DE102018130095B4 - Halbleiterleistungsschalter mit verbesserter Steuerbarkeit - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiterschalter (1), der einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) umfasst, wobei der Halbleiterschalter (1) dazu konfiguriert ist, einen Laststrom entlang einer vertikalen Richtung (Z) zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, und Folgendes umfasst:- ein aktives Zellengebiet (1-2) mit einem Driftgebiet (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps;- ein Randabschlussgebiet (1-3) mit einem Wannengebiet (109) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) verbunden ist;- mehrere IGBT-Zellen (1-1), die innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) angeordnet sind, wobei jede der IGBT-Zellen (1-1) mehrere Gräben (14, 15, 16) umfasst, die sich entlang der vertikalen Richtung (Z) in das Driftgebiet (100) erstrecken und die mehrere Mesas (18, 19) lateral begrenzen; wobei die mehreren Gräben Folgendes beinhalten:- wenigstens einen Steuergraben (14) mit einer Steuerelektrode (141) zum Steuern des Laststroms;- wenigstens einen Dummy-Graben (15) mit einer Dummy-Elektrode (151), die elektrisch mit der Steuerelektrode (141) gekoppelt ist;- wenigstens einen weiteren Graben (14; 15) mit einer weiteren Grabenelektrode (141; 151), wobei der wenigstens eine weitere Graben (14) ein weiterer Steuergraben oder ein weiterer Dummy-Graben (15) ist; wobei die mehreren Mesas beinhalten Folgendes:- wenigstens eine aktive Mesa (18), die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) verbunden ist und dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten, wobei jeder der Reihe von Steuergräben (14), die in der jeweiligen IGBT-Zelle (1-1) enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa (18) angeordnet ist, wobei sich ein Teil des Driftgebiets (100) in die wenigstens eine aktive Mesa (18) erstreckt und ein Nettodotierungsstoffkonzentrationsprofil entlang der vertikalen Richtung (Z) aufweist, wobei die Nettodotierungsstoffkonzentration ein lokales Maximum (LMNET) innerhalb eines zentralen Teils der vertikalen Ausdehnung der wenigstens einen aktiven Mesa aufweist (18);- wenigstens eine inaktive Mesa (19), die angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben (15) angeordnet ist und nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) verbunden ist;- eine Quergrabenstruktur (1415), die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen (1-1) assoziiert ist, wobei die Quergrabenstruktur (1415) jeden des wenigstens einen Steuergrabens (14), des wenigstens einen Dummy-Grabens (15) und des wenigstens einen weiteren Grabens (14; 15) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) miteinander zusammenfügt, wobei die Quergrabenstruktur (1415) wenigstens teilweise mit den mehreren Gräben (14, 15, 16) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) entlang der vertikalen Richtung (Z) überlappt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Schrift verweist auf Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterschalters und auf Ausführungsformen eines Verfahrens zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterschalters. Insbesondere betrifft diese Schrift Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterschalters mit einer oder mehreren Leistungszellen, die jeweils wenigstens drei Gräben mit jeweiligen Grabenelektroden, z. B. zur dV/dt-Steuerbarkeit, umfassen, und entsprechende Verarbeitungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Automobil-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umwandeln elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer Elektromaschine, hängen von Leistungshalbleitervorrichtungen ab. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Dioden, um nur einige zu nennen, werden zum Beispiel für verschiedenste Anwendungen verwendet, einschließlich unter anderem für Schalter in Leistungsversorgungen und Leistungswandlern.
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung umfasst üblicherweise einen Halbleiterkörper, der dazu konfiguriert ist, einen Laststrom entlang eines Laststrompfads zwischen zwei Lastanschlüssen der Vorrichtung zu leiten. Ferner kann der Laststrompfad mittels einer isolierten Elektrode, die manchmal als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Steuerelektrode beim Empfangen eines entsprechenden Steuersignals, z. B. von einer Treibereinheit, die Leistungshalbleitervorrichtung in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand versetzen. In einem solchen Fall wird die Leistungshalbleitervorrichtung typischerweise als ein (Leistungshalbleiter-) Schalter bezeichnet.
  • In manchen Fällen kann die Gate-Elektrode innerhalb eines Grabens der Leistungshalbleitervorrichtung enthalten sein, wobei der Graben z. B. eine Streifenkonfiguration oder eine Nadelkonfiguration aufweisen kann.
  • Es ist üblicherweise wünschenswert, Verluste, z. B. Schaltverluste, des Leistungshalbleiterschalters gering zu halten. Zum Beispiel können niedrige Schaltverluste erreicht werden, indem kurze Schaltdauern, z. B. eine kurze Einschaltdauer und/oder eine kurze Ausschaltdauer, sichergestellt werden.
  • Andererseits kann es bei einer gegebenen Anwendung auch Anforderungen hinsichtlich einer maximalen Steigung der Spannung (dV/dt) und/oder einer maximalen Steigung des Laststroms (dl/dt), die während des oder nach dem Schaltvorgang auftreten können, geben.
  • Daher ist es wünschenswert, einen Leistungshalbleiterschalter bereitzustellen, der eine verbesserte Steuerung des Schaltvorgangs ermöglicht.
  • Die DE102018112344 A1 beschreibt eine Leistungshalbleitervorrichtung. Die Leistungshalbleitervorrichtung umfasst eine aktive Region, die konfiguriert ist, einen Laststrom zu leiten; eine inaktive Begrenzungsregion, die die aktive Region umgibt; einen Halbleiterkörper, der einen Teil jeder der aktiven Region und der inaktiven Begrenzungsregion bildet; einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss, wobei die aktive Region konfiguriert ist, den Laststrom zwischen dem ersten Lastanschluss und dem zweiten Lastanschluss zu leiten; mindestens eine Leistungszelle mit einer Vielzahl von Gräben, die sich in den Halbleiterkörper erstrecken und aneinander angrenzend entlang einer ersten lateralen Richtung angeordnet sind. Jeder der Gräben weist eine Streifenkonfiguration auf, die sich entlang einer zweiten lateralen Richtung in die aktive Region erstreckt. Die Gräben grenzen räumlich eine Vielzahl von Mesen ein. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Entkopplungsstruktur.
  • Die DE102017124871A1 beschreibt eine Leistungshalbleitervorrichtung. Die Leistungshalbleitervorrichtung umfasst einen aktiven Zellenbereich mit einem Driftbereich und IGBT-Zellen, die zumindest teilweise innerhalb des aktiven Zellenbereichs angeordnet sind. Jede IGBT-Zelle umfasst mindestens einen Graben, der sich in einer vertikalen Richtung in den Driftbereich erstreckt. Die Leistungshalbleitervorrichtung umfasst einen Randabschlussbereich, der den aktiven Zellbereich umgibt, und einen Übergangsbereich, der zwischen dem aktiven Zellbereich und dem Randabschlussbereich angeordnet ist. Der Übergangsbereich hat eine Breite entlang einer lateralen Richtung vom aktiven Zellenbereich zum Randabschlussbereich. Zumindest ein Teil der IGBT-Zellen ist innerhalb des Übergangsbereichs angeordnet bzw. erstreckt sich in diesen hinein. Ein elektrisch potentialfreier Barrierebereich jeder IGBT-Zelle ist innerhalb des aktiven Zellenbereichs angeordnet und in Kontakt mit mindestens einigen der Gräben der IGBT-Zellen. Der elektrisch potentialfreie Barrierebereich erstreckt sich nicht in den Übergangsbereich hinein
  • Die DE112015006812T5 beschreibt eine Leistungshalbleitervorrichtung, in der die aktiven Zellen mit mehreren Dummy-Gräben ausgestattet sind.
  • Kurzdarstellung
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Leistungshalbleiterschalter einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss. Der Leistungshalbleiterschalter ist dazu konfiguriert, einen Laststrom entlang einer vertikalen Richtung zwischen den Anschlüssen zu leiten. Der Leistungshalbleiterschalter umfasst ferner Folgendes: ein aktives Zellengebiet mit einem Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Randabschlussgebiet mit einem Wannengebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist; mehrere IGBT-Zellen, die innerhalb des aktiven Zellengebiets angeordnet sind, wobei jede der IGBT-Zellen mehrere Gräben umfasst, die sich entlang der vertikalen Richtung in das Driftgebiet erstrecken und die mehrere Mesas lateral begrenzen. Die mehreren Gräben beinhalten Folgendes: wenigstens einen Steuergraben mit einer Steuerelektrode zum Steuern des Laststroms; wenigstens einen Dummy-Graben mit einer Dummy-Elektrode, die elektrisch mit der Steuerelektrode gekoppelt ist; wenigstens eine weiteren Graben mit einer weiteren Grabenelektrode, wobei der wenigstens eine weitere Graben ein weiterer Steuergraben oder ein weiterer Dummy-Graben ist. Die mehreren Mesas beinhalten Folgendes: wenigstens eine aktive Mesa, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss innerhalb des aktiven Zellengebiets verbunden ist und dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten, wobei jeder der Reihe von Steuergräben, die in der jeweiligen IGBT-Zelle enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa angeordnet ist; wenigstens eine inaktive Mesa, die angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben angeordnet ist und nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist. Der Leistungshalbleiterschalter umfasst ferner eine Kreuzungsgrabenstruktur, die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen assoziiert ist, wobei die Kreuzungsgrabenstruktur jeden des wenigstens einen Steuergrabens, des wenigstens einen Dummy-Grabens und des wenigstens einen weiteren Grabens der wenigstens einen IGBT-Zelle miteinander zusammenfügt, wobei die Kreuzungsgrabenstruktur wenigstens teilweise mit den mehreren Gräben der wenigstens einen IGBT-Zelle entlang der vertikalen Richtung überlappt.
  • Zum Beispiel erstreckt sich ein Teil des Driftgebiets in die wenigstens eine aktive Mesa und weist ein Nettodotierungsstoffkonzentrationsprofil entlang der vertikalen Richtung auf, wobei die Nettodotierungsstoffkonzentration ein lokales Maximum innerhalb eines zentralen Teils der vertikalen Ausdehnung der wenigstens einen aktiven Mesa aufweist. Die Nettodotierungsstoffkonzentration kann die Dotierungsstoffkonzentration der ersten Leitfähigkeit minus die Dotierungsstoffkonzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps sein. Der zentrale Teil der wenigstens einen aktiven Mesa kann der Teil sein, der von der Mesaoberseite und der Mesaunterseite um jeweils wenigstens 10 % oder wenigstens 20 % der gesamten vertikalen Mesaausdehnung versetzt ist. Das lokale Maximum kann mittels der Nettodotierungsstoffkonzentration gebildet werden, die sich um wenigstens einen Faktor von Zwei entlang der vertikalen Richtung ändert.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren präsentiert. Das Verfahren umfasst Verarbeiten eines Leistungshalbleiterschalters. Der verarbeitete Leistungshalbleiterschalter umfasst einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss. Der verarbeitete Leistungshalbleiterschalter ist dazu konfiguriert, einen Laststrom entlang einer vertikalen Richtung zwischen den Anschlüssen zu leiten. Das Verarbeiten des Leistungshalbleiterschalters umfasst Bilden von Folgendem: ein aktives Zellengebiet mit einem Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Randabschlussgebiet mit einem Wannengebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss zu verbinden ist; mehrere IGBT-Zellen, die innerhalb des aktiven Zellengebiets angeordnet sind, wobei jede der IGBT-Zellen mehrere Gräben umfasst, die sich entlang der vertikalen Richtung in das Driftgebiet erstrecken und die mehrere Mesas lateral begrenzen. Die mehreren Gräben beinhalten Folgendes: wenigstens einen Steuergraben mit einer Steuerelektrode zum Steuern des Laststroms; wenigstens einen Dummy-Graben mit einer Dummy-Elektrode, die elektrisch mit der Steuerelektrode zu koppeln ist; wenigstens einen weiteren Graben mit einer weiteren Grabenelektrode, wobei der wenigstens eine weitere Graben ein weiterer Steuergraben und ein weiterer Dummy-Graben ist. Die mehreren Mesas beinhalten Folgendes: wenigstens eine aktive Mesa, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss innerhalb des aktiven Zellengebiets zu verbinden ist und dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten, wobei jeder der Reihe von Steuergräben, die in der jeweiligen IGBT-Zelle enthalten sind, angrenzend als nicht mehr als eine aktive Mesa angeordnet ist; wenigstens eine inaktive Mesa, die angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben angeordnet ist und nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss zu verbinden ist. Das Verarbeiten des Leistungshalbleiterschalter umfasst ferner Bilden einer Kreuzungsgrabenstruktur, die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen assoziiert ist, wobei die Kreuzungsgrabenstruktur jeden des wenigstens einen Steuergrabens, des wenigstens einen Dummy-Grabens und des wenigstens einen weiteren Grabens der wenigstens einen IGBT-Zelle miteinander zusammenfügt, wobei die Kreuzungsgrabenstruktur wenigstens teilweise mit den mehreren Gräben der wenigstens einen IGBT-Zelle entlang der vertikalen Richtung überlappt.
  • Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden für einen Fachmann bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird Wert auf veranschaulichende Prinzipien der Erfindung gelegt. Zudem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen gilt:
    • 1 veranschaulicht einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 2-4 veranschaulichen jeweils einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 5A-Bveranschaulichen Verläufe von Dotierungsstoffkonzentrationen entlang der vertikalen Richtung in einem Leistungshalbleiterschalter gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 6 veranschaulicht einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 7 veranschaulicht Abschnitte einer jeweiligen horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 8A-Dveranschaulichen jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 9 veranschaulicht einen Abschnitt einer perspektivischen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 10-11 veranschaulichen beide einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 12-19 veranschaulichen jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 20 veranschaulicht einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 21A-D veranschaulichen jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 22A-C veranschaulichen jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 23A-C veranschaulichen jeweils einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 24 veranschaulicht einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft;
    • 25A-B veranschaulichen beide einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts und einen entsprechenden Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft; und
    • 26-29 veranschaulichen jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen spezielle Ausführungsformen als Veranschaulichung gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann.
  • In dieser Hinsicht kann Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „unterhalb“, „vor“, „hinter“, „rück“, „führend“, „folgend“, „oberhalb“ usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet werden. Weil Teile von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Der Begriff „horizontal“, wie er in dieser Schrift verwendet wird, soll eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder einer Halbleiterstruktur beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Halbleiterwafers oder eines Die oder eines Chips sein. Sowohl die unten erwähnte erste laterale Richtung X als auch die unten erwähnte zweite laterale Richtung Y können zum Beispiel horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y senkrecht zueinander sein können.
  • Der Ausdruck „vertikal“, wie in dieser Schrift verwendet, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Oberfläche ausgerichtet ist, d. h. parallel zu der Normalenrichtung der Oberfläche des Halbleiterwafers/-chips/-Die. Die unten erwähnte vertikale Richtung Z kann zum Beispiel eine Ausdehnungsrichtung sein, die sowohl zu der ersten lateralen Richtung X als auch zu der zweiten lateralen Richtung Y senkrecht ist.
  • In dieser Schrift wird n-dotiert als „erster Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet, während p-dotiert als „zweiter Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet wird. Alternativ dazu können umgekehrte Dotierungsbeziehungen eingesetzt werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
  • Im Kontext der vorliegenden Schrift sollen die Ausdrücke „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Strompfad zwischen zwei Gebieten, Abschnitten, Zonen, Anteilen oder Teilen einer Halbleitervorrichtung oder zwischen verschiedenen Anschlüssen einer oder mehrerer Vorrichtungen oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Anteil oder einem Teil einer Halbleitervorrichtung vorliegt. Ferner soll der Ausdruck „in Kontakt“ in dem Zusammenhang der vorliegenden Schrift beschreiben, dass eine direkte physische Verbindung zwischen zwei Elementen der entsprechenden Halbleitervorrichtung vorliegt; z. B. beinhaltet ein Übergang zwischen zwei miteinander in Kontakt stehenden Elementen möglicherweise kein weiteres Zwischenelement oder dergleichen.
  • Außerdem wird in dem Kontext der vorliegenden Schrift der Ausdruck „elektrische Isolation“ im Kontext seines allgemein gültigen Verständnisses, falls nicht anderweitig angegeben, verwendet und soll somit beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten getrennt voneinander positioniert sind und dass es keine ohmsche Verbindung gibt, die diese Komponenten verbindet. Jedoch können Komponenten, die elektrisch voneinander isoliert sind, trotzdem miteinander gekoppelt, beispielsweise mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt, sein. Um ein Beispiel anzuführen, können zwei Elektroden eines Kondensators elektrisch voneinander isoliert sein und können gleichzeitig mechanisch und kapazitiv miteinander gekoppelt sein, z. B. mittels einer Isolierung, z. B. eines Dielektrikums.
  • Spezielle in dieser Schrift beschriebene Ausführungsformen betreffen, ohne sich darauf zu beschränken, eine Leistungshalbleitervorrichtung, insbesondere einen Leistungshalbleiterschalter, wie etwa einen IGBT, der z. B. eine Streifenzellen- oder zellulare Zellenkonfiguration aufweist, z. B. einen IGBT, die innerhalb eines Leistungswandlers oder einer Leistungsversorgung verwendet werden kann. Dementsprechend kann ein solcher IGBT bei einer Ausführungsform dazu konfiguriert sein, einen Laststrom zu führen, der jeweils einer Last zugeführt werden soll und/oder der entsprechend von einer Stromversorgung bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann der IGBT eine oder mehrere aktive Leistungshalbleiterzellen umfassen, wie etwa eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte RC-IGBT-Zelle. Solche Transistorzellen können in einem Leistungshalbleitermodul integriert sein. Mehrere solcher Zellen können ein Zellenfeld darstellen, das mit einem aktiven Zellengebiet des IGBT angeordnet ist.
  • Der Ausdruck „Leistungshalbleitervorrichtung“, wie er in dieser Schrift verwendet wird, soll eine Halbleitervorrichtung auf einem einzigen Chip mit hohen Spannungssperr- und/oder hohen Stromführungsfähigkeiten beschreiben. Mit anderen Worten ist eine solche Leistungshalbleitervorrichtung (z. B. ein IGBT) für einen starken Strom, typischerweise im Ampere-Bereich, z. B. von bis zu mehreren zehn oder hundert Ampere, und/oder für hohe Spannungen, typischerweise oberhalb von 15 V, typischer 100 V und darüber, z. B. wenigstens 6500 V, gedacht.
  • Zum Beispiel kann die unten beschriebene Leistungshalbleitervorrichtung ein IGBT oder ein anderer Leistungshalbleiterschalter sein, der eine Streifengrabenzellenkonfiguration oder eine zellulare Grabenzellenkonfiguration aufweist und die dazu konfiguriert sein kann, als eine Leistungskomponente in einer Anwendung mit niedriger, mittlerer und/oder hoher Spannung eingesetzt zu werden.
  • Zum Beispiel bezieht sich der Ausdruck „Leistungshalbleiter-Vorrichtung“, wie in dieser Schrift verwendet, nicht auf logische Halbleitervorrichtungen, die z. B. zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder für andere Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
  • 1 veranschaulicht einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. 2 veranschaulicht einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterschalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft. Im Folgenden wird auf jede der 1 und 2 Bezug genommen.
  • Der Leistungshalbleiterschalter 1 kann zum Beispiel ein IGBT bzw. ein Leistungshalbleiterschalter sein, der eine Konfiguration aufweist, die auf einer IGBT-Konfiguration basiert, wie etwa ein rückwärtsleitender (RC: Reverse Conducting) IGBT. im Folgenden wird der Leistungshalbleiterschalter 1 einfach als „Schalter 1“ bezeichnet.
  • Zum Beispiel umfasst der Halbleiterschalter 1 einen Halbleiterkörper 10, der mit einem ersten Lastanschluss 11 und einem zweiten Lastanschluss 12 gekoppelt ist. Zum Beispiel ist der erste Lastanschluss 11 ein Emitteranschluss, wohingegen der zweite Lastanschluss 12 ein Kollektoranschluss sein kann. Der Leistungshalbleiterschalter 1 ist dazu konfiguriert, einen Laststrom entlang der vertikalen Richtung Z zwischen den Anschlüssen 11, 12 zu leiten.
  • Der Halbleiterkörper 10 kann ein Driftgebiet 100 des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen. Das Driftgebiet 100 kann n-dotiert sein. Bei einer Ausführungsform weist das Driftgebiet 100 eine (elektrisch aktivierte) Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 2*1012cm-3 bis 4*1014 cm-3 auf. Zum Beispiel sind die Ausdehnung des Driftgebiets 100 entlang der vertikalen Richtung Z und seine Dotierungsstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Nennsperrspannung gewählt, für die der Leistungshalbleiterschalter 1 gestaltet werden soll, wie es einem Fachmann bekannt ist. Innerhalb der vorliegenden Schrift soll der Ausdruck „Driftgebiet“ ein solches Gebiet eines Leistungshalbleiterschalters (z. B. eines IGBT) beschreiben, das ein Fachmann typischerweise als ein Driftgebiet bzw. eine Driftzone bezeichnet.
  • Ferner kann der erste Lastanschluss 11 auf der Vorderseite des Leistungshalbleiterschalters 1 angeordnet sein und kann eine Vorderseitenmetallisierung beinhalten. Der zweite Lastanschluss 12 kann, gegenüber zu der Vorderseite, z. B. auf der Rückseite des Leistungshalbleiterschalters 1 angeordnet sein und kann zum Beispiel eine Rückseitenmetallisierung beinhalten. Entsprechend kann der Leistungshalbleiterschalter 1 eine vertikale Konfiguration aufweisen und kann der Laststrom entlang der vertikalen Richtung Z geleitet werden. Bei anderen Ausführungsformen können der erste Lastanschluss 11 als und der zweite Lastanschluss 12 beide auf einer gemeinsamen Seite, z. B. beide auf der Vorderseite, des Leistungshalbleiterschalters 1 angeordnet sein.
  • Nun unter ausführlicher Bezugnahme auf 1 kann der Leistungshalbleiterschalter 1 ferner ein aktives Zellengebiet 1-2, ein Randabschlussgebiet 1-3 und einen Chiprand 1-4 beinhalten. Das Randabschlussgebiet 1-3 kann das aktive Zellengebiet 1-2 umgeben. Ein Übergangsgebiet 1-5 kann zwischen dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Randabschlussgebiet 1-3 angeordnet sein. Zum Beispiel umgibt das Randabschlussgebiet 1-5 das aktive Zellengebiet 1-2. Das Übergangsgebiet 1-5 kann von dem Randabschlussgebiet 1-3 umgeben sein.
  • Bei einer Ausführungsform besteht der Halbleiterkörper 10 im Wesentlichen aus dem Randabschlussgebiet 1-3, dem Übergangsgebiet 1-5 und dem aktiven Zellengebiet 1-2,
  • Zum Beispiel erstreckt sich jedes des Randabschlussgebiets 1-3, des Übergangsgebiets 1-5 und des aktiven Zellengebiets 1-2 von der Vorderseite des Leistungshalbleiterschalters 1 entlang der vertikalen Richtung Z vollständig durch den Halbleiterkörper 10 zu der Rückseite des Leistungshalbleiterschalters 1. Jedes des Randabschlussgebiets 1-3, des Übergangsgebiets 1-5 und des aktiven Zellengebiets 1-2 beinhaltet möglicherweise nicht nur Komponenten des Halbleiterkörpers 10, sondern auch Komponenten außerhalb von diesem, z. B. Komponenten des ersten Lastanschlusses 11 und/oder des zweiten Lastanschlusses 12.
  • Ferner gibt es bei einem Beispiel entlang lateraler Richtungen keine Überlappung zwischen dem Randabschlussgebiet 1-3, dem Übergangsgebiet 1-5 und dem aktiven Zellengebiet 1-2 innerhalb des Halbleiterkörpers 10. Dementsprechend kann das aktive Zellengebiet 1-2 vollständig von dem Übergangsgebiet 1-5 umgeben sein, und es gibt innerhalb des Halbleiterkörpers 10 keine laterale Überlappung zwischen dem Übergangsgebiet 1-5 und dem aktiven Zellengebiet 1-2, z. B. entlang der ersten lateralen Richtung X, der zweiten lateralen Richtung Y und Linearkombinationen von diesen. Analog dazu kann das Übergangsgebiet 1-5 vollständig von dem Randabschlussgebiet 1-3 umgeben sein, und es gibt innerhalb des Halbleiterkörpers 10 keine laterale Überlappung zwischen dem Übergangsgebiet 1-5 und dem Randabschlussgebiet 1-3, z. B. entlang der ersten lateralen Richtung X, der zweiten lateralen Richtung Y und Linearkombinationen von diesen.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Übergangsgebiet 1-5 eine Breite W entlang einer lateralen Richtung von dem aktiven Zellengebiet 1-2 zu dem Randabschlussgebiet 1-3 (z. B. in/entgegen der ersten lateralen Richtung X und in/entgegen der zweiten lateralen Richtung Y und/oder Linearkombinationen dieser lateralen Richtungen) von wenigstens 1 µm auf. Die Breite W des Übergangsgebiets 1-5 kann daher der Abstand zwischen dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Randabschlussgebiet 1-3 sein. Diese (minimale) Breite W kann entlang des gesamten Umfangs des Übergangsgebiets 1-5 vorhanden sein. Die Breite des Übergangsgebiets 1-5 kann größer als 1 µm, z. B. größer als 3 µm, größer als 5 µm, größer als 7 µm oder sogar größer als 10 µm sein. Ferner sind beispielhafte Merkmale des Übergangsgebiets 1-5 und das Randabschlussgebiet 1-5 unten beschrieben. Entlang der Breite W kann ein Teil des Driftgebiets 100 vorhanden sein.
  • Der Chiprand 1-4 kann den Halbleiterkörper 10 lateral abschließen, z. B. kann der Chiprand 1-4 zum Beispiel durch Waferzerteilen entstehen und kann sich entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken. Das Randabschlussgebiet 1-3 kann zwischen dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Chiprand 1-4 angeordnet sein, wie in 1 veranschaulicht ist.
  • Bei der vorliegenden Schrift werden die Begriffe „aktives Zellengebiet“ und „Randabschlussgebiet“ auf eine herkömmliche Weise genutzt, d. h. das aktive Zellengebiet 1-2 und das Randabschlussgebiet 1-3 können dazu konfiguriert sein, die technischen Hauptfunktionalitäten bereitzustellen, die ein Fachmann typischerweise damit assoziiert.
  • Zum Beispiel ist das aktive Zellengebiet 1-2 des Leistungshalbleiterschalters 1 dazu konfiguriert, den Hauptteil des Laststroms zwischen den Anschlüssen 11, 12 zu leiten, wohingegen das Randabschlussgebiet 1-3 den Laststrom nicht leitet, sondern gemäß einer Ausführungsform vielmehr Funktionen hinsichtlich des Verlaufs des elektrischen Feldes erfüllt, die Sperrfähigkeit sicherstellt, das aktive Zellengebiet 1-2 und das Übergangsgebiet 1-5 sicher abschließt und so weiter.
  • Der Leistungshalbleiterschalter 1 umfasst mehrere IGBT-Zellen 1-1, wobei die mehreren IGBT-Zellen 1-1 hauptsächlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet sind. Zum Beispiel sind die meisten der mehreren IGBT-Zellen 1-1 des Leistungshalbleiterschalters 1 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet. Die Anzahl an IGBT-Zellen 1-1 kann größer als 100, als 1000 oder sogar größer als 10.000 sein. Zum Beispiel sind wenigstens 85 %, wenigstens 95 % oder wenigstens 98 % der gesamten Anzahl an IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet. Bei einer Ausführungsform sind die verbleibenden IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet. Manche der IGBT-Zellen 1-1 können vollständig innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet sein, andere können mit beiden innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet sein und sich mittels ihrer jeweiligen lateralen Enden in das Übergangsgebiet hinein erstrecken, wie schematisch in 1 veranschaulicht ist.
  • Bei einer Ausführungsform erstreckt sich jede IGBT-Zelle 1-1 wenigstens teilweise in das Übergangsgebiet 1-5, wie in 1 schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist.
  • Dementsprechend sind zum Beispiel manche der IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet bzw. erstrecken sich in das Übergangsgebiet 1-5 hinein, wie in 1 schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist. In dieser Hinsicht kann das Übergangsgebiet 1-5 auch als eine Form eines aktiven Gebiets des Leistungshalbleiterschalters 1 verstanden werden. Zum Beispiel kann das Übergangsgebiet 1-5 mittels des Anteils der Gesamtanzahl an IGBT-Zellen 1-1, die innerhalb des Übergangsgebiet 1-5 angeordnet sind oder sich in das Übergangsgebiet 1-5 hinein erstrecken, auch dazu konfiguriert sein, einen Teil des Laststroms zu leiten.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die IGBT-Zellen 1-1 nicht innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 angeordnet. Jedoch können innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 speziell konfigurierte Ladungsträgerabflusszellen enthalten sein, die einen Abfluss von Ladungsträgern, z. B. kurz vor einem und/oder während eines Ausschaltvorgangs, unterstützen.
  • Jede IGBT-Zelle 1-1 kann eine Streifenkonfiguration aufweisen, wie schematisch in 1 veranschaulicht ist, wobei die gesamte laterale Ausdehnung in einer lateralen Richtung, z. B. entlang der zweiten lateralen Richtung Y, jeder IGBT-Zelle 1-1 und ihrer Komponenten im Wesentlichen der gesamten Ausdehnung des aktiven Zellengebiets 1-2 entlang dieser lateralen Richtung entsprechen kann bzw. diese geringfügig überschreiten kann.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann jede IGBT-Zelle 14 eine zellulare Konfiguration aufweisen, wobei die lateralen Ausdehnungen jeder IGBT-Zelle 1-1 im Wesentlichen kleiner als die gesamten lateralen Ausdehnungen des aktiven Zellengebiets 1-2 sein können.
  • Jedoch betreffen hier beschriebenen Ausführungsformen vielmehr IGBT-Zellen 1-1, die auf einer Streifenkonfiguration mit Bezug auf die zweite laterale Richtung Y basieren, wie in den meisten der Zeichnungen beispielhaft und schematisch veranschaulicht ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist jede der mehreren IGBT-Zellen 1-1, die in dem aktiven Zellengebiet 1-2 enthalten sind, den gleichen Aufbau auf. Als eine Einführung wird nun ein partieller Abschnitt eines beispielhaften IGBT-Zellenaufbaus unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • Die Konfiguration der IGBT-Zellen 1-1, die innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 enthalten sein können, kann identisch zu der Konfiguration der IGBT-Zellen 1-1 sein, die in dem aktiven Zellengebiet 1-2 enthalten sind. Zusätzlich oder alternativ dazu beinhaltet das Übergangsgebiet 1-5 IGBT-Zellen, die im Vergleich zu den IGBT-Zellen 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 eine unterschiedliche Konfiguration, z. B. bezüglich des MPT-Kontaktierungsschemas/der Nachbarschaftsbeziehung (siehe ausführliche Erklärungen unten), aufweisen.
  • Jede IGBT-Zelle 1-1 umfasst drei oder mehr Gräben, die sich entlang der vertikalen Richtung Z in das Driftgebiet 100 hinein erstrecken und die mehrere Mesas 18, 19 lateral begrenzen, wobei der partielle Abschnitt aus 2 nur zwei Gräben zeigt. Jede IGBT-Zelle 1-1 kann sich wenigstens teilweise in den Halbleiterkörper 10 hinein erstrecken und wenigstens einen Abschnitt des Driftgebiets 100 umfassen. Ferner kann jede IGBT-Zelle 1-1 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein, um die Laststrombelastbarkeit zu ermöglichen. Jede IGBT-Zelle 1-1 kann dazu konfiguriert sein, einen Teil des Laststroms zwischen den Anschlüssen 11 und 12 zu leiten und eine Sperrspannung zu sperren, die zwischen den Anschlüssen 11 und 12 angelegt wird.
  • Zum Steuern des Leistungshalbleiterschalters 1 kann jede IGBT-Zelle 1-1 mit einer Steuerelektrode 141 ausgestattet sein, die in einem Steuergraben 14 der drei oder mehr Gräben enthalten ist, wobei die Steuerelektrode 141 dazu konfiguriert ist, die jeweilige IGBT-Zelle 1-1 selektiv in den leitenden Zustand oder den sperrenden Zustand zu setzen.
  • Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf das in 2 veranschaulichte Beispiel ein Source-Gebiet 101 des ersten Leitfähigkeitstyps elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein. Das Source-Gebiet 101 kann z. B. mit einer erheblich größeren Dotierungsstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 n-dotiert sein.
  • Ferner kann ein Körpergebiet 102 des zweiten Leitfähigkeitstyps das Source-Gebiet 101 und das Driftgebiet 100 separieren, z. B. kann das Körpergebiet 102 das Source-Gebiet 101 von dem Driftgebiet 100 isolieren, wie es einem Fachmann bekannt ist, der mit den allgemeinen Prinzipien von IGBT-Konfigurationen vertraut ist. Das Körpergebiet 102 kann mit z. B. einer elektrisch aktivierten Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 1*1015cm-3 bis 5*1018 cm3 p-dotiert sein. Ein Übergang zwischen dem Körpergebiet 102 und dem Driftgebiet 100 kann einen ersten pn-Übergang 1021 bilden.
  • Zum Verbinden des Source-Gebiets 101 mit dem ersten Lastanschluss 11 können sich erste Kontaktstopfen 113 von dem ersten Lastanschluss 11 entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken, sodass sie sowohl das Source-Gebiet 101 als auch das Körpergebiet 102 kontaktieren. Anstelle der ersten Kontaktstopfen 113 können bei anderen Ausführungsformen auch flache Kontakte zum Verbinden des Source-Gebiets 101 und/oder des Körpergebiet 102 mit dem ersten Lastanschluss 11 eingesetzt werden Im Gegensatz zu Kontaktstopfen erstrecken sich solche flache Kontakte nicht wesentlich in den Halbleiterkörper 10, sondern enden stattdessen näherungsweise bei der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10. Mit anderen Worten können die Kontaktstopfen 113 als Kontaktlochgräben gebildet sein, die sich in den Halbleiterkörper 10 hinein erstrecken, wie 2 veranschaulicht ist. Alternativ dazu erstrecken sich die Kontaktstopfen 113 möglicherweise nicht wesentlich in den Halbleiterkörper 10 hinein, sondern enden stattdessen näherungsweise bei der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 10, wie einem Fachmann bekannt ist.
  • Das Driftgebiet 100 kann sich entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken, bis es an ein dotiertes Kontaktgebiet 108 angrenzt, das in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist. Der Abschnitt des Driftgebiets 100, der zwischen dem (optionalen) Gebiet 105 (unten ausführlicher erklärt) und dem dotierten Kontaktgebiet 108 angeordnet ist, kann den Hauptteil des Driftgebiets 100 bilden und wird im Folgenden als der untere Driftgebietabschnitt 100-2 bezeichnet. Bei einer Ausführungsform nimmt die Dotierungsstoffkonzentration des Driftgebiets 100 in einem Abschnitt des Driftgebiets 100 zu, der die Grenzfläche zu dem dotierten Kontaktgebiet 108 bildet, sodass z. B. ein Feldstoppgebiet des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, wie einem Fachmann bekannt ist (vergleiche Feldstoppgebiet 107 in 23A-B).
  • Das dotierte Kontaktgebiet 108 kann gemäß der Konfiguration des Leistungshalbleiterschalters 1 gebildet werden; z. B. kann das dotierte Kontaktgebiet 108 ein Emittergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, z. B. ein p-Typ-Emitter, sein. Zum Bilden eines RC-IGBT kann das dotierte Kontaktgebiet 108 durch ein Emittergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps dargestellt werden, das durch kleine Abschnitte des ersten Leitfähigkeitstyps unterbrochen ist, die ebenfalls elektrisch mit dem zweiten Lastanschluss 12 verbunden sind und die üblicherweise als „n-Kurzschlüsse“ bezeichnet werden.
  • Zum Beispiel beinhalten die drei oder mehr Gräben, die in jeder IGBT-Zelle 1-1 enthalten sind, wenigstens einen Steuergraben 14 mit der Steuergrabenelektrode 141 und wenigstens einen Dummy-Graben 15 mit einer Dummy-Grabenelektrode 151, wobei sich jeder der Gräben 14, 15 entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 10 hinein erstrecken und einen Isolator 142, 152 beinhalten kann, der die jeweilige Elektrode 141, 151 von dem Halbleiterkörper 10 isoliert.
  • Die Grabenelektroden 141, 151 des wenigstens einen Steuergrabens 14 und wenigstens einen Dummy-Grabens 15 können gemäß einer Ausführungsform beide elektrisch mit einem Steueranschluss 13 das Leistungshalbleiterschalters 1 gekoppelt sein. Daher kann die Dummy-Grabenelektrode 151 elektrisch mit der Steuergrabenelektrode 141 gekoppelt sein. Zum Beispiel ist die Dummy-Grabenelektrode 151 elektrisch mit der Steuergrabenelektrode 141 gekoppelt. Oder die Dummy-Grabenelektrode ist mittels einer ohmschen Verbindung mit einem (im Vergleich zu der niederohmsche Verbindung) erhöhten ohmschen Widerstands elektrisch mit der Steuergrabenelektrode 141 gekoppelt.
  • Obwohl 2 exemplarisch veranschaulicht, dass der Dummy-Graben 15 angrenzend an den Steuergraben 14 angeordnet ist, versteht es sich, dass die IGBT-Zelle 1-1 einen oder mehrere andere Gräben eines Typs umfassen kann, der von dem Steuergrabentyp und dem Dummy-Grabentyp verschieden ist, und dass dieser wenigstens eine andere Graben angrenzend an den Steuergraben 14 angeordnet sein kann. Zum Beispiel kann der wenigstens eine andere Graben ein Source-Graben (Bezugsziffer 16 in anderen Zeichnungen) sein, dessen Grabenelektrode (Bezugsziffer 161 in anderen Zeichnung) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist. Dies wird unten ausführlicher erklärt.
  • Zum Beispiel ist der Steueranschluss 13 ein Gate-Anschluss. Ferner kann der Steueranschluss 13 elektrisch mit der Steuergrabenelektrode 141 verbunden sein und mittels wenigstens einer Isolationsstruktur 132 elektrisch von dem ersten Lastanschluss 11, dem zweiten Lastanschluss 12 und dem Halbleiterkörper 10 isoliert sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Leistungshalbleiterschalter 1 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und dem Steueranschluss 13 gesteuert werden, sodass z. B. der Leistungshalbleiterschalter 1 selektiv in den leitenden Zustand oder den sperrenden Zustand gesetzt wird.
  • Zum Beispiel ist der Leistungshalbleiterschalter 1 so konfiguriert, dass er basierend auf einer Gate-Emitter-Spannung VGE zum Beispiel auf eine grundsätzliche Art des Steuerns eines IGBT, die einem Fachmann bekannt ist, gesteuert wird.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Dummy-Grabenelektrode 151 elektrisch mit dem Steueranschluss 13 verbunden sein und somit das gleiche Steuersignal wie die Steuergrabenelektrode 141 empfangen. Bei einer Ausführungsform kann die Dummy-Grabenelektrode 151 mittels eines Widerstands in einem Widerstandswert innerhalb des Bereichs von 1 mΩ bis 1 Ω, innerhalb des Bereichs von 1 Ω bis 10 Ω oder innerhalb des Bereichs von 10 Ω bis 100 Ω elektrisch mit dem Steueranschluss 13 gekoppelt sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Dummy-Grabenelektrode 151 elektrisch mit einem (nicht veranschaulichten) zweiten Steueranschluss verbunden und empfängt dementsprechend ein Steuersignal, verschieden von der Steuergrabenelektrode 141. Ferner ist anzumerken, dass die Steuergrabenelektroden 141 aller IGBT-Zellen bei einer Ausführungsform nicht notwendigerweise mit ein und demselben Steueranschluss 13 verbunden sind. Vielmehr kann ein (nicht veranschaulichter) zweiter Steueranschluss bereitgestellt werden und ist eine erste Teilmenge der Steuergrabenelektroden 141 elektrisch mit dem Steueranschuss 13 verbunden und ist eine zweite Teilmenge der Steuergrabenelektroden 141 elektrisch mit dem weiteren Steueranschluss verbunden. Dies ermöglicht das Betreiben des Schalters 1 mit zwei unterschiedlichen Steuerspannungen, was die Möglichkeit bieten kann, eine frühe Entsättigung des Schalters 1, z. B. in dem Fall einer starken Ladungsträgereingrenzung, zu bewirken. Zum Beispiel unter Bezugnahme auf 1, beginnend mit der ersten IGBT-Zelle 1-1 in dem aktiven Zellengebiet 1-2, gehört jede zweite IGBT-Zelle 1-1 entlang der ersten lateralen Richtung X zu der ersten Teilmenge und, beginnend mit der zweiten IGBT-Zelle 1-1 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 (angrenzend an die erste IGBT-Zelle 1-1), gehört jede zweite IGBT-Zelle 1-1 entlang der ersten lateralen Richtung X zu der zweiten Teilmenge.
  • Ferner kann jede IGBT-Zelle 1-1 des Leistungshalbleiterschalters 1 wenigstens eine aktive Mesa 18 aufweisen, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 verbunden ist, wobei die aktive Mesa 18 das Sourcegebiet 101, das Körpergebiet 102 und einen Teil des Driftgebiets 100 umfasst, wobei in der aktiven Mesa 18 jeweilige Abschnitte dieser Gebiete 101, 102, 100 angrenzend an eine Seitenwand 144 des Steuergrabens 14 angeordnet sein können, wie beispielhaft in 2 veranschaulicht ist. Zum Beispiel sind sowohl das Source-Gebiet 101 als auch das Körpergebiet 102 z. B. mittels des ersten Kontaktstopfens 113 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden.
  • Bei einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterschalters 1 ist das dotierte Kontaktgebiet 108 ein p-Typ-Emitter und kann die aktive Mesa 18 den p-Typ-Emitter 108 lateral vollständig überlappen.
  • Ferner kann die Steuergrabenelektrode 141 (nachfolgend auch als Steuerelektrode 141 bezeichnet) dazu konfiguriert sein, ein Steuersignal von dem Steueranschluss 13 zu empfangen und den Laststrom in der aktiven Mesa 18 zu steuern, z. B. indem ein Inversionskanal in dem Körpergebiet 102 induziert wird, sodass der Leistungshalbleiterschalter 1 in den leitenden Zustand gesetzt wird. Dementsprechend kann ein Übergang 181 zwischen dem ersten Lastanschluss 11 der aktive Mesa 18 eine Grenzfläche dafür bereitstellen, dass der Laststrom von dem ersten Lastanschluss 11 an den Halbleiterkörper 10 und/oder umgekehrt weitergeht.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Inversionskanal in der Mesa 18 induziert werden, sobald eine Inversionskanalschwellenspannung, z. B. innerhalb der jeweiligen aktiven Mesa 18, überschritten wird. Zum Beispiel hängt die Inversionskanalschwellenspannung von einer Austrittsarbeit der Steuerelektrode 141, der Dotierungsstoffkonzentration des Source-Gebiets 101, der Dotierungsstoffkonzentration des Körpergebiets 102, der relevanten Dicke des Grabenisolators 142 und/oder der dielektrischen Konstante des Grabenisolators 142 ab.
  • Bei einer Ausführungsform sind alle aktiven Mesas 18 des Leistungshalbleiterschalters 1 mit der gleichen Inversionskanalschwellenspannung konfiguriert.
  • Zum Beispiel können die Steuerelektroden 141 aller IGBT-Zellen 1-1, die in dem aktiven Zellengebiet 1-2 enthalten sind, elektrisch mit dem Steueranschluss 13 verbunden sein. Bei einer anderen Ausführungsform, wie oben angegeben, können zwei Steueranschlüsse bereitgestellt werden, um den Schalter 1 mit zwei unterschiedlichen Steuerspannungen zu betreiben.
  • Zusätzlich zu der aktiven Mesa 18 kann jede IGBT-Zelle 1-1 des Leistungshalbleiterschalters 1 wenigstens eine inaktive Mesa 19 beinhalten, die z. B. angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben 15 angeordnet ist, wobei ein Übergang 191 zwischen einem ersten Lastanschluss 11 und der inaktive Mesa 19 eine elektrische Isolation wenigstens für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps bereitstellt. Bei einer Ausführungsform gibt es keine niederohmige Verbindung zwischen der inaktive Mesa 19 und dem ersten Lastanschluss 11, sondern höchstens eine hochohmige Verbindung zwischen der inaktiven Mesa 19 und dem ersten Lastanschluss. Zum Beispiel ist die inaktive Mesa 19 nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden. Bei einer Ausführungsform weist die inaktive Mesa möglicherweise nur eine nichtohmsche Kopplung, z. B. über einen pn-Übergang, zu dem ersten Lastanschluss 11 auf.
  • Bei einer Ausführungsform kann die IGBT-Zelle 1-1 dazu konfiguriert sein, zu verhindern, dass der Laststrom den Übergang 191 zwischen der inaktive Mesa 19 und dem ersten Lastanschluss 11 durchläuft. Zum Beispiel erlaubt die inaktive Mesa 19 das Induzieren eines Inversionskanals nicht. Im Gegensatz zu der aktiven Mesa 18 leitet die inaktive Mesa 19 gemäß einer Ausführungsform den Laststrom während des leitenden Zustands des Leistungshalbleiterschalters 1 nicht. Zum Beispiel kann die inaktive Mesa 19 als eine stillgelegte Mesa betrachtet werden, die nicht zum Zweck des Führens des Laststroms verwendet wird.
  • Bei einer Ausführungsform der inaktiven Mesa 19 ist die inaktive Mesa 19 nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden, sondern ist z. B. mittels einer Isolationsschicht 112 elektrisch von dieser isoliert. Bei dieser Ausführungsform stellt der Übergang 191 zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und der inaktiven Mesa 19 eine elektrische Isolation nicht nur für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps, sondern auch für Ladungsträger des zweiten Leitfähigkeitstyps bereit. Zu diesem Zweck umfasst die inaktive Mesa 19 bei einer Variante weder einen Abschnitt des Source-Gebiets 101 noch einen Abschnitt des Körpergebiets 102, noch ist die inaktive Mesa 19 mittels eines Kontaktstopfens (vergleiche Bezugsziffer 111) kontaktiert, wie in 2 veranschaulicht ist. Bei einer anderen Variante kann die inaktive Mesa 19 auf eine ähnliche Weise wie die aktive Mesa 18 konfiguriert sein, z. B. indem sie auch einen Abschnitt des Diffusionsschichtgebiets 101 und/oder einen Abschnitt des Körpergebiets 102 umfasst, wobei der Unterschied zu der aktiven Mesa 18 beinhaltet, dass weder der Abschnitt des Source-Gebiets 101 (falls vorhanden) noch der Abschnitt des Körpergebiets 102 der inaktiven Mesa 19 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist. Gemäß dieser Ausführungsform der inaktiven Mesa 19 durchläuft überhaupt kein Strom den Übergang 191.
  • Bei einem anderen Beispiel kann die inaktive Mesa 19 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein, wobei der Übergang 191 zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und der inaktive Mesa 19 eine elektrische Isolation nur für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps, aber nicht für Ladungsträger des zweiten Leitfähigkeitstyps bereitstellt. Mit anderen Worten kann die inaktive Mesa 19 bei diesem Beispiel so konfiguriert sein, dass sie ermöglicht, dass ein Strom von Ladungsträgern des zweiten Leitfähigkeitstyps, z. B. ein Lochstrom, den Übergang 191 durchläuft. Zum Beispiel kann ein solcher Lochstrom in Abhängigkeit von dem elektrischen Potential der Dummy-Grabenelektrode 151 nur vorübergehend entstehen, z. B. kurz vor dem Ausführen eines Ausschaltvorgangs, sodass z. B. die gesamte Ladungsträgerkonzentration, die in dem Halbleiterkörper 10 vorhanden ist, reduziert wird. Bei einer Ausführungsform kann dies auch für solche inaktiven Mesas 19 mit einer elektrischen Isolation nur für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps in einer rückwärtsleitenden IGBT-Konfiguration stattfinden, bei der der Laststrom vorübergehend durch diese inaktiven Mesas 19 in einem Diodenmodusbetrieb geführt werden würde, wobei die Rückseite (vergleiche dotiertes Kontaktgebiet 108) so strukturiert wäre, dass sie sowohl Emitter des zweiten Leitfähigkeitstyps als auch Emitter des ersten Leitfähigkeitstyps (zuvor als „n-Kurzschlüsse“ bezeichnet) umfasst. Wie oben angegeben, kann die inaktive Mesa 19 bei diesem Beispiel elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein. Zum Beispiel kann ein (nicht veranschaulichtes) dotiertes Kontaktgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps (das von dem unten erwähnten elektrisch potentialfreien Barrieregebiet 105 verschieden ist) der inaktiven Mesa 19 mittels eines der ersten Kontaktstopfen 113 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein, wie in 3B schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist. Das (nicht veranschaulichte) dotierte Kontaktgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps kann den Abschnitt des Driftgebiets 100, der innerhalb der inaktive Mesa 19 vorhanden ist, von dem ersten Lastanschluss 11 isolieren. Zum Beispiel gibt es gemäß diesem Beispiel für die inaktive Mesa 19 kein mit Dotierungsstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiertes Gebiet innerhalb der inaktive Mesa 19, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist.
  • Die oben veranschaulichte Ausführungsform der inaktive Mesa 19 kann ermöglichen, dass die Konfiguration der IGBT-Zelle 1-1 zum Verhindern, dass der Laststrom den Übergang 191 zwischen der inaktive Mesa 19 und dem ersten Lastanschluss 11 durchläuft, bereitgestellt wird.
  • Die inaktive Mesa 19 kann lateral durch den Steuergraben 14 und den Dummykam 15 oder durch den Dummy-Graben 15 und einen anderen Grabentyp, der weiter unten erläutert wird, begrenzt werden. Weitere optionale Aspekte der inaktiven Mesa 19 werden unten beschrieben. Obwohl die Dummy-Grabenelektrode 151 elektrisch mit dem Steueranschluss 13 verbunden sein kann, ist zum Beispiel die Dummy-Grabenelektrode 151 bei einem Beispiel nicht dazu konfiguriert, den Laststrom in der inaktiven Mesa 19 zu steuern, da die inaktive Mesa 19 es gemäß einer Ausführungsform nicht erlaubt, einen Inversionskanal innerhalb der inaktiven Mesa 19 zu induzieren.
  • Der Leistungshalbleiterschalter 1 kann ferner ein elektrisch potentialfreies Barrieregebiet 105 des zweiten Leitfähigkeitstyps (nachfolgend einfach als „Barrieregebiet“ bezeichnet) umfassen, wie in 2 schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist. Beispielhafte Merkmale dieses Barrieregebiets 105 werden weiter unten ausführlicher erklärt. Vor der ausführlichen Beschreibung des Barrieregebiets 105 sollen beispielhafte Aspekte bezüglich einer Mikrostrukturierungsgrabenstruktur (MPT: Micro-Pattern-Trench-Structure) des Leistungshalbleiterschalters 1 erklärt werden.
  • Unter Bezugnahme auf die in 3A-B schematisch veranschaulichten Ausführungsformen kann jede IGBT-Zelle 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 ferner wenigstens einen Source-Graben 16 umfassen, der sich entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 10 hinein erstreckt und einen Isolator 162 beinhaltet, der eine Source-Grabenelektrode 161 von dem Halbleiterkörper 10 isoliert, wobei die Source-Grabenelektrode 161 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist. Zum Beispiel ist der wenigstens eine Source-Graben 16 zwischen dem Steuergraben 14 (auf der rechten Seite) und dem Dummy-Graben 15 einer angrenzenden Zelle 1-1 (auf der linken Seite, nicht veranschaulicht) angeordnet, wie in 3A-B veranschaulicht ist. Bei einer Ausführungsform kann jede IGBT-Zelle 1-1 mehr als einen Source-Graben 16, z. B. zwei Source-Gräben 16 oder drei Source-Gräben 16 (vergleiche 6A), umfassen, wobei jede der Grabenelektroden 161 der Source-Gräben 16 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein kann. Zum Beispiel sind die mehr als ein Source-Gräben16 zwischen dem Steuergraben 14 auf der einen Seite und dem Dummy-Graben 15 auf der anderen Seite angeordnet.
  • Bei einer Ausführungsform kann die aktive Mesa 18 lateral durch den Steuergraben 14 und den Source-Graben 16 begrenzt werden. Zum Beispiel begrenzen die Seitenwand 144 des Steuergrabens 14 und eine Seitenwand 164 des Source-Grabens 16 die aktive Mesa 18 entlang der ersten lateralen Richtung X. Die aktive Mesa 18 kann auf eine solche Weise konfiguriert sein, die unter Bezugnahme auf 2 beispielhaft beschrieben wurde; z. B. kann der erste Kontaktstopfen 113 elektrisch sowohl den Abschnitt des Körpergebiets 102 als auch den Abschnitt des Diffusionsschichtgebiets 101 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbinden.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf die in 3A-B schematisch veranschaulichte Ausführungsform kann jede IGBT-Zelle 1-1 des aktiven Zellengebiets ferner zusätzlich zu dem Steuergraben 14 und dem Dummy-Graben 15 (und zusätzlich oder als eine Alternative zu dem wenigstens einen Source-Graben 16) wenigstens einen weiteren Graben umfassen, der sich entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 10 hinein erstreckt und einen Isolator beinhaltet, der eine weitere Grabenelektrode von dem Halbleiterkörper 10 isoliert. Dieser wenigstens eine weitere Graben ist einer eines weiteren Steuergrabens 14 und eines weiteren Dummy-Grabens 15. 3A/B zeigen eine Variante, bei der ein weiterer Graben in der Form eines weiteren Dummy-Grabens 15 bereitgestellt ist.
  • Dementsprechend umfasst jede IGBT-Zelle 1-1 bei einer Ausführungsform wenigstens drei Gräben, nämlich den Steuergraben 14, den Dummy-Graben 15 und den weiteren (Dummy- oder Steuer-) Graben, deren Grabenelektroden 141, 151 jeweils mit dem Steueranschluss 13 gekoppelt oder elektrisch verbunden sind. Bei einer Ausführungsform können diese drei Gräben angrenzend aneinander angeordnet sein, wie in 3A-4B veranschaulicht ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der wenigstens eine Source-Graben 16 zwischen zwei dieser drei Steuer-/Dummy-Gräben 14, 15 angeordnet.
  • Obwohl dies in den Zeichnungen nicht veranschaulicht ist, kann jede IGBT-Zelle 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 ferner zusätzlich zu oder als eine Alternative zu dem wenigstens einen Source-Graben 16 wenigstens einen potentialfreien Graben umfassen, der sich entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 10 hinein erstreckt und einen Isolator beinhaltet, der eine Grabenelektrode von dem Halbleiterkörper 10 isoliert, wobei die Grabenelektrode des potentialfreien Grabens elektrisch potentialfrei ist. Bei einer Ausführungsform ist die Grabenelektrode des potentialfreien Grabens weder elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden, noch ist sie elektrisch mit dem zweiten Lastanschluss 12 verbunden, noch ist sie mit dem Steueranschluss 13 verbunden, noch ist sie mit einem Abschnitt des Halbleiterkörpers 10 verbunden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die elektrisch potentialfreie Grabenelektrode mittels einer Verbindung mit einem hochohmigen Widerstand mit einem definierten elektrischen Potential (z. B. einem elektrischen Potential eines Kontakts oder einem elektrischen Potential eines anderen Halbleitergebiets) verbunden. Zum Beispiel wird das elektrische Potential der elektrisch potentialfreien Grabenelektrode während eines Schaltvorgangs mittels der hochohmigen Verbindung vorübergehend von dem definierten elektrischen Potential entkoppelt. Die Entkopplung kann auf einer Zeitskala des Schaltvorgangs, z. B. für wenigstens 10 ns oder wenigstens 100 ns oder wenigstens 10 µs, stattfinden. Zum Beispiel kann der Widerstand der hochohmigen Verbindung mehr als 100 Ω, oder mehr als 1 MΩ betragen. Bei einer Ausführungsform beträgt ein ohmscher Widerstand, der z. B. während einer Stillstandsituation gemessen wird, zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und der elektrisch potentialfreien Grabenelektrode mehr als 100 Ω, oder sogar mehr als 1 MΩ. Zum Beispiel kann, falls vorhanden, der wenigstens eine potentialfreie Graben zwischen dem Steuergraben 14 und dem Dummy-Graben 15 angeordnet sein.
  • Dementsprechend umfasst gemäß einer Ausführungsform jede IGBT-Zelle 1-1 des aktiven Gebiets 1-2 wenigstens einen Steuergraben 14, wenigstens einen Dummy-Graben 15, wenigstens einen weiteren (Dummy- oder Steuer-) Graben 14; 15 und optional wenigstens einen Source-Graben 16.
  • Ferner kann gemäß der in 3A-B und 4 veranschaulichten Ausführungsform jede IGBT-Zelle 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 mehr als eine inaktive Mesa 19 umfassen, wobei wenigstens eine der inaktiven Mesas 19 lateral durch den Source-Graben 16 und den Dummy-Graben 15 begrenzt werden kann. Eine andere inaktive Mesa 19 kann lateral durch zwei Source-Gräben 16 begrenzt werden. Eine andere inaktive Mesa 19 kann lateral durch zwei Dummy-Gräben 15 begrenzt werden. Noch eine andere inaktive Mesa 19 kann lateral durch einen der Dummy-Gräben 15 und den Steuergraben 14 begrenzt werden. Wie veranschaulicht, kann jede der inaktiven Mesas 19 einen jeweiligen Abschnitt des Körpergebiets 102 umfassen, wobei diese Abschnitte bei einer Ausführungsform nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sind, sondern z. B. mittels der Isolationsschicht 112 elektrisch von diesem isoliert sind, wie oben erklärt wurde.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Leistungshalbleiterschalter 1 ein IGBT sein und kann jede seiner IGBT-Zellen 1-1 seines aktiven Gebiets 1-2 eine Mikrostrukturierungsgraben(MPT)-Struktur aufweisen.
  • Zum Beispiel kann/können jeder oder wenigstens die meisten der Gräben 14, 15, 16, die in der IGBT-Zelle 1-1 enthalten sein können, gleiche räumliche Abmessungen aufweisen und kann/können gemäß einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Zum Beispiel kann jeder der Gräben 14, 15, 16 eine Tiefe entlang der vertikalen Richtung Z innerhalb des Bereichs von 3 µm bis 8 µm, und eine Breite entlang der ersten lateralen Richtung X innerhalb des Bereichs von 0,4 µm bis 1,6 µm aufweisen. Die Gräben 14, 15, 16 können gemäß einem ersten Layout mit einem ersten Rastermaß gebildet werden, wobei das erste Layout jeden der Grabenbreiten und der Mesabreiten definieren kann. Auch die Mesas 18, 19 können die gleiche Mesabreite aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die Breite der inaktiven Mesa 19 jedoch verschieden sein, z. B. breiter als die Breite der aktiven Mesa 18. Zum Beispiel kann wenigstens eine der wenigstens einen inaktiven Mesa 19 jeder Zelle 1-1 um wenigstens einen Faktor 1,5 breiter als die Breite der aktiven Mesa sein. Zum Beispiel weisen alle aktiven Mesas 18 die gleiche Breite der aktiven Mesa auf und weisen alle inaktiven Mesas 19 die gleiche Breite der inaktiven Mesa auf, wobei die Breite der inaktiven Mesa größer, z. B. um einen Faktor von wenigstens 1,5, als die Breite der aktiven Mesa sein kann.
  • Ferner kann/können jede oder wenigstens die meisten der Grabenelektroden 141, 151, 161 aller Gräben 14, 15, 16, die in der IGBT-Zelle 1-1 enthalten sein können, gleiche räumliche Abmessungen aufweisen, z. B. bezüglich der Gesamtausdehnung entlang der vertikalen Richtung (die durch die jeweiligen Grabenunterseiten 145, 155, 165) abgeschlossen wird) und der gesamten Ausdehnung in der ersten lateralen Richtung (d. h. die Grabenbreite, die durch die jeweiligen Seitenwände 144, 154, 164 abgeschlossen wird) und/oder bezüglich der Abmessungen der Isolatoren 142, 152, 162. Außerdem kann jeder der Gräben 14, 15, 16, die in der IGBT-Zelle 1-1 enthalten sein können, äquidistant entlang der ersten lateralen Richtung X angeordnet sein. Zum Beispiel kann jede der aktiven Mesas 18 der IGBT-Zelle 1-1 die gleiche Breite aufweisen, die innerhalb des Bereichs von 0,1 µm bis 2 µm, innerhalb des Bereichs von 0,3 µm bis 0,8 µm oder innerhalb des Bereichs von 0,6 µm bis 1,4 µm liegen kann. Die Breite der inaktiven Mesa kann innerhalb der gleichen Bereiche liegen, z. B. identisch zu den Breiten der aktiven Mesas bzw. größer als diese sein, wie oben erklärt ist.
  • Ferner können sich manche der Gräben 14, 15, 16, die in der IGBT-Zelle 1-1 enthalten sein können, in das Barrieregebiet 105 hinein erstrecken, z. B. um wenigstens 100 nm, um wenigstens 500 nm oder um wenigstens 1000 nm. Dieser Aspekt wird auch unten ausführlicher erklärt.
  • Für die folgenden Erklärungen können diese Abkürzungen gelten:
    G = Steuergraben 14
    D = Dummy-Graben 15
    S = Source-Graben 16
    k = aktive Mesa 18
    o = inaktive Mesa 19
  • Wie oben angegeben wurde, kann der Leistungshalbleiterschalter 1 mehrere gleichkonfigurierte IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 umfassen. Bei einer Ausführungsform können drei beispielhafte Nachbarschaftsbeziehungen innerhalb jeder IGBT-Zelle des aktiven Zellenfelds 1-2 unter Verwendung der oben eingeführten Abkürzungen wie folgt ausgedrückt werden (für drei angrenzende IGBT-Zellen 1-1, die gemäß der Anzahl an IGBT-Zellen 1-1 fortzusetzen sind): kSkGoDoG - k S k G o D o G - k S k G o D o G - K
    Figure DE102018130095B4_0001
     kSoSkGoDoG - k S o S k G o D o G - k S o S k G o D o G - K
    Figure DE102018130095B4_0002
     kSoSoSkGoDoG - k S o S o S k G o D o G - k S o S o S k G o D o G - K
    Figure DE102018130095B4_0003
  • Ohne Beschränkung auf diese beispielhaften Nachbarschaftsbeziehungen (die hier auch als Kontaktierungsschemata bezeichnet werden) basieren die Ausführungsformen gemäß den meisten der verbleibenden Zeichnungen auf den oben identifizierten beispielhaften Nachbarschaftsbeziehungen. Dementsprechend versteht es sich, dass die IGBT-Zellen 1-1 gemäß einer Ausführungsform nicht notwendigerweise einen potentialfreien Graben umfassen müssen.
  • Unter Bezugnahme auf alle hier beschriebenen Ausführungsformen versteht es sich, dass die Nachbarschaftsbeziehung/das Kontaktierungsschema in jeder IGBT-Zelle 1-1 so gewählt werden kann, dass:
    1. (a) jeder der Anzahl an Steuergräben 14 („G“ bei dem Beispiel oben), die in der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa 18 angeordnet ist. Diese Gestaltungsregel kann entlang der gesamten Ausdehnung in der zweiten lateralen Richtung Y der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 erfüllt werden. Daher ist bei einer Ausführungsform ein Laststrompfad in der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 während des Ein-Zustands des Schalters 1 nur auf einer Seite des jeweiligen Steuergrabens 14 vorhanden. Insofern kann die IGBT-Zelle-Gestaltung als asymmetrisch betrachtet werden. Bei den Beispielen oben sind die aktiven Mesas 18 („k“ bei dem Beispielen oben) in den IGBT-Zellen 1-1 lateral durch einen jeweiligen Steuergraben 14 und einen jeweiligen Source-Graben 16 („S“ bei dem Beispiel oben) begrenzt.
    2. (b) wenigstens eine der Anzahl an inaktiven Mesas 19 („o“ bei den Beispielen oben) angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben 15 („D“ bei dem Beispiel oben) angeordnet ist. Eine andere der Anzahl an inaktiven Mesas 19 kann zum Beispiel zwischen zwei Source-Gräben 16 („S“ bei dem Beispiel oben) angeordnet sein. Tatsächlich macht ein Graben, dessen Grabenelektrode mit dem Steueranschluss 13 verbunden ist und der auf beiden Seiten angrenzend an inaktive Mesas 19 angeordnet ist, diesen Graben zu einem Dummy-Graben 15. Falls eine seiner angrenzenden Mesas eine aktive Mesa 18 wäre, dann würde dieser Graben ein Steuergraben 14 sein.
  • Wie oben angegeben, kann der Leistungshalbleiterschalter 1 unabhängig von dem Kontaktierungsschema ferner ein elektrisch potentialfreies Barrieregebiet 105 des zweiten Leitfähigkeitstyps (nachfolgend einfach als „Barrieregebiet“ bezeichnet) umfassen.
  • Bei einer Ausführungsform ist das Barrieregebiet 105 dazu konfiguriert, einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen einem Abschnitt der aktiven Mesa 18 und der Unterseite des Dummy-Grabens 15 bereitzustellen. Dementsprechend kann das Barrieregebiet 105 dazu konfiguriert sein, das elektrische Potential von dem Abschnitt der aktiven Mesa 18 zu der Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 zu führen. Zum Beispiel kann sich das Barrieregebiet 105 in die aktive Mesa 18 hinein und von dort unterhalb der Unterseite 165 des Source-Grabens 16 und durch die inaktive Mesa 19 hindurch erstrecken, sodass es an die Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 angrenzt.
  • Wie oben angegeben wurde, kann der Leistungshalbleiterschalter 1 mehrere IGBT-Zellen 1-1 umfassen, wobei die meisten von ihnen in dem aktiven Zellengebiet 1-2 enthalten sind. zum Beispiel verbindet das Barrieregebiet 105 die inaktiven Mesas 19, die in den mehreren IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des aktiven Gebiets 1-2 enthalten sind, miteinander. Zum Beispiel kann sich zu diesem Zweck das Barrieregebiet 105 teilweise in jede der aktiven Mesas 19 hinein erstrecken. Das Barrieregebiet 105 kann sich ferner wenigstens teilweise in manche der aktiven Mesas 18 hinein erstrecken. Jede der Dummy-Graben-Unterseiten 155 kann sich in das Barrieregebiet 105 hinein erstrecken. Dadurch kann das Barrieregebiet 105 das elektrische Potential, das innerhalb der aktiven Mesas vorhanden ist, zu den Dummy-Grabenelektroden 151 hin führen.
  • Wie unten ausführlicher erklärt wird, kann das Barrieregebiet 105 lateral mit manchen (Teilen) der aktiven Mesa 18 überlappen und möglicherweise lateral nicht mit anderen (Teilen) der aktiven Mesas 18 überlappen. Zum Beispiel kann das Barrieregebiet 105 zu diesem Zweck eine laterale Struktur aufweisen, die durch einen oder mehrere Durchgänge 1053 gebildet wird, wie unten ausführlicher erklärt wird, und/oder kann das Barrieregebiet 105 lateral von dem Randabschlussgebiet 1-3 versetzt sein, z. B. mittels wenigstens des Übergangsgebiets 1-5, das (wie oben erklärt) mit einer oder mehreren aktiven Mesas 18 ausgestattet sein kann.
  • Das Gesamtvolumen aller aktiver Mesas 18 aller IGBT-Zellen 1-1 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 kann in einen ersten Anteil und in einen zweiten Anteil unterteilt werden, wobei der erste Anteil lateral nicht mit dem Barrieregebiet 105 überlappt und der zweite Anteil lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt. Zum Beispiel überlappt der erste Anteil der aktiven Mesas 18 lateral mit dem wenigstens einen Durchgang 1053 (vergleiche Erklärungen weiter unten) des Barrieregebiets 105 oder mit einem anderen Abschnitt des Driftgebiets 100, wo das Barrieregebiet 105 nicht vorhanden ist (z. B. innerhalb des Übergangsgebiets 1-5). Im Gegensatz dazu überlappt der zweite Anteil der aktiven Mesas 18 lateral mit dem Barrieregebiet 105. Zum Beispiel durchquert der Laststrom, der durch den zweiten Anteil geleitet wird, das Barrieregebiet 105.
  • Bei einer Ausführungsform ist der erste Anteil dazu konfiguriert, den Laststrom wenigstens innerhalb des Bereichs von 0 % bis 100 % des Nennlaststroms zu führen, für den die Leistungshalbleitervorrichtung gestaltet ist. Der zweite Anteil kann dazu konfiguriert sein, den Laststrom zu führen, falls er wenigstens 0,5 % des Nennlaststrom überschreitet.
  • Daher kann der erste Anteil der aktiven Mesas 18 als ein „Zündungsvolumen“ betrachtet werden, das zum Beispiel während des Einschaltens des Leistungshalbleiterschalters 1 beginnt, den Laststrom zu leiten, wohingegen der zweite Anteil anfänglich inaktiv verbleibt. Falls, z. B. lediglich falls, der Laststrom eine Schwelle von z. B. wenigstens 0,5 % des Nennlaststroms überschreitet (wobei diese Schwelle höher als 0,5 %, z. B. höher als 1 %, z. B. wenigstens 5 % oder wenigstens 10 %, sein kann), kann das Barrieregebiet 105 dann leitfähiger werden, sodass der zweite Anteil ebenfalls den Laststrom führen kann.
  • Zum Beispiel können die aktiven Mesas 18 ohne laterale Überlappung mit dem Barrieregebiet 105 (d. h. der erste Anteil des gesamten Volumens) für kleine Lastströme unterhalb von 10 % oder unterhalb von 1 % oder unterhalb von 0,5 % des Nennlaststroms des Leistungshalbleiterschalters 1 als Emitter von Ladungsträgern des ersten Leitfähigkeitstyps fungieren und durch dies z. B. ein Snapback der Transfer- oder Ausgabecharakteristiken des Leistungshalbleiterschalters 1 vermeiden. Für größere Lastströme (größer als 0,5 %, als 1 %, als 5 % oder als 10 % des Nennlaststroms) befindet sich ein oberer pn-Übergang 1051 (vergleiche Erklärung unten) in einem Vorwärtsvorspannungsmodus mit Bezug auf die Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps. Dies kann dann auch ermöglichen, dass Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps durch die aktiven Mesas 18, die lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappen (d. h. den zweiten Teil des Gesamtvolumens), emittiert werden.
  • Wie bereits oben erklärt wurde, kann jede aktive Mesa 18 dazu konfiguriert sein, einen Inversionskanal innerhalb der jeweiligen aktiven Mesa 18 zu induzieren. Zum Beispiel sind alle aktiven Mesas 18 mit der gleichen Inversionskanalschwellenspannung konfiguriert. Dementsprechend wird die Verzögerung zwischen dem Beginn der Laststromleitung innerhalb des zweiten Volumenanteils und dem Beginn der Laststromleitung innerhalb des ersten Volumenanteils (gemäß dessen z. B. während des Einschalten der zweite Volumenanteil der aktiven Mesas 18, die lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappen, den Laststrom nur führen, wenn der Laststrom den Schwellenwert von z. B. wenigstens 0,5 % überschreitet), was oben beispielhaft beschrieben ist, z. B. weder durch das Liefern eines Steuersignal an Elektroden zum Steuern von Elektroden, die den ersten Volumenanteil steuern, welches verschiedenen von einem Steuersignal ist, das an die Steuerelektroden geliefert wird, die den zweiten Volumenanteil steuern, noch durch eine Differenz zwischen Inversionskanalschwellenspannungen verursacht. Stattdessen werden gemäß einer Ausführungsform der erste Volumenanteil und der zweite Volumenanteil mit dem gleichen Steuersignal versorgt und sind mit der gleichen Inversionskanalschwellenspannung konfiguriert und wird die Verzögerung nur durch entsprechendes Positionieren und/oder laterales Strukturieren des Barrieregebiets 105 erzielt.
  • Daher ist bei einer Ausführungsform das einzige unterscheidende Merkmal zwischen dem ersten Volumenanteil der aktiven Mesas 18 und dem zweiten Volumenanteil der aktiven Mesas 18, dass der erste Volumenanteil nicht lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt und dass der zweite Volumenanteil lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt. Zum Beispiel wird dadurch die beispielhaft beschriebene Verzögerung zwischen den Laststromleitungsanfängen (Startzeiten) erzielt.
  • Zum Beispiel kann der Laststrom, sobald der durch beide Volumenanteile geleitet wird, gemäß dem Verhältnis zwischen den Volumenanteilen auf die Volumenanteile verteilt werden. Falls der Laststrom 50 % des Nennlaststroms überschreitet, kann bei einer Ausführungsform das Verhältnis zwischen einem ersten Laststromanteil, der durch den ersten Volumenanteil der aktiven Mesas 18 geleitet wird, und einem zweiten Laststromanteil, der durch den zweiten Volumenanteil der aktiven Mesas 18 geleitet wird, wenigstens innerhalb von 10 % des Verhältnisses zwischen dem ersten Volumenanteil und dem zweiten Volumenanteil liegen bzw. kann das Verhältnis zwischen dem ersten Laststromanteil, der durch den ersten Volumenanteil der aktiven Mesas 18 geleitet wird, und den zweiten Laststromanteil, der durch den zweiten Volumenanteil der aktiven Mesas 18 geleitet wird, (wenigstens im Wesentlichen) identisch zu dem Verhältnis zwischen dem ersten Volumenanteil und dem zweiten Volumenanteil sein.
  • Das elektrisch potentialfreie Barrieregebiet 105 kann durch das Driftgebiet 100 räumlich in und entgegen der vertikalen Richtung Z begrenzt werden. Daher kann das Barrieregebiet 105 sowohl einen oberen pn-Übergang 1051 als auch einen unteren pn-Übergang 1052 mit dem Driftgebiet 100 bilden, wobei der untere pn-Übergang 1052 niedriger als die Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 angeordnet sein kann. Zum Beispiel ist der obere pn-Übergang 1051 innerhalb der inaktiven Mesa(s) 19 und daher oberhalb der Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten pn-Übergang 1021 und dem oberen pn-Übergang 1051 entlang der vertikalen Richtung Z kann wenigstens 0,5 µm betragen. Dementsprechend sind die zwei pn-Übergänge 1021 und 1051 nicht zueinander identisch, sondern sind voneinander mittels eines Abschnitts des Driftgebiets 100 gemäß einer Ausführungsform separiert, wobei der Abschnitt im Vergleich zu einem unteren Driftgebietabschnitt 100-2 unterhalb des Barrieregebiets 105, der unten ausführlicher beschrieben ist, wenigstens teilweise stärker dotiert sein kann.
  • Mit anderen Worten kann das Barrieregebiet 105 mittels wenigstens eines Teils des Driftgebiets 100 von dem Körpergebiet 102 separiert werden. Zum Beispiel wird das Barrieregebiet 105 entlang der vertikalen Richtung Z durch einen oberen Abschnitt 100-1 des Driftgebiets 100 auf der einen Seite und durch einen unteren Abschnitt 100-2 des Driftgebiets 100 auf der anderen Seite begrenzt, wobei der obere Abschnitt 100-1 einen Übergang zu den Körpergebieten 102 der IGBT-Zellen 1-1 bildet. Der untere Abschnitt kann sich entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken, bis er z. B. mittels des Feldstoppgebiets (vergleiche Feldstoppgebiet 107 in 23A-B) an das dotierte Kontaktgebiet 108 angrenzt, das, wie oben veranschaulicht, ein p-Typ-Emitter sein kann.
  • Bei einer Ausführungsform befindet sich das Barrieregebiet 105 nicht in Kontakt mit irgendeinem anderen Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, sondern ist z. B. wenigstens mittels (eines) Abschnitts (Abschnitten) des Driftgebiets 100 davon separiert. Zum Beispiel beträgt der Abstand zwischen dem Barrieregebiet 105 am Nächsten zu einem anderen Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, wenigstens 1 µm oder wenigstens 2 µm. Dementsprechend gibt es zum Beispiel keine p-Typ-Verbindung zwischen den Körpergebieten 102 und dem Barrieregebiet 105 noch gibt es eine p-Typ-Verbindung zwischen dem Barrieregebiet 105 und dem Wannengebiet 109 des Randabschlussgebiets 109 (weiter unten erwähnt). Entlang des Abstands kann ein Teil des Driftgebiets 100 vorhanden sein.
  • Mit Bezug auf alle oben besprochenen Ausführungsformen versteht es sich, dass die Abschnitte des Driftgebiets 100, die in den Mesas 18 und 19 enthalten sind, z. B. die oberen Abschnitte 100-1, die den ersten pn-Übergang 1021 mit dem Körpergebiet 102 und den oberen pn-Übergang 1051 mit dem Barrieregebiet 105 bilden (vergleiche Erklärungen unten), gemäß einer Variante wenigstens abschnittsweise eine Dotierungsstoffkonzentration aufweisen, die im Vergleich zu der Dotierungsstoffkonzentration des Abschnitts des Driftgebiets 100, der unterhalb des Barrieregebiets 105 angeordnet ist, z. B. des unteren Abschnitts 100-2 des Driftgebiets 100, der den unteren pn-Übergang 1052 mit dem Barrieregebiet 105 bildet, wenigstens zweimal so hoch ist.
  • Die Abschnitte (oberen Abschnitte 100-1) des Driftgebiets 100, die in den Mesas 18 und 19 enthalten sind, können eine maximale Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 1*1013 cm3 bis 4*1017 cm3 liegen, z. B. eine maximale Dotierungsstoffkonzentration von wenigstens 1 *1016 cm-3 aufweisen. Zum Beispiel können die Abschnitte des Driftgebiets 100, die in den Mesas 18 und 19 enthalten sind und die die erhöhte Dotierungsstoffkonzentration aufweisen können, als „n-Barrieregebiete“ bezeichnet werden (vergleiche Bezugsziffer 100-3 in anderen Zeichnungen und die weitere Erklärung unten). Zum Beispiel wird die Dotierungsstoffkonzentration der Abschnitte des Driftgebiets 100, die in den Mesas 18 und 19 enthalten sind, so gewählt, dass der obere pn-Übergang 1051 auf einer Ebene geringfügig oberhalb der Grabenunterseiten 145 und 155 verbleibt.
  • Nun unter Bezugnahme auf 4 ist die erhöhte Dotierungsstoffkonzentration in der oberen Schicht (Abschnitt 100-1) des Driftgebiets 100 gemäß einer Variante nur lokal bereitgestellt. Zum Beispiel umfassen nur eine der aktiven Mesas 18 oder nur einige der aktiven Mesas 18 oder nur alle der aktiven Mesas 18 ein lokales n-Barrieregebiet 100-3 (das hier auch als „weiteres Barrieregebiet“ bezeichnet wird). Zum Beispiel ist jeder der lokalen n-Barrieregebiete 100-3 oberhalb des Barrieregebiets 105 bzw. der Barrieregebietdurchgänge 1053 und unterhalb des jeweiligen Körpergebiets 102 angeordnet. Zum Beispiel ist jedes n-Barrieregebiet 100-3 in Kontakt mit dem jeweiligen Körpergebiet 102 angeordnet und erstreckt sich dort abwärts entlang der vertikalen Richtung Z, bis es an das (p-) Barrieregebiet 105 angrenzt bzw. bei einer entsprechenden Z-Ebene endet, falls das (p-) Barrieregebiet 105 fehlt/bei der jeweiligen Stelle einen Durchgang 1053 aufweist. Entlang der lateralen Richtung X kann jedes n-Barrieregebiet 100-3 die jeweilige aktive Mesa 18 füllen. Jedes n-Barrieregebiet 100-3 kann eine maximale Dotierungsstoffkonzentration aufweisen, die wenigstens zweimal so groß wie die Dotierungsstoffkonzentration des unteren Abschnitts 100-2 des Driftgebiets 100 ist. Zum Beispiel weist jedes n-Barrieregebiet 100-3 eine maximale Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 1*1013 cm-3 bis 4*1017 cm-3, z. B. eine maximale Dotierungsstoffkonzentration von wenigstens 1*1016 cm-3, auf. im Gegensatz dazu kann der obere Abschnitt 100-1 des Driftgebiets, das in den inaktiven Mesas 19 enthalten ist, gemäß dieser Variante eine maximale Dotierungsstoffkonzentration aufweisen, die im Wesentlichen gleich der maximalen Dotierungsstoffkonzentration des unteren Abschnitts 100-2 des Driftgebiets 100 ist; z. B. sind innerhalb der inaktiven Mesas 19 keine n-Barrieregebiete 100-3 bereitgestellt oder erstreckt sich das n-Barrieregebiet 100-3 wenigstens nicht in irgendeine der inaktiven Mesas 19 hinein, die angrenzend an einen der Dummy-Gräben 14 angeordnet sind. Wie ferner in 4 veranschaulicht ist, überlappt das n-Barrieregebiet 100-3 lateral mit wenigstens einem der Pfaddurchgängen 1053 des (p-) Barrieregebiets 105.
  • Andere Aspekte bezüglich des n-Barrieregebiets 100-3 sind weiter unten beschrieben.
  • Bei einer (nicht veranschaulichten) Variante kann der obere pn-Übergang 1051 sogar niedriger als die Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 und die Unterseite 145 des Steuergrabens 14 angeordnet sein (wobei dieses Beispiel nicht veranschaulicht ist). In diesem Fall kann ein Abstand entlang der vertikalen Richtung Z zwischen der Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 und dem oberen pn-Übergang 1051 kleiner als 3 µm, kleiner als 2 µm oder sogar kleiner als 1 µm sein.
  • Zum Beispiel weist das Barrieregebiet 105 eine Dicke entlang der vertikalen Richtung Z innerhalb des Bereichs von 0,1 µm bis 0,5 µm, innerhalb des Bereichs von 0,5 µm bis 1 µm oder innerhalb des Bereichs von 1 µm bis 5 µm auf.
  • Der gemeinsame vertikale Ausdehnungsbereich entlang der vertikalen Richtung Z zwischen dem Barrieregebiet 105 und den Gräben, die sich in das Barrieregebiet 105 erstrecken, kann zum Beispiel innerhalb des Bereichs von 50 nm bis 3000 nm liegen. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das Barrieregebiet 105 im Vergleich zu allen bzw. wenigstens den meisten der Gräben weiter entlang der vertikalen Richtung Z (d. h. herab zu einer tieferen Ebene innerhalb des Halbleiterkörpers 10).
  • Das Barrieregebiet 105 kann gemäß einer Ausführungsform einen spezifischen Widerstand von mehr als 10 Ωcm und weniger als 1000 Ωcm, z. B. mehr als 100 Ωcm und weniger als 500 Ωcm aufweisen.
  • Das Barrieregebiet 105 kann Bor (B), Aluminium (Al), Difluorboryl (BF2), Bortrifluorid (BF3) und/oder eine Kombination davon beinhalten. Ein jeweiliges dieser beispielhaften Materialien kann gemäß einer Ausführungsform als das Dotierungsstoffmaterial dienen. Ferner kann ein jeweiliges dieser beispielhaften Materialien in den Halbleiterkörper 10 implantiert werden, so dass das Barrieregebiet 105 gebildet wird.
  • Zum Beispiel weist das Barrieregebiet 105 eine elektrisch aktivierte Dotierungsstoffkonzentration größer als 1*1014 cm-3 und kleiner als 4*1017 cm-3 auf. Die Dotierungsstoffkonzentration, die z. B. näherungsweise 1 *1 016cm-3 beträgt, kann mit einer Ausdehnung entlang der vertikalen Richtung Z von wenigstens 0,5 µm oder wenigstens 1 µm vorhanden sein. Ferner kann das Barrieregebiet 105 eine maximale Dotierungsstoffkonzentration in einem Gebiet aufweisen, wo sich die Unterseite 155 des Dummy-Grabens 15 in das Barrieregebiet 105 hinein erstreckt.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Dotierungsstoffkonzentration des Barrieregebiets 105 kleiner als die Dotierungsstoffkonzentration in den Körpergebieten 102. Zum Beispiel liegt die maximale Dotierungsstoffkonzentration des Barrieregebiets 105 innerhalb des Bereichs von 1 % bis 80 % der Dotierungsstoffkonzentration in dem Körpergebiet 102.
  • Beispielhafte Verläufe der Dotierungsstoffkonzentration (CC) von Dotierungsstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps entlang der vertikalen Richtung Z sind in 5A-C veranschaulicht, wobei die durchgezogene Linie die Dotierungsstoffkonzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps (NA) angibt und die gepunktete Linie die Dotierungsstoffkonzentration des ersten Leitfähigkeitstyps (ND) angibt. 5A kann die inaktive Mesa 19 betreffen und 5B kann die aktive Mesa 18, z. B. einschließlich des n-Barrieregebiet 100-3, betreffen und 5C kann die Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA in der aktiven Mesa 18 betreffen.
  • Es versteht sich, dass die Verläufe in 5A-C nur schematisch zu Veranschaulichungszwecken gezeichnet sind und nicht als maßstabsgetreu veranschaulicht ist.
  • Unter Bezugnahme auf sowohl 5A als auch 5B kann die Dotierungsstoffkonzentration NA in einem oberen Abschnitt, z. B. in der Nähe des ersten Lastanschlusses 11, vergleichsweise hoch sein, so dass das Körpergebiet 102 vorgesehen wird, das in dem Fall der aktiven Mesa 18 mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist und das in dem Fall der inaktiven Mesa 19 nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf sowohl 5A als auch 5B nimmt die Dotierungsstoffkonzentration NA dann in einem Abschnitt der Mesa rasch ab, wo das Driftgebiet 100 (der obere Abschnitt 100-1 bzw. das n-Barrieregebiet 100-3) vorhanden ist. Der Übergang zwischen dem Körpergebiet 102 und dem oberen Abschnitt 100-1 des Driftgebiets 100 kann den ersten pn-Übergang 1021 innerhalb der jeweiligen Mesa bilden. Falls die inaktive Mesa 19 keinen Abschnitt des Körpergebiets 102 umfasst, würde der Wert der Dotierungskonzentration CC zwischen dem Anfang bei dem ersten Lastanschluss 11 und dem Anfang des Barrieregebiets 105 entsprechend bei dem Wert, der dem in 5A-B veranschaulichten lokalen Minimum LM entspricht, oder niedriger sein. Dann, z. B. vor der jeweiligen Grabenunterseite 155, nimmt die Dotierungsstoffkonzentration NA (wieder) zu, so dass das Barrieregebiet 105 gebildet wird. Der Übergang mit dem oberen Abschnitt 100-1 des Driftgebiets 100 und dem Barrieregebiet 105 bildet den pn-Übergang 1051. Wie veranschaulicht, kann das Barrieregebiet 105 sein Dotierungsstoffkonzentrationsmaximum CCM bei der Tiefenebene aufweisen, die im Wesentlichen identisch zu der Ebene ist, wo der jeweilige Graben endet, z. B. bei der Ebene der Unterseite 155 des Dummy-Grabens. Die Dotierungsstoffkonzentration NA nimmt dann wieder ab, so dass der untere pn-Übergang 1052 mit dem unteren Abschnitt 100-2 des Driftgebiets 100 gebildet wird.
  • Bezüglich des Verlaufs der Dotierungsstoffkonzentration des ersten Leitfähigkeitstyps ND soll angemerkt werden, das weder 5A noch 5B weder das Source-Gebiet noch ein stark dotiertes Kontaktgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps nahe der Kontaktoberfläche wiedergibt (vergleiche Bezugsziffer 1023 in anderen Zeichnungen, z. B. 23A-C). Stattdessen liegt der Schwerpunkt auf dem Verlauf zwischen dem ersten pn-Übergang 1021 und dem oberen pn-Übergang 1053: Falls es kein Barrieregebiet 100-3 gibt, ist der Wert ND im Wesentlichen konstant (5A). Im Gegensatz dazu erreicht der Wert ND im Fall des n-Barrieregebiets 100-3 ein lokales Maximum zwischen dem ersten pn-Übergang 1021 und dem oberen pn-Übergang 1053. Ferner kann das Vorhandensein des n-Barrieregebiets 100-3 den Abstand zwischen dem ersten pn-Übergang 1021 und dem oberen pn-Übergang 1053 erhöhen, wie in 5B veranschaulicht ist.
  • Zum Beispiel erstreckt sich, wie schematisch in 5C veranschaulicht, ein Teil des Driftgebiets 100 mit Bezug auf die aktive Mesa 18 in die aktive Mesa 18 hinein (wobei der Teil durch das n-Barrieregebiet 100-3 gebildet werden kann) und weist ein Nettodotierungsstoffkonzentrationsprofil ND-NA entlang der vertikalen Richtung Z auf, wobei die Nettodotierungsstoffkonzentration ein lokales Maximum LMNET innerhalb eines zentralen Teils der vertikalen Ausdehnung der aktiven Mesa 18 aufweist. Die Nettodotierungsstoffkonzentration kann die Dotierungsstoffkonzentration der ersten Leitfähigkeit ND minus die Dotierungsstoffkonzentration des zweiten Leitfähigkeitstyps NA sein. Der zentrale Teil der aktiven Mesa 18 kann der Teil sein, der von der Mesaoberseite (z. B. bei der vertikalen Ebene, wo der Halbleiterkörper 10 an den ersten Lastanschluss 11 bzw. die Isolationsschicht 112 angrenzt) und der Mesaunterseite (z. B. bei der gleichen vertikalen Ebene wie die Steuergrabenunterseite 145) um jeweils wenigstens 10 % oder wenigstens 20 % der gesamten vertikalen Mesaausdehnung versetzt sein. Das lokale Maximum LMNET kann mittels einer Änderung der Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA wenigstens um einen Faktor zwei entlang der vertikalen Richtung Z gebildet werden, wie schematisch in 5B und 5C veranschaulicht ist.
  • Der Wert des lokalen Maximums LMNET kann durch die Anwesenheit/Abwesenheit des n-Barrieregebiets 100-3 beeinflusst werden. Die Anwesenheit des n-Barrieregebiets 100-3 kann ein ausgeprägteres lokales Maximum LMNET ergeben, wobei sich zum Beispiel die Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA um einen Faktor größer als zwei, z. B. größer als vier, sechs oder sogar größer als zehn, ändert. Falls das n-Barrieregebiet 100-3 nicht vorhanden ist, kann gemäß einer Ausführungsform das lokale Maximum LMNET schwächer sein, aber ändert sich die Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA immer noch um wenigstens einen Faktor von Zwei entlang der vertikalen Richtung Z.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 5C versteht es sich wieder, dass die Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA unterhalb des ersten pn-Übergangs 1021 entlang der vertikalen Richtung Z positiv verbleiben kann, bis die Grenzfläche zu dem dotierten Kontaktgebiet 108 (z. B. dem p-Emitter) erreicht wird, nämlich falls die aktive Mesa 18 lateral mit dem Durchgang 1053 des p-Barrieregebiets 105 überlappt (vergleiche 23A). Dennoch weist die Nettodotierungsstoffkonzentration ND-NA gemäß einer Ausführungsform auch in einer solchen Situation das lokale Maximum LMNET innerhalb des zentralen Teils der vertikalen Ausdehnung der aktiven Mesa 18 auf. 5C veranschaulicht die Situation, bei der die aktive Mesa 18 (mit oder ohne das n-Barrieregebiet 100-3) lateral mit dem p-Barrieregebiet 105 überlappt (vergleiche auch 23B).
  • Im Gegensatz dazu kann unter Bezugnahme auf 5A in der aktiven Mesa 19, die zum Beispiel nicht das n-Barrieregebiet 100-3 umfasst und die lateral mit dem p-Barrieregebiet 105 überlappt, ein Homoübergang durch einen Übergang von dem Körpergebiet 102 in diesen inaktiven Mesas 19 zu dem p-Barrieregebiet 105 entlang der vertikalen Richtung Z gebildet werden.
  • Zum Beispiel ist das elektrisch potentialfreie Barrieregebiet 105 nicht elektrisch mit einem definierten elektrischen Potential verbunden, zum Beispiel weder mit dem ersten Lastanschluss 11 noch mit dem zweiten Lastanschluss 12 noch mit den Steueranschluss 13. Bei einer Ausführungsform ist das elektrisch potentialfreie Grabengebiet 105 mittels einer Verbindung mit einem hochohmigen Widerstand mit einem definierten elektrischen Potential (z. B. einem elektrischen Potential eines Kontakts oder einem elektrischen Potential eines anderen Halbleitergebiets) verbunden. Zum Beispiel wird das elektrische Potential des Barrieregebiets 105 während eines Schaltvorgangs mittels der hochohmigen Verbindung vorübergehend von dem definierten elektrischen Potential entkoppelt. Die Entkopplung kann auf einer Zeitskala des Schaltvorgangs, z. B. für wenigstens 10 ns oder wenigstens 100 ns oder wenigstens 10 µs, stattfinden. Zum Beispiel kann der Widerstand der hochohmigen Verbindung mehr als 100 Ω, oder mehr als 1 MΩ betragen.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt ein ohmscher Widerstand, der z. B. während einer Stillstandsituation gemessen wird, zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und dem Barrieregebiet 105 mehr als 100 Ω, oder sogar mehr als 1 MΩ.
  • Um sicherzustellen, dass das Barrieregebiet 105 elektrisch potentialfrei ist, erstreckt sich zum Beispiel das Barrieregebiet 105 nicht in das Übergangsgebiet 1-5; z. B. kann das Barrieregebiet 105 ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2, wie in 1 veranschaulicht, erstrecken.
  • Zum Beispiel erstreckt sich das Barrieregebiet 105 nicht in das Übergangsgebiet 1-5 hinein. Wie oben erklärt, kann das Übergangsgebiet 1-5 mit manchen der IGBT-Zellen 1-1 ausgestattet sein und daher als ein aktives Gebiet des Leistungshalbleiterschalters 1 betrachtet werden, d. h. ein Teil des Leistungshalbleiterschalters 1, der auch ein Teil des Laststroms leitet.
  • Bei einer Ausführungsform beinhaltet das Übergangsgebiet 1-5 weder einen Abschnitt des elektrisch potentialfreien Barrieregebiets 105 noch irgend ein weiteres elektrisch potentialfreies Halbleitergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps. Zum Beispiel ist kein potentialfreies p-dotiertes Halbleitergebiet in dem Übergangsgebiet 1-5 enthalten.
  • Das Barrieregebiet 105 ist elektrisch potentialfrei und zur gleichen Zeit kann das Barrieregebiet 105 in Kontakt mit wenigstens manchen der Gräben der IGBT-Zellen 1-1 angeordnet sein, wie oben erklärt wurde. Dementsprechend kann das Barrieregebiet 105 an die Grabenisolation 142, 152 und 162 angrenzen. Zum Beispiel erstreckt sich wenigstens die Source-Graben-Unterseite 165 und/oder wenigstens die Dummy-Graben-Unterseite 155 in das Barrieregebiet 105 hinein, z. B. sodass die Source-Grabenelektrode 161, die Dummy-Grabenelektrode 151 und das Barrieregebiet 105 einen gemeinsamen vertikalen Ausdehnungsbereich entlang der vertikalen Richtung Z von wenigstens 100 nm, von wenigstens 50 nm oder von wenigstens 1000 nm aufweisen (wobei sich das Barrieregebiet 105 im Vergleich zu den Grabenunterseiten ferner entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken kann).
  • Dieser Aspekt soll mit Bezug auf 6 ausführlicher erklärt werden, die einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des Leistungshalbleiterschalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft veranschaulicht.
  • Gemäß der in 6 veranschaulichten Ausführungsform, kann der erste Lastanschluss 11 teilweise durch eine Isolationsstruktur 80, z. B. eine Verkapselung, bedeckt sein. Innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 gibt es mehrere der IGBT-Zellen 1-1, von denen jede ein beispielhaftes Kontaktierungsschema/eine beispielhafte Nachbarschaftsbeziehungen aufweist: „SoSoSkGoDoDoDo“. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein anderes Kontaktierungsschema eingesetzt.
  • Die aktiven Mesas 18 sind mittels der ersten Kontaktstopfen 113 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden und die Source-Elektroden 161 der Source-Gräben 16 sind mittels zweiter Kontaktstopfen 115 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden. Die Steuerelektroden 141 der Steuergräben 14 und die Dummy-Elektroden 151 der Dummy-Gräben 15 sind z. B. mittels eines Gate-Runners elektrisch mit dem Steueranschluss 13 verbunden.
  • Innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 ist eine weitere IGBT-Zelle 1-1 angeordnet, die auch das Kontaktierungsschema „SoSoSkGoDoDoDo“ oder ein davon verschiedenes Kontaktierungsschema aufweisen kann. Ferner sind entlang der ersten lateralen Richtung X ein weiterer Dummy-Graben 15, weitere Source-Gräben 16 und ein Steuergraben 14 angeordnet, an die angrenzend eine aktive Mesa 18 angeordnet ist. Daher kann innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 ein Teil des Laststroms geleitet werden.
  • Die Grabenstruktur kann mit einem unterschiedlichen Kontaktierungsschema entlang der ersten lateralen Richtung X auch innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 fortgesetzt sein, wobei solche Gräben innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 Source-Gräben 16 sein können. Die Mesas zwischen den Source-Gräben 16 können mittels des ersten Kontaktstopfens 113 elektrisch dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein. Daher kann die Anordnung aus den Source-Gräben 16 und den Mesas zwischen diesen Gräben, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sind, Ladungsträgerabflusszellen bilden.
  • Innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 kann ferner das Halbleiterwannengebiet 109 des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet sein. Zum Beispiel ist das Wannengebiet 109 p-dotiert und erstreckt sich von der Isolationsschicht 112 entlang der vertikalen Richtung Z z. B. weiter im Vergleich zu der gesamten Ausdehnung der Gräben 14, 15, 16 und 16. Zum Beispiel erstreckt sich das Wannengebiet 109 etwa so tief in den Halbleiterkörper wie das Barrieregebiet 105. Zusätzlich kann das Wannengebiet 109 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 6 kann das Barrieregebiet 105 bei dem Übergang zwischen dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Übergangsgebiet 1-5 enden. Zum Beispiel ist das Barrieregebiet 105 ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet und erstreckt sich weder in das Übergangsgebiet 1-5 noch in das Randabschlussgebiet 1-3.
  • Andererseits ist das Wannengebiet 109 ausschließlich innerhalb des Randabschlussgebiets 1-3 angeordnet und erstreckt sich weder in das Übergangsgebiet 1-5 noch in das aktive Zellengebiet 1-2. Wie oben ausgeführt wurde, kann das Übergangsgebiet 1-5 das aktive Zellengebiet 1-2 vollständig umgeben und kann wiederum vollständig von dem Randabschlussgebiet 1-3 umgeben sein. Die minimale Breite W des Übergangsgebiets 1-5, z. B. der minimale Abstand zwischen dem Barrieregebiet 105 und dem Wannengebiet 109, beträgt 1 µm, wobei die minimale Breite größer als 1 µm, z. B. größer als 3 µm, größer als 5 µm oder sogar größer als 10 µm oder als 20 µm, sein kann. Entlang der Breite W kann ein Teil des Driftgebiets 100 vorhanden sein.
  • Da das Wannengebiet 109 z. B. mittels der ersten Kontaktstopfen 113 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist, wie beispielhaft veranschaulicht ist, kann das elektrische Potential innerhalb des Wannengebiets 109 im Wesentlichen identisch zu dem elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses 11 sein. Daher kann mittels des Übergangsgebiets 1-5 und seiner minimalen Breite W zuverlässiger sichergestellt werden, dass das Barrieregebiet 105 tatsächlich elektrisch potentialfrei ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Wannengebiet 109 eine elektrisch aktivierte maximale Dotierungsstoffkonzentration innerhalb des Bereichs von 1*1015 bis 5*1018 cm-3 auf. Es kann sich entlang der vertikalen Richtung Z z. B. weiter als die Gräben 14,15, 16 erstrecken, z. B. herab zu einer Ebene, die im Wesentlichen dem unteren pn-Übergang 1052 entspricht, der zwischen dem Barrieregebiet 105 und dem Driftgebiet 100 gebildet ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Barrieregebiet 105 eine laterale Struktur auf. Zum Beispiel ist das Barrieregebiet 15 als eine lateral strukturierte Schicht gebildet, die sich durch das gesamte aktive Zellengebiet 1-2 erstreckt, z. B. bis es an das Übergangsgebiet 1-5 angrenzt. Daher kann das Barrieregebiet 105 zum Beispiel ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet sein und erstreckt sich nicht in das Übergangsgebiet 1-5 hinein. Innerhalb des Zellengebiets 1-2 kann das Barrieregebiet 105 lateral strukturiert sein.
  • Zum Beispiel sind die IGBT-Zellen 1-1 mit einer lateralen Struktur gemäß einem ersten Layout mit einem ersten Rastermaß konfiguriert, und wobei die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 gemäß einem zweiten Layout konfiguriert ist, wobei das zweite Layout ein zweites Rastermaß wenigstens zweimal so groß wie das erste Rastermaß aufweist. Daher kann die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 im Vergleich zu dem Grabenmuster gröber sein.
  • Die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 kann durch mehrere durchgehende Durchgänge 1053 (nachfolgend einfach als „Durchgänge“ bezeichnet) gebildet sein. Ein solches Konzept ist in 7 beispielhaft auf die allgemeine Weise veranschaulicht. Zum Beispiel kann gemäß einem zweiten Layout jeder der Durchgänge 1053 eine maximale laterale Ausdehnung wenigstens zweimal so groß wie eine minimale Grabenbreite und/oder eine minimale Mesabreite, die gemäß dem ersten Layout gebildet ist/sind, aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform sehen der eine oder die mehreren Durchgänge 1053 einen Laststromdurchgang für Ströme unterhalb von 10 % oder sogar unterhalb von 1 % des Nennlaststroms des Leistungshalbleiterschalters 1 vor. Für größere Lastströme führt das gesamte aktive Zellengebiet 1-2 den Laststrom unabhängig davon, ob Teile bilateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappen oder nicht. Dementsprechend muss gemäß einer Ausführungsform für Lastströme unterhalb von 10 % oder sogar unterhalb von 1 % des nominalen Laststroms dieser nicht das Barrieregebiet 105 durchqueren, sondern kann durch den einen oder die mehrere Durchgänge 1053 gehen. Zum Beispiel ist das Barrieregebiet 105 in einer vertikalen Projektion (entlang der vertikalen Richtung Z) der Inversionskanäle, die in den aktiven Mesas 18 induziert werden können, z. B. in einer vertikalen Projektion der Source-Gebiete 101, nicht vorhanden, d. h. weist die Durchgänge 1053 auf.
  • Der in dem vorhergehenden Absatz beschriebene mögliche Effekt wurde oben auch ausführlicher verdeutlicht, nämlich mit Bezug auf den ersten Anteil des Gesamtvolumens der aktiven Mesas 18, der nicht lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt, und den zweiten Anteil des Gesamtvolumens der aktiven Mesas 18, der lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt.
  • Bei einer Ausführungsform sind der eine oder die mehreren Durchgänge 1053 so positioniert und/oder bemessen, dass sie lateral mit wenigstens einer Teilmenge der Source-Gebiete 101 überlappen.
  • Zum Beispiel kann das Barrieregebiet 105 einen „Teppich“ bilden, der innerhalb des aktiven Zellenfelds 1-2 und z. B. im Wesentlichen parallel zu sowohl dem ersten Lastanschluss 11 als auch dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist und von jedem dieser Anschlüsse 11, 12 mittels wenigstens des Driftgebiets 100 getrennt ist. Eine solche teppichartige Konfiguration des Barrieregebiets 105 kann so innerhalb des Halbleiterkörpers 10 positioniert sein, dass die Grabenunterseiten 145 und 155 und/oder 165 in das Barrieregebiet 105 eintauchen können.
  • Die Durchgänge 1053 können lateral mit einer oder mehreren der aktiven Mesas 18 überlappen. Dem oben eingeführten bildlichen Vokabular folgend, kann das Barrieregebiet 105 daher als ein „Flickenteppich“ implementiert werden, wobei der eine oder die mehreren Durchgänge 1053 vollständig mit Abschnitten des Driftgebiets 100 gefüllt sein können. Die Abmessungen, die Positionen und die Anzahl an Durchgängen 1053 können zum Beispiel gemäß der Zellenkonfiguration gewählt werden.
  • Das Barrieregebiet 105 kann als eine zusammenhängende Barriereschicht innerhalb des aktiven Zellenfeldes 1-2 des Leistungshalbleiterschalters 1, z. B. als der „Teppich“, implementiert werden. Wie oben angegeben wurde, kann sich jede der Dummy-Graben-Unterseiten 155 und/oder der Steuergrabenunterseiten 145 und/oder der Source-Graben-Unterseiten 165 in das Barrieregebiet 105 hinein erstrecken, z. B. können sich der Dummy-Graben 15 und/oder der Steuergraben 14 und/oder der Source-Graben 16 um wenigstens 100 nm, um wenigstens 500 nm oder um wenigstens 1000 nm in das Barrieregebiet 105 hinein erstrecken.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf 7 können die Durchgänge zum Beispiel gemäß Variante A Streifenkonfiguration aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Streifenkonfiguration der IGBT-Zellen 1-1 angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein zentraler Durchgang 1053 mit großen Abmessungen bereitgestellt (Variante B). Gemäß Varianten B und D sind mehrere kleinere der Durchgänge 1053 bereitgestellt, die gemäß verschiedenen Mustern verteilt sein können.
  • Jeder der mehreren Durchgänge 1053 kann durch einen Abschnitt des Driftgebiets 100 gefüllt sein. Dementsprechend kann innerhalb der Durchgänge 1053 ein n-dotiertes Halbleitergebiet vorhanden sein, das eine Dotierungsstoffkonzentration aufweist, die der Dotierungsstoffkonzentration des Driftgebiets entspricht. Bei einer anderen Ausführungsform, die weiter unten ausführlicher erklärt wird, können manche oder alle der Durchgänge 1053 mittels (tieferer) Gräben gefüllt sein.
  • Manche Ausführungsformen sind mit einem Barrieregebiet 105 versehen, dessen Durchgänge 1053 gemäß einer vordefinierten Gestaltungsregel positioniert und bemessen sind. Zum Beispiel kann das zweite Layout gemäß der Gestaltungsregel konfiguriert sein. Die Positionen und Abmessungen der Durchgänge 1053 können einen signifikanten Einfluss auf das dynamische Verhalten des Leistungshalbleiterschalters 1, z. B. bezüglich einer Spannungssteigung (dV/dt) während eines Einschaltvorgangs aufweisen.
  • Zum Beispiel kann der Abstand zwischen zwei willkürlichen der Durchgänge 1053, die angrenzend aneinander angeordnet sind, gemäß einer ersten Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kleiner als 1 mm sein.
  • Eine zweite Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kann sein, dass das Barrieregebiet 105 innerhalb einer Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist, wobei sich die Halbleiterschicht vollständig und ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 erstreckt und ein Gesamtvolumen aufweist, wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 0,1 % und höchstens 50 % des Gesamtvolumens bilden oder wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 1 % und höchstens 30 % des Gesamtvolumens bilden oder wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 1 % und höchstens 10 % des Gesamtvolumens bilden. Das verbleibende Volumen der Halbleiterschicht, d. h. der p-dotierte Teil des Barrieregebiets 105, kann durch Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet sein. Wie bereits oben angegeben ist, kann das verbleibende Volumen eine Dotierungsstoffkonzentration (vergleiche CC in 5) größer als 1*1014 cm-3 und kleiner als 4*1017 cm-3 aufweisen, wobei die Dotierungsstoffkonzentration innerhalb einer Ausdehnung entlang der vertikalen Richtung Z von wenigstens 0,1 µm oder wenigstens 0,5 µm vorhanden ist.
  • Eine dritte Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kann sein, dass das Barrieregebiet 105 trotz seiner Durchgänge 1053 die inaktiven Mesas 19, die in den mehreren IGBT-Zellen 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 enthalten sind, miteinander verbindet.
  • Eine vierte Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kann sein, dass die Durchgänge 1053 lateral mit wenigstens einer Teilmenge der aktiven Mesas 18 des aktiven Zellengebiets 1-2 überlappen. Zum Beispiel sind der eine oder die mehreren Durchgänge 1053 so positioniert und/oder bemessen, dass sie lateral mit wenigstens einer Teilmenge der Source-Gebiete 101 überlappen.
  • Eine fünfte Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kann sein, dass die Durchgänge 1053 lateral mit wenigstens einer Teilmenge der Steuergräben 14 des aktiven Zellengebiets 1-2 überlappen.
  • Eine weitere Vorschrift einer solchen Gestaltungsregel kann sein, dass sich das Barrieregebiet 105 wenigstens teilweise in eine Teilmenge der aktiven Mesas 18 hinein erstreckt, z. B. ohne einen Kontakt mit dem jeweiligen Steuergraben 14 herzustellen, der lateral durch die jeweilige aktive Mesa flankiert wird. Zum Beispiel kann das Barrieregebiet 105 dadurch dazu konfiguriert sein, einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen einem Abschnitt einer jeweiligen der Teilmenge der aktiven Mesas 18 und den Unterseiten 155 der Dummy-Gräben 15 vorzusehen. Daher kann es eine Vorschrift der Gestaltungsregel sein, dass die Durchgänge 1053 lateral mit einer oder mehreren der aktiven Mesas 18 der IGBT-Zellen 1-1 überlappen. Zum Beispiel kann die Gestaltungsregel spezifizieren, dass die Durchgänge 1053 lateral mit Bezug auf die Gesamtanzahl aktiver Mesas 18, die innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 vorhanden sind, mit wenigstens 1 % und höchstens 50 % der aktiven Mesas 18 überlappen. Wie oben erklärt, kann die laterale Überlappung des Barrieregebiets 105 und einer jeweiligen der aktiven Mesas 18 teilweise auftreten; d. h. das Barrieregebiet 105 muss nicht notwendigerweise vollständig mit der jeweiligen aktiven Mesa 18 überlappen, sondern z. B. mit bis zu 10 %, bis zu 30 % oder bis zu 70 % der Mesabreite der jeweiligen aktiven Mesa 18.
  • Mit Bezug auf 8A-D, die jeweils einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters 1 gemäß manchen Ausführungsformen schematisch und beispielhaft veranschaulichen, sollten beispielhafte laterale Strukturen des Barrieregebiets 105 vorhanden sein.
  • Unter Bezugnahme auf jede der 8A-D kann sich das Barrieregebiet 105 vollständig und ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 erstrecken. Innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 können die mehreren IGBT-Zellen 1-1 bereitgestellt sein, die jeweils wenigstens einen der Steuergräben 14 umfassen, der auf nicht mehr als einer seiner Seiten von einer jeweiligen aktiven Mesa 18 flankiert werden kann, die jeweils das Source-Gebiet 101 umfassen, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist. Obwohl die Source-Gebiete 101 als sich nach links und nach rechts von einem jeweiligen Steuergraben 14 erstreckend veranschaulicht sind, ist es eine Vorschrift, dass jeder der Anzahl an Steuergräben 14, die in der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa 18 angeordnet ist.
  • Die IGBT-Zellen 1-1, die in dem aktiven Gebiet 1-2 enthalten sind, können eine Konfiguration aufweisen, wie sie oben erklärt wurde (z. B. kSkGoDoG oder kSoSkGoDoG oder kSoSoSkGoDoG). Die IGBT-Zellen 1-1 weisen eine Streifenkonfiguration auf, die im Wesentlichen entlang der zweiten lateralen Richtung Y orientiert ist, wie auch oben erklärt wurde. Zum Beispiel erstreckt sich jede IGBT-Zelle 1-1 entlang der zweiten lateralen Richtung durch das gesamte aktive Zellengebiet 1-2.
  • In 8A-D sind mehrere Source-Gebiete 101 veranschaulicht, wobei manche mit einem jeweiligen Bezugszeichen versehen sind. Zum Beispiel bildet jedes der veranschaulichten Source-Gebiete 101 einen Teil von nur einer aktiven Mesa 18, wobei ein jeweiliger Steuergraben 14 an diese angrenzend angeordnet ist, wie in 6A veranschaulicht ist.
  • Das aktive Zellengebiet 1-2 kann vollständig von dem Übergangsgebiet 1-5 umgeben sein, dass wiederum vollständig von dem Randabschlussgebiet 1-3 umgeben sein kann. Das Übergangsgebiet 1-5 und das Randabschlussgebiet 1-3 können auf eine Weise konfiguriert sein, wie beispielhaft mit Bezug auf 6 erklärt wurde.
  • Wie in 8A-D veranschaulicht, kann die laterale Struktur des Barrieregebiets 105, das durch die Anzahl, die Abmessungen und die Position der Durchgänge 1053 gebildet bzw. definiert ist, im Vergleich zu dem Rastermaß, gemäß dem das Layout der Grabenstruktur gebildet ist, ein erheblich größeres Rastermaß aufweisen.
  • Zum Beispiel können unter Bezugnahme auf 8A die Durchgänge 1053 eine Orientierung im Wesentlichen parallel zu der Orientierung der Streifenkonfiguration der IGBT-Zellen 1-1 aufweisen. Ein jeweiliger der Durchgänge 1053 kann lateral mit mehreren angrenzenden Gräben und Mesas überlappen. Es wurde oben darauf hingewiesen, dass es angemessen sein kann, die Durchgänge 1053 so zu positionieren, dass sie lateral mit wenigstens einer Teilmenge der aktiven Mesas 18 überlappen, was gemäß der in 8B veranschaulichten Ausführungsform der Fall ist; dort ist die Position der Durchgänge 1053 so gewählt, dass die Durchgänge 1053 mit einer Teilmenge der Source-Gebiete 101 überlappen. Daher durchläuft ein Laststrom der Teilmenge der aktiven Mesas 18 nicht das Barrieregebiet 15, sondern fließt durch seine Durchgänge 1053. Wie weiter in 8A veranschaulicht, können gemäß einer Ausführungsform auch die Durchgänge 1053 an dem Übergang zwischen dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Übergangsgebiet 1-5 enden.
  • Die in 8B veranschaulichte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 8A veranschaulichten Ausführungsform, wobei die Durchgänge 1053 so bemessen und positioniert sind, dass sie vollständig innerhalb des Barrieregebiets 105 integriert sind und dass sie das Übergangsgebiet 1-5 nicht schneiden.
  • Gemäß der Ausführungsform, die schematisch und beispielhaft in 8C veranschaulicht ist, weisen die Durchgänge 1053 eine Orientierung im Wesentlichen senkrecht zu der Orientierung der Streifenkonfiguration der IGBT-Zellen 1-1 auf. Eine solche Orientierung, die ebenfalls schematisch und beispielhaft in der in 9 veranschaulichten perspektivischen Projektion veranschaulicht ist, kann eine Dämpfung bzw. Vermeidung einer Spannungsschwankung während des Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterschalters 1 unterstützen. Die in 8D veranschaulichte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 8C veranschaulichten Ausführungsform, wobei die Durchgänge 1053 so bemessen und positioniert sind, dass sie vollständig innerhalb des Barrieregebiets 105 integriert sind und dass sie das Übergangsgebiet 1-5 nicht schneiden.
  • Nun unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen, die in 10 und 11 schematisch und beispielhaft veranschaulicht sind, können manche oder alle der Durchgänge 1053 zusätzlich oder alternativ zu dem Driftgebiet 100 auch mit unteren Abschnitten der Gräben der IGBT-Zellen 1-1 gefüllt sein. Zum Beispiel sind manche oder alle der Durchgänge 1053 mit unteren Abschnitten der Steuergräben 14 gefüllt. Gemäß der in 10 veranschaulichten Ausführungsform kann dies dadurch erreicht werden, dass die Steuergräben 14 im Vergleich zu den Gräben, die die Durchgänge 1053 nicht füllen, mit einer größeren Gesamtausdehnung entlang der vertikalen Richtung Z gestaltet werden. Gemäß der in 11 veranschaulichten Ausführungsform kann dies erreicht werden, indem das Barrieregebiet 105 so bereitgestellt wird, dass die Durchgänge 1053 innerhalb jeweiliger lokaler Erhöhungen (mit Bezug auf die vertikale Richtung Z) angeordnet sind.
  • Nun unter Bezugnahme auf 12 bis 19 sollen weitere erklärende laterale Struktur des Barrieregebiets 105 präsentiert werden. Gemäß jeder der Ausführungsformen, die in 12 bis 19 schematisch und beispielhaft erklärt sind, ist das Kontaktierungsschema für jede IGBT-Zelle 1-1 innerhalb des aktiven Gebiets 1-2 „oDoDoDkGoSoSoD“. Jedoch wird, wie oben angegeben, bei einer anderen Ausführungsform ein unterschiedliches Kontaktierungsschema eingesetzt, wobei Beispiele für dieses weiter oben präsentiert wurden. Zum Beispiel ist ein geeignetes Beispiel „kSkGoDoG“.
  • Zum Beispiel können sich unter Bezugnahme auf 12 die Durchgänge 1053 parallel zu der Streifenkonfiguration des Steuergrabens 14 erstrecken. Das Barrieregebiet 105 erstreckt sich teilweise in manche der aktiven Mesas 18 hinein, die angrenzend an jede Seite des jeweiligen Steuergrabens 14 angeordnet sind. Wie veranschaulicht, können die Durchgänge 1053 entlang der ersten lateralen Richtung X bei jeder fünften IGBT-Zelle 1-1 vorliegen. Daher kann ein Abstand D zwischen zwei benachbarten Durchgängen 1053 entlang der ersten lateralen Richtung X größer als 500 µm sein, z. B. näherungsweise 700 µm betragen. Zum Beispiel überlappt das Barrieregebiet 105 daher lateral vollständig mit wenigstens immer genau 80 % der Gesamtanzahl der IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des aktiven Gebiets 1-2. Die verbleibenden 20 % der Gesamtanzahl an IGBT-Zellen 1-1 innerhalb des aktiven Gebiets 1-2 kann lateral mit den Durchgängen 1053 überlappen, z. B. mittels ihres jeweiligen Steuergrabens 14 und ihrer jeweiligen aktiven Mesas 18, wie in 2 veranschaulicht ist. Ferner, wie ebenfalls in 2 veranschaulicht, erstreckt sich das Wannengebiet 109 nicht in das Übergangsgebiet 1-5 und erstreckt sich das Barrieregebiet 15 ebenfalls nicht in das Übergangsgebiet 1-5. Stattdessen separiert das Übergangsgebiet 1-5 das Barrieregebiet 105 von dem Wannengebiet 109.
  • Gemäß der in 13 gezeigten Ausführungsform können die Durchgänge 1053 auch jeweils mit einem kleineren rechteckigen Querschnitt versehen sein und gemäß einem Inselmuster innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 definiert sein. Jeder der Durchgänge 1053 kann eine Breite entlang der ersten lateralen Richtung X innerhalb des Bereichs von 5 µm bis 20 µm und die Länge entlang der zweiten lateralen Richtung Y innerhalb des Bereichs von 5 µm bis 20 µm aufweisen.
  • Wie bereits mit Bezug auf 8A angemerkt, ist es, obwohl die Source-Gebiete 101 in 13 als sich nach links und nach rechts von einem jeweiligen Steuergraben 14 erstreckend veranschaulicht sind, eine Vorschrift, dass jeder der Anzahl an Steuergräben 14, die in der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa 18 angeordnet ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist für jeden der Durchgänge 1053 die Breite entlang der ersten lateralen Richtung X größer als die Länge entlang der zweiten lateralen Richtung Y der jeweiligen Durchgänge 1053, z. B. ist das Breite-zu-Länge-Verhältnis jedes Durchgangs größer als 2 oder sogar größer als 3. Daher können die Durchgänge eine derartige geometrische Konfiguration aufweisen, sodass sie sich eher senkrecht zu der Streifenkonfiguration der IGBT-Zellen 1-1 und nicht parallel zu dieser erstrecken. Eine solche Konfiguration kann zum Vermeiden/Reduzieren einer unerwünschten Spannungsschwankung/-oszillation an den Steuerelektroden 141 vorteilhaft sein.
  • Entlang der ersten lateralen Richtung X kann jede IGBT-Zelle 1-1 (von denen in 13 nur die Source-Gebiete 101 und die Steuergräben 14 veranschaulicht sind, wobei jedes der veranschaulichten Source-Gebiete 101 elektrisch mit zwei jeweiligen aktiven Mesas 18 verbunden ist, die mittels eines jeweiligen Steuergrabens 14 voneinander getrennt sind) lateral mit einem der Durchgänge 1053 überlappen. Entlang der zweiten lateralen Richtung Y kann jede IGBT-Zelle 1-1 lateral mit mehreren der Durchgänge 1053 überlappen. Zum Beispiel liegt ein Abstand Dx zwischen zwei Durchgängen 1053, die entlang der ersten lateralen Richtung X benachbart sind, innerhalb des Bereichs von einigen Mikrometern, z. B. 3 µm bis 5 µm. Ferner kann ein Abstand Dy zwischen zwei Durchgängen 1053, die entlang der zweiten lateralen Richtung Y benachbart sind, innerhalb des Bereichs von einigen Mikrometern, z. B. 5 µm bis 20 µm, z. B. näherungsweise 15 µm, liegen.
  • Entlang der zweiten lateralen Richtung Y können die Source-Gebiete 101 mit einem Abstand Ds innerhalb des Bereichs von 0,1 µm bis 20 µm positioniert werden. Zum Beispiel überlappt jeder Durchgang 1053 lateral mit wenigstens drei der Source-Gebiete 101 entlang der zweiten lateralen Richtung Y.
  • Eine ähnliche Konfiguration ist in 14 schematisch und beispielhaft veranschaulicht. Entlang der ersten lateralen Richtung X kann jede IGBT-Zelle 1-1 lateral mit einem der Durchgänge 1053 überlappen. Entlang der zweiten lateralen Richtung Y kann jede IGBT-Zelle 1-1 lateral mit mehreren der Durchgänge 1053 überlappen, wobei der Abstand D entlang der zweiten lateralen Richtung im Vergleich zu der in 13 gezeigten Ausführungsform erhöht ist.
  • Zum Beispiel überlappen die Durchgänge 1053 nicht lateral mit jedem der Dummy-Gräben 15. Stattdessen können sich manche oder alle der Dummy-Gräben 15 in das Barrieregebiet 105 hinein erstrecken. Zum Beispiel überlappen die Durchgänge 1053 teilweise mit den Steuergräben 14 und den Source-Gräben 16.
  • Die laterale Struktur des Barrieregebiets 105, die in 15 schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist, entspricht im Wesentlichen der Struktur, wie sie in jeder der 13 und 14 veranschaulicht ist. Entsprechend kann entlang der ersten lateralen Richtung X jede IGBT-Zelle 1-1 lateral mit einem der Durchgänge 1053 überlappen. Entlang der zweiten lateralen Richtung Y kann jede IGBT-Zelle 1-1 lateral mit mehreren der Durchgänge 1053 überlappen, wobei der Abstand D entlang der zweiten lateralen Richtung im Vergleich zu der in 14 gezeigten Ausführungsform erhöht ist. z. B. liegt ein Abstand Dy zwischen zwei Durchgängen 1053, die entlang der zweiten lateralen Richtung Y benachbart sind, innerhalb des Bereichs von einigen Mikrometern, z. B. 1 µm bis 2000 µm.
  • Gemäß Varianten, die in 16 schematisch und beispielhaft veranschaulicht sind, weist die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 ein schachbrettartiges Muster auf. Gemäß der Ausführungsform sind etwa 50 % des Gesamtvolumens des Barrieregebiets 105 durch die Durchgänge 1053 dargestellt (z. B. mit jeweiligen Abschnitten des Driftgebiets 100 gefüllt) und sind die verbleibenden 50 % des Barrieregebiets 105 p-dotierte Gebiete. Zum Beispiel kann jeder Durchgang 1053 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Jeder der Durchgänge 1053 kann eine solche Breite entlang der ersten lateralen Richtung X, dass er mit drei benachbarten IGBT-Zellen 1-1 überlappt, und eine solche Länge entlang der zweiten lateralen Richtung Y aufweisen, dass er mit drei benachbarten Source-Gebieten 101 überlappt. Entlang der zweiten lateralen Richtung Y können die Source-Gebiete 101 innerhalb eines Abstands Ds innerhalb des oben gegebenen Bereichs positioniert werden. Wie veranschaulicht, können die Durchgänge 1053 gemäß der Ausführungsform aus 16 und im Gegensatz zu der in 14 gezeigten Ausführungsform lateral mit den Dummy-Graben 15 überlappen.
  • Gemäß der weiteren Variante, die in 17 schematisch und beispielhaft veranschaulicht ist, kann der Volumenanteil der Durchgänge 1053 im Vergleich zu der in 16 gezeigten lateralen Struktur von 50 % auf weniger als 20 % verringert werden. Jeder der Durchgänge 1053 kann eine solche Breite entlang der ersten lateralen Richtung X, dass er mit drei benachbarten IGBT-Zellen 1-1 überlappt, und eine solche Länge entlang der zweiten lateralen Richtung Y aufweisen, dass er mit drei benachbarten Source-Gebieten 101 überlappt. Entlang der zweiten lateralen Richtung Y können die Source-Gebiete 101 innerhalb eines Abstands Ds innerhalb des oben gegebenen Bereichs positioniert werden. Wieder können, wie veranschaulicht, die Durchgänge 1053 auch gemäß der Ausführungsform aus 17 und im Gegensatz zu der in 14 gezeigten Ausführungsform lateral mit den Dummy-Gräben 15 überlappen. Ferner kann der Abstand Dx entlang der ersten lateralen Richtung X zwischen zwei benachbarten Durchgängen 1053 die Gesamtbreite von drei benachbarte IGBT-Zellen 1-1 betragen. Der Abstand Dy entlang der zweiten lateralen Richtung Y kann größer als der Abstand Dx sein. Zum Beispiel kann der Abstand Dy entlang der zweiten lateralen Richtung Y zwischen zwei benachbarten Durchgängen wenigstens achtmal der Abstand Ds betragen.
  • Wenn die Abmessung der Durchgänge 1053 mit Bezug auf die in 17 gezeigte Ausführungsform nichtmodifiziert beibehalten werden, kann die Dichte der Durchgänge 1053 gemäß der in 18 schematisch und beispielhaft veranschaulichten Ausführungsform erhöht werden und können daher die Abstände Dx und Die y verringert werden. Wie ferner in 17 und 18 veranschaulicht, können die Durchgänge 1053 so positioniert sein, dass zwei Durchgänge 1053, die entlang der zweiten lateralen Richtung Y mit einem Abstand Dy benachbart sind, keine laterale Überlappung entlang der ersten lateralen Richtung X aufweisen (wie in 17 veranschaulicht ist) oder dass zwei Durchgänge 1053, die entlang der ersten lateralen Richtung X mit einem Abstand Dx benachbart sind, keine laterale Überlappung entlang der zweiten lateralen Richtung Y aufweisen wie (in 18 veranschaulicht ist).
  • Während die Abmessungen der Durchgänge 1053 mit Bezug auf die in 17 gezeigte Ausführungsform nichtmodifiziert beibehalten werden, kann die Dichte der Durchgänge 1053 gemäß der in 19 schematisch und beispielhaft veranschaulichten Ausführungsform verringert werden und können daher die Abstände Dx und Die y erhöht werden.
  • Weitere Variationen der lateralen Struktur des Barrieregebiets 105 sind möglich. Wie bereits mit Bezug auf 8A angemerkt, versteht es sich auch gemäß den Ausführungsformen aus 12-19, dass, obwohl die Source-Gebiete 101 als sich nach links und nach rechts von einem jeweiligen Steuergraben 14 erstreckend veranschaulicht sind, eine Vorschrift, dass jeder der Anzahl an Steuergräben 14, die in der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa 18 angeordnet ist.
  • Zum Beispiel befolgt jede Variation der lateralen Struktur des Barrieregebiets 15, z. B. wie sie in 7 bis 19 beispielhaft und schematisch veranschaulicht sind, eine oder mehrere der folgenden Vorschriften einer Gestaltungsregel:
    1. (i) ein Abstand, z. B. die Abstände Dx und Dy, zwischen zwei willkürlichen der Durchgänge 1053, die angrenzend aneinander angeordnet sind, ist kleiner als 1 mm;
    2. (ii) das Barrieregebiet 105 ist innerhalb der Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers 10 angeordnet, wobei sich die Halbleiterschicht vollständig und ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 erstreckt und ein Gesamtvolumen aufweist, wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 0,1 % und höchstens 50 % des Gesamtvolumens bilden oder wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 1 % und höchstens 30 % des Gesamtvolumens bilden oder wobei die Durchgänge 1053 wenigstens 1 % und höchstens 10 % des Gesamtvolumens bilden. Das verbleibende Volumen der Halbleiterschicht, d. h. der p-dotierte Teil des Barrieregebiets 105, ist durch Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet;
    3. (iii) das Barrieregebiet 105 verbindet trotz seiner Durchgänge 1053 die inaktiven Mesas 19, die in den mehreren IGBT-Zellen 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2 enthalten sind, miteinander;
    4. (iv) die Durchgänge 1053 überlappen lateral mit wenigstens einer Teilmenge der aktiven Mesas 18 des aktiven Zellengebiets 1-2 (zum Beispiel sind der eine oder die mehreren Durchgänge 1053 so positioniert und/oder bemessen, dass sie lateral mit wenigstens einer Teilmenge der Source-Gebiete 101 der aktiven Mesas 18 überlappen);
    5. (v) die Durchgänge 1053 überlappen lateral mit wenigstens einer Teilmenge der Steuergräben 14 des aktiven Zellengebiets 1-2;
    6. (vi) das Barrieregebiet 105 erstreckt sich vollständig und ausschließlich innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 (und nicht in das Übergangsgebiet 1-5 hinein);
    7. (vii) das Barrieregebiet 105 erstreckt sich wenigstens teilweise in eine Teilmenge der aktiven Mesas 18 hinein ( z. B. ohne einen Kontakt mit dem jeweiligen Steuergraben 14 herzustellen, der lateral durch die jeweilige aktive Mesa flankiert wird). Zum Beispiel kann das Barrieregebiet 105 dazu konfiguriert sein, einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen einem Abschnitt einer jeweiligen der Teilmenge der aktiven Mesas 18 und den Unterseiten 155 der Dummy-Gräben 15 vorzusehen;
    8. (viii) die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 ist gemäß dem zweiten Layout so konfiguriert, dass sie das zweite Rastermaß aufweist, das wenigstens zweimal so groß wie das erste Rastermaß ist (die IGBT-Zellen 1-1 sind mit einer lateralen Struktur gemäß dem ersten Layout mit einem ersten Rastermaß, wie oben angegeben, konfiguriert);
    9. (ix) falls vorhanden (z. B. wenn der Leistungshalbleiterschalter 1 als ein RC-IGBT konfiguriert ist), können die Durchgänge 1053 lateral mit n-Typ-Emittern überlappen, die elektrisch mit dem zweiten Lastanschluss 12 verbunden sind.
  • Wie oben erklärt wurde, kann die Position und/oder die laterale Struktur des Barrieregebiets 105 (das z. B. durch einen oder mehrere Durchgänge 1053 gebildet ist) eine Unterteilung des Gesamtvolumens der aktiven Mesas 18 in den ersten Anteil und in den zweiten Anteil ermöglichen, wobei der erste Anteil nicht lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt und der zweite Anteil lateral mit dem Barrieregebiet 105 überlappt. Wie oben erklärt, überlappt der erste Anteil der aktiven Mesas 18 lateral mit dem wenigstens einen Durchgang 1053 des Barrieregebiets 105 oder mit einem anderen Abschnitt des Driftgebiets 100, wo das Barrieregebiet 105 nicht vorhanden ist (z. B. innerhalb des Übergangsgebiets 1-5). Im Gegensatz dazu überlappt der zweite Anteil der aktiven Mesas 18 lateral mit dem Barrieregebiet 105. Zum Beispiel durchquert der Laststrom, der durch den zweiten Anteil geleitet wird, das Barrieregebiet 105. Wie oben weiter erklärt wurde, ist bei einer Ausführungsform der erste Anteil dazu konfiguriert, den Laststrom wenigstens innerhalb des Bereichs von 0 % bis 100 % des Nennlaststroms zu führen, für den die Leistungshalbleitervorrichtung gestaltet ist. Der zweite Anteil kann dazu konfiguriert sein, den Laststrom nur dann zu führen, falls er wenigstens 0,5 % des Nennlaststrom überschreitet. Daher kann der erste Anteil der aktiven Mesas 18 als ein „Zündungsvolumen“ betrachtet werden, das zum Beispiel während des Einschaltens des Leistungshalbleiterschalters 1 beginnt, den Laststrom zu leiten, wohingegen der zweite Anteil anfänglich inaktiv verbleibt. Falls der Laststrom die Schwelle von wenigstens 0,5 % des Nennlaststroms überschreitet (wobei diese Schwelle höher als 0,5 %, z. B. höher als 1 %, z. B. wenigstens 5 % oder wenigstens 10 %, sein kann), kann das Barrieregebiet 105 dann leitfähiger werden, sodass der zweite Anteil ebenfalls den Laststrom führen kann.
  • Nun unter Bezugnahme auf 20 soll ein weiteres Merkmal beschrieben werden, das in jeder hier beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt werden soll.
  • 20 veranschaulicht einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts parallel zu der ZY-Ebene (nicht parallel zu der ZX-Ebene). Gemäß dem weiteren Merkmal umfasst der Schalter 1 eine Quergrabenstruktur 1415, die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen 1-1 assoziiert ist.
  • Die Quergrabenstruktur 1415 vereint jeden des wenigstens einen Steuergrabens 14, des wenigstens einen Dummy-Grabens 15 und des wenigstens einen weiteren (Steuer- oder Dummy-) Grabens der wenigstens einen IGBT-Zelle 1-1 miteinander. Zum Beispiel erstreckt sich die Quergrabenstruktur 1415 im Wesentlichen senkrecht zu der streifenartige Konfiguration des wenigstens einen Steuergrabens 14, des wenigstens einen Dummy-Grabens 15 und des wenigstens einen weiteren (Steuer- oder Dummy-) Grabens, z. B. im Wesentlichen entlang der ersten lateralen Richtung X, z. B. im Vergleich zu den anderen Gräben 14, 15, 16 um nicht mehr als 1 Mikrometer in der gesamten Tiefe abweichend. Zum Beispiel kann das Vereinen mittels wenigstens eines Grabenisolators und einer Grabenelektrode der Quergrabenstruktur 1415 erfolgen, sodass in Gebieten, wo das Vereinen stattfindet, die Gräben mittels des Halbleiterkörpers 10 oder nicht voneinander separiert sind.
  • Die Quergrabenstruktur 1415 überlappt wenigstens teilweise entlang der vertikalen Richtung Z mit den mehreren Gräben 14, 15 der wenigstens einen IGBT-Zelle 1-1. Daher kann sich die Quergrabenstruktur 1415 wie die mehreren der Gräben 14, 15 der wenigstens einen IGBT-Zelle 1-1 von der Halbleiterkörperoberfläche entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 10 hinein erstrecken.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Quergrabenstruktur 1415 innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet. Zum Beispiel können ein Teil des Körpergebiets 102 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und das Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 wenigstens mittels der Quergrabenstruktur 1415 voneinander separiert werden. Zudem kann die Quergrabenstruktur 1415 dazu konfiguriert sein, den Teil des Körpergebiets 102 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und das Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 elektrisch voneinander zu isolieren bzw. wenigstens zu einer elektrischen Isolation zwischen dem Teil des Körpergebiets 102 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 beizutragen. Der Teil des Körpergebiets 102 kann in der (den) inaktiven Mesa(s) 19 vorhanden sein.
  • Ferner können, falls vorhanden, das Barrieregebiet 105 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und das Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 wenigstens mittels der Quergrabenstruktur 1415 voneinander separiert werden. Zudem kann die Quergrabenstruktur 1415 dazu konfiguriert sein, das Barrieregebiet 105 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und das Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 elektrisch voneinander zu isolieren bzw. wenigstens zu einer elektrischen Isolation zwischen dem Barrieregebiet 105 in dem aktiven Zellengebiet 1-2 und dem Wannengebiet 109 in dem Randabschlussgebiet 1-3 beizutragen.
  • Zum Beispiel weist ein Teil des Driftgebiets 100, der sich in einer lateralen Richtung (z. B. der zweiten lateralen Richtung Y in 20) zwischen dem elektrisch potentialfreien Barrieregebiet 105 und dem Wannengebiet 109 befindet, eine lateraler Ausdehnung von wenigstens 1 µm in der lateralen Richtung auf. Ferner kann, wie in 20 veranschaulicht, die Quergrabenstruktur 1415 lateral mit diesem Teil des Driftgebiets 100 überlappen.
  • Bei einer Ausführungsform überlappt das Wannengebiet 109 lateral nicht mit der Unterseite der Quergrabenstruktur 1415. Wie auch mit Bezug auf 25 erklärt wird, kann eine Tiefe des Wannengebiets, wenn sich dieses von dem Randabschlussgebiet 1-3 zu dem aktiven Zellengebiet 1-2 hin erstreckt, (entlang der vertikalen Richtung Z) abnehmen und sogar an der Quergrabenstruktur 1415 enden. Aber zum Beispiel erstreckt sich das Wannengebiet 109 nicht unterhalb der Unterseite der Quergrabenstruktur 1415 zu dem aktiven Zellengebiet 1-2 hin; stattdessen wird der mögliche Kontakt zwischen der Quergrabenstruktur 1415 und dem Wannengebiet 109 z. B. nur bei den oberen 50 % der Seitenwand der Quergrabenstruktur 1415 hergestellt, die dem Randabschlussgebiet 1-3 zugewandt ist.
  • Wie in 21A (und in 26) klarer veranschaulicht ist, kann die Quergrabenstruktur 1415 mit mehr als nur einer der IGBT-Zellen 1-1 assoziiert sein, z. B. mit mehreren oder sogar mit allen der IGBT-Zellen 1-1 des aktiven Zellengebiets 1-2. Zum Beispiel kann die Quergrabenstruktur 1415, wie das Übergangsgebiet 1-5, sogar das gesamte aktive Zellengebiet 1-2 umgeben. Mit anderen Worten kann jede IGBT-Zelle 1-1 mit einer Quergrabenstruktur 1415 assoziiert werden und optional können die Quergrabenstrukturen 1415 miteinander zusammengeschlossen werden, um eine geschlossene Struktur zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen kann jede IGBT-Zelle 1-1 mit einer Quergrabenstruktur 1415 assoziiert werden und optional können die Quergrabenstrukturen 1415 nicht miteinander zusammengeschlossen werden, sondern sind getrennt voneinander.
  • Wie ferner in 21A veranschaulicht, kann sich die Quergrabenstruktur 1415 linear erstrecken, z. B. entlang der ersten lateralen Richtung X bei zwei gegenüberliegenden Abschnitten des Übergangsgebiets 1-5 und entlang der zweiten lateralen Richtung Y bei den zwei anderen gegenüberliegenden Abschnitten des Übergangsgebiets 1-5.
  • In 21A sind die IGBT-Zellen 1-1 der Einfachheit halber nur mit dem Steuergraben 14 und zwei angrenzenden Dummy-Gräben 15 veranschaulicht. Jedoch kann jede IGBT-Zelle 1-1 weitere Gräben umfassen, sodass sie z. B. eines der oben erwähnten Kontaktierungsschemata, z. B. eines von kSkGoDoG, kSoSkGoDoG und kSoSoSkGoDoG, aufweist.
  • Wie veranschaulicht, können die Gräben 14, 15, die in die Quergrabenstruktur 1415 münden, an der Quergrabenstruktur 1415 enden. Bei einer anderen Ausführungsform können die Gräben 14, 15, die in die Quergrabenstruktur 1415 münden, die Quergrabenstruktur 1415 sogar kreuzen und sich weiter in das Übergangsgebiet 1-5 hinein zu dem Randabschlussgebiet 1-3 oder sogar in dieses hinein erstrecken. Im Gegensatz dazu münden die Source-Gräben 16, falls vorhanden, zum Beispiel nicht in die Quergrabenstruktur 1415, sondern enden, bevor sie die Quergrabenstruktur 1415 erreichen (vergleiche zum Beispiel 26).
  • Bei der Ausführungsform ist das Barrieregebiet 105 nur innerhalb der Grenzen der Quergrabenstruktur 1415 und nicht außerhalb von diesen angeordnet. Ferner kann das Wannengebiet 109 lediglich außerhalb der Grenzen der Quergrabenstruktur 1415 und nicht innerhalb dieser angeordnet sein.
  • Nun unter Bezugnahme auf 21B kann die Quergrabenstruktur 1415 eine Quergrabenelektrode 14151 umfassen, die zum Beispiel jede der Steuergrabenelektrode 141, der Dummy-Grabenelektrode 151 und der weiteren Dummy-Grabenelektrode 151 miteinander verbinden kann. Die Quergrabenelektrode 14151 kann mittels eines Quergrabenisolators 14152 von dem Halbleiterkörper 10 isoliert sein. Bei einer Ausführungsform sind im Gegensatz zu den Steuer- und Dummy-Grabenelektroden 141, 151 die Source-Grabenelektroden 161 (falls vorhanden) natürlich nicht elektrisch mit der Quergrabenelektrode 14151 verbunden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Quergrabenstruktur 1415 im Wesentlichen nur aus einem Quergrabenisolator 14152 und weist keine eigene Elektrode auf, wie in 21C veranschaulicht ist.
  • Bei noch anderen Ausführungsformen, wie z. B. in 21D veranschaulicht, umfasst die Quergrabenstruktur 1415 die Quergrabenelektrode 14151, die elektrisch mit einem Potential, das von dem Potential des Steueranschlusses 13 verschieden ist, verbunden ist, z. B. mit dem ersten Lastanschluss 11, oder bei einer anderen Ausführungsform ist die Quergrabenelektrode 14151 elektrisch potentialfrei. Falls zum Beispiel die Quergrabenelektrode 14151 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden ist und falls vorhanden, können die Source-Grabenelektroden 161 der IGBT-Zellen 1-1 mit der Quergrabenelektrode 14151 auf eine ähnliche Weise vereint werden, wie mit Bezug auf die Dummy- und Steuergrabenelektroden 141, 151 beschrieben ist, wie in 21B veranschaulicht ist.
  • Die Quergrabenstruktur 1415 kann zum Beispiel die im Wesentlichen gleiche Breite und/oder im Wesentlichen gleiche Tiefe wie die Gräben 14, 15, 16 der IGBT-Zellen 1-1 aufweisen, wobei sie im Vergleich zu den anderen Gräben 14, 15, 16 um nicht mehr als 1 Mikrometer in der gesamten Tiefe abweicht. z. B. zum Sicherstellen, dass die Quergrabenstruktur 1415 die im Wesentlichen gleiche Tiefe (entlang der vertikalen Richtung Z) wie die Gräben 14, 15, 16 aufweist, sind Techniken bekannt, gemäß denen das Grabenlayout dort verjüngt wird, wo die Gräben 14, 15, 16 die Quergrabenstruktur 1415 schneiden.
  • Wie oben erklärt, können die Quergrabenstrukturen 1415 jeweils innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet sein. Alternativ dazu können die Quergrabenstrukturen 1415 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet sein bzw. können zusätzlich zu den Quergrabenstrukturen 1415, die jeweils innerhalb des Übergangsgebiets 1-5 angeordnet sein können, weitere (nicht veranschaulichte) Quergrabenstrukturen mit der gleichen Konfiguration innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet sein. Zum Beispiel können die weiteren (und optionalen) Quergrabenstrukturen in dem aktiven Zellengebiet 1-2 eingerichtet werden, indem Techniken, die als Abstandshaltergräben bekannt sind, angewandt werden, z. B. indem das Layout der Steuer- und Dummy-Gräben 14, 15 verbreitert wird, die so zu vereinen sind, dass die Grabenisolatoren 142, 152, die sich entlang der Mesabreite erstrecken, miteinander zusammengeschlossen werden. Eine solche Technik kann zum Beispiel zum Bilden der Quergrabenstrukturen 1415 in dem Übergangsgebiet 1-3 angewandt werden.
  • Es wird nun auf 22A-C und 23A-C Bezug genommen. 22A-C veranschaulichen einen Abschnitt einer horizontalen Projektion des aktiven Zellengebiets 1-2 des Schalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft, und 23A-C veranschaulichen einen entsprechenden Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des Schalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen schematisch und beispielhaft (23 entlang einer in 22A gezeigten Linie AA', 23 entlang einer in 22B gezeigten Linie BB' und 23C entlang einer in 22C gezeigten Linie CC').
  • Gemäß den in 22A-C und 23A-C veranschaulichten Ausführungsformen weist jede IGBT-Zelle 1-1 das Kontaktierungsschema „kSoSkGoDoG“ auf, das heißt einen Dummy-Graben 15, zwei Steuergräben 14, zwei Source-Gräben 16, zwei aktive Mesas 18 und drei inaktive Mesas 19, die mit der folgenden Nachbarschaftsbeziehung (Gräben sind fett gedruckt) angeordnet sind: 18 − 1 6 − 19 − 1 6 − 18 − 1 4 − 19 − 1 5 − 19 − 1 4 ( = " kSoSkGoDoG " )
    Figure DE102018130095B4_0004
  • Ferner weist der Schalter 1 gemäß den in 22A-C und 23A-C veranschaulichten Ausführungsformen sowohl das Barrieregebiet 105 des zweiten Leitfähigkeitstyps (nachfolgend als ein p-Barrieregebiet 105 bezeichnet) als auch das weitere Barrieregebiet 100-3 des ersten Leitfähigkeitstyps (hier auch als n-Barrieregebiet 100-3 bezeichnet) auf.
  • Das p-Barrieregebiet 105 kann auf eine Weise, wie oben ausführlich beschrieben ist, konfiguriert sein, z. B. als eine lateral strukturierte Halbleiterschicht mit den Durchgängen 1053.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, zum Beispiel wie beispielhaft in 22A-C und 23A-C veranschaulicht, ist das n-Barrieregebiet 100-3 auch lateral strukturiert, z. B. wenigstens entlang der ersten lateralen Richtung X. Zum Beispiel ist das n-Barrieregebiet innerhalb (z. B. nur innerhalb) des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet und erstreckt sich zum Beispiel nicht in das Randabschlussgebiet 1-3 hinein oder nicht einmal in das Übergangsgebiet 1-5 hinein. Wie das p-Barrieregebiet 105, kann das n-Barrieregebiet als eine lateral strukturierte Halbleiterschicht konfiguriert sein, die sich mit dem aktiven Zellengebiet 1-2 erstreckt.
  • Bei einer Ausführungsform weisen sowohl das p-Barrieregebiet 105 als auch das n-Barrieregebiet 100-3 eine jeweilige laterale Struktur auf. Zum Beispiel kann die laterale Struktur des n-Barrieregebiets 100-3 verschieden von der lateralen Struktur des p-Barrieregebiets 105 (die in 22A-C und 23A-C beispielhaft veranschaulicht ist) sein. Zum Beispiel können die Durchgänge 1053 des p-Barrieregebiets 105 lateral mit dem n-Barrieregebiet 100-3 überlappen.
  • Zum Beispiel umfasst das n-Barrieregebiet 100-3 mehrere Streifen, die sich parallel zu der Streifenkonfiguration der Gräben 14, 15 und 16 erstrecken, und jede IGBT-Zelle 1-1 kann einen der Streifen des n-Barrieregebiets 100-3 umfassen, wie beispielhaft in 22A-C und 23A-C veranschaulicht ist.
  • Ferner kann sich das p-Barrieregebiet 105 weiter entlang der vertikalen Richtung Z als das n-Barrieregebiet 10-3 erstrecken und kann sich das n-Barrieregebiet 100-3 weitere entgegen der vertikalen Richtung Z als das p-Barrieregebiet 105 erstrecken. Daher kann das p-Barrieregebiet 105 näher an dem zweiten Lastanschluss 12 als das n-Barrieregebiet 10-3 angeordnet sein und kann das n-Barrieregebiet 100-3 näher an dem ersten Lastanschluss 11 als das p-Barrieregebiet 105 angeordnet sein.
  • Zum Beispiel überlappt in jeder IGBT-Zelle 1-1 das n-Barrieregebiet 100-3 gemäß den in 22A-C und 23A-C veranschaulichen Ausführungsformen, und wie in 23A am besten veranschaulicht ist, mit dem Durchgang 1053 des p-Barrieregebiets 105.
  • Ferner erstreckt sich bei einer Ausführungsform das n-Barrieregebiet 100-3 zum Beispiel nicht in jene inaktiven Mesas hinein, die lateral durch nur Dummy- und/oder Steuergräben 14, 15 begrenzt sind. Zum Beispiel erstreckt sich das n-Barrieregebiet 100-3 nur in die aktiven Mesas 18 und, falls vorhanden, nur in jene inaktiven Mesas 19, die lateral durch zwei Source-Gräben 16 begrenzt werden, wie in 22A-C und 23A-C gezeigt ist. Zum Beispiel ist das n-Barrieregebiet 106-3 wenigstens mit jenen aktiven Mesas 18 implementiert, die lateral mit den Durchgängen des p-Barrieregebiets 1053 überlappen.
  • Das n-Barrieregebiet 100-3 ist zum Beispiel mit Bezug auf die vertikale Richtung Z zwischen dem Körpergebiet 102 und dem p-Barrieregebiet 105 angeordnet.
  • Zum Beispiel trennt das Körpergebiet 102 das n-Barrieregebiet 100-3 von dem Source-Gebiet 101 in jeder IGBT-Zelle 1-1; zum Beispiel befindet sich das n-Barrieregebiet 100-3 nicht in Kontakt mit dem Source-Gebiet 101, sondern ist mittels des Körpergebiets 102 von diesem getrennt.
  • Die Linie AA' in 22A erstreckt sich entlang der Source-Gebiete 101 der angrenzenden IGBT-Zellen 1-1, wie auch in 23A gezeigt ist. Wie weiter in 23A und noch klarer in 24 gezeigt ist, kann das Körpergebiet 102 ein stark dotiertes Kontaktgebiet 1023 des zweiten Leitfähigkeitstyps umfassen, das eine niederohmige Verbindung zu dem ersten Lastanschluss ermöglicht. Wie z. B. in 23A und 24 veranschaulicht, können das Source-Gebiet 101 und das stark dotierte Kontaktgebiet 1023 angrenzend aneinander in der aktiven Mesa 18 angeordnet sein, wobei sich beide in Kontakt mit dem ersten Kontaktstopfen 113 befinden.
  • Wie in 23B veranschaulicht, können innerhalb jeder IGBT-Zelle 1-1 das n-Barrieregebiet 100-3 und das p-Barrieregebiet 105 lateral miteinander überlappen. Dies kann zum Beispiel auftreten, wenn das n-Barrieregebiet 100-3 nicht lateral entlang der zweiten Richtung Y, sondern entlang der ersten Richtung X strukturiert ist, wohingegen das p-Barrieregebiet 105 lateral in beiden lateralen Richtungen X und Y strukturiert sein kann, wie oben ausführlich beschrieben ist.
  • Ein Aspekt, der bereits mit Bezug auf 5A-B erklärt wurde, ist auch schematisch in 23B' veranschaulicht: Das Vorhandensein bzw. das Nichtvorhandensein des n-Barrieregebiets 100-3 kann die vertikale Ebene des ersten pn-Übergangs 1021 beeinflussen, der zwischen dem Körpergebiet 102 und dem unterhalb von diesem angeordneten Halbleitergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps nämlich entweder dem oberen Driftgebietsabschnitt 100-1 oder dem stärker dotierten n-Barrieregebiet 100-3, angeordnet ist. Zum Beispiel ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der erste pn-Übergang 1021', der in Mesas gebildet ist, in die sich das n-Barrieregebiet 100-3 nicht erstreckt, tiefer (mit Bezug auf die vertikale Richtung Z) als die ersten pn-Übergangen 1021, die in Mesas gebildet sind, in die sich das n-Barrieregebiet erstreckt, angeordnet. Zum Beispiel beträgt der Unterschied der Tiefen zwischen diesen Arten erster pn-Übergänge 1021 und 1021' wenigstens 200 nm oder wenigstens 1 µm. Zum Beispiel können die Körpergebiete 102 aufgrund der Abwesenheit des n-Barrieregebiets 100-3 in manchen Mesas sogar einen Homoübergang mit dem p-Barrieregebiet 105 bilden, wie weiter oben mit Bezug auf 5A erklärt ist. In diesem Fall würde es entsprechend nur einen partiellen oder sogar gar keinen pn-Übergang 1021' geben.
  • Mit anderen Worten können gemäß einer Ausführungsform sowohl die wenigstens eine inaktive Mesa 19 als auch die wenigstens eine aktive Mesa 18 einen Abschnitt des Körpergebiets 102 umfassen, wobei sich der Körpergebietsabschnitt 102 in der inaktiven Mesa 19 weiter entlang der vertikalen Richtung Z als der Körpergebietsabschnitt 102 in der aktiven Mesa 18 erstreckt.
  • Zum Beispiel kann in dem aktiven Zellengebiet 1-2 in jenen inaktiven Mesas 19, die nicht das n-Barrieregebiet 100-3 umfassen und die lateral mit dem p-Barrieregebiet 105 überlappen, ein Homoübergang durch einen Übergang von dem Körpergebiet 102 in diesen inaktiven Mesas 19 zu dem p-Barrieregebiet 105 entlang der vertikalen Richtung Z gebildet werden. Da jedoch das Körpergebiet 102 in diesen Mesas zum Beispiel elektrisch potentialfrei (nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden) sein kann, verbleibt auch das p-Barrieregebiet 105 elektrisch potentialfrei, selbst wenn der Homoübergang gebildet wird.
  • Nun unter Bezugnahme auf 23C, die auch einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer aktiven Mesa 18 parallel zu der YZ-Ebene zeigt (ohne den ersten Kontaktstopfen 113 zu veranschaulichen), kann das Source-Gebiet 101 lateral in der zweiten Richtung Y strukturiert sein, was bereits in den vorhergehenden Zeichnungen, z. B. 9, gezeigt wurde. Ferner kann die aktive Mesa 18 entlang der zweiten lateralen Richtung Y erste Abschnitte, wo in der vertikalen Richtung das Source-Gebiet 101, das Körpergebiet 102, das n-Barrieregebiet 100-3 und das p-Barrieregebiet 105 untereinander angeordnet sind, und zweite Abschnitte, wo in der vertikalen Richtung das Source-Gebiet 101, das Körpergebiet 102, das n-Barrieregebiet 100-3 und der Durchgang 1053 des p-Barrieregebiets 105 (z. B. ein Driftgebietsabschnitt) untereinander angeordnet sind, umfassen.
  • Mit Bezug auf 25A-B bis 29 sollen weitere optionale Aspekte der Quergrabenstruktur 1415 beschrieben werden.
  • 25A veranschaulicht einen Abschnitt einer horizontalen Projektion des Schalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen und 25B einen entsprechenden Abschnitt eines vertikalen Querschnitts entlang der Linie DD' in 25A schematisch und beispielhaft.
  • Die IGBT-Zellen 1-1 des Schalters 1, die in 25A-B veranschaulicht sind, weisen das gleiche Kontaktierungsschema wie jene auf, die in 22A-C veranschaulicht sind, d. h. jede Zelle 1-1 weist einen Dummy-Graben 15, zwei Steuergräben 14, zwei Source-Gräben 16, zwei aktive Mesas 18 und drei inaktive Mesas 19 auf, die mit der folgenden Nachbarschaftsbeziehung (Gräben sind fett gedruckt) angeordnet sind: 18 − 1 6 − 19 − 1 6 − 18 − 1 4 − 19 − 1 5 − 19 − 1 4 ( = " kSoSkGoDoG " )
    Figure DE102018130095B4_0005
  • Was oben mit Bezug auf das p-Barrieregebiet 105 und das n-Barrieregebiet 100-3 angegeben wurde, kann gleichermaßen für die in 25A-B bis 29 veranschaulichten Ausführungsformen gelten. Wie beispielhaft in 25A gezeigt, kann das n-Barrieregebiet 100-3 innerhalb der aktiven Zelle 1-2 enden und sich zum Beispiel nicht in das Randabschlussgebiet 1-3 hinein erstrecken.
  • Wie oben weiter erklärt wurde und was auch in 25A veranschaulicht ist, ist in jeder IGBT-Zelle 1-1 der Dummy-Graben 15 zwischen zwei Steuergräben 14, ohne einen Source-Graben 16 oder einen anderen Graben dazwischen, angeordnet.
  • Für jede IGBT-Zelle 1-1 kann der Schalter 1 die assoziierte Quergrabenstruktur 1415 umfassen. Wie oben erklärt, vereint für jede Zelle 1-1 die jeweilige assoziierte Quergrabenstruktur 1415 jeden der zwei Steuergräben 14 und des Dummy-Grabens 15 miteinander. Wie die Steuer- und Dummy-Gräben 14, 15, erstreckt sich die Quergrabenstruktur 1415 entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiter 10 hinein (vergleiche 25B).
  • 25A veranschaulicht das Layout der Quergrabenstrukturen 1415, wobei die oben erwähnte Grabenverjüngungstechnik angewandt werden kann, sodass z. B. sichergestellt wird, dass sich die Quergrabenstrukturen 1415 etwa so weit wie die Gräben 14, 15, 16 entlang der vertikalen Richtung erstrecken. Ferner kann die Quergrabenstruktur 1415 zwei Quergräben 1415-1 und 1415-2 beinhalten (vergleiche 26), die jeweils zwei angrenzende Gräben 14, 15 miteinander koppeln, wie in 25A veranschaulicht ist, wobei die zwei Quergräben 1415-1 und 1415-2 entlang der zweiten lateralen Richtung Y lateral voneinander verschoben sein können.
  • 25B zeigt den Abschnitt des vertikalen Querschnitts entlang der Linie DD' in 25A, d. h. einen Abschnitt der inaktiven Mesa 19, der lateral durch den Dummy-Graben 15 und einen der Steuergräben 14 begrenzt wird. Entsprechend kann die Quergrabenstruktur 1415 in dem Übergangsgebiet 1-3 und bezüglich der zweiten lateralen Richtung Y zwischen dem p-Barrieregebiet 105 und dem Wannengebiet 109 angeordnet sein. Wie die anderen Gräben 14, 15, 16, umfasst die Quergrabenstruktur 1415 die Quergrabenelektrode 14151, die mittels des Quergrabenisolators 14152 elektrisch von dem Halbleiterkörper 10 isoliert ist. Wie oben (z. B. mit Bezug auf 21B) erklärt, kann (können) die Quergrabenelektrode(n) 1415 der Quergrabenstruktur 1415 (bzw. der Quergräben 1415-1 und 1415-2) elektrisch mit der Dummy-Grabenelektrode 151 und den Steuergrabenelektroden 141 verbunden sein.
  • Bei einer Ausführungsform, wie zum Beispiel in 25 veranschaulicht, durchdringt die Quergrabenstruktur 1415 das Körpergebiet 102, sodass z. B. des Körpergebiet 102, das in der inaktiven Mesa 19 innerhalb des aktiven Zellengebiets 1-2 angeordnet ist, von dem Wannengebiet 109 des Randabschlussgebiets 1-3 separiert wird. Im Gegensatz zu jenen Körpergebieten 102, die Teil der aktiven Mesas 18 in dem aktiven Zellenfeld 1-2 sind, sollen zum Beispiel jene Körpergebiete 102, die Teil der inaktiven Mesas 19 in dem aktiven Zellenfeld 1-2 sind, nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 oder irgendeinem anderen definierten Potential verbunden sein. Mit anderen Worten sind gemäß einer Ausführungsform jene Körpergebiete 102, die Teil der inaktiven Mesas sind, potentialfrei. Das Wannengebiet 109 ist zum Beispiel elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden. Zum Sicherstellen, dass jene Körpergebiete 102, die Teil der inaktiven Mesas 19 in dem aktiven Zellenfeld 1-2 sind, im Wesentlichen von dem ersten Lastanschluss 11 entkoppelt verbleiben, kann daher die Quergrabenstruktur 1415 dazu konfiguriert sein, das Wannengebiet 109 elektrisch von jenen Körpergebieten 102 zu isolieren, die Teil der inaktiven Mesas 19 in dem aktiven Zellenfeld 1-2 sind. Zum Beispiel kann das Wannengebiet 109 sogar eine Seite der Quergrabenstruktur 1415 kontaktieren und die andere Seite der Quergrabenstruktur kann durch eines der Körpergebiete 102 kontaktiert werden.
  • 26 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung der gestaffelten Anordnung der Quergrabenstruktur 1415 (wobei das Kontaktierungsschema von dem in 25A gezeigten Kontaktierungsschema abweicht). Zum Beispiel umfasst die Quergrabenstruktur 1415 die ersten Quergräben 1415-1, die zweiten Quergräben 1415-2 und die dritten Quergräben 1415-3. Zum Beispiel umgibt die Quergrabenstruktur 1415 das gesamte aktive Zellenfeld 1-2 (z. B. wie in 21A veranschaulicht ist) mit den sequenziell angeordneten ersten Quergräben 1415-1, den zweiten Quergräben 1415-2 und den dritten Quergräben 1415-3. Zum Beispiel ist die Quergrabenstruktur 1415 eine ununterbrochene Struktur, die das gesamte aktive Zellenfeld 1-2 umgibt (wie z. B. in 21A veranschaulicht ist), wodurch sie z. B. zur Entkopplung des Randabschlussgebiets 1-3 von dem aktiven Zellenfeld 1-2 beiträgt. Wie oben beschrieben, kann eine solche Entkopplung zum Beispiel eine elektrische Isolation des Körpergebiets 102 der inaktiven Mesas in dem aktiven Zellenfeld 1-2 von dem Wannengebiet 109 umfassen.
  • Die ersten und die zweiten Quergräben 1415-1 und 1415-2 können die Steuergräben 14 und die Dummy-Gräben (z. B. sogar mittels Quergrabenelektroden) miteinander koppeln. Die dritten Quergräben 1415-3 können zum Beispiel die aktive Mesa 18 schneiden und angrenzende erste und zweite Quergräben 1415-1 und 1415-2 miteinander koppeln.
  • Bei einer Ausführungsform münden jeder Steuergraben 14 und jeder Dummy-Graben 15 in die Quergrabenstruktur 1415, wohingegen jeder Source-Graben 16 mittels des Halbleiterkörpers 10 von der Quergrabenstruktur 1415 separiert ist, wie in 26 veranschaulicht ist. Zum Beispiel beträgt der Abstand zwischen jedem der Source-Gräben 16 und der Quergrabenstruktur 1415 entlang der zweiten lateralen Richtung Y wenigstens eine Breite des Steuergrabenisolators 142 (Breite entlang der ersten lateralen Richtung X), eine Breite von einer der aktiven Mesas 18 oder wenigstens 1 µm, wenigstens 2 µm oder wenigstens 3 µm.
  • Aufgrund der geschlossenen Anordnung, die durch die Quergrabenstrukturen 1415 in dem Übergangsgebiet 1-3 gebildet wird, erstrecken sich z. B. die Source-Gräben 16 (im Gegensatz zu den Steuer- und Dummy-Gräben 14, 15) nicht nahtlos von dem aktiven Zellengebiet 1-2 in das Übergangsgebiet 15 hinein zu dem Randabschlussgebiet 1-3 hin, sondern enden, bevor sie die geschlossene Anordnung erreichen, die durch die Quergrabenstrukturen 1415 in dem Übergangsgebiet 1-3 gebildet wird, wie z. B. oben erwähnt, in einem Abstand von wenigstens 1 µm, wenigstens 2 µm oder wenigstens 3 µm zu der Seitenwand der Quergrabenstruktur (d. h. dem jeweiligen dritten Quergraben 1415-3), die dem aktiven Zellengebiet 1-2 zugewandt ist. Zudem kann die „entkoppelte“ Ausdehnung des Source-Grabens 16 in dem Übergangsgebiet 1-5 und in dem Randabschlussgebiet 1-3 eine Grabenelektrode umfassen, die mit einem Potential verbunden ist, das von dem Potential des ersten Lastanschlusses 11 verschieden ist.
  • Mit Bezug auf 27-29 sollen einige weitere mögliche Anordnungen der Quergrabenstruktur 1415 beschrieben werden.
  • Die 27-29 zeigen zwei gegenüberliegende Abschnitte des Übergangsgebiets 1-5 (wobei z. B. auch auf die (bezüglich der Y-Richtung) „oberen“ und „unter“ Abschnitte in 21B verwiesen wird).
  • Gemäß den in 27 und 29 veranschaulichten Ausführungsformen weist jede IGBT-Zelle 1-1 das Kontaktierungsschema „SkGoSoDoSoGkSo“ auf, das heißt einen Dummy-Graben 15, zwei Steuergräben 14, vier Source-Gräben 16, zwei aktive Mesas 18 (die durch die ersten Kontaktstopfen 113 kontaktiert sind) und fünf inaktive Mesas 19, die mit der folgenden Nachbarschaftsbeziehung (Gräben sind fett gedruckt) angeordnet sind: 1 6 − 18 − 1 4 − 19 − 1 6 − 19 − 1 5 − 19 − 1 6 − 19 − 1 4 − 18 − 1 6 − 19.
    Figure DE102018130095B4_0006
  • Daher versteht es sich, dass die Steuergräben 14 und die Dummy-Gräben 15, die mittels der Quergrabenstruktur 1415 miteinanderverbunden sein können, nicht notwendigerweise aneinander angrenzend angeordnet sein müssen.
  • Gemäß der in 28 veranschaulichten Ausführungsform weist jede IGBT-Zelle 1-1 das geringfügig modifizierte Kontaktierungsschema „SkGoDoSoGkSo“ auf, das heißt einen Dummy-Graben 15, zwei Steuergräben 14, drei Source-Gräben 16, zwei aktive Mesas 18 (die durch die ersten Kontaktstopfen 113 kontaktiert sind) und vier inaktive Mesas 19, die mit der folgenden Nachbarschaftsbeziehung (Gräben sind fett gedruckt) angeordnet sind: 1 6 − 18 − 1 4 − 19 − 1 5 − 19 − 1 6 − 19 − 1 4 − 18 − 1 6 − 19.
    Figure DE102018130095B4_0007
  • Daher versteht es sich, auch mit Bezug auf 28, dass die Steuergräben 14 und die Dummy-Gräben 15, die mittels der Quergrabenstruktur 1415 miteinanderverbunden sein können, nicht notwendigerweise aneinander angrenzend angeordnet sein müssen.
  • Daher ist gemäß den in 27-29 veranschaulichten Ausführungsformen und wie oben erklärt für jede IGBT-Zelle 1-1 eine assoziierte Quergrabenstruktur 1415 bereitgestellt, in die jeder der Steuergräben 14 und jeder der Dummy-Graben 15 der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 mündet. Wie oben erklärt, kann jede Quergrabenstruktur 1415 die jeweilige Quergrabenelektrode 14151 umfassen, die elektrisch mit den jeweiligen Steuergraben- und Dummy-Grabenelektroden 141 und 151 verbunden sein kann. Die jeweiligen Steuergraben- und Dummy-Grabenelektroden 141 und 151 können sogar in Kontakt mit der Quergrabenelektrode 14151 angeordnet sein (vergleiche 21B).
  • Gemäß den in 27-29 veranschaulichten Ausführungsformen bilden die Quergrabenstrukturen 1415 der IGBT-Zellen 1-1 keine ununterbrochene Struktur, die das gesamte Zellenfeld 1-2 umgibt. Stattdessen münden jeweiligen Zellenteile, die die zwei aktiven Mesas 18, zwei Source-Gräben 16 dazwischen und die inaktive Mesa 19, die lateral durch diese zwei Source-Gräben 16 begrenzt ist, umfassen, nahtlos in das Übergangsgebiet 1-5. Gemäß einer Ausführungsform ist eine erste Teilmenge der Steuerelektroden, die durch einen ununterbrochenen Teil der Quergrabenstruktur 1415 miteinander vereint sind, mit dem Steueranschluss 13 verbunden, wohingegen eine zweite Teilmenge der Steuergrabenelektroden 141, die durch einen zweiten ununterbrochenen Teil der Quergrabenstruktur 1415 miteinander vereint sind, mit dem weiteren Steueranschluss verbunden ist.
  • Gemäß den in 27-29 veranschaulichten Ausführungsformen und wie oben erklärt wurde münden die Source-Gräben 16 zum Beispiel nicht in die Quergrabenstrukturen 1415, sondern sind von diesen z. B. um einen oder mehrere Mikrometer entlang der zweiten lateralen Richtung Y verschoben. Dies kann eine kammartige Einbettung mancher der Source-Gräben 16 innerhalb des aktiven Zellenfelds 1-2 ergeben, nämlich jener Source-Gräben 16, die lateral durch zwei Gräben begrenzt werden, die jeweils entweder ein Steuergraben 14 oder ein Dummy-Graben 15 sind (die mittels der Quergrabenstruktur 1415 miteinander gekoppelt sind). Gemäß 27 umfasst jede IGBT-Zelle 1-11 zwei solche kammartigen eingebetteten Source-Gräben 16, wohingegen jede IGBT-Zelle 1-1 gemäß 28 nur einen solchen kammartigen eingebetteten Source-Graben 16 umfasst.
  • 29 zeigt eine Variante von 26, gemäß der der Dummy-Graben 15 jeder IGBT-Zelle 1-1 mittels jeweils zwei angrenzender Source-Gräben 16 auf eine kammartige Weise eingebettet ist. Zu diesem Zweck kann jede IGBT-Zelle 1-1 eine Source-Graben-Zwischenverbindungsstruktur 167 umfassen, die zwei Source-Gräben 16 der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 miteinander verbindet und die ähnlich wie die Quergrabenstruktur 1415 konfiguriert sein kann. Die Source-Graben-Zwischenverbindungsstruktur 167 kann zum Beispiel in der Peripherie des aktiven Zellenfeldes 1-2 in einem Gebiet, wo das aktive Zellenfeld 1-2 an das Übergangsgebiet 1-3 angrenzt, angeordnet sein. Zum Beispiel mündet der kammartige eingebettete Dummy-Graben 15 nicht in die Source-Graben-Zwischenverbindungsstruktur 167, sondern ist von diesem entlang der zweiten lateralen Richtung Y verschoben (z. B. ähnlich wie die anderen Source-Gräben 16 nicht in die Quergrabenstruktur 1415 münden).
  • Eine oder mehrere oder alle hier beschriebenen Ausführungsformen können jeweils ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    1. (i) Zum Beispiel ist in jeder IGBT-Zelle 1-1 die aktive Mesa 18 durch einen Steuergraben 14 und einen Source-Graben 16 lateral begrenzt (z. B. entlang der ersten lateralen Richtung X).
    2. (ii) Zum Beispiel ist in jeder IGBT-Zelle 1-1 das weitere Barrieregebiet 100-3 (das hier auch als n-Barrieregebiet bezeichnet wird) nur in der (den) aktiven Mesa(s) 18 und jener (jenen) inaktiven Mesa(s) 19, die lateral durch zwei Source-Gräben 16 begrenzt ist (sind), implementiert. Im Gegensatz dazu ist das n-Barrieregebiet 100-3 nicht in jenen inaktiven Mesas angeordnet, die lateral durch Steuergräben 14 und/oder Dummy-Gräben 15 begrenzt sind. Das n-Barrieregebiet 100-3 erstreckt sich z. B. ausschließlich in jene Mesas 18, 19 hinein, die lateral durch entweder einen Steuergraben 14 und einen Source-Graben 16 oder durch zwei Source-Gräben 16 begrenzt sind.
    3. (iii) Zum Beispiel überlappt jede von wenigstens 90 % der IGBT-Zellen 1-1 oder sogar jede der IGBT-Zellen 1-1 lateral wenigstens teilweise mit dem p-Barrieregebiet 105.
    4. (iv) Zum Beispiel weist jede IGBT-Zelle 1-1 eine assoziierte Quergrabenstruktur auf, die z. B. in dem Übergangsgebiet 1-5 angeordnet ist, wobei die Quergrabenstruktur 1415 wenigstens einen Steuergraben 14, wenigstens einen Dummy-Graben 15 und wenigstens einen weiteren Steuer- oder Dummy-Graben 14; 15 der jeweiligen IGBT-Zelle 1-1 vereint.
    5. (v) Zum Beispiel weist jede IGBT-Zelle 1-1 das gleiche Kontaktierungsschema auf, z. B. (unter Verwendung der oben eingeführten Abkürzungen) eines von Folgenden: kSkGoDoG
      Figure DE102018130095B4_0008
       kSoSkGoDoG
      Figure DE102018130095B4_0009
       kSoSoSkGoDoG
      Figure DE102018130095B4_0010
    6. (vi) Zum Beispiel können die oben identifizierten beispielhaften Kontaktierungsschemata (1) bis (3) und die hier erwähnten anderen beispielhaften Kontaktierungsschemata ermöglichen, dass der Schalter 1 mit unterschiedlichen Steuerspannungen betrieben wird. Wie z. B. oben erwähnt, kann der Schalter 1 zusätzlich zu dem Steueranschluss 13 einen (nicht veranschaulichten) weiteren Steueranschluss umfassen und zum Beispiel wird jede zweite IGBT-Zelle 1-1 basierend auf einem Steuersignal betrieben, das von dem Steueranschluss 13 an die jeweilige(n) Steuerelektrode(n) 141 jeder zweiten IGBT-Zelle 1-1 geliefert wird, und jede andere zweite IGBT-Zelle 1-1 wird basierend auf einem Steuersignal betrieben, das von dem weiteren Steueranschluss an die jeweilige(n) Steuerelektrode(n) 141 jeder anderen zweiten IGBT-Zelle 1-1 geliefert wird. Die beispielhaft beschriebenen Kontaktierungsschemata würden entsprechenden sogar ermöglichen, den Schalter mit mehr als zwei Steuersignalen zu betreiben.
  • Hier ist auch ein Verfahren präsentiert. Das Verfahren umfasst Verarbeiten eines Leistungshalbleiterschalters. Der verarbeitete Leistungshalbleiterschalter umfasst einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss. Der verarbeitete Leistungshalbleiterschalter ist dazu konfiguriert, einen Laststrom entlang einer vertikalen Richtung zwischen den Anschlüssen zu leiten. Das Verarbeiten des Leistungshalbleiterschalters umfasst Bilden von Folgendem: ein aktives Zellengebiet mit einem Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Randabschlussgebiet mit einem Wannengebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss zu verbinden ist; mehrere IGBT-Zellen, die innerhalb des aktiven Zellengebiets angeordnet sind, wobei jede der IGBT-Zellen mehrere Gräben umfasst, die sich entlang der vertikalen Richtung in das Driftgebiet erstrecken und die mehrere Mesas lateral begrenzen. Die mehreren Gräben beinhalten Folgendes: wenigstens einen Steuergraben mit einer Steuerelektrode zum Steuern des Laststroms; wenigstens einen Dummy-Graben mit einer Dummy-Elektrode, die elektrisch mit der Steuerelektrode zu koppeln ist; wenigstens einen weiteren Graben mit einer weiteren Grabenelektrode, wobei der wenigstens eine weitere Graben ein weiterer Steuergraben und ein weiterer Dummy-Graben ist. Die mehreren Mesas beinhalten Folgendes: wenigstens eine aktive Mesa, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss innerhalb des aktiven Zellengebiets zu verbinden ist und dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten, wobei jeder der Reihe von Steuergräben, die in der jeweiligen IGBT-Zelle enthalten sind, angrenzend als nicht mehr als eine aktive Mesa angeordnet ist; wenigstens eine inaktive Mesa, die angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben angeordnet ist und nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss zu verbinden ist. Das Verarbeiten des Leistungshalbleiterschalter umfasst ferner Bilden einer Quergrabenstruktur, die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen assoziiert ist, wobei die Quergrabenstruktur jeden des wenigstens einen Steuergrabens, des wenigstens einen Dummy-Grabens und des wenigstens einen weiteren Grabens der wenigstens einen IGBT-Zelle miteinander zusammenfügt, wobei die Quergrabenstruktur wenigstens teilweise mit den mehreren Gräben der wenigstens einen IGBT-Zelle entlang der vertikalen Richtung überlappt.
  • Ausführungsbeispiele des Verfahren entsprechen den oben präsentierten beispielhaften Ausführungsformen des Schalter 1.
  • Zum Beispiel umfasst eine Ausführungsform des Verfahrens Bilden des (p-)Barrieregebiets 105. Dies kann zum Beispiel Ausführen eines oder mehrerer erster Implantationsverarbeitungsschritte und/oder eines oder mehrerer erster lithografischer Verarbeitungsschritte umfassen, z. B. zum Versehen des Barrieregebiets 105 mit einer lateralen Struktur, wie z. B. oben mit Bezug auf die Zeichnungen erwähnt ist.
  • Zum Beispiel umfasst eine Ausführungsform des Verfahrens Bilden des weiteren (n-)Barrieregebiets 100-3. Dies kann zum Beispiel Ausführen eines oder mehrerer zweiter Implantationsverarbeitungsschritte und/oder eines oder mehrerer zweiter lithografischer Verarbeitungsschritte umfassen, z. B. zum Versehen des weiteren Barrieregebiets 100-3 mit einer lateralen Struktur, wie z. B. oben mit Bezug auf die Zeichnungen erwähnt ist. Zum Beispiel wird das weitere Barrieregebiet 100-3 mit einer lateralen Struktur versehen, die von der lateralen Struktur des Barrieregebiets 105 verschieden ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann das Bilden der Quergrabenstruktur 1415 Anwenden einer Grabenverjüngungstechnik einschließen, sodass z. B. sichergestellt wird, dass sich die Quergrabenstruktur 1415 entlang der vertikalen Richtung Z im Wesentlichen so weit wie die Gräben 14, 15, 16 der IGBT-Zellen 1-1 erstreckt, sodass z. B. die Quergrabenstruktur im Vergleich zu den anderen Gräben 14, 15, 16 in der Gesamttiefe um nicht mehr als 1 Mikrometer abweicht.
  • Zuvor wurden Ausführungsformen erklärt, die Leistungshalbleiterschalter und entsprechende Verarbeitungsverfahren betreffen. Diese Halbleiterschalter basieren zum Beispiel auf Silicium (Si). Entsprechend kann ein(e) monokristalline(s) Halbleitergebiet oder -schicht, z. B. der Halbleiterkörper 10 und seine Gebieten/Zonen ein(e) monokristalline(s) Si-Gebiet oder Si-Schicht sein. Bei anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silicium eingesetzt werden.
  • Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper 10 und seine Gebiete/Zonen aus einem beliebigem Halbleitermaterial gefertigt sein können, das zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung geeignet ist. Beispiele für solche Materialien beinhalten unter anderem elementare Halbleitermaterialien, wie etwa Silicium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe-IV-Verbindungshalbleitermaterialien, wie etwa Siliciumcarbid (SiC) oder Silicium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre Ill-V-Halbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumindiumnitrid (AllnN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGalnN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie etwa Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die zuvor erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als „Homoübergang-Halbleitermaterialien“ bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroüberganghalbleitermaterial gebildet. Beispiele für Heteroübergang-Halbleitermaterialien beinhalten unter anderem Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AlGalnN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AlGaInN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Galliumnitrid(GaN), Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Galliumnitrid(GaN), lndiumgalliumnitrid(lnGaN)-Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN), Silicium-Siliciumcarbid (SixC1-x) und Silicium-SiGe-Heteroübergang-Halbleitermaterialien. Für Leistungshalbleitervorrichtungsanwendungen werden zurzeit hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet.
  • Die räumlich relativen Begriffe, wie „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „obere/r“ und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet, um die Position eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Es wird beabsichtigt, dass diese Begriffe zusätzlich zu denjenigen, die in den Figuren dargestellt sind, verschiedene Orientierungen der entsprechenden Vorrichtung einschließen. Ferner werden auch Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und es wird auch hier nicht beabsichtigt, dass diese beschränkend sind. Über die gesamte Beschreibung hinweg verweisen gleiche Ausdrücke auf gleiche Elemente.
  • Wie hier verwendet, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „umfassend“, „zeigend“ und dergleichen offene Begriffe und geben das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale an, schließen aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale aus.

Claims (22)

  1. Leistungshalbleiterschalter (1), der einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) umfasst, wobei der Halbleiterschalter (1) dazu konfiguriert ist, einen Laststrom entlang einer vertikalen Richtung (Z) zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, und Folgendes umfasst: - ein aktives Zellengebiet (1-2) mit einem Driftgebiet (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps; - ein Randabschlussgebiet (1-3) mit einem Wannengebiet (109) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) verbunden ist; - mehrere IGBT-Zellen (1-1), die innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) angeordnet sind, wobei jede der IGBT-Zellen (1-1) mehrere Gräben (14, 15, 16) umfasst, die sich entlang der vertikalen Richtung (Z) in das Driftgebiet (100) erstrecken und die mehrere Mesas (18, 19) lateral begrenzen; wobei die mehreren Gräben Folgendes beinhalten: - wenigstens einen Steuergraben (14) mit einer Steuerelektrode (141) zum Steuern des Laststroms; - wenigstens einen Dummy-Graben (15) mit einer Dummy-Elektrode (151), die elektrisch mit der Steuerelektrode (141) gekoppelt ist; - wenigstens einen weiteren Graben (14; 15) mit einer weiteren Grabenelektrode (141; 151), wobei der wenigstens eine weitere Graben (14) ein weiterer Steuergraben oder ein weiterer Dummy-Graben (15) ist; wobei die mehreren Mesas beinhalten Folgendes: - wenigstens eine aktive Mesa (18), die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) verbunden ist und dazu konfiguriert ist, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten, wobei jeder der Reihe von Steuergräben (14), die in der jeweiligen IGBT-Zelle (1-1) enthalten sind, angrenzend an nicht mehr als eine aktive Mesa (18) angeordnet ist, wobei sich ein Teil des Driftgebiets (100) in die wenigstens eine aktive Mesa (18) erstreckt und ein Nettodotierungsstoffkonzentrationsprofil entlang der vertikalen Richtung (Z) aufweist, wobei die Nettodotierungsstoffkonzentration ein lokales Maximum (LMNET) innerhalb eines zentralen Teils der vertikalen Ausdehnung der wenigstens einen aktiven Mesa aufweist (18); - wenigstens eine inaktive Mesa (19), die angrenzend an den wenigstens einen Dummy-Graben (15) angeordnet ist und nicht elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) verbunden ist; - eine Quergrabenstruktur (1415), die mit wenigstens einer der IGBT-Zellen (1-1) assoziiert ist, wobei die Quergrabenstruktur (1415) jeden des wenigstens einen Steuergrabens (14), des wenigstens einen Dummy-Grabens (15) und des wenigstens einen weiteren Grabens (14; 15) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) miteinander zusammenfügt, wobei die Quergrabenstruktur (1415) wenigstens teilweise mit den mehreren Gräben (14, 15, 16) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) entlang der vertikalen Richtung (Z) überlappt.
  2. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 1, wobei jede IGBT-Zelle (1-1) ferner Folgendes umfasst: - wenigstens einen Source-Graben (16) mit einer Source-Elektrode (161), die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (11) verbunden ist.
  3. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede IGBT-Zelle (1-1) ferner Folgendes umfasst: - ein elektrisches potentialfreies Barrieregebiet (105) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei sich wenigstens eine Unterseite (155) des wenigstens einen Dummy-Grabens (15) wenigstens teilweise in das elektrisch potentialfreie Barrieregebiet (105) hinein erstreckt.
  4. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 3, wobei ein Teil des Driftgebiets (100), der sich in einer lateralen Richtung (X, Y) zwischen dem elektrisch potentialfreien Barrieregebiet (105) und dem Wannengebiet (109) befindet, eine lateraler Ausdehnung von wenigstens 1 µm in der lateralen Richtung aufweist.
  5. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 4, wobei die Quergrabenstruktur (1415) lateral mit dem Teil des Driftgebiets (100) überlappt.
  6. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei sich das elektrisch potentialfreie Barrieregebiet (105) nicht in das Übergangsgebiet (1-5) zwischen dem aktiven Zellengebiet (1-2) und dem Randabschlussgebiet (1-3) hinein erstreckt.
  7. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei das Barrieregebiet (105) entlang der vertikalen Richtung (Z) durch einen oberen Abschnitt (100-1) des Driftgebiets (100) auf der einen Seite und durch einen unteren Abschnitt (100-2) des Driftgebiets (100) auf der anderen Seite begrenzt wird, wobei der obere Abschnitt (100-1) einen Übergang zu Körpergebieten (102) der IGBT-Zellen (1-1) bildet.
  8. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Barrieregebiet (105) als eine lateral strukturierte Schicht gebildet ist, die sich innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) erstreckt.
  9. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 8, wobei die laterale Struktur des Barrieregebiets (105) mehrere Durchgänge (1053) beinhaltet.
  10. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 9, wobei jeder der mehreren Durchgänge (1053) durch entweder einen Abschnitt des Driftgebiets (100) oder durch einen Abschnitt eines Grabens (14) einer jeweiligen der IGBT-Zellen (1-1) gefüllt ist.
  11. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, wobei das Barrieregebiet (105) innerhalb einer Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist, wobei sich die Halbleiterschicht innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) erstreckt und ein Gesamtvolumen innerhalb des aktiven Zellengebiets (1-2) aufweist, und wobei die Durchgänge (1053) wenigstens 0,1 % und höchstens 50 % des Gesamtvolumens bilden und wobei das verbleibende Volumen der Halbleiterschicht durch Halbleitergebiete des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.
  12. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner in wenigstens einer der IGBT-Zellen (1-1) ein weiteres Barrieregebiet (100-3) des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, wobei das weitere Barrieregebiet (100-3) innerhalb wenigstens einer aktiven Mesa (18) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) angeordnet ist und eine Dotierungskonzentration aufweist, die wenigstens zweimal so groß wie für das Driftgebiet ist.
  13. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 12, wobei das weitere Barrieregebiet (100-3) einen Teil des oberen Driftgebietsabschnitts (100-2) bildet.
  14. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Ansprüchen 12 oder 13, wobei sich das weitere Barrieregebiet (100-3) nicht in eine der inaktiven Mesas (19) hinein erstreckt, die angrenzend an einen der Dummy-Gräben (14) angeordnet sind.
  15. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14 und Anspruch 9 oder 10, wobei das weitere Barrieregebiet (100-3) lateral mit wenigstens einem der Durchgänge (1053) überlappt.
  16. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quergrabenstruktur (1415) eine Quergrabenelektrode (14151) umfasst, die jede der Steuergrabenelektrode (141), der Dummy-Grabenelektrode (151) und der weiteren Grabenelektrode (141; 151) miteinander verbindet.
  17. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in jeder der IGBT-Zellen (1-1) der wenigstens eine Steuergraben (14), der wenigstens eine Dummy-Graben (15) und der wenigstens eine weitere Graben (14; 15) der wenigstens einen IGBT-Zelle (1-1) angrenzend aneinander angeordnet sind.
  18. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 2 und optional einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in jeder der IGBT-Zellen (1-1) der wenigstens eine Source-Graben (16) angrenzend an den wenigstens einen Steuergraben (14) angeordnet ist und wobei der wenigstens eine Steuergraben (14) und der wenigstens eine Source-Graben (16) die wenigstens eine aktive Mesa (18) lateral begrenzen.
  19. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 18 und Anspruch 12 und optional einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das weitere Barrieregebiet (100-3) ausschließlich in jene Mesas (18, 19) hinein erstreckt, die lateral durch entweder einen Steuergraben (14) und einen Source-Graben (16) oder durch zwei Source-Gräben (16) begrenzt sind.
  20. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quergrabenstruktur (1415) wenigstens einen Teil der inaktiven Mesa (19) elektrisch von dem Wannengebiet (109) isoliert.
  21. Leistungshalbleiterschalter (1) nach Anspruch 3 und optional einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Körpergebietsabschnitt, der in der inaktiven Mesa (19) vorhanden ist, einen Homoübergang mit dem Barrieregebiet (105) bildet.
  22. Leistungshalbleiterschalter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede IGBT-Zelle (1-1) wenigstens eine assoziierte Quergrabenstruktur (1415) aufweist und wobei die Quergrabenstrukturen (1415) aller IGBT-Zellen 1-1 das aktive Zellengebiet (1-2) umgeben.
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