DE102014115314A1 - Bipolartransistor mit isoliertem gate mit einem thermistor mit negativem temperaturkoeffizienten - Google Patents

Bipolartransistor mit isoliertem gate mit einem thermistor mit negativem temperaturkoeffizienten Download PDF

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Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines IGBT (100) umfasst einen Emitteranschluss (E) an einer ersten Oberfläche (103) eines Halbleiterkörpers (105). Der IGBT (100) umfasst weiterhin einen Kollektoranschluss (C) an einer zweiten Oberfläche (107) des Halbleiterkörpers (105). Eine erste Zone (108) eines ersten Leitfähigkeitstyps ist in dem Halbleiterkörper (105) zwischen den ersten und zweiten Oberflächen (103, 107). Eine Kollektorinjektionsstruktur (110) grenzt an die zweite Oberfläche (107) an, wobei die Kollektorinjektionsstruktur (110) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen ersten Teil (1101) sowie einen zweiten Teil (1102) unter einem ersten lateralen Abstand (d1) voneinander aufweist. Der IGBT (100) umfasst weiterhin einen Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten angrenzend an die erste Zone (108) in einem Gebiet (112) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102).

Description

  • HINTERGRUND
  • In Halbleiterleistungsanwendungen können niederinduktive Zwischenkurzschlüsse auftreten, die von hohen Strömen begleitet sind. Solche Zwischenkurzschlüsse können beispielsweise durch Ansteuerstörungen, Halbleiterausfall oder Kurzschlüsse von Lasten verursacht sein. Halbleiterschalter, wie Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBTs), Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs), wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder bipolare Übergangs- bzw. Junctiontransistoren können aktiv Kurzschlussströme begrenzen, um die Gesamtanwendung und Peripherievorrichtungen gegenüber einer Schädigung zu schützen. Ein Vermeiden einer Schädigung der Halbleiterschalter erfordert ein rasches Abschalten im Kurzschlussmodus infolge von hohen elektrischen Verlusten in dem Halbleiter aufgrund der angelegten vollen Zwischenspannung.
  • Es ist wünschenswert, einen IGBT mit einer verbesserten Kurzschlussrobustheit vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird durch die Lehren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines IGBT umfasst dieser einen Emitteranschluss an einer ersten Oberfläche eines Halbleiterkörpers. Der IGBT umfasst weiterhin einen Kollektoranschluss an einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers. Eine erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps ist in dem Halbleiterkörper zwischen der ersten und einer zweiten Oberfläche. Eine Kollektorinjektionsstruktur grenzt an die zweite Oberfläche an, wobei die Kollektorinjektionsstruktur von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen ersten Teil sowie einen zweiten Teil unter einem ersten lateralen Abstand voneinander aufweist. Der IGBT umfasst weiterhin einen Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten, der an die erste Zone in einem Gebiet zwischen den ersten und zweiten Teilen angrenzt.
  • Gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines IGBT umfasst dieses ein Bilden einer Kollektorinjektionsstruktur an einer zweiten Oberfläche des Halbleiterkörpers, der entgegengesetzte erste und zweite Oberflächen hat, wobei der Halbleiterkörper eine erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und die Kollektorinjektionsstruktur von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, welche einen ersten Teil und einen zweiten Teil unter einem ersten lateralen Abstand voneinander umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Bilden eines Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten, der an die erste Zone in einem Gebiet zwischen den ersten und zweiten Teilen angrenzt.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1 ist eine schematische Schnittdarstellung, die einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
  • 2 bis 6 zeigen Schnittdarstellungen von verschiedenen Anordnungen eines Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten zwischen einem Kollektoranschluss und einer Driftzone eines IGBT.
  • 7 bis 9 veranschaulichen Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen eines IGBT, der einen dotierten Bereich umfasst, der an eine Kollektorseite in einem Übergang- bzw. Junctionabschlussgebiet angrenzt.
  • 10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines IGBT veranschaulicht.
  • 11A und 11B sind Schnittdarstellungen eines Halbleiterkörpers zum Veranschaulichen von Prozessen zum Bilden getrennter Teile einer Kollektorinjektionsstruktur.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgebildet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle und logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe zeigen das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Ausdruck ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorsehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • Die Begriffe ”Wafer”, ”Substrat”, ”Halbleiterkörper” oder ”Halbleitersubstrat”, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können irgendeine auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium (Si), Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS) dotierte und undotierte Hableiter, epitaktische Schichten von Silizium, getragen durch eine Basishalbleiterunterlage, und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbeiter könnte ebenso Silizium-Germanium (SiGe), Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs) sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
  • Der Ausdruck ”horizontal”, wie in dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu einer ersten oder Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates oder Halbleiterkörpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Die bzw. eines Chips sein.
  • Der Ausdruck ”vertikal”, wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche angeordnet ist, das heißt parallel zu der Normalrichtung der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates oder -körpers.
  • In dieser Beschreibung wird eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrates oder Halbleiterkörpers als durch die untere oder Rückseitenoberfläche gebildet angesehen, während die erste Oberfläche als durch die obere, vordere und Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates gebildet betrachtet wird. Die Ausdrücke ”über” und ”unter”, wie diese in der vorliegenden Beschreibung verwendet sind, sollen daher eine relative Lage eines strukturellen Merkmals zueinander beschreiben.
  • In der vorliegenden Beschreibung wird n-dotiert als erster Leitfähigkeitstyp angesehen, während p-dotiert als zweiter Leitfähigkeitstyp betrachtet wird. Alternativ können die Halbleitervorrichtungen mit entgegengesetzten Dotierungsbeziehungen gebildet werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann, während der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Bipolartransistors 100 mit isoliertem Gate ist in der schematischen Schnittdarstellung von 1 veranschaulicht.
  • Der IGBT umfasst einen Emitteranschluss E an einer ersten Oberfläche 103 eines Halbleiterkörpers 105. Ein Kollektoranschluss C ist an einer zweiten Oberfläche 107 des Halbleiterkörpers 105. Eine erste Zone 108 eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise eines n-Typs, ist in dem Halbleiterkörper 105 zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 103, 107. Eine Kollektorinjektionsstruktur 110 grenzt an die zweite Oberfläche 107 an. Die Kollektorinjektionsstruktur 110 ist von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise einem p-Typ, und umfasst einen ersten Teil 1101 und einen zweiten Teil 1102 unter einem ersten lateralen Abstand d voneinander. Ein Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten grenzt an die erste Zone 108 in einem Gebiet 112 zwischen den und zweiten Teilen 1101 und 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 an.
  • Der IGBT 100 umfasst weiterhin einen Gateanschluss G. Strukturelle Elemente eines Emitters des IGBT 100, beispielsweise Source- und Bodybereiche, sind in einem funktionalen Bereich 114 des Halbleiterkörpers 105 angrenzend an die erste Oberfläche 103 gelegen. Der Sourcebereich ist von dem ersten Leitfähigkeitstyp ähnlich zu der ersten Zone 108. Der Bodybereich ist von dem zweiten Leitfähigkeitstyp ähnlich zu der Kollektorinjektionsstruktur 110. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Gate des IGBT 100 ein Gatedielektrikum und eine Gateelektrode, gelegen in einem Gatetrench, der sich in den Halbleiterkörper 105 von der ersten Oberfläche 103 erstreckt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Gate des IGBT 100 ein planares Gate, das das Gatedielektrikum und die Gateelektrode angeordnet über der ersten Oberfläche 103 umfasst. In dem funktionalen Bereich können IGBT-Zellen in einem Zellarray bzw. einer Zellanordnung angeordnet sein. Das Zellarray kann eine zweidimensionale Anordnung von IGBT-Zellen sein. Beispiele der IGBT-Zellgeometrien sind quadratische IGBT-Zellen, rechteckförmige IGBT-Zellen, kreisförmige IGBT-Zellen, elliptische IGBT-Zellen, polygonale IGBT-Zellen, beispielsweise hexagonale oder oktagonale IGBT-Zellen.
  • Eine Driftzone des ersten Leitfähigkeitstyps ist zwischen dem funktionalen Bereich 114 und der zweiten Oberfläche 107 gelegen und bildet einen Teil der ersten Zone 108. Die erste Zone 108 ist ein kontinuierlicher Bereich des ersten Leitfähigkeitstyps und kann eine Vielzahl von zugeordneten Halbleiterbereichen des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, beispielsweise die Driftzone, eine optionale Feldstoppzone und Kurzschlussbereiche angrenzend an die zweite Oberfläche 107 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten in den Gebiet 112 ein Material, das durch eine Phasenänderung von einer amorphen Phase in eine kristalline Phase bei einer kritischen Temperatur gekennzeichnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Material ein Chalcogenid. Beispielsweise umfasst das Chalcogenid wenigstens einen Stoff aus GeTe und Ge2Sb2Te5.
  • Andere geeignete Chalcogenide sind Sb2Te3 in anderen atomaren Zusammensetzungen des GeSbTe-Systems. Für ein besseres Betriebsverhalten bzw. eine bessere Performance und für die Herstellbarkeit können diese Phasenänderungsmaterialien in eine hochthermisch leitende Matrix integriert sein, wie Einzelwand-Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT, Single Wall Carbon Nanotubes). Andere Optionen für die Einstellung der Phasenübergangstemperatur sind das Mischen oder Dotieren mit Polymeren, Keramiken oder Halbleitermaterialien. Gemäß einem Aspekt kann die Phasenänderung reversibel sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten ein Halbleitermaterial, das eine Bandabstandenergie hat, die kleiner ist als die Bandabstandenergie des Halbleiterkörpers. Für einen Halbleiterkörper aus Silizium mit einer Bandabstandenergie von 1,12 eV kann der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten Germanium (Ge) umfassen, das eine Bandabstandenergie von 0,67 eV hat.
  • Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst einen optimierten Kollektor zum Verbessern der Kurzschlussrobustheit des IBGT 100. Die Kurzschlussrobustheit des IGBT 100 wird verbessert durch Reduzieren des Sättigungsstromes während eines Kurzschlusses, um dadurch elektrische Verluste während eines Kurzschlusses zu vermindern und eine Steigerung in der Temperatur zu reduzieren. Weiterhin wird die bipolare Stromverstärkung niedrig gehalten, was hilft, den Leckstrom nach einem Kurzschlussabschalten zu reduzieren. Die erste Zone 108 einschließlich der Driftzone ist elektrisch mit dem Kollektoranschluss C über den Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten in dem Gebiet 112 gekoppelt. In einem normalen Betriebsmodus, beispielsweise bei Betriebstemperaturen kleiner als 175°C, hat der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten in dem Gebiet 112 einen hohen Widerstand. Somit haben Elektronen in der ersten Zone 108 nicht einen direkten elektrischen Pfad zu dem Kollektoranschluss C, und der IGBT 100 arbeitet in einem Bipolarmodus. Während eines Kurzschlusses treten hohe Temperaturen auf, beispielsweise Temperaturen über 175°C, und das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten in dem Gebiet 112 wird niedrig resistiv. Dies liefert einen direkten elektrischen Pfad für Elektronen, die von der ersten Zone 108, beispielsweise der Driftzone, durch das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten in dem Gebiet 112 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 zu dem Kollektoranschluss C fließen. Als eine Folge wird der Bipolarmodus des IGBT 100 reduziert, und der IGBT 100 kann sogar in einen unipolaren Modus schalten. Dies führt jeweils zu einer Reduktion des Kurzschlussstromes und des Sättigungsstromes. Somit wird der in dem IGBT 100 fließende Gesamtstrom durch einen Kanalstrom bestimmt, der über den Gateanschluss G gesteuert ist. Die Reduktion des Kurzschlussstromes und des Sättigungsstromes unterdrückt oder reduziert jeweils eine weitere Steigerung in der Temperatur, um dadurch einer thermischen Vorrichtungszerstörung entgegenzuwirken oder diese zu unterdrücken und um damit die Kurzschlussrobustheit zu verbessern. Weiterhin wird die bipolare Stromverstärkung niedrig gehalten, was hilft, den Leckstrom nach einem Kurzschlussabschalten zu reduzieren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste laterale Abstand d zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 in einem Bereich zwischen 0,5 μμm und 500 μm, beispielsweise zwischen 1 μm und 50 μm.
  • Gemäß einem Aspekt kann eine Vielzahl von getrennten Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten angrenzend an die erste Zone 108 angeordnet sein. Abmessungen und/oder Geometrien und/oder Abstände der Vielzahl von getrennten Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten bezüglich zueinander können verschieden oder teilweise verschieden sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Teile 1101, 1102 in einem Transistorzellgebiet 117 angeordnet. In den Transistorzellgebiet 117 ist der Emitteranschluss E und/oder der Gateanschluss G in einem elektrischen Kontakt mit der ersten Oberfläche 103 des Halbleiterkörpers 105. Beispielsweise kann der Emitteranschluss E elektrisch mit einem Sourcebereich in dem funktionalen Bereich 114 über einen Kontaktstöpsel und/oder eine Kontaktleitung auf der ersten Oberfläche 103 verbunden sein. In ähnlicher Weise kann der Gateanschluss G elektrisch mit der Gateelektrode G verbunden sein. Ein Junction- bzw. Übergangabschlussgebiet ist verschieden von dem Transistorzellgebiet 117 hinsichtlich Funktion und Struktur. Während die Lastanschlüsse des IGBT 100, das heißt der Emitteranschluss E und der Kollektoranschluss C für den Zweck einer Stromleitung in dem Transistorzellgebiet 117 vorgesehen sind, ist der Zweck des Junctionabschlussgebietes ein Randabschluss, der erforderlich ist, um die elektrische Feldspitze an dem Rand des IGBT 100 zu reduzieren. Typische strukturelle Elemente des Junctionabschlussgebietes umfassen eine oder mehrere Feldplatten, Ringstrukturen, wie floatende bzw. potentialfreie Schutzringe oder Ringsegmente, Junctionabschlussausdehnungs-(JTE-)Strukturen und Strukturen mit Variation einer lateralen Dotierung (VLD) als Beispiel.
  • In der schematischen Schnittdarstellung des IGBT 100, der in 2 gezeigt ist, ist ein Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten an der zweiten Oberfläche 107 angeordnet. Ein erster Teil 1201 des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten ist in dem Gebiet 112 angeordnet, und zweite Teile 1202, 1203 des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten sind außerhalb des Gebietes 112 angeordnet und bedecken die ersten und zweiten Teile 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die zweiten Teile 1202, 1203 des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten weggelassen werden.
  • Ein Kurzschlussbereich 121 der ersten Zone 108 ist sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 längs der lateralen Richtung x vorgesehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Zone 108 einen Driftbereich mit einer kleineren Dotierungskonzentration als der Kurzschlussbereich 121. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kurzschlussbereich 121 n-dotiert oder n+-dotiert.
  • In der schematischen Schnittdarstellung des in 3 gezeigten IGBT 100 ist der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 längs der lateralen Richtung x vorgesehen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Zwischenfläche 123 zwischen dem Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten und einem ersten Teil 124 der ersten Zone 108 sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 längs der lateralen Richtung x vorgesehen. Somit umfasst ein Bodenteil des Gebietes 112, das sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 gelegen ist, den Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten. Ein oberer Teil des Gebietes 112 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 umfasst den ersten Teil 124 der ersten Zone 108. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat der erste Teil 124 der ersten Zone 108 eine größere Dotierungskonzentration als ein Driftbereich der ersten Zone 108. Beispielsweise kann der erste Teil 124 der ersten Zone 108 ein Teil einer Feldstoppzone sein, die durch einen oder mehrere Prozesse aus einem Diffusionsprozess durch die zweite Oberfläche 107 und einem Ionenimplantationsprozess durch die zweite Oberfläche 107, wie einen Prozess des Implantierens von Protonen und/oder Phosphor und/oder Selen durch die zweite Oberfläche 107, definiert ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des IGBT 100, das in der schematischen Schnittdarstellung von 4 veranschaulicht ist, ist das Gebiet 112 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 vollständig mit dem Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten bedeckt.
  • Wie in der schematischen Schnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des in 5 dargestellten IGBT 100 veranschaulicht ist, kann der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten nicht nur vollständig das Gebiet 112 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 bedecken, sondern der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten kann sich sogar bis zu einer größeren Tiefe in den Halbleiterkörper 105 von der zweiten Oberfläche 107 als die Kollektorinjektionsstruktur 110 erstrecken.
  • Wie in der schematischen Schnittdarstellung des IBGT 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel von 6 gezeigt ist, ist lediglich ein oberer Teil des Gebietes 112 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 durch den Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten bedeckt, während ein Bodenteil des Gebietes 112 durch ein leitendes Material, wie einen Kollektorkontakt 126 bedeckt ist, der aus einem oder mehreren leitenden Materialien oder Schichten, wie Metall bzw. Metallen und/oder einem hochdotierten Halbleiter bzw. hochdotierten Halbleitern hergestellt ist.
  • In den anhand von 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispielen grenzt der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten an die erste Zone 108 in einem Gebiet zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 der Kollektorinjektionsstruktur 110 an. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Oberseite des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten in Kontakt mit der ersten Zone 108, beispielsweise einem ersten Teil der ersten Zone 108, während eine Bodenseite des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten in Kontakt ist mit einem Kollektorkontakt, wie beispielsweise dem Kollektorkontakt 126, der in 6 gezeigt ist. Eine Parallelverbindung der Kollektorinjektionsstruktur 110 und des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten ist elektrisch verbunden zwischen der ersten Zone 108 und dem Kollektoranschluss C.
  • In der schematischen Schnittdarstellung des in 7 gezeigten IGBT 100 ist ein planarer Gate-IGBT gezeigt. In dem funktionalen Bereich 114 des IGBT 100 sind Body- und Sourcebereiche 130, 131 mit dem Emitteranschluss E verbunden. Eine optional hochdotierte Bodykontaktzone kann zwischen Bodybereich und einem Kontakt des Emitteranschlusses E angeordnet sein, um einen Kontaktwiderstand zu verbessern. Ein Gatedielektrikum 134 ist zwischen der ersten Oberfläche 103 des Halbleiterkörpers 105 und einer Gateelektrode 135 angeordnet. Die Gateelektrode 135 ist elektrisch mit einem Gateanschluss G verbunden. Außerhalb des Transistorzellgebietes 117 können in einem Übergang- bzw. Junctionabschlussgebiet 118 Übergang- bzw. Junctionabschlussstrukturen 119 einschließlich einer oder mehrerer Feldplatten, Ringstrukturen, wie floatende bzw. potentialfreie Schutzringe oder Ringsegmente, Junction- bzw. Übergangabschlussausdehnungs-(JTE-)Strukturen und Strukturen mit Variationen einer lateralen Dotierung (VLD) angeordnet sein.
  • In dem Junctionabschlussgebiet 118 grenzt ein dotierter Bereich 150 an die zweite Oberfläche 107. Eine Dotierungskonzentration in dem dotierten Bereich 150 weicht von der Dotierungskonzentration der Kollektorinjektionsstruktur 110 ab. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Leitfähigkeitstyp des dotierten Bereiches 150 gleich zu dem Leitfähigkeitstyp der Kollektorinjektionsstruktur 110, während eine Dotierungskonzentration des dotierten Bereiches 150 kleiner als die Dotierungskonzentration der Kollektorinjektionsstruktur 110. Der dotierte Bereich 150 erlaubt eine höhere dynamische Robustheit.
  • Gemäß dem in 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst der dargestellte Teil der Kollektorinjektionsstruktur 110 erste bis vierte Teile 1101, 1102, 1103, 1104, und eine laterale Abmessung d1 des ersten Teiles 1101 ist größer als eine laterale Abmessung d2 des zweiten Teiles 1102. Eine parallele Verbindung des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten und der Kollektorinjektionsstruktur 110 des in 7 veranschaulichten Ausführungsbeispiels ist ähnlich zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • In der schematischen Schnittdarstellung des IGBT 100, der in 8 gezeigt ist, ist ein Trenchgate-IGBT gezeigt. In dem funktionalen Bereich 114 des IGBT 100 sind Body- und Sourcebereiche 130, 131 elektrisch mit dem Emitteranschluss E verbunden. Eine optionale hochdotierte Bodykontaktzone kann zwischen dem Bodybereich und einem Kontakt des Emitteranschlusses E angeordnet sein, um einen Kontaktwiderstand zu verbessern. Ein Gatedielektrikum 134 und eine Gateelektrode 135 sind in einem Trench 137 angeordnet, der sich in den Halbleiterkörper 105 von der ersten Oberfläche 103 des Halbleiterkörpers 105 erstreckt. Die Gateelektrode 135 ist elektrisch verbunden mit dem Gatenanschluss G. Außerhalb des Transistorzellgebietes 117 können in einem Junctionabschlussgebiet 118 Junctionabschlussstrukturen 119 einschließlich einer oder mehrerer Feldplatten, Ringstrukturen, wie floatende bzw. potentialfreie Schutzringe oder Ringsegmente, Junctionabschlussausdehnungs-(JTE-)Strukturen und Strukturen mit Variationen einer lateralen Dotierung (VLD) angeordnet sein.
  • In dem Junctionabschlussgebiet 118 grenzt ein dotierter Bereich 151 an die zweite Oberfläche 107 an. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können ein Dotierungsprofil und der Leitfähigkeitstyp in dem dotierten Bereich 151 dem Dotierungsprofil und dem Leitfähigkeitstyp in dem Kurzschlussbereich 121 entsprechen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Leitfähigkeitstyp in dem dotierten Bereich 151 dem Leitfähigkeitstyp in dem Kurzschlussbereich 121 entsprechen, jedoch kann eine Dotierungskonzentration oder Dosis einer Dotierung kleiner sein in dem dotierten Bereich 151 als in dem Kurzschlussbereich 121. Der dotierte Bereich 151 erlaubt eine hohe dynamische Robustheit.
  • Gemäß dem in 8 veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst der dargestellte Teil der Kollektorinjektionsstruktur 110 erste bis vierte Teile 1101, 1102, 1103, 1104, und eine laterale Abmessung d1 des ersten Teiles 1101 ist größer als eine laterale Abmessung d2 des zweiten Teiles 1102. Eine Parallelverbindung des Thermistors 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten und der Kollektorinjektionsstruktur 110 des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels ist ähnlich zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel.
  • In der schematischen Schnittdarstellung des in 9 gezeigten IGBT 100 ist ein Ausführungsbeispiel eines Trenchgate-IGBT dargestellt. Da die in 8 und 9 gezeigten IGBTs ähnlich sind hinsichtlich zahlreicher struktureller Elemente wird Bezug genommen auf die oben im Hinblick von 8 gegebenen Einzelheiten. In dem in 9 gezeigten IGBT sind die Kurzschlussgebiete 121, die sandwichartig zwischen den dritten und vierten Teilen 1103, 1104 und zwischen den zweiten und dritten Teilen 1102, 1103 der Kollektorinjektionsstruktur 110 längs der lateralen Richtung x gelegen sind, in Kontakt mit dem Kollektorkontakt 126, der elektrisch mit der Kollektorinjektionsstruktur 110 verbunden ist. Somit ist der in 9 dargestellte IGBT 100 ein rückwärts leitender (RC-)IGBT.
  • Jeder einzelne der in 1 bis 9 veranschaulichten IGBTs kann ein planares Gate, beispielsweise wie in 7 gezeigt, oder ein Trenchgate, beispielsweise wie in 8 gezeigt, umfassen.
  • 10 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate.
  • Ein Prozessmerkmal S100 umfasst ein Bilden einer Kollektorinjektionsstruktur an einer zweiten Oberfläche eines Halbleiterkörpers, der entgegengesetzte erste und zweite Oberflächen hat, wobei der Halbleiterkörper eine erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und die Kollektorinjektionsstruktur von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, welche einen ersten Teil und einen zweiten Teil unter einem lateralen Abstand voneinander umfasst.
  • Ein Prozessmerkmal S110 umfasst ein Bilden eines Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten, der an die erste Zone in einem Gebiet zwischen den ersten und zweiten Teilen angrenzt.
  • Weitere Prozesse, unter anderem beispielsweise Prozesse zum Bilden von Gateelektroden, Gatedielektrika, Sourcebereichen, Bodybereichen oder anderen funktionalen Halbleiterbereichen, Kontakten und/oder einer Verdrahtung an den ersten und zweiten Oberflächen 103, 107 können vor, zwischen oder nach den Prozessmerkmalen S100, S110 ausgeführt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das in 11A veranschaulicht ist, sind die Kollektorinjektionsstruktur 110 und der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten gebildet durch Ätzen eines Trenches 153 in den Halbleiterkörper 105 von der zweiten Oberfläche 107, wobei der Trench 153 die ersten und zweiten Teile 1101, 1102 trennt. Der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten wird in dem Trench 153 gebildet, was beispielsweise in einer Struktur resultiert, wie diese in 3 gezeigt ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das in 11B veranschaulicht ist, werden die Kollektorinjektionsstruktur 110 und der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten durch Einbringen bzw. Einführen von Dotierstoffen in den Halbleiterkörper 105 von der zweiten Oberfläche 107 durch eine strukturierte bzw. gemusterte Maske 155, beispielsweise durch einen Diffusionsprozess und/oder einen Ionenimplantationsprozess, gebildet. Der Thermistor 120 mit negativem Temperaturkoeffizienten wird an der zweiten Oberfläche 107 angrenzend an die erste Zone 108 in dem Gebiet zwischen den ersten und zweiten Teilen 1101, 1102 gebildet, was in einer Struktur resultiert, die beispielsweise in 2 veranschaulicht ist.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (23)

  1. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate, umfassend: einen Emitteranschluss (E) an einer ersten Oberfläche (103) eines Halbleiterkörpers (105), einen Kollektoranschluss (C) an einer zweiten Oberfläche (107) des Halbleiterkörpers (105), eine erste Zone (108) eines ersten Leitfähigkeitstyps in dem Halbleiterkörper (105) zwischen der ersten und zweiten Oberfläche (107, 103), eine Kollektorinjektionsstruktur (110) angrenzend an die zweite Oberfläche (107), wobei die Kollektorinjektionsstruktur (110) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und einen ersten Teil (1101) sowie einen zweiten Teil (1102) unter einem ersten lateralen Abstand (d) voneinander aufweist, und weiterhin umfassend: einen Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten, der an die erste Zone (108) in einem Gebiet (112) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102) angrenzt.
  2. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 1, bei dem ein Kurzschlussbereich (121) der ersten Zone (108) sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102) längs einer lateralen Richtung (x) vorgesehen ist.
  3. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 2, bei dem die erste Zone (108) einen Driftbereich aufweist, der eine kleinere Dotierungskonzentration hat als der Kurzschlussbereich (121).
  4. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 3, weiterhin umfassend einen dotierten Bereich (150, 151) angrenzend an die zweite Oberfläche (107) in einem Junctionabschlussgebiet (118), das ein Transistorzellgebiet (117) umgibt, das die ersten und zweiten Teile (1101, 1102) umfasst, wobei eine Dotierungskonzentration in dem dotierten Bereich (150) von der Dotierungskonzentration des Driftbereichs abweicht.
  5. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 4, bei dem der dotierte Bereich (150) von dem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, wobei er eine kleinere Dotierungskonzentration hat als die ersten und zweiten Teile (1101, 1102).
  6. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 4, bei dem der dotierte Bereich (151) von dem ersten Leitfähigkeitstyp ist mit einem gleichen Profil einer Dotierungskonzentration längs einer vertikalen Richtung wie das Gebiet (112) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102).
  7. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 1, bei dem der Thermistor (120) mit negativem Temperaturkoeffizienten sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102) längs einer lateralen Richtung (x) vorgesehen ist.
  8. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 1, bei dem eine Zwischenfläche (123) zwischen dem Thermistor (120) mit negativem Temperaturkoeffizienten und einem ersten Teil (124) der ersten Zone (108) sandwichartig zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102) längs einer lateralen Richtung (x) vorgesehen ist.
  9. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Thermistor (120) mit negativem Temperaturkoeffizienten zwischen einem ersten Teil (124) der ersten Zone (108) und einem Kollektorkontakt (126) angeordnet ist, der elektrisch mit der Kollektorinjektionsstruktur (110) verbunden ist.
  10. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste laterale Abstand (d) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102) in einem Bereich zwischen 0,5 μm und 500 μm ist.
  11. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kollektorinjektionsstruktur (110) weiterhin einen dritten Teil (1103) und einen vierten Teil (1104) unter einem zweiten lateralen Abstand voneinander aufweist, und bei dem ein zweiter Teil der ersten Zone (108) sandwichartig zwischen den dritten und vierten Teilen (1103, 1104) längs der lateralen Richtung (x) in Kontakt ist mit einem Kollektorkontakt (126), der elektrisch mit der Kollektorinjektionsstruktur (110) verbunden ist.
  12. Bipolartransistor mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die ersten und zweiten Teile in einem Transistorzellgebiet angeordnet sind.
  13. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine laterale Abmessung des ersten Teiles (1101) größer ist als eine laterale Abmessung des zweiten Teiles (1102).
  14. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Thermistor (120) mit negativem Temperaturkoeffizienten ein Material ist, das gekennzeichnet ist durch eine Phasenänderung von einer amorphen Phase in eine kristalline Phase bei einer kritischen Temperatur.
  15. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 14, bei dem das Material ein Chalcogenid ist.
  16. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 15, bei dem das Chalcogenid wenigstens einen Stoff aus GeTe und Ge2Sb2Te5 umfasst.
  17. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 15, bei dem das Chalcogenid wenigstens Sb2Te3 in irgendeiner atomaren Zusammensetzung des GeSbTe-Systems umfasst.
  18. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 15, bei dem das Chalcogenid eine thermisch leitende Matrix von Kohlenstoffröhren oder -schichten ist.
  19. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach Anspruch 15, bei dem das Chalcogenid mit Polymeren, Keramiken oder Halbleitermaterialien gemischt oder dotiert ist.
  20. Bipolartransistor (100) mit isoliertem Gate nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Thermistor (120) mit negativem Temperaturkoeffizienten ein Halbleitermaterial ist, das einen Bandabstand kleiner als ein Bandabstand eines Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers hat.
  21. Verfahren zum Herstellen eines Bipolartransistors (100) mit isoliertem Gate, umfassend: Bilden einer Kollektorinjektionsstruktur (110) an einer zweiten Oberfläche (107) eines Halbleiterkörpers (105), der entgegengesetzte erste und zweite Oberflächen (103, 107) hat, wobei der Halbleiterkörper (105) eine erste Zone (108) eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und die Kollektorinjektionsstruktur (110) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, aufweisend einen ersten Teil (1101) und einen zweiten Teil (1102) unter einem ersten lateralen Abstand (d) voneinander, und Bilden eines Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten angrenzend an die erste Zone (108) in einem Gebiet (112) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1101, 1102).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Kollektorinjektionsstruktur (110) und der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten gebildet werden durch Ätzen eines Trenches (153) in den Halbleiterkörper (105) von der zweiten Oberfläche (107), wobei der Trench (153) die ersten und zweiten Teile trennt, und Bilden des Thermistors mit negativem Temperaturkoeffizienten in dem Trench (153).
  23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der erste Teil (1101) und der zweite Teil (1102) gebildet werden durch Einführen von Dotierstoffen in den Halbleiterkörper (105) von der zweiten Oberfläche (107) durch eine strukturierte Maske (155).
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