DE102016105765A1 - Umgekehrt leitender igbt - Google Patents

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Abstract

Ein umgekehrt leitender IGBT ist mit einem Grabengatebauteil, das in einem IGBT-Bereich bereitgestellt ist und ein Gittermusterlayout hat, und mit einem Grabenbauteil, das in einem Diodenbereich bereitgestellt ist und ein Streifenmusterlayout hat, bereitgestellt. Der Diodenbereich des Halbleitersubstrats enthält einen Anodenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Driftbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps. Der Barrierenbereich ist elektrisch mit einer oberen Oberflächenelektrode über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt.

Description

  • QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-107314 , die am 27. Mai 2015 eingereicht wurde, und deren Inhalte hiermit durch Inbezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Technik bezieht sich auf einen umgekehrt leitenden IGBT (bipolaren Transistor mit isoliertem Gate).
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Umgekehrt leitende IGBTs wurden für eine Verwendung z.B. als fahrzeuggebundene Leistungseinrichtungen entwickelt. Ein umgekehrt leitender IGBT enthält ein Halbleitersubstrat, das in einen IGBT-Bereich, in dem eine IGBT-Struktur bereitgestellt ist, und einen Diodenbereich, in dem eine Diodenstruktur bereitgestellt ist, aufgeteilt ist. Die Diodenstruktur ist antiparallel mit der IGBT-Struktur verbunden, und fungiert als eine freilaufende Diode.
  • Die japanische Patentanmeldung Nr. 2013-48230 (insbesondere 16 bis 17 und 47 bis 50) offenbart einen umgekehrt leitenden IGBT mit einem Barrierenbereich des n-Typs, der in einem Diodenbereich eines Halbleitersubstrats bereitgestellt ist. Der Barrierenbereich des n-Typs ist zwischen einem Anodenbereich des p-Typs und einem Driftbereich des n-Typs bereitgestellt und hat eine Verunreinigungskonzentration, die höher als eine Verunreinigungskonzentration des Driftbereichs ist. Der Barrierenbereich ist elektrisch mit einer Emitterelektrode (die als eine Anodenelektrode in der Diodenstruktur dient) über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt. Dies verursacht, dass ein Potenzial des Barrierenbereichs bei einem Potenzial gehalten wird, das nahe einem Potenzial der Emitterelektrode ist, wodurch eine Spannung niedrig gehalten wird, die in einer Vorwärtsrichtung eines p-n-Übergangs anliegt, der durch den Anodenbereich und den Barrierenbereich gebildet wird. Dies reduziert eine Anzahl an Löchern, die aus dem Anodenbereich in den Driftbereich injiziert werden, wodurch eine umgekehrte Erholungscharakteristik der Diodenstruktur verbessert wird.
  • In diesem Typ des umgekehrt leitenden IGBTs wird ein Grabengatebauteil oft in dem IGBT-Bereich bereitgestellt. Ferner ist in diesem Typ des umgekehrt leitenden IGBTs ein Grabenbauteil oft in dem Diodenbereich bereitgestellt, um ein elektrisches Feld in dem Diodenbereich zu entspannen. Beispiele des "Grabenbauteils", das hierin beschrieben wird, enthalten einen Typ eines Grabenbauteils, das elektrisch von dem Grabengatebauteil isoliert ist, und einen Typ eines Grabenbauteils das elektrisch mit dem Grabengatebauteil verbunden ist. Ferner enthalten Beispiele des Typs des "Grabenbauteils", das elektrisch von dem Grabengatebauteil isoliert ist, einen Typ eines Grabenbauteils, das elektrisch mit einer Emitterelektrode verbunden ist, und einen Typ eines Grabenbauteils, das ein schwebendes Potenzial ("Floating Potential") hat. Wie in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2013-48230 offenbart, sind das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich und das Grabenbauteil in dem Diodenbereich im Hinblick auf eine Symmetrie konfiguriert, um gemeinsame Layouts zu haben.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben untersucht und gefunden, dass es, wenn das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich so konfiguriert ist, dass es ein Gittermusterlayout hat, ein Anwachsen einer Ladungsträgerkonzentration des IGBTs-Bereichs gibt, und dass dadurch eine Reduktion in einem Leistungsverlust in der IGBT-Struktur auftritt. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich ein Gittermusterlayout hat.
  • Es wurde offenbar, dass in dem Fall, in dem das Grabenbauteil in dem Diodenbereich im Hinblick auf eine Symmetrie so konfiguriert ist, dass es auch ein Gittermusterlayout hat, die folgenden Probleme auftauchen. Wenn das Grabenbauteil in dem Diodenbereich ein Gittermusterlayout hat, verursacht das gittergemusterte Grabenbauteil, dass der Barrierenbereich, der in dem Diodenbereich bereitgestellt ist, in eine Vielzahl von Teilen eingeteilt wird. Wie oben bemerkt, muss der Barrierenbereich elektrisch mit der Emitterelektrode über das Säulenbauteil verbunden sein. Aus diesem Grund muss, um zu ermöglich, dass der Barrierenbereich eine Funktion des Unterdrückens der Lochinjektion erfüllt, jeder der Teile, in die der Barrierenbereich eingeteilt wurde, elektrisch mit der Emitterelektrode über ein Säulenbauteil verbunden sein. Wenn es jedoch eine Fehlbildung in einem Säulenbauteil gibt, das irgendeinem der Teile entspricht, in die der Barrierenbereich eingeteilt wurde, gibt es eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen diesem Säulenbauteil und der Emitterelektrode. Dies macht diesen Teil des Barrierenbereichs, der dem Säulenbereich entspricht, unbrauchbar, was zu einer Verschlechterung in der umgekehrten Erholungscharakteristik der Diodenstruktur führt.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Spezifikation stellt eine Technologie zum Erreichen von sowohl einer Reduktion in einem Leistungsverlust in einer IGBT-Struktur und einer Verbesserung in der umgekehrten Erholungscharakteristik einer Diodenstruktur in einem umgekehrt leitenden IGBT mit einem Barrierenbereich, der in einem Diodenbereich bereitgestellt ist, bereit.
  • Ein Aspekt des umgekehrt leitenden IGBTs, der in der Anmeldung offenbart ist, weist ein Halbleitersubstrat, eine untere Oberflächenelektrode, eine obere Oberflächenelektrode, ein Grabengatebauteil und ein Grabenbauteil auf. Das Halbleitersubstrat ist in einem IGBT-Bereich, in dem eine IGBT-Struktur bereitgestellt ist, und einen Diodenbereich, in dem eine Diodenstruktur bereitgestellt ist, eingeteilt. Die untere Oberflächenelektrode ist in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats und ist in Kontakt sowohl mit dem IGBT-Bereich als auch dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats. Die obere Oberflächenelektrode ist in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats und ist in Kontakt sowohl mit dem IGBT-Bereich als auch mit dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats. Das Grabengatebauteil ist in dem IGBT-Bereich des Halbleitersubstrats bereitgestellt und hat ein Gittermusterlayout, wenn es in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats gesehen wird. Das Grabenbauteil ist in dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats bereitgestellt und hat ein Streifenmusterlayout, wenn es aus der Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats gesehen wird. Das Grabenbauteil weist eine Vielzahl von Streifengräben auf, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken. Der Diodenbereich des Halbleitersubstrats weist einen Anodenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Driftbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Der Anodenbereich ist zwischen benachbarten Streifengräben bereitgestellt, liegt an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats außen und ist in Kontakt mit der oberen Oberflächenelektrode. Der Driftbereich ist unter dem Anodenbereich bereitgestellt. Der Barrierenbereich ist zwischen benachbarten Streifengräben bereitgestellt, ist zwischen dem Anodenbereich und dem Driftbereich bereitgestellt, und hat eine Verunreinigungskonzentration, die höher als eine Verunreinigungskonzentration des Driftbereichs ist. Der Barrierenbereich ist elektrisch mit der oberen Oberflächenelektrode über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT gemäß dem oben erwähnten Aspekt hat das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich das Gittermusterlayout und das Grabenbauteil in dem Diodenbereich hat das Streifenmusterlayout. Weil das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich das Gittermusterlayout hat, gibt es ein Anwachsen in einer Ladungsträgerkonzentration des IGBTs-Bereichs und dadurch gibt es eine Reduzierung in einem Leistungsverlust in der IGBT-Struktur. Unterdessen enthält das Grabenbauteil in dem Diodenbereich die Vielzahl von Streifengräben, die sich entlang der ersten Richtung erstrecken. Aus diesem Grund ist der Barrierenbereich, der in dem Diodenbereich bereitgestellt ist, nicht durch das Grabenbauteil in der ersten Richtung eingeteilt und kann sich dadurch über eine weite Fläche entlang der ersten Richtung erstrecken. Deswegen ist das Ganze des Barrierenbereichs elektrisch mit der oberen Oberflächenelektrode verbunden, solange ein Teil des Barrierenbereichs, der sich über eine weite Fläche in der ersten Richtung erstreckt, sicher elektrisch mit der oberen Oberflächenelektrode durch das Säulenbauteil verbunden werden kann. Dies ermöglicht es dem Barrierenbereich, die Anzahl an Löchern, die aus dem Anodenbereich in den Driftbereich injiziert werden, zu reduzieren und dadurch eine umgekehrte Erholungscharakteristik der Diodenstruktur zu verbessern. Dadurch kann der umgekehrt leitende IGBT gemäß dem Aspekt, bei dem das Grabengatebauteil in dem IGBT-Bereich und das Grabenbauteil in dem Diodenbereich verschiedene Layouts haben, sowohl eine Reduzierung in einem Leistungsverlust in dem IGBT-Bereich als auch eine Verbesserung in der umgekehrten Erholungscharakteristik der Diodenstruktur erreichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch ein Gesamtlayout eines umgekehrt leitenden IGBTs;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch Hauptkomponenten in einem Grenzbereich zwischen einem IGBT-Bereich und einem Diodenbereich des umgekehrt leitenden IGBTs zeigt (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie II-II in 3 aufgenommen wird);
  • 3 ist eine Aufsicht, die schematisch ein Halbleitersubstrat des umgekehrt leitenden IGBTs zeigt (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie III-III in 2 aufgenommen ist);
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Zwischenlagenisolationsschicht des umgekehrt leitenden IGBTs zeigt (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie IV-IV in 2 aufgenommen ist);
  • 5 zeigt schematisch ein Beispiel von Layouts eines Grabengatebauteils und eines Dummygrabenbauteils;
  • 6 zeigt schematisch ein Beispiel von Layouts des Grabengatebauteils und des Dummygrabenbauteils;
  • 7 zeigt schematisch ein Beispiel von Layouts des Grabengatebauteils und des Dummygrabenbauteils;
  • 8 ist eine Aufsicht, die schematisch das Halbleitersubstrat des umgekehrt leitenden IGBTs zeigt;
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch Hauptkomponenten in einem Grenzbereich zwischen einem IGBT-Bereich und einem Diodenbereich eines umgekehrt leitenden IGBTs gemäß einer Modifikation zeigt;
  • 10 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch Hauptkomponenten in einem Grenzbereich zwischen einem IGBT-Bereich und einem Diodenbereich eines umgekehrt leitenden IGBTs gemäß einer Modifikation zeigt (d.h. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie X-X in 11 aufgenommen ist);
  • 11 ist eine Aufsicht, die schematisch ein Halbleitersubstrat des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt;
  • 12 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Zwischenlagenisolationsschicht des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt;
  • 13 ist eine Aufsicht, die schematisch das Halbleitersubstrat des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt;
  • 14 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Zwischenlagenisolationsschicht des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt;
  • 15 ist eine Aufsicht, die schematisch das Halbleitersubstrat des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt;
  • 16 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch die Zwischenlagenisolationsschicht des umgekehrt leitenden IGBTs gemäß der Modifikation zeigt; und
  • 17 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch Hauptkomponenten in einem Grenzbereich zwischen einem IGBT-Bereich und einem Diodenbereich eines umgekehrt leitenden IGBTs gemäß einer Modifikation zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie in 1 gezeigt, enthält ein umgekehrt leitender IGBT 1 ein Halbleitersubstrat 10, das in einen Elementabschnitt 14 und einen Anschlussabschnitt 16 eingeteilt ist. In einem Beispiel ist das Halbleitersubstrat 10 ein Si-Einkristallsubstrat des n–-Typs mit einem spezifischen Widerstand von 40 bis 100 Ωcm und einer Dicke von 80 bis 165 µm. Der Elementabschnitt 14, der auf einer Zentralseite des Halbleitersubstrats 10 eingeteilt ist, ist ein Abschnitt, in dem ein Strom in einer Dickenrichtung (z-Achsenrichtung) fließt, und er ist mit den IGBTund Diodenstrukturen, die später beschrieben werden, bereitgestellt. Der Anschlussabschnitt 16, der auf einer peripheren Seite des Halbleitersubstrats 10 eingeteilt ist, ist ein Abschnitt, der ein elektrisches Feld auf der peripheren Seite des Halbleitersubstrats entspannt und ist mit einer Spannungsfestigkeitsstruktur bereitgestellt, wie z.B. einem Schutzring ("Guard Ring"). Ferner ist auf dem Anschlussabschnitt 16 des Halbleitersubstrats 10 ein Gateanschluss 12 bereitgestellt. Mit diesem Gateanschluss 12 ist eine Gateleitung (nicht illustriert) verbunden, die auf dem Anschlussabschnitt 16 des Halbleitersubstrats 10 verlegt ist.
  • Der Elementabschnitt 14 des Halbleitersubstrats 10 ist ferner in IGBT-Bereiche 14a, in denen jeweils eine IGBT-Struktur bereitgestellt ist, und Diodenbereiche 14b, in denen jeweils eine Diodenstruktur bereitgestellt ist, eingeteilt. Die IGBT-Bereiche 14a und die Diodenbereiche 14b haben jeweils eine rechteckige Form, die eine longitudinale Seite in einer x-Achsenrichtung hat. Ferner sind die IGBT-Bereiche 14a und die Diodenbereiche 14b abwechselnd in einem sich wiederholenden Muster in einer y-Achsenrichtung angebracht. Es ist wünschenswert, dass eine Länge der IGBT-Bereiche 14a in der y-Achsenrichtung größer ist als eine Dicke des Halbleitersubstrats 10. In einem Beispiel, ist in einem Fall, in dem die Dicke des Halbleitersubstrats 10 ungefähr 120 µm ist, die Länge der IGBT-Bereiche 14a in der y-Achsenrichtung ungefähr 700 µm. Es ist wünschenswert, dass eine Länge der Diodenbereiche 14b in der y-Achsenrichtung größer als die Dicke des Halbleitersubstrats 10 ist. In einem Beispiel ist in einem Fall, in dem die Dicke des Halbleitersubstrats 10 ungefähr 120 µm ist, die Länge der Diodenbereiche 14b in der y-Achsenrichtung ungefähr 300 µm. In 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 18 Grenzbereiche 18 zwischen den IGBT-Bereichen 14a und den Diodenbereichen 14b. Der umgekehrt leitende IGBT 1 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird unten mit Bezug auf die Grenzbereiche 18 beschrieben, was als eine klare Manifestation von Merkmalen des umgekehrt leitenden IGBTs 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dient.
  • Wie in 2 gezeigt enthält der umgekehrt leitende IGBT 1 das Halbleitersubstrat 10, eine Kollektorelektrode 36, die eine untere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 bedeckt, und eine Emitterelektrode 38, die eine obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 bedeckt. Die Kollektorelektrode 36 ist eine laminierte Elektrode aus AlSi (oder Al)/Ti/Ni/Au oder Ti/Ni/Au mit einer Dicke von 1 bis 30 µm. Die Emitterelektrode 38 ist eine Einschichtelektrode aus Al oder AlSi oder eine laminierte Elektrode aus AlSi (oder Al)/Ti/Ni/Au mit einer Dicke von 3 bis 30 µm. Das Halbleitersubstrat 10 ist in die IGBT-Bereiche 14a, in denen jeweils die IGBT-Struktur bereitgestellt ist, die Diodenbereiche 14b, in denen jeweils die Diodenstruktur bereitgestellt ist, und Grenzbereiche 14ab, die zwischen den IGBT-Bereichen 14a und den Diodenbereichen 14b lokalisiert sind, eingeteilt. Der umgekehrt leitende IGBT 1 enthält ferner Grabengatebauteile 30, die in jedem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind, Dummygrabenbauteile 40, die in jedem Diodenbereich 14b bereitgestellt sind, und eine Zwischenlagenisolationsschicht 52, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt ist.
  • Das Halbleitersubstrat 10 enthält Kollektorbereiche 21 des p-Typs, Kathodenbereiche 22 des n-Typs, einen Driftbereich 23 des n–-Typs, einen Barrierenbereich 24 des n-Typs, einen Körperbereich 25 des p-Typs, Säulenbereiche 26 des n-Typs und Emitterbereiche 27 des n+-Typs.
  • Jeder Kollektorbereich 21 ist in dem IGBT-Bereich 14a und einem Teil des Grenzbereichs 14ab angeordnet. Der Kollektorbereich 21 ist in einem Teil eines unteren Schichtabschnitts des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und liegt an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen. Der Kollektorbereich 21 hat eine hohe Verunreinigungskonzentration und ist in ohmschem Kontakt mit der Kollektorelektrode 36. Der Kollektorbereich 21 wird z.B. durch Einführen von Bor durch die untere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung einer Ionenimplantationstechnik bereitgestellt. In einem Beispiel hat der Kollektorbereich 21 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1015 bis 1 × 1019 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 3 µm.
  • Jeder Kathodenbereich 22 ist in dem Diodenbereich 14b und einem Teil des Grenzbereichs 14ab angeordnet. Der Kathodenbereich 22 ist in einem Teil des unteren Schichtabschnitts des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und liegt an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen. Der Kathodenbereich 22 hat eine hohe Verunreinigungskonzentration und in ohmschem Kontakt mit der Kollektorelektrode 36. Der Kathodenbereich 22 wird z.B. durch Einführen von Phosphor durch die untere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik bereitgestellt. In einem Beispiel hat der Kathodenbereich 22 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1018 bis 1 × 1021 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 3 µm.
  • Der Driftbereich 23 ist in den IGBT-Bereichen 14a, den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Der Driftbereich 23 ist zwischen dem Kollektorbereich 21 und dem Barrierenbereich 24 in dem IGBT-Bereich 14a und einem Teil des Grenzbereichs 14ab bereitgestellt. Der Driftbereich 23 ist zwischen dem Kathodenbereich 22 und dem Barrierenbereich 24 in dem Diodenbereich 14b und einem Teil des Grenzbereichs 14ab bereitgestellt. Der Driftbereich 23 ist ein Teil des Halbleitersubstrats 10, der übrig blieb, nachdem die anderen Bereiche gebildet wurden, und hat eine Verunreinigungskonzentration, die gleichförmig in der Dickenrichtung ist.
  • Der Barrierenbereich 24 ist in den IGBT-Bereichen 14a, den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Der Barrierenbereich 24 ist zwischen dem Driftbereich 23 und dem Körperbereich 25 bereitgestellt. Der Barrierenbereich 24, der in jedem IGBT-Bereich 14a angeordnet ist, ist zwischen benachbarten Grabengatebauteilen 30 bereitgestellt und hat eine Form, die sich räumlich ausbreitet, um in Kontakt mit Seitenoberflächen von beiden der benachbarten Grabengatebauteile 30 zu stehen. Der Barrierenbereich 24, der in jedem IGBT-Bereich 14a angeordnet ist, hat ein schwebendes Potential. Ein Barriereinbereich 24, der in dem Diodenbereich 14b angeordnet ist, ist zwischen benachbarten Dummygrabenbauteilen 40 angeordnet und hat eine Form, die sich räumlich ausbreitet, um in Kontakt mit Seitenoberflächen von beiden benachbarten Dummygrabenbauteilen 40 zu stehen. Der Barrierenbereich 24, der in dem Diodenbereich 14b angeordnet ist, ist elektrisch mit der Emitterelektrode 38 über den Säulenbereich 26 verbunden. Der Barrierenbereich 24, der in dem Grenzbereich 14ab angeordnet ist, ist zwischen einem Grabengatebauteil 30 und einem Dummygrabenbauteil 40 bereitgestellt und hat eine Form, die sich räumlich ausbreitet, um in Kontakt mit Seitenoberflächen sowohl des Grabengatebauteils 30 als auch des Dummygrabenbauteils 40 zu stehen. Der Barrierenbereich 24, der in dem Grenzbereich 14ab angeordnet ist, ist elektrisch mit der Emitterelektrode 38 über den Säulenbereich 26 verbunden. Der Barrierenbereich 24 wird z.B. durch Einführen von Phosphor durch die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik bereitgestellt. In einem Beispiel hat der Barrierenbereich 24 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1015 bis 1 × 1018 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 3 µm.
  • Der Körperbereich 25 ist in den IGBT-Bereichen 14a, den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Der Körperbereich 25 ist in einem oberen Schichtabschnitt des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und liegt an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen. Der Körperbereich 25 hat eine hohe Verunreinigungskonzentration und steht in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 38. Der Körperbereich 25 kann nach Bedarf einen Kontaktbereich hoher Verunreinigungskonzentration in einem Teil davon enthalten, der in Kontakt mit der Emitterelektrode 38 ist. Der Körperbereich 25, der in dem IGBT-Bereich 14a angeordnet ist, ist zwischen benachbarten Grabengatebauteilen 30 bereitgestellt und steht in Kontakt mit Seitenoberflächen von beiden benachbarten Grabengatebauteilen 30. Der Körperbereich 25, der in dem Diodenbereich 14b angeordnet ist, ist zwischen benachbarten Dummygrabenbauteilen 40 bereitgestellt und steht in Kontakt mit Seitenoberflächen von beiden benachbarten Dummygrabenbauteilen 40. Der Körperbereich 25, der in dem Diodenbereich 14b angeordnet ist, wird auch als ein "Anodenbereich" bezeichnet. Der Körperbereich 25, der in dem Grenzbereich 14ab bereitgestellt ist, ist zwischen einem Grabengatebauteil 30 und einem Dummygrabenbauteil 40 bereitgestellt und steht in Kontakt mit Seitenoberflächen von sowohl dem Grabengatebauteil 30 als auch dem Dummygrabenbauteil 40. Der Körperbereich 25 wird z.B. durch Einführen von Bor durch die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. In einem Beispiel hat der Körperbereich 25 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1016 bis 1 × 1019 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 5 µm.
  • Die Säulenbereiche 26 sind in den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Jeder Säulenbereich 26 ist so bereitgestellt, dass er den Körperbereich 25 von der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 durchdringt und den Barrierenbereich 24 erreicht, und verbindet die Emitterelektrode 38 und den Barrierenbereich 24 elektrisch miteinander. Der Säulenbereich 26 hat eine Verunreinigungskonzentration, die so angepasst ist, dass der Säulenbereich 26 in Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode 38 ist. Ein Säulenbereich 26, der in dem Diodenbereich 14b bereitgestellt ist, ist zwischen benachbarten Dummygrabenbauteilen 40 bereitgestellt und von beiden der benachbarten Dummygrabenbauteile 40 durch den Körperbereich 25 getrennt. Ein Säulenbereich 26, der in dem Grenzbereich 14ab angeordnet ist, ist zwischen einem Grabengatebauteil 30 und einem Dummygrabenbauteil 40 bereitgestellt und sowohl von dem Grabengatebauteil 30 als auch von dem Dummygrabenbauteil 40 durch den Körperbereich 25 getrennt. Die Säulenbereiche 26 werden z.B. durch Einführen von Phosphor durch die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. In einem Beispiel haben die Säulenbereiche 26 eine Peakverunreinigungskonzentration von 8 × 1013 bis 1 × 1018 cm–3.
  • Die Emitterbereiche 27 sind in den IGBT-Bereichen 14a und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Jeder Emitterbereich 27 ist in dem oberen Schichtabschnitt des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und liegt an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen. Der Emitterbereich 27 hat eine hohe Verunreinigungskonzentration und steht in ohmschem Kontakt mit der Emitterelektrode 38. Der Emitterbereich 27 wird z.B. durch Einführen von Arsen oder Phosphor durch die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. In einem Beispiel hat der Emitterbereich 27 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1018 bis 1 × 1021 cm–3 und Dicke von 0,2 bis 1,5 µm.
  • Die Grabengatebauteile 30 erstrecken sich in einer Tiefenrichtung in den IGBT-Bereichen 14a, um die Emitterbereiche 27, den Körperbereich 25 und den Barrierenbereich 24 zu durchdringen und den Driftbereich 23 zu erreichen. Die Emitterbereiche 27, der Körperbereich 25 und der Barrierenbereich 24 sind in Kontakt mit den Seitenoberflächen des Grabengatebauteils 30. Der Driftbereich 23 ist in Kontakt mit der Seite und unteren Oberflächen des Grabengatebauteils 30. Jedes Grabengatebauteil 30 enthält eine Grabengateisolationsschicht 32 und eine Grabengateelektrode 34. Die Grabengateelektrode 34 ist von dem Halbleitersubstrat 10 durch die Grabengateisolationsschicht 32 isoliert. In einem Beispiel hat das Grabengatebauteil 30 eine Tiefe von 3 bis 7 µm.
  • Die Dummygrabenbauteile 40 erstrecken sich in der Tiefenrichtung, um den Körperbereich 25 und den Barrierenbereich 24 zu durchdringen und den Driftbereich 23 zu erreichen. Der Körperbereich 25 und der Barrierenbereich 24 sind in Kontakt mit den Seitenoberflächen von jedem Dummygrabenbauteil 40. Der Driftbereich 23 ist in Kontakt mit den Seiten und unteren Oberflächen von jedem Dummygrabenbauteil 40. Jedes Dummygrabenbauteil 40 enthält eine Dummygrabenisolationsschicht 42 und eine Dummygrabenelektrode 44. Die Dummygrabenelektrode 44 ist von dem Halbleitersubstrat 10 durch die Dummygrabenisolationsschicht 42 isoliert. In einem Beispiel hat das Dummygrabenbauteil 40 eine Tiefe von 3 bis 7 µm.
  • Wie in 3 gezeigt, ist der umgekehrt leitende IGBT 1 so konfiguriert, dass die Grabengatebauteile 30 und die Dummygrabenbauteile 40 verschiedene Layouts haben. Das Grabengatebauteil 30, das in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt ist, ist so konfiguriert, dass es ein Gittermusterlayout hat. Das Dummygrabenbauteil 40, das in dem Diodenbereich 14b bereitgestellt ist, ist so konfiguriert, dass es ein Streifenmusterlayout hat.
  • 5 ist ein Diagramm, das schematisch die Layouts des Grabengatebauteils 30 und des Dummygrabenbauteils 40 zeigt. Zur Vereinfachung wird eine diagonale Schraffur verwendet, um das Grabengatebauteil 30 zu zeigen, und eine Punktierung wird verwendet, um das Dummygrabenbauteil 40 zu zeigen.
  • Die Grabengatebauteile 30, die in jedem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind, enthalten eine Vielzahl von ersten Grabengates 30A und eine Vielzahl von zweiten Grabengates 30B. Die Vielzahl der ersten Grabengates 30A erstreckt sich entlang der x-Achsenrichtung. Die Vielzahl der zweiten Grabengates 30B erstreckt sich entlang der y-Achsenrichtung zwischen benachbarten ersten Grabengates 30A. Eine Abstandslänge (30La) der Vielzahl der ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung und eine Abstandslänge (30Lb) der Vielzahl der zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung sind zueinander gleich. Aus diesem Grund hat ein ringartiger Abschnitt, der durch ein Paar der ersten Grabengates 30A und ein Paar der zweiten Grabengates 30B besteht, eine quadratische Form. In einem Beispiel liegt jede der Abstandslängen (30La, 30Lb) in einem Bereich von 4 bis 6 µm. Die ersten Grabengates 30A haben ihre Enden so, dass sie sich in den Anschlussabschnitt 16 (siehe 1) erstrecken, in dem die Grabengateelektroden 34 mit Gateleitungen elektrisch verbunden sind.
  • Die Dummygrabenbauteile 40, die in jedem Diodenbereich 14b bereitgestellt sind, enthalten eine Vielzahl von Streifendummygräben 40A, die sich entlang der x-Achsenrichtung erstrecken. Das heißt, die Vielzahl der Streifendummygräben 40A erstreckt sich parallel zu den ersten Grabengates 30A des Grabengatebauteils 30. Eine Abstandslänge (40L) der Vielzahl der Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung ist gleich der Abstandslänge (30La) der Vielzahl der ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung und der Abstandslänge (30Lb) der Vielzahl der zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung. In einem Beispiel liegt die Abstandslänge (40L) der Vielzahl der Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung im Bereich von 4 bis 6 µm. Die Enden der Vielzahl der Streifendummygräben 40A erstrecken sich in den Anschlussabschnitt 16 (siehe 1). Benachbarte Streifendummygräben 40A können so konfiguriert sein, dass sie miteinander in dem Anschlussabschnitt 16 gekoppelt sind. In diesem Beispiel sind die Dummygrabenelektroden 44 der Streifendummygräben 40A elektrisch mit der Emitterelektrode 38 verbunden. In einem anderen Beispiel können die Dummygrabenelektroden 44 der Streifendummygräben 40A ein schwebendes Potenzial haben.
  • Es soll bemerkt werden, dass die in 5 gezeigten Layouts nur ein Beispiel sind und andere Layouts für die Grabengatebauteile 30 und die Dummygrabenbauteile 40 angewendet werden können. Zum Beispiel kann, wie in 6 gezeigt, jedes Grabengatebauteil 30 ein Gittermusterlayout haben, das in eine Vielzahl von Teilen, die in der y-Achsenrichtung angebracht sind, geteilt wird. In diesem Beispiel ist jeder der Teile, in die das Grabengatebauteil 30 geteilt wird, aus einem Paar von ersten Grabengates 30A und einer Vielzahl zweiten Grabengates 30B aufgebaut, sodass sie ein Leitermusterlayout haben. Ferner kann, wie in 7 gezeigt, das Dummygrabenbauteil 40 zwischen eingeteilten Grabengatebauteilen 30 bereitgestellt sein.
  • 4 zeigt ein Layout der Zwischenlagenisolationsschicht 52, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt ist. Die Zwischenlagenisolationsschicht 52 ist zwischen der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 und der Emitterelektrode 38 bereitgestellt. In der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ist eine Vielzahl von Öffnungen 52a so bereitgestellt, dass die Emitterelektrode 38 in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 ist. Aus diesem Grund ist die Zwischenlagenisolationsschicht 52 so konfiguriert, dass sie ein Gittermusterlayout hat. Die Vielzahl der Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 in jedem IGBT-Bereich 14a enthält Öffnungen 52a, die verteilt angeordnet sind, sodass sie oberen Oberflächenabschnitten des Halbleitersubstrats 10 entsprechen, die jeweils durch das gittergemusterte Grabengatebauteil 30 umschlossen sind. Die Vielzahl von Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 in dem Diodenbereich 14b enthält Öffnungen 52a, die verteilt entlang der x-Achsenrichtung angebracht sind, die einem oberen Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats 10 zwischen benachbarten Streifengräben 40A entsprechen. Die Vielzahl von Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 in jedem Grenzbereich 14ab enthält Öffnungen 52a, die verteilt entlang der x-Achsenrichtung angebracht sind, und die einem oberen Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats 10 zwischen einem ersten Grabengate 30A und einem Streifendummygraben 40A entsprechen. Die Vielzahl von Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 hat ein sich wiederholendes Muster von gemeinsamen Formen über die ganzen Bereiche der IGBT-Bereiche 14a, der Diodenbereiche 14b und der Grenzbereiche 14ab. In diesem Beispiel hat die Vielzahl der Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 eine Form (quadratische Form) die ähnlich zu dem ringartigen Abschnitt des Grabengatebauteils 30 ist. Aus diesem Grund hat die Vielzahl der Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein sich wiederholendes Muster von quadratischen Formen über die gesamten Bereiche der IGBT-Bereiche 14a, der Diodenbereiche 14b und der Grenzbereiche 14ab.
  • Dadurch stellen in dem umgekehrt leitenden IGBT 1 die Kollektorelektrode 36, der Kollektorbereich 21, der Driftbereich 23, der Barrierenbereich 24, der Körperbereich 25, die Emitterbereiche 27, die Emitterelektrode 38 und die Grabengatebauteile 30 die IGBT-Struktur dar. In dem umgekehrt leitenden IGBT 1 stellen die Kollektorelektrode 36, die Kathodenbereiche 22, der Driftbereich 23, der Barrierenbereich 24, der Körperbereich 25, die Säulenbereiche 26, die Emitterelektrode 38 und die Dummygrabenbauteile 40 die Diodenstruktur dar. Die Kollektorelektrode 36 fungiert als eine Kathodenelektrode in der Diodenstruktur und die Emitterelektrode 38 fungiert als eine Anodenelektrode in der Diodenstruktur. Ferner fungiert der Körperbereich 25 als ein Anodenbereich in der Diodenstruktur.
  • Das Folgende beschreibt, wie der umgekehrt leitende IGBT 1 arbeitet. Als Erstes wird beschrieben, wie die IGBT-Struktur in den IGBT-Bereichen 14a arbeitet. Wenn ein höheres Potenzial an die Kollektorelektrode 36 angelegt wird, als das, das an die Emitterelektrode 38 angelegt wird, und ein Potenzial, das gleich oder höher als ein Schwellwert ist, an die Grabengateelektrode 34 angelegt wird, wird ein Kanal in dem Körperbereich 25 bereitgestellt, der auf einer Seitenoberfläche der Grabengateisolationsschicht 32 lokalisiert ist, sodass die IGBT-Struktur eingeschaltet wird. Zu diesem Zeitpunkt fließen Elektronen aus der Emitterelektrode 38 hin zu der Kollektorelektrode 36 über den Kanal in den Körperbereich 25, den Barrierenbereich 24, den Driftbereich 23 und den Kollektorbereich 21. Unterdessen fließen Löcher aus der Kollektorelektrode 36 hin zu der Emitterelektrode 38 über den Kollektorbereich 21, den Driftbereich 23, den Barrierenbereich 24 und den Körperbereich 25. Deswegen fließt ein Strom aus der Kollektorelektrode 36 hin zu der Emitterelektrode 38, wenn die IGBT-Struktur eingeschaltet wird. Danach, wenn das Potenzial der Grabengateelektrode 34 auf ein Potenzial verringert wird, das niedriger als der Schwellwert ist, verschwindet der Kanal, sodass die IGBT-Struktur ausgeschaltet wird.
  • Jedes Grabengatebauteil 30, das in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt ist, hat ein Gittermusterlayout. Aus diesem Grund gibt es, wenn die IGBT-Struktur eingeschaltet ist, Zuwächse einer Elektronenkonzentration in Kanälen an den vier Ecken des Grabengatebauteils 30, und dadurch gibt es eine Reduktion in dem Kanalwiderstand. Ferner führen die Zuwächse in der Elektronenkonzentration in den Kanälen zu einem Zuwachs in einer Lochkonzentration in dem Driftbereich 23, wodurch eine Leitfähigkeitsmodulation aktiviert wird. Ferner übt der Barrierenbereich 24 in der IGBT-Struktur, in der der Barrierenbereich 24 in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt ist, einen Ladungsträgerspeichereffekt aus, um einen bemerkenswerten Anstieg in einer Lochkonzentration in dem Driftbereich 23 zu verursachen, was zu einer bemerkenswerten Reduktion in einer Einschaltspannung führt. Dadurch führt in der IGBT-Struktur die Bereitstellung des Grabengatebauteils 30 mit einem Gittermusterlayout zu einer Reduktion in einem Leistungsverlust.
  • Als Nächstes wird beschrieben, wie die Diodenstruktur in den Diodenbereichen 14b arbeitet. Wenn ein höheres Potenzial an die Emitterelektrode 38 angelegt wird, als das, das an die Kollektorelektrode 36 angelegt wird, fließt ein Rückkehrstrom durch die Diodenstruktur. Die folgende Beschreibung nimmt einen Fall an, bei dem das Potenzial der Emitterelektrode 38 allmählich von einem Potenzial, das äquivalent zu dem der Emitterelektrode 36 ist, erhöht wird. Ein Anstieg in dem Potenzial der Emitterelektrode 38 verursacht, dass ein Schottky-Übergang zwischen dem Säulenbereich 26 und der Emitterelektrode 38 leitet. Dies verursacht, dass Elektronen aus der Kollektorelektrode 36 hin zu der Emitterelektrode 38 über die Kathodenbereiche 22, den Driftbereich 23, den Barrierenbereich 24 und die Säulenbereiche 26 fließen. Dadurch wird eine Schottky-Barrierendiode in der Diodenstruktur elektrisch leitend, wenn das Potenzial der Emitterelektrode 38 relativ niedrig ist, sodass ein Strom von der Emitterelektrode 38 hin zu der Kollektorelektrode 36 fließt.
  • Die Leitfähigkeit der Schottky-Barrierendiode verursacht, dass ein Potenzial des Barrierenbereichs 24 bei einem Potenzial gehalten wird, das nahe dem Potenzial der Emitterelektrode 38 ist, wodurch eine Spannung, die in der Vorwärtsrichtung eines p-n-Übergangs, der aus dem Körperbereich 25 und dem Barrierenbereich 24 gebildet wird, niedrig gehalten wird. Aus diesem Grund leitet eine p-n-Diode in der Diodenstruktur nicht, wenn das Potenzial der Emitterelektrode 38 relativ niedrig ist. Wenn das Potenzial der Emitterelektrode 38 relativ hoch wird, gibt es ein Anwachsen in einem Strom, der durch die Schottky-Barrierendiode fließt. Das Anwachsen in dem Strom, der durch die Schottky-Barrierendiode fließt, führt zu einem Anwachsen in einer Potenzialdifferenz zwischen der Emitterelektrode 38 und dem Barrierenbereich 24 und auch zu einem Anwachsen in der Spannung, die in der Vorwärtsrichtung des p-n-Übergangs angelegt wird, der durch den Körperbereich 25 und den Barrierenbereich 24 gebildet wird, sodass Löcher aus dem Körperbereich 25 über den Barrierenbereich 24 injiziert werden. Dies verursacht, dass Löcher aus der Emitterelektrode 38 hin zu der Kollektorelektrode 36 über den Körperbereich 25, den Barrierenbereich 24, den Driftbereich 23 und die Kathodenbereiche 22 fließen. Unterdessen fließen Elektronen aus der Kollektorelektrode 36 hin zu der Emitterelektrode 38 über die Kathodenbereiche 22, den Driftbereich 23, den Barrierenbereich 24 und den Körperbereich 25. Deswegen wird die p-n-Diode in der Diodenstruktur elektrisch leitend, wenn das Potenzial der Emitterelektrode 38 relativ hoch ist.
  • In der Diodenstruktur wird, wie gerade beschrieben, die Schottky-Barrierendiode elektrisch leitend, wenn das Potenzial der Emitterelektrode 38 wächst. Dies verzögert den Zeitpunkt, zu dem die p-n-Diode zu leiten beginnt. Dadurch wird die Anzahl an Löchern, die aus dem Körperbereich 25 in den Driftbereich 23 injiziert werden, reduziert, wenn ein Rückkehrstrom durch die Diodenstruktur fließt. Danach, wenn ein höheres Potenzial an die Kollektorelektrode 36 angelegt wird als ein Potenzial, das an die Emitterelektrode 38 angelegt wird, führt die p-n-Diode in der Diodenstruktur einen umgekehrten Erholungsvorgang durch. Zu diesem Zeitpunkt gibt es auch eine Reduktion in einem umgekehrten Strom, durch den die p-n-Diode in der Diodenstruktur einen umgekehrten Erholungsvorgang durchführt, weil die Anzahl an Löchern, die aus dem Körperbereich 25 in den Driftbereich 23 injiziert werden, reduziert wurde. Deswegen führt das Bereitstellen des Barrierenbereichs 24 und der Säulenbereiche 26 in dem Diodenbereich zu einer Verbesserung in der umgekehrten Erholungscharakteristik.
  • Das Folgende beschreibt die Merkmale des umgekehrt leitenden IGBTs 1. Wie in 3 gezeigt, hat das Dummygrabenbauteil 40, das in dem Diodenbereich 14b bereitgestellt ist, ein Streifenmusterlayout von Streifen, die sich in der x-Achsenrichtung erstrecken. Aus diesem Grund erstreckt sich der Barrierenbereich 24 (siehe 2), der in dem Diodenbereich 14b bereitgestellt ist, über einen breiten Bereich entlang der x-Achsenrichtung über den ganzen Bereich des Diodenbereichs 14b. Ferner erstreckt sich der Teil des Säulenbereichs 26, der in dem Diodenbereich 14b bereitgestellt ist, entlang der x-Achsenrichtung über den ganzen Bereich des Diodenbereichs 14b entsprechend dem Barrierenbereich 24, der sich über eine breite Fläche entlang der x-Achsenrichtung ausbreitet. Aus diesem Grund erstreckt sich eine außenliegende Oberfläche von jedem Säulenbereich 26, die an einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen liegt, entlang der x-Achsenrichtung über den ganzen Bereich des Diodenbereichs 14b.
  • Dies stellt sicher, dass eine Fläche der außenliegenden Oberflächen der Säulenbereiche 26 für einen Barrierenbereich 24 groß wird, um so eine elektrische Verbindung zwischen den Säulenbereichen 26 und der Emitterelektrode 38 sicherzustellen, selbst wenn eine Fehlbildung (z. B. ein Fehlen einer Verunreinigungskonzentration) in einem Teil der außenliegenden Oberflächen der Säulenbereiche 26 auftritt. Dies ermöglicht es dem Barrierenbereich 24, die Anzahl an Löchern, die aus dem Körperbereich 25 in den Driftbereich 23 injiziert werden, zu reduzieren und dadurch die umgekehrte Erholungscharakteristik der Diodenstruktur zu verbessern.
  • Wie in 8 gezeigt, können außenliegende Oberflächen der Säulenbereiche 26, die an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen liegen, verstreut entlang der x-Achsenrichtung über den gesamten Bereich des Diodenbereichs 14b angebracht sein. Dies sichert auch die weite Fläche einer außenliegenden Oberfläche des Säulenbereichs 26 für jeden Barrierenbereich 24, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Säulenbereich 26 und der Emitterelektrode 38 selbst dann sichergestellt wird, wenn es zu einer Fehlbildung in einem Teil der außenliegenden Oberfläche des Säulenbereichs 26 kommt.
  • Wie in 4 gezeigt, hat die Vielzahl der Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein sich wiederholendes Muster von quadratischen Formen, die über die ganzen Bereiche der IGBT-Bereiche 14a, der Diodenbereiche 14b und der Grenzbereiche 14ab. Beim Herstellen des umgekehrt leitenden IGBTs 1 wird die Emitterelektrode 38 durch eine Gasablagerungstechnik gebildet, um die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 zu bedecken, nachdem die Zwischenlagenisolationsschicht 52 auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 gemustert wurde. Weil die Vielzahl von Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein sich wiederholendes Muster von quadratischen Formen hat, wird eine Oberfläche der Emitterelektrode 38, die so gebildet wird, flach gemacht. Obwohl die Grabengatebauteile 30 und die Dummygrabenbauteile 40 verschiedene Layouts haben, wird ein flach Machen der Oberfläche der Emitterelektrode 38 erreicht, weil die Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein einheitliches Layout über die ganzen Bereiche der IGBT-Bereiche 14a, der Diodenbereiche 14b und der Grenzbereiche 14ab hat. Dies verhindert ein fehlerhaftes Verbinden zwischen der Emitterelektrode 38 und einer Leitung oder einem Lot zu der Zeit des Drahtverbindens oder Lötens an die Emitterelektrode 38. Dies erhöht Erwartungen an eine Verbesserung in der Verbindungszuverlässigkeit (Leistungszyklus).
  • 9 zeigt einen umgekehrt leitenden IGBT 2 gemäß einer Modifikation. Das Halbleitersubstrat 10 des umgekehrt leitenden IGBTs 2 enthält einen Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 des p-Typs, der zwischen dem Driftbereich 23 und dem Barrierenbereich 24 bereitgestellt ist.
  • Der Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 ist in den IGBT-Bereichen 14a, den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Der Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 ist zwischen dem Driftbereich 23 und dem Körperbereich 25 bereitgestellt. Der Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 wird zum Beispiel durch Einführen von Bor durch die obere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. In einem Beispiel hat der Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1015 bis 1 × 1018 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 3 µm.
  • Das Vorsehen von solch einem Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 verursacht, dass eine p-n-Diode, die aus dem Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 und dem Driftbereich 23 gebildet wird, in einer Richtung entgegengesetzt zu einem Strompfad von der Kollektorelektrode 36 zu der Emitterelektrode angeordnet ist. Dies erreicht eine Reduktion in einem Leckstrom. Insbesondere kann in dem Diodenbereich 14b der Elektrisches-Feld-Ausdehnungsverhinderungsbereich 28 einen Leckstrom, der durch einen Schottky-Übergang zwischen den Säulenbereichen 26 und der Emitterelektrode 38 fließt, reduzieren.
  • 10 bis 12 zeigen einen umgekehrt leitenden IGBT 3 gemäß einer Modifikation. Der umgekehrt leitende IGBT 3 ist so konfiguriert, dass die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 und die Abstandslänge der Dummygrabenbauteile 40 verschieden voneinander sind. Ferner ist der umgekehrt leitende IGBT 3 so konfiguriert, dass die Säulenbereiche 26 auch in den IGBT-Bereichen 14a des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt sind.
  • Wie in 11 gezeigt, ist die Abstandslänge 30La der Vielzahl der ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung größer als die Abstandslänge 40L der Vielzahl der Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung. Ferner ist die Abstandslänge 30Lb der Vielzahl der zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung größer als die Abstandslänge 40L der Vielzahl der Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung. Die Abstandslänge 30La der Vielzahl der ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung und die Abstandslänge 30Lb der Vielzahl der zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung sind zueinander gleich. In einem Beispiel ist jede der Abstandslängen (30La, 30Lb) des Grabengatebauteils 30 6 µm und die Abstandslänge (40L) des Dummygatebauteils 40 ist 4 µm.
  • Wie oben erwähnt, führt das Bereitstellen der Grabengatebauteile 30 mit einem Gittermusterlayout zu einem Anwachsen in einer Ladungsträgerkonzentration der IGBT-Bereiche 14a, und zwar so, dass ein Leistungsverlust in der IGBT-Struktur reduziert ist. Mit anderen Worten können die Grabengatebauteile 30 mit dem Gittermusterlayout ein Anwachsen in einem Leistungsverlust in der IGBT-Struktur selbst dann unterdrücken, wenn die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 groß sind. Aus diesem Grund ermöglicht ein Vergrößern der Abstandslängen des Grabengatebauteils 30 in der IGBT-Struktur es, ein Anwachsen in einem Leistungsverlust zu unterdrücken und sichert in Teilen des Halbleitersubstrats 10, die durch die Grabengatebauteile 30 umschlossen sind, breite außenliegende Oberflächen der Säulenbereiche 26, die an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen liegen. Dies ermöglicht es dem umgekehrt leitenden IGBT 3, eine zufriedenstellende elektrische Verbindung zwischen den Säulenbereichen 26 und der Emitterelektrode 38 auch in den IGBT-Bereichen 14a sicherzustellen.
  • In diesem Typ von umgekehrt leitendem IGBT 3 ist es wünschenswert, dass in einem Betriebsmodus, bei dem die Diodenstruktur elektrisch leitend wird, Löcher adäquat aus dem Körperbereich 25 hin zu dem Driftbereich 23 in den IGBT-Bereichen 14a injiziert werden, sodass es eine Reduktion in einem Leistungsverlust in dem Betriebsmodus gibt, in dem die Diodenstruktur elektrisch leitfähig wird. Unterdessen verschlechtert eine große Anzahl von Löchern, die aus dem Körperbereich 25 hin zu dem Driftbereich 23 in den IGBT-Bereichen 14a injiziert werden, die umgekehrte Erholungscharakteristik der Diodenstruktur. In dem umgekehrt leitenden IBGT 3 sind die Säulenbereiche 26 auch in den IGBT-Bereichen 14a bereitgestellt. Dies verhindert, dass eine große Anzahl an Löchern aus dem Körperbereich 25 hin zu dem Driftbereich 23 in den IGBT-Bereichen 14a injiziert werden, wenn die Diodenstruktur in den Diodenbereichen 14b elektrisch leitend wird. Dies reduziert einen Leistungsverlust in dem Betriebsmodus, in dem die Diodenstruktur elektrisch leitfähig wird, und unterdrückt auch eine Verschlechterung in der umgekehrten Erholungscharakteristik der Diodenstruktur.
  • Ferner ermöglichen es die Grabengatebauteile 30 mit dem Gittermusterlayout, ein Potenzial in einer Ebene in den IGBT-Bereichen 14a zu stabilisieren, wenn die IGBT-Struktur ausgeschaltet wird, und zufriedenstellend eine Verarmungsschicht in jedem IGBT-Bereich 14a zu erzeugen. Dies verursacht eine Reduktion in einer elektrischen Feldstärke an Spitzen der Grabengatebauteile 30 in den IGBT-Bereichen 14a. Mit anderen Worten können die Grabengatebauteile 30 mit dem Gittermusterlayout eine Reduktion in einer Schaltkapazität selbst dann unterdrücken, wenn die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 groß sind. Auf diese Weise wird die elektrische Feldstärke in den IGBT-Bereichen 14a und den Diodenbereichen 14b einheitlich gemacht, selbst wenn die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 und die Abstandslänge der Dummygrabenbauteile 40 verschieden voneinander sind, und dadurch wird eine hohe Schaltkapazität erreicht.
  • Wie oben erwähnt, ist es in diesem Typ vom umgekehrt leitenden IGBT 3 wünschenswert, dass in dem Betriebsmodus, in dem die Diodenstruktur leitet, Löcher adäquat aus dem Körperbereich 25 zu dem Driftbereich 23 in dem IGBT-Bereich 14a injiziert werden. Jedoch kann in diesem Typ eines umgekehrt leitenden IG-BTs 3 ein positives Potenzial an die Grabengateelektrode 34 des Grabengatebauteils 30 in dem Betriebsmodus angelegt werden, in dem die Diodenstruktur leitet. In diesem Fall wird der Barrierenbereich 24 mit der Emitterelektrode 38 über einen Kanal kurzgeschlossen, der in einer Seitenoberfläche des Grabengatebauteils 30 bereitgestellt wird. Wenn zum Beispiel die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 kurz sind, ist die Anzahl von Löchern, die aus dem Körperbereich 25 zu dem Driftbereich 23 in jedem IGBT-Bereich 14a injiziert werden, bemerkenswert reduziert, wenn der Barrierenbereich 24 mit der Emitterelektrode 38 über den Kanal kurzgeschlossen ist. Das heißt, wenn die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 kurz sind, variiert der Betriebsmodus, bei dem die Diodenstruktur leitet, sehr in ihrer Charakteristik, abhängig von dem Potenzial, das an die Grabengatebauteile 30 angelegt wird (dieses Phänomen wird Gateinterferenz genannt). Auf der anderen Seite ist in dem umgekehrt leitenden IGBT 3, in dem die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 groß sind, die Anzahl von Löchern, die aus dem Körperbereich 25 zu dem Driftbereich 23 in jedem IGBT-Bereich 14a injiziert werden, bemerkenswert reduziert, selbst wenn der Barrierenbereich 24 mit der Emitterelektrode 38 über den Kanal kurzgeschlossen ist. Der umgekehrt leitende IGBT 3 hat einen großen Widerstand gegen eine Gateinterferenz.
  • Weil ferner die Abstandslängen der Grabengatebauteile 30 und die Abstandslänge der Dummygrabenbauteile 40 verschieden voneinander sind, ist der umgekehrt leitende IGBT 3 auch so konfiguriert, dass, wie in 12 gezeigt, Öffnungen 152a und 252a, die in der Zwischenlagenisolationsschicht 52 bereitgestellt sind, in ihrer Breite voneinander verschieden sind. Der umgekehrt leitende IGBT 3 ist so konfiguriert, dass eine Länge in y-Achsenrichtung 152La und eine Länge in x-Achsenrichtung 152Lb von jeder der Öffnungen 152a, die in dem Diodenbereich 14b und dem Grenzbereich 14ab bereitgestellt sind, kürzer sind als eine Länge in y-Achsenrichtung 252La und eine x-Achsenrichtung 252Lb von jeder der Öffnungen 252a, die in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind. In solch einem Fall wird die Oberfläche der Emitterelektrode 38 auch flach gemacht, weil die Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein Gittermusterlayout hat. Dies verhindert ein fehlerhaftes Verbinden zur Zeit des Drahtverbindens oder Lötens an die Emitterelektrode 38. Dies erhöht Erwartungen für eine Verbesserung in einer Verbindungszuverlässigkeit (Leistungszyklus).
  • Wie in 4 gezeigt, soll bemerkt werden, dass die Emitterelektrode 38 ihre Oberflächenrauheit an einem Minimum hat, wenn die Vielzahl von Öffnungen 52a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein sich wiederholendes Muster von quadratischen Formen über die ganzen Bereiche der IGBT-Bereiche 14a, der Diodenbereiche 14b und der Grenzbereiche 14ab hat. Unterdessen werden, wie oben bemerkt, einige der Charakteristiken des umgekehrt leitenden IGBTs 3 verbessert, wenn die Abstandslängen (30La, 30Lb) der Grabengatebauteile 30 und die Abstandslänge (40L) der Dummygrabenbauteile 40 verschieden voneinander sind. Um beides zu erreichen, ist es, wie in 13 gezeigt, wünschenswert, dass die Abstandslänge 30La der Vielzahl von ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung gleich der Abstandslänge 40L der Vielzahl von Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung ist und dass die Abstandslänge 30Lb der Vielzahl von zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung größer als die Abstandslänge 40L der Vielzahl von Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung ist. In diesem Fall sind, wie in 14 gezeigt, die Länge in y-Achsenrichtung 252La und die Länge in x-Achsenrichtung 252Lb von jeder der Öffnungen 252a, die in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind, gleich der Länge in y-Achsenrichtung 152La und der Länge in x-Achsenrichtung 152Lb von jeder der Öffnungen 152a, die in dem Diodenbereich 14b und dem Grenzbereich 14ab bereitgestellt sind. Die Vielzahl von Öffnungen 152a und 252a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 kann ein sich wiederholendes Muster von gemeinsamen Formen über den ganzen Bereich des IGBT-Bereichs 14a, des Diodenbereichs 14b und des Grenzbereichs 14ab haben. Alternativ können, wie in 15 gezeigt, die Abstandslänge La der Vielzahl von ersten Grabengates 30A in der y-Achsenrichtung länger als der Abstand 40L der Vielzahl von Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung sein, und die Abstandslänge 30Lb der Vielzahl der zweiten Grabengates 30B in der x-Achsenrichtung kann gleich der Abstandslänge 40L der Vielzahl von Streifendummygräben 40A in der y-Achsenrichtung sein. In diesem Fall ist, wie in 16 gezeigt, die Länge in y-Achsenrichtung 252La von jeder der Öffnungen 252a, die in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind, gleich der x-Achsenlänge 152Lb von jeder der Öffnungen 152a, die in dem Diodenbereich 14b und dem Grenzbereich 14ab bereitgestellt sind, und die Länge in x-Achsenrichtung 252Lb von jeder der Öffnungen 252a, die in dem IGBT-Bereich 14a bereitgestellt sind, ist gleich der y-Achsenrichtungsmenge 152La von jeder der Öffnungen 152a, die in dem Diodenbereich 14b und dem Grenzbereich 14ab bereitgestellt sind. In diesem Fall kann auch die Vielzahl von Öffnungen 152a und 252a der Zwischenlagenisolationsschicht 52 ein sich wiederholendes Muster von gemeinsamen Formen über den ganzen Bereich des IGBT-Bereichs 14a, des Diodenbereichs 14b und des Grenzbereichs 14ab haben. Dadurch kann der umgekehrt leitende IGBT 3, der in 13 bis 16 gezeigt ist, sowohl eine Verbesserung in den Charakteristiken der IGBT-Struktur und ein Flachmachen der Oberfläche der Emitterelektrode 38 erreichen.
  • 17 zeigt einen umgekehrt leitenden IGBT 4 gemäß einer Modifikation. Das Halbleitersubstrat 10 des umgekehrt leitenden IGBTs 4 enthält einen Pufferbereich 29 des n+-Typs und einen Kathodenkurzbereich 122 des p-Typs.
  • Der Pufferbereich 29 ist in den IGBT-Bereichen 14a, den Diodenbereichen 14b und den Grenzbereichen 14ab angeordnet. Der Pufferbereich 29 ist zwischen dem Driftbereich 23 und dem Kollektorbereich 21, zwischen dem Driftbereich 23 und dem Kathodenbereich 22 und zwischen dem Driftbereich 23 und dem Kathodenkurzbereich 122 bereitgestellt und hat eine Verunreinigungskonzentration, die höher als eine Verunreinigungskonzentration des Driftbereichs 23 ist. Der Pufferbereich 29 wird z. B. durch Einführen von Phosphor durch die untere Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 unter Verwendung der Ionenimplantationstechnik gebildet. In einem Beispiel hat der Pufferbereich 29 eine Peakverunreinigungskonzentration von 1 × 1015 bis 1 × 1018 cm–3 und eine Dicke von 0,2 bis 5 µm.
  • Der Kathodenkurzbereich 122 ist in dem Diodenbereich 14b angeordnet. Der Kathodenkurzbereich 122 ist in einen Teil des unteren Schichtabschnitts des Halbleitersubstrats 10 bereitgestellt und liegt an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats 10 außen. Der Kathodenkurzbereich 122 und der Kathodenbereich 22 sind so konfiguriert, dass sie abwechselnd in einem sich wiederholenden Muster in einem unteren Schichtabschnitt des Diodenbereichs 14b des Halbleitersubstrats 10 angebracht sind. Der Kathodenkurzbereich 122 ist in ohmschem Kontakt mit der Kollektorelektrode 36.
  • Das Bereitstellen von solch einem Kathodenkurzbereich 122 verursacht eine relative Reduktion in der Fläche, die durch den Kathodenbereich 22 in dem Diodenbereich 14b belegt wird, wodurch die Anzahl an Elektronen, die aus dem Kathodenbereich 22 zu dem Driftbereich injiziert werden, wenn die Diodenstruktur leitet, reduziert wird. Dies verbessert weiter die umgekehrte Erholungscharakteristik der Diodenstruktur.
  • Einige der technischen Merkmale, die in dieser Spezifikation offenbart werden, werden unten zusammengefasst. Man bemerke, dass die unten beschriebenen Gegenstände jeweils unabhängig eine technische Nützlichkeit haben.
  • Ein Aspekt eines umgekehrt leitenden IGBTs, der in dieser Anmeldung offenbart ist, kann ein Halbleitersubstrat, eine untere Oberflächenelektrode, eine obere Oberflächenelektrode, ein Grabengatebauteil und ein Grabenbauteil aufweisen.
  • Das Halbleitersubstrat ist in einen IGBT-Bereich, in dem eine IGBT-Struktur bereitgestellt ist, und einen Diodenbereich, in dem eine Diodenstruktur bereitgestellt ist, eingeteilt. Das Halbleitersubstrat kann ferner in andere Bereiche eingeteilt sein, die verschieden von dem IGBT-Bereich und dem Diodenbereich sind, z. B. einen Grenzbereich, der zwischen dem IGBT-Bereich und dem Diodenbereich bereitgestellt ist. Das Material des Halbleitersubstrats ist nicht besonders beschränkt. Die untere Oberflächenelektrode ist in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats und ist in Kontakt sowohl mit dem IGBT-Bereich als auch dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats. Die obere Oberflächenelektrode ist in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats und ist in Kontakt sowohl mit dem IGBT-Bereich als auch dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats. Das Grabengatebauteil ist in dem IGBT-Bereich des Halbleitersubstrats bereitgestellt und hat ein gitterförmiges Layout, wenn es von einer Richtung gesehen wird, die senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats ist. Das Gittermusterlayout bedeutet, dass das Grabengatebauteil eine Vielzahl von ringartigen Abschnitten enthält, wobei eine Form des ringartigen Abschnitts nicht besonders beschränkt ist. Das Grabenbauteil ist in dem Diodenbereich des Halbleitersubstrats bereitgestellt und hat ein streifenförmiges Layout, wenn es von der Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats gesehen wird. Das Grabenbauteil weist eine Vielzahl von Streifengräben auf, die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken. Der Diodenbereich des Halbleitersubstrats weist einen Anodenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Driftbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps auf. Der Anodenbereich ist zwischen benachbarten Streifengräben bereitgestellt und liegt an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats außen und ist in Kontakt mit der oberen Oberflächenelektrode. Der Driftbereich ist unter dem Anodenbereich bereitgestellt. Der Barrierenbereich ist zwischen benachbarten Streifengräben bereitgestellt, ist zwischen dem Anodenbereich und dem Driftbereich bereitgestellt, und hat eine Verunreinigungskonzentration, die höher als eine Verunreinigungskonzentration des Driftbereichs ist. Der Barrierenbereich ist elektrisch mit der oberen Oberflächenelektrode über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt. Eine Konfiguration des Säulenbauteils ist nicht besonders beschränkt, solange es eine elektrische Verbindung zwischen der Emitterelektrode und dem Barrierenbereich bereitstellt. Zum Beispiel kann das Säulenbauteil so konfiguriert sein, dass es einen Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen Leiter, wie z.B. ein Metall, oder eine Kombination davon enthält. Es ist bevorzugt, dass das Säulenbauteil in einem Schottky-Kontakt mit der Emitterelektrode steht.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, der in dieser Anmeldung offenbart ist, liegt eine außenliegende Oberfläche des Säulenbauteils an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats außen und kann sich entlang der ersten Richtung erstrecken. In diesem Fall ist eine longitudinale Richtung der außenliegenden Oberfläche des Säulenbauteils parallel zu einer longitudinalen Richtung des Streifengrabens. Es ist bevorzugt, dass die außenliegende Oberfläche des Säulenbauteils sich länger erstreckt als eine Abstandslänge des Grabengates in der ersten Richtung. Es ist ferner bevorzugt, dass die außenliegende Oberfläche des Säulenbauteils sich entlang eines gesamten Bereichs des Diodenbereichs entlang der ersten Richtung erstreckt. Auf diese Weise kann eine Fläche der außenliegenden Oberfläche des Säulenbauteils in einem Barrierenbereich größer sein, wenn die außenliegende Oberfläche des Säulenbauteils sich entlang der ersten Richtung erstreckt, sodass eine vorteilhafte elektrische Verbindung zwischen dem Säulenbereich und der Emitterelektrode realisiert werden kann.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, der in dieser Anmeldung offenbart ist, liegen außenliegende Oberflächen der Säulenbauteile an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats außen und können verteilt entlang der ersten Richtung angebracht sein. In diesem Fall ist eine Verteilrichtung der außenliegenden Oberflächen des Säulenbauteils parallel zu einer Längsrichtung des Streifengrabens. Es ist bevorzugt, dass ein Existenzbereich, an dem außenliegende Oberflächen des verteilten Säulenbauteils existieren, länger als eine Abstandslänge des Grabengates in der ersten Richtung ist. Es ist ferner bevorzugt, dass außenliegende Oberflächen der Säulenbauteile verteilt in einem ganzen Bereich des Diodenbereichs entlang der ersten Richtung angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Fläche der außenliegenden Oberfläche des Säulenbauteils in einem Barrierenbereich größer sein, wenn außenliegende Oberflächen des Säulenbauteils verteilt entlang der ersten Richtung angebracht sind, sodass eine vorteilhafte elektrische Verbindung zwischen dem Säulenbereich und der Emitterelektrode realisiert werden kann.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, der in dieser Anmeldung offenbart wird, kann das Grabengatebauteil eine Vielzahl von ersten Grabengates und eine Vielzahl von zweiten Grabengates aufweisen. Die Vielzahl von ersten Grabengates erstreckt sich entlang der ersten Richtung. Die Vielzahl von zweiten Grabengates erstreckt sich entlang einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, zwischen benachbarten ersten Grabengates. Das Grabengatebauteil dieser Konfiguration kann ein Gitterlayout enthalten, das aus einer Vielzahl von rechteckigen ringartigen Abschnitten konfiguriert ist.
  • In dem in dieser Anmeldung offenbarten umgekehrt leitenden IGBT kann eine Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates in der zweiten Richtung größer als eine Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben in der zweiten Richtung sein, und eine Abstandslänge der Vielzahl der zweiten Grabengates in der ersten Richtung kann größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben in der zweiten Richtung sein. In diesem Fall können eine Relaxation einer elektrischen Feldkonzentration und eine Unterdrückung einer Gateinterferenz in der IGBT-Struktur realisiert werden.
  • Der umgekehrt leitende IGBT, der in der Anmeldung offenbart wird, kann ferner eine Zwischenlagenisolationsschicht aufweisen. Die Zwischenlagenisolationsschicht ist zwischen der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats und der oberen Oberflächenelektrode bereitgestellt, wobei eine Vielzahl von Öffnungen in der Zwischenlagenisolationsschicht gebildet ist, sodass die obere Oberflächenelektrode in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats steht. Die Vielzahl von Öffnungen der Zwischenlagenisolationsschicht enthält Öffnungen, die so verteilt sind, dass sie oberen Oberflächenabschnitten des Halbleitersubstrats entsprechen, die jeweils durch das gitterförmige Grabengatebauteil umschlossen sind. Und die Vielzahl von Öffnungen der Zwischenlagenisolationsschicht enthält Öffnungen, die in der ersten Richtung verteilt sind, die einem oberen Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats zwischen benachbarten Streifengräben entspricht. Die Zwischenlagenisolationsschicht mit solch einem Gittermusterlayout kann eine Flachheit einer oberen Oberfläche der oberen Oberflächenelektrode verglichen mit einem Streifenmusterlayout verbessern.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, in dem die Zwischenlagenisolationsschicht ein Gittermusterlayout hat, kann eine Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates in der zweiten Richtung gleich einer Abstandslänge der Vielzahl von Streifengräben in der zweiten Richtung sein und eine Abstandslänge der Vielzahl von zweiten Grabengates in der ersten Richtung kann gleich der Abstandslänge der Vielzahl von Streifengräben in der zweiten Richtung sein. In diesem Fall kann die Vielzahl von Öffnungen der Zwischenlagenisolationsschicht ein sich wiederholendes Muster von einer quadratischen Form über den ganzen Bereich des IGBT-Bereichs und des Diodenbereichs haben. Deswegen kann die Zwischenlagenisolationsschicht mit solch einem Layout drastisch eine Flachheit einer Oberfläche der oberen Oberflächenelektrode verbessern.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, in dem die Zwischenlagenisolationsschicht ein gitterförmiges Layout hat, hat die Vielzahl der ersten Grabengates eine Abstandslänge in der zweiten Richtung und die Vielzahl der zweiten Grabengates hat eine Abstandslänge in der ersten Richtung, wobei eine der Abstandslängen gleich einer Abstandslänge der Vielzahl von Streifengräben in der zweiten Richtung sein kann und die andere der Abstandslängen größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben in der zweiten Richtung sein kann. In diesem Fall ist die Abstandslänge des Grabengatebauteils in dem IGBT-Bereich größer als die Abstandslänge des Grabenbauteils in dem Diodenbereich und die Vielzahl der Öffnungen der Zwischenlagenisolationsschicht kann ein sich wiederholendes Muster einer gemeinsamen Form über den ganzen Bereich des IGBT-Bereichs und des Diodenbereichs haben. Deswegen kann der umgekehrt leitende IGBT dieses Ausführungsbeispiels sowohl eine Verbesserung in der Charakteristik der IGBT-Struktur als auch ein Flachmachen einer Oberfläche der oberen Oberflächenelektrode erzielen.
  • In dem umgekehrt leitenden IGBT, in dem die Zwischenlagenisolationsschicht ein gitterförmiges Layout hat, können die Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates in der zweiten Richtung gleich der Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben in der zweiten Richtung sein, und die Abstandslänge der Vielzahl der zweiten Grabengates in der ersten Richtung kann größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben in der zweiten Richtung sein.
  • In diesem Fall ist die Abstandslänge des Grabengatebauteils in dem IGBT-Bereich größer als die Abstandslänge des Grabenbauteils in dem Diodenbereich und die Vielzahl der Öffnungen der Zwischenlagenisolationsschicht kann ein sich wiederholendes Muster einer gemeinsamen Form über dem gesamten Bereich des IGBT-Bereichs und des Diodenbereichs haben. Deswegen kann der umgekehrt leitende IGBT dieses Ausführungsbeispiels sowohl eine Verbesserung in der Charakteristik der IGBT-Struktur als auch ein Flachmachen einer Oberfläche der oberen Oberflächenelektrode erzielen.
  • Während spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung oben im Detail beschrieben wurden, sind diese Beispiele nur illustrativ und beschränken nicht den Bereich der Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie umfasst verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben beschriebenen spezifischen Beispielen. Die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen beschriebenen technischen Elemente stellen eine technische Nützlichkeit entweder unabhängig oder durch verschiedene Kombinationen bereit. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Kombinationen, die zur Zeit des Einreichens der Patentansprüche beschrieben wurden, beschränkt. Ferner ist es der Zweck der durch die vorliegende Beschreibung oder Zeichnungen illustrierten Beispiele, mehrere Ziele gleichzeitig zu erfüllen, und das Erfüllen von einem dieser Ziele gibt der vorliegenden Erfindung eine technische Nützlichkeit.
  • Ein umgekehrt leitender IGBT ist mit einem Grabengatebauteil, das in einem IGBT-Bereich bereitgestellt ist und ein gitterförmiges Layout hat, und mit einem Grabenbauteil, das in einem Diodenbereich bereitgestellt ist und ein streifenförmiges Layout hat, bereitgestellt. Der Diodenbereich des Halbleitersubstrats enthält einen Anodenbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Driftbereich eines zweiten Leifähigkeitstyps und einen Barrierenbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps. Der Barrierenbereich ist elektrisch mit einer oberen Oberflächenelektrode über ein Säulenbauteil verbunden, das sich von einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (9)

  1. Umgekehrt leitender IGBT (1, 2, 3, 4) mit: einem Halbleitersubstrat (10), das in einen IGBT-Bereich (14a), in dem eine IGBT-Struktur bereitgestellt ist, und einen Diodenbereich (14b), in dem eine Diodenstruktur bereitgestellt ist, eingeteilt ist; einer unteren Oberflächenelektrode (36), die in Kontakt mit einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) steht, wobei die untere Oberflächenelektrode (36) in Kontakt mit sowohl dem IGBT-Bereich (14a) als auch dem Diodenbereich (14b) des Halbleitersubstrats (10) steht; einer oberen Oberflächenelektrode (38), die in Kontakt mit einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) steht, wobei die obere Oberflächenelektrode (38) in Kontakt mit sowohl dem IGBT-Bereich (14a) als auch dem Diodenbereich (14b) des Halbleitersubstrats (10) steht; einem Grabengatebauteil (30), das in dem IGBT-Bereich (14a) des Halbleitersubstrats (10) bereitgestellt ist, das ein Gittermusterlayout hat, wenn es aus einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gesehen wird; und einem Grabenbauteil (40), das in dem Diodenbereich (14b) des Halbleitersubstrats (10) bereitgestellt ist, das ein Streifenmusterlayout hat, wenn es aus der Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) gesehen wird, wobei das Grabenbauteil (40) eine Vielzahl von Streifengräben (40A), die sich entlang einer ersten Richtung erstrecken, aufweist, der Diodenbereich (14b) des Halbleitersubstrats (10) aufweist: einen Anodenbereich (25) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der zwischen benachbarten Streifengräben (40A) bereitgestellt ist, an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) außen liegt, und in Kontakt mit der oberen Oberflächenelektrode (38) steht; einen Driftbereich (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der unter dem Anodenbereich (25) bereitgestellt ist; einen Barrierenbereich (24) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zwischen benachbarten Streifengräben (40A) bereitgestellt ist, zwischen dem Anodenbereich (25) und dem Driftbereich (23) bereitgestellt ist, und der eine Verunreinigungskonzentration hat, die höher als eine Verunreinigungskonzentration des Driftbereichs (23) ist, und elektrisch mit der oberen Oberflächenelektrode (38) über ein Säulenbauteil (26) verbunden ist, das sich von der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) erstreckt.
  2. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 1, wobei eine außenliegende Oberfläche des Säulenbauteils (26) an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) außen liegt und sich entlang der ersten Richtung erstreckt.
  3. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 1, wobei außenliegende Oberflächen des Säulenbauteils (26) an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) außen liegen und verteilt entlang der ersten Richtung angebracht sind.
  4. Umgekehrt leitender IGBT nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Grabengatebauteil (30) aufweist: eine Vielzahl von ersten Grabengates (30A), die sich entlang der ersten Richtung erstrecken; und eine Vielzahl von zweiten Grabengates (30B), die sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zwischen benachbarten ersten Grabengates (30A) erstrecken.
  5. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 4, wobei eine Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates (30A) in der zweiten Richtung größer als eine Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist, und eine Abstandslänge der Vielzahl der zweiten Grabengates (30B) in der ersten Richtung größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist.
  6. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 1, ferner mit: einer Zwischenlagenisolationsschicht (52), die zwischen der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) und der oberen Oberflächenelektrode (38) bereitgestellt ist, wobei eine Vielzahl von Öffnungen (52a, 152a, 252a) in der Zwischenlagenisolationsschicht (52) so gebildet ist, dass die obere Oberflächenelektrode (38) in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats (10) steht, wobei die Vielzahl von Öffnungen (52a, 152a, 252a) der Zwischenlagenisolationsschicht (52) Öffnungen (52a, 252a) enthält, die so verteilt sind, dass sie oberen Oberflächenabschnitten des Halbleitersubstrats (10) entsprechen, die jeweils durch das gittergemusterte Grabengatebauteil (30) umschlossen sind, und die Vielzahl von Öffnungen (52a, 152a, 252a) der Zwischenlagenisolationsschicht Öffnungen (52a, 252a) enthält, die in der ersten Richtung entsprechend einem oberen Oberflächenabschnitt des Halbleitersubstrats (10) zwischen benachbarten Streifengräben (40A) verteilt sind.
  7. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 6, wobei das Grabengatebauteil (30) aufweist: eine Vielzahl von ersten Grabengates (30A), die sich entlang der ersten Richtung erstrecken; und eine Vielzahl von zweiten Grabengates (30B), die sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zwischen benachbarten ersten Grabengates (30A) erstrecken, wobei eine Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates (30A) in der zweiten Richtung gleich einer Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist, und eine Abstandslänge der Vielzahl der zweiten Grabengates (30B) in der ersten Richtung gleich der Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist.
  8. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 6, wobei das Grabengatebauteil (30) aufweist: eine Vielzahl von ersten Grabengates (30A), die sich entlang der ersten Richtung erstrecken; und eine Vielzahl von zweiten Grabengates (30B), die sich entlang einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zwischen benachbarten ersten Grabengates (30A) erstrecken, wobei die Vielzahl der ersten Grabengates (30A) eine Abstandslänge in der zweiten Richtung hat und die Vielzahl der zweiten Grabengates (30B) eine Abstandslänge in der ersten Richtung hat, und eine der Abstandslängen gleich einer Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist und die andere der Abstandslängen größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist.
  9. Umgekehrt leitender IGBT nach Anspruch 8, wobei die Abstandslänge der Vielzahl der ersten Grabengates (30A) in der zweiten Richtung gleich der Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist, und die Abstandslänge der Vielzahl der zweiten Grabengates (30B) in der ersten Richtung größer als die Abstandslänge der Vielzahl der Streifengräben (40A) in der zweiten Richtung ist.
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