DE102014114100B4 - Igbt mit reduzierter rückwirkungskapazität - Google Patents

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Abstract

IGBT mit wenigstens einer Transistorzelle von einem ersten Typ und wenigstens einer Transistorzelle von einem zweiten Typ, die jeweils aufweisen:eine Basiszone (11), eine erste Emitterzone (12), eine Bodyzone (13) und eine zweite Emitterzone (15), wobei die Bodyzone (13) zwischen der ersten Emitterzone (12) und der Basiszone (11) angeordnet ist, und wobei die Basiszone (11) zwischen der Bodyzone (13) und der zweiten Emitterzone (15) angeordnet ist;eine Gateelektrode (21), die zu der Bodyzone (13) benachbart und durch ein Gatedielektrikum (22) von der Bodyzone (13) dielektrisch isoliert ist; undeine Basiselektrode (31), die zu der Basiszone (11) benachbart und durch ein Basiselektrodendielektrikum (32) von der Basiszone (11) dielektrisch isoliert ist;wobei die Basiszone (11) einen ersten Basiszonenabschnitt (11), der an das Basiselektrodendielektrikum (32) angrenzt, und einen zweiten Basiszonenabschnitt (11), der zwischen der zweiten Emitterzone (15) und dem ersten Basiszonenabschnitt (11) angeordnet ist,wobei in der Basiszone (11) der wenigstens einen Transistorzelle des ersten Typs eine Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts größer ist als eine Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts (11), undwobei in der Basiszone (11) der Transistorzelle des zweiten Typs der erste Basiszonenabschnitt eine Dotierungskonzentration aufweist, die geringer ist als diejenige des ersten Basiszonenabschnitts (11) der Transistorzelle vom ersten Typ.

Description

  • Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen einen IGBT.
  • Ein IGBT ist ein bipolares Transistorbauelement, das als elektronischer Schalter zum Schalten einer elektrischen Last verwendet werden kann. Ein IGBT kann mit einer Sperrspannungsfestigkeit von bis zu mehreren Kilovolt (kV) implementiert werden.
  • Ein IGBT weist eine Gateelektrode auf, die zu einer Bodyzone benachbart und durch ein Gatedielektrikum von der Bodyzone dielektrisch isoliert ist. Die Bodyzone von einem zweiten Dotierungstyp separiert eine erste Emitterzone (Sourcezone) von einer Basiszone (Driftzone). Der IGBT enthält weiterhin eine zweite Emitterzone (Drainzone) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp. In einem eingeschalteten Zustand des IGBTs erzeugt die Gateelektrode in der Bodyzone einen leitenden Kanal entlang des Gatedielektrikums, so dass die erste Emitterzone Ladungsträger von einem ersten Typ durch den leitenden Kanal in die Basiszone injiziert, und dass die zweite Emitterzone Ladungsträger von einem zweiten Typ in die Basiszone injiziert. Die Ladungsträger vom ersten Typ und vom zweiten Typ bilden in der Basiszone ein Ladungsträgerplasma. Dieses Ladungsträgerplasma bewirkt einen relativ geringen Einschaltwiderstand des IGBTs. Beispielsweise liegt im eingeschalteten Zustand die Spannung zwischen einem ersten Emitteranschluss und einem zweiten Emitteranschluss eines IGBTs mit einer Sperrspannungsfestigkeit von etwa 1200 V lediglich zwischen 1 V und 3 V.
  • Wenn der IGBT vom ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand schaltet, unterbricht die Gateelektrode den leitenden Kanal in der Bodyzone. Dies lässt ein elektrisches Potential der zweiten Emitterzone relativ zu einem elektrischen Potential der ersten Emitterzone ansteigen. Da allerdings das elektrische Potential der zweiten Emitterzone ansteigt, kann eine Kapazität (häufig als Rückwirkungskapazität bezeichnet) zwischen der Gateelektrode und der zweiten Emitterzone (welche einer Kapazität zwischen der Gateelektrode und der Basis-Emitter-Zone entspricht) bewirken, dass die Gateelektrode derart aufgeladen wird, dass der IGBT in unerwünschter Weise erneut schaltet.
  • Die US 2006 / 0 145 230 A1 zeigt in 2 einen MOSFET mit mehreren Transistorzellen, die jeweils eine in einem Graben eines Halbleiterkörpers angeordnete vergrabene Elektrode aufweisen. Die einzelnen vergrabenen Elektroden sind durch eine Dielektrikumsschicht von einer Driftzone isoliert, wobei die Driftzone in Abschnitten zwischen den Gräben höher dotiert ist als unterhalb der Gräben.
  • Die US 2011/0 303 925 A1 beschreibt einen MOSFET mit mehreren Transistorzellen, die jeweils eine in einem Graben eines Halbleiterkörpers angeordnete vergrabene Elektrode aufweisen. Die einzelnen vergrabenen Elektroden sind durch eine Dielektrikumsschicht von einer Driftzone isoliert. Die Driftzone weist im Bereich von Böden der Gräben Abschnitte mit einer reduzierten Dotierungskonzentration auf.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen IGBT mit einer verringerten Rückwirkungskapazität bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen IGBT gemäß Anspruch 1 gelöst. Erweiterungen und besondere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung und deren Vorteile sind anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich.
  • Es werden nun Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips erforderlichen Aspekte veranschaulicht sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
    • 1 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 2 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 3 veranschaulicht eine horizontale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
    • 4 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 5 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines IGBTs, der mit verschiedenen Arten von Transistorzellen implementiert ist;
    • 6 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines IGBTs, der mit verschiedenen Arten von Transistorzellen implementiert ist;
    • 7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines IGBTs, der mit verschiedenen Arten von Transistorzellen implementiert ist;
    • 8 veranschaulicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines IGBTs, der mit verschiedenen Arten von Transistorzellen implementiert ist;
    • 9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer vergrabenen Halbleiterzone in einem IGBT;
    • 10A - 10B veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer vergrabenen Halbleiterzone in einem IGBT.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand der Illustration spezieller Ausführungsbeispiele, auf welche Weise die Erfindung realisiert werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der vorangehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
  • 1 veranschaulicht eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der IGBT enthält einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101 und einer der ersten Oberfläche 101 entgegengesetzten zweiten Oberfläche 102. 1 zeigt einen Abschnitt des IGBTs in einer vertikalen Schnittebene, die senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 verläuft.
  • Bezug nehmend auf 1 weist der IGBT eine Basiszone 11 (die ebenso als Driftzone bezeichnet werden kann) auf, eine erste Emitterzone 12 (die ebenso als Sourcezone bezeichnet werden kann), eine Bodyzone 13, sowie eine zweite Emitterzone 15 (die ebenso als Drainzone bezeichnet werden kann). Die Bodyzone 13 ist zwischen der ersten Emitterzone 12 und der Basiszone 11 in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet, und die Basiszone 11 ist zwischen der Bodyzone 13 und der zweiten Emitterzone 14 angeordnet. Optional kann eine Feldstoppzone 16, die denselben Dotierungstyp aufweist wie die Basiszone 11, aber stärker dotiert ist als die Basiszone 11, zwischen der Basiszone 11 und der zweiten Emitterzone 15 angeordnet sein. Die zweite Emitterzone 15 ist elektrisch an eine Elektrode 42 angeschlossen. Diese Elektrode bildet ein Kollektoranschluss oder ist mit einem Kollektoranschluss C des IGBTs gekoppelt. Optional weist der IGBT wenigstens eine dritte Emitterzone 19 von einem zum Dotierungstyp der zweiten Emitterzone 15 komplementären Dotierungstyp (Leitfähigkeitstyp) auf. Die wenigstens eine dritte Emitterzone 19 ist zwischen die Kollektorelektrode 42 und eine von der Driftzone 11 und der Feldstoppzone 16 gekoppelt. Das heißt, die wenigstens eine dritte Emitterzone ist zu der zweiten Emitterzone 15 elektrisch parallel geschaltet. Bei einem IGBT, der eine dritte Emitterzone 19 aufweist, handelt es sich um einen rückwärts-leitenden (RC) IGBT, da er einen Strom unabhängig von einer an die Gateelektrode 21 angelegten Spannung leiten kann, wenn die Spannung zwischen dem Emitteranschluss E (unten erläutert) und dem Kollektoranschluss C eine bestimmte Polarität (eine positive Spannung, wenn der IGBT ein IGBT vom Typ n ist) aufweist.
  • Eine Gateelektrode 21 ist benachbart zu der Bodyzone 13 angeordnet und durch ein Gatedielektrikum 22 von der Bodyzone 13 dielektrisch isoliert. Der IGBT enthält weiterhin eine Basiselektrode 31, die zur Basiszone 11 benachbart angeordnet ist und die durch ein Basiselektrodendielektrikum 32 von der Basiszone 11 dielektrisch isoliert ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 21 als Grabenelektrode implementiert, die in einem Graben angeordnet ist, der sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt. Die Basiselektrode 31 ist in demselben Graben angeordnet wie die Gateelektrode 21 und, von der ersten Oberfläche 101 aus gesehen, unterhalb der Gateelektrode 21 sowie benachbart zu der Driftzone 11 angeordnet. Allerdings stellt die Implementierung der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 als Grabenelektroden lediglich ein Beispiel dar. Es ist ebenso möglich, die Gateelektrode 21 und die Basiselektrode 31 als planare Elektroden oberhalb der ersten Oberfläche 101 zu implementieren. In diesem Fall erstreckt sich ein Abschnitt der Driftzone 11 zu der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100.
  • Bezug nehmend auf 1 entspricht eine Position eines pn-Übergangs zwischen der Bodyzone 13 und der Driftzone im Wesentlichen der Position eines unteren Endes der Gateelektrode 21. Allerdings könnte der pn-Übergang auch geringfügig oberhalb oder unterhalb (wie beispielsweise +/-1 µm) dem unteren Ende der Gateelektrode 22 angeordnet sein. Das heißt, die Gateelektrode 22 kann sich mit der Driftzone 11 (insbesondere dem nachfolgend erläuterten ersten Driftzonenabschnitt 111) überlappen, oder die Basiselektrode 31 kann sich mit der Bodyzone 13 überlappen.
  • Bei dem in 1 gezeigten IGBT handelt es sich um einen vertikalen IGBT. Das heißt, eine Stromflussrichtung des IGBTs (bei der es sich um eine Richtung handelt, in der der Strom im eingeschalteten Zustand des IGBTs fließt) entspricht im Wesentlichen einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 (bei welcher es sich um eine Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 101 handelt). In diesem Fall ist die Sourcezone 12 in einem Bereich der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet, und die zweite Emitterzone 15 ist im Bereich der zweiten Oberfläche 102 angeordnet.
  • Die erste Emitterzone 12 und die Bodyzone 13 sind elektrisch mit einer Elektrode 41 gekoppelt, die einen Emitteranschluss E des IGBTs bildet oder an ein solches angeschlossen ist, und die Gateelektrode 21 ist mit einem Gateanschluss G des IGBTs gekoppelt. Um für einen ohmschen Kontakt zwischen der Emitter-Elektrode 41 und der Bodyzone 13 zu sorgen, kann eine stärker dotierte Kontaktzone 14 vom selben Dotierungstyp wie die Bodyzone 13 aber stärker dotiert als die Bodyzone 13 zwischen der Bodyzone 13 und der Emitter-Elektrode 41 angeordnet sein.
  • Die erste Emitterzone 12 und die Basiszone 11 weisen einen ersten Dotierungstyp auf, die Bodyzone 13 und die zweite Emitterzone 15 weisen einen zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp auf.
  • Bezug nehmend auf 1 enthält die Basiszone 11 einen ersten Basiszonenabschnitt 111 und einen zweiten Basiszonenabschnitt 112. Der erste Basiszonenabschnitt 111 weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als der zweite Basiszonenabschnitt 112. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Verhältnis N111/N112 zwischen einer maximalen Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 und einer maximalen Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112 wenigstens gleich 10 (N111/N112 ≥ 10). Der erste Basiszonenabschnitt 111 grenzt an das Basiselektrodendielektrikum 32 an, und er kann (wie gezeigt) an die Bodyzone 13 angrenzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Basiszonenabschnitt 111 bis unter einen Boden des Grabens, in dem die Gateelektrode 21 und die Basiselektrode 31 angeordnet sind. Das heißt, der erste Basiszonenabschnitt 111 kann sich, wie von der ersten Oberfläche 101 gesehen, tiefer in den Halbleiterkörper 100 erstrecken als der Graben mit der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der zweite Basiszonenabschnitt 112 zu der dem ersten Basiszonenabschnitt 111 nächstgelegenen Bodyzone 13. Allerdings grenzt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (in 1 anhand gestrichelter Linien veranschaulicht) von der Basiszone 11 nur der erste Basiszonenabschnitt 111 an die Bodyzone 13 an. Das heißt, der zweite Basiszonenabschnitt 112 ist durch den ersten Basiszonenabschnitt 111 von der Bodyzone 13 separiert.
  • Eine Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 beträgt, beispielsweise, zwischen 1•1014 cm-3 und 1•1017 cm-3, insbesondere zwischen 5•1015 cm-3 und 5•1016 cm-3. Die Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112 beträgt, beispielsweise, zwischen 1•1013 cm-3 und1•1016 cm-3. Die Dotierungskonzentration der ersten und zweiten Emitterzonen 12, 15 beträgt, beispielsweise, zwischen 1•1016 cm-3 und 1•1021 cm-3, und die Dotierungskonzentration der Bodyzone 13 beträgt, beispielsweise zwischen1•1017 cm-3 und 1•1019 cm-3.
  • Bezug nehmend auf 1 kann die Bodyzone 13 benachbart zu nur einer Seitenwand des Grabens mit der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 angeordnet sein, während die Driftzone 11 benachbart ist zu der der Bodyzone 13 entgegengesetzten Seitenwand. Optional befindet sich eine floatende Halbleiterzone 17 von einem zur Basiszone 11 komplementären Dotierungstyp benachbart zu der der Bodyzone 13 entgegengesetzten Seitenwand. Diese floatende Halbleiterzone 17 kann sich von der ersten Oberfläche 101 (wie in 1 anhand gestrichelter Linien veranschaulicht) bis unterhalb des Bodens des Grabens erstrecken.
  • Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Basiselektrode 31 elektrisch mit der Gateelektrode 21 verbunden. Im Besonderen können die Gateelektrode 21 und die Basiselektrode 31 als eine Elektrode implementiert sein, wobei ein erster (oberer) Abschnitt dieser Elektrode, der benachbart ist zur Bodyzone 13, die Gateelektrode 21 bildet, und ein zweiter (unterer) Abschnitt dieser Elektrode, der zur Basiszone 11 benachbart ist, bildet die Basiselektrode 31. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist diese Elektrode von einem Metall und einem polykristallinen Halbleitermaterial wie beispielsweise dotiertes oder undotiertes Polysilizium wenigstens eines auf.
  • In 1 bezeichnet d1 eine Dicke d1 des Basiselektrodendielektrikums 32, und d2 bezeichnet eine Dicke des Gatedielektrikums 22. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Basiselektrodendielektrikum 32 dicker als das Gatedielektrikum 22 (d1 > d2). Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis d1/d2 zwischen diesen beiden Dicken zwischen 1,2 und 5, insbesondere zwischen 1,5 und 5. In 1 ist d1 die Dicke des Basiselektrodendielektrikums 32 entlang einer Seitenwand des Grabens unterhalb des Gatedielektrikums 22, und d4 bezeichnet eine Dicke des Basiselektrodendielektrikums am Boden des Grabens. Diese Dicke d4 am Boden ist dicker als das Gatedielektrikum 22 und beträgt wenigstens das 1,2-fache der Dicke d2 des Gatedielektrikums (d4 ≥ 1,2d2). Die Dicke d4 am Boden kann der ersten Dicke d1 entsprechen (d4 = d1), oder sie kann dicker sein (d4 > d1). Weiterhin bezeichnet d3 eine Dicke einer dielektrischen Schicht 23, die die Gateelektrode 21 und die Basiselektrode 31 von der Driftzone 11 oder der optionalen floatenden Zone 17 an der Grabenseitenwand gegenüberliegend der Bodyzone dielektrisch isoliert. Die Dicke d3 dieser dielektrischen Schicht 23 kann der Dicke d2 des Gatedielektrikums 22 entsprechen, oder dicker sein (d3 ≥ d2). Es ist ebenso möglich, dass die Dicke d3 der dielektrischen Schicht 23 der Dicke des Basiselektrodendielektrikums entspricht (d3 = d1), oder sie kann dicker sein (d3 > d1).
  • Die Bodyzone 13 und die Basiszone 14 bilden einen pn-Übergang. Der Graben mit der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 erstreckt sich über diesen pn-Übergang hinaus in die Basiszone 11, wobei die Basiselektrode 31 unterhalb des pn-Übergangs in dem Graben angeordnet ist. In 1 bezeichnet d5 eine Länge des Grabenabschnitts, der sich über den pn-Übergang hinaus in die Basiszone 11 erstreckt, und d6 bezeichnet eine Abmessung des ersten Basiszonenabschnitts 111 in der Richtung, in der sich der Graben in die Basiszone 11 hinein erstreckt. Diese Richtung wird nachfolgend als Stromflussrichtung bezeichnet und entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Graben einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Allerdings ist es ebenso möglich, dass der Graben und damit das Basiselektrodendielektrikum 32 in einem Bereich benachbart zur Driftzone 11 abgerundete Ecken aufweist.
  • Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist d5 < d6. Das heißt, der erste Basiszonenabschnitt 111 erstreckt sich von dem pn-Übergang bis unterhalb eines Bodens des Grabens. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist d6 = d5, oder sogar d6 < d5, wobei im zuletzt genannten Fall der erste Basiszonenabschnitt 111 zwischen dem pn-Übergang und dem Boden des Grabens endet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt d5 etwa 2 Mikrometer (µm), und d6 beträgt zwischen etwa 1 Mikrometer und 4 Mikrometer.
  • Eine Abmessung d8 eines ersten Basiszonenabschnitts 111 in einer Richtung senkrecht zur Seitenwand des Grabens liegt, beispielsweise, zwischen wenigstens 10 Nanometern (nm) und 50 Nanometern. Allerdings ist es Bezug nehmend auf die obige Erläuterung ebenso möglich, dass sich der erste Basiszonenabschnitt 111 entlang der gesamten Bodyzone 13 in der Richtung senkrecht zur Seitenwand des Grabens erstreckt, so dass der pn-Übergang zwischen der Bodyzone 13 und der Basiszone 11 nur zwischen der Bodyzone 13 und dem ersten Basiszonenabschnitt 111 ausgebildet ist.
  • Eine Art, den in 1 veranschaulichten IGBT zu betreiben, wird nachfolgend erläutert. Lediglich zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei dem IGBT um ein Bauelement vom Typ n handelt. Das heißt, die erste Emitterzone 12 und die Basiszone 11 sind n-dotiert, während die Bodyzone 13 und die zweite Emitterzone 15 p-dotiert sind. Weiterhin wird angenommen, dass es sich bei dem IGBT um ein Anreicherungs-Bauelement handelt. Das heißt, der IGBT befindet sich nur in einem eingeschalteten Zustand, wenn die Gateelektrode 21 in der Bodyzone 13 entlang des Gatedielektrikums 22 einen Inversionskanal erzeugt.
  • Allerdings ist es ebenso möglich, den IGBT als Anreicherungs-Bauelement vom Typ p zu implementieren, oder als Verarmungs-Bauelement vom Typ n oder vom Typ p. Bei einem Verarmungs-Bauelement gibt es in der Bodyzone 13 entlang des Gatedielektrikums 22 eine Kanalzone vom selben Leitungstyp wie die Sourcezone 12. Dieses Bauelement befindet sich im eingeschalteten Zustand, wenn die Gate-Emitter-Spannung Null ist, und es kann ausgeschaltet werden, indem ein elektrisches Potential derart an die Gateelektrode 21 angelegt wird, dass die Kanalzone von Ladungsträgern ausgeräumt ist. Bei einem IGBT vom Typ n ist das elektrische Potential, das an die Gateelektrode 21 angelegt werden muss, um den IGBT auszuschalten, relativ zum elektrischen Potential der Sourcezone 12 negativ, und bei einem IGBT vom Typ p ist dieses elektrische Potential relativ zum elektrischen Potential der Sourcezone 12 positiv.
  • Wie ein herkömmlicher IGBT kann der in 1 gezeigte IGBT durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an die Gateelektrode 21 über das Gateanschluss G ein- und ausgeschaltet werden. Der IGBT befindet sich in einem eingeschalteten Zustand wenn an die Gateelektrode 21 ein elektrisches Potential angelegt wird, das einen leitenden Kanal (bei einem Anreicherungs-IGBT einen Inversionskanal) in der Bodyzone 13 zwischen der ersten Emitterzone 12 und der Basiszone 11 erzeugt. Wenn im eingeschalteten Zustand eine (positive) Spannung zwischen die Kollektor- und Emitteranschlüsse C, E angelegt wird, werden Ladungsträger vom Typ n (Elektronen) durch den Inversionskanal entlang des Gatedielektrikums 22 in die Basiszone 11 injiziert und fließen zu der zweiten Emitterzone 15, und Ladungsträger vom Typ p (Löcher) werden durch die zweite Emitterzone 15 in die Basiszone 11 injiziert und fließen zu der Bodyzone 13 bzw. dem Emitteranschluss E. Durch die Anwesenheit von Ladungsträgern vom Typ p und von Ladungsträgern vom Typ n in der Basiszone 11 kommt es in der Basiszone 11 zu einem Ladungsträgerplasma, das für geringe Leitungsverluste des IGBTs verantwortlich ist.
  • Bei einem Bauelement vom Typ n ist das elektrische Potential, das an die Gateelektrode 21 angelegt werden muss, um den IGBT einzuschalten, ein positives Potential bezüglich des elektrischen Potentials der ersten Emitterzone 12 bzw. des Emitteranschlusses E. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Gate-Emitter-Spannung, die den IGBT einschaltet, beispielsweise zwischen 10 V und 15 V.
  • Wenn der IGBT ausschaltet, das heißt, wenn der leitende Kanal in der Bodyzone 13 unterbrochen wird (beispielsweise indem die Gate-Emitter-Spannung auf Null gesetzt wird), und wenn noch eine positive Spannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlusses C, E vorliegt, breitet sich ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 13 und der Basiszone 11 eine Raumladungszone (Verarmungszone) in der Basiszone 11 aus. In diesem Betriebszustand kann das elektrische Potential am Kollektoranschluss C relativ zu den elektrischen Potentialen an den Gate- und Emitteranschlüssen G, E ansteigen. Bezug nehmend auf 1 ist die Gateelektrode 21 durch das Basiselektrodendielektrikum 32 und die Basiselektrode 31 kapazitiv an die Basiszone 11 bzw. die zweite Emitterzone 15 gekoppelt. Allerdings ist diese kapazitive Kopplung aufgrund des relativ dicken Basiselektrodendielektrikums 32 schwächer als bei einem herkömmlichen IGBT, bei dem sich die Gateelektrode 21 in die Basiszone erstreckt und durch das Gatedielektrikum von der Basiszone dielektrisch isoliert ist. Diese schwächere kapazitive Kopplung der zweiten Emitterzone 15 an die Gateelektrode ist äquivalent zu einer relativ geringen Gate-Emitter-(Gate-Drain)-Kapazität und hilft, das Risiko zu verringern, dass ein Anstieg des elektrischen Potentials am Kollektoranschluss C bewirken kann, dass die Gateelektrode 21 kapazitiv geladen wird, so dass der Inversionskanal in der Bodyzone 13 erneut eingeschaltet wird.
  • Weiterhin hilft das relativ dicke Basiselektrodendielektrikum, das die Basiselektrode 31 von der Driftzone 11 separiert, das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs des Basiselektrodendielektrikums 32 zu verringern, wenn der IGBT vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand schaltet.
  • Im eingeschalteten Zustand des IGBTs gibt es in der Basiszone 11 entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 einen Akkumulationskanal. Dieser Akkumulationskanal sorgt für einen niederohmigen Strompfad für Ladungsträger in der Basiszone 11 entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 und hilft deshalb, den elektrischen Widerstand (die Spannung zwischen den Emitter- und Kollektoranschlüssen E, C) des IGBTs im eingeschalteten Zustand zu reduzieren. Allerdings ist dieser Akkumulationskanal wegen des relativ dicken Basiselektrodendielektrikums 32 schwächer (eine Ladungsträgerkonzentration entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 ist geringer) als bei einem herkömmlichen IGBT, bei dem sich die Gateelektrode in die Basiszone hinein erstreckt und durch das Gatedielektrikum von der Basiszone dielektrisch isoliert ist.
  • Um diesen schwächeren Akkumulationskanal auszugleichen, enthält die Basiszone 11 des in 1 gezeigten IGBTs den stärker dotierten ersten Basiszonenabschnitt 111 entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 und angrenzend an die Bodyzone 13. Wenn allerdings die Dotierungskonzentration dieses ersten Basiszonenabschnitts 111 zu hoch ist, kann sich die Sperrspannungsfestigkeit des IGBTs verringern. Daher gibt es bei einer vorgegebenen Dicke des Basiselektrodendielektrikums 32 einen Zielkonflikt zwischen dem Einschaltwiderstand und der Sperrspannungsfestigkeit des IGBTs. Das heißt, der Einschaltwiderstand kann durch Erhöhen der Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 verringert werden, wobei diese Erhöhung der Dotierungskonzentration eine verringerte Sperrspannungsfestigkeit zur Folge haben kann.
  • Bezug nehmend auf die obige Erläuterung verringert sich der Einschaltwiderstand (die Sättigungsspannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E) des IGBTs mit ansteigender Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111. Allerdings kann sich die Sperrspannungsfestigkeit mit ansteigender Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 verringern. Daher gibt es einen Dotierungspegel des ersten Basiszonenabschnitts 111, der zu einem verringerten Einschaltwiderstand führt (im Vergleich zu dem Fall, in dem die ersten und zweiten Basiszonenabschnitte 111, 112 dieselben Dotierungskonzentrationen aufweisen), aber bei dem es keine signifikante Verringerung der Sperrspannungsfestigkeit gibt. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf zwei auf Simulationen basierenden Beispielen erläutert.
  • Ein erstes Beispiel, das nachfolgend als Referenz bezeichnet wird, betrifft einen herkömmlichen IGBT, der eine Topologie ähnlich zu der in 1 gezeigten Topologie aufweist, der sich allerdings von der in 1 gezeigten Topologie dadurch unterscheidet, dass die Basiszone eine im Wesentlichen homogene Dotierungskonzentration (d.h. eine Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 entspricht einer Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112) aufweist, sowie dadurch, dass sich die Gateelektrode 21 in die Basiszone 11 hinein erstreckt und durch das Gatedielektrikum (dies ist gleichbedeutend damit, dass in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel d1 = d2) von der Basiszone dielektrisch isoliert ist. Die Parameter des Referenzbauelements sind:
    • N111 = N112 = 1•1014 cm-3
    • d1 = d2 = 100nm
    • VCEsat = 1,40 V
    • Maximale elektrische Feldstärken am Boden des Grabens: 410 kV/cm
    • VCEmax = 1150 V
    • d6 = 2 µm (Mikrometer)
    • d7 = 90 µm.
  • VCEmax ist die maximale Sperrspannungsfestigkeit, und VCEsat ist die Spannung zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen C, E des IGBTs in einem eingeschalteten Zustand, wenn ein Strom im Einklang mit dem Strom-Nennwert durch den IGBT fließt. Die Abmessung d7 ist die Länge des zweiten Driftzonenabschnitts 112 in der Stromflussrichtung, welches der kürzeste Abstand zwischen dem ersten Driftzonenabschnitt 111 und der zweiten Emitterzone 15 bzw. der Feldstoppzone 16 ist.
  • Bezug nehmend auf die vorangehenden Erläuterungen können die Gate-Emitter-(Gate-Drain)-Kapazität und die maximale elektrische Feldstärke am Boden des Grabens, die während der Abschaltphase auftreten, reduziert werden, indem das Basiselektrodendielektrikum 32 dicker gemacht wird als das Gatedielektrikum 22. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist:
    • d1 = 3,5*d2
    • N111 = 100*N112
  • Das heißt, das Basiselektrodendielektrikum 32 weist eine Dicke d1 auf, die das 3,5-fache einer Dicke d2 des Gatedielektrikums 22 beträgt, und es gibt einen ersten Basiszonenabschnitt 111, der eine Dotierungskonzentration aufweist, die das 100-fache einer Dotierung des zweiten Basiszonenabschnitts 112 aufweist. Dieses Bauelement besitzt die folgenden elektrischen Parameter:
    • VCEsat = 1,415 V
    • VCEmax = 1120 V
    • Maximales elektrisches Feld am Boden des Grabens: 380 kV/cm.
  • Daher führt das Basiselektrodendielektrikum 32, das dicker ist als dass Gatedielektrikum 22, zu einer verringerten maximalen elektrischen Feldstärke am Boden des Grabens. Weiterhin verringert dieses dickere Basiselektrodendielektrikum 32 die Gate-Emitter-Kapazität, was die Schaltgeschwindigkeit des IGBTs erhöht und das Risiko verringert, dass der IGBT während des Ausschaltprozesses eingeschaltet wird. Ein Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 ist schwächer als bei dem Referenzbauelement. Allerdings kompensiert der erste Basiszonenabschnitt 111, der eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als der zweite Basiszonenabschnitt 112, diesen schwächeren Akkumulationskanal weitgehend. Das heißt, die Sättigungsspannung des Bauelements mit dem dickeren Basiselektrodendielektrikum 32 ist lediglich 15 mV höher als die Sättigungsspannung des Referenzbauelements (1,415 V im Vergleich zu 1,40 V beim Referenzbauelement), und die Sperrspannungsfestigkeit ist nicht signifikant verringert (1120 V im Vergleich 1150 V beim Referenzbauelement).
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel (in 1 anhand gepunkteter Linien veranschaulicht) weist der IGBT weiterhin wenigstens eine Kompensationszone von einem zum Dotierungstyp der Basiszone 11 komplementären Dotierungstyp auf. Die wenigstens eine Kompensationszone 18 ist elektrisch an die Bodyzone 13 bzw. den Emitteranschluss E gekoppelt, erstreckt sich tiefer in die Basiszone 11 hinein als die Bodyzone 13, ist von dem Basiselektrodendielektrikum 32 beabstandet und bildet mit dem ersten Basiszonenabschnitt 111 einen pn-Übergang. Das heißt, die Kompensationszone 18 grenzt in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung des IGBTs an Abschnitte des ersten Basiszonenabschnitts 111 an. Die wenigstens eine Kompensationszone 18 kann sich vollständig durch den ersten Basiszonenabschnitt 111 erstrecken (nicht gezeigt), oder sie kann (wie gezeigt) in einem ersten Basiszonenabschnitt 111 enden. Im ausgeschalteten Zustand, wenn sich in dem ersten Basiszonenabschnitt 111 eine Raumladungszone beginnend am pn-Übergang zwischen der Bodyzone 13 und dem ersten Basiszonenabschnitt 111 ausbreitet, breitet sich, beginnend bei dem pn-Übergang zwischen der Kompensationszone 18 und dem ersten Basiszonenabschnitt 111, auch eine Raumladungszone (Verarmungszone) in dem ersten Basiszonenabschnitt 111 aus. Daher finden Dotierstoffladungen des ersten Basiszonenabschnitts 111 korrespondierende Gegenladungen in der Kompensationszone 18. Daher kompensiert die Kompensationszone 18 wenigstens einen Teil der Dotierungsladungen in dem ersten Driftzonenabschnitt 111, so dass die höhere Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 nicht zu einer Verringerung (oder nicht zu einer signifikanten Verringerung) der Sperrspannungsfestigkeit führt. Wenn eine Kompensationszone 18 vorgesehen ist, kann der erste Basiszonenabschnitt 111 sogar höher dotiert sein als vorangehend erläutert.
  • 2 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines IGBTs, der, wie in 1 veranschaulicht, eine vertikale Topologie besitzt. 2 zeigt einen horizontalen Querschnitt in einer horizontalen Schnittebene A-A, die durch die Bodyzone 13, die Sourcezone 12, das Gatedielektrikum 22, die Gateelektrode 21, die Isolationsschicht 23 und die optionale floatende Halbleiterzone 17 verläuft. Die Basiselektrode 31, die sich unterhalb der Gateelektrode 21 befindet, sowie die Basiszone 11 sind in dieser Darstellung nicht sichtbar. Bezug nehmend auf 2 können die Gateelektrode 21, das Gatedielektrikum 22 und die erste Emitterzone 12 als längliche Bauelementzonen implementiert sein. Folglich sind bei diesem Ausführungsbeispiel auch die optionale floatende Zone 17, die Basiselektrode 31 und das Basiselektrodendielektrikum 32 längliche Bauelementzonen.
  • Bezug nehmend auf 2 kann der IGBT mit einer Vielzahl von Bauelementzellen (Transistorzellen) 10 implementiert sein, wobei jede Bauelementzelle eine Gateelektrode 21 aufweist, ein Gatedielektrikum 22, die Isolationsschicht 23, eine Sourcezone 12, eine Bodyzone 13 (diese Zonen sind in 2 zu sehen), einen Basiszonenabschnitt 111 (in 2 nicht zu sehen), und eine optionale floatende Halbleiterzone 17. Der zweite Basiszonenabschnitt 112, die optionale Feldstoppzone 16 und die zweite Emitterzone 15 (in 2 nicht zu sehen) können den einzelnen Bauelementzellen gemeinsam sein. Die einzelnen Bauelementzellen sind parallel geschaltet, indem ihre Source- und Bodyzonen 12, 13 an einen gemeinsamen Emitteranschluss E gekoppelt sind, und indem die einzelnen Gateelektroden 21 elektrisch an einen gemeinsamen Gateanschluss G gekoppelt sind. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht von einer jener Transistorzellen.
  • 3 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Gateelektrode 21 ringförmig, wobei das Gatedielektrikum 22 und die Source- und Bodyzonen 12, 13 innerhalb des durch die Gateelektrode 21 festgelegten Rings lokalisiert sind. Die Isolationsschicht 23 und die optionale floatende Halbleiterzone 17 umgeben den durch die Gateelektrode 21 festgelegten Ring. Wie bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann der IGBT mit einer Vielzahl von Transistorzellen 10 implementiert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält jede Transistorzelle 10 eine ringförmige Gateelektrode 21, ein Gatedielektrikum 22, eine Isolationsschicht 23, eine erste Emitterzone 12, eine Bodyzone 13, eine Basiszone 11, eine zweite Emitterzone 15, eine optionale Feldstoppzone 16, sowie eine optionale floatende Zone 17. Die in 1 gezeigte vertikale Querschnittsansicht zeigt lediglich eine Hälfte einer derartigen Transistorzelle 10. Wie bei dem unter Bezugnahme auf 2 erläuterten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Transistorzellen 10 parallel geschaltet.
  • 4 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, so dass die in Verbindung mit 1 bereitgestellte Erläuterung mit Ausnahme derjenigen Merkmale, die nachfolgend ausführlich erläutert werden, entsprechend gilt.
  • Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Basiselektrode 31 von der Gateelektrode 21 durch eine dielektrische Schicht 33 dielektrisch isoliert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Basiselektrode 31 floatend. In diesem Fall bilden die Gateelektrode 21, die dielektrische Schicht 32, die floatende Basiselektrode 31, sowie das Basiselektrodendielektrikum 33 einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen dem Gateanschluss G und der Basiszone 11 bzw. dem Kollektoranschluss C. In diesem Fall hängt ein elektrisches Potential der Basiselektrode 31 von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Gateanschluss G und der Basiszone 11 ab. Eine Dicke der dielektrischen Schicht 33 zwischen der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 ist so gewählt, dass die dielektrische Schicht 33 in der Lage ist, einer Spannung, die zwischen der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 auftreten kann, zu widerstehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht eine Dicke der dielektrischen Schicht 33 im Wesentlichen der Dicke d2 des Gatedielektrikums 22, oder sie ist dicker. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Dicke d1 des Basiselektrodendielektrikums 32 der Dicke d2 des Gatedielektrikums 22 entsprechen (d1 = d2). Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Basiselektrodendielektrikum 32 dicker als das Gatedielektrikum 22 (d1 > d2).
  • Im eingeschalteten Zustand des in 4 gezeigten IGBTs liegt ein Pegel des elektrischen Potentials der Basiselektrode 31 zwischen einem Pegel des elektrischen Potentials am Gateanschluss G und einem Pegel des elektrischen Potentials am Kollektoranschluss C. Wenn beispielsweise die Gate-Emitter-Spannung 15 V beträgt und die Kollektor-Emitter-Spannung VCE im eingeschalteten Zustand bei etwa 1,5 V liegt, beträgt die Spannungsdifferenz zwischen dem Gateanschluss G und dem Kollektoranschluss C etwa 13,5 V. Das elektrische Potential der Basiselektrode 31 liegt zwischen 1,5 V und 15 V, wobei der Spannungspegel von einer kapazitiven Kopplung der Basiselektrode 31 an die Gateelektrode 21 und die Basiszone 11 abhängt. Wenn beispielsweise die dielektrische Schicht 33 zwischen der Gateelektrode 21 und der Basiselektrode 31 im Vergleich zum Basiselektrodendielektrikum 32 relativ dünn ist, dann befindet sich das elektrische Potential der Basiselektrode 31 näher am elektrischen Potential der Gateelektrode 21 als das elektrische Potential des Kollektors C. Wenn, beispielsweise, die dielektrische Schicht 33 im Vergleich zum Basiselektrodendielektrikum 32 relativ dick ist, dann befindet sich das elektrische Potential der Basiselektrode 31 im eingeschalteten Zustand näher am elektrischen Potential des Kollektoranschlusses C.
  • Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel schützt die floatende Basiselektrode 31 im ausgeschalteten Zustand des IGBTs die Gateelektrode 21 vor hohen elektrischen Feldstärken, die am Boden des Grabens auftreten. Dies gilt selbst bei jenen Ausführungsbeispielen, bei denen das Basiselektrodendielektrikum 32 eine Dicke aufweist, die einer Dicke des Gatedielektrikums 22 entspricht (d1 = d2). Im eingeschalteten Zustand des IGBTs kann ein Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 relativ schwach sein, weil das elektrische Potential der Basiselektrode 31 niedriger ist als ein elektrisches Potential der Gateelektrode 21. Um dies auszugleichen, weist der in 4 gezeigte IGBT ebenso wie der in 1 gezeigte IGBT eine Basiszone mit einem ersten Basiszonenabschnitt 111 auf, der eine höhere Dotierungskonzentration besitzt als ein zweiter Basiszonenabschnitt 112.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (in 4 anhand gestrichelter Linien dargestellt) ist die Basiselektrode 31 elektrisch mit der Emitterelektrode E verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es keinen Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32, wenn der IGBT eingeschaltet ist, so dass die Basiselektrode 31 lediglich dazu dient, die Gateelektrode 21 im ausgeschalteten Zustand des IGBTs vor hohen elektrischen Feldstärken zu schützen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Widerstand R (in 4 anhand gepunkteter Linien gezeigt) zwischen die Basiselektrode 31 und den Emitteranschluss E geschaltet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist die Basiselektrode 31 mit einem Ansteuerschaltkreis verbunden, der dazu ausgebildet ist, die Basiselektrode 31 unabhängig von der Gateelektrode 21 anzusteuern. Bezug nehmend auf die vorangehende Erläuterung kann abhängig von einem elektrischen Potential der Basiselektrode 31 in der Driftzone ein Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 vorliegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Ansteuerschaltkreis dazu ausgebildet, die Basiselektrode 31 so zu steuern, dass für einen Großteil der Zeit, in der der Transistor eingeschaltet ist, d.h., wenn die Gateelektrode in der Bodyzone 13 einen Inversionskanal erzeugt, entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 ein Akkumulationskanal vorliegt. Bei einem Transistor vom Typ n kann ein Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 dadurch gesteuert werden, dass an die Basiselektrode 31 ein Steuerpotential angelegt wird, das höher ist als das Sourcepotential (dieses kann dem Gatepotential entsprechen oder es kann höher sein als das Gatepotential). Allerdings ist der Ansteuerschaltkreis dazu ausgebildet, eine vorgegebene Zeitdauer bevor die Gateelektrode 21 den Inversionskanal in der Bodyzone 13 abschaltet, den Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums abzuschalten, um die Ladungsträgerkonzentration in der Driftzone 11 zu verringern.
  • Bezug nehmend auf die vorangehende Erläuterung wirkt der erste Basiszonenabschnitt 111 einem schwachen Akkumulationskanal entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 entgegen. Das heißt, der erste Basiszonenabschnitt 111 sorgt für eine hohe Konzentration von freien Ladungsträgern in einem Bereich benachbart zu der Basiselektrode 31 und dem Basiselektrodendielektrikum 32. Allerdings kann es Abschnitte des IGBTs geben, in denen eine hohe Konzentration von freien Ladungsträgern nicht gewünscht ist. Beispielsweise im Randbereich eines Zellenarrays mit einer Vielzahl von Transistoreinheiten kann eine hohe Konzentration von freien Ladungsträgern unerwünscht sein. Ein Randbereich des Zellenarrays kann sich an einem Rand des Halbleiterkörpers 100 befinden, was z.B. im Bereich des Übergangsabschlusses bedeutet, oder unterhalb oder nahe bei Leitern, wie beispielsweise einem Gatepad. In jenen Randbereichen werden Transistorzellen üblicherweise weggelassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält der IGBT wenigstens zwei verschiedene Typen von Transistorzellen, nämlich einen ersten Typ von Transistorzellen, die den vorangehend erläuterten Transistorzellen entsprechen, sowie einen zweiten Typ von Transistorzellen, die so implementiert sind, dass sie entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 eine geringere Konzentration von Ladungsträgern aufweisen. Dieser zweite Typ von Transistorzellen ist, beispielsweise, in einem Übergangsbereich zwischen einem Zellenarray lokalisiert, das Transistorzellen vom ersten Typ enthält, und einer Randabschlussstruktur, die Feldringe oder Feldplatten aufweisen kann. Die laterale Ausdehnung dieses Übergangsbereichs beträgt z.B. zwischen 1 bis 3 Diffusionslängen von freien Ladungsträgern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gibt es in diesem Übergangsbereich mehrere verschiedene zweite Transistorzellen, wobei die einzelnen Transistorzellen vom zweiten Typ so ausgebildet sind, dass die Konzentration freier Ladungsträger in den Transistorzellen vom zweiten Typ zu der Randabschlussstruktur hin abnimmt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht der zweite Typ von Transistorzellen dem vorangehend erläuterten ersten Typ von Transistorzellen mit dem Unterschied, dass der erste Basiszonenabschnitt 111 einer Transistorzelle vom zweiten Typ eine geringere Dotierungskonzentration aufweist als der erste Basiszonenabschnitt 111 einer Transistorzelle vom ersten Typ. Daher verringert sich bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem es gewünscht ist, dass sich die Konzentration freier Ladungsträger bei den Transistorzellen vom zweiten Typ hin zu einer Randabschlussstruktur verringert, die Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts 111 in den Transistorzellen vom zweiten Typ hin zu der Randabschlussstruktur.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel besitzt der erste Basiszonenabschnitt 111 dieselbe Dotierungskonzentration wie der zweite Basiszonenabschnitt 112. Dies ist äquivalent damit, dass kein höher dotierter erster Basiszonenabschnitt 111 vorliegt. Das heißt, die Basiszone 11 besitzt eine im Wesentlichen homogene Dotierungskonzentration entsprechend der Dotierungskonzentration des vorangehend erläuterten zweiten Basiszonenabschnitts.
  • 5 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs, der Transistorzellen vom ersten Typ aufweist, die den vorangehend unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Transistorzellen entsprechen, und der Transistorzellen vom zweiten Typ aufweist. Die Transistorzellen vom ersten Typ sind im linken Abschnitt von 5 veranschaulicht, und die Transistorzellen vom zweiten Typ sind im rechten Abschnitt in 5 veranschaulicht. Die Transistorzellen vom zweiten Typ basieren auf den Transistorzellen vom ersten Typ, enthalten allerdings nicht den ersten Basiszonenabschnitt 111. Das heißt, bei diesen Transistorzellen besitzt die Basiszone 11 die Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112.
  • 6 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs mit Transistorzellen vom ersten Typ und Transistorzellen vom zweiten Typ gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Transistorzellen vom ersten Typ den unter Bezugnahme auf 4 erläuterten Transistorzellen. Diese Transistorzellen vom ersten Typ sind im linken Abschnitt von 6 dargestellt. Die Transistorzellen vom zweiten Typ basieren auf den Transistorzellen vom ersten Typ mit dem Unterschied, dass der erste Basiszonenabschnitt 111 weggelassen ist.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel weist ein IGBT Transistorzellen vom ersten Typ auf, die einer der vorangehend unter Bezugnahme auf die 1 und 4 erläuterten Transistorzellen entsprechen, sowie Transistorzellen von einem dritten Typ, die für eine sogar noch höhere Konzentration von Ladungsträgern entlang des Basiselektrodendielektrikums 32 sorgen als die Transistorzellen vom ersten Typ. Diese Transistorzellen vom dritten Typ können aus den Transistorzellen vom ersten Typ durch eine der folgenden Maßnahmen erhalten werden: Reduzieren der Dicke des Basiselektrodendielektrikums 32 und Implementieren des ersten Basiszonenabschnitts 111 mit einer höheren Dotierungskonzentration.
  • 7 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs, der wenigstens eine Transistorzelle vom ersten Typ enthält (im linken Abschnitt von 7 dargestellt), sowie wenigstens eine Transistorzelle vom dritten Typ (im rechten Abschnitt von 7 dargestellt).
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Transistorzelle vom dritten Typ ein Basiselektrodendielektrikum 32 mit einer Dicke d1', sowie einen ersten Basiszonenabschnitt 111'. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gilt von Folgendem wenigstens eines: Das Basiselektrodendielektrikum 32' der Transistorzelle vom dritten Typ ist dünner als das Basiselektrodendielektrikum 32 der Transistorzelle vom ersten Typ (d1' < d1); und der erste Basiszonenabschnitt 111' der Transistorzelle vom dritten Typ besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als der erste Basiszonenabschnitt 111 der Transistorzelle vom ersten Typ (N111' > N111). Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist N11'/N11 ≥ 2, und d1'/d1 0,5. Daher beträgt die Dicke d1 wenigstens das Zweifache von d1', und die Dotierungskonzentration N11' beträgt wenigstens das Zweifache von N11.
  • 8 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht eines IGBTs, der wenigstens eine Transistorzelle vom ersten Typ aufweist (im linken Abschnitt von 8 dargestellt), die auf der in 4 gezeigten Transistorzelle basiert, sowie wenigstens eine Transistorzelle vom dritten Typ, die auf der Transistorzelle vom ersten Typ basiert. Ebenso wie bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel gilt von Folgendem wenigstens eines: Ein Basiselektrodendielektrikum 32' der Transistorzelle vom dritten Typ ist dünner als das Basiselektrodendielektrikum 32 der Transistorzelle vom ersten Typ (d1' < d1); und der erste Basiszonenabschnitt 111' der Transistorzelle vom dritten Typ besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als der erste Basiszonenabschnitt 111 der Transistorzelle vom ersten Typ.
  • Der erste Basiszonenabschnitt 111 der vorangehend erläuterten Transistorzellen ist eine dotierte Halbleiterzone, die von der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 beabstandet ist. Diese (vergrabene) Halbleiterzone kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Einige Ausführungsbeispiele zur Implementierung dieser vergrabenen Halbleiterzone 111 werden nachfolgend erläutert.
  • 9 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers 100 während eines Verfahrens zur Herstellung des vergrabenen ersten Basiszonenabschnitts 111 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der erste Basiszonenabschnitt 111 hergestellt, nachdem die Gateelektrode 21 mit dem Gatedielektrikum 22 und die Basiselektrode 31 mit dem Basiselektrodendielektrikum 32 hergestellt worden sind. Das Herstellen des ersten Basiszonenabschnitts 111 umfasst im Fall von einem Implantations- und Diffusionsprozess wenigstens einen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird auf der ersten Oberfläche 101 eine Implantationsmaske 200 erzeugt, und Dotierstoffionen (oder Ionen, die, wie beispielsweise Protonen, die Erzeugung von Dotierstoffen bewirken können, indem sie die Erzeugung von Defektkomplexen induzieren) werden in die von der Maske 200 nicht bedeckten Abschnitte der ersten Oberfläche 101 implantiert. Bei dem Implantationsprozess wird eine Implantationsenergie so gewählt, dass die Dotierstoffatome in jene Regionen des Halbleiterkörpers 100 eingebracht werden, in denen der erste Basiszonenabschnitt 111 erzeugt werden soll. Die Maske 200 bedeckt wenigstens jene Abschnitte des Halbleiterkörpers 100, in denen die optionale floatende Zone 17 erzeugt worden ist (erzeugt wird), und sie bedeckt optional jene Abschnitte des Halbleiterkörpers 100, in denen nur der zweite Basiszonenabschnitt 112 aber nicht der erste Basiszonenabschnitt 111 erzeugt werden soll. Dieser optionale Abschnitt der Maske 200 ist in 9 anhand gestrichelter Linien dargestellt.
  • Nachdem die Dotierstoffatome implantiert worden sind, werden wenigstens jene Abschnitte des Halbleiterkörpers 100, in die die Dotierstoffatome implantiert wurden, ausgeheilt, um die implantierten Dotierstoffatome zu aktivieren. Geeignete Dotierstoffe sind, beispielsweise, Bor (B), Phosphor (P), Selen (Se), Aluminium (Al), Schwefel (S). Weiterhin können wasserstoff- oder helium-induzierte Donatoren durch die Implantation von einem von Wasserstoff und Helium gefolgt von einem Ausheilprozess erzeugt werden.
  • Bei einem IGBT vom Typ n, bei dem die Basiszone 11 n-dotiert ist, kann der erste Basiszonenabschnitt 111 erzeugt werden, indem Protonen unter Verwendung der Maske 200 zur Maskierung der Regionen, in denen eine Implantation von Protonen nicht gewünscht ist, implantiert werden. Diesem Implantationsprozess folgt ein Ausheilprozess, bei dem der Halbleiterkörper 100 auf Temperaturen zwischen 300°C und 500°C erhitzt wird, um wasserstoff-induzierte Donatoren zu erzeugen.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel werden schnell diffundierende Dotierstoffatome wie beispielsweise Selen- oder Schwefelionen unter Verwendung der Maske 200 implantiert und unter Verwendung eines Ausheilprozesses tiefer in den Halbleiterkörper 100 diffundiert.
  • Die Sourcezone 12, die Bodyzone 13 und die Bodykontaktzone 14 können erzeugt werden, bevor oder nachdem der erste Basiszonenabschnitt 111 erzeugt wird. Die Herstellung dieser Zonen umfasst von einem Implantations- und Diffusionsprozess, bei dem Dotierstoffatome in den Halbleiterkörper 100 eingebracht werden, wenigstens einen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterkörper 100 ein Halbleitersubstrat auf, das die Emitterzone 15 bildet, sowie eine Epitaxieschicht auf dem Halbleitersubstrat, wobei die Epitaxieschicht eine Dotierungskonzentration entsprechend der Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112 aufweist. Die Sourcezone 12, die Bodyzone 13, die Bodykontaktzone 14, sowie der erste Basiszonenabschnitt 111 werden dann in dieser Epitaxieschicht erzeugt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besitzt der Halbleiterkörper 100 eine Grunddotierungskonzentration entsprechend der Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts 112. Die zweite Emitterzone 15 und die optionale Feldstoppzone 16 werden dann durch wenigstens einen von einem Implantations- und einem Diffusionsprozess, in dem Dotierstoffatome über die zweite Oberfläche 102 des Halbleiterkörpers 100 eingebracht werden, erzeugt. Die anderen Bauelementzonen können wie vorangehend erläutert hergestellt werden.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines ersten Basiszonenabschnitts 111 wird nun unter Bezugnahme auf die 10Aund 10B erläutert. Bezug nehmend auf 10A weist das Verfahren das Bereitstellen eines Halbleiterkörpers 100' auf, der eine erste Halbleiterschicht enthält, die die zweite Emitterzone 15 bildet, sowie eine zweite Halbleiterschicht, die den zweiten Basiszonenabschnitt 112 bildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Halbleiterschicht ein Halbleitersubstrat und die zweite Halbleiterschicht ist eine auf dem Halbleitersubstrat erzeugte Epitaxieschicht. Bei diesem Verfahren kann die Feldstoppzone 16 in einem Epitaxieprozess erzeugt werden, so dass die Feldstoppzone 16 einen Teil der Epitaxieschicht darstellt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterkörper 100' ein Halbleitersubstrat auf, das eine Dotierungskonzentration entsprechend der Dotierung des zweiten Basiszonenabschnitts 112 besitzt, wobei die zweite Emitterzone 15 und die optionale Feldstoppzone 16 durch wenigstens einen von einem Implantations- und einem Diffusionsprozess erzeugt werden.
  • Bezug nehmend auf 10B wird auf einem Halbleiterkörper 100' eine dritte Halbleiterschicht erzeugt, um den vorangehend erläuterten Halbleiterkörper 100 auszubilden. Die dritte Schicht weist eine Dotierungskonzentration entsprechend der Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts auf. Diese dritte Schicht ist in 10B mit dem Bezugszeichen 111' bezeichnet. In dieser dritten Schicht können die Bodyzone 13, die Bodykontaktzone 14, die Sourcezone 12, die Gateelektrode 21, das Gatedielektrikum 22, die Basiselektrode 31 sowie das Basiselektrodendielektrikum 32 erzeugt werden. Jene Zonen der dritten Schicht 111', die die Grunddotierungskonzentration dieser dritten Schicht 111' behalten, bilden dann den ersten Basiszonenabschnitt 111 des IGBTs. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die dritte Halbleiterschicht 111' eine Epitaxieschicht.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel wird der erste Basiszonenabschnitt 111 dadurch erzeugt, dass Dotierstoffionen in den unteren Seitenwandabschnitt des Grabens, in dem die Gateelektrode 21 und die Basiselektrode 32 gebildet werden, implantiert werden.
  • Das Basiselektrodendielektrikum 32 und die dielektrische Schicht 33 können, beispielsweise, mittels einer thermischen Oxidation und/oder durch Abscheidung einer Oxidschicht oder durch eine Kombination von thermisch erzeugtem Oxid und einem oder mehreren Oxid-Abscheideprozessen erzeugt werden. Die dielektrischen Schichten können auch durch andere Dielektrika, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder dielektrische Stapel, die unterschiedliche Dielektrika enthalten, erzeugt werden.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist.

Claims (26)

  1. IGBT mit wenigstens einer Transistorzelle von einem ersten Typ und wenigstens einer Transistorzelle von einem zweiten Typ, die jeweils aufweisen: eine Basiszone (11), eine erste Emitterzone (12), eine Bodyzone (13) und eine zweite Emitterzone (15), wobei die Bodyzone (13) zwischen der ersten Emitterzone (12) und der Basiszone (11) angeordnet ist, und wobei die Basiszone (11) zwischen der Bodyzone (13) und der zweiten Emitterzone (15) angeordnet ist; eine Gateelektrode (21), die zu der Bodyzone (13) benachbart und durch ein Gatedielektrikum (22) von der Bodyzone (13) dielektrisch isoliert ist; und eine Basiselektrode (31), die zu der Basiszone (11) benachbart und durch ein Basiselektrodendielektrikum (32) von der Basiszone (11) dielektrisch isoliert ist; wobei die Basiszone (11) einen ersten Basiszonenabschnitt (111), der an das Basiselektrodendielektrikum (32) angrenzt, und einen zweiten Basiszonenabschnitt (112), der zwischen der zweiten Emitterzone (15) und dem ersten Basiszonenabschnitt (111) angeordnet ist, wobei in der Basiszone (11) der wenigstens einen Transistorzelle des ersten Typs eine Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts größer ist als eine Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts (112), und wobei in der Basiszone (11) der Transistorzelle des zweiten Typs der erste Basiszonenabschnitt eine Dotierungskonzentration aufweist, die geringer ist als diejenige des ersten Basiszonenabschnitts (111) der Transistorzelle vom ersten Typ.
  2. IGBT gemäß Anspruch 1, bei dem bei der wenigstens einen Transistorzelle vom ersten Typ ein Verhältnis zwischen der Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts (111) und der Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts (112) wenigstens 10 beträgt.
  3. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der wenigstens einen Transistorzelle vom ersten Typ die Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts (111) zwischen 1•1014 cm-3 und 1•1017 cm-3 beträgt und die Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts (112) zwischen 1•1013 cm-3 und 1•1016 cm-3 beträgt.
  4. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei der wenigstens einen Transistorzelle vom ersten Typ die Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts (111) zwischen 5•1015 cm-3 und 5•1016 cm-3 beträgt.
  5. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem von der Basiszone (11) sowohl der erste Basiszonenabschnitt (111) als auch der zweite Basiszonenabschnitt (112) an die Bodyzone (13) angrenzen.
  6. IGBT gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei dem von der Basiszone (11) nur der erste Basiszonenabschnitt (111) an die Bodyzone (13) angrenzt.
  7. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Basiselektrodendielektrikum (32) dicker ist als das Gatedielektrikum (22).
  8. IGBT gemäß Anspruch 7, bei dem ein Verhältnis zwischen einer Dicke des Basiselektrodendielektrikums (32) und einer Dicke des Gatedielektrikums (22) wenigstens 1,2 beträgt.
  9. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektrode (21) und die Basiselektrode (31) in einem gemeinsamen Graben eines Halbleiterkörpers (100) angeordnet sind.
  10. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Überlapp der Basiselektrode (31) mit der Basiszone (11) wenigstens 0,5 Mikrometer beträgt.
  11. IGBT gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Basiselektrode (31) mit der Gateelektrode (21) elektrisch verbunden ist.
  12. IGBT gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Basiselektrode (31) floatend ist.
  13. IGBT gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Basiselektrode (31) elektrisch an eine Elektrode angeschlossen ist, die an die Sourcezone (14) angeschlossen ist.
  14. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der weiterhin aufweist: eine Feldstoppzone (16), die zwischen der Basiszone (11) und der zweiten Emitterzone (15) angeordnet ist, wobei die Feldstoppzone (16) eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als die Basiszone (11).
  15. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Emitterzone und die Basiszone n-Halbleiterzonen sind, und bei dem die Bodyzone und die zweite Emitterzone p-Halbleiterzonen sind.
  16. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektrode (21) in einem Graben eines Halbleiterkörpers (100) angeordnet ist, wobei die Bodyzone (13) benachbart zu einer Seite des Grabens ist, und wobei die Gateelektrode (21) durch eine Isolationsschicht (23) von einer Halbleiterzone (17) isoliert ist, die benachbart ist zu einer zweiten Seite des Grabens.
  17. IGBT gemäß Anspruch 16, bei dem die zu der zweiten Seite des Grabens benachbarte Halbleiterzone (17) einen zu einem Dotierungstyp der Basiszone (11) komplementären Dotierungstyp aufweist.
  18. IGBT gemäß Anspruch 16, bei dem die Isolationsschicht (23) dicker ist als das Gatedielektrikum (22).
  19. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dotierungskonzentration des ersten Basiszonenabschnitts der Transistorzelle vom zweiten Typ im Wesentlichen der Dotierungskonzentration des zweiten Basiszonenabschnitts (112) der Transistorzelle vom ersten Typ entspricht.
  20. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche der eine Vielzahl von Transistorzellen vom zweiten Typ aufweist, wobei die Transistorzellen vom zweiten Typ unterschiedliche Dotierungskonzentrationen der ersten Basiszonenabschnitte aufweisen.
  21. IGBT gemäß Anspruch 20, bei dem die Vielzahl von Transistorzellen vom zweiten Typ zwischen einem Zellenarray mit einer Vielzahl von Transistorzellen vom ersten Typ und zwischen einer Randabschlussstruktur angeordnet ist.
  22. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die wenigsten eine Transistorzelle vom ersten Typ und die wenigsten eine Transistorzelle vom zweiten Typ parallel geschaltet sind.
  23. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der weiterhin aufweist: wenigstens eine Transistorzelle eines dritten Typs, bei der wenigstens eines von Folgendem gilt: ein Basiselektrodendielektrikum (32) der Transistorzelle vom dritten Typ ist dünner als das Basiselektrodendielektrikum (32) der Transistorzelle vom ersten Typ; der erste Basiszonenabschnitt (111') der Transistorzelle vom dritten Typ weist eine höhere Dotierungskonzentration auf als der erste Basiszonenabschnitt der Transistorzelle vom ersten Typ.
  24. IGBT gemäß Anspruch 23, bei dem die wenigstens eine Transistorzelle vom ersten Typ und die wenigstens eine Transistorzelle vom zweiten Typ parallel geschaltet sind.
  25. IGBT gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der weiterhin aufweist: eine dritte Emitterzone (19), die einen zum Dotierungstyp der zweiten Emitterzone (15) komplementären Dotierungstyp aufweist und die zu der zweiten Emitterzone (15) elektrisch parallel geschaltet ist.
  26. IGBT gemäß Anspruch 25, der weiterhin aufweist: eine Elektrode (42), die elektrisch an die zweite Emitterzone (15) und die dritte Emitterzone (19) angeschlossen ist.
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