DE102015102756B4 - Halbleitereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitereinrichtung (10) mit:einem Halbleitersubstrat (12) mit einem Diodenbereich (92) und einem IGBT Bereich (90);einer Anodenelektrode (14), die auf einer vorderen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) innerhalb des Diodenbereichs (92) gebildet ist;einer Kathodenelektrode (16), die auf einer hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats (12) innerhalb des Diodenbereichs (92) gebildet ist;einer Emitterelektrode (14), die auf der vorderen Oberfläche (12a) innerhalb des IGBTs Bereichs (90) gebildet ist;einer Kollektorelektrode (16), die auf der hinteren Oberfläche innerhalb des IGBT Bereichs (90) gebildet ist;einer Gateisolationsschicht (40); undeiner Gateelektrode (42), wobeider Diodenbereich (92) aufweist:einen Anodenbereich (34) des p-Typs, der mit der Anodenelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist;eine Vielzahl von Säulenbereichen (24) des n-Typs, die lateral zu dem Anodenbereich (34) lokalisiert sind, in Kontakt mit dem Anodenbereich (34) sind, und mit der Anodenelektrode (14) durch Schottky-Kontakte verbunden sind;einen Barrierenbereich (26) des n-Typs, der an hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Anodenbereich (34) lokalisiert ist, in Kontakt mit dem Anodenbereich (34) ist und mit der Vielzahl von Säulenbereichen (24) verbunden ist;einen Diodendriftbereich (28) des n-Typs, der an einer der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Barrierenbereich (26) lokalisiert ist, und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die niedriger als die in dem Barrierenbereich (26) ist; undeinen Kathodenbereich (36) des n-Typs, der an der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Diodendriftbereich (28) lokalisiert ist, mit der Kathodenelektrode (16) verbunden ist, und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die höher ist als die in dem Diodendriftbereich (28), und wobeider IGBT Bereich (90) aufweist:einen Emitterbereich (20) des n-Typs, der mit der Emitterelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist;einen Körperbereich (22) des p-Typs, der mit der Emitterelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist;einen IGBT Driftbereich (28) des n-Typs, der mit dem Diodendriftbereich (28) verbunden ist und von dem Emitterbereich (20) durch den Körperbereich (22) getrennt ist; undeinen Kollektorbereich (32) des p-Typs, der mit der Kollektorelektrode (16) verbunden ist und von dem Körperbereich (22) durch den IGBT Driftbereich (28) getrennt ist;wobei die Gateelektrode (42) konfiguriert ist, über die Gateisolationsschicht (40) dem Körperbereich (22), der den Emitterbereich (20) und den IGBT Driftbereich (28) trennt, zugewandt zu sein,ein Einschaltwiderstand eines ersten Säulenbereichs (24a) unter der Vielzahl von Säulenbereichen (24) mit Bezug auf die Anodenelektrode (14) höher ist als ein Einschaltwiderstand eines zweiten Säulenbereichs (24b) unter der Vielzahl von Säulenbereichen (24) mit Bezug auf die Anodenelektrode (14), undder zweite Säulenbereich (24b) an einer Position lokalisiert ist, die näher an dem IGBT Bereich (90) als der erste Säulenbereich (24a) ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Eine hierin offenbarte Technologie bezieht sich auf eine Halbleitereinrichtung.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die japanische Patentanmeldungsoffenlegung JP 2012 - 43 890 A offenbart eine Halbleitereinrichtung (d.h. ein sogenanntes RC-IGBT), in dem ein IGBT und eine Diode in einem einzelnen Halbleitersubstrat gebildet sind.
  • Ferner offenbart die japanische Patentanmeldungsoffenlegung JP 2013 - 48 230 A A-eine Diode, die mit einem n-Säulenbereich und einem n-Barrierenbereich versehen ist, um einen p-n Übergang der Diode daran zu hindern, eingeschaltet zu werden. Der n-Säulenbereich ist mit einer Anodenelektrode durch einen Schottky-Kontakt verbunden. Der n-Säulenbereich und der n-Barrierenbereich bilden einen Strompfad, der den p-n Übergang umgeht. Weil die Schottky-Verbindung eingeschaltet wird, bevor der p-n Übergang eingeschaltet wird, wird der p-n Übergang daran gehindert, eingeschaltet zu werden.
  • Weiterer relevanter Stand der Technik ist beschrieben in WO 2013/ 014 943 A2 das eine Diode, eine Halbleitervorrichtung, und einen MOSFET offenbart, und in US 2009 / 0 072 339 A1 das eine Halbleitervorrichtung mit einer Diode und einem IGBT offenbart.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Wie in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung JP 2012 - 43 890 A beschrieben, kann ein „Gateinterferenz“ genanntes Phänomen in dem RC-IGBT auftreten. Das heißt, ein Anlegen einer vorbestimmten Spannung an ein Gate des IGBTs beeinflusst den Betrieb der Diode, mit einem Ergebnis, dass der Betrieb der Diode instabil wird.
  • Eine Diodenstruktur mit der in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung JP 2013 - 48 230 A beschriebenen Schottky-Verbindung kann in dem Diodenabschnitt des RC-IGBTs angewendet werden. In diesem Fall tritt das Problem der Gateinterferenz ebenfalls auf. Deswegen stellt diese Beschreibung eine Technologie zum Verhindern der Gateinterferenz in dem RC-IGBT bereit, der die Diodenstruktur mit der Schottky-Verbindung anwendet.
  • Eine in dieser Beschreibung offenbarte Halbleitereinrichtung weist auf: ein Halbleitersubstrat mit einem Diodenbereich und einem IGBT Bereich; eine Anodenelektrode, die auf einer vorderen Oberfläche des Halbleitersubstrats innerhalb des Diodenbereichs gebildet ist; eine Kathodenelektrode, die auf einer hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats innerhalb des Diodenbereichs gebildet ist; eine Emitterelektrode, die auf der vorderen Oberfläche innerhalb des IGBT Bereichs gebildet ist; eine Kollektorelektrode, die auf der hinteren Oberfläche innerhalb des IGBT Bereichs gebildet ist, eine Gateisolationsschicht; und eine Gateelektrode. Der Diodenbereich weist auf: einen Anodenbereich des p-Typs, der mit der Anodenelektrode durch einen ohmschen Kontakt verbunden ist; eine Vielzahl von Säulenbereichen des n-Typs, die lateral zu dem Anodenbereich lokalisiert sind, in Kontakt mit dem Anodenbereich stehen und mit der Anodenelektrode durch Schottky-Kontakte verbunden sind; einen Barrierenbereich des n-Typs, der an der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Anodenbereich lokalisiert ist, in Kontakt mit dem Anodenbereich ist und mit der Vielzahl der Säulenbereiche verbunden ist; einen Diodendriftbereich des n-Typs, der an der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Barrierenbereich lokalisiert ist und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die niedriger ist als die in dem Barrierenbereich; und einen Kathodenbereich des n-Typs, der an der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Diodendriftbereich lokalisiert ist, mit der Kathodenelektrode verbunden ist, und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die höher ist als die in dem Diodendriftbereich. Der IGBT Bereich weist auf: einen Emitterbereich des n-Typs, der mit der Emitterelektrode durch einen ohmschen Kontakt verbunden ist; einen Körperbereich des p-Typs, der mit der Emitterelektrode durch einen ohmschen Kontakt verbunden ist; einen IGBT Driftbereich des n-Typs, der mit dem Diodendriftbereich verbunden ist und von dem Emitterbereich durch den Körperbereich getrennt ist; und einen Kollektorbereich des p-Typs, der mit der Kollektorelektrode verbunden ist und von dem Körperbereich durch den IGBT Driftbereich getrennt ist. Die Gateelektrode ist so konfiguriert, dass sie dem Körperbereich über die Gateisolationsschicht zugewandt ist, der den Emitterbereich und den IGBT Driftbereich trennt. Ein Einschaltwiderstand eines ersten Säulenbereichs unter der Vielzahl der Säulenbereiche mit Bezug auf die Anodenelektrode ist höher als ein Einschaltwiderstand eines zweiten Säulenbereichs unter der Vielzahl der Säulenbereiche mit Bezug auf die Anodenelektrode. Der zweite Säulenbereich ist an einer Position lokalisiert, die näher an dem IGBT Bereich als der erste Säulenbereich ist.
  • Der Ausdruck „Einschaltwiderstand“ bedeutet einen Grad an Einfachheit für einen elektrischen Strom, durch eine Schottky-Barrierendiode durchzugehen, die durch die Anodenelektrode und den entsprechenden Säulenbereich gebildet wird. Eine hohe Einschaltspannung der Schottky-Barrierendiode bedeutet einen hohen Einschaltwiderstand. Ferner bedeutet ein kleiner Stromanstiegswinkel der Schottky-Barrierendiode einen hohen Einschaltwiderstand. Ferner können die Anodenelektrode und die Emitterelektrode miteinander integriert sein oder voneinander getrennt sein. Ferner können die Kathodenelektrode und die Kollektorelektrode miteinander integriert sein oder voneinander getrennt sein.
  • In dieser Halbleitereinrichtung hat der erste Säulenbereich, der von dem IGBT Bereich beabstandet ist, einen höheren Einschaltwiderstand mit Bezug auf die Anodenelektrode als der zweite Säulenbereich, der nahe zu dem IGBT Bereich ist. Aus diesem Grund ist es in der Nähe des zweiten Säulenbereichs für einen p-n Übergang (d.h. einen p-n Übergang, der durch den Anodenbereich und den Barrierenbereich gebildet wird), schwieriger, eingeschaltet zu werden als in der Nähe des ersten Säulenbereichs. Das heißt, in der Nähe des zweiten Säulenbereichs, der nahe zu dem IGBT Bereich ist, ist es schwierig für die p-n Übergänge, dass sie eingeschaltet werden, und deswegen ist es für einen elektrischen Strom schwierig zu fließen. Aus diesem Grund ist der Effekt einer Gateinterferenz auf den Stromwert des Diodenbereichs als Ganzem klein, selbst wenn die Gateinterferenz verhindert, dass ein elektrischer Strom durch ein Gebiet um den zweiten Säulenbereich fließt, der nahe an dem IGBT Bereich ist. Aus diesem Grund ist die Halbleitereinrichtung unempfindlich gegenüber einer Gateinterferenz.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Längsquerschnitt einer Halbleitereinrichtung 10 eines Ausführungsbeispiels 1;
    • 2 ist eine Aufsicht auf die Halbleitereinrichtung 10 des Ausführungsbeispiels 1;
    • 3 ein Graph, der Charakteristiken von SBDs 24a und 24b von Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
    • 4 ist ein Längsquerschnitt einer Halbleitereinrichtung nach Ausführungsbeispiel 2;
    • 5 ist ein Graph, der die Charakteristiken von SBDs 24a und 24b von Ausführungsbeispiel 2 zeigt;
    • 6 ist eine Aufsicht auf eine Halbleitereinrichtung einer Modifikation;
    • 7 ist eine Aufsicht auf eine Halbleitereinrichtung einer Modifikation; und
    • 8 ist ein Längsquerschnitt einer Halbleitereinrichtung einer Modifikation.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiel 1
  • Eine Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1, wie in 1 gezeigt, enthält ein Halbleitersubstrat 12, eine obere Elektrode 14 und eine untere Elektrode 16. Das Halbleitersubstrat 12 ist ein Substrat, das aus Silizium gemacht ist. Die obere Elektrode 14 ist auf einer oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 gebildet. Die untere Elektrode 16 ist auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 gebildet. Das Halbleitersubstrat 12 hat einen IGBT Bereich 90, in dem IGBTs gebildet sind, und einen Diodenbereich 92, in dem Dioden gebildet sind. Das heißt, die Halbleitereinrichtung 10 ist ein sogenannter RC-IGBT. Wie in 2 gezeigt, sind der IGBT Bereich 90 und der Diodenbereich 92 alternierend in dem Halbleiterbereich 12 gebildet.
  • Wie in 1 gezeigt, sind in dem Halbleitersubstrat 12 innerhalb des Diodenbereichs 92 Anodenbereiche 34, Säulenbereiche 24, ein Barrierenbereich 26 ein Driftbereich 28, ein Pufferbereich 30 und ein Kathodenbereich 36 gebildet.
  • Die Anodenbereiche 34 sind vom p-Typ und sind in einem Bereich gebildet, der an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegt. Jeder der Anodenbereiche 34 hat einen Anodenkontaktbereich 34a und einen Anodenbereich 34b niedriger Konzentration. Der Anodenkontaktbereich 34a ist in einem Bereich gebildet, der an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegt. Der Anodenkontaktbereich 34a hat eine hohe p-Typ Verunreinigungskonzentration und ist mit der oberen Elektrode 14 durch einen ohmschen Kontakt verbunden. Der Anodenbereich 34b niedriger Konzentration ist auf einer unteren Seite und lateral zu dem Anodenkontaktbereich 34a gebildet. Der Anodenbereich niedriger Konzentration 34b hat eine niedrigere p-Typ Verunreinigungskonzentration als die in dem Anodenkontaktbereich 34a.
  • Die Säulenbereiche 24 sind vom n-Typ und sind in einem Bereich gebildet, der an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegt. Die Säulenbereiche 24 sind in Kontakt mit den Anodenbereichen 34b niedriger Konzentration an lateralen Seiten der Anodenbereiche niedriger Konzentration 34b. Die Säulenbereiche 24 erstrecken sich von der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 nach unten zu einem unteren Ende der Anodenbereiche 34. Mit anderen Worten sind die Säulenbereiche 24 Bereiche des n-Typs, die lateral in Kontakt mit den Anodenbereichen 34 in einer Zone sind, die flacher als die unteren Enden des Anodenbereichs 34 sind. Die Säulenbereiche 24 sind mit der oberen Elektrode 14 durch Schottky-Kontakte verbunden.
  • In Ausführungsbeispiel 1 ist jede Breite W2 von zwei Säulenbereichen 24b, die an Positionen lokalisiert sind, die näher an dem IGBT Bereich 90 sind, größer als jede der Breiten W1 der Säulenbereiche 24a, die an Positionen lokalisiert sind, die weiter von dem IGBT Bereich 90 als die Säulenbereiche 24b beabstandet sind. Aus diesem Grund ist die Fläche von jedem Säulenbereich 24b, die an der oberen Oberfläche 12a außen liegt, größer als die Fläche von jedem Säulenbereich 24a, die an der oberen Oberfläche 12a außen liegt. Mit anderen Worten ist die Fläche eines Bereichs, in dem jeder Säulenbereich 24b mit der oberen Elektrode 14 durch einen Schottky-Kontakt verbunden ist, größer als die Fläche eines Bereichs, in dem der Säulenbereich 24a mit der oberen Elektrode 14 durch einen Schottky-Kontakt verbunden ist. Es soll bemerkt werden, dass ein Bereich des Diodenbereichs 92, in dem die Säulenbereiche 24a gebildet sind (d.h. ein Bereich, der von dem IGBT Bereich 90 beabstandet ist) im Weiteren als ein erster Diodenbereich 92a bezeichnet wird, und ein Bereich des Diodenbereichs 92, in dem die Säulenbereiche 24b gebildet sind (d.h. ein Bereich, der näher an dem IGBT Bereich 90 ist) im Weiteren als ein „zweiter Diodenbereich 92b“ bezeichnet wird.
  • Der Barrierenbereich 26 ist vom n-Typ und ist auf einer unteren Seite der Anodenbereiche 34 und auf einer unteren Seite der Säulenbereiche 24 gebildet. Der Barrierenbereich 26 ist mit den Säulenbereichen 24 verbunden. Der Barrierenbereich 26 ist in Kontakt mit den Anodenbereichen 34.
  • Der Driftbereich 28 ist vom n-Typ und ist auf einer unteren Seite des Barrierenbereichs 26 gebildet. Der Driftbereich 28 ist von den Anodenbereichen 34 durch den Barrierenbereich 26 getrennt. Es gibt eine im Wesentlichen homogene Verteilung von n-Typ Verunreinigungskonzentrationen innerhalb des Driftbereichs 28. Mit anderen Worten ist der Driftbereich 28 ein Bereich, in dem es die im Wesentlichen homogene Verteilung von n-Typ Verunreinigungskonzentrationen gibt, und der Barrierenbereich 26 ist auf einer oberen Seite des Driftbereichs 28 lokalisiert und hat eine höhere n-Typ Verunreinigungskonzentration als der im Wesentlichen homogen verteilte Verunreinigungskonzentrationswert.
  • Der Pufferbereich 30 ist vom n-Typ und ist auf einer unteren Seite des Driftbereichs 28 gebildet. Der Pufferbereich 30 hat eine höhere n-Typ Verunreinigungskonzentration als die in dem Driftbereich 28.
  • Der Kathodenbereich 36 ist vom n-Typ und ist auf einer unteren Seite des Pufferbereichs 30 gebildet. Der Kathodenbereich 36 hat eine höhere n-Typ Verunreinigungskonzentration als die in dem Pufferbereich 30. Der Kathodenbereich 36 ist in einem Bereich gebildet, der an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 außen liegt. Der Kathodenbereich 36 ist mit der unteren Elektrode 16 durch einen ohmschen Kontakt verbunden.
  • In der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 innerhalb des Diodenbereichs 92 sind eine Vielzahl von Gräben gebildet. Jeder der Gräben dringt durch den Anodenbereich 34 und den Barrierenbereich 26 und erreicht den Driftbereich 28. Eine innere Oberfläche von jedem der Gräben ist mit einer Isolationsschicht 50 bedeckt. Eine Steuerelektrode 52 ist innerhalb von jedem der Gräben gebildet. Die Steuerelektrode 52 ist von dem Halbleitersubstrat 12 durch die Isolationsschicht 50 isoliert. Die obere Oberfläche 12a von jeder Steuerelektrode 52 ist durch eine Isolationsschicht 54 bedeckt. Die Steuerelektrode 52 ist von der oberen Elektrode 14 durch die Isolationsschicht 54 isoliert.
  • In dem Halbleitersubstrat 12 sind innerhalb des IGBT Bereichs 90 Emitterbereiche 20, Körperbereiche 22, die Säulenbereiche 24, der Barrierenbereich 26, der Driftbereich 28, der Pufferbereich 30 und ein Kollektorbereich 32 gebildet.
  • Die Emitterbereiche 20 sind vom n-Typ und sind in Bereichen gebildet, die an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegen. Die Emitterbereiche 20 sind mit der oberen Elektrode 14 durch ohmsche Kontakte verbunden.
  • Die Körperbereiche 22 sind vom p-Typ und sind in Bereichen gebildet, die an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegen. Jeder der Körperbereiche 22 hat einen Körperkontaktbereich 22 und einen Körperbereich 22b niedriger Konzentration. Der Körperkontaktbereich 22a ist in einem Bereich gebildet, der an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 außen liegt.
  • Der Körperkontaktbereich 22a hat eine hohe p-Typ Verunreinigungskonzentration und ist mit der oberen Elektrode 14 über einen ohmschen Kontakt verbunden. Der Körperbereich 22b niedriger Konzentration ist auf einer unteren Seite des Emitterbereichs 20 und auf einer unteren Seite von und lateral zu dem Körperkontaktbereich 22a gebildet. Der Körperbereich 22b niedriger Konzentration hat eine niedrigere p-Typ Verunreinigungskonzentration als die in dem Körperkontaktbereich 22a. Die Körperbereiche 22 sind in einem Bereich gebildet, der im Wesentlichen dieselbe Tiefe hat, wie die der Anodenbereiche 34.
  • Die vorher erwähnten Säulenbereiche 24 sind lateral zu den Körperbereichen 22 gebildet.
  • Der oben erwähnte Barrierenbereich 26 ist auf unteren Seiten der Körperbereiche 22 gebildet.
  • Der oben erwähnte Driftbereich 28 ist auf der unteren Seite des Barrierenbereichs 26 innerhalb des IGBT Bereichs 90 gebildet. Der Driftbereich 28 erstreckt sich über den IGBT Bereich 90 und den Diodenbereich 92. Der Driftbereich 28 ist von den Körperbereichen 22 durch den Barrierenbereich 26 getrennt.
  • Der oben erwähnte Pufferbereich 30 ist auf der unteren Seite des Driftbereichs 28 innerhalb des IGBT Bereichs 90 gebildet. Der Pufferbereich 30 erstreckt sich über den IGBT Bereich 90 und den Diodenbereich 92.
  • Der Kollektorbereich 32 ist vom p-Typ und ist auf einer unteren Seite des Pufferbereichs 30 innerhalb des IGBT Bereichs 90 gebildet. Der Kollektorbereich 32 ist in einem Bereich gebildet, der an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 außen liegt. Der Kollektorbereich 32 ist mit der unteren Elektrode 16 durch einen ohmschen Kontakt verbunden.
  • In der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 innerhalb des IGBT Bereichs 90 sind eine Vielzahl von Gräben gebildet. Jeder der Gräben dringt durch den Emitterbereich 20, den Körperbereich 22b niedriger Konzentration und den Barrierenbereich 26 und erreicht den Driftbereich 28. Eine innere Oberfläche von jedem der Gräben ist mit einer Gateisolationsschicht 40 bedeckt. Eine Gateelektrode ist innerhalb von jedem der Gräben gebildet. Die Gateelektrode 42 ist von dem Halbleitersubstrat 12 durch die Gateisolationsschicht 40 isoliert. Die Gateelektrode 42 ist dem Emitterbereich 20, dem Körperbereich 22b niedriger Konzentration, dem Barrierenbereich 26 und dem Driftbereich 28 über die Gateisolationsschicht 40 zugewandt. Die obere Oberfläche 12a von jeder Gateelektrode 42 ist mit einer Isolationsschicht 44 bedeckt. Die Gateelektrode 42 ist von der oberen Elektrode 14 durch die Isolationsschicht 44 isoliert.
  • Als nächstes werden die Charakteristiken der Säulenbereiche 24a und 24b beschrieben. In dem Diodenbereich 92 sind Schottky-Barrierendioden (im Weiteren als „SBDs“ bezeichnet) durch die obere Elektrode 14 und die Säulenbereiche 24, die mit der oberen Elektrode 14 über Schottky-Kontakte verbunden sind, gebildet. Es soll hier bemerkt werden, dass, wie oben beschrieben, die Fläche des Schottky-Kontaktbereichs, in dem die Säulenbereiche 24a mit der oberen Elektrode 14 über Schottky-Kontakte verbunden sind, kleiner als die Fläche des Schottky-Kontaktbereichs ist, in dem die Säulenbereiche 24b mit der oberen Elektrode über Schottky-Kontakte verbunden sind. Aus diesem Grund gibt es einen Unterschied in Charakteristiken zwischen SBDs (im Weiteren als „SBDs 24a“ bezeichnet), die durch die obere Elektrode 14 und die Säulenbereiche 24a gebildet werden, und SBDs (im Weiteren als „SBDs 24b“ bezeichnet), die durch die obere Elektrode 14 und die Säulenbereiche 24b gebildet werden. Wie in 3 gezeigt, ist ein Stromanstiegswinkel dI/dV von jedem der SBDs 24a kleiner als der Stromanstiegswinkel dI/dV von jedem der SBDs 24b. Auf der anderen Seite haben die SBDs 24a und die SBDs 24b im Wesentlichen die gleichen Einschaltspannungen VF. Wie aus 3 evident, ist es schwieriger, für ein einen elektrischen Strom, durch die SBDs 24a als durch die SBDs 24b durchzugehen. Das heißt, die SBDs 24a haben einen höheren Einschaltwiderstand als ihn die SBDs 24b haben.
  • Als nächstes wird der Betrieb des Diodenbereichs 92 beschrieben. Man nehme einen Fall an, in dem eine Spannung an die obere Elektrode 14 (d.h. eine Spannung, die dafür sorgt, dass die obere Elektrode 14 positiv mit Bezug auf die untere Elektrode 16 ist; im Weiteren als „Diodenvorwärtsspannung“ bezeichnet) allmählich erhöht wird. Wenn die Diodenvorwärtsspannung die Einschaltspannung VF der SBDs 24a und 24b überschreitet, werden die SBDs 24a und 24b eingeschaltet. Das heißt, wie durch die Pfeile 60 in 1 angezeigt, fließen Elektroden von der unteren Elektrode 16 zu der oberen Elektrode 14 über den Kathodenbereich 36, den Pufferbereich 30, den Driftbereich 28, den Barrierenbereich 26 und die Säulenbereiche 24. Ferner sind innerhalb des Diodenbereichs 92 p-n Übergänge durch die Anodenbereiche 34 und den Barrierenbereich 26 gebildet. Eine Spannung, die an jeden der p-n Übergänge (d.h. eine Spannung, die zwischen der oberen Elektrode 14 und dem Barrierenbereich 26) angelegt wird, ist im Wesentlichen gleich einer Spannung, die an den SBD 24 angelegt wird, der benachbart zu dem p-n Übergang ist. Weil die Spannung, bei dem die p-n Übergänge eingeschaltet werden, höher ist als die Einschaltspannungen der SBDs 24a und 24b, werden die p-n Übergänge in diesem Zustand nicht eingeschaltet.
  • Ferner verursacht ein Erhöhen der Diodenvorwärtsspannung ein Anwachsen eines elektrischen Stroms, der durch die SBDs 24a und 24b fließt, und eine Erhöhung von Spannungen, die an die SBDs 24a und 24b angelegt werden. Bei dieser Gelegenheit erhöht sich die an die SBDs 24a angelegte Spannung einfacher als die an die SBDs 24b angelegte Spannung, weil die SBDs 24a einen höheren Einschaltwiderstand haben. Deswegen verursacht ein Beibehalten des Anwachsens der Diodenvorwärtsspannung, dass die p-n Übergänge, die benachbart zu den SBDs 24a (d.h. den Säulenbereichen 24a) sind, eingeschaltet werden, bevor die p-n Übergänge, die benachbart zu den SBDs 24b (d.h. den Säulenbereichen 24b) sind, eingeschaltet werden. Dies verursacht, dass Löcher von der oberen Elektrode 14 zu der unteren Elektrode 16 über die Anodenbereiche 34, den Barrierenbereich 26, den Driftbereich 28, den Pufferbereich 30 und den Kathodenbereich 36 fließen, wie durch Pfeile 62 in 1 angezeigt. Ferner fließen Elektronen durch Pfade in einer entgegengesetzten Richtung, wie es durch die Pfeile 60 angezeigt wird. Wenn die Löcher in den Driftbereich 28 fließen, wie durch die Pfeile 62 angezeigt, ziehen diese Löcher die Elektronen an, um sich von dem Driftbereich 28 innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b hin zu dem Driftbereich innerhalb des ersten Diodenbereichs 92a zu bewegen. Das wiederum verringert die Konzentration von Elektronen in dem Driftbereich 28 innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b.
  • Ferner verursacht ein Erhöhen der Diodenvorwärtsspannung einen Anstieg in einer Spannung, die an die SBDs 24b angelegt wird, sodass die p-n Übergänge, die zu den Säulenbereichen 24b benachbart sind, eingeschaltet werden. Dadurch ist es in der Halbleitereinrichtung 10 schwierig, dass die p-n Übergänge in dem zweiten Diodenbereich 92b, der nahe zu dem IGBT Bereich 90 ist, eingeschaltet werden, und deswegen ist es für einen elektrischen Strom schwierig, durch den zweiten Diodenbereich 92b zu fließen. Das heißt, der elektrische Strom, der durch den zweiten Diodenbereich 92b fließt, ist kleiner als der elektrische Strom, der durch den ersten Diodenbereich 92a fließt.
  • Als nächstes wird ein Betrieb während der Gateinterferenz beschrieben. In einem Zustand, in dem eine Gatespannung an die Gateelektroden 42 der IGBTs angelegt wird, ist es schwierig, dass die Dioden in der Nähe des IGBT Bereichs 90 (d.h. die Dioden innerhalb des Diodenbereichs 92b) eingeschaltet werden, selbst wenn die Diodenvorwärtsspannung angelegt wird. Dies kommt daher, dass die Anwendung der Gatespannung dafür sorgt, dass Kanäle innerhalb des Körperbereichs 22 gebildet werden, sodass ein Potenzial des Driftbereichs 28 innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b näher an ein Potenzial der oberen Elektrode 14 kommt. Für Details der Gateinterferenz soll auf die japanische Patentanmeldungsoffenlegung JP 2012- 43 890 A die oben erwähnt wurde, Bezug genommen werden. Ferner verursacht das Auftreten einer Gateinterferenz einen Ausrückbetrieb (snapback operation) von Dioden in der Nähe eines IGBT Bereichs, wie in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung JP 2012- 43 890 A beschrieben.
  • Jedoch ist in dem Halbleiterbereich 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wie oben beschrieben, ein elektrischer Strom, der durch den zweiten Diodenbereich 92b fließt, der nahe an dem IGBT Bereich 90 ist, klein. Aus diesem Grund ist, selbst wenn die Gateinterferenz verhindert, dass ein elektrischer Strom durch den zweiten Diodenbereich 92b fließt, eine Verringerung eines elektrischen Stroms, der durch den Diodenbereich 92 fließt, als Ganzes klein. Aus diesem Grund ist in der Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1 der Effekt einer Gateinterferenz auf einen elektrischen Strom, der durch die Dioden fließt, extrem klein.
  • Ferner bewegen sich, wie oben beschrieben, in der Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1 Elektronen von dem zweiten Diodenbereich 92b hin zu dem ersten Diodenbereich 92a in einem Zustand, in dem die p-n Übergänge innerhalb des ersten Diodenbereichs 92a eingeschaltet sind, und die p-n Übergänge innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b nicht eingeschaltet sind. Aus diesem Grund ist die Konzentration von Elektronen in dem Driftbereich 28 innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b zu einer Zeit niedrig, wenn die p-n Übergänge innerhalb des zweiten Diodenbereichs 92b eingeschaltet sind. In solch einem Fall, in dem die p-n Übergänge in einem Zustand eingeschaltet sind, in dem die Konzentration von Elektronen in dem Driftbereich 28 niedrig ist, tritt ein Ausrücken (snapback) kaum auf, wenn die Gateinterferenz aufgetreten ist. Deswegen macht es die Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1 möglich, das Ausrücken (snapback) der Dioden während der Gateinterferenz zu verhindern.
  • Wie oben beschrieben kann in der Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1 der Effekt einer Gateinterferenz auf die Charakteristiken der Dioden minimiert werden. In der Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1 können die Dioden stabil betrieben werden.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Eine Halbleitereinrichtung nach Ausführungsbeispiel 2, wie in 4 gezeigt, hat die gleiche Konfiguration wie die Halbleitereinrichtung 10 nach Ausführungsbeispiel 1, außer der Konfiguration der Säulenbereiche 24. In der Halbleitereinrichtung nach Ausführungsbeispiel 2 ist die Breite von jeder der Säulenbereiche 24b gleich der Breite von jeder der Säulenbreite 24a. Das heißt, die Fläche des Schottky-Kontaktbereichs der Säulenbereiche 24b ist gleich der Fläche des Schottky-Kontaktbereichs der Säulenbereiche 24a. Auf der anderen Seite ist in der Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 2 die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder der Säulenbereiche 24a niedriger als die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder der Säulenbereiche 24b. Aus diesem Grund haben in der Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 2 die SBDs 24a und 24b die in 5 gezeigten Charakteristiken.
  • Wie in 5 gezeigt, ist in der Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 2 eine Einschaltspannung VFa von jedem der SBDs 24a höher als eine Einschaltspannung VFb von jedem der SBDs 24b. Ferner ist ein Stromanstiegswinkel dI/dV von jedem der SBDs 24a kleiner als der Stromanstiegswinkel dI/dV von jedem der SBDs 24b. Das heißt, in der Halbleitereinrichtung nach Ausführungsbeispiel 2 ist ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel 1 der Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24a höher als der Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24b.
  • Dadurch ist in der Halbleitereinrichtung nach Ausführungsbeispiel 2 ebenfalls der Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24a, die von dem IGBT Bereich 90 beabstandet sind, höher als der Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24b, die nahe an dem IGBT Bereich 90 sind. Aus diesem Grund kann die Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 2 in einer ähnlichen Weise wie die Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 1 arbeiten. In der Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 2 ist ähnlich zu der Halbleitereinrichtung des Ausführungsbeispiels 1 eine Verringerung des Stromwerts auf Grund der Gateinterferenz klein, und ein Ausrücken (snapback) der Dioden während der Gateinterferenz wird kaum auftreten.
  • Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 2 ist die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder der Säulenbereiche 24a niedriger als die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder der Säulenbereiche 24b. Es ist jedoch nur notwendig, dass zumindest die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder der Säulenbereiche 24a an der oberen Oberfläche 12a niedriger als die n-Typ Verunreinigungskonzentration von jeder Säulenbereiche 24b an der oberen Oberfläche 12a ist. Diese Konfiguration ermöglicht es, einen Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24a zu haben, der höher als der Einschaltwiderstand von jedem der SBDs 24b ist.
  • Ferner sind in jedem der Ausführungsbeispiele 1 und 2, die oben beschrieben wurden, die Säulenbereiche 24 und der Barrierenbereich 26 innerhalb des IGBT Bereichs 90 gebildet. Jedoch müssen die Säulenbereiche 24 und der Barrierenbereich 26 nicht notwendigerweise innerhalb des IGBT Bereichs 90 gebildet sein. Ferner sind in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele 1 und 2 die Steuerelektroden 52 innerhalb des Diodenbereichs 92 gebildet. Jedoch müssen die Steuerelektroden 52 nicht notwendigerweise innerhalb des Diodenbereichs 92 gebildet sein. Ferner hat in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele 1 und 2 jeder der IGBTs eine Grabengateelektrode. Jedoch kann jeder der IGBTs eine planare Gateelektrode haben.
  • Ferner sind in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele 1 und 2 die IGBT Bereiche 90 und die Diodenbereiche 92 so wie in 2 gezeigt angeordnet. Jedoch kann die Anordnung der IGBT Bereiche 90 und der Diodenbereiche 92 frei geändert werden. Zum Beispiel können die IGBT Bereiche 90 und die Diodenbereiche 92 wie in 6 und 7 gezeigt angeordnet werden.
  • Ferner passen in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Grenze zwischen der IGBT Struktur und der Diodenstruktur auf der oberen Oberflächenseite und eine Grenze zwischen der IGBT Struktur und der Diodenstruktur auf der unteren Oberflächenseite zueinander. Jedoch müssen diese Grenzen nicht notwendiger Weise zueinander passen. Zum Beispiel kann, wie in 8 gezeigt, der Kollektorbereich 32 hin zu dem Anodenbereich 34a vorstehen.
  • Einige der Merkmale der Ausführungsbeispiele, die zu beschreiben sind, sind unten aufgelistet. Es soll bemerkt werden, dass jedes dieser Merkmale, die unten aufgelistet sind, unabhängig nützlich ist.
  • (Merkmal 1) Eine Kontaktfläche zwischen den ersten Säulenbereichen und der Anodenelektrode kann kleiner als eine Kontaktfläche zwischen dem zweiten Säulenbereich und der Anodenelektrode sein.
  • (Merkmal 2) Eine n-Typ Verunreinigungskonzentration an der vorderen Oberfläche in dem ersten Säulenbereich kann niedriger als eine n-Typ Verunreinigungskonzentration an der vorderen Oberfläche in dem zweiten Säulenbereich sein.

Claims (3)

  1. Halbleitereinrichtung (10) mit: einem Halbleitersubstrat (12) mit einem Diodenbereich (92) und einem IGBT Bereich (90); einer Anodenelektrode (14), die auf einer vorderen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) innerhalb des Diodenbereichs (92) gebildet ist; einer Kathodenelektrode (16), die auf einer hinteren Oberfläche des Halbleitersubstrats (12) innerhalb des Diodenbereichs (92) gebildet ist; einer Emitterelektrode (14), die auf der vorderen Oberfläche (12a) innerhalb des IGBTs Bereichs (90) gebildet ist; einer Kollektorelektrode (16), die auf der hinteren Oberfläche innerhalb des IGBT Bereichs (90) gebildet ist; einer Gateisolationsschicht (40); und einer Gateelektrode (42), wobei der Diodenbereich (92) aufweist: einen Anodenbereich (34) des p-Typs, der mit der Anodenelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist; eine Vielzahl von Säulenbereichen (24) des n-Typs, die lateral zu dem Anodenbereich (34) lokalisiert sind, in Kontakt mit dem Anodenbereich (34) sind, und mit der Anodenelektrode (14) durch Schottky-Kontakte verbunden sind; einen Barrierenbereich (26) des n-Typs, der an hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Anodenbereich (34) lokalisiert ist, in Kontakt mit dem Anodenbereich (34) ist und mit der Vielzahl von Säulenbereichen (24) verbunden ist; einen Diodendriftbereich (28) des n-Typs, der an einer der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Barrierenbereich (26) lokalisiert ist, und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die niedriger als die in dem Barrierenbereich (26) ist; und einen Kathodenbereich (36) des n-Typs, der an der hinteren Oberflächenseite mit Bezug auf den Diodendriftbereich (28) lokalisiert ist, mit der Kathodenelektrode (16) verbunden ist, und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration hat, die höher ist als die in dem Diodendriftbereich (28), und wobei der IGBT Bereich (90) aufweist: einen Emitterbereich (20) des n-Typs, der mit der Emitterelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist; einen Körperbereich (22) des p-Typs, der mit der Emitterelektrode (14) über einen ohmschen Kontakt verbunden ist; einen IGBT Driftbereich (28) des n-Typs, der mit dem Diodendriftbereich (28) verbunden ist und von dem Emitterbereich (20) durch den Körperbereich (22) getrennt ist; und einen Kollektorbereich (32) des p-Typs, der mit der Kollektorelektrode (16) verbunden ist und von dem Körperbereich (22) durch den IGBT Driftbereich (28) getrennt ist; wobei die Gateelektrode (42) konfiguriert ist, über die Gateisolationsschicht (40) dem Körperbereich (22), der den Emitterbereich (20) und den IGBT Driftbereich (28) trennt, zugewandt zu sein, ein Einschaltwiderstand eines ersten Säulenbereichs (24a) unter der Vielzahl von Säulenbereichen (24) mit Bezug auf die Anodenelektrode (14) höher ist als ein Einschaltwiderstand eines zweiten Säulenbereichs (24b) unter der Vielzahl von Säulenbereichen (24) mit Bezug auf die Anodenelektrode (14), und der zweite Säulenbereich (24b) an einer Position lokalisiert ist, die näher an dem IGBT Bereich (90) als der erste Säulenbereich (24a) ist.
  2. Halbleitereinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei eine Kontaktfläche zwischen dem ersten Säulenbereich (24a) und der Anodenelektrode (14) kleiner ist als eine Kontaktfläche zwischen dem zweiten Säulenbereich (24b) und der Anodenelektrode (14).
  3. Halbleitereinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei eine n-Typ Verunreinigungskonzentration an der vorderen Oberfläche (12a) in dem ersten Säulenbereich (24a) niedriger als eine n-Typ Verunreinigungskonzentration an der vorderen Oberfläche (12a) in dem zweiten Säulenbereich (24b) ist.
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