DE102016102733B4 - Bipolares Halbleiterbauelement mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur - Google Patents

Bipolares Halbleiterbauelement mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur Download PDF

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Abstract

Ein bipolares Halbleiterbauelement (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B), umfassend:eine Drift-Region (114, 214, 314) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich über einer Anodenschicht (110, 210, 310) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegensetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp befindet;einen Steuerungsgraben (120, 220, 320), der sich durch eine Inversionsregion (116, 216, 316) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei der Steuerungsgraben (120, 220, 320) durch eine Kathodendiffusion (128, 228, 328) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp begrenzt ist;eine Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330), die sich ausgehend von einem unteren Ende des Steuerungsgrabens (120, 220, 320) unterhalb des Steuerungsgrabens (120, 220, 320) in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst;wobei die zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) und die zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) ausgebildet sind, um die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) im Wesentlichen ladungsauszugleichen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein bipolares Halbleiterbauelement sowie einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate.
  • STAND DER TECHNIK
  • Bipolare Halbleiterbauelemente, die für eine Verwendung als Leistungsschalter geeignet sind, z. B. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs; IGBT = insulated-gate bipolar transistor), können zum Beispiel in einer Vielzahl von Anwendungen implementiert sein. Zum Beispiel können IGBTs als Leistungsschalter in Wechselrichtern für Motorantriebe sowie in Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandlern (DC-DC-Leistungswandler; DC = direct current) verwendet werden. Bei diesen und anderen Leistungsanwendungen sind Ausschaltverluste (EOFF; OFF = AUS) und ein An-Zustand-Spannungsabfall (VON; ON = AN) typischerweise Schlüsselbetriebsparameter, sodass IGBTs mit geringem VON und im Wesentlichen minimiertem EOFF während eines schnellen Schaltens äußerst wünschenswert sind. Entsprechende bipolare Halbleiterbauelemente werden beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2014 105 964 A1 sowie M. Antoniou et al.: „The Semiconductor-Superjunction IGBT" in IEEE Electronic Device Letters, Vol. 31, No. 6, Juni 2010, Seiten 591 - 593 vorgeschlagen.
  • Bei zunehmender Schaltgeschwindigkeit stellen allerdings Schaltverluste, einschließlich EOFF, typischerweise einen erheblichen Teil des Gesamtleistungsverlustes durch einen bipolaren Leistungsschalter dar. Ferner können herkömmliche Techniken zum Minimieren des EOFF während des schnellen Schaltens unerwünschte Konsequenzen für die An-Zustand-Charakteristika des bipolaren Leistungsschalters, z. B VON, haben.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein bipolares Halbleiterbauelement mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur, im Wesentlichen wie in Verbindung mit zumindest einer der Figuren gezeigt und/oder beschrieben und wie in den Ansprüchen dargelegt.
  • Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzeptes für ein bipolares Halbleiterbauelement und einen IGBT.
  • Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche gedeckt werden.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein bipolares Halbleiterbauelement, umfassend eine Drift-Region mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich über einer Anodenschicht mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegensetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp befindet; einen Steuerungsgraben, der sich durch eine Inversionsregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Drift-Region erstreckt, wobei der Steuerungsgraben durch eine Kathodendiffusion mit dem ersten Leitfähigkeitstyp begrenzt ist; eine Tief-Untergraben-Struktur, die sich ausgehend von einem unteren Ende des Steuerungsgrabens unterhalb des Steuerungsgrabens in die Drift-Region erstreckt, wobei die Tief-Untergraben-Struktur zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst; wobei die zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion und die zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion ausgebildet sind, um die Tief-Untergraben-Struktur im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  • Optional umfasst die Tief-Untergraben-Struktur zwei erste Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Leitfähigkeitsregion, wobei sich die zweite Leitfähigkeitsregion zwischen den zwei ersten Leitfähigkeitsregionen befindet.
  • Weiterhin optional umfasst die Tief-Untergraben-Struktur eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen, wobei die erste Mehrzahl größer ist als die zweite Mehrzahl.
  • Optional umfasst die Tief-Untergraben-Struktur eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen, und wobei sich jede von den zweiten Leitfähigkeitsregionen zwischen zwei von den ersten Leitfähigkeitsregionen befindet.
  • Weiterhin optional weist die Tief-Untergraben-Struktur eine Breite auf, die geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist zu einer Breite des Steuerungsgrabens.
  • Optional weist die Tief-Untergraben-Struktur eine Breite auf, die größer ist als eine Breite des Steuerungsgrabens.
  • Weiterhin optional grenzt die Tief-Untergraben-Struktur an die Inversionsregion an.
  • Optional umfasst das bipolare Halbleiterbauelement ferner eine Anreicherungsschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Drift-Region und der Inversionsregion befindet, wobei die Tief-Untergraben-Struktur an die Anreicherungsschicht angrenzt.
  • Weiterhin optional umfasst das bipolare Halbleiterbauelement ferner eine Pufferschicht, mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Anodenschicht und der Drift-Region befindet, wobei die Untergraben-Struktur von der Pufferschicht durch die Drift-Region beabstandet ist.
  • Optional umfasst das bipolare Halbleiterbauelement ferner eine Pufferschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Anodenschicht und der Drift-Region befindet, wobei die Untergraben-Struktur an die Pufferschicht angrenzt.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen IGBT, umfassend eine Drift-Region mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich über einem Kollektor mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp befindet; einen Gate-Graben, der sich durch eine Basis mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Drift-Region erstreckt, wobei der Gate-Graben durch eine Emitterdiffusion mit dem ersten Leitfähigkeitstyp begrenzt ist; eine Tief-Untergraben-Struktur, die sich ausgehend von einem unteren Ende des Gate-Grabens unterhalb des Gate-Grabens in die Drift-Region erstreckt, wobei die Tief-Untergraben-Struktur zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst; wobei die zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion und die zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion ausgebildet sind, um die Tief-Untergraben-Struktur im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  • Optional umfasst die Tief-Untergraben-Struktur zwei erste Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Leitfähigkeitsregion, wobei sich die zweite Leitfähigkeitsregion zwischen den zwei ersten Leitfähigkeitsregionen befindet.
  • Weiterhin optional umfasst die tiefe Untergraben-Struktur eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen, wobei die erste Mehrzahl größer ist als die zweite Mehrzahl.
  • Optional umfasst die tiefe Untergraben-Struktur eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen, und wobei sich jede von den zweiten Leitfähigkeitsregionen zwischen zwei von den ersten Leitfähigkeitsregionen befindet.
  • Weiterhin optional weist die tiefe Untergraben-Struktur eine Breite auf, die geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist zu einer Breite des Gate-Grabens.
  • Optional weist die tiefe Untergraben-Struktur eine Breite auf, die größer ist als eine Breite des Gate-Grabens.
  • Weiterhin optional, grenzt die tiefe Untergraben-Struktur an die Basis an.
  • Optional umfasst der IGBT ferner eine Anreicherungsschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Drift-Region und der Basis befindet, wobei die tiefe Untergraben-Struktur an die Anreicherungsschicht angrenzt.
  • Weiterhin optional umfasst der IGBT ferner eine Pufferschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen dem Kollektor und der Drift-Region befindet, wobei die tiefe Untergraben-Struktur von der Pufferschicht durch die Drift-Region beabstandet ist.
  • Optional umfasst der IGBT ferner eine Pufferschicht mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen dem Kollektor und der Drift-Region befindet, wobei die tiefe Untergraben-Struktur an die Pufferschicht angrenzt.
  • Figurenliste
    • 1A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer Implementierung dar.
    • 1B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer anderen Implementierung dar.
    • 2A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß noch einer anderen Implementierung dar.
    • 2B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß noch einer anderen Implementierung dar.
    • 3A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer weiteren Implementierung dar.
    • 3B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer anderen Implementierung dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung enthält bestimmte Informationen bezogen auf Implementierungen in der vorliegenden Offenbarung. Ein Fachmann erkennt, dass die vorliegende Offenbarung auf andere als die spezifisch hierin erörterte Weise implementiert sein kann. Die Zeichnungen in der vorliegenden Anmeldung und ihre begleitende Ausführliche Beschreibung sind auf lediglich beispielhafte Implementierungen gerichtet. Sofern nicht anderweitig angemerkt, können gleiche oder entsprechende Elemente in den Figuren durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen angezeigt sein. Ferner sind die Zeichnungen und bildlichen Darstellungen in der vorliegenden Anmeldung im Allgemeinen nicht maßstabsgetreu und sollen nicht tatsächlichen relativen Abmessungen entsprechen.
  • 1A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 100A mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer Implementierung dar. Wie in 1A gezeigt, ist das bipolare Halbleiterbauelement 100A als ein vertikales Leistungsbauelement implementiert, das eine P-Typ-Anodenschicht 110 an einer unteren Oberfläche 104 eines Halbleitersubstrats 102 und eine N-Typ-Drift-Region 114, die sich über der P-Typ-Anodenschicht 110 befindet, umfasst. Zusätzlich befindet sich eine P-Typ-Inversionsregion 116 über der N-Typ-Drift-Region 114. Wie in 1A ferner gezeigt, umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 100A eine N-Typ-Puffer- oder -Feldstopp-Schicht 112 (nachfolgend „Pufferschicht 112“) sowie N-Typ-Kathodendiffusionen 128 und P-Typ-Kontakte 118, die in der P-Typ-Inversionsregion 116 gebildet sind.
  • Das bipolare Halbleiterbauelement 100A umfasst auch einen Steuerungsgraben 120, der sich von einer oberen Oberfläche 106 des Halbleitersubstrats 102 durch die P-Typ-Inversionsregion 116 und in die N-Typ-Drift-Region 114 erstreckt. Wie in 1A ferner gezeigt, weist der Steuerungsgraben 120 eine Breite 126 auf, ist durch die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 begrenzt und umfasst einen Steuerungsgraben-Isolator 122 und eine Steuerungsgraben-Elektrode 124. Zusätzlich umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 100A eine tiefe Untergraben-Struktur 130, die eine Breite 132 aufweist und sich unter dem Steuerungsgraben 120 in einer Tiefe 138 unter der oberen Oberfläche 106 des Halbleitersubstrats 102 befindet. Wie in 1A gezeigt, umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 130 eine oder mehrere N-Typ-Regionen 134 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 136. Eine oder mehrere N-Typ-Regionen 134 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 136 sind ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 130 im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  • Es ist anzumerken, dass im Betrieb das bipolare Halbleiterbauelement 100A ausgebildet ist, um einen Leitungskanal durch die P-Typ-Inversionsregion 116 in Regionen unterhalb der N-Typ-Kathodendiffusionen 128 und unmittelbar benachbart zu dem Steuerungsgraben 120 zu erzeugen. Wenn das bipolare Halbleiterbauelement 100A eingeschaltet ist, werden somit Leitungskanäle (als solche in 1A nicht gezeigt) als N-Typ-Leitungskanäle durch die P-Typ-Inversionsregion 116 erzeugt, um eine Übertragung von Ladungsträgern zwischen den N-Typ-Kathodendiffusionen 128 und der P-Typ-Anodenschicht 110 zu ermöglichen.
  • Es ist ferner anzumerken, dass, obwohl die in 1A gezeigte Implementierung das bipolare Halbleiterbauelement 100A so darstellt, dass es die P-Typ-Anodenschicht 110, die N-Typ-Pufferschicht 112, die N-Typ-Drift-Region 114, die P-Typ-Inversionsregion 116, die N-Typ-Kathodendiffusion 128 umfasst und ausgebildet ist, um N-Typ-Leitungskanäle zu erzeugen, diese Repräsentation lediglich beispielhaft ist. Bei anderen Implementierungen können die beschriebenen Polaritäten umgekehrt sein. Das heißt, das bipolare Halbleiterbauelement 100A kann eine N-Typ-Schicht, die der P-Typ-Anodenschicht 110 entspricht, eine P-Typ-Pufferschicht, eine P-Typ-Drift-Region, eine N-Typ-Inversionsregion, P-Typ-Diffusionen, die den N-Typ-Kathodendiffusionen 128 entsprechen, aufweisen und kann ausgebildet sein, um einen P-Typ-Leitungskanal benachbart zu dem Steuerungsgraben 120 zu erzeugen.
  • Gemäß einer beispielhaften Implementierung kann das bipolare Halbleiterbauelement 100A die Form eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) annehmen. Bei dieser Implementierung entspricht die P-Typ-Anodenschicht 110 einer P-Typ-Kollektorschicht, die P-Typ-Inversionsregion 116 entspricht einer P-Typ-Basis und die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 entsprechen N-Typ-Emitterdiffusionen des IGBT. Wenn das bipolare Halbleiterbauelement 100A als ein IGBT implementiert ist, entspricht der Steuerungsgraben 120 ferner einem Gate-Graben des IGBT, umfassend ein Gate-Dielektrikum und eine Gate-Elektrode, die jeweils einem Steuerungsgraben-Dielektrikum 122 und der Steuerungsgraben-Elektrode 124 entsprechen.
  • Das Halbleitersubstrat 102 kann zum Beispiel ein Silizium-Substrat (Si-Substrat) oder ein Siliziumcarbid-Substrat (SiC-Substrat) sein. Bei einigen Implementierungen kann das Halbleitersubstrat 102 die N-Typ-Drift-Region 114 und die P-Typ-Inversionsregion 116 umfassen, die in einer epitaxialen Siliziumschicht des Halbleitersubstrats 102 gebildet sind. Die Bildung einer solchen epitaxialen Siliziumschicht kann durch jegliches geeignete Verfahren, wie es im Stand der Technik bekannt ist, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung (CVD; CVD = Chemical Vapor Deposition) oder Molekularstrahlepitaxie (MBE; MBE = Molecular Beam Epitaxy), ausgeführt werden. Allgemeiner können die N-Typ-Drift-Region 114 und die P-Typ-Inversionsregion 116 allerdings in jeglicher geeigneten Elementar- oder Verbund-Halbleiterschicht gebildet werden, die in dem Halbleitersubstrat 102 enthalten ist.
  • Bei anderen Implementierungen ist es somit nicht erforderlich, dass die N-Typ-Drift-Region 114 und die P-Typ-Inversionsregion 116 durch ein epitaxiales Aufwachsen gebildet sind und/oder aus Silizium gebildet sind. Bei einer alternativen Implementierung können die N-Typ-Drift-Region 114 und die P-Typ-Inversionsregion 116 zum Beispiel in einer Fließzonen-Siliziumschicht des Halbleitersubstrats 102 gebildet sein. Bei anderen Implementierungen können die N-Typ-Drift-Region 114 und die P-Typ-Inversionsregion 116 in entweder einer Verspannt- oder Unverspannt-Germanium-Schicht gebildet sein, die als Teil des Halbleitersubstrats 102 gebildet ist. Bei einigen Implementierungen kann das Halbleitersubstrat 102 ferner zusätzliche Schichten umfassen, wie beispielsweise die N-Typ-Pufferschicht 112, die sich zwischen der P-Typ-Anodenschicht 110 und der N-Typ-Drift-Region 114 befindet, wie in 1A gezeigt.
  • Die P-Typ-Inversionsregion 116 kann durch Implantation und Thermodiffusion gebildet sein. Zum Beispiel können Bor-Dotierstoffe (B-Dotierstoffe) in das Halbleitersubstrat 102 implantiert sein und diffundiert sein, um die P-Typ-Inversionsregion 116 zu bilden. Ferner können die P-Typ-Kontakte 118 der P-Typ-Inversionsregion 116 höher dotierte Regionen der P-Typ-Inversionsregion 116 sein, die die gleichen Dotierstoffarten verwenden, die verwendet werden, um die P-Typ-Inversionsregion 116 zu bilden.
  • Der Steuerungsgraben-Isolator 122 kann unter Verwendung eines jeglichen Materials und jeglicher Technik gebildet sein, die im Stand der Technik typischerweise eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der Steuerungsgraben-Isolator 122 aus Siliziumoxid gebildet sein und kann abgeschieden oder thermisch aufgewachsen sein, um den Steuerungsgraben 120 auszukleiden. Die Steuerungsgraben-Elektrode 124 kann auch unter Verwendung eines jeglichen im Stand der Technik typischerweise eingesetzten Materials gebildet sein. Zum Beispiel kann die Steuerungsgraben-Elektrode 124 aus dotiertem Polysilizium oder Metall gebildet sein.
  • Wie in 1A gezeigt, ist der Steuerungsgraben 120 durch die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 begrenzt. Die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 können in der P-Typ-Inversionsregion 116 unter Verwendung jeglicher im Stand der Technik bekannter, herkömmlicher Techniken selektiv gebildet sein. Zum Beispiel können Phosphor- (P-) oder Arsen- (As-) Dotierstoffe in die P-Typ-Inversionsregion 116 implantiert sein und diffundiert sein, um die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 zu bilden. Obwohl in 1A nicht explizit gezeigt, können die N-Typ-Kathodendiffusionen 128 in der dritten Dimension relativ zu der durch 1A gezeigten Querschnittsperspektive miteinander elektrisch verbunden sein.
  • Wie oben angemerkt, umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 130 zumindest eine N-Typ-Region 134 und zumindest eine P-Typ-Region 136. Ferner und wie in 1A gezeigt, kann bei einigen Implementierungen die tiefe Untergraben-Struktur 130 mehrere N-Typ-Regionen 134 und mehrere P-Typ-Regionen 136 umfassen. Allerdings umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 130 bei keiner Implementierung mehr P-Typ-Regionen 136 als N-Typ-Regionen 134. Anders ausgedrückt, während die Anzahl von N-Typ-Regionen 134 gleich sein kann zu der Anzahl von P-Typ-Regionen 136 oder dieselbe übersteigen kann, ist die Anzahl von N-Typ-Regionen 134 niemals geringer als die Anzahl von P-Typ-Regionen 136.
  • Bei einer Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 130 zum Beispiel eine N-Typ-Region 134 umfassen, an die eine P-Typ-Region 136 angrenzt. Bei einer anderen beispielhaften Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 130 zwei N-Typ-Regionen 134 und eine P-Typ-Region 136 umfassen, die sich zwischen den zwei N-Typ-Regionen 134 befindet und an dieselben angrenzt. Bei noch einer anderen beispielhaften Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 130 mehrere N-Typ-Regionen 134 und mehrere P-Typ-Regionen 136 umfassen, wo sich jede P-Typ-Region 136 zwischen zwei N-Typ-Regionen 134 befindet.
  • Die N-Typ-Regionen 134 und die P-Typ-Regionen 136 der tiefe Untergraben-Struktur 130 können eine Dotierungskonzentration aufweisen, die größer ist als die der N-Typ-Drift-Region 114 und geringer als die der N-Typ-Kathodendiffusionen 128. Bei einer Implementierung können die N-Typ-Regionen 134 und die P-Typ-Regionen 136 eine Dotierungskonzentration aufweisen, die im Wesentlichen gleich ist zu der der N-Typ-Pufferschicht 112. Zum Beispiel können die N-Typ-Regionen 134 und die P-Typ-Regionen 136 eine Dotierungskonzentration von ungefähr 1×1015/cm3 bis 1×1016/cm3 aufweisen, während die Dotierungskonzentration der N-Typ-Drift-Region 114 typischerweise von ungefähr 1×1013/cm3 bis ungefähr 2×1014/cm3 ist.
  • Gemäß der in 1A gezeigten Implementierung weist die tiefe Untergraben-Struktur 130 die Breite 132 auf, die geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist zu der Breite 126 des Steuerungsgrabens 120. Gemäß der vorliegenden Implementierung endet die tiefe Untergraben-Struktur 130 ferner in der N-Typ-Drift-Region 114 in der Tiefe 138, die über der N-Typ-Pufferschicht 112 ist. Anders ausgedrückt, bei einigen Implementierungen ist die tiefe Untergraben-Struktur 130 von der N-Typ-Pufferschicht 112 durch die N-Typ-Drift-Region 114 beabstandet.
  • Bezugnehmend auf 1B, 1B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 100B mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer anderen Implementierung dar. Es ist anzumerken, dass Merkmale, die durch in Bezug auf 1A oben vorher gezeigte und beschriebene Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jeweils den vorher erörterten Merkmalen entsprechen und jegliche der diesen Merkmalen in der vorliegenden Anmeldung zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen können. Wie das bipolare Halbleiterbauelement 100A in 1A kann somit das bipolare Halbleiterbauelement 100B in 1B die Form eines IGBT annehmen.
  • Im Gegensatz zu der in 1A gezeigten Implementierung, bei der sich die tiefe Untergraben-Struktur 130 zu der Tiefe 138 innerhalb der N-Typ-Drift-Region 114 erstreckt, erstreckt sich allerdings gemäß der Implementierung in 1B die tiefe Untergraben-Struktur 130 zu der N-Typ-Pufferschicht 112. Das heißt, gemäß der in 1B gezeigten Implementierung erstreckt sich die tiefe Untergraben-Struktur 130 durch die N-Typ-Drift-Region 114, um an die N-Typ-Pufferschicht 112 anzugrenzen. Bei Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 130 an die N-Typ-Pufferschicht 112 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 134 als P-Typ-Regionen 136 umfasst, grenzt die N-Typ-Drift-Region 114 folglich an die N-Typ-Regionen 134 an. Bei einigen Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 130 an die N-Typ-Pufferschicht 112 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 134 als P-Typ-Regionen 136 umfasst, bildet somit kein Abschnitt der tiefe Untergraben-Struktur 130 einen PN-Übergang mit der N-Typ-Drift-Region 114.
  • Wie oben angemerkt, sind die N-Typ-Region oder -Regionen 134 und die P-Typ-Region oder -Regionen 136 ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 130 im Wesentlichen ladungsauszugleichen. Dieser wesentliche Ladungsausgleich der tiefe Untergraben-Struktur 130 ist erreicht, wenn die Oberflächendotierungsdichte der N-Typ-Region(en) 134, die gleich ist zu der Dotierungsdichte der N-Typ-Region(en) 134 multipliziert mit der Fläche der N-Typ-Region(en) 134 (d. h. Breite × Tiefe), im Wesentlichen gleich ist zu der Oberflächendotierungsdichte der P-Typ-Region(en) 136, die entsprechend berechnet wird. Während des Ausschaltens des bipolaren Halbleiterbauelements 100A/100B erstreckt sich die Verarmungsregion schnell von der Oberseite der N-Typ-Drift-Region 114 zu der N-Typ-Pufferschicht 112 aufgrund der zweidimensionalen schnellen Verarmung der N-Typ-Region(en) 134 und der P-Typ-Region(en) 136, was auch eine schnelle Extraktion von tiefen Ladungsträgern ermöglicht.
  • Folglich können die Verzögerungszeit und Ausschaltzeit des bipolaren Halbleiterbauelements 100A/100B reduziert werden, während die Spannung, die in dem Aus-Zustand sperrt, durch die Anwesenheit der tiefen Untergraben-Struktur 130 ermöglicht wird. Während des Ausschaltens hilft die ladungsausgeglichene tiefe Untergraben-Struktur 130 bei der Entfernung von Ladungsträgern aus der N-Typ-Drift-Region 114, die leitfähigkeitsmoduliert ist, wodurch die Schaltgeschwindigkeit und das Ausschaltverhalten des bipolaren Halbleiterbauelements 100A/100B erheblich verbessert werden. Anders ausgedrückt, die ladungsausgeglichene tiefe Untergraben-Struktur 130 ermöglicht, dass das bipolare Halbleiterbauelement 100A/100B geringere Ausschaltverluste (EOFF), eine kürzere Verzögerungszeit (Td) und eine kürzere Ausschaltzeit (Tf), bei einem Vergleich mit herkömmlichen bipolaren Halbleiterbauelementen, z. B. herkömmlichen IGBTs, aufweist. Ferner können die obigen Vorteile erreicht werden, während der An-Zustand-Spannungsabfall (VON) des bipolaren Halbleiterbauelements 100A/100B auf einem wünschenswert niedrigen Niveau gehalten wird.
  • Fortfahrend mit 2A, 2A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 200A mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer anderen Implementierung dar. Wie in 2A gezeigt, ist das bipolare Halbleiterbauelement 200A als ein vertikales Leistungsbauelement implementiert, das eine P-Typ-Anodenschicht 210 an einer unteren Oberfläche 204 eines Halbleitersubstrats 202 und eine N-Typ-Drift-Region 214, die sich über der P-Typ-Anodenschicht 210 befindet, umfasst. Zusätzlich befindet sich eine P-Typ-Inversionsregion 216 über der N-Typ-Drift-Region 214. Wie in 2A ferner gezeigt, umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 200A eine N-Typ-Pufferschicht 212 sowie N-Typ-Kathodendiffusionen 228 und P-Typ-Kontakte 218, die in der P-Typ-Inversionsregion 216 gebildet sind.
  • Das bipolare Halbleiterbauelement 200A umfasst auch einen Steuerungsgraben 220, der sich von einer oberen Oberfläche 206 des Halbleitersubstrats 202 durch die P-Typ-Inversionsregion 216 und in die N-Typ-Drift-Region 214 erstreckt. Wie in 2A ferner gezeigt, weist der Steuerungsgraben 220 eine Breite 226 auf, ist durch die N-Typ-Kathodendiffusionen 228 begrenzt und umfasst einen Steuerungsgraben-Isolator 222 und eine Steuerungsgraben-Elektrode 224. Zusätzlich umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 200A eine tiefe Untergraben-Struktur 230, die eine Breite 232 aufweist und sich unter dem Steuerungsgraben 220 zu einer Tiefe 238 unter der oberen Oberfläche 206 des Halbleitersubstrats 202 befindet. Wie in 2A gezeigt umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 230 eine oder mehrere N-Typ-Regionen 234 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 236. Eine oder mehrere N-Typ-Regionen 234 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 236 sind ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 230 im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  • Das bipolare Halbleiterbauelement 200A entspricht im Allgemeinen dem bipolaren Halbleiterbauelement 100A in 1A. Das heißt, das Halbleitersubstrat 202, die P-Typ-Anodenschicht 210, die N-Typ-Pufferschicht 212 und die N-Typ-Drift-Region 214 in 2A entsprechen jeweils im Allgemeinen dem Halbleitersubstrat 102, der P-Typ-Anodenschicht 110, der N-Typ-Pufferschicht 112 und der N-Typ-Drift-Region 114 in 1A und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen.
  • Zusätzlich entsprechen die P-Typ-Inversionsregion 216, die P-Typ-Kontakte 218 und die N-Typ-Kathodendiffusionen 228 in 2A jeweils im Allgemeinen der P-Typ-Inversionsregion 116, den P-Typ-Kontakten 118 und den N-Typ-Kathodendiffusionen 128 in 1A und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen.
  • Ferner entsprechen die Tiefe 238 und der Steuerungsgraben 220, der die Breite 226 aufweist und den Steuerungsgraben-Isolator 222 und die Steuerungsgraben-Elektrode 224 umfasst, in 2A jeweils im Allgemeinen der Tiefe 138 und dem Steuerungsgraben 120, der die Breite 126 aufweist und den Steuerungsgraben-Isolator 122 und die Steuerungsgraben-Elektrode 124 umfasst, in 1A, und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen. Ferner ist anzumerken, dass, wie das bipolare Halbleiterbauelement 100A in 1A, das bipolare Halbleiterbauelement 200A in 2A die Form eines IGBT annehmen kann.
  • Wie in 2A gezeigt umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 230 zumindest eine N-Typ-Region 234 und zumindest eine P-Typ-Region 236. Ferner und wie in 2A gezeigt kann bei einigen Implementierungen die tiefe Untergraben-Struktur 230 mehrere N-Typ-Regionen 234 und mehrere P-Typ-Regionen 236 umfassen. Allerdings umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 230 bei keiner Implementierung mehr P-Typ-Regionen 236 als N-Typ-Regionen 234. Anders ausgedrückt, während die Anzahl von N-Typ-Regionen 234 gleich sein kann zu der Anzahl von P-Typ-Regionen 236 oder dieselbe übersteigen kann, ist die Anzahl von N-Typ-Regionen 234 niemals geringer als die Anzahl von P-Typ-Regionen 236.
  • Bei einer Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 230 zum Beispiel eine N-Typ-Region 234 umfassen, an die eine P-Typ-Region 236 angrenzt. Bei einer anderen beispielhaften Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 130 zwei N-Typ-Regionen 234 und eine P-Typ-Region 236, die sich zwischen den zwei N-Typ-Regionen 234 befindet und an dieselben angrenzt, umfassen. Bei noch einer anderen beispielhaften Implementierung kann die tiefe Untergraben-Struktur 230 mehrere N-Typ-Regionen 234 und mehrere P-Typ-Regionen 236 umfassen, wo sich jede P-Typ-Region 236 zwischen zwei N-Typ-Regionen 234 befindet.
  • Die N-Typ-Regionen 234 und die P-Typ-Regionen 236 der tiefen Untergraben-Struktur 230 können eine Dotierungskonzentration aufweisen, die größer ist als die der N-Typ-Drift-Region 214 und geringer als die der N-Typ-Kathodendiffusionen 228. Bei einer Implementierung können die N-Typ-Regionen 234 und die P-Typ-Regionen 236 eine Dotierungskonzentration aufweisen, die im Wesentlichen gleich ist zu der der N-Typ-Pufferschicht 212. Zum Beispiel können die N-Typ-Regionen 234 und die P-Typ-Regionen 236 eine Dotierungskonzentration von ungefähr 1×1015/cm3 bis ungefähr 1×1016/cm3 aufweisen.
  • Gemäß der in 2A gezeigten Implementierung weist die tiefe Untergraben-Struktur 230 die Breite 232 auf, die größer ist als die Breite 226 des Steuerungsgrabens 220. Gemäß der vorliegenden Implementierung endet die tiefe Untergraben-Struktur 230 ferner in der N-Typ-Drift-Region 214 in der Tiefe 238, die über der N-Typ-Pufferschicht 212 ist. Anders ausgedrückt, bei einigen Implementierungen ist die tiefe Untergraben-Struktur 230 von der N-Typ-Pufferschicht 112 durch die N-Typ-Drift-Region 214 beabstandet. Zusätzlich und wie ferner in 2A gezeigt umgibt bei einigen Implementierungen die tiefe Untergraben-Struktur 230 einen Abschnitt des Steuerungsgrabens 220, um an die P-Typ-Inversionsregion 216 anzugrenzen.
  • Bezugnehmend auf 2B, 2B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 200B mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer noch anderen Implementierung dar. Es ist anzumerken, dass Merkmale, die durch in Bezug auf 2A oben vorher gezeigte und beschriebene Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jeweils diesen vorher erörterten Merkmalen entsprechen und jegliche der diesen Merkmalen in der vorliegenden Anmeldung zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen können. Wie das bipolare Halbleiterbauelement 200A in 2A kann somit das bipolare Halbleiterbauelement 200B in 2B die Form eines IGBT annehmen.
  • Im Gegensatz zu der durch 2A gezeigten Implementierung, bei der sich die tiefe Untergraben-Struktur 230 zu der Tiefe 238 innerhalb der N-Typ-Drift-Region 214 erstreckt, erstreckt sich allerdings gemäß der Implementierung in 2B die tiefe Untergraben-Struktur 230 zu der N-Typ-Pufferschicht 212. Das heißt, gemäß der in 2B gezeigten Implementierung erstreckt sich die tiefe Untergraben-Struktur 230 durch die N-Typ-Drift-Region 214, um an die N-Typ-Pufferschicht 212 anzugrenzen, während sie auch an die P-Typ-Inversionsregion 216 angrenzt. Bei Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 230 an die P-Typ-Inversionsregion 216 und die N-Typ-Pufferschicht 212 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 234 als P-Typ-Regionen 236 umfasst, grenzt die N-Typ-Drift-Region 214 folglich an die N-Typ-Regionen 234 an. Bei einigen Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 230 an die P-Typ-Inversionsregion 216 und die N-Typ-Pufferschicht 212 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 234 als P-Typ-Regionen 236 umfasst, bildet somit kein Abschnitt der tiefen Untergraben-Struktur 230 einen PN-Übergang mit der N-Typ-Drift-Region 214.
  • Die N-Typ-Region oder -Regionen 234 und die P-Typ-Region oder -Regionen 236 sind ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 230 im Wesentlichen ladungsauszugleichen. Dieser wesentliche Ladungsausgleich der tiefen Untergraben-Struktur 230 ist erreicht, wenn die Oberflächendotierungsdichte der N-Typ-Region(en) 234, die gleich ist zu der Dotierungsdichte der N-Typ-Region(en) 234 multipliziert mit der Fläche der N-Typ-Region(en) 234 (d.h. Breite × Tiefe), im Wesentlichen gleich ist zu der Oberflächendotierungsdichte der P-Typ-Region(en) 236, die entsprechend berechnet wird. Während des Ausschaltens des bipolaren Halbleiterbauelements 200A/200B erstreckt sich die Verarmungsregion schnell von der Oberseite der N-Typ-Drift-Region 214 zu der N-Typ-Pufferschicht 212 aufgrund der zweidimensionalen schnellen Verarmung der N-Typ-Region(en) 234 und der P-Typ-Region(en) 236, was auch eine schnelle Extraktion von tiefen Ladungsträgern ermöglicht.
  • Folglich können die Verzögerungszeit und Ausschaltzeit des bipolaren Halbleiterbauelements 200A/200B reduziert werden, während die Spannung, die in dem Aus-Zustand sperrt, durch die Anwesenheit der tiefen Untergraben-Struktur 230 ermöglicht wird. Während des Ausschaltens hilft die ladungsausgeglichene tiefe Untergraben-Struktur 230 bei der Entfernung von Ladungsträgern aus der N-Typ-Drift-Region 214, die leitfähigkeitsmoduliert ist, wodurch die Schaltgeschwindigkeit und das Ausschaltverhalten des bipolaren Halbleiterbauelements 200A/200B erheblich verbessert werden. Anders ausgedrückt, die ladungsausgeglichene tiefe Untergraben-Struktur 230 ermöglicht, dass das bipolare Halbleiterbauelement 200A/200B einen geringeren EOFF, eine kürzere Td und eine kürzere Tf, bei einem Vergleich mit herkömmlichen bipolaren Halbleiterbauelementen, z. B. herkömmlichen IGBTs, aufweist. Ferner können die obigen Vorteile erreicht werden, während der VON des bipolaren Halbleiterbauelements 200A/200B auf einem wünschenswert niedrigen Niveau gehalten wird.
  • Fortfahrend mit 3A, 3A stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 300A mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer noch anderen Implementierung dar. Wie in 3A gezeigt, ist das bipolare Halbleiterbauelement 300A als ein vertikales Leistungsbauelement implementiert, das eine P-Typ-Anodenschicht 310 an einer unteren Oberfläche 304 eines Halbleitersubstrats 302 und eine N-Typ-Drift-Region 314, die sich über der P-Typ-Anodenschicht 310 befindet, umfasst. Zusätzlich befindet sich eine P-Typ-Inversionsregion 316 über der N-Typ-Drift-Region 314. Wie in 3A ferner gezeigt, umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 300A eine N-Typ-Pufferschicht 312 sowie N-Typ-Kathodendiffusionen 328 und P-Typ-Kontakte 318, die in der P-Typ-Inversionsregion 316 gebildet sind. Ferner umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 300A ferner eine N-Typ-Anreicherungsschicht 340, die sich zwischen der N-Typ-Drift-Region 314 und der P-Typ-Inversionsregion 316 befindet.
  • Das bipolare Halbleiterbauelement 300A umfasst auch einen Steuerungsgraben 320, der sich von einer oberen Oberfläche 306 des Halbleitersubstrats 302 durch die P-Typ-Inversionsregion 316, durch die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 und in die N-Typ-Drift-Region 314 erstreckt. Wie in 3A ferner gezeigt, weist der Steuerungsgraben 320 eine Breite 326 auf, ist durch die N-Typ-Kathodendiffusionen 328 begrenzt und umfasst einen Steuerungsgraben-Isolator 322 und eine Steuerungsgraben-Elektrode 324. Zusätzlich umfasst das bipolare Halbleiterbauelement 300A eine tiefe Untergraben-Struktur 330, die eine Breite 332 aufweist und sich unter dem Steuerungsgraben 320 zu einer Tiefe 338 unter der oberen Oberfläche 306 des Halbleitersubstrats 302 befindet. Wie in 3A gezeigt, umfasst die tiefe Untergraben-Struktur 330 eine oder mehrere N-Typ-Regionen 334 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 336. Eine oder mehrere N-Typ-Regionen 334 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 336 sind ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 330 im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  • Das Halbleitersubstrat 302, die P-Typ-Anodenschicht 310, die N-Typ-Pufferschicht 312 und die N-Typ-Drift-Region 314 in 3A entsprechen jeweils im Allgemeinen dem Halbleitersubstrat 102, der P-Typ-Anodenschicht 110, der N-Typ-Pufferschicht 112 und der N-Typ-Drift-Region 114 in 1A und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen. Zusätzlich entsprechen die P-Typ-Inversionsregion 316, die P-Typ-Kontakte 318 und die N-Typ-Kathodendiffusionen 328 in 3A jeweils im Allgemeinen der P-Typ-Inversionsregion 116, den P-Typ-Kontakten 118 und den N-Typ-Kathodendiffusionen 128 in 1A und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen.
  • Die Tiefe 338 und der Steuerungsgraben 320, der die Breite 326 aufweist und den Steuerungsgraben-Isolator 322 und die Steuerungsgraben-Elektrode 324 umfasst, in 3A entsprechen jeweils im Allgemeinen der Tiefe 138 und dem Steuerungsgraben 120, der die Breite 126 aufweist und den Steuerungsgraben-Isolator 122 und die Steuerungsgraben-Elektrode 124 umfasst, in 1A, und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen. Ferner entspricht die tiefe Untergraben-Struktur 330, die die Breite 332 aufweist, die größer ist als die Breite 326 des Steuerungsgrabens 320, und eine oder mehrere N-Typ-Regionen 334 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 336 umfasst, im Allgemeinen der tiefen Untergraben-Struktur 230, die die Breite 232 aufweist, die größer ist als die Breite 226 des Steuerungsgrabens 220, und eine oder mehrere N-Typ-Regionen 234 und eine oder mehrere P-Typ-Regionen 236 aufweist, in 2A, und können jegliche der diesen entsprechenden Merkmalen oben zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen. Ferner ist anzumerken, dass bei einigen Implementierungen das bipolare Halbleiterbauelement 300A die Form eines IGBT annehmen kann.
  • Gemäß der in 3A gezeigten Implementierung befindet sich die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 zwischen der N-Typ-Drift-Region 314 und der P-Typ-Inversionsregion 316. Zum Beispiel können Phosphor- oder Arsen-Dotierstoffe in die N-Typ-Drift-Region 314 implantiert sein, um die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 zu erzeugen, die eine Dotierungskonzentration von ungefähr 1×1015/cm3 bis ungefähr 1×1016/cm3 aufweist. Zusätzlich und wie ferner in 3A gezeigt, umgibt bei einigen Implementierungen die tiefe Untergraben-Struktur 330 einen Abschnitt des Steuerungsgrabens 320, um an die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 anzugrenzen. Gemäß der vorliegenden Implementierung endet die tiefe Untergraben-Struktur 330 ferner in der N-Typ-Drift-Region 314 in der Tiefe 338, die über der N-Typ-Pufferschicht 312 ist. Anders ausgedrückt, bei einigen Implementierungen grenzt die tiefe Untergraben-Struktur 330 an die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 an, während sie von der N-Typ-Pufferschicht 312 durch die N-Typ-Drift-Region 314 beabstandet ist.
  • Bezugnehmend auf 3B, 3B stellt eine Querschnittsansicht, die einen Abschnitt eines beispielhaften bipolaren Halbleiterbauelements 300B mit einer Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur zeigt, gemäß einer Implementierung dar. Es ist anzumerken, dass die Merkmale, die durch in Bezug auf 3A oben vorher gezeigte und beschriebene Bezugszeichen gekennzeichnet sind, jeweils diesen vorher erörterten Merkmalen entsprechen und jegliche der diesen Merkmalen in der vorliegenden Anmeldung zugeschriebenen Charakteristika gemeinschaftlich teilen können. Wie das bipolare Halbleiterbauelement 300A in 3A kann somit das bipolare Halbleiterbauelement 300B in 3B die Form eines IGBT annehmen.
  • Im Gegensatz zu der durch 3A gezeigten Implementierung, bei der sich die tiefe Untergraben-Struktur 330 zu der Tiefe 338 innerhalb der N-Typ-Drift-Region 314 erstreckt, erstreckt sich allerdings gemäß der Implementierung in 3B die tiefe Untergraben-Struktur 330 zu der N-Typ-Pufferschicht 312. Das heißt, gemäß der in 3B gezeigten Implementierung erstreckt sich die tiefe Untergraben-Struktur 330 durch die N-Typ-Drift-Region 314, um an die N-Typ-Pufferschicht 312 anzugrenzen, während sie auch an die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 angrenzt. Bei Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 330 an die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 und die N-Typ-Pufferschicht 312 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 334 als P-Typ-Regionen 336 umfasst, grenzt somit die N-Typ-Drift-Region 314 an die N-Typ-Regionen 334 an. Bei einigen Implementierungen, bei denen die tiefe Untergraben-Struktur 330 an die N-Typ-Anreicherungsschicht 340 und die N-Typ-Pufferschicht 312 angrenzt und mehr N-Typ-Regionen 334 als P-Typ-Regionen 336 umfasst, bildet somit kein Abschnitt der tiefen Untergraben-Struktur 330 einen PN-Übergang mit der N-Typ-Drift-Region 314.
  • Die N-Typ-Region oder -Regionen 334 und die P-Typ-Region oder -Regionen 336 sind ausgebildet, um die tiefe Untergraben-Struktur 330 im Wesentlichen ladungsauszugleichen, wie oben durch Bezugnahme auf die tiefe Untergraben-Strukturen 130 und 230 erörtert. Während des Ausschaltens des bipolaren Halbleiterbauelements 300A/300B erstreckt sich die Verarmungsregion folglich schnell von der Oberseite der N-Typ-Drift-Region 314 zu der N-Typ-Pufferschicht 312 aufgrund der zweidimensionalen schnellen Verarmung der N-Typ-Region(en) 334 und der P-Typ-Region(en) 336, was auch eine schnelle Extraktion von tiefen Ladungsträgern ermöglicht. Folglich können die Verzögerungszeit und Ausschaltzeit des bipolaren Halbleiterbauelements 300A/300B reduziert werden, während die Spannung, die in dem Aus-Zustand sperrt, durch die Anwesenheit der tiefen Untergraben-Struktur 330 ermöglicht wird. Während des Ausschaltens hilft die ladungsausgeglichene tiefe Untergraben-Struktur 330 bei der Entfernung von Ladungsträgern aus der N-Typ-Drift-Region 314, die leitfähigkeitsmoduliert ist, wodurch die Schaltgeschwindigkeit und das Ausschaltverhalten des bipolaren Halbleiterbauelements 300A/300B erheblich verbessert werden.
  • Die vorliegende Anmeldung offenbart somit Implementierungen eines bipolaren Halbleiterbauelements, das eine Tief-Ladungsausgeglichene-Struktur aufweist. Wie in der vorliegenden Anmeldung offenbart, ermöglicht ein Einbringen einer solchen Tief-Ladungsausgeglichenen-Struktur in das bipolare Halbleiterbauelement, dass das bipolare Halbleiterbauelement einen geringeren EOFF, eine kürzere Td und eine kürzere Tf, bei einem Vergleich mit herkömmlichen Bauelementen, z. B. herkömmlichen IGBTs, aufweist. Ferner können diese Vorteile erreicht werden, während der VON des bipolaren Halbleiterbauelements auf einem wünschenswert niedrigen Niveau gehalten wird.

Claims (20)

  1. Ein bipolares Halbleiterbauelement (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B), umfassend: eine Drift-Region (114, 214, 314) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich über einer Anodenschicht (110, 210, 310) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegensetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp befindet; einen Steuerungsgraben (120, 220, 320), der sich durch eine Inversionsregion (116, 216, 316) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei der Steuerungsgraben (120, 220, 320) durch eine Kathodendiffusion (128, 228, 328) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp begrenzt ist; eine Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330), die sich ausgehend von einem unteren Ende des Steuerungsgrabens (120, 220, 320) unterhalb des Steuerungsgrabens (120, 220, 320) in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst; wobei die zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) und die zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) ausgebildet sind, um die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  2. Das bipolare Halbleiterbauelement (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß Anspruch 1, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) zwei erste Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) umfasst, wobei sich die zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) zwischen den zwei ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) befindet.
  3. Das bipolare Halbleiterbauelement (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) umfasst, wobei die erste Mehrzahl größer ist als die zweite Mehrzahl.
  4. Das bipolare Halbleiterbauelement (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) umfasst, und wobei sich jede von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) zwischen zwei von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) befindet.
  5. Das bipolare Halbleiterbauelement (100A, 100B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130) eine Breite aufweist, die geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist zu einer Breite des Steuerungsgrabens (120).
  6. Das bipolare Halbleiterbauelement (200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (230, 330) eine Breite aufweist, die größer ist als eine Breite des Steuerungsgrabens (220, 320).
  7. Das bipolare Halbleiterbauelement (200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (230, 330) an die Inversionsregion (116, 216, 316) angrenzt.
  8. Das bipolare Halbleiterbauelement (300A, 300B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Anreicherungsschicht (340) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Drift-Region (314) und der Inversionsregion (316) befindet, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (330) an die Anreicherungsschicht (340) angrenzt.
  9. Das bipolare Halbleiterbauelement (100A, 200A, 300A) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Pufferschicht (112, 212, 312) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Anodenschicht (110, 210, 310) und der Drift-Region (114, 214, 314) befindet, wobei die Untergraben-Struktur (130, 230, 330) von der Pufferschicht (112, 212, 312) durch die Drift-Region (114, 214, 314) beabstandet ist.
  10. Das bipolare Halbleiterbauelement (100B, 200B, 300B) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Pufferschicht (112, 212, 312) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Anodenschicht (110, 210, 310) und der Drift-Region (114, 214, 314) befindet, wobei die Untergraben-Struktur (130, 230, 330) an die Pufferschicht (112, 212, 312) angrenzt.
  11. Ein IGBT, (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B), umfassend: eine Drift-Region (114, 214, 314) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich über einem Kollektor mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp befindet; einen Gate-Graben (120, 220, 320), der sich durch eine Basis (116, 216, 316) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei der Gate-Graben (120, 220, 320) durch eine Emitterdiffusion (128, 228, 328) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp begrenzt ist; eine Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330), die sich ausgehend von einem unteren Ende des Gate-Grabens (120, 220, 320) unterhalb des Gate-Grabens (120, 220, 320) in die Drift-Region (114, 214, 314) erstreckt, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst; wobei die zumindest eine erste Leitfähigkeitsregion (134, 234, 334) und die zumindest eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) ausgebildet sind, um die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) im Wesentlichen ladungsauszugleichen.
  12. Der IGBT (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß Anspruch 11, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) zwei erste Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) umfasst, wobei sich die zweite Leitfähigkeitsregion (136, 236, 336) zwischen den zwei ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) befindet.
  13. Der IGBT (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) umfasst, wobei die erste Mehrzahl größer ist als die zweite Mehrzahl.
  14. Der IGBT (100A, 100B, 200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) eine erste Mehrzahl von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) und eine zweite Mehrzahl von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) umfasst, und wobei sich jede von den zweiten Leitfähigkeitsregionen (136, 236, 336) zwischen zwei von den ersten Leitfähigkeitsregionen (134, 234, 334) befindet.
  15. Der IGBT (100A, 100B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130) eine Breite aufweist, die geringer ist als oder im Wesentlichen gleich ist zu einer Breite des Gate-Grabens (120).
  16. Der IGBT (200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (230, 330) eine Breite aufweist, die größer ist als eine Breite des Gate-Grabens (220, 320).
  17. Der IGBT (200A, 200B, 300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (230, 330) an die Basis (216, 316) angrenzt.
  18. Der IGBT (300A, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, ferner umfassend eine Anreicherungsschicht (340) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen der Drift-Region (314) und der Basis (316) befindet, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (330) an die Anreicherungsschicht (340) angrenzt.
  19. Der IGBT (100A, 200A, 300A) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner umfassend eine Pufferschicht (112, 212, 312) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen dem Kollektor (110, 210, 310) und der Drift-Region (114, 214, 314) befindet, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) von der Pufferschicht (112, 212, 312) durch die Drift-Region (114, 214, 314) beabstandet ist.
  20. Der IGBT (100B, 200B, 300B) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, ferner umfassend eine Pufferschicht (112, 212, 312) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die sich zwischen dem Kollektor (110, 210, 310) und der Drift-Region (114, 214, 314) befindet, wobei die Tief-Untergraben-Struktur (130, 230, 330) an die Pufferschicht (112, 212, 312) angrenzt.
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