-Conducting-Graben-GBT 100 mit getrennten IGBT-Zellen 110 und Diodenzellen 120 beschrieben werden, während die Lochemissionseffizienz der Diodenzellen 120 niedriger, typischerweise drei bis 10-mal niedriger, als die Lochemissionseffizienz der Body-Diode der IGBT-Zellen 110 ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement 100 ein vertikales Leistungs-Halbleiterbauelement mit einem aktiven Bereich, der mehrere IGBT-Zellen 110 und/oder Dioden-Zellen 120 zum Tragen und/oder Regeln eines Laststroms aufweist, und einem Umfangsbereich mit einer Kantenabschlussstruktur. In diesen Ausführungsformen können die IGBT-Zelle 110, die zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21 angeordnet ist, und die Dioden-Zelle 120, die zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22 angeordnet ist, einer Einheitszelle des aktiven Bereichs entsprechen. Die Einheitszellen können auf einem horizontalen, ein- oder zweidimensionalen Gitter angeordnet sein, beispielsweise einem sechseckigen oder quadratischen Gitter. Die IGBT-Zellen 110 und die Dioden-Zellen 120 können ebenfalls auf anderen horizontalen Gittern angeordnet sein. Alternativ sind nur die IGBT-Zellen 110 oder nur die Dioden-Zellen 120 auf einem horizontalen Gitter angeordnet.
  • Zudem können der Kontaktbereich 5 und/oder die Kollektor-Bereiche 6 in einem Leistungs-Halbleiterbauelement 100 horizontal über mehrere IGBT-Zellen 110 und/oder Dioden-Zellen 120 verlaufen. Bei niedrigen Stromdichten im Vorwärtsmodus kann ein unipolarer Elektronenstrom durch den Basisbereich 1 und den n-Emitter-Bereich 5 zu einem nicht-monotonen Strom-Spannungs-Kennzeichen führen. Dies wird typischerweise vermieden oder zumindest reduziert, wenn die Kollektor-Bereiche 6 über mehrere IGBT-Zellen 110 und/oder Dioden-Zellen 120 verlaufen.
  • Das Halbleiterbauelement 100 kann jedoch nur eine oder wenige IGBT-Zellen 110 und nur eine oder wenige Dioden-Zellen 120 enthalten, beispielsweise als Teil einer integrierten Schaltung und/oder bei leistungsarmen Hochfrequenzanwendungen.
  • 1 stellt eine typische Querschnittansicht dar. Andere Querschnittansichten des Halbleiterbauelements 100 können ähnlich sein, z. B. wenn die dargestellten Halbleiterbereiche, Isolierbereiche, Elektroden und vertikalen Gräben in einer Richtung, die senkrecht zu dem dargestellten Querschnitt verläuft, im Wesentlichen stabförmig sind. Es ist jedoch außerdem möglich, dass die Body-Bereiche 2 und die Anti-Latch-Up-Bereiche 4 rechteckig oder scheibenförmig sind, und dass der erste und zweite vertikale Graben 20, 21 einem einzelnen verbundenen, z. B. ringförmigen vertikalen Graben entsprechen. In diesen Ausführungsformen entsprechen die zwei dargestellten getrennten Source-Bereiche 3 der linken IGBT-Zelle 11 typischerweise ebenfalls einem einzelnen verbundenen, z. B. ringförmigen Source-Bereich.
  • Zudem kann sich die Reihenfolge von IGBT-Zellen 110 und Dioden-Zellen 120 ändern, z. B. abwechselnd, in einer Richtung, die senkrecht zu dem dargestellten Querschnitt in 1 steht. Das bedeutet, dass in einem weiteren vertikalen Querschnitt, der parallel zu dem Querschnitt von 1 ist, ein weiterer p-Anti-Latch-Up-Bereich sowie zwei weitere Source-Bereiche zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22 angeordnet sein können. In diesen Ausführungsformen sind in dem weiteren vertikalen Querschnitt typischerweise kein Anti-Latch-Up-Bereich und keine Source-Bereiche zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21 angeordnet.
  • 2 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 200 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 200 gleicht dem Halbleiterbauelement 100 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Der Anodenbereich 2a verläuft jedoch vertikal weniger tief in den Halbleiterkörper 40.
  • Zudem ist die Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs 2a niedriger als die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs 2. Dementsprechend ist die Lochemissionseffizienz zwischen dem Anodenbereich 2a und dem Basisbereich 1 im Vergleich zur Lochemissionseffizienz zwischen dem Body-Bereich 2 und dem Basisbereich 1 weiter reduziert. Daher sind die Rückwärtsstromspitze und die Rückwärts-Recovery-Energie des Halbleiterbauelements 100 und die Einschaltenergie der IGBT-Zellen 110 reduziert.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs 2 mindestens zweimal höher, typischer fünfmal höher, und besonders typisch zehnmal höher als die Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs 2a.
  • Beispielsweise ist die Dotierungshöchstkonzentration des Anti-Latch-Up-Bereichs 4 höher als ungefähr 1019 cm–3, die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs 2 zwischen ungefähr 5·1016 cm–3 und ungefähr 5·1017 cm–3 und die Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs 2a unter ungefähr 5·1016 cm–3. Die Dotierungshöchstkonzentration des Basisbereichs 1 liegt typischerweise zwischen ungefähr 5·1012 cm–3 und ungefähr 5·1014 cm–3, beispielsweise im Bereich von ungefähr 5·1013 cm–3.
  • 3 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 300 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 300 enthält ebenfalls eine IGBT-Zelle 110 und eine Dioden-Zelle 120, die jedoch nicht durch eine gemeinsame Graben-Gate-Elektrode wie in 1 und 2 dargestellt getrennt sind, sondern einen p-Lochemitter-Bereich 2 oder Body-Bereich 2 teilen, der zwischen zwei benachbarten Graben-Gate-Elektroden 12 angeordnet ist.
  • Jede der drei dargestellten IGBT-Zellen 110 enthält im vertikalen Querschnitt nur einen Source-Bereich 3 in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode 10. Beispielsweise ist nur ein Source-Bereich 3 zwischen dem ersten Graben 20 und dem zweiten Graben 21 angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, stößt jeder vertikale Graben 20, 21, 22 nur an einen der Source-Bereiche 3 an. Dementsprechend verlaufen die Body-Bereiche 2 zur ersten Elektrode 10 bzw. der horizontalen Hauptfläche 15.
  • Das Halbleiterbauelement 300 kann außerdem als Reverse-Conducting-Graben-IGBT 300 mit mindestens einer kombinierten IGBT-Zelle 110 und Dioden-Zelle 120 beschrieben werden, die zwischen zwei benachbarten Graben-Gate-Elektroden 12 angeordnet sind. Die IGBT-Zelle 110 enthält einen ersten Abschnitt 2b des Body-Bereichs 2, in den der Source-Bereich 3 und der Anti-Latch-Up-Bereich 4 eingelassen sind. Die Dioden-Zelle 120 enthält einen anstoßenden zweiten Abschnitt 2a des Body-Bereichs 2 ohne jeglichen Source-Bereich. Typischerweise enthält der zweite Abschnitt 2a keine n-Halbleiterbereiche und bildet dadurch einen gleichrichtenden pn-Übergang 9a nur mit dem Basisbereich 1 aus.
  • Anders gesagt enthält der Body-Bereich 2 einen ersten Abschnitt 2b, der sich in einer Projektion auf eine horizontale Ebene mit dem Source-Bereich 3 und dem Anti-Latch-Up-Bereich 4 überdeckt, und einen zweiten Abschnitt 2a, der in der Projektion auf die horizontale Ebene von dem Source-Bereich 3 und dem Anti-Latch-Up-Bereich 4 beabstandet ist. Zudem verläuft der zweite Abschnitt 2a zu der ersten Elektrode 10. Dementsprechend bildet der zweite Abschnitt 2a des Body-Bereichs 2 einen Anodenbereich 2a einer integrierten zusätzlichen Freilaufdiode 14 aus. Auf diese Weise ist die Lochemissionseffizienz der Diodenzelle 120 geringer, typischerweise drei- bis zehnmal geringer, als die Lochemissionseffizienz der Body-Diode der IGBT-Zelle 110, die zwischen dem ersten Abschnitt 2b des Body-Bereichs 2 und dem Basisbereich 1 ausgebildet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein Mindestabstand d1 zwischen dem Anti-Latch-Up-Bereich 4 und dem Gate-Dielektrikumbereich 8 der Gate-Elektrode 12 in dem ersten vertikalen Graben 20 kleiner, typischerweise um einen Faktor von zwei oder mehr, als ein Mindestabstand d2 zwischen dem Anti-Latch-Up-Bereich 4 und dem Gate-Dielektrikumbereich 8 der Gate-Elektrode 12 in dem zweiten vertikalen Graben 21. Auf diese Weise kann ein genügend großer Anteil des Stroms durch die integrierte zusätzliche Freilaufdiode 14 im Rückwärtsmodus des Halbleiterbauelements 300 fließen. Dies reduziert das Überfluten des Basisbereichs 1 mit Löchern während des Rückwärtsmodus des Halbleiterbauelements 300.
  • 4 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 400 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 400 gleicht dem Halbleiterbauelement 300 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Dotierungshöchstkonzentration des ersten Abschnitts 2b des Body-Bereichs 2 höher, typischerweise um einen Faktor von 2, typischer um einen Faktor von 5 und besonders typisch um einen Faktor von 10, als eine Dotierungshöchstkonzentration des zweiten Abschnitts 2a, der einen Anodenbereich 2a ausbildet. Auf diese Weise ist die Lochemissionseffizienz der Diodenzelle 120 weiter reduziert.
  • Zudem verläuft der erste Abschnitt 2b des Body-Bereichs 2 typischerweise vertikal tiefer in den Halbleiterkörper 40 als der zweite Abschnitt 2a. Der erste Abschnitt 2b und der zweite Abschnitt 2a können in einem gemeinsamen Drive-in-Prozess nach dem Implantieren einer höheren Dotierstoffdosis in die ersten Abschnitte 2b ausgebildet werden.
  • 5 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 500 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 500 gleicht dem Halbleiterbauelement 300 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Es sind jedoch flache Kontaktgräben 18 zum elektrischen Verbinden der Source-Bereiche 3 und der Anti-Latch-Up-Bereiche 4 mit der ersten Elektrode 10 benutzt. Die flachen Kontaktgräben 18 können außerdem alternativ für die Halbleiterbauelemente 100, 200, 400 und die Halbleiterbauelemente benutzt sein, die unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben werden.
  • 6 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 600 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 600 gleicht dem Halbleiterbauelement 100 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Es sind jedoch Abstandhalter-Zellen 130 mit einem jeweiligen floatenden bzw. potentialfreien Halbleiterbereich 2c vom p-Typ zwischen den IGBT-Zellen 110 und den Dioden-Zellen 120 angeordnet. Der Halbleiterbereich 2c wird im Folgenden auch als Floating-Halbleiterbereich und Floating-Bodybereich bezeichnet. In der beispielhaften Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, verläuft der Body-Bereich 2 der IGBT-Zelle 110 zwischen dem ersten vertikalen Graben 20 und dem zweiten vertikalen Graben 21. Der Floating-Body-Bereich 2c der Abstandhalter-Zelle 130 verläuft zwischen dem zweiten vertikalen Graben 21 und dem dritten vertikalen Graben 22. Der Anodenbereich 2a der Dioden-Zelle 120 verläuft zwischen dem dritten vertikalen Graben 22 und einem vierten vertikalen Graben 23. Eine Dotierungshöchstkonzentration des Floating-Halbleiterbereichs 2c ist typischerweise im Wesentlichen gleich der oder höher als die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs 2.
  • Gemäß einer Ausführungsform verläuft der Floating-Halbleiterbereich 2c vertikal tiefer in den Basisbereich 1 als die Body-Bereiche 2, die Anodenbereiche 2a und die vertikalen Gräben 20, 21, 22, 23.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist eine n-Feldstopp-Zone 17 zwischen dem Basisbereich 1 und dem rückseitigen n-Emitter-Bereich 5 und zwischen dem Basisbereich 1 und dem rückseitigen p-Emitter-Bereich oder Kollektor-Bereich 6 angeordnet. Dementsprechend kann das Halbleiterbauelement 600 als Reverse Conducting Punch-Through IGBT betrieben werden. Zudem kann eine Fieldstop-Zone außerdem für die anderen Halbleiterbauelemente, die hierin offenbart sind, vorgesehen sein.
  • 7 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 700 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 700 gleicht dem Halbleiterbauelement 600 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Die isolierten Gate-Elektroden 12a, die in dem dritten vertikalen Graben 22 und dem vierten vertikalen Graben 23 angeordnet sind, sind jedoch mit der ersten Elektrode 10 verbunden. Dementsprechend sind die isolierten Elektroden 12a während des Betriebs auf Emitter-Spannung VA statt Gate-Spannung. Auf diese Weise ist die Gate-Kapazität typischerweise reduziert. Dementsprechend können Schaltkennzeichen des Halbleiterbauelements 700 verbessert sein. Der Begriff ”Gate-Elektrode”, wie er in dieser Schrift benutzt ist, soll eine Elektrode beschreiben, die unabhängig davon, ob die Gate-Elektrode während des Betriebs tatsächlich mit Gate-Potential verbunden ist, von dem Halbleiterkörper isoliert ist.
  • 8 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 800 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 800 gleicht dem Halbleiterbauelement 700 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Das Halbleiterbauelement 800 enthält jedoch ferner eine Kontaktschicht 13, beispielsweise eine Poly-Si-Schicht, zum Kontaktieren der Gate-Elektroden 12 mit einer Gate-Kontaktfläche (nicht gezeigt) und zum Kontaktieren der Gate-Elektroden 12a mit der ersten Elektrode 10. Im Vergleich zu Halbleiterbauelement 700 verhindert das Ätzen von Kontakten für den Anodenbereich 2a durch die Isolierschicht des Isoliersteckers 7 die Gefahr des geringfügigen Ätzens eines oberen Abschnitts des Gate-Dielektrikumbereichs 8, der an den Anodenbereich 2a anstößt.
  • 9 stellt schematisch eine Ausführungsform des Halbleiterbauelements 800 in einer Draufsicht dar. 9 entspricht einem horizontalen Layout der Kontaktschicht 13. Das Halbleiterbauelement 800, das in 8 dargestellt ist, kann einem Schnitt entlang der Linies in 9 entsprechen. Wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert können die vertikalen Gräben der hierin offenbarten Halbleiterbauelemente im Wesentlichen ringförmig sein, sodass sie, in einer horizontalen Ebene, die Halbleiterbereiche einer IGBT-Zelle 110 oder einer Dioden-Zelle 120 umfänglich umgeben. Wie aus dem überlagerten gepunkteten Graben-Layout in 9 zu schließen ist, bilden die vertikalen Gräben 20 und 21 sowie die vertikalen Gräben 22 und 23 einen jeweiligen einzelnen verbundenen Graben aus, beispielsweise hohle rechteckige Zylinder.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement 800 ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit IGBT-Zellen 110 und Dioden-Zellen 120, die ein regelmäßiges horizontales Gitter ausbilden, wie in 9 angegeben. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement 800 ferner einen vertikalen Graben 20b, 21b, der bei Betrachtung in einem vertikalen Querschnitt entlang Linie t zwei separate vertikale Gräben 20b, 21b ausbildet, und einen vertikalen Graben 22b, 23b enthalten, der bei Betrachtung in dem vertikalen Querschnitt entlang Linie t zwei separate vertikale Gräben 22b, 23b ausbildet. Der vertikale Querschnitt entlang Linie t kann einer horizontal gespiegelten Zeichnung von 8 entsprechen.
  • 10 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterelements 900 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 900 gleicht dem Halbleiterbauelement 700 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Das Halbleiterbauelement 900 enthält außerdem einen Floating-Body-Bereich 2c, der vertikal tiefer in den Basisbereich 1 verläuft. Der Floating-Body-Bereich 2c verläuft jedoch vertikal nicht so tief in den Basisbereich 1 wie die vertikalen Gräben 20, 21, 22 und 23. Die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs 2 und des Floating-Body-Bereichs 2a kann im Wesentlichen gleich sein. Zudem können der Floating-Body-Bereich 2c und der Body-Bereich 2 in dieselbe vertikale Tiefe verlaufen. Dementsprechend kann die Fertigung des Halbleiterbauelements 900 erleichtert sein.
  • 11 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 650 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 650 gleicht dem Halbleiterbauelement 600 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Das Halbleiterbauelement 650 enthält ebenfalls Floating-Body-Bereiche 2c. Die Floating-Body-Bereiche 2c verlaufen jedoch vertikal im Wesentlichen so tief in den Basisbereich 1 wie der Body-Bereich 2 und der Anodenbereich 2a.
  • In der beispielhaften Ausführungsform, die in 11 dargestellt ist, sind drei Floating-Body-Bereiche 2c zwischen jeweiligen Gräben 21, 22, 23 und 24 mit isolierten Gate-Elektroden 12 angeordnet. Der Floating-Body-Bereich 2c und der Body-Bereich 2 können in gemeinsamen Prozessen gefertigt werden. Dementsprechend kann die Fertigung des Halbleiterbauelements 650 erleichtert sein.
  • 12 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 150 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 150 gleicht dem Halbleiterbauelement 100 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Jedoch enthalten die IGBT-Zellen 110 und die Dioden-Zellen 120 des Halbleiterbauelements 150 anstelle von Graben-Gate-Elektroden Gate-Elektroden 12, die durch jeweilige Gate-Dielektrikumbereiche 8 isoliert sind, welche auf der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement 150 kann beispielsweise aus einer DMOS-Struktur (doppelt diffundierter Metalloxid-Halbleiter) ausgebildet sein.
  • 13 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 350 in einem Teilabschnitt eines vertikalen Querschnitts dar. Das Halbleiterbauelement 350 gleicht dem Halbleiterbauelement 300 und kann ebenfalls als Reverse Conducting IGBT betrieben sein. Jedoch enthalten die IGBT-Zellen 110 und die Dioden-Zellen 120 des Halbleiterbauelements 350 anstelle von Graben-Gate-Elektroden Gate-Elektroden 12, die durch jeweilige Gate-Dielektrikumbereiche 8 isoliert sind, welche auf der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement 350 kann beispielsweise aus einer DMOS-Struktur ausgebildet sein.
  • Abstandhalter-Zellen mit einem p-Floating-Halbleiterbereich, wie sie unter Bezugnahme auf 6 bis 11 erläutert sind, können ebenfalls für Halbleiterbauelemente mit Gate-Elektroden, die auf der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet sind, benutzt sein. Zudem gelten Dotierungsverhältnisse und geometrische Eigenschaften der Halbleiterbereiche, wie sie unter Bezugnahme auf 1 bis 11 erläutert sind, typischerweise ebenfalls für Halbleiterbauelemente mit Gate-Elektrode, die auf der horizontalen Hauptfläche 15 angeordnet ist.
  • Räumlich relative Begriffe wie ”unter”, ”unterhalb”, ”untere/r/s”, ”über”, ”obere/r/s” und dergleichen sind der Einfachheit der Beschreibung halber zur Erläuterung der Positionierung von einem Element bezüglich eines zweiten Elements verwendet. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen des Bauelements neben anderen Ausrichtungen als denen, die in den Figuren dargestellt sind, erfassen. Ferner sind Begriffe wie etwa ”erste/r/s”, ”zweite/r/s” und dergleichen zum Beschreiben verschiedener Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. verwendet und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hierin verwendet sind Begriffe wie ”aufweisen”, ”enthalten”, ”beinhalten”, ”umfassen” und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein angeführter Elemente oder Merkmale angeben, zusätzliche Elemente oder Merkmale jedoch nicht ausschließen. Die Artikel ”ein/e” und ”der/die/das” sollen Plural wie auch Singular angeben, solange der Kontext dies nicht deutlich anders angibt.
  • Unter Berücksichtigung der obigen Reichweite von Variationen und Anwendungen ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorstehende Beschreibung noch durch die beiliegenden Zeichnungen eingeschränkt ist. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente eingeschränkt.

Claims (25)

  1. Halbleiterbauelement, umfassend: einen Halbleiterkörper (40), umfassend einen Basisbereich (1) einer ersten Leitfähigkeitsart und eine horizontale Hauptfläche (15); eine erste Elektrode (10), die auf der horizontalen Hauptfläche (15) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (40) in einem vertikalen Querschnitt ferner Folgendes umfasst: eine IGBT-Zelle (110), umfassend einen Body-Bereich (2) einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang (9) mit dem Basisbereich (1) ausbildet; und eine Dioden-Zelle (120), umfassend einen Anodenbereich (2a) der zweiten Leitfähigkeitsart, der einen zweiten pn-Übergang (9a) mit dem Basisbereich (1) ausbildet; und einen Source-Bereich (3) der ersten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) und einen Anti-Latch-Up-Bereich (4) der zweiten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10), der im vertikalen Querschnitt nur in der IGBT-Zelle (110) ausgebildet ist, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) eine Dotierungshöchstkonzentration umfasst, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der IGBT-Zelle (110) und der Dioden-Zelle (120) einen vertikalen Graben aufweisen, der eine erste Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der IGBT-Zelle (110) und der Dioden-Zelle (120) eine erste Gate-Elektrode (12) umfasst, die auf der horizontalen Hauptfläche (15) angeordnet ist und durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) mindestens zweimal höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs (2a) ist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) vertikal tiefer in den Body-Bereich (2) als der Source-Bereich (3) verläuft.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierungshöchstkonzentration des Anti-Latch-Up-Bereichs (4) mindestens zehnmal höher als die Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zusätzlichen Anti-Latch-Up-Bereich (4) der zweiten Leitfähigkeitsart in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10), wobei der zusätzliche Anti-Latch-Up-Bereich (4) in einem weiteren vertikalen Querschnitt an den Anodenbereich (2a) anstößt.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zweite Elektrode (11), die der ersten Elektrode (10) gegenüberliegend und in ohmschem Kontakt mit dem Basisbereich (1) angeordnet ist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, ferner umfassend einen potentialfreien Halbleiterbereich (2c) der ersten Leitfähigkeitsart, der zwischen der zweiten Elektrode und dem Basisbereich (1) angeordnet ist und eine Dotierungshöchstkonzentration umfasst, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Basisbereichs (1) ist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei sich der potentialfreie Halbleiterbereich (2c) und der Anodenbereich (2a) in einer Projektion auf eine horizontale Ebene überdecken.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement mehrere IGBT-Zellen (110) und/oder Dioden-Zellen (120) umfasst.
  12. IGBT mit integrierter Freilaufdiode, umfassend: einen Halbleiterkörper (40), umfassend einen Basisbereich (1) einer ersten Leitfähigkeitsart und eine horizontalen Hauptfläche (15); eine erste Elektrode (10), die auf der horizontalen Hauptfläche (15) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (40) in einem vertikalen Querschnitt ferner Folgendes umfasst: einen ersten vertikalen Graben (20), der eine erste Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen zweiten vertikalen Graben (21), der eine zweite Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen dritten vertikalen Graben (22), der eine dritte Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen Body-Bereich (2) einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang (9) mit dem Basisbereich (1) ausbildet und zwischen dem ersten vertikalen Graben (20) und dem zweiten vertikalen Graben (21) verläuft; einen Source-Bereich (3) der ersten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und zwischen dem ersten vertikalen Graben (20) und dem zweiten vertikalen Graben (21) angeordnet ist; einen Anodenbereich (2a) der zweiten Leitfähigkeitsart, der einen gleichrichtenden pn-Übergang nur mit dem Basisbereich (1) ausbildet und an den dritten vertikalen Graben (22) angrenzt; und einen Anti-Latch-Up-Bereich (4) der zweiten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und eine Dotierungshöchstkonzentration aufweist, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) ist, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) vertikal tiefer in den Body-Bereich (2) als der Source-Bereich (3) verläuft, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) nur zwischen dem ersten vertikalen Graben (20) und dem zweiten vertikalen Graben (21) angeordnet ist.
  13. IGBT nach Anspruch 12, wobei die Dotierungshöchstkonzentration des Anti-Latch-Up-Bereichs (4) mindestens zehnmal höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Anodenbereichs (2a) ist.
  14. IGBT nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Anodenbereich (2a) zwischen dem zweiten vertikalen Graben (21) und dem dritten vertikalen Graben (22) verläuft.
  15. IGBT nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend einen potentialfreien Halbleiterbereich (2c) der zweiten Leitfähigkeitsart, der zwischen dem zweiten vertikalen Graben (21) und dem dritten vertikalen Graben (22) verläuft.
  16. IGBT nach Anspruch 15, wobei der potentialfreie Halbleiterbereich (2c) vertikal tiefer in den Basisbereich (1) als der Body-Bereichs (2), der Anodenbereich (2a), der erste vertikale Graben (20), der zweite vertikale Graben (21) und/oder der dritte vertikale Graben (22) verläuft.
  17. IGBT mit integrierter Freilaufdiode, umfassend: einen Halbleiterkörper (40), umfassend einen Basisbereich (1) einer ersten Leitfähigkeitsart und eine horizontale Hauptfläche (15); eine erste Elektrode (10), die auf der horizontalen Hauptfläche (15) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (40) in einem vertikalen Querschnitt ferner Folgendes umfasst: eine erste Gate-Elektrode (12), die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; eine zweite Gate-Elektrode (12), die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen Body-Bereich (2) einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang (9) mit dem Basisbereich (1) ausbildet, wobei der Body-Bereich (2) an den Gate-Dielektrikumbereich (8) der ersten Gate-Elektrode (12) und den Gate-Dielektrikumbereich (8) der zweiten Gate-Elektrode (12) angrenzt; einen Source-Bereich (3) der ersten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und an den Gate-Dielektrikumbereich (8) der ersten Gate-Elektrode (12) angrenzt; und einen Anti-Latch-Up-Bereich (4) der zweiten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und eine Dotierungshöchstkonzentration aufweist, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) ist, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) in einem ersten Mindestabstand zu dem Gate-Dielektrikumbereich (8) der ersten Gate-Elektrode (12) und in einem zweiten Mindestabstand zu dem Gate-Dielektrikumbereich (8) der zweiten Gate-Elektrode (12) angeordnet ist, wobei der zweite Mindestabstand größer als der erste Mindestabstand ist.
  18. IGBT nach Anspruch 17, wobei der zweite Mindestabstand mindestens 100% größer als der erste Mindestabstand ist.
  19. IGBT nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Body-Bereich (2) einen ersten Abschnitt (2b), der sich in einer Projektion auf eine horizontale Ebene mit dem Source-Bereich (3) und dem Anti-Latch-Up-Bereich (4) überdeckt, und einen zweiten Abschnitt (2a), der in der Projektion auf die horizontale Ebene von dem Source-Bereich (3) und dem Anti-Latch-Up-Bereich (4) beabstandet ist, umfasst, wobei eine Dotierungshöchstkonzentration des ersten Abschnitts (2b) höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des zweiten Abschnitts (2a) ist.
  20. IGBT nach Anspruch 19, wobei die Dotierungshöchstkonzentration des ersten Abschnitts (2b) mindestens zweimal höher als die Dotierungshöchstkonzentration des zweiten Abschnitts (2a) ist.
  21. IGBT nach Anspruch 19 oder 20, wobei sich der erste Abschnitt (2b) vertikal tiefer in den Basisbereich (1) als der zweite Abschnitt (2a) erstreckt.
  22. IGBT nach Anspruch 19, wobei sich der zweite Abschnitt (2a) bis zur ersten Elektrode (10) erstreckt.
  23. IGBT nach Anspruch 17, wobei mindestens eine der ersten Gate-Elektrode (12) und der zweiten Gate-Elektrode (12) in einem jeweiligen vertikalen Graben (20, 21) angeordnet sind.
  24. IGBT mit integrierter Freilaufdiode, umfassend: einen Halbleiterkörper (40), umfassend einen Basisbereich (1) einer ersten Leitfähigkeitsart und eine horizontale Hauptfläche (15); eine erste Elektrode (10), die auf der horizontalen Hauptfläche (15) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (40) in einem vertikalen Querschnitt ferner Folgendes umfasst: einen ersten vertikalen Graben (20), der eine erste Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen zweiten vertikalen Graben (21), der eine zweite Gate-Elektrode (12) umfasst, die durch einen Gate-Dielektrikumbereich (8) isoliert ist; einen Body-Bereich (2) einer zweiten Leitfähigkeitsart, der einen ersten pn-Übergang (9) mit dem Basisbereich (1) ausbildet, wobei der Body-Bereich (2) zu der ersten Elektrode (10) und zwischen dem ersten vertikalen Graben und dem zweiten vertikalen Graben verläuft; einen Source-Bereich (3) der ersten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und an den Gate-Dielektrikumbereich (8) der ersten Gate-Elektrode (12) angrenzt; und einen Anti-Latch-Up-Bereich (4) der zweiten Leitfähigkeitsart, der in ohmschem Kontakt mit der ersten Elektrode (10) steht und eine Dotierungshöchstkonzentration umfasst, die höher als eine Dotierungshöchstkonzentration des Body-Bereichs (2) ist, wobei sich der Anti-Latch-Up-Bereich (4) vertikal tiefer in den Body-Bereich (2) erstreckt als der Source-Bereich (3).
  25. IGBT nach Anspruch 24, wobei der Anti-Latch-Up-Bereich (4) in einem ersten Mindestabstand zu dem Gate-Dielektrikumbereich (8) der ersten Gate-Elektrode (12) und in einem zweiten Mindestabstand zu dem Gate-Dielektrikumbereich (8) der zweiten Gate-Elektrode (12) angeordnet ist, wobei der zweite Mindestabstand mindestens zweimal größer als der erste Mindestabstand ist.
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