DE102019106480A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Keiichi KONDOH
Masaru Senoo
Hiroshi Hosokawa
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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung kann ein Halbleitersubstrat, eine Mehrzahl von Gräben, einen Isolierfilm, eine Steuerelektrode, eine obere Elektrode und eine untere Elektrode beinhalten. Ein Diodenbereich des Halbleitersubstrats kann einen n-Typ Bypassbereich, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm steht und mit der oberen Elektrode verbunden ist, einen p-Typ Anodenkontaktbereich, der mit der oberen Elektrode verbunden ist, einen p-Typ Körperbereich, der unterhalb des Bypassbereichs und des Anodenkontaktbereichs angeordnet ist und in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Bypassbereichs steht, einen n-Typ Driftbereich, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Körperbereichs steht, und einen n-Typ Kathodenbereich, der unterhalb des Driftbereichs angeordnet und mit der unteren Elektrode verbunden, beinhalten ist. Eine Position eines unteren Endes des Anodenkontaktbereichs kann sich unterhalb einer Position eines unteren Endes des Bypassbereichs befinden.

Description

  • Querverweis zur zugehörigen Anmeldung
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. März 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2018 - 048 303 A , deren gesamter Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird.
  • Technisches Gebiet
  • Die hierin enthaltene Offenbarung bezieht sich auf eine Ha l bleitervorrichtu ng.
  • Hintergrund
  • JP 2014 - 170 780 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat mit einem IGBT-Bereich und einem Diodenbereich beinhaltet. Diese Halbleitervorrichtung beinhaltet eine Mehrzahl von Gräben, die in einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats im IGBT-Bereich und Diodenbereich bereitgestellt sind, einen Isolierfilm, der eine innere Oberfläche von jedem der Gräben bedeckt, eine Steuerelektrode, die in jedem der Gräben angeordnet und durch deren jeweiligen Isolierfilm vom Halbleitersubstrat isoliert ist, eine obere Elektrode, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats bereitgestellt ist, und eine untere Elektrode, die auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats bereitgestellt ist. In dieser Halbleitervorrichtung beinhaltet der Diodenbereich einen Bypassbereich, einen Anodenkontaktbereich, einen Körperbereich, einen Driftbereich und einen Kathodenbereich. Der Bypassbereich ist ein n-Typ Bereich, der an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm steht und mit der oberen Elektrode verbunden ist. Der Anodenkontaktbereich ist ein p-Typ Bereich, der an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet und mit der oberen Elektrode verbunden ist. Der Körperbereich ist ein p-Typ Bereich, der unterhalb des Bypassbereichs und des Anodenkontaktbereichs angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Bypassbereichs steht und eine p-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, die niedriger ist als die des Anodenkontaktbereichs. Der Driftbereich ist ein n-Typ Bereich, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Körperbereichs steht. Der Kathodenbereich ist ein n-Typ Bereich, der unterhalb des Driftbereichs angeordnet ist, an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, eine n-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, die höher ist als die des Driftbereichs, und mit der unteren Elektrode verbunden ist.
  • In der Halbleitervorrichtung in JP 2014 - 170 780 A fließen Elektronen vom Kathodenbereich hin zur oberen Elektrode, wenn eine auf die Diode angelegte Durchlassspannung erhöht wird. Die Elektronen fließen hauptsächlich durch den Bypassbereich zur oberen Elektrode, so dass Löcher unterdrückt werden, die aus dem Anodenkontaktbereich in den Driftbereich fließen. Wenn die an die Diode angelegte Spannung von einer Durchlassspannung (forward voltage) auf eine Sperrspannung (reverse voltage) umgeschaltet wird, beginnt die Diode eine Erholungsoperation (recovery operation). Mit anderen Worten werden Löcher im Driftbereich zur oberen Elektrode ausgestoßen, und in der Diode fließt ein Erholungsstrom (recovery current). Da während des Anlegens der Durchlassspannung an die Diode Löcher in geringerer Menge in den Driftbereich fließen, ist der Erholungsstrom bei dieser Halbleitervorrichtung gering. Daher ist es unwahrscheinlicher, dass während der der Erholungsoperation in dieser Halbleitervorrichtung ein Verlust auftritt.
  • Zusammenfassung
  • In der Halbleitervorrichtung der JP 2014 - 170 780 A fließen beim Einschalten der Diode die Elektronen vom Körperbereich durch den Bypassbereich zur oberen Elektrode. Die Elektronen fließen eher durch den Bypassbereich zur oberen Elektrode, so dass beim Erhöhen der an die Diode angelegten Durchlassspannung ein Anstieg eines Durchlassstroms gegenüber dem Anstieg der Durchlassspannung vorübergehend verzögert werden kann, d.h. es kann ein Snapback-Phänomen auftreten. Das Auftreten eines solchen Snapback-Phänomens erhöht den Verlust in der Diode. Die vorliegende Beschreibung stellt eine Technologie bereit, die in der Lage ist, ein Snapback-Phänomen zu unterdrücken und gleichzeitig den Erholungsverlust zu reduzieren.
  • Eine hierin offenbarte Halbleitervorrichtung kann ein Halbleitersubstrat umfassen, das einen IGBT-Bereich (Insulated Gate Bipolar Transistor) und einen Diodenbereich beinhaltet. Die Halbleitervorrichtung kann umfassen: eine Mehrzahl von Gräben, die in einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats im IGBT-Bereich und Diodenbereich bereitgestellt sind; einen Isolierfilm, der eine innere Oberfläche von jedem der Gräben bedeckt; eine Steuerelektrode, die in jedem der Gräben angeordnet und durch deren jeweiligen Isolierfilm vom Halbleitersubstrat isoliert ist; eine obere Elektrode, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats bereitgestellt ist; und eine untere Elektrode, die auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats bereitgestellt ist. Der Diodenbereich kann umfassen: einen Bypassbereich; einen Anodenkontaktbereich; einen Körperbereich; einen Driftbereich; und einen Kathodenbereich. Der Bypassbereich kann ein n-Typ Bereich sein, der an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm steht und mit der oberen Elektrode verbunden ist. Der Anodenkontaktbereich kann ein p-Typ Bereich sein, der an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet und mit der oberen Elektrode verbunden ist. Der Körperbereich kann ein p-Typ Bereich sein, der unterhalb des Bypassbereichs und des Anodenkontaktbereichs angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Bypassbereichs steht und eine p-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, die niedriger ist als die des Anodenkontaktbereichs. Der Driftbereich kann ein n-Typ Bereich sein, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Körperbereichs steht. Der Kathodenbereich kann ein n-Typ Bereich sein, der unterhalb des Driftbereichs angeordnet ist, an der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, eine n-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, die höher ist als die des Driftbereichs, und mit der unteren Elektrode verbunden ist. Eine Position eines unteren Endes des Anodenkontaktbereichs kann sich unterhalb einer Position eines unteren Endes des Bypassbereichs befinden.
  • In der obigen Halbleitervorrichtung befindet sich die Position des unteren Endes des Anodenkontaktbereichs unterhalb der Position des unteren Endes des Bypassbereichs. Daher ist es wahrscheinlicher, dass ein Teil der Elektronen, die vom Kathodenbereich hin zur oberen Elektrode entlang einer Seitenfläche von jedem der Gräben fließen, über den Anodenkontaktbereich zur oberen Elektrode ausgestoßen wird. Elektronen, die durch den Bypassbereich zur oberen Elektrode fließen, werden dadurch reduziert, und ein Snapback-Phänomen kann unterdrückt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung 10 in einer ersten Ausführungsform.
    • 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung 210 in einer zweiten Ausführungsform.
    • 3 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung 310 in einer dritten Ausführungsform.
    • 4 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung in einer Variante.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Repräsentative, nicht einschränkende Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese detaillierte Beschreibung soll einem Fachmann lediglich weitere Details zur Ausübung bevorzugter Aspekte der vorliegenden Lehre vermitteln und soll den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken. Darüber hinaus kann jedes der nachstehend offenbarten zusätzlichen Merkmale und Lehren einzeln oder in Verbindung mit anderen Merkmalen und Lehren verwendet werden, um verbesserte Halbleitervorrichtungen sowie Verfahren zur Verwendung und Herstellung derselben bereitzustellen.
  • Darüber hinaus sind Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der folgenden detaillierten Beschreibung offenbart werden, möglicherweise nicht erforderlich, um die Erfindung im weitesten Sinne zu praktizieren, sondern werden lediglich gelehrt, um repräsentative Beispiele der Erfindung besonders zu beschreiben. Darüber hinaus können verschiedene Merkmale der oben beschriebenen und unten beschriebenen repräsentativen Beispiele sowie der verschiedenen unabhängigen und abhängigen Ansprüche auf nicht spezifisch und explizit aufgezählte Weise kombiniert werden, um zusätzliche nützliche Ausführungsformen der vorliegenden Lehren zu liefern.
  • Alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale sollen getrennt und unabhängig voneinander zum Zwecke der ursprünglichen schriftlichen Offenbarung sowie zur Einschränkung des beanspruchten Gegenstands offenbart werden, unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen. Darüber hinaus sollen alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Funktionseinheiten jeden möglichen Zwischenwert oder jedes Zwischenfunktionseinheit zum Zwecke der ursprünglichen schriftlichen Offenbarung sowie zur Einschränkung des beanspruchten Gegenstands offenbaren.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Eine Halbleitervorrichtung 10 in einer ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, ist konfiguriert mit einem Halbleitersubstrat 12, Elektroden, die auf einer oberen Oberfläche 12a und einer unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12 angeordnet sind, Isolatoren und dergleichen. Das Halbleitersubstrat 12 beinhaltet einen IGBT-Bereich 16 (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit einem IGBT und einen Diodenbereich 18 mit einer Diode. Mit anderen Worten ist die Halbleitervorrichtung 10 ein sogenannter RC-IGBT (Reverse Conducting-IGBT).
  • Das Halbleitersubstrat 12 ist beispielsweise aus Si (Silicium) zusammengesetzt. Die oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 ist mit einer Mehrzahl von Gräben 40 darin versehen. Die Gräben 40 erstrecken sich parallel zueinander entlang einer Richtung senkrecht zu einer Sheet-Oberfläche von 1.
  • Eine innere Oberfläche von jedem der Gräben 40 im IGBT-Bereich 16 ist mit einem Gate-Isolierfilm 42 bedeckt. In jedem der Gräben 40 im IGBT-Bereich 16 ist eine Gate-Elektrode 44 angeordnet. Jede der Gate-Elektroden 44 ist vom Halbleitersubstrat 12 durch ihren entsprechenden Gate-Isolierfilm 42 isoliert. Eine Oberfläche von jeder Gate-Elektrode 44 ist mit einem Zwischenschichtisolierfilm 46 bedeckt.
  • Eine innere Oberfläche von jedem der Gräben 40 im Diodenbereich 18 ist mit einem Isolierfilm 52 bedeckt. In jedem der Gräben 40 im Diodenbereich 18 ist eine Steuerelektrode 54 angeordnet. Jede der Steuerelektroden 54 ist vom Halbleitersubstrat 12 durch deren entsprechenden Isolierfilm 52 isoliert. Eine Oberfläche von jeder Steuerelektrode 54 ist mit einem Zwischenschichtisolierfilm 56 bedeckt. Ein Potential der Steuerelektroden 54 wird unabhängig von einem Potential der Gate-Elektroden 44 gesteuert.
  • Eine obere Elektrode 60 ist auf der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Die obere Elektrode 60 ist von den Gate-Elektroden 44 durch deren entsprechende Zwischenschichtisolierfilme 46 und von den Steuerelektroden 54 durch deren entsprechende Zwischenschichtisolierfilme 56 isoliert. Eine untere Elektrode 62 ist auf der unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12 angeordnet.
  • Der IGBT-Bereich 16 beinhaltet Emitterbereiche 20, Körperkontaktbereiche 22, einen Körperbereich 24, einen Driftbereich 26 und einen Abnehmerbereich 28 (collector region).
  • Die Emitterbereiche 20 sind n-Typ Bereiche und sind an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Die Emitterbereiche 20 stehen in ohmschem Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Die Emitterbereiche 20 stehen in direktem Kontakt mit den entsprechenden Gate-Isolierfilmen 42.
  • Die Körperkontaktbereiche 22 sind p-Typ Bereiche, die eine hohe Konzentration an p-Typ Verunreinigungen enthalten. Die Körperkontaktbereiche 22 sind an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Die Körperkontaktbereiche 22 stehen in ohmschem Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Jeder der Körperkontaktbereiche 22 ist angrenzend an seine entsprechenden Emitterbereiche 20.
  • Der Körperbereich 24 ist ein p-Typ Bereich mit einer p-Typ Verunreinigungskonzentration, die niedriger ist als eine p-Typ Verunreinigungskonzentration der Körperkontaktbereiche 22. Der Körperbereich 24 ist unterhalb der Emitterbereiche 20 und der Körperkontaktbereiche 22 angeordnet. Der Körperbereich 24 steht in direktem Kontakt mit jedem der Gate-Isolierfilme 42 unterhalb der Emitterbereiche 20.
  • Der Driftbereich 26 beinhaltet einen niedrigkonzentrierten Driftbereich 26a und einen Pufferbereich 26b.
  • Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 26a ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die niedriger ist als die n-Typ Verunreinigungskonzentrationen der Emitterbereiche 20 und des Pufferbereichs 26b. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 26a ist unterhalb des Körperbereichs 24 angeordnet. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 26a wird durch den Körperbereich 24 von den Emitterbereichen 20 getrennt. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 26a steht in direktem Kontakt mit den Gate-Isolierfilmen 42 in der Nähe der unteren Endabschnitte der Gräben 40, unterhalb des Körperbereichs 24.
  • Der Pufferbereich 26b ist ein n-Typ Bereich mit der n-Typ Verunreinigungskonzentration, die höher ist als die des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 26a. Der Pufferbereich 26b ist unterhalb des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 26a angeordnet.
  • Der Abnehmerbereich 28 ist ein p-Typ Bereich, der eine hohe Konzentration an p-Typ Verunreinigungen enthält. Der Abnehmerbereich 28 ist unterhalb des Pufferbereichs 26b angeordnet. Der Abnehmerbereich 28 ist durch den Driftbereich 26 vom Körperbereich 24 getrennt. Der Abnehmerbereich 28 ist an der unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Der Abnehmerbereich 28 steht in ohmschem Kontakt mit der unteren Elektrode 62.
  • Der IGBT-Bereich 16 beinhaltet den IGBT, der mit den Emitterbereichen 20, den Körperkontaktbereichen 22, dem Körperbereich 24, dem Driftbereich 26, dem Abnehmerbereich 28, den Gate-Elektroden 44 und dergleichen konfiguriert ist und zwischen der oberen Elektrode 60 und der unteren Elektrode 62 geschaltet ist. Wenn die Halbleitervorrichtung 10 als IGBT betrieben wird, ist die obere Elektrode 60 eine Emitterelektrode und die untere Elektrode 62 eine Abnehmerelektrode.
  • Der Diodenbereich 18 beinhaltet Bypassbereiche 30, Anodenkontaktbereiche 32, einen Körperbereich 34, einen Driftbereich 36 und einen Kathodenbereich 38.
  • Die Bypassbereiche 30 sind n-Typ Bereiche und sind an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Die Bypassbereiche 30 stehen in ohmschem Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Die Bypassbereiche 30 stehen in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Isolierfilm 52.
  • Die Anodenkontaktbereiche 32 sind p-Typ Bereiche, die eine hohe Konzentration an p-Typ Verunreinigungen enthalten. Die Anodenkontaktbereiche 32 sind an der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Die Anodenkontaktbereiche 32 stehen in ohmschem Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Jeder der Anodenkontaktbereiche 32 ist angrenzend an seine entsprechenden Bypassbereiche 30. Die Positionen der unteren Enden 32a der Anodenkontaktbereiche 32 befinden sich unterhalb der Positionen der unteren Enden 30a der Bypassbereiche 30.
  • Der Körperbereich 34 ist ein p-Typ Bereich mit einer p-Typ Verunreinigungskonzentration, die niedriger ist als eine p-Typ Verunreinigungskonzentration der Anodenkontaktbereiche 32. Der Körperbereich 34 ist unterhalb der Bypassbereiche 30 und der Anodenkontaktbereiche 32 angeordnet. Der Körperbereich 34 steht in direktem Kontakt mit jedem der Isolierfilme 52 unterhalb der Bypassbereiche 30.
  • Der Driftbereich 36 ist ein n-Typ Bereich, der kontinuierlich angrenzend an den Driftbereich 26 bereitgestellt ist. Der Driftbereich 36 beinhaltet einen niedrigkonzentrierten Driftbereich 36a und einen Pufferbereich 36b.
  • Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die niedriger ist als eine n-Typ Verunreinigungskonzentration der Bypassbereiche 30. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a ist unterhalb des Körperbereichs 34 angeordnet. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a wird durch den Körperbereich 34 von den Bypassbereichen 30 getrennt. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a steht in direktem Kontakt mit den Isolierfilmen 52 in der Nähe der unteren Endabschnitte der Gräben 40, unterhalb des Körperbereichs 34. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a weist die n-Verunreinigungskonzentration auf, die etwa gleich der des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 26a im IGBT-Bereich 16 ist. Der niedrigkonzentrierte Driftbereich 36a ist kontinuierlich angrenzend an den niedrigkonzentrierten Driftbereich 26a im IGBT-Bereich 16 bereitgestellt.
  • Der Pufferbereich 36b ist unterhalb des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 36a angeordnet. Der Pufferbereich 36b ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die höher ist als die des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 36a. Der Pufferbereich 36b weist die n-Typ Verunreinigungskonzentration in etwa gleich derjenigen des Pufferbereichs 26b im IGBT-Bereich 16 auf. Der Pufferbereich 36b ist kontinuierlich angrenzend an den Pufferbereich 26b im IGBT-Bereich 16 bereitgestellt.
  • Der Kathodenbereich 38 ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die höher ist als die des Pufferbereichs 36b. Der Kathodenbereich 38 ist unterhalb des Pufferbereichs 36b angeordnet. Der Kathodenbereich 38 ist an der unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Der Kathodenbereich 38 steht in ohmschem Kontakt mit der unteren Elektrode 62. Der Kathodenbereich 38 grenzt an den Abnehmerbereich 28 im IGBT-Bereich 16.
  • Der Diodenbereich 18 beinhaltet die Diode, die mit den Anodenkontaktbereichen 32, dem Körperbereich 34, dem Driftbereich 36, dem Kathodenbereich 38 und dergleichen konfiguriert ist und zwischen der oberen Elektrode 60 und der unteren Elektrode 62 geschaltet ist. Wenn die Halbleitervorrichtung 10 als Diode betrieben wird, ist die obere Elektrode 60 eine Anodenelektrode und die untere Elektrode 62 eine Kathodenelektrode. Das heißt, die Diode ist zum IGBT revers-parallelgeschaltet.
  • Als nächstes wird ein Betrieb des IGBT im IGBT-Bereich 16 beschrieben. Wenn an die Gate-Elektroden 44 ein Potential (d.h. eine Gate-Emitter-Spannung) angelegt wird, das gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, wird ein Kanal in einem Bereich des Körperbereichs 24 angrenzend an jeden Gate-Isolierfilm 42 gebildet. Wenn die Kanäle in einem Zustand gebildet werden, in dem ein Potential angelegt wird, das bewirkt, dass die untere Elektrode 62 ein höheres Potential als die obere Elektrode 60 aufweist, fließen Elektronen von der oberen Elektrode 60 zur unteren Elektrode 62 durch die Emitterbereiche 20, die Kanäle im Körperbereich 24, den Driftbereich 26 und den Abnehmerbereich 28. Darüber hinaus fließen Löcher von der unteren Elektrode 62 zur oberen Elektrode 60 durch den Abnehmerbereich 28, den Driftbereich 26, den Körperbereich 24 und die Körperkontaktbereiche 22. Das heißt, der IGBT wird eingeschaltet.
  • Anschließend, wenn das Potential der Gate-Elektrode 44 verringert wird, verschwinden die Kanäle. Die Löcher, die bei eingeschaltetem IGBT im Driftbereich 26 vorhanden sind, werden dann durch die Körperkontaktbereiche 22 zur oberen Elektrode 60 ausgestoßen. Dadurch wird der IGBT abgeschaltet.
  • Als nächstes wird ein Betrieb der Diode im Diodenbereich 18 beschrieben. Wenn eine an die Diode angelegte Durchlassspannung (d.h. eine Spannung, die bewirkt, dass die obere Elektrode 60 gegenüber der unteren Elektrode 62 positiv ist) schrittweise erhöht wird, wird ein pn-Übergang (pn conjunction) zwischen dem Körperbereich 34 und dem Driftbereich 36 eingeschaltet, und Elektronen fließen vom Kathodenbereich 38 hin zur oberen Elektrode 60. Die Steuerelektrode 54 weist ein geringes Potential auf, das etwa dem der oberen Elektrode 60 entspricht, so dass die Elektronen von einer Seitenfläche von jedem der Gräben 40 angezogen werden. Dadurch bewegt sich eine große Menge der Elektronen in Richtung der oberen Elektrode 60 entlang der Seitenfläche von jedem der Gräben 40. Wie die durchgezogenen Pfeile 100 in 1 zeigen, fließen die Elektronen dann hauptsächlich durch die Bypassbereiche 30 zur oberen Elektrode 60. Mit anderen Worten fließen die Elektronen vom Kathodenbereich 38 durch den Driftbereich 36, den Körperbereich 34 und die Bypassbereiche 30 zur oberen Elektrode 60. Dadurch wird das Fließen von Löchern vom Anodenkontaktbereich 32 in den Driftbereich 36 unterdrückt. Wenn die an die Diode angelegte Spannung von der Durchlassspannung auf eine Sperrspannung umgeschaltet wird, beginnt die Diode eine Erholungsoperation. Mit anderen Worten werden die Löcher im Driftbereich 36 zur oberen Elektrode 60 ausgestoßen, und in der Diode fließt ein Erholungsstrom. In dieser Halbleitervorrichtung 10 fließen beim Anlegen der Durchlassspannung an die Diode Löcher in kleinerer Menge in den Driftbereich 36, so dass diese kleine Menge der Löcher während des Erholungsvorgangs entsprechend vom Driftbereich 36 an die obere Elektrode 60 ausgestoßen wird. Mit anderen Worten ist der Erholungsstrom bei dieser Halbleitervorrichtung 10 gering. Ein Verlust während der Erholungsoperation in dieser Halbleitervorrichtung 10 tritt daher weniger wahrscheinlich auf.
  • Es ist zu beachten, dass, wie die Pfeile 100 zeigen, ein übermäßiger Elektronenfluss zu den Bypassbereichen 30 ein Snapback-Phänomen beim Einschalten der Diode verursacht. Andererseits befinden sich in der Halbleitervorrichtung 10 die Positionen der unteren Enden 32a der Anodenkontaktbereiche 32 unterhalb der Positionen der unteren Enden 30a der Bypassbereiche 30, so dass das Auftreten des Snapback-Phänomens unterdrückt wird. Mit anderen Worten, wenn sich die unteren Enden 32a der Anodenkontaktbereiche 32 unterhalb der unteren Enden 30a der Bypassbereiche 30 befinden, ist es wahrscheinlicher, dass ein Teil der Elektronen, die vom Kathodenbereich 38 hin zur oberen Elektrode 60 fließen, durch den Anodenkontaktbereich 32 zur oberen Elektrode 60 ausgestoßen wird, wie ein gestrichelter Pfeil 110 in 1 zeigt. Daher nehmen die Elektronen, die durch die Bypassbereiche 30 zur oberen Elektrode 60 fließen, ab. Damit kann bei dieser Halbleitervorrichtung 10 beim Einschalten der Diode das Snapback-Phänomen unterdrückt werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 eine Halbleitervorrichtung 210 in einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Es ist zu beachten, dass für eine Konfiguration in der Halbleitervorrichtung 210 in der zweiten Ausführungsform, die ähnlich ist zu derjenigen in der ersten Ausführungsform, ein Referenzzeichen ähnlich dem in der ersten Ausführungsform gegeben und deren Beschreibung weggelassen wird.
  • Die Halbleitervorrichtung 210 in der zweiten Ausführungsform beinhaltet einen IGBT-Barrierebereich 70 und einen unteren Körperbereich 72, die im IGBT-Bereich 16 bereitgestellt sind, sowie einen Diodenbarrierebereich 80 und einen unteren Körperbereich 82, die im Diodenbereich 18 bereitgestellt sind.
  • Der IGBT-Barrierebereich 70 ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die höher ist als die des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 26a, und ist unterhalb des Körperbereichs 24 angeordnet. Ein pn-Übergang befindet sich an einer Grenze zwischen dem Körperbereich 24 und dem IGBT-Barrierebereich 70. Der IGBT-Barrierebereich 70 ist durch den Körperbereich 24 von den Emitterbereichen 20 getrennt. Der IGBT-Barrierebereich 70 steht in direktem Kontakt mit jedem Gate-Isolierfilm 42 unterhalb des Körperbereichs 24.
  • Der untere Körperbereich 72 ist ein p-Typ Bereich und ist unterhalb des IGBT-Barrierebereichs 70 und oberhalb des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 26a angeordnet. Der untere Körperbereich 72 ist durch den IGBT-Barrierebereich 70 vom Körperbereich 24 getrennt. Der untere Körperbereich 72 steht in direktem Kontakt mit jedem Gate-Isolierfilm 42 unterhalb des IGBT-Barrierebereichs 70.
  • Der Diodenbarrierebereich 80 ist ein n-Typ Bereich mit einer n-Typ Verunreinigungskonzentration, die höher ist als die des niederkonzentrierten Driftbereichs 36a, und ist unterhalb des Körperbereichs 34 angeordnet. Ein pn-Übergang befindet sich an einer Grenze zwischen dem Körperbereich 34 und dem Diodenbarrierebereich 80. Der Diodenbarrierebereich 80 ist durch den Körperbereich 34 von den Bypassbereichen 30 getrennt. Der Diodenbarrierebereich 80 steht in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm 52 unterhalb des Körperbereichs 34.
  • Der untere Körperbereich 82 ist ein p-Typ Bereich und ist unterhalb des Diodenbarrierebereichs 80 und oberhalb des niedrigkonzentrierten Driftbereichs 36a angeordnet. Der untere Körperbereich 82 ist durch den Diodenbarrierebereich 80 vom Körperbereich 34 getrennt. Der untere Körperbereich 82 steht in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm 52 unterhalb des Diodenbarrierebereichs 80.
  • In der Halbleitervorrichtung 210 in der vorliegenden Ausführungsform bildet der Diodenbarrierebereich 80 im Diodenbereich 18 eine Barriere gegen Löcher, die aus dem Anodenkontaktbereich 32 fließen. Daher unterdrückt die Bereitstellung des Diodenbarrierebereichs 80 die Löcher, die beim Anlegen einer Durchlassspannung vom Anodenkontaktbereich 32 in den Driftbereich 36 fließen, und reduziert die Erholungsverluste weiter.
  • Darüber hinaus bildet der IGBT-Barrierebereich 70 im IGBT-Bereich 16 eine Barriere gegen Löcher, die aus dem Abnehmerbereich 28 fließen. Daher ist es unwahrscheinlicher, dass die Löcher beim Einschalten des IGBTs vom unteren Körperbereich 72 hin zum Körperbereich 24 fließen. Dies bewirkt, dass sich die Löcher im Driftbereich 26 ansammeln und verringert den elektrischen Widerstand des Driftbereichs 26. Verluste, die im IGBT auftreten, werden dadurch reduziert.
  • Der Diodenbarrierebereich 80 ist ein Beispiel für einen Barrierebereich.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 3 eine Halbleitervorrichtung 310 in einer dritten Ausführungsform beschrieben. Die Halbleitervorrichtung 310 in der dritten Ausführungsform beinhaltet neben der Konfiguration der Halbleitervorrichtung 210 in der zweiten Ausführungsform auch die im IGBT-Bereich 16 bereitgestellten IGBT-Säulenbereiche 74 und die im Diodenbereich 18 bereitgestellten Diodensäulenbereiche 84.
  • Die IGBT-Säulenbereiche 74 sind n-Typ Bereiche und sind jeweils in einem Bereich zwischen den Gräben 40 im IGBT-Bereich 16 angeordnet. Die IGBT-Säulenbereiche 74 erstrecken sich entlang der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 in eine Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 12. Die IGBT-Säulenbereiche 74 erstrecken sich von der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 bis zum IGBT-Barrierebereich 70 über die Körperkontaktbereiche 22 und den Körperbereich 24. Die unteren Enden der IGBT-Säulenbereiche 74 sind mit dem IGBT-Barrierebereich 70 verbunden. Die oberen Enden der IGBT-Säulenbereiche 74 stehen in Schottky-Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Mit anderen Worten ist zwischen jedem IGBT-Säulenbereich 74 und der oberen Elektrode 60 ein Schottky-Übergang 76 angeordnet.
  • Die Diodensäulenbereiche 84 sind n-Typ Bereiche und sind jeweils in einem Bereich zwischen den Gräben 40 im Diodenbereich 18 angeordnet. Die Diodensäulenbereiche 84 erstrecken sich entlang der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 in Dickenrichtung des Halbleitersubstrats 12. Die Diodensäulenbereiche 84 erstrecken sich von der oberen Oberfläche 12a des Halbleitersubstrats 12 bis zum Diodenbarrierebereich 80 über die Anodenkontaktbereiche 32 und den Körperbereich 34. Die unteren Enden der Diodensäulenbereiche 84 sind mit dem Diodenbarrierebereich 80 verbunden. Die oberen Enden der Diodensäulenbereiche 84 stehen in Schottky-Kontakt mit der oberen Elektrode 60. Mit anderen Worten ist zwischen jedem Diodensäulenbereich 84 und der oberen Elektrode 60 ein Schottky-Übergang 86 angeordnet.
  • In der Halbleitervorrichtung 310 in der vorliegenden Ausführungsform wird beim Erhöhen einer an die Diode angelegten Durchlassspannung der Schottky-Übergang 86 zwischen der oberen Elektrode 60 und jedem Diodensäulenbereich 84 eingeschaltet. Die Elektronen fließen dann von der unteren Elektrode 62 durch den Kathodenbereich 38, den Driftbereich 36, den unteren Körperbereich 82, den Diodenbarrierebereich 80 und die Diodensäulenbereiche 84 hin zur oberen Elektrode 60. Wenn die Schottky-Übergänge 86 eingeschaltet sind, nähert sich ein Potential des Diodenbarrierebereichs 80 einem Potential der oberen Elektrode 60 an. Eine Potentialdifferenz tritt daher weniger wahrscheinlich an einem pn-Übergang 88 an der Grenze zwischen dem Körperbereich 34 und dem Diodenbarrierebereich 80 auf. Daher wird auch bei anschließendem Erhöhen des Potentials der oberen Elektrode 60 der pn-Übergang 88 für eine Weile nicht eingeschaltet. Wenn das Potential der oberen Elektrode 60 weiter erhöht wird, steigt ein Strom, der über die Schottky-Übergänge 86 fließt. Dadurch erhöht sich die Potentialdifferenz zwischen der oberen Elektrode 60 und dem Diodenbarrierebereich 80, und es erhöht sich auch die Potentialdifferenz, die an dem pn-Übergang 88 auftritt. Wenn also das Potential der oberen Elektrode 60 auf ein Potential erhöht wird, das gleich oder über einem bestimmten Potential liegt, wird der pn-Übergang 88 (d.h. die Diode) eingeschaltet. Mit anderen Worten fließen die Elektronen von der unteren Elektrode 62 in einem Weg durch den Diodenbarrierebereich 80 und den Körperbereich 34 hin zur oberen Elektrode 60.
  • Somit werden in der Halbleitervorrichtung 310 in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das Potential der oberen Elektrode 60 ansteigt, zunächst die Schottky-Übergänge 86 eingeschaltet, so dass sich der Zeitpunkt, zu dem der pn-Übergang 88 eingeschaltet wird, verzögert. Dadurch wird ein Einfließen von Löchern in den Driftbereich 36 unterdrückt. Dadurch ist es weniger wahrscheinlicher, dass während eines Erholungsvorgangs der Diode ein Erholungsstrom fließt. Dadurch wird ein Verlust während der Erholungsoperation in der Halbleitervorrichtung 310 weniger wahrscheinlich.
  • Insbesondere weist die Halbleitervorrichtung 310 auch eine parasitäre Diode auf, die im IGBT-Bereich 16 bereitgestellt und durch einen pn-Übergang 78 zwischen dem Körperbereich 24 und dem IGBT-Barrierebereich 70 konfiguriert ist. Darüber hinaus ist der IGBT-Barrierebereich 70 unterhalb des pn-Übergangs 78 über die IGBT-Säulenbereiche 74 mit der oberen Elektrode 60 verbunden. Daher fließt, wie bereits erwähnt, bei steigender Durchlassspannung (d.h. dem Potential der oberen Elektrode 60) der Strom zunächst in die IGBT-Säulenbereiche 74. Anschließend, wenn die Durchlassspannung weiter ansteigt, wird der pn-Übergang 78, der die parasitäre Diode konfiguriert, eingeschaltet. Somit wird auch im IGBT-Bereich 16 der Zeitpunkt, zu dem der pn-Übergang 78 eingeschaltet wird, verzögert und das Einfließen von Löchern in die Driftbereiche 26, 36 wird unterdrückt. Dadurch wird auch der Erholungsstrom unterdrückt.
  • Insbesondere müssen die IGBT-Säulenbereiche 74 im IGBT-Bereich 16 nicht bereitgestellt werden. Mit anderen Worten können die Säulenbereiche nur im Diodenbereich 18 bereitgestellt werden.
  • Der Diodensäulenbereich 84 der Ausführungsform ist ein Beispiel für den „Säulenbereich“ in den Ansprüchen.
  • In der oben genannten ersten Ausführungsform ist der Kathodenbereich 38 über fast einen gesamten Bereich des Diodenbereichs 18 bereitgestellt. Mit anderen Worten ist im Diodenbereich 18 der Kathodenbereich 38 über fast einen gesamten Bereich der unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12 angeordnet. Wie in 4 dargestellt, kann der Kathodenbereich 38 jedoch durch p-Typ Zwischenbereiche 90 in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilt werden. In einer solchen Konfiguration werden Elektronen unterdrückt, die von der unteren Oberfläche 12b des Halbleitersubstrats 12b fließen, und der Erholungsverlust kann weiter reduziert werden. Insbesondere können die Zwischenbereiche 90 auch in anderen Ausführungsformen verwendet werden.
  • Einige der für die hierin offenbarte Technologie charakteristischen Merkmale werden im Folgenden aufgeführt. Es ist zu beachten, dass die jeweiligen technischen Elemente unabhängig voneinander sind und allein oder in Kombination nützlich sind.
  • In einer hierin als ein Beispiel offenbarten Konfiguration kann der Diodenbereich ferner umfassen: einen n-Typ Barrierebereich, der zwischen dem Körperbereich und dem Driftbereich angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Körperbereichs steht und eine n-Typ Verunreinigungskonzentration aufweist, die höher ist als die des Driftbereichs; und einen p-Typ unteren Körperbereich, der zwischen dem Barrierebereich und dem Driftbereich angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Barrierebereichs steht und den Barrierebereich und den Driftbereich trennt.
  • In einer solchen Konfiguration bildet der Barrierebereich eine Potentialbarriere gegen Löcher, die aus dem Anodenkontaktbereich fließen. Daher werden beim Anlegen der Durchlassspannung an den Diodenbereich die vom Anodenkontaktbereich fließenden Löcher unterdrückt und der Erholungsverlust kann weiter reduziert werden.
  • In einer hierin als ein Beispiel offenbarten Konfiguration kann der Diodenbereich ferner einen n-Typ Säulenbereich umfassen, der sich von der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats durch den Anodenkontaktbereich und den Körperbereich bis hin zum Barrierebereich erstreckt.
  • In einer solchen Konfiguration wird, wenn eine an den Diodenbereich angelegte Durchlassspannung ansteigt, der Zeitpunkt, zu dem der pn-Übergang an der Grenze zwischen dem Körperbereich und dem Barrierebereich eingeschaltet wird, verzögert. Dadurch wird das Einfließen von Löchern in den Driftbereich unterdrückt. Der Erholungsstrom fließt daher während des Erholungsvorgangs der Diode weniger wahrscheinlich. Dadurch kann der Erholungsverlust weiter reduziert werden.
  • Während spezifische Beispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend ausführlich beschrieben wurden, sind diese Beispiele lediglich veranschaulichend und schränken den Schutzumfang der Patentansprüche nicht ein. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie umfasst auch verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben beschriebenen spezifischen Beispielen. Die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente bieten einen technischen Nutzen, entweder unabhängig oder durch verschiedene Kombinationen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung der Ansprüche beschriebenen Kombinationen beschränkt. Darüber hinaus zielen die durch die vorliegende Beschreibung oder die vorliegenden Zeichnungen veranschaulichten Beispiele darauf ab, mehrere Ziele gleichzeitig zu erfüllen, und die Erfüllung eines dieser Ziele gibt der vorliegenden Erfindung einen technischen Nutzen.
  • Eine Halbleitervorrichtung kann ein Halbleitersubstrat, eine Mehrzahl von Gräben, einen Isolierfilm, eine Steuerelektrode, eine obere Elektrode und eine untere Elektrode beinhalten. Ein Diodenbereich des Halbleitersubstrats kann einen n-Typ Bypassbereich, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm steht und mit der oberen Elektrode verbunden ist, einen p-Typ Anodenkontaktbereich, der mit der oberen Elektrode verbunden ist, einen p-Typ Körperbereich, der unterhalb des Bypassbereichs und des Anodenkontaktbereichs angeordnet ist und in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Bypassbereichs steht, einen n-Typ Driftbereich, der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm unterhalb des Körperbereichs steht, und einen n-Typ Kathodenbereich, der unterhalb des Driftbereichs angeordnet und mit der unteren Elektrode verbunden, beinhalten ist. Eine Position eines unteren Endes des Anodenkontaktbereichs kann sich unterhalb einer Position eines unteren Endes des Bypassbereichs befinden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2018048303 A [0001]
    • JP 2014170780 A [0003, 0004, 0005]

Claims (3)

  1. Halbleitervorrichtung (10, 210, 310), die ein Halbleitersubstrat (12) umfasst, das einen IGBT-Bereich (16) (Insulated Gate Bipolar Transistor) und einen Diodenbereich (18) beinhaltet, wobei die Halbleitervorrichtung (10) umfasst: eine Mehrzahl von Gräben (40), die in einer oberen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) im IGBT-Bereich (16) und Diodenbereich (18) bereitgestellt sind; einen Isolierfilm (52), die eine innere Oberfläche von jedem der Gräben (40) bedeckt; eine Steuerelektrode (54), die in jedem der Gräben (40) angeordnet ist und vom Halbleitersubstrat (12) durch deren jeweiligen Isolierfilm (52) isoliert ist; eine obere Elektrode (60), die auf der oberen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) bereitgestellt ist; und eine untere Elektrode (62), die auf einer unteren Oberfläche (12b) des Halbleitersubstrats (12) bereitgestellt ist, wobei der Diodenbereich (18) umfasst: einen n-Typ Bypassbereich (30), der an der oberen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm (52) steht und mit der oberen Elektrode (60) verbunden ist; einen p-Typ Anodenkontaktbereich (32), der an der oberen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) angeordnet ist und mit der oberen Elektrode (60) verbunden ist; einen p-Typ Körperbereich (34), der unterhalb des Bypassbereichs (30) und des Anodenkontaktbereichs (32) angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm (52) unterhalb des Bypassbereichs (30) steht und eine niedrigere p-Typ Verunreinigungskonzentration als der Anodenkontaktbereich (32) aufweist; einen n-Typ Driftbereich (36), der in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm (52) unterhalb des Körperbereichs (34) steht; und einen n-Typ Kathodenbereich (38), der unterhalb des Driftbereichs (36) angeordnet ist, an der unteren Oberfläche (12b) des Halbleitersubstrats (12) angeordnet ist, eine höhere n-Typ Verunreinigungskonzentration als der Driftbereich (36) aufweist, und mit der unteren Elektrode (62) verbunden ist, wobei sich eine Position eines unteren Endes (32a) des Anodenkontaktbereichs (32) unterhalb einer Position eines unteren Endes (30a) des Bypassbereichs (30) befindet.
  2. Halbleitervorrichtung (210, 310) nach Anspruch 1, wobei der Diodenbereich (18) ferner umfasst: einen n-Typ Barrierebereich (80), der zwischen dem Körperbereich (34) und dem Driftbereich (36) angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm (52) unterhalb des Körperbereichs (34) steht und eine höhere n-Typ Verunreinigungskonzentration als der Driftbereich (36) aufweist; und einen p-Typ unteren Körperbereich (82), der zwischen dem Barrierebereich (80) und dem Driftbereich (36) angeordnet ist, in direktem Kontakt mit jedem Isolierfilm (52) unterhalb des Barrierebereichs (80) steht und den Barrierebereich (80) und den Driftbereich (36) trennt.
  3. Halbleitervorrichtung (310) nach Anspruch 2, wobei der Diodenbereich (18) ferner einen n-Typ Säulenbereich (84) umfasst, der sich von der oberen Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) bis zum Barrierebereich (80) durch den Anodenkontaktbereich (32) und den Körperbereich (34) erstreckt.
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